貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院 胡曉鑫

前言

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能逐年遞增，品質(zhì)不斷提升，同時(shí)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展配套的道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日趨完善，使得水果的運(yùn)輸儲(chǔ)藏能力也得到快速發(fā)展。不同于包裝化的實(shí)物和其他商品，水果儲(chǔ)運(yùn)受氣候、環(huán)境影響較大，且具有容易腐爛的特性，因此，水果與其他商品或貨物在儲(chǔ)運(yùn)工藝及流程上存在很大不同，當(dāng)中若有一個(gè)環(huán)節(jié)處理不慎便會(huì)令果蔬失去鮮銷價(jià)值，造成經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)[1]。當(dāng)前我國(guó)在水果采摘后處理環(huán)節(jié)上技術(shù)水平相對(duì)落后，尤其在針對(duì)水果大小、質(zhì)量的分揀環(huán)節(jié)，粗放式的人工稱重、挑選、分揀、裝箱、搬運(yùn)的流程仍是農(nóng)戶的主要作業(yè)方式。

上述模式存在諸多問(wèn)題，一方面，人工分揀的效率低，造成資源的極大浪費(fèi)，對(duì)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和果農(nóng)利益均造成不良影響。另一方面，近年來(lái)我國(guó)人口結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，勞動(dòng)力成本呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，水果采摘后處理環(huán)節(jié)面臨極大的成本壓力。采用智能化、自動(dòng)化的水果采摘后處理環(huán)節(jié)流程如圖1所示。

圖1 水果采摘后處理流程圖

1 水果分揀領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

劉智豪[2]等，設(shè)計(jì)了一種通用性較強(qiáng)的水果分揀設(shè)備。該設(shè)備可滿足不同種類水果的檢測(cè)及分揀需求。水果由進(jìn)料部件進(jìn)入傳送部件后，通過(guò)檢測(cè)部件進(jìn)行顏色、重量、尺寸，大小等參數(shù)對(duì)水果進(jìn)行分析與檢測(cè)，再通過(guò)分料部件進(jìn)行分類，最后由出料部件完成分揀作業(yè)。該設(shè)備具有較高的水果檢測(cè)精準(zhǔn)度和分揀效率。

代澤繁[3]等，分析了不同形式分揀機(jī)性能利弊，結(jié)合廣西地域中小型百香果人工分揀效率低等問(wèn)題，利用CAD三維建模軟件，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易百香果分揀設(shè)備。該設(shè)備具有三級(jí)分揀區(qū)，針對(duì)小果、中果、大果進(jìn)行不同區(qū)域的無(wú)損傷分揀，具有制作成本低、操作簡(jiǎn)易、小巧靈活等優(yōu)點(diǎn)，已在當(dāng)?shù)匕傧愎N植戶中進(jìn)行推廣和普及。

唐媛紅[4]等，對(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究，并利用數(shù)學(xué)建模建立了視覺(jué)系統(tǒng)的理論模型，設(shè)計(jì)了機(jī)器人分揀控制方案，完成軟硬件系統(tǒng)搭建，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)在果蔬采摘過(guò)程中的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高分揀作業(yè)的精度和效率，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

高旭東[5]等，研究了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，確定各項(xiàng)參數(shù)，利用三維建模技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種多功能果蔬分揀機(jī)器人末端執(zhí)行器，通過(guò)3D打印技術(shù)完成樣機(jī)制作。經(jīng)過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)球形、條形類果蔬進(jìn)行抓取，具有較高精度和有效性，并且保證果蔬表皮在抓取時(shí)不受損傷。

范勇[6]選取了山地臍橙作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其外形尺寸、重量、果皮質(zhì)地和硬度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)繪，分析得出分揀裝置應(yīng)具備的功能模塊。利用三維建模技術(shù)，將設(shè)計(jì)的上料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、分揀機(jī)構(gòu)和收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

曹亞楠[7]等，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣缸，設(shè)計(jì)了一種手持式水果采摘設(shè)備，通過(guò)氣缸的伸縮功能對(duì)末端夾取機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高空水果的快捷采摘，解決了水果采摘過(guò)程機(jī)械化程度低、果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，具有易操作、重量輕便、采摘效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2 分揀設(shè)備功能需求與設(shè)計(jì)原則

水果分揀具有較高的時(shí)效性和規(guī)范性[8]，對(duì)自動(dòng)分揀設(shè)備的設(shè)計(jì)需要考慮各種實(shí)際因素，來(lái)保證預(yù)期功能的順利實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)類球形水果（如圖2所示）進(jìn)行形狀、尺寸、重量等因素的分析，本文提出水果自動(dòng)分揀設(shè)備的功能需求和設(shè)計(jì)原則如下。

2.1 功能需求

（1）通過(guò)設(shè)備使用，能夠精準(zhǔn)、高效地替代人力，進(jìn)行水果批量化分揀收集工作，降低人工勞力成本、提高生產(chǎn)效率。

（2）設(shè)備應(yīng)具有皮帶傳輸裝置、分類篩選裝置、收集裝置等必要的功能部件，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀過(guò)程。

（3）在水果輸送、篩選分類、收集時(shí)，應(yīng)盡量保證工作過(guò)程的柔性化和系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，以避免水果的損傷，保證分揀過(guò)程的低損傷率。

（4）分類篩選裝置應(yīng)具有一定通用性，能夠較好兼容蘋(píng)果、橙子、百香果等類球形水果的自動(dòng)分揀工作。

圖2 類球形水果

2.2 設(shè)計(jì)原則

（1）分揀設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合農(nóng)業(yè)、食品等行業(yè)相關(guān)的設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)保證安全使用原則。

（2）設(shè)備各功能部件的零部件選用，應(yīng)盡量使用通用件、標(biāo)準(zhǔn)件，相關(guān)零部件具有較好互換性，以保證后期較低的維護(hù)、維修成本，便于后期設(shè)備的升級(jí)改造。

（3）設(shè)備用戶群體多為水果種植農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)相關(guān)勞動(dòng)人員，設(shè)備的操作應(yīng)符合簡(jiǎn)易、高效的原則。

（4）在滿足使用功能基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量合理化布局設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)、便于運(yùn)輸和放置，同時(shí)保證較低的整機(jī)開(kāi)發(fā)成本，易于在市場(chǎng)上推廣，讓客戶容易接納。

3 分揀設(shè)備整體方案設(shè)計(jì)

在分揀設(shè)備領(lǐng)域，目前常用的結(jié)構(gòu)有振動(dòng)篩式、直線變距式和滾筒篩式三類。其中，滾筒篩式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、易操作、易維護(hù)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在分選設(shè)備中應(yīng)用廣泛。本文研究的是一種適用于類球形水果的，可實(shí)現(xiàn)批量化分揀收集作業(yè)的水果自動(dòng)分揀設(shè)備。結(jié)合設(shè)備的功能需求和設(shè)計(jì)原則，本文選用滾筒篩式結(jié)構(gòu)進(jìn)行水果分揀收集，整套設(shè)備由傳送部件、分揀部件、收集部件三部分組成。通過(guò)Solidworks軟件對(duì)設(shè)備各功能模塊進(jìn)行建模，組成裝配體模型的虛擬樣機(jī)如圖3所示。

圖3 水果自動(dòng)分揀機(jī)三維模型

本設(shè)備主要由滾筒篩底座1、水果收集箱2、一級(jí)篩選器5、二級(jí)篩選器4、三級(jí)篩選器3、下料槽6、電機(jī)7、傳輸帶8、傳輸帶支架9、開(kāi)關(guān)控制器（圖中未畫(huà)出）等零部件構(gòu)成。其中底座1是整套設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，用于支撐三級(jí)分揀滾筒篩、水果收集箱，以及連接傳送帶裝置。傳送帶8、傳送帶支架9組成傳送部件，水果采摘后，通過(guò)人工操作，將水果傾倒放置在傳送帶上，通過(guò)帶傳動(dòng)等速、均勻地將水果載運(yùn)到下料槽6處，水果通過(guò)下料槽進(jìn)入分揀部件進(jìn)行分揀作業(yè)。分揀部件分為三級(jí)滾筒篩選器，一級(jí)篩選器5、二級(jí)篩選器4、三級(jí)篩選器3為同軸排列，且軸線傾斜向下，以便于水果能夠延軸線方向流轉(zhuǎn)分揀。各級(jí)篩選器區(qū)別在于周向分布的孔徑大小。對(duì)于類球形水果而言，通常按照果徑尺寸大小、重量等參數(shù)分為大果、中果、小果。在一批次采摘的水果中，需要對(duì)其按照果徑大小進(jìn)行分類，這時(shí)三級(jí)不同孔徑的篩選器就起到分類篩選作用。一級(jí)篩選器5為小孔徑，可以通過(guò)小果；二級(jí)篩選器4為中孔徑，可以通過(guò)中果；三級(jí)篩選器3為大孔徑，可以通過(guò)大果；水果經(jīng)下料槽進(jìn)入篩選器中，篩選器的自轉(zhuǎn)帶動(dòng)水果沿軸線方向流轉(zhuǎn)，并通過(guò)不同孔徑的篩選器，到達(dá)收集箱，實(shí)現(xiàn)不同果徑的類球形水果自動(dòng)分揀。具體作業(yè)流程圖如圖4所示。

圖4 分揀作業(yè)流程圖

本套設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局合理、易于操作、節(jié)省人力等特點(diǎn)，可根據(jù)需要分揀的類球形水果具體尺寸分布范圍，制作最為合適的三級(jí)篩選器孔徑，以滿足不同果徑、重量的分揀收集需求，在保證較低水果損傷率的同時(shí)，有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀操作，替代人工勞動(dòng)力，高效完成分揀作業(yè)。本文分揀設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化思維，通過(guò)傳送部件、分揀部件、收集部件等不同功能模塊的組合，滿足功能需求，同時(shí)也有利于后期與其他設(shè)備、功能模塊集成使用，組成技術(shù)更加先進(jìn)、功能更加完整的規(guī)?；謷a(chǎn)線。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)采摘后處理的方式方法以及自動(dòng)化分揀設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)研究，分析了當(dāng)下相關(guān)領(lǐng)域存在的問(wèn)題，探索了水果采摘后處理環(huán)節(jié)人工成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、分揀效率低等實(shí)際問(wèn)題和解決途徑，并以類球形水果為例，提出采用滾筒篩式結(jié)構(gòu)的設(shè)備設(shè)計(jì)方案，通過(guò)三級(jí)篩選器的配合使用，對(duì)水果進(jìn)行自動(dòng)化分揀收集作業(yè)。利用Solidworks三維建模軟件，結(jié)合功能需求和設(shè)計(jì)原則，建立分揀設(shè)備虛擬樣機(jī)模型，為實(shí)體設(shè)備的研發(fā)制造提供方案參考和技術(shù)儲(chǔ)備。