番茄采摘設備的設計方法研究

李 寧 ，李 林 ，李千山

（1.新疆昌吉職業技術學院 機械工程系，新疆 昌吉 831100；2.東瑞石油鉆具有限公司，新疆 841000）

番茄及制品是深受世界各地人們喜愛的食物之一。2011年，世界番茄產量為15934萬t，其中中國番茄產量達到4857萬t，占全球總產量的30.48%。中國新疆維吾爾自治區種植番茄的農田被高山和大漠阻隔，遠離人口稠密的地區。這里地處偏遠，人煙稀少，工業和農業都不發達。這些因素有不利于農業生產的一面，但也有有利于番茄種植的另外一面，即人均土地面積大，實現機械化種植和采收的條件好，工業廢水、廢氣、廢渣污染比較小。在強烈的陽光照射下，在天山雪水的澆灌下，番茄色澤紅潤，口感香甜，果形大，病蟲害很少爆發，番茄所受污染小，品質高。這里的自然環境和氣候十分適宜番茄的種植。2010年，新疆維吾爾自治區番茄及制品的產量占全國總產量的70%以上，出口占國際貿易量的1／4，已經成為亞洲最大的番茄生產和加工基地。

在新疆，通常番茄的成熟期為80 d。目前主要采用人工采摘的方法。新疆的面積為166萬km2，常住人口有2.18千萬，平均每平方公里只有13個人，真可謂地廣人稀，面對迅速增長的番茄產量，采摘工人十分缺乏。如果從其他人力資源豐富的地區請工人來采摘，單是路費便是一筆不小的開支。例如，烏魯木齊至西安距離為兩千多公里，火車運行時間是38 h，單人往返硬臥票價932元。2012年在新疆番茄的采摘費是0.3元／kg一個人要摘3000多kg才能把路費賺回來。

種種束縛之下，發展番茄采摘設備不失為出路之一。

1 設計方法

1.1 古代設計方法

在距今十萬年前，古人就已經設計出了投石器；在2.8萬年前，又設計出了弓箭。古時候的設計產品例如指南車、地運天象儀等具有結構精巧、使用簡單、外形美觀、觀測準確度比較高等特點。可惜產品實物留存少，數據簡單，多以文字描述傳世。例如后漢書中記載地動儀“以精銅制成，員徑八尺，合蓋隆起，形如酒尊”。全文共195個字，尺寸數據3個，材料精銅，沒有配圖。如此復雜的機構，僅憑文字描述，難免語焉不詳。所以古人設計資料缺圖紙，少數據，關鍵之處密不外傳的作法，使得設計進展緩慢。偶有妙器出世，多半依賴像張衡、祖沖之這些“天才”式的人物。自西方科技傳入中國以來，設計的風格開始慢慢發生變化，設計產品開始配圖，數據也多了起來，有時還會附上量具、模具樣式和設計說明。越來越嚴謹，依圖即可復制產品，含混不清之處逐漸減少。

1.2 現代設計方法

機器的設計方法可以從不同角度作出不同分類。目前較為流行的分類方法是把過去長期采用的設計方法稱為常規（或傳統）的設計方法，近幾十年發展起來的設計方法稱為現代設計方法。常規設計方法可概括地劃分為理論設計、經驗設計、模型設計。這種設計方法一般來說就是按照某種需求確定其功能，設計機構和零件來完成這個功能。主要是選擇材料、計算尺寸、強度、壽命等數據，保證機器能在規定的時間內安全可靠地完成指定的工作。

現代設計方法主要有標準化設計、模塊化設計、優化設計、虛擬設計、智能設計等。在計算機發明之后，在機器設備的設計中大量使用計算機來輔助設計。例如繪圖不再手工繪制，改用Auto CAD繪制。或是用CATIA、UG等軟件直接繪制三維模型圖，由計算機自動生成三視圖和剖面圖。設計好的零件可以在計算機里進行受力分析、模擬裝配等，大大減少了工作量，節約時間和成本。

2 番茄采摘設備的設計方法

番茄采摘設備的設計方法主要采用了頭腦風暴法來確定總體方案，用虛擬設計法來進行零件設計、受力分析和設備數字建模與仿真等，最后采用綠色制造的理念來保證番茄采摘設備在生產、制造、使用和回收整個周期中環境污染小。番茄采摘設備的設計步驟見圖1。

圖1 番茄采摘設備的設計步驟

2.1 頭腦風暴法

頭腦風暴法這是美國人奧斯本于1938年提出的最早的創新方法，又稱智暴法、激智法、群體集智法。它是通過多人集體討論或書面交流，相互啟迪，激發靈感，從而引起創造性思維的連鎖反應，以形成綜合創新思路的一種方法。比如對采摘番茄進行頭腦風暴，采摘番茄的實質就是把番茄從其生長的莖桿上分離出來。如何分離以及在哪里分離的關鍵是找到番茄。機器如何能識別番茄呢，著眼于番茄與莖、葉、根、花有何不同，找到不同就找到了識別番茄的方法。經過頭腦風暴確定以下三種番茄采摘設備總體設計方案：

（1）顏色識別設計：成熟的番茄是紅色，番茄的莖、葉和未成熟的果實是綠色的，根和枯萎的葉子是棕黃色的。只要把識別顏色定為紅色，其他顏色均不予理會就能讓機器識別番茄。

（2）形狀識別設計：番茄的成熟果實是近似橢圓形或球形的，根和莖是圓柱形，葉子是薄片。設計甄別時只要選出橢圓形或球形，其他形狀忽略。

（3）尺寸識別設計：成熟番茄的直徑大于莖和根的直徑，葉子的尺寸雖大但太薄容易翻卷和劃破，可以利用梳理的方法，將梳齒的尺寸定為大于莖稈尺寸，小于果實尺寸，工作中可以破碎葉子，拉直莖桿，梳下果實。

在上述三種設計方案中，采摘準確率最高的是顏色識別設計方案，采摘的番茄成熟度高，番茄制品顏色紅潤，口感酸甜適宜，但設備成本較高，采摘效率低。采用尺寸識別設計方案，采摘不夠精準，會造成番茄制品顏色暗沉，口感偏酸，但設備成本較低，采摘效率高。關注產品質量的用戶可采用顏色識別設計方案，關注產品成本的用戶可采用尺寸識別作為總體設計方案。

確定番茄采摘設備總體設計方案后，就可以開始設計設備的結構和零部件了。

2.2 虛擬設計

在設備的結構和零部件設計過程中，可以用AutoCAD或CAXA等軟件繪制出零件的三視圖，加快繪圖速度，簡化制圖工作量。也可以用UG或PRO-E等軟件直接繪制出零件的三維實體形狀，由軟件自動生成二維圖紙，把零件在模擬階段才能做到的可視化大大提前，給設計人員帶來更形象和直觀的感受。還可以用CATIA或MATLAB等軟件對零部件進行受力分析，計算其強度或許用應力等參數，進行機械和振動分析。當零件設計完成后，還可以用ADAMS或CATIA等軟件，把零件組裝成機構或設備，對其結構進行受力分析，運動干涉分析，還可以渲染，制作裝配和設備運動仿真動畫。選擇任意角度仔細觀察評估產品，查找有可能改進的地方。

當確定零件的材料，輸入材料的價格之后，還能計算出零件的質量，推演出毛坯尺寸，制造所需的工、量、夾具，加工該零件所需的設備和加工時間，核算出制造成本。采用產品數據管理軟件可以把圖紙數據生成零件尺寸、制造資源、工藝特征、裝配參數、成本等數據庫，可以使得大量設計小組協調工作，減少數據修改難度和設計時間，加快產品制造進度。

虛擬設計能夠簡化設計難度，提高設計效率，減少制造成本，縮短開發周期。

2.3 綠色制造

新疆的番茄種植地大多位于天山山脈附近，位于高山和沙漠之間，用融化的雪水澆灌。這里的土地和山巒未被大規模污染破壞，基本保持原有的自然風貌。2013年，天山還被列入世界自然遺產。為保護我們的棲息地，關愛人類健康，保證番茄始終如一的高品質，在設計、制造和使用番茄采摘設備時，應盡量減少其對生態環境的危害。采用綠色制造的理念能確保番茄采摘設備在生產、制造、使用和回收整個周期中環境污染小。

綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源消耗的現代制造模式，其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中，對環境負面影響最小，資源利用率最高，并使企業經濟效益與社會效益協調優化。番茄采摘設備的生命周期主要包括：產品設計、選擇材料、礦石開采、運輸、冶煉、軋制、鑄造、鍛造、機械加工、熱處理、裝配、檢驗、調試、涂裝、包裝、銷售、使用、維修、報廢、回收等階段。在這些階段中資源消耗主要有：煤炭、石油、天然氣、礦石、水、空氣等。環境污染物主要有：二氧化碳，二氧化硫，一氧化碳，酸霧，漆霧，堿霧，含苯氣體，粉塵，含油廢水，含酸堿廢水，廢渣，金屬切屑等。

為了在產品生命周期中做到資源利用率高，能源消耗量少，污染物排放少。在設計時可采取以下措施：使用可回收利用材料；設備材料在不影響功能的情況下減量處理；在強度要求不高的地方用木材代替；排放的廢氣、廢水、廢渣能進行凈化處理；選擇環境友好的加工工藝；使用太陽能作為動力等。

3 結論

在新疆番茄成熟的季節，目前大部分地區仍然采用人工采摘的方法收獲番茄，由于不能及時請到采收工人，有許多番茄成熟后脫落，最后爛在地里，降低了番茄產量，減少了農民的收入。為促進新疆地區經濟的發展，提高農民生活水平，迫切需要研制高效綠色的番茄采摘設備。這樣不僅能夠滿足新疆地區勞動力少，番茄集中采收量大的要求，還能減輕勞動強度，提高采收效率。為農民增收節支，改變少數民族地區的落后面貌，對推進新疆經濟實現跨越式發展和長治久安起到積極的作用。