落地紅棗收獲裝備機的結構設計

賈學增，陳曦

重慶化工職業學院（重慶 400020）

現在，在國家的一些政策鼓勵之下，許多水果的種植已經由原來的個人散戶種植慢慢轉變為大規模的、有制度的種植。特別是落地紅棗，這樣種植方式的轉變已經使得其品質和產量都有很大程度的提高。但是在落地紅棗最后的采摘作業中，許多地方還是傳統的采摘方式，投入大量的人工去作業。這樣的工作活動在整個勞動過程中占有40%的份額，并且人工采摘也會導致一部分的水果品質變得不好，這將會直接影響到后面的包裝和保存，并且人工采摘容易發生事故。在機械自動化等高端技術不斷更新的當下，各種農業范圍的機械在發展變換，對于各種農產品的生產有積極的影響。

1 落地紅棗收獲裝機的收集裝備的構造設計

1.1 基本的構造設計

在空間中，物體一般具有6個自由度，試驗設計的落地紅棗收獲機要求具有5個方向的自由度，在這5個自由度中，其中3個自由度分別為兩個移動自由度和一個具有夾持功能的機械手的自由度，考慮機械輕量化，在設計課題紅棗收獲機的機體時，使用工程塑料和鋁材協調使用，這樣用材不但使得設備輕巧靈便而且使得車身方便移動。

1.1.1 減速級數的設計

現實水果采摘收集時，因為水果都比較脆，所以使用機械進行采摘和收集時一般會損壞水果表面，這樣的水果很難賣出一個好價格，甚至損壞嚴重的水果會賣不出去。這樣付出的人力和物力沒有得到很好的回報。鑒于這種情況，經過相關文獻的查詢和分析如果對減速器的級數選在一個合適的級數并且使用帶傳動會大大改善這種狀況，課題的減速比暫時定為1/30，在所設計的機構不致使水果受損的同時還需要考慮機構的設計和加工成本，綜合對比減速機性能和傳動比的具體要求之后，最終確定減速使用二級帶傳動減速機來實現效果功能。

1.1.2 減速機中支撐軸構造的設計

通過前面分析，課題的減速功能使用帶傳動來完成，而在帶傳動中，其帶輪的參數會直接影響減速效果的好壞，所以通過對帶輪軸向定位和實際尺寸大小的分析設計來增強減速機的減速效果。在設計中，比較重要的設計部分是課題使用的二級帶輪減速器的中階梯軸和軸向定位套筒等類似關鍵部件的設計選擇，圖1展示了支撐軸的裝配平面簡圖。

圖1 二級帶傳動減速機中支撐軸結構平面簡圖

設計研究的落地紅棗機械手在地面的整體運動是通過人工推拉小車來實現的。其他的運動都是建立在整體運動上，因為需要人工去推動小車進行落地紅棗機械手的移動，所以小車的高度在設計時需要滿足操作者的高度要求，高度如果和操作者不匹配會使操作者在實際操作中感到難受，不能長時間進行勞作，同時紅棗采摘器機器人需要在不同地形進行工作，所以其移動平臺下面的滾動輪在結構設計中應根據滿足不同地形路況進行設計而且移動平臺的扶手高度也需要滿足操作者的身高要求，這些機構細節設計，都將人體工程學在此次課題設計中運用得淋漓盡致。在對移動平臺的連接尺寸參數進行選擇時，首先要確定汽油發動機的結構尺寸和其他部件的安裝尺寸，根據這些信息再進行移動平臺的寬度和長度的基本設計。圖2是設計的落地紅棗采摘機器人移動平臺的數模圖形。由圖2可知，機架周圍由4根柱子組成，且其構造由兩塊直板90度角組成，圖形中的底板材料使用Q235材料通過焊接方式和其他組裝在一起。

圖2 總機架的數模圖形

1.2 收集裝置運輸帶的設計

在紅棗采摘完成后，會以一定的速度下落并和收獲機收獲裝置進行接觸，考慮水果本身就軟而且下落具備一定的動量，所以不能使用較硬的承受板接收水果，這樣會提高水果的損壞率，所以在接受物的材質選擇時使用較軟的材料，課題選用平帶接受水果和傳輸，在結構上由左右兩個皮帶連接用軟布縫制而成，水果將落在收割后的軟布之間的皮帶，在軟布上處理一些小型的矩形孔，目的在于運輸的過程中主要用于增加水果和軟布之間的摩擦，這可以極大地降低水果在軟布上的運輸速度，從而可以一起移動。當平帶持續旋轉時，果實最終被收集到移動平臺上方的收集箱里面，收集裝置傳送帶如圖3所示。

圖3 收集裝置運輸帶結簡圖

由于傳送帶在紅棗采摘過程中會處于展開狀態，如果輸送帶在不使用時或落地紅棗機械手運動時始終處于展開狀態，這樣會使紅棗收獲裝置的機械手運動不方便。鑒于以上問題，考慮將鋁合金作為輸送帶及其支撐桿部件整體框架的材料，并在鋁合金桿的結構設計中采用兩種長度實現不同的連接，它可以很好地調節不同高度的輸送帶，也可以實現輸送帶的折疊功能。傳送帶的可調節接線圖如圖4所示。

1) 在構造的設計過程中，為了防止設備在進行紅棗采摘過程中因機器故障而不能工作的情況發生，需要對鋁合金桿件之間的連接穩定性進行加強，此次課題在此機構上面設立了兩對鋁合金桿件進行支撐，形成傳送帶的整個支架，有效地加強了連接穩定性，其結構示意圖如圖5所示。

圖4 運輸帶的可調節結示意圖

圖5 運輸帶總機架未裝運輸帶的正視圖

2) 紅棗收獲裝機收集機構中需要對傳送帶的承載軸進行相關設計，設計后承載軸的二維圖如圖6和圖7所示，并表明其基本參數，其中圖6為減速級階梯軸的結構示意圖，圖7為傳輸帶支撐軸的結構示意圖。

圖6 減速級階梯軸的結構示意圖

圖7 傳輸帶支撐軸的結構示意圖

3) 在紅棗收獲裝置的相關機構設計完成后，需要將零件進行相關連接裝配，而部件的連接此次課題使用螺栓連接方式，裝置中需要進行螺栓連接的有動力軸和鋁合金桿件連接部位，鋁合金桿件和軸承座之間也需要進行螺栓連接。

另外通過安裝深溝球軸承進行連接的零件主要有傳送帶的軸承座和傳送帶承載軸之間。螺栓連接如圖8所示，深溝球連接如圖9所示。

圖8 螺栓連接示意圖

圖9 軸、軸承和軸承座連接示意簡圖

1.3 兩級減速帶輪的結構尺寸大小及總轉動比的設定

兩級減速帶輪設計的基本參數條件如表1所示。

表1 設計的基本條件

考慮在落地紅棗收獲裝機實際工作時其工況一般都是良好，而且落地紅棗收獲裝機實際作業時負荷變動不是很大，所以此次課題的工況系數通過資料查詢選擇KA=1.0，并通過式（1）計算出功率大?。?/p>

1.3.1 減速帶輪帶型的確定

帶輪功率通過前面計算為Pca=1.5 kW，根據這參數并綜合考慮此次課題的傳送帶，選用普通V帶且其形狀為Y型帶，作為一級減速帶帶型。

1.3.2 各帶輪基準直徑的計算

查找相關機械手冊得出：需汽油機帶輪d1≥50 mm。根據此次課題紅棗收獲機的屬性和采摘對象選擇帶輪直徑d1=50 mm，通過式（2）進行計算：

所以d2=280 mm。

1.3.3 傳送帶速度的計算

在進行紅棗采摘收集時，發動機的功率以及運作速度在大小上可以通過調節油門開口的大小對其進行有效控制，所以在傳送帶的速度計算時需要算出汽油機的最小轉動速度，發動機最小運轉速度通過公式（3）計算得出：

通過計算結果可知：帶速在5～25 m/s之間，調節汽油機的油門使轉速大于2 550 r/min。

1.3.4 V帶的基準長度和中心距的計算

通過式（4）和（5）對中心距得出初步大?。?/p>

通過相關資料的查詢選擇中心距大小Ld=1 330 mm。

通過式（6）算出實際中心距的大小：

1.3.5 小帶輪包角的驗證

通過數據計算可知其滿足設計要求。

1.3.6 V帶根數的確定

根據d1=50 mm，n1=2 550 r/min，查找相關資料可得：p0=0.26 kW。

根據i1=5.8 查找相關文獻資料可得：p0=0.04 kW。

根據a1=141.73°，查找相關文獻資料可得Kα= 0.98，kl=0.85。

進而把數值代入式（7），得到V帶的根數：

為保證機械正常運轉工作，V帶根數取為3。

1.3.7 帶輪軸上壓力的確定

查資料，取q=0.1 kg/m，進而根據初拉力的計算式（式（8））求得單根V帶初拉力的具體數值。

裝載在帶輪上的軸以及軸承為了更好設計其參數和計算，第一需要確定帶傳動在軸上的力Fp的大小和方向。在進行計算時可忽略帶左右兩端的拉力差，這樣就可以近似得到：

1.3.8 帶輪結構的設計概述

試驗中帶輪綜合考慮后選用實心式結，材質為HT200。

1.3.9 二級減速帶輪帶型的選用

根據帶輪的功率Pca=1.2 kW，查找相關資料進而選擇普通V帶Z型帶，因為這種帶的中心距能夠增大，而且傳動過程中的穩定性也比較好。

2 落地紅棗收獲裝機設計

2.1 總體方案圖

如圖10所示，試驗設計的收獲裝機的三維模型，其工作原理大致如下：整個結構由如圖10所示的1控制部分實現整體的控制，能夠發現、定位到落地紅棗，在電機的帶動之下，圖中2所代表的摘果機腰部組件、圖中3所代表的大臂輔助組件、圖中4所代表的大臂組件、圖中5所代表的小臂電動伸縮組件、圖中6所代表的小臂組件實現有機的運動，能夠及時地將圖中8所代表的末端執行器送到落地紅棗之上，在圖中7所代表的旋轉法蘭組件扭力作用之下實現采摘的動作。

圖10 采摘部分結構簡圖

2.2 方案細化

對落地紅棗收獲裝機設計進行位置確定，采用D-H參數法完成其設計。連桿參數有連桿長度ai、連桿扭角αi、連桿距離di和連桿轉角θi，其定義分別如下：

1) 連桿長度ai指的是其軸向垂直長度。

2) 連桿扭角αi指的是運動過程中，兩軸之間的距離。

3) 連桿距離di指的是兩根關節公垂線距離。

4) 連桿轉角θi指的是兩根關節公垂線ai與ai-1之間的夾角。

用這種方式可以確認機械手之間的距離。

根據以上條件，建立落地紅棗收獲裝機連桿坐標系，如圖11所示。

圖11 連桿坐標系

落地紅棗收獲裝機之間的距離都可以按照這種方式確定。根據以上各參數的定義，落地紅棗收獲裝機的各參數如表2所示。

表2 參數表

試驗設計的5個自由度機械手主要是通過旋轉實現對落地紅棗的采摘功能，這個方式的機械手能夠實現固定范圍內所有的落地紅棗采摘程序與速度。

3 結語

設計的落地紅棗收獲裝機共由三個機構組成，包含落地紅棗收獲裝機、水果收集機構及整機移動平臺。落地紅棗收獲裝機設計采用5軸機械手機構進行采摘；利用一款可收疊式的收集機構來作為水果收集機構，在進行工作時將其展開到一定的角度，落地紅棗收獲裝機配合輸送帶不斷運動，對水果進行收集；移動平臺主要使落地紅棗收獲裝機和水果收集機構連接成整體，并且這里使用人工方式進行移臺，之所以考慮這樣的設計是因為它具有很好的優良性，不僅適合一些中小型用戶的需要，而且性價比高，對于未來的發展一定有著巨大的用途。