機電一體荔枝采收機的設計與制造

李 競,岑光杜,韋 磊,黎毓鵬,沙詩琴,張宏都

(廣西大學 機械工程學院/廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室, 南寧 530004)

0 引言

荔枝作為我國南方的特色水果,主要分布在廣東、福建、廣西、海南和臺灣等省區[1]。 荔枝味甘、酸、性溫,入心、脾、肝經,可止呃逆,止腹瀉,是頑固性呃逆及五更瀉者的食療佳品,同時有補腦健身、開胃益脾及促進食欲之功效。數據表明:2011 年,廣東省的荔枝種植面積達 27.31 萬hm2,產量達 100.83 萬t,占全國荔枝產量的 57.3%[2]。目前,我國的荔枝采摘主要以手工采摘為主,在部分地區已出現輔助采摘工具,但自動化程度不高,采摘效率低。由于荔枝樹高到數米,荔枝分布不集中,且由于現有的工具缺乏夾持功能,使得采摘荔枝時的人身危險性和荔枝損壞率極高,因此機械化采摘成為我國荔枝產業發展的迫切需求。

為解決以上問題,設計了一種機電一體荔枝采收機。該機綜合了荔枝采收的夾持、剪切和傳送操作,全程由電機操控,符合機電一體的理念,且采摘機適應性強,采摘過程安全,效率高,降低了勞動強度,實現半自動化,可滿足市場需求。

1 機構設計與工作原理

1.1 總體設計

機電一體荔枝采收機主要由機架、前后移動機機構、構、升降機構、上下與左右旋轉機構、傳送機構、夾持剪切機構組成,運用UG繪制其三維模型圖,如圖1所示。

1.機架 2.前后移動機構 3.升降機構 4.上下與左右旋轉機構 5.傳送機構 6.夾持機構 7.剪切機構圖1 總體設計Fig.1 Overall design picture。

1.2 關鍵構件設計

1.2.1 上下與左右旋轉機構的設計

上下與左右旋轉機構包括電動機、軸套、蝸桿支座、蝸桿、柱齒輪、水平旋轉軸、旋轉軸支座、連接板和垂直旋轉軸,如圖2所示。機器工作時,通過垂直旋轉軸的旋轉實現夾持與剪切機構在水平方向上的位置變化,通過蝸桿-柱齒輪的傳動實現夾持與剪切機構在高度上的位置變化。該機構主要實現采摘時的精確定位。

1.蝸桿 2.垂直旋轉軸 3.水平旋轉軸 4.旋轉軸支座 5.連接板 6.柱齒輪 7.電動機 8.蝸桿支座 9.軸套圖2 上下與左右旋轉機構Fig.2 Up and down with left and right rotating mechanism。

1.2.2 夾持機構的設計

夾持機構包括夾持電動機、夾具及夾具定位板,如圖3所示。夾持電動機和夾具都固定于夾具定位板上,夾具定位板與支撐臂相連接固定。夾具由前后移動座、中間連桿、剪式連桿組成,電動機連接有絲桿,與前后移動座的內螺紋相配合。電動機驅動時,帶有內螺紋的前后移動座向前移動,帶動連桿旋轉,使得剪式連桿閉合,起到夾持的作用。

1.電動機 2.夾具 3.夾具定位板圖3 夾持機構Fig.3 Holding mechanism。

1.2.3 剪切機構的設計

剪切機構由刀具支撐板、刀具移動塊、帶輪固定板、兩個電動機、絲桿、1對皮帶輪和刀具組成,如圖4所示。機器工作時,刀具移動電機通過絲桿-刀具移動塊的傳動,使得刀具移動塊上的帶輪和刀具均向前移動;刀具工作電機通過帶輪的傳動,控制刀具的轉動速度,起到剪切樹枝的作用。

1.刀具支撐板 2.刀具移動塊 3.帶輪固定塊 4.兩個電動機 5.絲杠 6.一對皮帶輪 7.刀具圖4 剪切機構Fig.4 Shearing mechanism。

1.3 裝置的主要參數

裝置的主要參數如表1所示。

表1 設計的主要參數Table 1 The main parameters of the design。

1.4 工作原理

機電一體荔枝采收機主要通過電機提供驅動力,再以人力操作輔助定位采摘;通過機架的萬向輪將裝置推至荔枝樹旁,利用前后移動機構、升降機構、上下與左右旋轉機構對刀具進行精準定位,啟動夾持電動機驅動絲杠,從而帶動夾具的閉合,將荔枝枝干夾持住;然后,啟動兩個剪切電機,一個電機帶動刀具的旋轉運動,刀具的旋轉運動作為主運動,另一個電機通過帶動相連的絲桿實現刀具的進給運動,將荔枝質感進行切斷;最后,驅動加持電機反向轉動,從而使夾具松開,切斷好的荔枝自然掉落到傳送機構的收集框中;重復操作,待收集框中裝滿荔枝后,利用傳送機構將其傳送到下方取出,從而實現整個采摘過程。

2 理論計算及性能分析

2.1 多自由度模型的建立

根據前后移動機構、升降機構、上下與左右旋轉機構所確定的自由度,可以建立本采收機的多自由度運動模型,如圖5所示。

圖5 多自由度模型Fig.5 Multiple degree of freedom model。

以X為前后移動機構移動方向,Z為升降機構移動方向,Y為上下旋轉是的旋轉軸,以四腳支撐的中心的地面投影點為原點。由圖5可知:4個自由度的運動分別涵蓋了X、Y、Z方向的位移,設定上下與左右旋轉機構的水平旋轉軸與垂直旋轉軸的交點為中心。現只考慮夾持起始點的運動情況,推得夾持起始點其具體復合各方向位移公式為

式中d—夾持起點到中心的距離;

φ1—rY方向轉角;

φ0—rY方向初始轉角;

δ1—rZ方向轉角;

δ0—rZ方向初始轉角。

分別在數學軟件MatLab中進行仿真實驗,探究荔枝采收機能采收到的最遠范圍,如圖6、圖7所示。設置轉角φ在15°～75°為安全范圍,坐標軸與多自由度模型中所設定的坐標軸相同。

圖6 最高采收范圍圖Fig.6 Diagram of the highest harvesting area。

圖7 最遠采收范圍圖Fig.7 Map of the farthest harvesting area。

由圖6和圖7可知:最高采收距離為1.90m,最遠采收距離為1.40m。這樣的工作能力能較好地適應荔枝樹高、山地崎嶇不平的特點,更好地滿足勞動需要。

2.2 夾持機構運動學與力學分析

2.2.1 運動學分析

將夾持機構轉化成機構運動簡圖,分析其運動特征,如圖8所示。

圖8 夾持機構運動簡圖Fig.8 Schematic diagram of clamping mechanism。

通過剪夾持機構的機構運動簡圖,可將其分析為偏置曲柄滑塊機構,進行公式推導。通過三角變換和積分變換的方法,根據三角形特征,求得在X-Y平面上的曲柄轉角θ與轉速ω,即

式中x—滑塊與鉸鏈間水平距離;

h—滑塊與鉸鏈間初始垂直距離;

r—曲柄長度;

l—連桿(輔臂)長度;

θ——曲柄轉角;

ω—曲柄轉速;

v—滑塊移速。

由于剪式連桿的各部分在確定情況下可視為剛體,因此以其最遠端點為研究目標,臂長d的轉速與曲柄轉速φ一致,通過復合函數的方式進行位移、速度的表達,則

式中x—X方向上的位移;

z—Z方向上的位移;

vax—提升運動時的X方向速度;

vaz—提升運動時的Z方向速度;

d—夾具與中心鉸鏈距離;

δ—夾具臂與曲柄的夾角;

θ(t1)—夾持機構傾角關于時間的中間函數。

此數學模型即為夾持機構的運動學模型。

2.2.2 運動學分析

將夾持機構轉化成機構受力簡圖,分析其受力特征,如圖9所示。

圖9 夾持機構受力簡圖Fig.9 Stress diagram of the clamping mechanism。

通過夾持機構的受力分析圖,可將其分析為偏置曲柄滑塊機構,進行公式推導。首先以O作為原點,建立力矩平衡方程,即

式中FJ—夾具的輸出夾持力;

FN—電機傳遞到絲桿的軸力。

接著,通過絲桿軸力公式與三角形特征,得到樹枝寬度與夾持力大小的關系方程為

其中,T為電機輸出轉矩;η為絲桿工作效率;P為絲桿導程;μ為摩擦因數;m為滑塊質量;H為樹枝寬度;i為電機絲桿組合的傳動比;θ(H)為剪式連桿轉角關于時間的中間函數。

3 ADAMS虛擬仿真實驗及結果分析

將UG建立的模型導入到ADAMS仿真軟件中,再添加運動副與驅動,如圖10所示。

圖10 夾持機構仿真約束圖Fig.10 Simulation constraint diagram of clamping mechanism。

以剪式連桿頂點作為研究目標,仿真結果如圖11～圖15所示。

圖11 夾持機構X方向位移圖Fig.11 Displacement diagram of clamping mechanism in X direction。

圖12 夾持機構Z方向位移圖Fig.12 Displacement diagram of clamping mechanism in Z direction。

圖13 夾持機構X方向速度Fig.13 Speed of clamping mechanism in X direction。

圖14 夾持機構Z方向速度Fig.14 Speed of clamping mechanism in Z direction。

由圖表可見:夾持機構的運動具有連貫完整性,且速度變化始終在同一方向,保障了機構的壽命。

由圖表可知:夾持機構的受力振幅較小,初始夾持力最大,但總體穩定變化,保障了機構的壽命。

4 裝置的試制與試驗

4.1 樣機試制

經過MatLab和ADAMS仿真驗證了模型原理的可行性及關鍵部位設計的合理性,在經過實地調查確定了零件的參數,試制了實物樣機,如圖16、圖17所示。

圖16 機電一體荔枝采收機整體實物圖Fig.16 Mechanical and electrical integration of litchi harvester overall physical picture。

圖17 樣機部分實物圖Fig.17 Part of the physical prototype。

4.2 試驗

為檢驗裝置實際各項性能能否滿足生產所需,在南寧市郊區荔枝園進行實地試驗。分別選取近處(100m)和遠處(200m)進行試驗,結果如表2所示。

表2 測試結果Table 2 The test result。

由表2可知:機電一體荔枝采收機具備大大縮減采摘時間的功能,在長期連續采摘的情況下采摘速度大約為4s左右,縮短了63.3%的工作時間,且采摘成功率維持在95.1%以上,采摘連續率(即裝置故障導致的包裝工作中斷時間占總時間的比)維持在96.0%以上。

5 結論

1)裝置由電機作為動力,剪式連桿夾持機構為執行部分,夾持穩定,滿足農民對機械化產品操作簡單及工作穩定的要求。

2)裝置經過MatLab仿真計算,得出荔枝的最高采收距離在1.90m,最遠采收距離為1.40m,能夠較好地滿足荔枝樹高及山地崎嶇不平的特點。

3)裝置經過ADAMS仿真,從運動學與動力學的角度驗證了機電一體荔枝采收機的合理性,并通過實物試制與試驗,結果表明:裝置提高了荔枝產業鏈中采收環節的效率,大大降低了成本,可滿足荔枝產業的發展需求。