一種小型水果分揀裝置的設(shè)計(jì)及仿真研究

邱顯焱 郭士超 雷磊

【摘? 要】針對(duì)我國(guó)水果種植行業(yè)中大多為小農(nóng)戶型的特點(diǎn)，論文研制了一款可搬運(yùn)、操作簡(jiǎn)單的全自動(dòng)水果分揀小型化設(shè)備，可減輕分揀的勞動(dòng)量，提高分揀的準(zhǔn)確度。論文主要對(duì)全自動(dòng)水果分揀裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括水果自動(dòng)上料裝置、穩(wěn)定傳輸?shù)妮斔脱b置、分揀執(zhí)行裝置以及機(jī)架等。本設(shè)計(jì)可讓果農(nóng)提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

【Abstract】In view of the characteristics that most of the fruit planting industry in China belong to the type of small farmers， this paper develops a full- automatic fruit sorting miniaturized equipment that can be transported and operated easily， which can reduce the amount of sorting labor and improve the accuracy of sorting. This paper mainly designs the overall structure of the full-automatic fruit sorting device， including automatic fruit feeding device， conveying device for stable transmission， sorting execution device and frame. The design can enable fruit farmers to improve work efficiency and economic benefits， and has a certain market competitiveness.

【關(guān)鍵詞】水果分揀裝置;小型化設(shè)備;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);仿真分析

【Keywords】fruit sorting device; miniaturized equipment; structural design; simulation analysis

【中圖分類號(hào)】TS255.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）10-0182-03

1 引言

目前，對(duì)于水果外觀品質(zhì)檢測(cè)并分揀的技術(shù)研究和設(shè)備研制以及投入使用已得到極大的發(fā)展，對(duì)于減輕果農(nóng)看果辨識(shí)果質(zhì)的勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義，同時(shí)，提升了我國(guó)水果產(chǎn)后處理能力和水果生產(chǎn)的整體國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。本文設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)小型水果分揀裝置，適用于國(guó)內(nèi)小農(nóng)戶型果農(nóng)，可減輕工作量并且操作簡(jiǎn)單、便于搬運(yùn)，也使得這種小型化設(shè)備在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的小型水果分揀裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。將水果放入送料裝置，裝置將水果自動(dòng)推入傳輸裝置，傳送到設(shè)備的檢測(cè)區(qū)域。經(jīng)過(guò)近紅外光譜檢測(cè)后，給出信號(hào)指令到分揀執(zhí)行裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的分揀，最后將水果送往分揀箱當(dāng)中。本設(shè)備運(yùn)行1min能夠分揀20～30個(gè)水果。

3 上料裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)水果的大小和特性，本文設(shè)計(jì)了一種水果自動(dòng)上料裝置、穩(wěn)定傳輸?shù)妮斔脱b置和分揀執(zhí)行裝置，并利用現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的要求結(jié)合設(shè)備、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)損害、高效地進(jìn)行水果等級(jí)分揀，并且在上料、輸送和分揀的過(guò)程當(dāng)中盡量避免水果的磕碰、擦傷、翻滾等損傷，因此，適當(dāng)添加了一些柔性好、能起緩沖作用的材料，同時(shí)，保證設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

上料裝置的工作流程是將水果倒往漏斗當(dāng)中，水果沿漏口掉落到軌道并滾到推料的位置，推料裝置啟動(dòng)舵機(jī)，驅(qū)動(dòng)推板將水果推往托盤中。將輸料槽當(dāng)中的水果推向托盤當(dāng)中，本文選用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行送料。設(shè)定較大的水果直徑為90mm，半徑為45mm，要求曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程要比水果的半徑略大，設(shè)為60mm。根據(jù)計(jì)算得出曲柄和搖桿的尺寸，尺寸如圖2所示。本文的動(dòng)力元件采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)的DG-995 15kg扭矩的進(jìn)口數(shù)字舵機(jī)，控制部分由單片機(jī)單獨(dú)控制，通過(guò)三維建模設(shè)計(jì)出的自動(dòng)上料裝置的模型圖如圖3所示。

4 托盤及底座設(shè)計(jì)

該分揀裝置用于輸送的傳動(dòng)裝置中運(yùn)用托盤對(duì)水果在自動(dòng)上料裝置進(jìn)行裝載，并隨著傳送裝置沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域，再到分揀執(zhí)行裝置區(qū)域，由分揀執(zhí)行裝置對(duì)托盤中的水果進(jìn)行卸載。為完成該卸載動(dòng)作，托盤采用平開(kāi)合頁(yè)鉸鏈方式進(jìn)行側(cè)翻傾倒的任務(wù)。并且根據(jù)實(shí)際情況，卸載水果時(shí)要求鉸鏈可轉(zhuǎn)動(dòng)的角度一般在30°～45°，防止角度過(guò)大導(dǎo)致托盤倒翻不能恢復(fù)到原來(lái)位置，也可以在托盤添加一塊配重塊，可在托盤傾倒后由于配重塊的原因恢復(fù)到原來(lái)位置。

對(duì)于底座的設(shè)計(jì)要結(jié)合導(dǎo)軌以及同步帶的選型尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4所示。由于是連接同步帶進(jìn)行移動(dòng)，存在半圓弧狀的移動(dòng)路線，常規(guī)的直線面接觸導(dǎo)軌及滑塊并不適合，需要自行設(shè)計(jì)。對(duì)于這個(gè)托盤底座沿導(dǎo)軌的移動(dòng)，采用一種類似軌道小車的設(shè)計(jì)，采用軸承滾動(dòng)在導(dǎo)軌橫向滾動(dòng)。因?yàn)檩S承所承受的軸向和徑向載荷較小，選用S725 GB 292-94角接觸球軸承。并針對(duì)軸承與導(dǎo)軌的配合對(duì)托盤底座進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果采用2排雙輪，由于有半圓弧狀的路線軌道兩側(cè)輪轂間隙應(yīng)大于安裝時(shí)導(dǎo)軌的間隙，防止托盤在過(guò)半圓弧狀導(dǎo)軌時(shí)卡死，不僅增大間隙又會(huì)導(dǎo)致托盤在沿導(dǎo)軌移動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。采用2排單輪，過(guò)半圓狀的導(dǎo)軌路線時(shí)不會(huì)產(chǎn)生卡死現(xiàn)象。但是前后易產(chǎn)生晃動(dòng)，經(jīng)綜合考慮，在2排單輪的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。底座還應(yīng)該設(shè)計(jì)出與同步帶連接的槽型。根據(jù)需要適當(dāng)?shù)卦谕斜P上添加卸載水果的槽口，避免水果卡在托盤中不掉出，且槽口設(shè)計(jì)在鉸鏈的一側(cè)。

5 導(dǎo)軌及分揀執(zhí)行裝置設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌的截面形狀根據(jù)托盤底座軸承位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是采用分段式安裝，由2個(gè)直線型和半圓弧型導(dǎo)軌，考慮到托盤底座的設(shè)計(jì)，不能直接將托盤與之先配合再安裝，將整個(gè)托盤安裝后才能放入導(dǎo)軌上。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以利用滑塊對(duì)托盤進(jìn)行側(cè)推，而且豎向空間較大。曲柄滑塊搖桿機(jī)構(gòu)雖然也可以利用搖桿對(duì)托盤進(jìn)行側(cè)推動(dòng)作，由于設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)原因（如圖5所示），有同步帶的阻擋，如采用曲柄滑塊搖桿機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致?lián)u桿打到同步帶，有干涉而不能到達(dá)到托盤底面進(jìn)行推動(dòng)側(cè)翻。而正切機(jī)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)，但是考慮到空間布局，需要設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)度很長(zhǎng)的搖桿，按照已有的空間布局來(lái)看，放置的搖桿長(zhǎng)度有限，可能達(dá)不到行程要求。

經(jīng)過(guò)考慮，在選定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上還要對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加以改進(jìn)。對(duì)于曲柄來(lái)說(shuō)，由于是豎直方向傳動(dòng)，也為了提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的剛度，方便原動(dòng)機(jī)的安裝與傳動(dòng)，將曲柄換為圓盤。而滑塊要制作導(dǎo)向槽，從而進(jìn)行定位防止松動(dòng)。由于空間布局，僅靠滑塊頂托盤底面會(huì)發(fā)生與同步帶和托盤底座碰撞，需要設(shè)計(jì)一個(gè)安裝在滑塊上的彎折的頂桿，使它能夠恰巧穿插在托盤底面和托盤底座的縫隙之中，不對(duì)其他的部件產(chǎn)生影響。此外，要考慮曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置來(lái)確定起始點(diǎn)。初步的設(shè)計(jì)尺寸如圖6所示。

整個(gè)分揀執(zhí)行裝置中有4個(gè)小裝置均勻分布，每個(gè)間隔190mm，且由驅(qū)動(dòng)器控制，根據(jù)檢測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理，得出的數(shù)據(jù)大小分2～4個(gè)等級(jí)進(jìn)行區(qū)分，例如，經(jīng)過(guò)檢測(cè)的水果是第1等級(jí)，驅(qū)動(dòng)器控制第1個(gè)分揀執(zhí)行裝置將在幾秒后運(yùn)行。運(yùn)行過(guò)程是頂桿從縫隙中進(jìn)入托盤底面的一邊，電機(jī)帶動(dòng)頂桿上升，旋轉(zhuǎn)90°，到最高位置后剛好同步帶可以帶動(dòng)托盤移動(dòng)到分揀軌道正中心位置，將水果側(cè)倒進(jìn)入分揀軌道后，頂桿下降旋轉(zhuǎn)90°后，頂桿剛好到達(dá)托盤底面的另一邊，并離開(kāi)托盤，再反向旋轉(zhuǎn)180°回到起始位置，然后等待下一控制信號(hào)的發(fā)出。

6 控制方案及仿真分析

本文引用光譜儀采集技術(shù)，其應(yīng)用的原理和工作過(guò)程是：當(dāng)水果由托盤運(yùn)行到檢測(cè)控制機(jī)箱中時(shí)，近紅外光譜儀照射到水果上并采集光譜數(shù)據(jù)，然后通過(guò)接口將波長(zhǎng)信號(hào)傳送到PC機(jī)上，得到波長(zhǎng)信號(hào)后，通過(guò)軟件系統(tǒng)處理截取水果特定的波長(zhǎng)范圍，同時(shí)，對(duì)波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行降噪平滑和校正處理，再進(jìn)行數(shù)據(jù)組合計(jì)算，得出每個(gè)波長(zhǎng)上的吸光度數(shù)據(jù)并列出矩陣，將每個(gè)吸光度值數(shù)據(jù)排列為矩陣與建立的模型矩陣相乘，從而得出水果特定物質(zhì)的含量（酸甜度）。根據(jù)用戶需求設(shè)定等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)一定的數(shù)據(jù)范圍，而每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)分揀執(zhí)行裝置和分揀軌道，所以這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合PC機(jī)的精準(zhǔn)算法所得的結(jié)果可為控制分揀執(zhí)行裝置的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。之后可將處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂瓢鍓K，由控制板塊執(zhí)行對(duì)分揀執(zhí)行裝置上電機(jī)的控制。

對(duì)于電機(jī)的控制，本文設(shè)計(jì)的控制板采用STC89S52單片機(jī)，對(duì)酸甜度數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)實(shí)時(shí)接收，并利用Keil軟件編寫程序代碼。

在分揀過(guò)程中，比較重要的部分就是對(duì)水果的上料，因?yàn)樵谏狭线^(guò)程中托盤是隨著同步帶一起移動(dòng)的，一直處于移動(dòng)狀態(tài)，而上料裝置只有配合托盤的移動(dòng)速度，才能將水果推進(jìn)托盤中，這樣才能確保后續(xù)的檢測(cè)與分揀工作的正常進(jìn)行。本文進(jìn)行了仿真模擬，驗(yàn)證設(shè)備是否能夠按照設(shè)想的軌跡運(yùn)動(dòng)。這里主要仿真設(shè)備上隨同步帶移動(dòng)的托盤和上料裝置舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)完成推送水果的配合動(dòng)作。

按照同步帶輪的轉(zhuǎn)速計(jì)算出同步帶的移動(dòng)速度是V帶=161.75mm/s，因?yàn)橥斜P的移動(dòng)是隨同步帶同步移動(dòng)的，所以v托盤=V帶=161.75mm/s，2個(gè)托盤之間的間距是L均=264.58mm，通過(guò)計(jì)算得出，t間隔=1.63s，則舵機(jī)配合運(yùn)作的周期是T=1.63s。而根據(jù)選擇的舵機(jī)型號(hào)，選擇的是4.8V的工作電壓，則舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)為60°/0.13s，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)360°，完成推動(dòng)復(fù)位的效果，耗時(shí)0.78s，并停轉(zhuǎn)0.85s。以此為一個(gè)周期進(jìn)行周期性運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)這些參數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單仿真模擬。

此次仿真采用SolidWorks軟件插件當(dāng)中的Motion分析，主要添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)與路徑配合馬達(dá)。設(shè)置仿真動(dòng)畫時(shí)長(zhǎng)為20s，大約是托盤沿軌道走上一圈的時(shí)間。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)1、2的轉(zhuǎn)速設(shè)置為7.96rpm，路徑配合馬達(dá)1、2、3配合同步帶輪的速度為161.75mm/s，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)3為一個(gè)周期性間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的舵機(jī)，需要插入數(shù)據(jù)點(diǎn)（見(jiàn)圖7）。

設(shè)置好馬達(dá)后進(jìn)行一個(gè)仿真模擬分析，根據(jù)動(dòng)畫結(jié)果，托盤小車與設(shè)想一致，能夠準(zhǔn)確地按照導(dǎo)軌進(jìn)行移動(dòng)，并且在托盤移動(dòng)時(shí)，舵機(jī)準(zhǔn)確間歇性旋轉(zhuǎn)，在托盤到達(dá)位置上料位置出處，推料板剛好升到最長(zhǎng)位置處。且根據(jù)圖8可知，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中滑塊（推料板）的行程恰好也是60mm。仿真分析結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的設(shè)備結(jié)構(gòu)比較合理，能按照設(shè)想的運(yùn)行方式運(yùn)轉(zhuǎn)。

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