水果自動分揀技術應用研究

貴州裝備制造職業學院 胡曉鑫

前言

隨著現代化農業技術的廣泛應用，我國水果產業的產能逐年遞增，品質不斷提升，同時與產業發展配套的道路交通基礎設施建設日趨完善，使得水果的運輸儲藏能力也得到快速發展。不同于包裝化的實物和其他商品，水果儲運受氣候、環境影響較大，且具有容易腐爛的特性，因此，水果與其他商品或貨物在儲運工藝及流程上存在很大不同，當中若有一個環節處理不慎便會令果蔬失去鮮銷價值，造成經濟損失和資源浪費[1]。當前我國在水果采摘后處理環節上技術水平相對落后，尤其在針對水果大小、質量的分揀環節，粗放式的人工稱重、挑選、分揀、裝箱、搬運的流程仍是農戶的主要作業方式。

上述模式存在諸多問題，一方面，人工分揀的效率低，造成資源的極大浪費，對產業的健康發展和果農利益均造成不良影響。另一方面，近年來我國人口結構發生變化，勞動力成本呈增長趨勢，水果采摘后處理環節面臨極大的成本壓力。采用智能化、自動化的水果采摘后處理環節流程如圖1所示。

圖1 水果采摘后處理流程圖

1 水果分揀領域研究現狀

劉智豪[2]等，設計了一種通用性較強的水果分揀設備。該設備可滿足不同種類水果的檢測及分揀需求。水果由進料部件進入傳送部件后，通過檢測部件進行顏色、重量、尺寸，大小等參數對水果進行分析與檢測，再通過分料部件進行分類，最后由出料部件完成分揀作業。該設備具有較高的水果檢測精準度和分揀效率。

代澤繁[3]等，分析了不同形式分揀機性能利弊，結合廣西地域中小型百香果人工分揀效率低等問題，利用CAD三維建模軟件，設計了一種簡易百香果分揀設備。該設備具有三級分揀區，針對小果、中果、大果進行不同區域的無損傷分揀，具有制作成本低、操作簡易、小巧靈活等優點，已在當地百香果種植戶中進行推廣和普及。

唐媛紅[4]等，對機器視覺應用技術進行了研究，并利用數學建模建立了視覺系統的理論模型，設計了機器人分揀控制方案，完成軟硬件系統搭建，并進行仿真實驗。結果表明，通過機器視覺在果蔬采摘過程中的應用，可以進一步提高分揀作業的精度和效率，具有較好的推廣應用價值。

高旭東[5]等，研究了機器人運動學模型，確定各項參數，利用三維建模技術，設計了一種多功能果蔬分揀機器人末端執行器，通過3D打印技術完成樣機制作。經過實例驗證，該機器人可以實現對球形、條形類果蔬進行抓取，具有較高精度和有效性，并且保證果蔬表皮在抓取時不受損傷。

范勇[6]選取了山地臍橙作為研究對象，通過對其外形尺寸、重量、果皮質地和硬度等參數進行測繪，分析得出分揀裝置應具備的功能模塊。利用三維建模技術，將設計的上料機構、傳送機構、分揀機構和收集機構進行虛擬裝配，通過運動仿真驗證設計的合理性和有效性。

曹亞楠[7]等，采用機械結構和氣缸，設計了一種手持式水果采摘設備，通過氣缸的伸縮功能對末端夾取機構進行控制，實現高空水果的快捷采摘，解決了水果采摘過程機械化程度低、果農勞動強度大等問題，具有易操作、重量輕便、采摘效率高等優點。

2 分揀設備功能需求與設計原則

水果分揀具有較高的時效性和規范性[8]，對自動分揀設備的設計需要考慮各種實際因素，來保證預期功能的順利實現。通過對類球形水果（如圖2所示）進行形狀、尺寸、重量等因素的分析，本文提出水果自動分揀設備的功能需求和設計原則如下。

2.1 功能需求

（1）通過設備使用，能夠精準、高效地替代人力，進行水果批量化分揀收集工作，降低人工勞力成本、提高生產效率。

（2）設備應具有皮帶傳輸裝置、分類篩選裝置、收集裝置等必要的功能部件，以實現自動分揀過程。

（3）在水果輸送、篩選分類、收集時，應盡量保證工作過程的柔性化和系統運轉的穩定性，以避免水果的損傷，保證分揀過程的低損傷率。

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

圖2 類球形水果

2.2 設計原則

（1）分揀設備的結構設計應符合農業、食品等行業相關的設備設計標準，同時保證安全使用原則。

（2）設備各功能部件的零部件選用，應盡量使用通用件、標準件，相關零部件具有較好互換性，以保證后期較低的維護、維修成本，便于后期設備的升級改造。

（3）設備用戶群體多為水果種植農戶或農業相關勞動人員，設備的操作應符合簡易、高效的原則。

（4）在滿足使用功能基礎上，應盡量合理化布局設備機械結構、便于運輸和放置，同時保證較低的整機開發成本，易于在市場上推廣，讓客戶容易接納。

3 分揀設備整體方案設計

在分揀設備領域，目前常用的結構有振動篩式、直線變距式和滾筒篩式三類。其中，滾筒篩式具有結構簡單、精度高、易操作、易維護、成本低等優點，在分選設備中應用廣泛。本文研究的是一種適用于類球形水果的，可實現批量化分揀收集作業的水果自動分揀設備。結合設備的功能需求和設計原則，本文選用滾筒篩式結構進行水果分揀收集，整套設備由傳送部件、分揀部件、收集部件三部分組成。通過Solidworks軟件對設備各功能模塊進行建模，組成裝配體模型的虛擬樣機如圖3所示。

圖3 水果自動分揀機三維模型

本設備主要由滾筒篩底座1、水果收集箱2、一級篩選器5、二級篩選器4、三級篩選器3、下料槽6、電機7、傳輸帶8、傳輸帶支架9、開關控制器（圖中未畫出）等零部件構成。其中底座1是整套設備的主體結構，用于支撐三級分揀滾筒篩、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，通過人工操作，將水果傾倒放置在傳送帶上，通過帶傳動等速、均勻地將水果載運到下料槽6處，水果通過下料槽進入分揀部件進行分揀作業。分揀部件分為三級滾筒篩選器，一級篩選器5、二級篩選器4、三級篩選器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分揀。各級篩選器區別在于周向分布的孔徑大小。對于類球形水果而言，通常按照果徑尺寸大小、重量等參數分為大果、中果、小果。在一批次采摘的水果中，需要對其按照果徑大小進行分類，這時三級不同孔徑的篩選器就起到分類篩選作用。一級篩選器5為小孔徑，可以通過小果；二級篩選器4為中孔徑，可以通過中果；三級篩選器3為大孔徑，可以通過大果；水果經下料槽進入篩選器中，篩選器的自轉帶動水果沿軸線方向流轉，并通過不同孔徑的篩選器，到達收集箱，實現不同果徑的類球形水果自動分揀。具體作業流程圖如圖4所示。

圖4 分揀作業流程圖

本套設備具有結構簡單、布局合理、易于操作、節省人力等特點，可根據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，有效實現自動分揀操作，替代人工勞動力，高效完成分揀作業。本文分揀設備的結構設計采用模塊化思維，通過傳送部件、分揀部件、收集部件等不同功能模塊的組合，滿足功能需求，同時也有利于后期與其他設備、功能模塊集成使用，組成技術更加先進、功能更加完整的規模化水果分揀產線。

5 結語

本文對我國水果產業采摘后處理的方式方法以及自動化分揀設備進行了相關研究，分析了當下相關領域存在的問題，探索了水果采摘后處理環節人工成本高、勞動強度大、分揀效率低等實際問題和解決途徑，并以類球形水果為例，提出采用滾筒篩式結構的設備設計方案，通過三級篩選器的配合使用，對水果進行自動化分揀收集作業。利用Solidworks三維建模軟件，結合功能需求和設計原則，建立分揀設備虛擬樣機模型，為實體設備的研發制造提供方案參考和技術儲備。