朱容芳，朱煜華

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物醫(yī)學(xué)院,四川 雅安 611130)

0 引言

蘋果作為最為常見的水果之一，資料顯示2012年，我國蘋果種植面積就達(dá)到230萬hm2，產(chǎn)量達(dá)3800萬t，且近幾年中國在蘋果生產(chǎn)、出口和消費(fèi)上遙遙領(lǐng)先其它國家[1]，水果種植業(yè)的迅速發(fā)展提升了果園收獲機(jī)械的市場需求，針對商品果采摘我國目前存在的相對較多的是機(jī)械手“一對一”模式，運(yùn)用振搖法進(jìn)行非商品果的采摘，極大提高了采摘效率。

1 工作原理

蘋果采摘機(jī)械臂與末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)包括動力機(jī)、曲軸、搖桿、可伸縮式機(jī)械臂、機(jī)械爪。機(jī)器工作時(shí)，通過機(jī)械臂的伸縮調(diào)整機(jī)械爪與樹干的距離，距離合適后，張開機(jī)械爪抓住樹干，由于大多果園中果樹整齊種植，因此兩側(cè)的機(jī)械爪都可以抓住樹干，然后，原動機(jī)帶動曲軸開始轉(zhuǎn)動，再通過搖桿將動力傳遞給末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使蘋果樹左右搖晃產(chǎn)生慣性力，以此對蘋果的果柄加以力的作用，當(dāng)慣性力大于果柄與樹枝連接的結(jié)合力，或者蘋果與果柄的結(jié)合力時(shí)，蘋果就會被搖晃下來，而后收集起來即可完成蘋果的采摘，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 曲軸搖桿的設(shè)計(jì)與分析

機(jī)械爪抓取樹干的部位離地越高，全振幅越大，阻力矩越小，取蘋果樹直徑為100 mm，正常土壤環(huán)境下，采用振動臺進(jìn)行試驗(yàn)，得到最佳夾取位置為h=750 mm，振動最大幅角為3°，可得全振幅S≈80 mm，曲柄半徑r與全振幅S之間的關(guān)系為S=2r，故，曲軸半徑為40 mm，設(shè)計(jì)曲軸結(jié)構(gòu)如圖2。

1.曲軸；2.搖桿；3.伸縮機(jī)械臂；4.機(jī)械爪；5.原動機(jī)

圖2 曲軸設(shè)計(jì)圖

2.2 機(jī)械爪的設(shè)計(jì)與分析

機(jī)械爪計(jì)算夾緊力可按照公式：F≥K1K2K3mg 進(jìn)行計(jì)算。其中F為夾緊力N；K1為安全系數(shù)；K2為工作情況系數(shù)；K3為方位系數(shù)m被抓取物件的質(zhì)量。

分析后取K1=1.6、K2=0、K3=1.25，估算蘋果樹的平均重量為150 kg，計(jì)算得F≥2940 N。

考慮到夾取的是蘋果樹干，相對于夾取果實(shí)來說較為簡易，查閱資料可知在相同的夾緊力情況下，圓弧形狀的曲線型手指對樹干造成的損傷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直線型手指帶來的損傷[3]。故確定，采用回轉(zhuǎn)式的二指夾取夾持機(jī)構(gòu)，夾持手指采用圓弧形式。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，果園栽培壯年結(jié)果蘋果樹的主干直徑平均在90～180 mm之間。因此機(jī)械手指的設(shè)計(jì)夾持直徑范圍為80～200 mm,夾持的縱向?qū)挾葹?0 mm。

固定進(jìn)給螺旋桿(簡稱進(jìn)給螺桿)的設(shè)計(jì)中進(jìn)給螺桿所受軸向力為F,其大小就是與螺旋滑塊之間的摩擦力，可通過F=μmg來計(jì)算，螺旋滑塊與進(jìn)給螺桿的材料都為鋼，查閱資料得μ為0.1,螺旋滑塊質(zhì)量為0.5 kg則F=0.49 N。

進(jìn)給螺桿參數(shù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)：

(1)進(jìn)給螺桿公稱直徑d=14 mm，小徑d2=12.06 mm，螺距P=2 mm；(2)螺紋導(dǎo)程Ph=6 mm;(3)旋合長度L=100 mm;(4)旋合圈數(shù)m=8;(5)螺紋工作高度H=1 mm;(6)螺紋表面工作壓強(qiáng)q=0.0015 MPa。

校核工作壓強(qiáng)q<[P]，因此符合強(qiáng)度要求。圖3為進(jìn)給螺桿的位移形變圖?？梢钥闯鲂巫冏畲蟮奈恢迷诼菁y處，最大變形量為6.047 7×10-6m，查閱資料取螺桿許可撓度[y]=0.000 5L,L=0.13 m；[y]=6.5×10-5m>6.047 7×10-6m,故強(qiáng)度符合要求。機(jī)械爪的設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖3 位移形變圖

圖4 機(jī)械爪的設(shè)計(jì)圖

機(jī)械爪的工作原理主要是由夾持手指、進(jìn)給螺旋桿、夾持連桿、螺旋滑塊、橡膠墊等組成，螺旋滑塊與進(jìn)給螺旋桿之間通過螺紋配合連接，夾持連桿一端鉸連在螺旋滑塊上，另一端鉸連在夾持架上，橡膠墊安置在夾持架上。機(jī)構(gòu)初始處于閉合夾緊狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)給螺旋桿開始轉(zhuǎn)動時(shí)，配合在其上面的螺旋滑塊會向后端移動，同時(shí)，鉸接于其上的夾持連桿向左右兩端展開，夾持手指也會以一定角度打開，使機(jī)械爪張開。同時(shí)機(jī)械爪夾緊樹干時(shí)，夾持架表面的彈性橡膠墊便會起到保護(hù)、防松與緩震的作用。

2.3 機(jī)械伸縮臂的設(shè)計(jì)

伸縮機(jī)構(gòu)采用單級液壓缸伸縮系統(tǒng)，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)圖如圖5所示。本伸縮機(jī)械臂初始長度為1.5 m，最大伸長長度可達(dá)2.5 m，能夠滿足大部分果園的采摘工作。

設(shè)計(jì)液壓缸內(nèi)徑D1為100 mm，活塞桿直徑D2為80 mm，工作壓力平均約為p1為2 MPa,機(jī)械效率δ=0.98。

當(dāng)無桿腔進(jìn)壓力油時(shí)，可承受的最大負(fù)載

當(dāng)有桿腔進(jìn)壓力油時(shí)，可承受的最大負(fù)荷

在進(jìn)行了機(jī)械的設(shè)計(jì)后，利用UG軟件對其進(jìn)行虛擬裝配得出，整組工作機(jī)的裝配如圖6所示

圖5 液壓伸縮臂的設(shè)計(jì)

圖6 整體裝配圖

3 總結(jié)

以蘋果的采摘收獲為研究對象，進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，研究現(xiàn)有技術(shù)，提出一種高效蘋果采摘機(jī)械的設(shè)計(jì)方案；對蘋果采摘機(jī)械臂與末端執(zhí)行器的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括高效的蘋果采摘動力機(jī)構(gòu)、采摘機(jī)械爪、液壓伸縮臂等。應(yīng)用UG軟件對本產(chǎn)品進(jìn)行了建模與運(yùn)動仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

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