黃慶陽，姜海勇，索雪松，張 博，江東博

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

‘皇冠’梨營養(yǎng)豐富、口感蜜甜，富含膳食纖維，皮薄核小，可食用率高，并且具有鎮(zhèn)咳、抗炎、利尿的藥用功效［1-2］。我國梨果栽培面積大、果實產(chǎn)量高，均位于世界首位［3］。‘皇冠’梨果實生長過程中，為減少病蟲害、提高果實質(zhì)量，需對‘皇冠’梨幼果進(jìn)行套袋處理［4-5］。采摘后‘皇冠’梨為滿足加工、市場要求，需人工進(jìn)行剪柄和去除紙袋的工作，勞動強度大、工作效率低，相關(guān)自動化設(shè)備的研究是當(dāng)務(wù)之急。

目前水果斷柄機構(gòu)的相關(guān)研究多用于采摘機器人，按斷柄方式可分為扭斷、切斷、鋸斷等［6］。如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)徐麗明［7］等研制的臍橙采摘機器人末端執(zhí)行器采用切刀切斷的方式實現(xiàn)對果實的斷柄。西北農(nóng)林科技大學(xué)陳軍［8］等研制的獼猴桃采摘末端執(zhí)行器通過旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器將果柄扭斷。意大利Armada［9］等研制的柑橘采摘機器人末端執(zhí)行器采用圓形鋸片對果柄進(jìn)行鋸斷。由于采摘后‘皇冠’梨仍套有紙袋，且梨柄處紙袋內(nèi)部嵌有束口用的鐵絲，上述機構(gòu)無法實現(xiàn)同時對梨柄、紙袋、鐵絲三者的復(fù)合體的切斷。對針對上述問題，本文設(shè)計了1 種‘皇冠’梨斷柄撕袋裝置，可實現(xiàn)對采摘后‘皇冠’梨的斷柄和撕袋作業(yè)。該裝置為‘皇冠’梨斷柄去袋套網(wǎng)分揀一體機（以下簡稱一體機）的關(guān)鍵部件，該裝置的斷柄和撕袋作業(yè)質(zhì)量是能否去袋成功的關(guān)鍵，所以本文重點對一體機的斷柄、撕袋機構(gòu)進(jìn)行研究試驗。

1 設(shè)計要求及工作原理

1.1 一體機斷柄去袋工作原理

一體機主要由旋轉(zhuǎn)平臺、夾持裝置、斷柄裝置、撕袋裝置、去袋裝置、套網(wǎng)裝置和分揀裝置構(gòu)成。整機采用旋轉(zhuǎn)六工位式作業(yè)模式，工作時人工連續(xù)投料，分布于6 個工位處的裝置同時工作依次實現(xiàn)斷柄、去袋、套網(wǎng)和分揀任務(wù)。整機結(jié)構(gòu)及工位分布如圖1 所示。

圖1 一體機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of all-in-one machine

一體機工作流程：1）人工將采摘后‘皇冠’梨以梨柄向下的方式放置于工位Ⅰ處的夾持裝置上完成裝夾；2）夾持裝置上的‘皇冠’梨在旋轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)動作用下向工位Ⅱ運動，運動過程中由斷柄裝置完成斷柄任務(wù)；3）位于工位Ⅱ處的撕袋機械手在十字滑臺驅(qū)動下從斷柄處將紙袋撕開（圖2c）；4）位于第Ⅲ工位處的去袋機械手在十字滑臺的驅(qū)動下從紙袋撕口處對梨身進(jìn)行抓取，利用去袋機械手上的吹嘴將紙袋吹離（圖2d）；5）位于第Ⅳ工位處的套網(wǎng)裝置對‘皇冠’梨進(jìn)行套網(wǎng)；6）位于工位Ⅴ處的分揀裝置對‘皇冠’梨進(jìn)行質(zhì)量檢測；7）‘皇冠’梨在工位Ⅵ處完成卸料與收集。

圖2 斷柄去袋過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the bag removal process

1.2 斷柄機構(gòu)工作原理

由于梨柄處紙袋內(nèi)部嵌有束口用的鐵絲，其材質(zhì)為Q195。斷柄作業(yè)時，需實現(xiàn)同時對梨柄、紙袋、鐵絲三者復(fù)合體的切斷。由于能斷鐵絲的刀具不能過于鋒利，不適用于剪切紙袋，而刃口鋒利能切斷紙袋的刀具又不利于剪切鐵絲。針對上述問題，選用切削效率高、空間占用小的金屬圓鋸片對其進(jìn)行鋸切。斷柄裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。其主要由安裝架、鋸片、鋸片安裝桿、交流有刷電機和壓塊組成，其中鋸片直徑為25 mm，通過控制電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)鋸切速度。鋸切過程中，鋸切力隨著鋸切速度的提高而減小［10］，但鋸切速度過大，會降低鋸切過程穩(wěn)定性。參考金屬鋸切工藝推薦切削速度［11-12］，設(shè)定鋸切速度為95 m/min，相應(yīng)的鋸片轉(zhuǎn)速為1 250 r/min。

圖3 斷柄裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Handle breaking device structure diagram

工作時人工上料，待加工‘皇冠’梨以梨柄向下的方式放置于旋轉(zhuǎn)平臺上的定位板上，此時梨柄位于支撐板上的V 形定位口內(nèi)，梨柄及包覆在其周圍的紙簇待切削部分位于定位板下方。壓緊氣缸驅(qū)動壓頭向下壓緊完成裝夾。轉(zhuǎn)動平臺旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動‘皇冠’梨開始運動，梨柄部分進(jìn)入壓塊工作區(qū)后，梨柄及包覆在其周圍的紙袋在壓塊的壓緊作用下發(fā)生聚攏并逐漸向定位口壓緊。為使壓緊過程中壓塊對紙簇的壓力增幅緩慢且平穩(wěn)，同時降低動力輸入波動，壓塊工作面采用對數(shù)螺線型曲面［13］。由對數(shù)螺線的性質(zhì)可知，壓緊過程中梨柄和紙袋所受壓緊力方向和運動方向夾角保持不變［14］，避免了梨柄在壓緊過程中的擺動。梨柄運動至壓塊末端時，梨柄和紙袋經(jīng)過鋸片鋸齒與壓塊之間的縫隙從而被切斷。由于梨柄位于紙團(tuán)中心區(qū)域，梨柄被鋸片完全切斷。而由于鋸片邊緣與壓塊之間存在縫隙，紙袋不會被完全切斷而留有一定寬度的剩余量。切削過程中，梨柄會受切削力的作用而發(fā)生擺動。為避免梨柄因擺動而從鋸片內(nèi)側(cè)或頂部通過導(dǎo)致切削失敗，鋸片鋸切方向與梨運動方向一致。

1.3 撕袋機構(gòu)工作原理

撕袋機構(gòu)如圖4 所示，其主要由絲杠滑臺模組、撕袋機械臂、撕袋機械手組成。其中撕袋機械手主要由手指氣缸和齒形夾爪構(gòu)成，夾爪末端最大夾持力為18 N，機械手最大指間距為35 mm。為提高撕袋過程中夾持穩(wěn)定性，兩夾爪工作面設(shè)計為交錯的齒形面。工作時，機械手張開并運動至梨柄處對切口下方的紙袋進(jìn)行夾持，為避免撕袋機械手與支撐板和梨身發(fā)生干涉，持有紙袋的機械手先沿水平方向運動完成預(yù)撕裂，再沿既定路徑運動實現(xiàn)撕袋任務(wù)。

圖4 撕袋機構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of bag tearing mechanism

紙張內(nèi)纖維的排列具有方向性，纖維主要沿抄紙方向進(jìn)行排列，稱抄紙方向為縱向，與縱向垂直的為橫向。由于紙張被撕裂的實質(zhì)是紙漿纖維的斷裂和交織在一起的纖維之間的互相抽離，所以其主要抗撕裂力為纖維間結(jié)合力和纖維抵抗斷裂的力。紙張沿縱向撕裂時，裂口沿縱向纖維擴展，斷口整齊且平直［15］。通過撕裂試驗得出，用于‘皇冠’梨套袋的紙袋，沿梨身軸線方向為紙張纖維的縱向。為提高撕袋后的紙袋形態(tài)一致性進(jìn)而保障去袋成功率，對包覆在‘皇冠’梨上的紙袋沿其纖維縱向進(jìn)行撕裂［16-17］。為提高夾持裝置對梨身夾持的穩(wěn)定性、避免‘皇冠’梨在撕袋過程中發(fā)生歪斜。撕袋機械手應(yīng)沿紙袋斷裂線上在斷裂點處的切線方向?qū)ζ溥M(jìn)行撕裂。設(shè)a 點為撕袋過程中紙袋的斷裂點，b 點為機械手的夾持點，則ab 為紙袋撕裂曲線的切線，且曲線oa 的長度與ab 相等。為保證去袋機械手能從撕袋后紙袋的撕裂口處順利通過，紙袋撕裂口寬度應(yīng)大于35 mm，為防止撕裂力過大破壞梨身夾持狀態(tài)或造成梨身的歪斜影響去袋作業(yè)成功率，撕裂口寬度不宜過大，應(yīng)小于75 mm。取二者平均值55 mm 作為目標(biāo)撕裂寬度。

為利用以上幾何關(guān)系對撕袋機械手撕袋運動路徑進(jìn)行計算，利用軟尺和記號筆測量并描繪出沿紙張纖維縱向斷裂時撕裂口寬度為55 mm 時的撕裂線，如圖5 所示。

圖5 帶袋‘皇冠’梨Fig.5 Bag Crown Pear

以圖4a 中撕裂線起始處作為坐標(biāo)原點O，梨身軸線方向為x軸建立平面直角坐標(biāo)系xOy。使用MATLAB 軟件的圖像處理功能建立紙袋目標(biāo)撕裂線的曲線方程。首先使用Training Image Labler 工具對圖5 所示的目標(biāo)撕裂線上的點進(jìn)行提?。?8］，將提取出的坐標(biāo)點用Plot 繪圖指令在軟件上繪制出紙袋目標(biāo)撕裂線，運用Curve Fiting 曲線擬合工具對點軌跡進(jìn)行曲線擬合［19］，擬合結(jié)果如圖6 所示。

圖6 撕裂線擬合結(jié)果Fig.6 Tear line fitting results

根據(jù)撕裂線和機械手運動軌跡的幾何關(guān)系利用MATLAB 進(jìn)行計算分析，得出機械手運動軌跡方程為

式中，p1=2.81×10-6，p2=-3.37×10-3，p3=1.34，p4=489.8。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 壓塊的設(shè)計

壓塊是斷柄裝置的重要構(gòu)件（圖7）。

圖7 壓塊結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.7 Briquette structure

有以下作用：1）要求對梨柄及其周圍紙袋實現(xiàn)聚攏、壓緊作用進(jìn)而提高待加工物結(jié)構(gòu)一致性和鋸切時的穩(wěn)定性；2）縮小鋸切面積，減小鋸切空間；3）保證梨柄能夠順利進(jìn)入鋸切區(qū)域保證裝置斷柄工作的順利完成。

根據(jù)上述要求，壓塊的對數(shù)螺線型工作表面具有以下特征（圖7）：設(shè)xOy是以旋轉(zhuǎn)平臺中心為坐標(biāo)原點O的坐標(biāo)系，則壓塊的對數(shù)螺線型工作表面在極坐標(biāo)xOy中一般形式［20］為：

ρ=keθcotλ（2）

其中，ρ為對數(shù)螺線的極徑，表示壓塊工作表面上的點到旋轉(zhuǎn)平臺中心的距離，mm；θ為對數(shù)螺線的極角，°；k 為常數(shù)，表示極角θ為0 時極徑ρ的大?。籩 為自然常數(shù)；λ 為常數(shù)，表示為該對數(shù)螺線上任意點的切線與極徑ρ的夾角，°。

摩擦角為

壓緊位移為

其中，S—壓塊對梨柄的壓緊位移，mm；

ρ0—θ=θ0時極徑的長度，mm；

ρ1—θ=θ1時極徑的長度，mm。

式( 2) 中，令m=cotλ，則

壓塊工作面上任意點的曲率半徑為

則式（2）變形為

將式（6）轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)下的參數(shù)方程可得

為保證上料時梨柄不與壓塊發(fā)生干涉、鋸切裝置不與撕袋機械手干涉，θ0、θ1的取值范圍為

結(jié)合設(shè)計要求，取θ0=50°，θ1=80°。

為保證紙袋順利進(jìn)入壓塊工作區(qū)，同時盡可能減小摩擦角α，取ρ0=240 mm，ρ1=253 mm。

將極坐標(biāo)下的點（240，-50）、點（253，-80）代入式（7）得m=0.08，將結(jié)果代入式（8）得：λ=85.3°，k=228.5 mm。

將所得壓塊的對數(shù)螺線型工作面曲線方程輸入建模軟件Solidworks，建立壓塊的三維模型。

2.2 支撐板的設(shè)計

支撐板對‘皇冠’梨具有支撐、定位的作用，斷柄工作時梨柄及紙袋被壓塊向其“V”形定位口處壓緊。欲實現(xiàn)對梨柄完全切斷的同時紙袋被不完全切斷，梨柄在定位口的位置至關(guān)重要［21］。故“V”形定位口開口角度將直接影響斷柄、切袋效果。定位板結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖8 所示。

圖8 支撐板結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.8 Support plate structure parameters

紙袋在壓緊過程中的皺化為紙張的彎曲變形，其壓緊后的截面積是物料本身壓縮后截面積與壓緊后物體間空隙面積之和［22］。為方便對梨柄位置進(jìn)行計算，對壓緊后梨柄處的復(fù)合體做如下合理假設(shè)：1）假設(shè)梨柄周圍的紙袋是均勻包覆在梨柄周圍，且壓緊過程中梨柄位于截面的形心處；2）假設(shè)與壓塊工作面接觸的物料截面為一段直線，壓緊后復(fù)合體截面形狀為一等腰三角形；3）假設(shè)梨柄截面為標(biāo)準(zhǔn)圓形。

支撐板關(guān)鍵參數(shù)為“V”形定位口開口深度和開口角度。則壓緊后物料截面面積為

其中，S—壓緊后物料截面面積，mm2；

h—單層紙袋厚度，mm；

B—紙袋寬度，mm；

r—梨柄半徑，mm。

由圖5 可得，紙袋在“V”形定位口處被壓緊后面積為

經(jīng)測量，梨柄平均直徑為1.5 mm，單層紙袋平均厚度為0.12 mm，展開后袋寬為140 mm，開口大小與開口深度的關(guān)系為

則梨柄邊緣到壓塊工作面最小距離與定位板開口大小的關(guān)系為

3 斷柄去袋裝置試驗與分析

3.1 試驗因素與方案

通過上述分析可知，影響斷柄切袋裝置作業(yè)效果的主要因素包括：鋸片外邊緣與壓塊工作面之間的間隙、支撐板的“V”形定位口開口大小、旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速。若切割間隙過大，梨柄通過間隙時與鋸片不發(fā)生鋸切或部分鋸切，則裝置無法實現(xiàn)斷柄功能，若切割間隙過小，則鋸切后剩余紙袋寬度不足，無法實現(xiàn)撕袋或撕袋后不能實現(xiàn)后續(xù)紙袋的吹離。

根據(jù)裝置的設(shè)計要求，以斷面百分比和撕袋作業(yè)后紙袋撕口寬度2 項指標(biāo)，作為本文設(shè)計的斷柄切袋裝置工作參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)設(shè)計Box-Behnken 試驗［23］，試驗因素A為切割間隙，mm；B為定位口角度，°；C為平臺轉(zhuǎn)速，r/min；試驗響應(yīng)值Y1 為撕口平均寬度，mm；Y2 為斷柄率，%。由前文理論分析和計算作為依據(jù)確定試驗因素的高低水平，因編碼、因素水平見表1，表2。

表1 試驗因素編碼Table 1 Test Factors and Levels

表2 Box-Behnken 試驗方案與結(jié)果Table 2 Box-Behnken Test scheme and result

3.2 試驗結(jié)果與方差分析

依據(jù)表2，使用State-East 公司的Design-Expert V12.0.軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析［24］，結(jié)果如表3 所示。

表3 通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation for general rotating combination design

通過軟件對切割間隙A、定位口角度B、平臺轉(zhuǎn)速C三影響因素進(jìn)行回歸擬合，得出響應(yīng)值試驗響應(yīng)值Y1、斷柄率Y2的3 個響應(yīng)因子的二次多項式回歸數(shù)學(xué)模型，剔除不顯著項，得到數(shù)學(xué)模型為

據(jù)表3 可知，對于紙袋撕口寬度Y1，觀察指標(biāo)的回歸數(shù)學(xué)模型的P值為0.000 6，小于0.01，表明模型的顯著性極強；失擬項的P值分別為0.063 2，大于0.05，表明試驗誤差小，失擬項不顯著，回歸有效。由方差分析表可知，對紙袋撕口寬度Y1的影響，A極顯著、B顯著、A2顯著、C2顯著，影響顯著順序為A＞C2＞B＞A2；對于斷柄率Y2，觀察指標(biāo)的回歸數(shù)學(xué)模型的P值為0.002 7，小于0.01，表明模型的顯著性極強；失擬項的P值分別為0.083 7，大于0.05，表明試驗誤差小，失擬項不顯著，回歸有效。由方差分析表可知，對斷柄率Y2的影響，A極顯著、B極顯著、BC顯著、C2顯著，且B項與C項對斷柄率有交互作用的影響，影響顯著順序為A＞B＞BC＞C2。

為獲得斷柄切袋裝置最佳工作參數(shù)，本文以裝置設(shè)計要求的2 個指標(biāo)Y1、Y2為目標(biāo)函數(shù)，對工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［25］。運用Design-Expert12.0 軟件的優(yōu)化分析功能對2 個指標(biāo)的回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，目標(biāo)函數(shù)為：Y1[35，75]；Y2[max]；約束條 件 為：X1∈［-1,1］；X2∈[-1,1]；X3∈[-1,1]；通過軟件求得滿意度最高的參數(shù)組合：切割間隙為0.89 mm，“V”形定位口角度為36.5°，旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速為7.8 r/min。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計了1 種皇冠梨斷柄去袋裝置并對其關(guān)鍵部件進(jìn)行了試驗和優(yōu)化。對鋸切機構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計研究，對撕袋機械手撕袋路徑進(jìn)行了規(guī)劃。采用有刷電機驅(qū)動的圓鋸片實現(xiàn)了對梨柄、紙袋、鐵絲的復(fù)合體進(jìn)行鋸切。

（2）以切割間隙、定位口角度及平臺轉(zhuǎn)速作為變量，斷柄率和紙袋撕口寬度作為目標(biāo)進(jìn)行了Box-Behnken 試驗。利用Design-Expert 軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，建立了顯著項的回歸模型。以斷柄率高且紙袋寬度范圍為目標(biāo)優(yōu)化的裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)為：切割間隙為0.89 mm，定位板“V”形定位口角度為36.5°，旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速為7.8 r/min。