基于气压传动的高空水果采摘收集机械设计

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-05-10 09:28 热度：

　　摘　要：针对现有辅助人工采摘机械存在的结构复杂、操作困难以及采摘环境差等问题，设计了一款基于气压传动的半自动高空水果采摘收集机械装置。此装置采用气压传动的设计思路，由一个小型气泵提供压缩空气，由电源、电磁阀以及导气管组成气压传动系统，利用曲柄滑块机构和类球型剪切机构完成对高空水果的采摘。通过对气缸进行受力分析，计算出所需的最大压强为 0.25 MPa 采用有限元计算软件计算出光轴所受的最大应力为 8.640 4 MPa，满足轴的强度要求。

　　关键词：水果采摘;气动控制;自动伸缩;类球形剪切

　　在水果种植中，收获采摘是整个生产中最耗时、耗力的一个过程，收获期间需投入的劳力占整个种植过程的 50% ～ 70%[1]。由于采摘环境和操作的复杂性，目前国内水果的采摘基本上还是由手工完成。因此，生产一种可辅助人工采摘的装置以实现高效化水果收获采摘变得非常迫切。本文设计了一种集伸缩、剪切、回收功能于一体的水果采摘装置，广泛适用于各种果园和个体的水果采摘，具有较高的推广应用价值。

　　1　系统构成及总体工作原理

　　如图 1 所示，该机构主要由剪切器、伸缩杆、控制器及回收圈 4 部分组成。

　　1.1　球形剪切原理

　　该部分通过气缸带动滑块上下运动，其中滑块与连杆通过轴相连接，连杆又与半球通过轴相连接，实现滑块带动连杆，连杆带动球进行剪切运动。

　　1.2　伸缩杆工作原理

　　通过操控三位五通电磁阀控制气缸不同端进出空气，当下端进气时，伸缩杆向上运动;当上端进气时，伸缩杆向下运动;电磁阀处于中位时则两端都不进出气，伸缩杆停止运动，从而实现装置随不同高度的自由伸缩调节功能 [2]。

　　1.3　控制器原理

　　当装置接通电源，并打开总开关时，气泵开始工作。首先，当剪切装置需要到达较高的位置时，按住控制开关 3 中的上升按钮，使伸缩杆 4 开始上升，到达所需高度后，松开上升按钮，装置停止上升。其次，按一次控制开关 3 中的剪切按钮，使气缸 5 接通，通过连杆 7 带动半球装置 10 旋转，使两刀片 9 相互啮合，执行剪切运动一次。再次，当摘完高处的水果需要收回伸缩装置时，按住控制开关 3 中的下降按钮，使装置下降，到达合适的位置松开按钮即可。最后，水果剪切完成后，将会从半球装置 10 掉入导向机构，从而进入回收缓冲布套 12，经缓冲作用后掉入水果筐。

　　1.4　水果回收原理

　　半球通过连杆推力向上运动剪断果实柄后，将从半球下端掉入导向元件，从而进入回收圈，回收圈里的弹性可收缩布料会给水果提供缓冲作用，保证其不被损伤，最终水果沿回收圈抵达回收筐。

　　2　关键部件设计

　　剪切部分可简化成以滑块为主动件的曲柄滑块机构 [3]，如图 2 所示。

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　　根据现有条件可知：图2(b)中a=70 mm，b=165 mm， h=160 mm，e=35 mm，杆 a 的摆角只需满足 90°即可。

　　3　气压传动设计

　　3.1　动力分析

　　按照设计方案，伸缩杆所需的力 F1 为 19.6 N，用于剪切伸缩的力 F2 为 3.92 N。对大气缸和小气缸进行受力分析分别如图 3 和图 4 所示。图 3　大气缸受力分析图 4　小气缸受力分析大气缸中：D=12 mm，d=6 mm，P2=0.1 MPa，因此可求得 P1=0.25 MPa。下降时，由于重力的作用，其所需压强 P < 0.25 MPa，故伸缩杆所需的最大气压 为 0.25 MPa。 小 气 缸 中：D=12 mm，d=6 mm， P2=0.1 MPa，因此可求得 P1=0.12 MPa。同理，下降时，由于重力的作用，其所需压强 P < 0.25 MPa，故伸缩杆所需的最大气压为 0.12 MPa。综上所述，装置所需最大气压为 0.25 MPa。

　　3.2　气动系统的设计

　　气动系统原理图如图 5 所示，系统工作原理如下。

　　3.2.1　剪切运动

　　当系统做剪切运动时，按下按钮，3YA 通电，进气路的空气运动方向为：外部空气→气泵→电磁换向阀④(左位)→小气缸的无杆腔⑥。回气路的空气运动方向为：小气缸的有杆腔⑥→电磁换向阀④(左位)→外部空气。

　　3.2.2　伸缩杆上升运动

　　当系统做伸缩杆上升运动时，按下按钮，1YA 通电，进气路的空气运动方向为：外部空气→气泵→电磁换向阀③(左位)→大气缸的无杆腔⑤。回气路的空气运动方向为：大气缸的无杆腔⑤→电磁换向阀③(左位)→外部空气。

　　3.2.3　伸缩杆下降运动

　　当系统做伸缩杆下降运动时，按下按钮，2YA 通电，进气路的空气运动方向为：外部空气→气泵→电磁换向阀③(右位)→大气缸的有杆腔⑤。回气路的空气运动方向为：大气缸的有杆腔⑤→电磁换向阀 ③(右位)→外部空气。

　　4　光轴的设计及分析

　　根据现实要求，光轴 [4] 选用铝合金材质。为了与半球及导向装置形成过盈配合，其直径 D 应为 8 mm，两端套用 MR106 滚动轴承，故 d=6 mm，长度 L=190 mm。其尺寸图及装配简图分别如图 6 和图 7 所示。

　　对光轴进行位移变形分析、应力分析以及应变分析等分别如图 8 ～图 10 所示，其中光轴两侧所受的支反力 FNV=7.84 N，水平力为 FNH=5.92 N，光轴中心所受的压力 Fr=15 N[5]。

　　按弯扭合成应力校核轴的强度，只需校核轴上承受最大弯矩处的强度，由图 9 可知光轴所受的最大应力为 8.640 4 MPa，由于光轴的材料为铝合金，查表得其许用应力为 97.5 MPa。因此，光轴符合使用要求。

　　5　结语

　　本研究阐述了基于气压传动的高空水果采摘收集机械的设计，该装置集伸缩、剪切和回收等功能于一体，采摘水果高效、快捷，采用气动传动，工作过程平稳可靠，实现了半自动化，可采摘多种水果，如苹果、梨、橘子等，实用性强且价格低廉，具有较高的市场推广应用价值，弥补了传统辅助人工水果采摘装置的不足，解决了果农采摘难的问题，促进了果业的发展。——论文作者：田　超 1 　董海龙 2 　雒佛庶 3 　石万涛 3

　　参考文献

　　[1] 李素云，唐先进 . 苹果采摘机器人的研究现状、进展与分析 [J]. 装备制造技术，2016(1)：185-186.

　　[2] 张利平 . 液压气压传动与控制 [M]. 西安：西北工业大学出版社，2011.

　　[3] 孙桓，陈作模，葛文杰 . 机械原理 [M].8 版 . 北京：高等教育出版社，2013.

　　[4] 濮良贵，陈国定，吴立言 . 机械设计 [M].9 版 . 北京：高等教育出版社，2012.

　　[5] 刘鸿文 . 材料力学 [M].4 版 . 北京：高等教育出版社，2004.

文章名称：基于气压传动的高空水果采摘收集机械设计

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