小型自動伸縮便攜雙動刃剪切式梨果采摘杯設計與試驗

祝懷志 李東方 ?；菀?/p>

摘 要 為解決梨果采摘過程中存在勞動強度大、效率低、果皮易損傷及高處不易采摘等問題，利用Inventor軟件，優化設計了一款小型自動伸縮便攜雙動刃剪切式梨果采摘杯裝置，總體上改進了現有技術的不足。在進剪機構中設置“側開豁口”式進剪擋板與果枝導向條，實現果條精確定位與進刀。試制樣機，兩刀刃最大開口度為13 mm；進行剪切試驗，果子完整率達到100%，完成單顆果子采摘過程約3.6 s。結果表明，本采摘杯快速、高效、便捷，適應性強，柔性掉落系統可最大限度避免果子外皮損傷，滿足果園采摘作業各項需求，為水果采摘領域實現機器代人提供了有力技術支持。

關鍵詞 自動采摘杯；雙動刃剪；果枝導向條；氣動伸縮桿；優化設計

中圖分類號：TH122；S225 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.29.076

近年來，國內水果產量急劇增加，蘋果產量達到

4 312萬噸，2017年梨產量與2016年相比增長6%[1]。在如此巨大產量下，整個生產過程需大量勞動力，其采摘作業耗費勞動力占整個生產過程所耗勞動力的35%～45%[2]。何家成等[2]人設計了一種手持式電動梨子采摘機，是一種機械輔助半自動采摘工具。但剪切部分采用回轉動刀片結構，結構繁瑣，費用昂貴。為滿足采摘作業需求，提高采摘效率和果子完好率，降低人工采摘勞動強度，利用Inventor軟件研發設計一種自動化程度高，農民買得起、用得起的采摘杯裝置。

1 采摘杯結構設計與工作原理

1.1 采摘杯結構設計

小型自動手持伸縮便攜式多種水果采摘杯，主要由雙動刃剪剪切機構、果枝進剪機構、收納杯、自動伸縮機構、扶手機構以及動力控制單元等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

啟動系統，按伸縮桿升降鈕，將采摘杯調整到果子所在高度，按自動剪切按鈕，步進擋板電機正轉，帶動擋板使得水果果座沿著果條導向條進入剪口，氣動剪進氣，兩剪刃剪口閉合，剪下果條，果子通過柔性輸送袋滑落在果籃中。同時，擋板電機反轉，采摘杯復位。

2 主要部件的結構設計

2.1 雙動刃剪剪切機構剪切力的理論計算

剪切機構的設計，主要涉及氣動強力雙動刃剪剪刃的具體設計。據文獻[3]，動刀刃所受外載荷F為：

式中：θ是刀刃角；φ是樹枝與刀片滑動摩擦角；L是刀刃與樹枝接觸線長度；h是梁厚度；σ0是木材順紋抗拉強度；E是樹枝順紋抗拉彈性模量；E′′是樹枝橫紋抗壓彈性模量；E′是樹枝順紋抗彎彈性模量；t是未剪切部分樹枝高度；a是動刀片切入深度；r是樹枝半徑；yc是距離；B1、B2和B3是參數。以雙動刃剪刃剪切轉速為

40 r·min-1，果枝枝條直徑為φ3.5 mm為例，剪切力理論解為193.9 N。經大量計算及優化設計[4]，確定了剪切機構主要參數，如表1所示。

2.2 防轉氣動自動快速伸縮桿及側開豁口式進剪擋板的設計

伸縮桿在承受收納杯等零部件重量的同時，其強度以及整機重量、穩定性都要考慮。此外，仍需考慮桿端軸向固定，因而，伸縮缸活塞桿橫截面采用六角形形式。為了將果座枝條送進剪切結構中，同時考慮到擋板“復位”，進剪擋板設計為高精度步進電機來驅動。根據運行軌跡，將擋板設計成側邊“豁口”式，提高進剪可靠性。

3 控制系統的設計

為配合采摘杯各機構之間運動，同時考慮控制系統硬件成本，特別設計了時間繼電器-步進電機定長控制方案。時間繼電器-步進電機定長控制原理圖及高精度步進電機接線圖，如圖2所示。該方案簡單可靠、價格經濟實用。

4 結果與分析

試制了樣機，如圖3所示。隨機選取50個水晶梨果進行采摘試驗并統計，如表2所示。結果表明，本采摘杯自動化程度高、采摘動作迅速、極大地降低勞動強度，果子完好率極高。

5 結論

設計了一款小型自動手持伸縮便攜式水果采摘杯，進行了樣機試制及試驗。剪刃在13 mm開口度范圍內做剪切運動，和其他旋轉切割方式比，很好地避免剪刃剪切過程中對果皮損傷。采用氣動驅動，避免了電機驅動剪切機構堵轉帶來的設備損傷，安全性好、果子完整率達到100%。完成單顆果子采摘過程約3.6 s，采摘效率高。本采摘杯整機長度可調，適應性極強。本采摘杯榮獲了2018年浙江省第十五屆“慧谷杯”大學生機械創新設計競賽二等獎，并申請了國家專利。

參考文獻：

[1] 武婕.水果生產消費結構進一步優化升級[J].農產品市場周刊，2017（16）：29-30.

[2] 何家成，汪洋，劉宏博，等.便攜式果園采摘機設計[J].農機化研究，2018（5）：83-87.

[3] 王慰祖，吳良軍，楊洲，等.樹枝直刃剪切數學模型與試驗[J].華南農業大學學報，2016，37（4）：105-111.

[4] 濮良貴，紀明剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006.

（責任編輯：趙中正）