農機產品數字化建模及快速成型研究

河南農業大學機電工程學院 梁博宇 田輝 葉芳 李蟒

平輿縣楊埠鎮農業服務中心 朱瑞霞

農機產品數字化建模及快速成型研究

河南農業大學機電工程學院 梁博宇 田輝 葉芳 李蟒

平輿縣楊埠鎮農業服務中心 朱瑞霞

3D打印作為一種新興的成型制造技術，具有快速成型、綠色環保、易于操作等優點，與互聯網、新能源并稱為“第三次工業革命”的核心技術。而將快速成型技術與農業機械的結合則是農業機械零件發展的一個方向之一。結合我國農業機械發展的現狀以及3D打印的應用實際，本文以智能板栗脫蓬一體機為例，闡述3D打印技術在農業機械設計創新以及制造中的應用，以最大程度地發揮3D打印技術的作用。

一、國內板栗脫蓬一體機的應用情況

在板栗主產區，板栗脫蓬機的應用并不是很廣，主要原因：一是現有的脫蓬機費用較高，容易出現故障，且使用的時候噪音大；二是現有的脫蓬機脫蓬后小刺和板栗容易混合在一起，還需要另外分揀板栗和刺殼，費時費力；三是現有的脫蓬機進料口設置的都比較高，需要費很大的力才能把板栗送上去；四是現有的脫蓬機的輥子受力不均勻，容易折斷。

目前，我國板栗脫蓬機雖然已有不少機型進入實際使用領域，但總的來說，技術成熟度較低，其表現為產品可靠性差，市場還沒有啟動起來，制約其發展的諸多因素未解決。

二、智能板栗脫蓬一體機的工作原理及優勢

（一）機械設計

運用履帶傳送代替人工，實現自動上料過程，進入脫蓬裝置。板栗脫蓬可以通過多種方式完成，但打碎式脫蓬不能保障栗子脫蓬后的完整性，我們采用擠壓式脫蓬，將軸制成一定梯度的蝸輪蝸桿結構，其半徑自前向后逐漸增大，可以使進料順暢，且該結構可將較大的蓬殘渣推向裝置一側，板栗透過網狀彈簧板漏下。為防止蓬的碎屑進入板栗中，技術人員在板栗脫蓬裝置的下側安裝風扇，進一步使蓬和板栗分離，得到較純凈的板栗。

技術人員將小板栗豎直放置時，鋼管最大厚度作為排列間距且按照一定的傾斜角度進行擺列，將眾鋼管的一端與電機進行鏈狀連接使它們能夠進行同頻率、同方向轉動，以防止板栗卡在鋼管間隙而造成的板栗堵塞、大小分級不準確等現象。較小的板栗自鋼管間隙下落，掉落在與大小分級裝置相平行的軌道。利用一定的傾斜角度和機器本身的震動，使板栗可以順利通過大小分級裝置進入板栗質量檢測裝置。

（二）檢測控制部分設計

板栗按照大小、好壞可以進行分級，板栗脫蓬后的好壞可以由板栗表面的光澤度、黑點數量以及紅褐色程度來判斷，利用圖像識別可以就以上3個判斷標準進行科學檢測。

如圖1所示，圖像識別技術可以通過不同波段的光將板栗進行掃描，將掃描的圖像結果進行數字圖像處理，將灰度圖像的判斷指標與標準范圍相比較，控制系統對此作出響應。同時，利用多種傳感器監控機器的工作狀態和包裝控制量。基于工廠流水線工作模式，設計體現了自動化、一體化的理念，該作品包含了板栗自動送料、脫蓬過濾、大小好壞分級、出料、包裝共5個環節。剛摘下帶有蓬的板栗放在送料箱，送料機將其送到脫蓬機，在脫蓬機里脫蓬處理后，經過大小震動網濾出小型板栗，大板栗經過圖像檢測平臺濾出不好的部分，最后板栗堆積一定程度可以自動裝箱。

控制系統以PLC為中心，使用總線連接并控制外部設備。控制的輸出單元是電機機組的控制器，該電機組包括有脫蓬的主電機（市電輸入）、傳送電機（步進指令控制）、圖像檢測盤電機（DC12V供電）。

圖像傳感器是由攝像端、光源部分和數據傳輸部分組成，可以將板栗的高光譜成像圖傳輸給圖像處理模塊，模塊內進行數據分析、比較、計算，將檢測結果的控制命令回傳給系統處理器。利用高光譜圖像技術采集板栗高光譜圖像，提取霉爛板栗的光譜曲線，并通過偏最小二乘法判別分析（PLS-DA）建立霉爛板栗的識別模型，為板栗的無損分級提供一種新方法。偏最小二乘法判別分析在樣品光譜信息的判別分析中具有很好的識別能力，是一種常用的模式判別方法。

三、智能板栗脫蓬一體機的3D打印模型

利用三維軟件進行運動仿真，雖方便快捷易操作，但過于理想化，不利于開發者發現及改進設計中的問題；如果利用傳統的制作方式進行設計實體化過程，那么將面臨如在設計中出現的非標件難以購買，一些特定零件造價昂貴等問題。3D打印技術的引入，以上問題將迎刃而解，如圖2為利用3D打印技術完成的智能板栗脫蓬一體機的實物模型?；?D打印技術的快速成型制作的特點，開發者可以根據自己設計的需要進行特定零件的打印，完成機器的組裝工作，在進行實體運動仿真的過程中，可以快速準確地發現問題，即時進行設計改良、調整，大大降低了設計制作的難度，可以把更多的精力投入如何改進，優化設計內容上。

四、總結

實現板栗脫蓬機械智能一體化，為響應國家創建資源節約型、環境友好型社會作出了貢獻。自動化板栗脫蓬一體機不僅能夠減少人工勞動量，而且有很好的經濟效益。

隨著計算機技術的飛速發展，市場的需求壓力，現代設計與制造技術發生了很大變化，為了提高產品開發速度，合理壓縮制作周期，在農業機械的設計開發及其制造中應用3D打印技術可以快速制造形狀復雜的零件及新產品首版樣件的技術，可快速、準確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或零件，擺脫了制造業傳統模式的制造流程，以便進行快速評估、修改及功能測試，大大縮短了產品的研制周期，減少開發投入費用。

圖1 控制系統流程圖

圖2 智能板栗脫蓬一體機的3D打印模型