農產品上料定向排序技術研究現狀

張艷龍 ，李祥輝 ，聶馨晨 ，肖愛玲 ※

（1.塔里木大學現代農業工程重點實驗室,新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學機械電氣化工程學院）

0 引言

現階段，針對農產品定向上料裝置少，國內定向上料還普遍存在半機械化現狀，對于大量雜亂無序形狀相同的物料，傳統的人工分級存在效率低、費用昂貴、耗時長的缺點[1]。農產品自動定向的好處在于可以減少自動分級和加工的誤差，具有精度高、運動簡單、使物料近似等“姿態”，易于檢測的特點。參考蘋果、番茄、禽蛋等農產品的定向上料技術對研發農產品自動分級機具有非常重要的意義[2-4]。

1 上料定向排序裝置研究現狀

目前，機械定向大體可以分為兩類：對于外形方正或規則的物料利用機械手，它能適用多種外形規整物料的抓取，但由于設備成本高，限制了推廣應用；而對于外形復雜多變，無法獲得單個物料精確尺寸的農產品，多是利用其自身所具有的物理特性，加以簡單的機械裝置約束實現定向。迄今為止，已經取得一定成果[5-8]。

1.1 通過果盤與摩擦輪實現自動定向

2017年馬垚[9]設計了針對蘋果的定向裝置，（圖1）。當蘋果處于任意位姿時，蘋果與定向輪接觸，蘋果在摩擦力作用下轉動，當蘋果花軸或者果萼與定向輪接觸，摩擦力減小，不足以帶動蘋果旋轉，位姿由此確定。與蘋果表面接觸的定向輪外圓上設置有橡膠圈，橡膠圈能夠有效避免蘋果表面在轉動定向過程中被劃傷，增大與蘋果表面的摩擦力，便于蘋果的轉動和定向。

圖1 定向機構三維模型

2016年羅建清，王春耀[10]設計出蘋果定向裝置。將蘋果以隨機姿態放入輸送定向殼中，當蘋果落入定向殼后，殼底部的定位輪和機構中側向定位帶通過摩擦力的作用，使蘋果在定向殼上做無規律的旋轉運動，當定向成功后，底部定位輪恰好在蘋果果梗或果萼處，且與底輪無相對接觸，蘋果只受側向皮帶的摩擦力作用而做垂直于輸送前進方向的水平旋轉運動。定向前后姿態見圖2。

圖2 蘋果定向前后圖

2014年黃亮[11]等研制了中心定位和扶正機構，見圖3。該裝置是主要由U型槽和旋轉槽組成定位機構。當山楂運動到扶正機構正中心下面時，扶正機構高速旋轉向下運動，如果山楂沒有在中心位置，導向筒的旋轉可以給山楂施加一個力，使其到達中心位置。接著旋轉弧型槽塊接觸到山楂，帶動山楂一起轉動，從而實現山楂的扶正。

圖3 中心定位和扶正機構結構示意

2009年5月李晶、張東興、劉寶[12]等人設計的果盤結構見圖4。此果盤分為內外結構，內果盤相對外果盤向上翻轉45°，并裝有可以自由旋轉且上下兩端分別有旋轉輪和摩擦輪2個。外果盤一側與傳送鏈連接，另一側由滾動輪在軌道上支撐。關鍵結構定位在定位區，設置在果盤傳送帶的下方，并裝有定位摩擦帶，通過上側皮帶與果盤的定位外輪接觸，提供摩擦力并驅動定位輪旋轉，進而實現自動定向。

2008年黃秀玲[13]研究蘋果自動定向系統提出蘋果自動定向小車，見圖5。小車固定在鏈條的關節上，隨著鏈條的運動而運動，定向輪與其正下方的固定托條經摩擦產生旋轉，當蘋果果萼凹陷區與定向輪重合時，達到定向目的。

圖4 果盤結構示意

圖5 蘋果自動定向小車

2005年周欽紅、張東興[14]設計出一種蘋果輸送定位系統。工作原理：雙面齒同步帶驅動果杯在水平面內旋轉，定位輪在傳動鏈的間接驅動下繞水平軸旋轉（果杯與定位輪旋轉方向垂直），見圖6。蘋果在果杯和定位輪的摩擦力及摩擦力偶的共同作用下向任意方向運動，當蘋果梗萼凹陷與定位輪重合時，由于定位輪的作用力很小，此時蘋果僅在果杯摩擦力的作用下在水平面內旋轉，從而使得蘋果果梗垂直于水平面。

圖6 蘋果輸送定位系統

1.2 通過兩輸送帶定位實現自動定向

圖7 水果定向裝置簡圖

2015年4月黃春陽[15]、王春耀等人提出了一種杏子簡單定向裝置，見圖7。裝置主要由夾持帶從動軸、彈簧片和底部傳送帶組成。當杏子在輸送帶上從任意位置以任意姿態通過時，利用其物理特性與夾持帶軸產生摩擦進行旋轉，最終杏子會逐漸的實現同方向排列。2007年針對杏果定向問題，陳文亮[16]等也采用夾持帶夾持杏果，與黃春陽設計原理相似，如圖8。運用差速原理和杏果自身特性，使杏果在運輸過程中不停地轉動直到受力均勻，實現定向的目的。

圖8 自動定向裝置簡圖

2011年李如虎[17]等設計的柚子定向系統利用柚子有圓頭和尖頭的物理特性和輸送帶的寬窄不一的特點設計，在柚子通過2條傳送帶形成的逐漸增大、接著又逐漸減小的間隙時，較寬的間隙使得柚子的尖端旋轉下垂，而圓端則在傳送帶的作用下繼續向前移動，最終實現柚子尖端在后、圓端在前的目的，見圖9。

圖9 柚子輸送機構俯視圖

2011年梁勤安，劉向東，張杰，李勝[18]等人設計了自動定向工作部件，見圖10。該部件由2條平行布置的平面輸送帶（以下稱夾持帶）構成水果定向通道，在定向通道的下方裝有定向帶。工作時夾持帶以某一速度向切割刀具方向移動，位于兩夾持帶中間的杏果實在夾持帶張力的作用下隨夾持帶向前運動，位于定向通道下面的摩擦定向帶以另一速度向前移動，由于夾持帶與摩擦定向帶之間存在速度差，在杏果重力，杏果與夾持帶和摩擦定向帶之間的摩擦力的共同作用下，做既有轉動又有平動的復合運動，最后做繞對稱軸的穩定轉動，從而實現自動定向。

2008年梁勤安，劉向東[19]設計出關于番茄自動定向系統，見圖11。該裝置主要由夾持帶和摩擦定向帶構成。位于兩根夾持帶構成的自動定向通道中的番茄在夾持帶的作用下向切割裝置方向作直線運動，并在摩擦定向帶的作用下繞番茄自身某一軸線轉動。由于夾持帶與摩擦定向帶之間有較大的速度差，番茄在自動定向通道中快速旋轉，使番茄作既有直線運動又有轉動的平面運動，最后在通過番茄質心的某一軸線作穩定轉動，從而實現番茄的自動定向。

圖10 自動定向工作部件結構示意

圖11 6QFF-3型制干番茄切分機總體結構

1.3 通過輥子實現自動定向

2014年8月李長友[20]、馬興灶等利用荔枝的重心偏移果頂一側和外表面的結構特征，通過兩個同向轉力的對輥實現具體姿態自動調整和定向輸送并保證單排列輸送，見圖12。荔枝在摩擦力和自身重力的作用下產生旋進，由于荔枝徑向轉動與對輥轉動相互抵消，從而實現定向。

圖12 荔枝定向喂料原理

2013年11月史鵬濤、文懷興、王寧俠[21]等采用輥子鏈輸送機構進行輸送定向，見圖13。通過鏈輪、鏈條帶動輥子鏈輸送機構旋轉，即可完成輸送，在輸送過程中上面一側輥子下方裝上摩擦板，可使輥子在公轉的同時產生自轉。輥子的自傳帶動大棗產生旋轉，使大棗軸線與輥子軸線平行，實現自動定向。

2013年10月，姜松[22-23]利用禽蛋在輸送支撐輥子上的軸向運動使禽蛋進入進料段后實現分列。禽蛋從進料到分列區后禽蛋指向隨機，由于禽蛋重心偏向小頭端，在支撐輥子所作用的摩擦力驅動下，沿小頭端所指的方向在兩支撐輥子上作軸向運動。形成大小頭方向一致的兩列。到達待翻轉區主要對未完成分列的禽蛋進行調整。到達翻轉區后靠左側限位導向桿的禽蛋開始翻轉，小頭逐漸抬起最終實現翻轉，而靠在右側限位導向桿的禽蛋無需翻轉。最終使兩列合并，從而實現定向，見圖14。

圖13 輥子鏈輸送機設備示意

圖14 禽蛋大小頭自動定向排列裝置

2012年12月史鵬濤[24]同樣設計了應用于大棗切片機的定向機構，見圖15。輸送定向機構由鏈輪、鏈條、輥子以及安裝在上面一側輥子下方的摩擦板組成。調整毛刷高度，使之只能使一排大棗通過。當大棗通過毛刷時，輥子在輸送大棗的同時，在摩擦板的作用下產生自轉，并帶動大棗旋轉，使大棗軸線與輥子軸線平行，實現自動定向。

2010年呂長安[25]采用鏈傳動的方式，見圖16。輸送鏈帶動輥轉動，進料口進入的大棗在輥的轉動下均勻分布在輸送輥之間，夾在輸送輥之間緊貼輸送輥的大棗長軸與輸送輥平行，滾筒上部的毛刷將堆積的大棗擋回，重新在后續的輸送輥上均勻分布，從而達到大棗橫向排列的目的。

圖15 大棗切片機定向設備示意

圖16 大棗自動定向輸送切片機

1.4 通過三角錐形定位實現自動定向

2018年6月耿愛軍[26]設計了蒜種定向裝置。三級錐形料斗的尖錐半頂角從上至下依次遞減，蒜種在料斗內經過調整后鱗芽方向變化過程為：水平→傾斜→向上，最終利用插播器，保持直立姿態，見圖17。

圖17 蒜種定向裝置結構示意

2 分析

通過對以上裝置的綜述，機械定向上料裝置結構簡單，價格便宜，定向效率和定向精度較人工定向高[27]。果盤式主要針對中型物料的定向，可以實現對物料“姿態”的矯正，果盤成流水線式運轉，具有單排列出料的優點，但效率低。輥子式、差速式自動定向通過傳送帶摩擦實現定向，適用于中型、大型物料定向，不適用于易損傷物料自動定向，自動定向機體積較大，不利于操作，輸送帶間的寬度是影響水果定向成功率的主要因素之一，但效率較高。三角錐式定向適用范圍窄，并不常見。

國內的自動定向裝置正處于一個發展階段，研究種類及數量有限，果盤式上料裝置可以通過多通道并行的方式提高定向效率。通過選用不同大小型號的果盤裝置，提高定向裝置的應用范圍。

縱觀近20年國內針對自動定向上料機研制的狀況，國內較國外研制此裝置起步晚[27-32]。國外最早可以追溯到1985年Rehkugler[33]等針對蘋果檢測提出了一種導向機構。國內1998年10月任煥琴發表了第一篇關于定向裝置的研究，2006年馮和平，高利軍等國內學者對定向裝置研究取得了新的突破性進展，定向研究再次進入了一個新的階段。現階段，應積極借鑒國內外的研究成果，研究適當簡單、成本低的自動定向上料系統是未來發展的關鍵。