基于SolidWorks的手持式花椒采摘器結構設計及運動仿真

黎書文，楊海誠，陸玉雪

(貴州理工學院 機械工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

花椒主要種植在丘陵、山坡、岸邊和地頭，花椒產業已成為特殊區域農民致富新的經濟增長點[1]。然而花椒采收對農藝要求較高，既不能傷葉、傷芽、傷枝，又要適時收獲。因其樹枝伸展長、帶刺且果實小從而致使采摘十分困難。李斌常等研制了一種簡單的類似加長剪刀一樣的工具來采摘高枝處的花椒[2]；田文君等人研發了一種多功能摘花椒機，通過電動剪刀的方式實現花椒采摘[3]。雖然這些機械在一定程度上保護了手臂不被劃傷，但其效率仍然較低，而且容易傷及花椒樹本身，造成來年花椒減產甚至花椒樹枝的死亡，再加上沒有自帶收集裝置，使得花椒收集有一定的難度。

本文根據花椒果實的特性，設計了一種新型的電動手持式花椒采摘器，通過對整機的采摘裝置、傳動裝置以及收集裝置等結構進行設計，為花椒機械化收獲提供有益參考。

1 總體設計方案

1.1 設計流程

為了最大限度保證工作質量，提高采收效率，根據已知條件進行參數化設計，優化設計結構；運用SolidWorks中的motion分析功能，模擬其工作原理與過程[4]。總體設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程圖

主要研究內容包括：

1)花椒采摘器的總體結構設計；

2) 關鍵零部件參數化設計及結構優化；

3) 模擬采摘器工作原理及工作過程。

1.2 設計方案

本文設計的花椒采摘器主要由喂入口、滾筒、機架、電動機、蝸輪、蝸桿、手柄、刀片、收集盒及其他零部件組成，整體結構如圖2所示。

1.機架；2.蝸桿；3.滑動鋸齒形刀片；4.固定鋸齒形刀片；5.蝸輪 6.滾筒；7.軸承座；8.上殼體；9.萬向節；10.傳動軸；11.萬向節；12.電機架；13.電機；14.電機架固定板；15.開關；16.手柄；17.銷軸；18.收集盒圖2 花椒采摘器結構示意圖

2 采摘原理分析

該花椒采摘器通過喂入口對花椒枝條進行限位，然后通過滾筒梳刷的作用實現花椒收獲。具體工作原理如下：電動機輸出動力，通過萬向節9傳遞給傳動軸，經萬向節11傳遞給Ⅰ軸，Ⅰ軸通過蝸輪蝸桿將動力傳遞給Ⅱ軸，Ⅱ軸上固定有滾筒，滾筒將喂入采摘器的花椒撥向下方的交錯滑動的鋸齒狀刀片切割區域；刀片3固定在機架上，刀片4可沿刀片3水平滑動，刀片3和刀片4交錯滑動剪切滾筒梳刷撥下的花椒果實，被剪斷的花椒經手柄前端的物料筒落入下方的收集盒內。當采集的花椒裝滿后，可通過卸載收集盒繼續采收，從而實現不間斷作業，提高采收效率[5]。

3 整機結構設計

本裝置選用SolidWorks三維繪圖軟件進行產品三維建模，為實現良好的可裝配性和理想的模型效果，建模過程中盡可能簡化建模步驟。該電動手持式花椒采摘器主要由上、中、下三部分組成。上端為該產品功能執行部件，亦是本設計的重點內容，中間為采摘器的手持結構部分，下端為采摘器的收集裝置[6]。

3.1 采摘頭設計

采摘頭即為本裝置的執行部分，由機架、固定鋸齒形刀片、滑動鋸齒形刀片、軸承座、滾筒、蝸輪、蝸桿、階梯軸Ⅰ、階梯軸Ⅱ、軸承、萬向節、傳動軸等組成。采摘頭安裝在機體前端靠近喂入口部位，通過自攻螺釘連接固定。

3.2 手柄設計

手柄由前后薄壁外殼和開關構成，前后薄壁面使用自攻螺釘連接，在手柄的食指位置裝有電源開關；其下方設有一通孔，安裝收集盒時插入銷軸，另一端插入開口銷以固定收集盒。

3.3 收集盒設計

收集盒是一個上方收口的桶狀復合曲面外殼，安裝在手柄下方。

3.4 其他零件設計

這類零件主要由十字沉頭螺栓、十字沉頭自攻螺釘、螺母、平墊圈、銷軸、開口銷等組成，這類零件屬于標準件，只需合理選型即可。

4 樣機虛擬裝配

完成上述各零部件的實體建模后，運用SolidWorks的裝配仿真功能中提供的約束關系實現產品的虛擬裝配，以便后期進行干涉檢查、動態模擬、裝配流程以及運動仿真等一系列輔助設計。

裝配所需要的零部件有機架、固定鋸齒形刀片、滑動鋸齒形刀片、軸承座、滾筒、蝸輪、蝸桿、階梯軸Ⅰ、階梯軸Ⅱ、軸承、萬向節、傳動軸、安裝板、采摘頭、手柄、開關、收集盒、十字沉頭螺栓4件、十字沉頭自攻螺釘8件、螺母4件、平墊圈4件、銷軸1件、開口銷1件等。

裝配方案順序依次為：1)裝配執行部件；2)裝配動力驅動部件；3)裝配采摘頭；4)裝配手柄；5)裝配收集盒；6)總裝花椒采摘器。

具體裝配過程如下：

1)裝配執行部件：機架、固定鋸齒形刀片、滑動鋸齒形刀片、軸承座、滾筒、蝸輪、蝸桿、階梯軸Ⅰ、階梯軸Ⅱ、軸承、萬向節1的組裝，如圖3所示。

圖3 執行部件組裝圖

2)裝配動力驅動部件：萬向軸2、電機、電機架、用于連接和定位電機架的安裝板的組裝，如圖4所示。

圖4 動力驅動部件組裝圖

3)裝配采摘頭：前后薄壁外殼、執行部件、動力驅動部件的組裝，如圖5所示。

圖5 采摘頭組裝圖

4)裝配手柄：前后薄壁曲面外殼、開關的組裝，如圖6所示。

圖6 手柄模型圖

5)裝配收集盒：收集盒、銷軸、開口銷的組裝，如圖7所示。

圖7 收集盒模型圖

6)總裝花椒采摘器，如圖8所示。

圖8 采摘器總裝配圖

5 運動仿真分析

SolidWorks/Motion是基于Windows環境的參數化三維實體造型軟件，可以對裝配體進行精確模擬和運動單元分析，Motion分析使用計算能力強大的動力學求解器，在計算中考慮到了材料屬性和質量及慣性，能夠完成如力、彈簧、阻尼和摩擦等方面的計算，同時還能繪制相關曲線供進一步分析。

5.1 采摘器結構分解

生成爆炸圖，如圖9所示。

5.2 工作過程模擬

花椒采摘器的工作過程模擬情況如圖10所示。

6 結語

本文基于實施鄉村振興戰略和助力打贏脫貧攻堅的背景，結合花椒采摘特點，設計了一種電動手持式花椒采摘裝置，有效地節省了人力和時間成本，提高了采摘效率，實現了機械化采摘，后期將繼續對實體樣機進行調試以達到最佳效果。

圖9 裝配體爆炸圖

(a)滑動刀片位移圖解

(b)滑動刀片速度圖解

(c)驅動電機角速度圖解

(d)滾筒角速度圖解圖10 花椒采摘機工作過程模擬圖