機電一體立式夾持菠蘿采收裝置的設計與制造

任曉智,李有立,李福敏,黎毓鵬,戴宛林,江 山

(廣西大學 機械工程學院,南寧 530004)

0 引言

菠蘿作為亞熱帶享譽盛名的水果,目前種植的國家和地區已達到70多個,年產量大約占世界水果總產量的5%。在我國廣東、廣西、福建等省區均大量種植菠蘿,已成為世界第三菠蘿種植大國[1]。

菠蘿的傳統采收主要依靠手工,采收季節性強、勞動強度大、采收效率低,且菠蘿上的刺易傷手,增加了采收難度,是菠蘿產業鏈中最耗時、最費力的環節[2]。

為提高菠蘿采收效率設計了一種機電一體立式夾持菠蘿采收裝置。在樣機設計的過程中,根據實際情況確定菠蘿采收裝置的實際尺寸。為應對實際采摘過程中菠蘿半徑不同及確保夾持的穩定性和折斷的可靠性問題,實現菠蘿采收裝置輔助人工的夾持與折斷,提高效率,減低勞動強度,實現半自動化,穩定運行,滿足市場的需求。

1 機構設計與原理

1.1 機構設計

機電一體立式夾持菠蘿采收裝置主要是完成夾持與折斷菠蘿秤莖兩個動作,從而完成對菠蘿的采收。

1.2 整體設計

機電一體立式夾持菠蘿采收裝置由連桿式夾持機構、平移機構、錐齒輪折斷機構、轉動及杠桿提升機構、行走車架等機構組成,如圖1所示。

1.支撐腳架 2.升降柱 3.連桿式夾持機構 4.錐齒輪折斷機構

1.3 關鍵構件設計

1.3.1 連桿式夾持機構的設計

連桿式夾持機構如圖2所示。工作時,滾動軸承與機架配合,定位連桿傳動軸繞軸線轉動,從動錐齒輪連接旋轉軸,通過主動錐齒輪為旋轉軸提供動力。旋轉軸上焊有4對小平臺,短連桿、鉸接件、外爪連桿依次連接,機架定位旋轉軸與3個連桿連接。外爪連桿垂直方向長度為175mm,被螺釘約束在機架上,繞機架鉸接處轉動,4對相同的外爪連桿分別打開,用來將菠蘿夾緊。

1.3.2 連桿式夾持機構的主要參數

步進電機轉速為2 000r/min,減速器減速比為80∶1,連桿錐齒輪主要參數如表1所示。

1.電機 2.嚙合錐齒輪 3.旋轉主軸 4.外爪連桿 5.橡膠塊

表1 連桿錐齒輪主要參數

1.3.3 錐齒輪折斷機構的設計

錐齒輪折斷機構如圖3所示。

1.扶手 2.軸承座 3.電機 4.支撐平臺 5.推動連桿 6.套筒

工作時,兩個軸承座平行固定在支撐平面上,旋轉軸兩端分別與軸承座配合,旋轉軸中點處與從動錐齒輪配合固定,主動錐齒輪與電機配合并嚙合從動錐齒輪。旋轉軸前端焊有支撐平臺,平臺上水平連接空性圓柱,內有螺紋,夾頭焊接的桿利用空心圓柱利用螺釘固定,進而水平平移夾頭。

1.3.4 錐齒輪折斷機構的主要參數

步進電機轉速為600r/min,減速器減速比為80∶1,折斷錐齒輪主要參數如表2所示。

表2 折斷錐齒輪主要參數

1.4 設計原理

1.4.1 夾持功能的實現

驅動電機帶動主動錐齒輪,使從動錐齒輪轉動,進而帶動旋轉主軸,以機架為定位,旋轉主軸固定在滾動軸承上轉動。旋轉主軸通過短連桿和鉸接件帶動外爪連桿圍繞著外爪連桿固定架的鉸接處旋轉,從而將電機軸向的運動轉變為夾持機構打開和閉合的動力,實現夾持和松放的功能。

1.4.2 折斷功能的實現

扭轉用電機帶動錐齒輪組,進而帶動扭轉軸轉動,扭轉軸又通過平移支撐管和滑動柱帶動夾持機構扭轉運動,進而實現菠蘿扭轉摘取的功能。

1.4.3 轉向提升功能的實現

按壓杠桿外端時,杠桿前端的U型桿件會向上推動杠桿,進而向上提升轉動升降柱,帶動機構的上升和下降。支撐平臺在水平面轉動,擰開螺釘,推動連桿使夾具平移。杠桿式提升機構通過人踩踏板,提升支撐平臺,轉向機構輔助定位菠蘿,從而輔助夾持與折斷機構完成對菠蘿的采收。

2 虛擬仿真與分析

將三維模型從UG導入ADAMS虛擬樣機中,進行運動仿真,目的是為了檢驗模型原理的可行性及關鍵部位設計的合理性,從而優化機電一體立式夾持菠蘿采收裝置,使其更加穩定、可靠。在仿真過程中,以裝置關鍵部位連桿式夾持機構和錐齒輪折斷機構為主要研究對象,進行具體分析。

2.1 連桿式夾持機構的運動仿真

連桿式夾持機構是裝置的核心,由電機作為動力,把旋轉主軸的轉動轉化為連桿打開和閉合的運動。連桿式夾持機構模擬人工夾持,是衡量裝置設計合理性的一個重要部件。

2.1.1 夾頭仿真約束的建立

將連桿式夾持機構的模型導入ADAMS虛擬樣機中,添加相關約束,得到的仿真模型如圖4所示。

圖4 連桿式夾持機構的約束仿真圖

2.1.2 夾頭打開閉合的動態仿真

實際采收菠蘿過程中,為了較好利用該設備,提高裝置操作性能,防止在操作過程中出現的一系列問題, 需要對連桿式夾持機構的合理性進行優化, 從而方便使用,提高裝置在廣大菠蘿種植戶中的口碑。由于連桿式夾持機構把旋轉主軸軸向轉動轉變為夾持機構打開和閉合的運動,所以旋轉主軸的相關參數與連桿式夾持機構有著千絲萬縷的關系。因此,設定仿真時間為3s,步數為50步,獲得旋轉主軸轉過角度的坐標曲線,如圖5所示。

由圖5可知:連桿式夾頭在電機作用下,在1.25s時夾持機構打開至極點,完成一組打開和閉合的動作需要2.5s;旋轉主軸在電機作用下旋轉角度為63°時,夾持機構打開最大。整個仿真過程中,旋轉角度沒有發生較大的突變,從而證明連桿式夾持機構基本原理可行,夾持較為連貫,滿足夾持的基本要求。

2.1.3 連桿式夾持機構設計的合理性

對夾具的研究而言,連桿式夾持機構能否按照相應規律完成打開和閉合,是夾具設計合理性的標準之一。對于使用者而言,連桿式夾持機構能否穩定夾持住目標物體,是夾具使用性能的標準之一。因此,需要通過分析確定連桿式夾持機構的參數。

由圖5可得

ω=θ/t=7/25πrad/s

式中ω—旋轉主軸角速度;

t—旋轉主軸轉過斜角度用時;

θ—旋轉主軸轉過角度。

為了更加方便討論連桿式夾持機構的性能,將旋轉主軸的運動與夾持機構打開閉合聯系在一起,對連桿式夾持機構進行簡化,如圖6所示。其中,實線為初始位置,虛線為轉過θ角度時的位置。

當機構處于初始位置時,連桿與旋轉軸相連的點速度方向水平向左,當機構轉過θ角后,連桿與旋轉軸相連的點速度V方向為與旋轉軸相切位置,其大小為

V=ωr

式中V—旋轉主軸轉的線速度;

r—旋轉主軸中心到鉸接點的距離。

將V朝水平與豎直方向分解,得到水平速度Vt與豎直速度Vn。

由圖6可知:α與θ互為內錯角,且α與β互余。設Vn方向為負方向,則

Vn=-Vcosβ=-Vcos(90°-θ)

式中β—Vn為V的夾角;

α—Vn與V夾角的余角。

由于連桿式夾持機構外爪連桿繞著機架做定軸轉動,旋轉主軸通過一系列連桿運動,將動力傳動到外爪連桿,因此Va即為外爪連桿頂部的線速度,其大小與Vn相等,即

Va=Vn=-ωrsinωt

連桿式夾持機構主要完成實際操作過程中夾持菠蘿的動作,外爪連桿則是機構能否穩定夾持菠蘿以及能否按照相應規律打開閉合的執行部件。

圖 6 連桿式夾持機構俯視圖

由于外爪連桿繞著機架做定軸轉動,則有

Vb=Dωrsinωt/d

式中Vb—外爪連桿底部的線速度;

D—外爪連桿頂部到旋轉中心的距離;

d—外爪連桿底部到旋轉中心的距離。

由設計尺寸得D=0.15m,d=0.025mm,旋轉主軸的旋轉半徑r=0.02m。代入數據得:

Vb=0.106sin7/25πt。

通過積分得,單個外爪連桿的位移S為:S=-0.12cos7/25πt+0.12。

由圖5可知,連桿式夾持機構在1.25s時打開至極點,則單個外爪連桿走過的位移為0.065m。

根據設計尺寸得固定相對兩個外爪連桿的機架距離為0.12m,則連桿式夾持機構在夾持菠蘿時最大打開的大小為0.25m,而菠蘿大小為0.18～0.24m , 因而連桿式夾持機構能夠夾持住菠蘿。由位移函數可知,夾持機構夾持菠蘿時位移沒有劇烈變化,能夠滿足夾持穩定的需求。

2.2 錐齒輪折斷機構的動態仿真

錐齒輪折斷機構由電機作為動力,通過錐齒輪之間的嚙合,使夾持機構轉動從而折斷菠蘿果柄。錐齒輪折斷機構模擬人工折斷菠蘿,與連桿式夾持機構協助完成菠蘿的采收,是裝置的關鍵部件之一。

2.2.1 錐齒輪折斷機構仿真約束的建立

將錐齒輪折斷機構的三維模型導入ADAMS虛擬樣機中,并添加相關約束,得到的仿真模型如圖7所示。

圖7 錐齒輪折斷機構仿真約束圖

2.2.2 錐齒輪折斷機構的動態仿真

錐齒輪折斷機構在輔助人工采收菠蘿的實際操作中,穩定夾持后,首要問題應當就是折斷的可靠性。因為在折斷過程中,容易在夾緊后夾頭與菠蘿果實發生相對位移,因而折斷機構也是考核裝置整體合理性的重要部分。由于錐齒輪折斷機構在不同角度與菠蘿之間受力不同,且錐齒輪折斷機構在工作時存在極點,因此設定仿真時間為2s,步數為50步,獲得折斷機構轉過角度的坐標曲線,如圖8所示。

圖8 折斷機構轉角范圍

由圖8可知:在仿真過程中,錐齒輪折斷機構在電機作用下,在1.78s時折斷機構旋轉至極點,其角度為80°。整個仿真過程中,錐齒輪折斷機構旋轉角度變化較為平緩,在折斷菠蘿果柄過程中不易發生相對位移,滿足實際生產中的基本要求。

2.2.3 折斷機構折斷的合理性

由圖8可知:錐齒輪折斷機構轉動的最大角度為80°,而在人工手工作業時,由于菠蘿稈較脆,常常一掰就斷,折斷角度約為10°～15°,因此轉過角度滿足要求。

為了更加直觀討論錐齒輪折斷機構的性能,將錐齒輪折斷機構進行簡化,近似地將連桿式夾持機構認為是連桿式夾持機構繞著鉸鏈做定軸轉動,簡化如圖9所示。其中,實線為初始狀位置,虛線為轉過σ角后的位置。

圖 9 折斷機構工作示意圖

當連桿式夾持機構夾住菠蘿、轉動電機開始工作時,以錐齒輪折斷機構轉過的每一瞬間為研究對象,視為靜止,則菠蘿整體即可認為是懸臂梁,由摩擦力提供的力矩將菠蘿轉過σ角,由轉角方程得

σ=MX/EI

式中M—摩擦力的力矩;

E—菠蘿秸稈彈性模量;

I—菠蘿秸稈的慣性矩;

X—菠蘿稈叢的高度。

根據大多數植物秸稈的彈性模量,設定菠蘿果柄的彈性模量為3MPa。

由于菠蘿稈的直徑為3～6cm,高度為0.8～1m,取果柄直徑a=4cm、X=1m,因橫截面近似為圓,則

I=πa4/64

當夾持20cm的菠蘿時,摩擦力的力矩為

M=μNR

式中μ—橡膠與菠蘿果實摩擦力;

R—菠蘿果實橫向半徑;

N—菠蘿果實受到的壓力。

橡膠與大多數果實的摩擦因數約為0.15,菠蘿半徑為10cm,帶入數據得

N=8πσ

取菠蘿稈轉過15°時,菠蘿被折斷,N=378N,壓力N即為夾持力F。由于連桿式夾持機構分別由兩個連桿提供同向摩擦力,則相對連桿夾持力大于189N時,錐齒輪折斷機構在運行過程中不會發生相對滑動,可及夠穩定工作。

3 裝置的試制與試驗

經過ADAMS仿真驗證了模型原理的可行性及關鍵部位設計的合理性,并確定了零件的參數,試制了一臺樣機,如圖10、圖11所示。

為檢驗裝置實際各項性能能否滿足生產所需,在菠蘿地進行性能測試。一共進行3組測試,每組采摘20個菠蘿,試驗結果如表3所示。

圖10 機電一體立式夾持菠蘿采收裝置整體實物圖

圖11 機電一體立式夾持菠蘿采收裝置部分實物圖

表3 測試結果

測試結果表明:機電一體立式夾持菠蘿采收裝置在實際操作中菠蘿破損率在5%以下,生產效率為14s/顆,成功采摘率在95%以上,符合實際生產需求。

4 結論

1)本裝置由電機作為動力,連桿式夾持機構為執行部件,夾持穩定,滿足農民對機械化產品操作簡單,效率較高的要求。

2)本裝置主要執行夾持、折斷兩個主要操作,在折斷過程中,夾持力只要大于188.4N ,在折斷過程就不會發生脫落,保證錐齒輪折斷機構的穩定運行。

3)經過ADAMS仿真,從動力學與力學的角度驗證了機電一體立式夾持裝置的合理性,并進行實物試制與試驗,結果表明:該裝置完善了菠蘿產業鏈中采收環節與其他環節的銜接,降低了成本,可滿足菠蘿產業的發展需求。