一種小型水果分揀裝置的設計及仿真研究

邱顯焱 郭士超 雷磊

【摘? 要】針對我國水果種植行業中大多為小農戶型的特點，論文研制了一款可搬運、操作簡單的全自動水果分揀小型化設備，可減輕分揀的勞動量，提高分揀的準確度。論文主要對全自動水果分揀裝置的整體結構進行了設計，包括水果自動上料裝置、穩定傳輸的輸送裝置、分揀執行裝置以及機架等。本設計可讓果農提高工作效率和經濟效益，具有一定的市場競爭力。

【Abstract】In view of the characteristics that most of the fruit planting industry in China belong to the type of small farmers， this paper develops a full- automatic fruit sorting miniaturized equipment that can be transported and operated easily， which can reduce the amount of sorting labor and improve the accuracy of sorting. This paper mainly designs the overall structure of the full-automatic fruit sorting device， including automatic fruit feeding device， conveying device for stable transmission， sorting execution device and frame. The design can enable fruit farmers to improve work efficiency and economic benefits， and has a certain market competitiveness.

【關鍵詞】水果分揀裝置;小型化設備;結構設計;仿真分析

【Keywords】fruit sorting device; miniaturized equipment; structural design; simulation analysis

【中圖分類號】TS255.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）10-0182-03

1 引言

目前，對于水果外觀品質檢測并分揀的技術研究和設備研制以及投入使用已得到極大的發展，對于減輕果農看果辨識果質的勞動強度具有重要意義，同時，提升了我國水果產后處理能力和水果生產的整體國際競爭力。本文設計了一種全自動小型水果分揀裝置，適用于國內小農戶型果農，可減輕工作量并且操作簡單、便于搬運，也使得這種小型化設備在市場上具有競爭力。

2 總體結構設計

本文設計的小型水果分揀裝置總體結構設計如圖1所示。將水果放入送料裝置，裝置將水果自動推入傳輸裝置，傳送到設備的檢測區域。經過近紅外光譜檢測后，給出信號指令到分揀執行裝置，實現對水果的分揀，最后將水果送往分揀箱當中。本設備運行1min能夠分揀20～30個水果。

3 上料裝置設計

針對水果的大小和特性，本文設計了一種水果自動上料裝置、穩定傳輸的輸送裝置和分揀執行裝置，并利用現有檢測技術的要求結合設備、控制系統實現快速、無損害、高效地進行水果等級分揀，并且在上料、輸送和分揀的過程當中盡量避免水果的磕碰、擦傷、翻滾等損傷，因此，適當添加了一些柔性好、能起緩沖作用的材料，同時，保證設備的平穩運行。

上料裝置的工作流程是將水果倒往漏斗當中，水果沿漏口掉落到軌道并滾到推料的位置，推料裝置啟動舵機，驅動推板將水果推往托盤中。將輸料槽當中的水果推向托盤當中，本文選用了曲柄滑塊機構進行送料。設定較大的水果直徑為90mm，半徑為45mm，要求曲柄滑塊機構的行程要比水果的半徑略大，設為60mm。根據計算得出曲柄和搖桿的尺寸，尺寸如圖2所示。本文的動力元件采用連續旋轉的DG-995 15kg扭矩的進口數字舵機，控制部分由單片機單獨控制，通過三維建模設計出的自動上料裝置的模型圖如圖3所示。

4 托盤及底座設計

該分揀裝置用于輸送的傳動裝置中運用托盤對水果在自動上料裝置進行裝載，并隨著傳送裝置沿導軌運動，經過檢測區域，再到分揀執行裝置區域，由分揀執行裝置對托盤中的水果進行卸載。為完成該卸載動作，托盤采用平開合頁鉸鏈方式進行側翻傾倒的任務。并且根據實際情況，卸載水果時要求鉸鏈可轉動的角度一般在30°～45°，防止角度過大導致托盤倒翻不能恢復到原來位置，也可以在托盤添加一塊配重塊，可在托盤傾倒后由于配重塊的原因恢復到原來位置。

對于底座的設計要結合導軌以及同步帶的選型尺寸進行設計，如圖4所示。由于是連接同步帶進行移動，存在半圓弧狀的移動路線，常規的直線面接觸導軌及滑塊并不適合，需要自行設計。對于這個托盤底座沿導軌的移動，采用一種類似軌道小車的設計，采用軸承滾動在導軌橫向滾動。因為軸承所承受的軸向和徑向載荷較小，選用S725 GB 292-94角接觸球軸承。并針對軸承與導軌的配合對托盤底座進行設計。如果采用2排雙輪，由于有半圓弧狀的路線軌道兩側輪轂間隙應大于安裝時導軌的間隙，防止托盤在過半圓弧狀導軌時卡死，不僅增大間隙又會導致托盤在沿導軌移動過程中容易產生抖動現象。采用2排單輪，過半圓狀的導軌路線時不會產生卡死現象。但是前后易產生晃動，經綜合考慮，在2排單輪的基礎上進行改進設計。底座還應該設計出與同步帶連接的槽型。根據需要適當地在托盤上添加卸載水果的槽口，避免水果卡在托盤中不掉出，且槽口設計在鉸鏈的一側。

5 導軌及分揀執行裝置設計

導軌的截面形狀根據托盤底座軸承位置進行設計。但是采用分段式安裝，由2個直線型和半圓弧型導軌，考慮到托盤底座的設計，不能直接將托盤與之先配合再安裝，將整個托盤安裝后才能放入導軌上。

曲柄滑塊機構可以利用滑塊對托盤進行側推，而且豎向空間較大。曲柄滑塊搖桿機構雖然也可以利用搖桿對托盤進行側推動作，由于設計的結構原因（如圖5所示），有同步帶的阻擋，如采用曲柄滑塊搖桿機構會導致搖桿打到同步帶，有干涉而不能到達到托盤底面進行推動側翻。而正切機構雖然可以實現，但是考慮到空間布局，需要設計一個長度很長的搖桿，按照已有的空間布局來看，放置的搖桿長度有限，可能達不到行程要求。

經過考慮，在選定曲柄滑塊機構的基礎上還要對曲柄滑塊機構加以改進。對于曲柄來說，由于是豎直方向傳動，也為了提高整個機構的剛度，方便原動機的安裝與傳動，將曲柄換為圓盤。而滑塊要制作導向槽，從而進行定位防止松動。由于空間布局，僅靠滑塊頂托盤底面會發生與同步帶和托盤底座碰撞，需要設計一個安裝在滑塊上的彎折的頂桿，使它能夠恰巧穿插在托盤底面和托盤底座的縫隙之中，不對其他的部件產生影響。此外，要考慮曲柄滑塊機構的死點位置來確定起始點。初步的設計尺寸如圖6所示。

整個分揀執行裝置中有4個小裝置均勻分布，每個間隔190mm，且由驅動器控制，根據檢測技術的數據處理，得出的數據大小分2～4個等級進行區分，例如，經過檢測的水果是第1等級，驅動器控制第1個分揀執行裝置將在幾秒后運行。運行過程是頂桿從縫隙中進入托盤底面的一邊，電機帶動頂桿上升，旋轉90°，到最高位置后剛好同步帶可以帶動托盤移動到分揀軌道正中心位置，將水果側倒進入分揀軌道后，頂桿下降旋轉90°后，頂桿剛好到達托盤底面的另一邊，并離開托盤，再反向旋轉180°回到起始位置，然后等待下一控制信號的發出。

6 控制方案及仿真分析

本文引用光譜儀采集技術，其應用的原理和工作過程是：當水果由托盤運行到檢測控制機箱中時，近紅外光譜儀照射到水果上并采集光譜數據，然后通過接口將波長信號傳送到PC機上，得到波長信號后，通過軟件系統處理截取水果特定的波長范圍，同時，對波長信號進行降噪平滑和校正處理，再進行數據組合計算，得出每個波長上的吸光度數據并列出矩陣，將每個吸光度值數據排列為矩陣與建立的模型矩陣相乘，從而得出水果特定物質的含量（酸甜度）。根據用戶需求設定等級，每個等級對應一定的數據范圍，而每個等級對應一個分揀執行裝置和分揀軌道，所以這項技術結合PC機的精準算法所得的結果可為控制分揀執行裝置的運行提供數據支持。之后可將處理的數據傳輸到控制板塊，由控制板塊執行對分揀執行裝置上電機的控制。

對于電機的控制，本文設計的控制板采用STC89S52單片機，對酸甜度數據進行時實時接收，并利用Keil軟件編寫程序代碼。

在分揀過程中，比較重要的部分就是對水果的上料，因為在上料過程中托盤是隨著同步帶一起移動的，一直處于移動狀態，而上料裝置只有配合托盤的移動速度，才能將水果推進托盤中，這樣才能確保后續的檢測與分揀工作的正常進行。本文進行了仿真模擬，驗證設備是否能夠按照設想的軌跡運動。這里主要仿真設備上隨同步帶移動的托盤和上料裝置舵機運轉完成推送水果的配合動作。

按照同步帶輪的轉速計算出同步帶的移動速度是V帶=161.75mm/s，因為托盤的移動是隨同步帶同步移動的，所以v托盤=V帶=161.75mm/s，2個托盤之間的間距是L均=264.58mm，通過計算得出，t間隔=1.63s，則舵機配合運作的周期是T=1.63s。而根據選擇的舵機型號，選擇的是4.8V的工作電壓，則舵機的轉動參數為60°/0.13s，舵機旋轉360°，完成推動復位的效果，耗時0.78s，并停轉0.85s。以此為一個周期進行周期性運轉。根據這些參數對設備進行一個簡單仿真模擬。

此次仿真采用SolidWorks軟件插件當中的Motion分析，主要添加旋轉馬達與路徑配合馬達。設置仿真動畫時長為20s，大約是托盤沿軌道走上一圈的時間。旋轉馬達1、2的轉速設置為7.96rpm，路徑配合馬達1、2、3配合同步帶輪的速度為161.75mm/s，旋轉馬達3為一個周期性間歇運轉的舵機，需要插入數據點（見圖7）。

設置好馬達后進行一個仿真模擬分析，根據動畫結果，托盤小車與設想一致，能夠準確地按照導軌進行移動，并且在托盤移動時，舵機準確間歇性旋轉，在托盤到達位置上料位置出處，推料板剛好升到最長位置處。且根據圖8可知，曲柄滑塊機構中滑塊（推料板）的行程恰好也是60mm。仿真分析結果表明，本文設計的設備結構比較合理，能按照設想的運行方式運轉。

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