农机产品数字化建模及快速成型研究

河南农业大学机电工程学院 梁博宇 田辉 叶芳 李蟒

平舆县杨埠镇农业服务中心 朱瑞霞

农机产品数字化建模及快速成型研究

河南农业大学机电工程学院 梁博宇 田辉 叶芳 李蟒

平舆县杨埠镇农业服务中心 朱瑞霞

3D打印作为一种新兴的成型制造技术，具有快速成型、绿色环保、易于操作等优点，与互联网、新能源并称为“第三次工业革命”的核心技术。而将快速成型技术与农业机械的结合则是农业机械零件发展的一个方向之一。结合我国农业机械发展的现状以及3D打印的应用实际，本文以智能板栗脱蓬一体机为例，阐述3D打印技术在农业机械设计创新以及制造中的应用，以最大程度地发挥3D打印技术的作用。

一、国内板栗脱蓬一体机的应用情况

在板栗主产区，板栗脱蓬机的应用并不是很广，主要原因：一是现有的脱蓬机费用较高，容易出现故障，且使用的时候噪音大；二是现有的脱蓬机脱蓬后小刺和板栗容易混合在一起，还需要另外分拣板栗和刺壳，费时费力；三是现有的脱蓬机进料口设置的都比较高，需要费很大的力才能把板栗送上去；四是现有的脱蓬机的辊子受力不均匀，容易折断。

目前，我国板栗脱蓬机虽然已有不少机型进入实际使用领域，但总的来说，技术成熟度较低，其表现为产品可靠性差，市场还没有启动起来，制约其发展的诸多因素未解决。

二、智能板栗脱蓬一体机的工作原理及优势

（一）机械设计

运用履带传送代替人工，实现自动上料过程，进入脱蓬装置。板栗脱蓬可以通过多种方式完成，但打碎式脱蓬不能保障栗子脱蓬后的完整性，我们采用挤压式脱蓬，将轴制成一定梯度的蜗轮蜗杆结构，其半径自前向后逐渐增大，可以使进料顺畅，且该结构可将较大的蓬残渣推向装置一侧，板栗透过网状弹簧板漏下。为防止蓬的碎屑进入板栗中，技术人员在板栗脱蓬装置的下侧安装风扇，进一步使蓬和板栗分离，得到较纯净的板栗。

技术人员将小板栗竖直放置时，钢管最大厚度作为排列间距且按照一定的倾斜角度进行摆列，将众钢管的一端与电机进行链状连接使它们能够进行同频率、同方向转动，以防止板栗卡在钢管间隙而造成的板栗堵塞、大小分级不准确等现象。较小的板栗自钢管间隙下落，掉落在与大小分级装置相平行的轨道。利用一定的倾斜角度和机器本身的震动，使板栗可以顺利通过大小分级装置进入板栗质量检测装置。

（二）检测控制部分设计

板栗按照大小、好坏可以进行分级，板栗脱蓬后的好坏可以由板栗表面的光泽度、黑点数量以及红褐色程度来判断，利用图像识别可以就以上3个判断标准进行科学检测。

如图1所示，图像识别技术可以通过不同波段的光将板栗进行扫描，将扫描的图像结果进行数字图像处理，将灰度图像的判断指标与标准范围相比较，控制系统对此作出响应。同时，利用多种传感器监控机器的工作状态和包装控制量。基于工厂流水线工作模式，设计体现了自动化、一体化的理念，该作品包含了板栗自动送料、脱蓬过滤、大小好坏分级、出料、包装共5个环节。刚摘下带有蓬的板栗放在送料箱，送料机将其送到脱蓬机，在脱蓬机里脱蓬处理后，经过大小震动网滤出小型板栗，大板栗经过图像检测平台滤出不好的部分，最后板栗堆积一定程度可以自动装箱。

控制系统以PLC为中心，使用总线连接并控制外部设备。控制的输出单元是电机机组的控制器，该电机组包括有脱蓬的主电机（市电输入）、传送电机（步进指令控制）、图像检测盘电机（DC12V供电）。

图像传感器是由摄像端、光源部分和数据传输部分组成，可以将板栗的高光谱成像图传输给图像处理模块，模块内进行数据分析、比较、计算，将检测结果的控制命令回传给系统处理器。利用高光谱图像技术采集板栗高光谱图像，提取霉烂板栗的光谱曲线，并通过偏最小二乘法判别分析（PLS-DA）建立霉烂板栗的识别模型，为板栗的无损分级提供一种新方法。偏最小二乘法判别分析在样品光谱信息的判别分析中具有很好的识别能力，是一种常用的模式判别方法。

三、智能板栗脱蓬一体机的3D打印模型

利用三维软件进行运动仿真，虽方便快捷易操作，但过于理想化，不利于开发者发现及改进设计中的问题；如果利用传统的制作方式进行设计实体化过程，那么将面临如在设计中出现的非标件难以购买，一些特定零件造价昂贵等问题。3D打印技术的引入，以上问题将迎刃而解，如图2为利用3D打印技术完成的智能板栗脱蓬一体机的实物模型。基于3D打印技术的快速成型制作的特点，开发者可以根据自己设计的需要进行特定零件的打印，完成机器的组装工作，在进行实体运动仿真的过程中，可以快速准确地发现问题，即时进行设计改良、调整，大大降低了设计制作的难度，可以把更多的精力投入如何改进，优化设计内容上。

四、总结

实现板栗脱蓬机械智能一体化，为响应国家创建资源节约型、环境友好型社会作出了贡献。自动化板栗脱蓬一体机不仅能够减少人工劳动量，而且有很好的经济效益。

随着计算机技术的飞速发展，市场的需求压力，现代设计与制造技术发生了很大变化，为了提高产品开发速度，合理压缩制作周期，在农业机械的设计开发及其制造中应用3D打印技术可以快速制造形状复杂的零件及新产品首版样件的技术，可快速、准确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或零件，摆脱了制造业传统模式的制造流程，以便进行快速评估、修改及功能测试，大大缩短了产品的研制周期，减少开发投入费用。

图1 控制系统流程图

图2 智能板栗脱蓬一体机的3D打印模型