可伸缩式菠萝采摘机械装置的结构设计

2019-06-03王核心许亚军

装备制造技术 2019年2期

惠佳，王核心，许亚军

（陕西省宝鸡职业技术学院机电信息学院，陕西宝鸡721000）

0 引言

水果是人类生存不可或缺的食物，菠萝更是水果中的优品，又称凤梨，为著名热带水果，其营养丰富，含大量的维C，品质优异，深受人们的喜爱，需求量也在不断增长。菠萝为常年生水果，产量大，然而菠萝的采收却是一项繁重的工作，其采摘作业季节性强、耗时费力、费用高，因此保证果实适时采摘、降低收获作业费用是果农增收的重要途径[1]。

菠萝生长的环境密集，大面积机械化采摘会破坏菠萝的表面及其柱体后续的生长。因此，目前我国菠萝的采摘大多数还是依靠人工，机械化程度较低。菠萝的叶子布满芒刺，且十分坚硬，人工采摘时很容易扎破采摘者的手，且采摘效率较低，此外，密集的菠萝株也不方便采摘后菠萝的运输。基于上述原因，使得我国菠萝成本居高不下，仅采摘这一环节的费用就占到总成本的50%～70%，且采摘时间较为集中[2]。

为进一步提升我国菠萝采摘的自动化程度和效率，增加菠萝种植户的收入和种植热情，本设计基于多方面考虑，设计出了采摘效率高、运输便捷且与工作人员之间易于配合的菠萝采摘机械手。该机械手即可避免农户在采摘菠萝过程中扎破手指，同时利用脚蹬的三轮车又能码列整齐，实现方便运输，从而大大提高了采摘的效率。该菠萝采摘机械装置的设计可为我国进一步发展高自动化水平菠萝采摘机提供重要参考。

1 设计方案

1.1 整体设计方案介绍

可伸缩移动式菠萝采摘机总体设计方案如图1所示，其由三轮小车运输机构和机械手臂两部分组成，根据菠萝的生长特点，该采摘装置在工作过程中，采摘者骑上三轮车，并用双脚蹬踏脚蹬使三轮车前进，同时双手抓扶三轮车箱上的横向栏杆，配合座椅与围栏之间连接的转轴，实现三轮车运动方向的控制。此外三轮车车厢内可放置一至两个果筐，在机械手完成菠萝采摘后，可将菠萝直接放入果筐。

图1 菠萝采摘装置

1.2 机械手臂的设计

菠萝采摘设备中的核心机构-机械手臂的设计方案图2所示，图2（a）为机械手臂的三维装配图，从该图中可以了解该机械手臂的工作原理，图2（b）为机械手臂的二维图，采摘爪的结构尺寸根据菠萝相关参数设定[2]。由图2中可知，该机械手臂由球轴承、支撑杆、鱼眼轴承、控制杆、直线轴承、采摘爪、扶手以及采摘扳机等多个零件装配而成，其中球轴承为三轮车与机械手臂的链接机构，而鱼眼轴承则是链接直线轴承和支撑杆，同时实现机械手臂的空间方向的移动。采摘爪中有一重要部件为推杆，其通过高韧性金属丝与控制杆末端的扳机相连，拉动扳机则推杆前后运动，最终实现卡爪的开合。

采摘手臂的工作原理为：其主体采摘部分为一支机械采摘手臂，采摘手臂通过一些列轴承和支撑杆实现与三轮车的连接。在其工作过程中，农户将三轮车停靠在采摘合适位置后，双手扶握机械手臂手柄，机械手臂通过鱼眼轴承和球轴承实现上下左右个方向的运动，此时机械手爪为张开状态，当机械手爪抓着目标菠萝之后，农户手拉把手内的扳机，此时机械手爪闭合并抓紧菠萝，同时位于机械手爪下方的刀片相向运动，对菠萝的根部进行剪切，最终实现菠萝与其根部的分离。完成采摘后机械手臂上抬，将菠萝放入果筐中，并蹬踏三轮车前进，开始下一个菠萝的采摘工作。

图2 机械采摘手臂结构图

1.2.1 伸缩扭转机构的设计

为方便采摘人员坐在三轮车上原地采摘四周的菠萝，借鉴滑块及汽车上的转向机构，采用球轴承、鱼眼轴承及直线轴承来实现伸缩和摆动。图3（a）所示的为球轴承，其与支撑杆相连接，不但可使支撑杆做360°整周回转运动，同时由于轴承套与球头之间存在一定的间隙，因此该球轴承还可以实现支撑杆有小角度范围内的往复摆动，这样的设计使得采摘菠萝的范围进一步增大。图3（b）为鱼眼轴承，该鱼眼轴承链接直线轴承和支撑杆，由于其特殊的结构特点，可使控制杆实现上下方向运动，这样的设计可以满足不同高度的菠萝株的采摘。图3（c）为直线轴承，该直线轴承由两部分构成，其下部与鱼眼轴承相连接，而上部则通过轴孔与控制杆相连接（间隙配合）。控制杆穿过轴孔，并沿其轴向可实现前后移动伸缩，以实现不同距离处的菠萝的采摘，同时也方便将剪断的菠萝放回到车厢的果筐内，码放整齐。球轴承、鱼眼轴承以及直线轴承的结合，可以大大增加采摘爪的伸缩高度及采摘半径，进一步提升了农户的采摘效率。

图3 球轴承、鱼眼轴承及直线轴承结构设计图

1.2.2 夹紧机构的设计

因为菠萝的特殊生长方式（果柄在下，果实在上），所以在采摘时需要将菠萝抱紧，不然采摘时容易掉落损坏果实。根据这一特点，设计该夹紧机构的工作过程为：双手扶握扶手的同时，一只手拉动扳机，此时控制杆内部的牵引线（连接扳机和推杆）便会运动，并拉动推杆，推杆运动过程中拉杆上的弹簧发生变形并伴随着拉杆向后（向着扶手的方向）移动，此时，与拉杆和采摘爪相连的连杆机构发生逆时针运动，采摘爪实现回扣，夹紧菠萝。此外，考虑到菠萝在采摘中易被夹扁损坏，因此特意在采摘爪的内表面设计了一层弹性硅胶垫，从而达到了菠萝采摘过程中保护表面的目的。见图4。

1.2.3 剪切机构的设计

机械手臂的采摘爪下方面对面安装有剪切机构-圆弧形刀片，当拉动扳机时，推杆回缩，内部的弹簧被压缩，采摘爪在抱握菠萝的同时，由于刀片与采摘爪为紧固连接，因此下方的刀片也随之夹紧，两刀片逐渐贴合直至将菠萝切断。在菠萝被拉回到车厢放入果筐时，松开扳机，此时弹簧释放弹性，带动推杆向前做回复运动，在连杆机构开张下，刀片也随之张开。当卡爪到达指定位置时，位于推杆处的限位块的阻挡了推杆继续向前的运动，此时推杆停止运动，同时采摘爪也位于张开的最大位置。见图5。

图5 刀片结构图

1.3 运输机构的设计

菠萝采摘机械手臂在工作过程中安装在一个三轮小车之上，此处主要是考虑节省成本，降低价格，适用于更多的中小型果农，因此设计的脚蹬式三轮车方案如图6所示，主要用途是装载菠萝采摘机械手臂，同时方便在菠萝地中运动以及承载果筐并运输菠萝。该三轮小车在设计上与常见的拉货用三轮车不同，为反向设计，农户在进行菠萝采摘的过程中，首先登踏三轮小车进入菠萝田，在前进的过程中，农户无需操作机械手臂，双手扶握三轮车的栏杆，同时双脚登踏三轮小车上的脚蹬，使得三轮车实现直线运动。该三轮车在座椅和围栏之间的还采用了转轴设计，当三轮车需要转弯时，农户用手推动扶手向着需要转动的方向增加推力，此时转轴旋转，三轮小车实现转弯。

1.4 3D打印实物

采用3D打印技术，根据三维数字化软件PRO/E的建模自动、快速、直接和比较精确地将其模型打印出来，不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具，具有较高的精度和很高的复杂程度，可以制造出采用传统方法制造不出来的、非常复杂的鱼眼轴承、球轴承制件。不用剔除边角料，提高了材料的利用率，通过摒弃生产线而降低了成本。同时3D打印材料材质轻便宜，不会增加采摘工的劳动强度，制作成本较为低廉，购买成本不高，操作运作也方便轻巧。3D打印的实物如图6所示。