蔬菜实时全自动捆扎装置研究

2020-08-26黎凯刘慧王硕蔡宇王小红姬长英

江苏农机化 2020年4期

黎凯刘慧王硕蔡宇王小红姬长英

0 引言

近年来，随着经济发展和人民生活水平的提高，我国蔬菜的需求量日渐增加，蔬菜种植面积不断扩大。目前，蔬菜种植收割过程基本实现机械化、自动化，但蔬菜捆扎装置多为半自动机械，工作效率低，生产成本高。因此，研发蔬菜实时全自动捆扎装置对提高我国农业机械化水平具有重大意义[1]。

1 技术研究现状

捆扎机械广泛应用于制造业、食品工业、交通运输业等，为现代工业社会不可缺少的设备。随着社会经济和科学技术的不断发展，国内生产的捆扎机械在生产工艺、整机性能等方面都有了很大的提高，但与国外捆扎机械生产技术水平相比还存在差距，主要表现为品种单一，生产能力低，无法满足一些特殊行业的需要。现有的捆扎机械基本上是独立工作的，在蔬菜收割后，需要人工操作捆扎，并通过人工将捆扎好的蔬菜输送至蔬菜收容器。此过程为半自动收割捆扎过程，耗费人工成本，且作业效率低。

为弥补传统蔬菜收割捆扎技术中的不足，本文拟设计一款加装在蔬菜收割机上的轨道常开可闭合式捆扎装置。此捆扎装置与条形蔬菜收割机配合使用，可实现芹菜、韭菜等条形蔬菜收割捆扎一体化。

2 捆扎装置设计

2.1 设计要求与设计目标

2.1.1 设计要求

此捆扎装置安装于蔬菜收割机传送带上方，与蔬菜收割机配合使用。当收割的蔬菜经传送带传送至捆扎轨道内部区域时，蔬菜触发感应装置，捆扎轨道闭合，送带退带传动装置工作。捆扎完成后蔬菜垂直掉落于存储装置，感应系统失去感应，使轨道闭合的电路断开，轨道重回常开可闭合状态。收割机收割量巨大，传送带设有间隔，以保证蔬菜成捆进入捆扎机。基于捆扎装置特殊的工作环境，提出以下要求：

1）蔬菜捆扎装置采用宽12 mm、厚0.5～0.9 mm的塑料OPP带，收紧力度为10～50 N，以保证蔬菜捆扎完整、不易受损，且运输过程中不易松散。

2）整机外形尺寸（长×宽×高）为460 mm×260 mm×380 mm；轨道闭合速度为1 s/次；捆扎速度为1.5 s/次，工作功率为330 W，以保证捆扎装置的工作效率。

3）为保证蔬菜捆扎后掉落于存储装置，捆扎装置轨道应平行于地面放置在收割机上。

2.1.2 设计目标

拟设计一种用于蔬菜收割捆扎一体机上的捆扎装置，以实现收割、捆扎的一体化，降低蔬菜收割捆扎的人工成本，提高工作效率。此捆扎装置在现有捆扎机的基础上，将捆扎轨道改装为常开可闭合式轨道，并完成电路控制设计。

2.2 张紧力的确认

以芹菜为例，研究蔬菜在蠕变实验中应变、应力随时间变化的关系，为捆扎装置的研究提供理论基础。

2.2.1 研究对象

当季香芹。

2.2.2 实验仪器

质构仪。

2.2.3 材料处理

将芹菜捆制成长20 cm、横截面周长18 cm 的标准圆柱试样，取距根部10 cm 处作为受力点。

2.2.4 实验过程

将处理好的实验材料放置于实验台上，使用压缩探头将仪器归零，加载速度设置为30 mm/min,恒定载荷设置为10 N，实验时间设置为7 200 s。当试样刚开始受到10 N 的载荷时，每隔一秒采集一个形变量，共采集10 个数据，此后每隔80 秒采集一个数据,约采集90 个数据，直至实验结束。

2.2.5 数据处理

用载荷达到10 N、应力达到1 762 Pa 时的试验结果来建立蠕变模型。采用三参数模型来拟合芹菜的蠕变模型。由三参数模型可导出蠕变方程[2]

式中：σ——应力，Pa；

X——应变,%；

E1——三参数模型中弹簧1 的弹性系数；

E2——三参数模型中弹簧2 的弹性系数；

f——材料的特征时间参数,s；

t——时间,s。

当t=0 时，X0=11.33%。

当t=∞ 时，X∞=19.28%。

计算得E1=22 163.52，E2=15 551.63。

当t=3 600 s 时，X3600=17.54%。

计算得f=2 369.53。

芹菜的蠕变模型如图1 所示。

为检验模型的拟合效果，将测量值与计算值进行对比（见图2）。

经检验，t=3 600 s 时，理论值与测量值误差最小。将该模型与应力为882 Pa 和应力为2 646 Pa 的两组蠕变试验的结果进行对比，误差均在5%以内，说明该模型拟合效果良好。

图1 芹菜的蠕变模型

图2 测量值与计算值的对比

上述实验表明，捆扎装置的张紧力范围最好在10～50 N 之间，以保证在降低蔬菜损伤度的同时实现蔬菜流通过程中不松散。

2.3 常开可闭合轨道的研究

2.3.1 常开可闭合轨道的设计方案

常开可闭合轨道的设计应实现定角度转动，并且保证轨道平滑，响应速度快，可靠性强。基于以上工作要求，本文拟采用小型化、高精度的嵌入式电动舵机实现对轨道的旋转控制。电动舵机[3]是控制转动的一个执行部件，带有输出轴，工作时采用直流脉冲信号，可以通过调整周期信号的占空比实现对舵机旋转角度的控制。为适用于此捆扎装置，将单边舵机旋转角度设定为30°，以半圆形转动轴体作为舵机的外舱体。

图3 为常开可闭合式轨道示意图。此轨道半径为300 mm，单边轨道的常开角度为30°，以实现条形蔬菜顺利进入。为实现平滑进带，半圆形转动轴体与走带轨道架为一整体，内部开有的走带槽与半边轨道走带槽为一整体，且在捆扎装置内部焊接一进带槽，此进带槽在轨道张开时与走带轨道槽底部成30°夹角，当轨道转动闭合时，进带槽与走带轨道槽底部的夹角为0°，从而实现平滑联接。

图3 常开可闭合式轨道示意图

2.3.2 走带系统与常开可闭合轨道配合的工作过程

走带系统是捆扎装置重要的组成部分之一。本文设计的捆扎装置中的走带系统主要由送退带装置、热熔装置、夹压剪切装置组成（见图4）。走带系统将蔬菜捆紧，以增加包装强度，减少散开的损失。常开可闭合式轨道在走带系统的帮助下完成对收获作物的捆扎。走带系统的主要工作流程为：蔬菜定位→送带收紧→剪切热熔。

1）蔬菜定位。在蔬菜到达捆扎装置之前，轨道为张开状态，可接纳在收割机上运行的蔬菜顺利进入轨道工作空间内。当安装于装置前端的光电传感器感应到蔬菜时，轨道在电路系统的控制下闭合，构成平滑的送带轨道。

图4 走带系统示意图

2）送带收紧[4]。轨道闭合后，捆扎装置进入工作状态，皮带轮逆时针旋转，通过与皮带轮的摩擦力将皮带收紧，直到皮带端接触制动器的微动开关为止。在收到传感器的指令后，捆扎装置将捆扎带收紧，右爪上升紧压住带头，随后送带轮顺时针旋转，捆扎带沿轨道退回，同时约束捆扎带位置的叶片随捆扎带退出的拉力打开，捆扎带从捆扎轨道中下落至蔬菜表面，随后张紧臂向下转动，捆扎带继续退回，直至紧贴于蔬菜表面，呈拉紧状态。当捆扎带对蔬菜的压力达到预先设定好的压力值时，完成收紧过程。

3）搭接退带[5]。在完成对蔬菜的收紧捆绕后，为了使蔬菜在流通过程中不松散，就必须将捆扎带的两端牢固连接，让左爪上升至捆扎带表面，压住两层捆扎带使其保持紧密接触状态。此时，隔离块退出，烫头块跟进。烫头块将胶带两端加热到熔融状态，用于粘接，压力块上升压断胶带。烫融结束后回到起始位置。压力块继续上升，使两层加热后的包层两端紧密结合。至此，走带系统已完成对蔬菜的一周期捆扎工作，轨道重回常开状态。

走带系统与常开可闭合轨道配合的工作过程如图5 所示。

2.4 光电感应及电路控制

2.4.1 光电感应

该捆扎装置采用欧姆龙光电传感器[6]。传感器由发射机、接收机和检测电路组成，通过将光束的变化转化为电信号的变化，实现控制功能。欧姆龙光电传感器能检测各种形状及材料的物体，实现非接触检测，减少蔬菜受损度，响应速度快，适用于此捆扎装置。

图5 走带系统与常开可闭合轨道配合的工作过程

2.4.2 电路控制

控制电路由双单片机系统控制模块、光电感应器模块、舵机控制模块、捆扎电动机控制模块、送退带控制模块、声音提示模块和电源模块组成。

系统控制模块由AT89S52 单片机组成。AT89S52 是一种低功耗、高性能的CMOS 8 位单片机，工作时，启动电源，开关闭合，由单片机控制整个过程。光电感应器模块是一种漫反射式光电开关，由发射机、接收机和检测电路组成。当检测对象通过时，它会挡住光并将光反射回来。光接收器接收光信号，经检测电路转换为数字信号，输出一个开关信号给单片机芯片。芯片由大量的晶体管组成，晶体管分开、关两种状态，在电路传输数据中两种状态分别使用1、0 来表示，然后通过1 和0 来传递信号，传输数据。芯片在通电之后会产生一个启动指令，所有的晶体管就会开始传输数据，将特定的指令和数据输出。芯片对数字信号进行处理分析，进而输出指令通过接口电路传输到轨道闭合调节机构，完成轨道闭合。轨道闭合后主控制芯片AT89S52 继续输出信号，通过接口电路传输到辅控制芯片AT89C52，进行信号处理分析。输出信号通过接口电路传输到送退带捆扎机构装置，实现送带捆扎。捆扎完成后，输出信号反馈给辅控制芯片AT89S52，继续对送退带装置进行调节，实现退带。退带完成后，辅控制芯片将信号反馈给主控制芯片，进而对舵机执行机构调节，实现轨道张开。由此完成一个周期的捆扎工作。