一种小型水果分拣装置的设计及仿真研究

邱显焱 郭士超 雷磊

【摘  要】针对我国水果种植行业中大多为小农户型的特点，论文研制了一款可搬运、操作简单的全自动水果分拣小型化设备，可减轻分拣的劳动量，提高分拣的准确度。论文主要对全自动水果分拣装置的整体结构进行了设计，包括水果自动上料装置、稳定传输的输送装置、分拣执行装置以及机架等。本设计可让果农提高工作效率和经济效益，具有一定的市场竞争力。

【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.

【关键词】水果分拣装置;小型化设备;结构设计;仿真分析

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

【中图分类号】TS255.35                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）10-0182-03

1 引言

目前，对于水果外观品质检测并分拣的技术研究和设备研制以及投入使用已得到极大的发展，对于减轻果农看果辨识果质的劳动强度具有重要意义，同时，提升了我国水果产后处理能力和水果生产的整体国际竞争力。本文设计了一种全自动小型水果分拣装置，适用于国内小农户型果农，可减轻工作量并且操作简单、便于搬运，也使得这种小型化设备在市场上具有竞争力。

2 总体结构设计

本文设计的小型水果分拣装置总体结构设计如图1所示。将水果放入送料装置，装置将水果自动推入传输装置，传送到设备的检测区域。经过近红外光谱检测后，给出信号指令到分拣执行装置，实现对水果的分拣，最后将水果送往分拣箱当中。本设备运行1min能够分拣20～30个水果。

3 上料装置设计

针对水果的大小和特性，本文设计了一种水果自动上料装置、稳定传输的输送装置和分拣执行装置，并利用现有检测技术的要求结合设备、控制系统实现快速、无损害、高效地进行水果等级分拣，并且在上料、输送和分拣的过程当中尽量避免水果的磕碰、擦伤、翻滚等损伤，因此，适当添加了一些柔性好、能起缓冲作用的材料，同时，保证设备的平稳運行。

上料装置的工作流程是将水果倒往漏斗当中，水果沿漏口掉落到轨道并滚到推料的位置，推料装置启动舵机，驱动推板将水果推往托盘中。将输料槽当中的水果推向托盘当中，本文选用了曲柄滑块机构进行送料。设定较大的水果直径为90mm，半径为45mm，要求曲柄滑块机构的行程要比水果的半径略大，设为60mm。根据计算得出曲柄和摇杆的尺寸，尺寸如图2所示。本文的动力元件采用连续旋转的DG-995 15kg扭矩的进口数字舵机，控制部分由单片机单独控制，通过三维建模设计出的自动上料装置的模型图如图3所示。

4 托盘及底座设计

该分拣装置用于输送的传动装置中运用托盘对水果在自动上料装置进行装载，并随着传送装置沿导轨运动，经过检测区域，再到分拣执行装置区域，由分拣执行装置对托盘中的水果进行卸载。为完成该卸载动作，托盘采用平开合页铰链方式进行侧翻倾倒的任务。并且根据实际情况，卸载水果时要求铰链可转动的角度一般在30°～45°，防止角度过大导致托盘倒翻不能恢复到原来位置，也可以在托盘添加一块配重块，可在托盘倾倒后由于配重块的原因恢复到原来位置。

对于底座的设计要结合导轨以及同步带的选型尺寸进行设计，如图4所示。由于是连接同步带进行移动，存在半圆弧状的移动路线，常规的直线面接触导轨及滑块并不适合，需要自行设计。对于这个托盘底座沿导轨的移动，采用一种类似轨道小车的设计，采用轴承滚动在导轨横向滚动。因为轴承所承受的轴向和径向载荷较小，选用S725 GB 292-94角接触球轴承。并针对轴承与导轨的配合对托盘底座进行设计。如果采用2排双轮，由于有半圆弧状的路线轨道两侧轮毂间隙应大于安装时导轨的间隙，防止托盘在过半圆弧状导轨时卡死，不仅增大间隙又会导致托盘在沿导轨移动过程中容易产生抖动现象。采用2排单轮，过半圆状的导轨路线时不会产生卡死现象。但是前后易产生晃动，经综合考虑，在2排单轮的基础上进行改进设计。底座还应该设计出与同步带连接的槽型。根据需要适当地在托盘上添加卸载水果的槽口，避免水果卡在托盘中不掉出，且槽口设计在铰链的一侧。

5 导轨及分拣执行装置设计

导轨的截面形状根据托盘底座轴承位置进行设计。但是采用分段式安装，由2个直线型和半圆弧型导轨，考虑到托盘底座的设计，不能直接将托盘与之先配合再安装，将整个托盘安装后才能放入导轨上。

曲柄滑块机构可以利用滑块对托盘进行侧推，而且竖向空间较大。曲柄滑块摇杆机构虽然也可以利用摇杆对托盘进行侧推动作，由于设计的结构原因（如图5所示），有同步带的阻挡，如采用曲柄滑块摇杆机构会导致摇杆打到同步带，有干涉而不能到达到托盘底面进行推动侧翻。而正切机构虽然可以实现，但是考虑到空间布局，需要设计一个长度很长的摇杆，按照已有的空间布局来看，放置的摇杆长度有限，可能达不到行程要求。

经过考虑，在选定曲柄滑块机构的基础上还要对曲柄滑块机构加以改进。对于曲柄来说，由于是竖直方向传动，也为了提高整个机构的刚度，方便原动机的安装与传动，将曲柄换为圆盘。而滑块要制作导向槽，从而进行定位防止松动。由于空间布局，仅靠滑块顶托盘底面会发生与同步带和托盘底座碰撞，需要设计一个安装在滑块上的弯折的顶杆，使它能够恰巧穿插在托盘底面和托盘底座的缝隙之中，不对其他的部件产生影响。此外，要考虑曲柄滑块机构的死点位置来确定起始点。初步的设计尺寸如图6所示。

整个分拣执行装置中有4个小装置均匀分布，每个间隔190mm，且由驱动器控制，根据检测技术的数据处理，得出的数据大小分2～4个等级进行区分，例如，经过检测的水果是第1等级，驱动器控制第1个分拣执行装置将在几秒后运行。运行过程是顶杆从缝隙中进入托盘底面的一边，电机带动顶杆上升，旋转90°，到最高位置后刚好同步带可以带动托盘移动到分拣轨道正中心位置，将水果侧倒进入分拣轨道后，顶杆下降旋转90°后，顶杆刚好到达托盘底面的另一边，并离开托盘，再反向旋转180°回到起始位置，然后等待下一控制信号的发出。

6 控制方案及仿真分析

本文引用光谱仪采集技术，其应用的原理和工作过程是：当水果由托盘运行到检测控制机箱中时，近红外光谱仪照射到水果上并采集光谱数据，然后通过接口将波长信号传送到PC机上，得到波长信号后，通过软件系统处理截取水果特定的波长范围，同时，对波长信号进行降噪平滑和校正处理，再进行数据组合计算，得出每个波长上的吸光度数据并列出矩阵，将每个吸光度值数据排列为矩阵与建立的模型矩阵相乘，从而得出水果特定物质的含量（酸甜度）。根据用户需求设定等级，每个等级对应一定的数据范围，而每个等级对应一个分拣执行装置和分拣轨道，所以这项技术结合PC机的精准算法所得的结果可为控制分拣执行装置的运行提供数据支持。之后可将处理的数据传输到控制板块，由控制板块执行对分拣执行装置上电机的控制。

对于电机的控制，本文设计的控制板采用STC89S52单片机，对酸甜度数据进行时实时接收，并利用Keil软件编写程序代码。

在分揀过程中，比较重要的部分就是对水果的上料，因为在上料过程中托盘是随着同步带一起移动的，一直处于移动状态，而上料装置只有配合托盘的移动速度，才能将水果推进托盘中，这样才能确保后续的检测与分拣工作的正常进行。本文进行了仿真模拟，验证设备是否能够按照设想的轨迹运动。这里主要仿真设备上随同步带移动的托盘和上料装置舵机运转完成推送水果的配合动作。

按照同步带轮的转速计算出同步带的移动速度是V带=161.75mm/s，因为托盘的移动是随同步带同步移动的，所以v托盘=V带=161.75mm/s，2个托盘之间的间距是L均=264.58mm，通过计算得出，t间隔=1.63s，则舵机配合运作的周期是T=1.63s。而根据选择的舵机型号，选择的是4.8V的工作电压，则舵机的转动参数为60°/0.13s，舵机旋转360°，完成推动复位的效果，耗时0.78s，并停转0.85s。以此为一个周期进行周期性运转。根据这些参数对设备进行一个简单仿真模拟。

此次仿真采用SolidWorks软件插件当中的Motion分析，主要添加旋转马达与路径配合马达。设置仿真动画时长为20s，大约是托盘沿轨道走上一圈的时间。旋转马达1、2的转速设置为7.96rpm，路径配合马达1、2、3配合同步带轮的速度为161.75mm/s，旋转马达3为一个周期性间歇运转的舵机，需要插入数据点（见图7）。

设置好马达后进行一个仿真模拟分析，根据动画结果，托盘小车与设想一致，能够准确地按照导轨进行移动，并且在托盘移动时，舵机准确间歇性旋转，在托盘到达位置上料位置出处，推料板刚好升到最长位置处。且根据图8可知，曲柄滑块机构中滑块（推料板）的行程恰好也是60mm。仿真分析结果表明，本文设计的设备结构比较合理，能按照设想的运行方式运转。

【参考文献】

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【5】濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计（第十版）[M].北京：高等教育出版社，2019.

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