智能采摘机视角下的切割技术研究现状及展望*

张恩铭，张新星，陈叶叶，陈席国，吴成成，李治丹

（衢州职业技术学院机电工程学院，浙江 衢州 324000)

0 引言

农业机械种类多、用途广泛，如农作物的种植、收获、初加工、处理过程等方面所应用的机械设备，以及畜牧业生产过程、初加工、处理过程等方面所使用的各种农业设备。目前，水果类农产品主要以原果出售为主，发展水果收获机械，可进一步提高果农收入。收获机械主要用于农作物和农产品的收获。采摘机是收获机械一种，可以减轻果农在采摘水果过程中的劳动强度和劳动力投入，也可提高水果采摘质量。为进一步提高水果的商品价值，促进农民增收，对采摘机进一步研究和改良十分必要。

国内的水果采摘目前主要靠人力手工采摘，简易机械辅助采摘。果农手工采摘水果，不仅劳动强度大，而且采摘效率也比较低，采摘后的水果品质差，卫生不达标，严重影响了水果的商品价值。虽然智能采摘机研究取得了一定进步，但和国外采摘机水平还有差距。国外的智能采摘机设备的技术比较先进，却不能完全符合我国水果采摘现状。

采摘机关键的一步是使果实与果树分离，一般利用切割技术使果实与果树分离。国内外的切割技术有很多，比较传统的切割方式是机械切割，现代化的切割方式有激光切割、水射流切割、新型工业燃气火焰切割以及超声切割等切割方法。选用最优的切割方法与现代智能技术相结合可提高水果的采摘效率，适应国内采摘环境，可减少劳动力投入，具有很大的研究意义和市场需求。

1 国内外切割技术研究概况

国外研究人员对切割技术研究较早，切割技术应用领域较广，切割技术也比较成熟，但选取与智能采摘相匹配切割技术的研究还并不多，随着机械设备的发展，急需研究比传统机械切割更合适的切割技术。目前，我国将切割技术应用于农机领域的研究处于起步阶段，选取合适切割技术与智能采摘机相匹配，有利于推进我国水果采摘机的发展，非常具有研究价值。

1.1 国外情况

国外的切割技术起步早，应用领域广泛，在不同领域有不同的切割技术与之相匹配。选取合适的切割技术应用到水果采摘机领域很有研究必要。

1）Teguh Dwi Widodo等研究人员于2020年10月研究了磨料水射流切割技术应用在医用植入材料中，选用合适的切割角度、速度、水压和室温，可以使或者在植入医用材料后，伤口更容易愈合[1]。

2）加拿大国家研究委员会航空航天制造技术中心的C.Beausoleil等研究人员于2020年7月研究发现，将激光切割技术应用到陶瓷等脆性材料中，可以实现自动化制造，可以精确控制切削深度、宽度和精度，切割效果好，效率高，质量高，几乎无缺陷[2]。

3）波兰罗兹理工大学机电与信息系统研究所的Maria Dems等研究人员于2020年4月研究发现，将激光切割技术或者电火花切割技术应用到切削电机芯片，可以有效减少电力损耗，激光切割和电火花切割可以完成精度较高的切割[3]。

4）美国Dalio心血管成像研究所的Nazanin Farokhnia等研究人员于2020年2月研究发现，将激光切割技术应用到血管类软管的切割，激光切割技术精度高，切割效果好，可以满足医学切割要求[4]。

5）芬兰自然资源研究所的Laitila等研究人员于2020年1月研究发现，不同的收割机头对传统机械收割机的砍伐效率和树木砍伐质量影响较大，选择适当的切割技术应用到农机上很有必要[5]。

6）日本国家先进工业科学技术研究所、先进制造研究所联合早稻田大学的Satoshi Kajino等研究人员于2020年1月研究了一种新型的机械切割方法，将金属丝同时施加剪切力和扭转力，用于切割高质量胚料的较窄区域，切割效果可以达到理想要求[6]。

7）美国亚利桑那大学联合科罗拉多大学的Rahimian Rombod于2019年4月研究提出，对低资源环境下如何让选取合适的切割技术应用到切割坏死的神经或者截肢等，在没有合适的切割工具时，可以用高速牙科工具代替[7]。

8）俄罗斯南乌拉尔州的Ivan A.Ilin等研究人员于2019年3月研究发现，将激光切割技术应用到高强度钢切割与等离子切割技术应用到高强度钢切割进行比较，两种切割方式都能完成对高强度钢的切割，切割结果进行比较，研究结果可改善热切割焊接方法[8]。

9）韦恩州立大学机械工程系Ameer Al-shawk等研究人员于2018年9月研究发现，对不同切割方法应用到制作板料，水射切割技术、电火花切割技术和铣削切割技术均可以应用到制造板料中[9]。

10）2017年7月University of Natural Resources and Live Sciences的Alejandro Martínez-Conde等研究人员研究发现，激光切割技术不仅可以切割木材材料，还可以切割金属材料和非金属材料，并且激光切割相比传统机械切割方式具有可控性高，无接触机械损伤，切割效果好等优点[10]。

国外的切割技术已经非常成熟，应用于各个领域，但在农机行业依然以机械切割为主，随着智能农机的发展，传统的机械切割的弊端已逐渐展露，需要选取一种可控性高，精度高的切割技术，激光切割与智能采摘机相结合可以达到理想效果。

1.2 国内情况

我国的切割技术现处于快速发展阶段，虽然已应用到各个领域，但在智能采摘机领域的研究还有很大的发展空间。

1）华中科技大学联合东京大学的魏白等研究人员于2020年7月研究发现，传统的机械切割方式配合新型的切割方法可以有效改善骨科切骨手术过程中对患者造成二次损伤，提高手术效率并减小能耗[11]。

2）大连理工大学的谭毅等研究人员于2020年7月研究发现，传统机械切割方式应用于切割硅片，不同材料的金刚石线锯比多线浆锯切割效果更加理想，可使硅片的反射率降低14.7%左右，将金刚石线锯切割的钙片应用到太阳能电池上，多项功能均得到提升[12]。

3）桂林电子科技大学的魏邦聚等研究人员于2020年7月研究发现，传统的机械切割方式应用到石材切割，金刚石线切割比现有的线锯机在切割过程中效率更高，更加环保并且更加安全[13]。

4）河北建筑工程学院的王新明等研究人员于2020年6月研究发现，激光切割技术在国内得到快速发展，被应用到各个领域，激光切割技术可以切割塑料材料、玻璃材料、木材材料以及金属材料和非金属材料等，并且切割效率较高，质量好，环保绿色能耗低，可控性和自动化水平高[14]。

5）天津大学联合爱尔兰都柏林大学的魏坤颉等研究人员于2020年2月研究发现，机械切割方法改良成可切割原子尺度的切割技术ACS，一种向原子和接近原子规模制造的破坏性切割技术，与传统切削过程中以剪切为主的切屑形成和微纳米切削过程中以挤压为主的切屑形成有明显不同[15]。

6）苏州大学的刘海青等研究人员研究发现，高压水射流切割技术具有绿色环保和切割效率高的特点，可用于医学切割、垃圾切割、土木工程建设以及矿产开采等较大规模的切割[16]。

7）哈尔滨工业大学的王振龙等研究人员于2019年7月的研究发现，电火花线切割技术的应用成本较高，利用线状电极产生的高温将材料汽化来完成切割，切割过程中需相对稳定的加工环境，才能完成对材料的切割，可控性不高，并不适合复杂水果种植环境[17]。

我国的切割技术在各个领域都得到了广泛应用，但与智能采摘相匹配的切割技术研究报道还比较少。激光切割技术具有可控性高，精度高等优势，与智能采摘相结合具有很大的潜在研究价值。

2 结束语

综上所述，国内外切割技术在各个领域都有广泛的应用，切割技术在各领域的研究也得到了很大的突破。但随着智能农机技术的快速发展，对切割技术应用提出了新的要求。需要寻求合适的切割技术与智能农机相匹配。激光切割技术适应性强，可以用于切割木材材料、塑料材料、金属材料和非金属材料等材料。激光切割技术可控性强，切割精度高，与智能采摘机相结合可以充分发挥出激光切割技术的优势，具有很大研究价值，可推进智能采摘机设备快速发展，使智能采摘技术向更节能环保、高质量，高效率、高产能的方向发展。