一種蘋(píng)果定向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及定向單元?jiǎng)恿W(xué)仿真

俞經(jīng)虎

(1. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

?

一種蘋(píng)果定向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及定向單元?jiǎng)恿W(xué)仿真

俞經(jīng)虎1,2

(1. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

針對(duì)蘋(píng)果分揀中蘋(píng)果損傷和花軸、果萼在圖像處理中難以區(qū)分，嚴(yán)重影響蘋(píng)果分揀效率和準(zhǔn)確率的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種蘋(píng)果定向機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)圖像采集之前對(duì)蘋(píng)果的定向，減少對(duì)花軸、果萼等圖像特征的處理時(shí)間。該設(shè)計(jì)建立了包括蘋(píng)果容置單元、同步輪、定向輪和傳動(dòng)軸的定向組件的數(shù)字化樣機(jī)，并運(yùn)用ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，對(duì)蘋(píng)果定向過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了定向機(jī)構(gòu)的可行性，確保蘋(píng)果在定向過(guò)程中不被擦傷；對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的定向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真，獲得了最優(yōu)方案，為提高蘋(píng)果分揀系統(tǒng)的效率提供了依據(jù)；根據(jù)最優(yōu)方案仿真結(jié)果確定了系統(tǒng)的節(jié)拍為1.5 s。

蘋(píng)果；自動(dòng)分級(jí)；定向機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)仿真；參數(shù)優(yōu)化

蘋(píng)果分級(jí)可以提高蘋(píng)果的附加值，增加中國(guó)蘋(píng)果在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，中國(guó)蘋(píng)果分級(jí)主要由人工完成，分級(jí)效率低，準(zhǔn)確度不高[1]。而自動(dòng)化分揀時(shí)，針對(duì)姿態(tài)不確定的蘋(píng)果進(jìn)行圖像處理分級(jí)，則難以將花軸、果萼與缺陷正確、快速地分割[2-3]，導(dǎo)致蘋(píng)果自動(dòng)化分級(jí)的效率降低。

目前，商業(yè)化水果分選機(jī)構(gòu)主要采用雙滾子結(jié)構(gòu)[4]，水果一邊沿著流水線方向移動(dòng)，一邊自轉(zhuǎn)，保證水果表面信息采集完整，但也容易造成重復(fù)采集或者遺漏采集信息，影響分選效率。Throop等[5-6]設(shè)計(jì)的蘋(píng)果定向機(jī)構(gòu)需要蘋(píng)果在完成定向后翻轉(zhuǎn)，此機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工成本高并且運(yùn)動(dòng)復(fù)雜易傷果，同時(shí)降低了蘋(píng)果分揀的整體節(jié)拍。D.P.Whitelock等[7]設(shè)計(jì)的定向機(jī)構(gòu)比較適用于果軸—花萼軸線較長(zhǎng)的蘋(píng)果，而中國(guó)盛產(chǎn)的蘋(píng)果于果軸線較短無(wú)法實(shí)現(xiàn)定向。蔣維棟[8]對(duì)Throop的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，水果自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)利用皮帶與蘋(píng)果之間的摩擦力，但定向時(shí)間較長(zhǎng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種新型蘋(píng)果定向機(jī)構(gòu)，并通過(guò)Adams仿真，對(duì)定向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了基于最少定向時(shí)間的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

1 蘋(píng)果定向機(jī)構(gòu)的組成與工作原理

1.1 蘋(píng)果定向機(jī)構(gòu)組成

蘋(píng)果定向組件，用于將從定節(jié)拍單元接收到的蘋(píng)果進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)定向，使蘋(píng)果的果軸—花萼連線處于垂直狀態(tài)。定向組件(圖1)主要包括蘋(píng)果容置單元、同步輪、定向輪和傳動(dòng)軸，蘋(píng)果容置單元開(kāi)有內(nèi)凹的用于容置蘋(píng)果的臺(tái)階形容納槽，臺(tái)階形容納槽的表面有墊層，以避免蘋(píng)果在臺(tái)階形容納槽內(nèi)轉(zhuǎn)向定向時(shí)表面被擦傷。

1. 臺(tái)階形容納槽 2. 同步輪 3. 定向輪 4. 傳動(dòng)軸 5. 支撐架 6. 連接載物鏈條孔

圖1 定向單元模型

Figure 1 Directional element model

1.2 定向原理

蘋(píng)果自動(dòng)化分揀時(shí)處于任意位姿，蘋(píng)果在定向輪摩擦力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)蘋(píng)果花軸或者果萼與定向輪接觸，摩擦力減小，不足以帶動(dòng)蘋(píng)果旋轉(zhuǎn)，位姿由此確定。定向輪與蘋(píng)果表面的接觸外圓上設(shè)置有橡膠圈，橡膠圈能夠有效避免蘋(píng)果在轉(zhuǎn)動(dòng)定向過(guò)程中表面被劃傷，增大與蘋(píng)果表面的摩擦力，便于蘋(píng)果的轉(zhuǎn)動(dòng)和定向。

為了分析簡(jiǎn)便，將蘋(píng)果簡(jiǎn)化為一個(gè)球體，運(yùn)用達(dá)朗貝爾原理對(duì)其分析。由于定向輪對(duì)蘋(píng)果的摩擦力作用，勢(shì)必導(dǎo)致蘋(píng)果存在一個(gè)運(yùn)動(dòng)，即圍繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。靜力學(xué)模型見(jiàn)圖2。

1. 臺(tái)階形容納槽 2. 蘋(píng)果 3. 定向輪圖2 定向單元力學(xué)模型Figure 2 Directional element mechanical model

據(jù)空間任意力系平衡方程建立力平衡方程：

(1)

其中，

(2)

式中：

α——FN2與鉛垂線夾角，(°)；

β——FN1與鉛垂線夾角，(°)；

FN1——容納槽對(duì)蘋(píng)果的壓力，N；

FN2——定向輪對(duì)蘋(píng)果的壓力，N；

FS1——容納槽對(duì)蘋(píng)果的摩擦力，N；

FS2——定向輪對(duì)蘋(píng)果的摩擦力，N；

μ1——容納槽與蘋(píng)果之間的動(dòng)摩擦系數(shù)；

μ2——定向輪與蘋(píng)果之間的動(dòng)摩擦系數(shù)；

FIX、FIY、FIZ——虛加在蘋(píng)果上的力，N；

MIX、MIY、MIZ——虛加在蘋(píng)果上的力矩，N·m。

求解得到：

(3)

根據(jù)實(shí)際情況0<β<α<60°，所以從計(jì)算結(jié)果可以知道0=MIX

2 運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)果分析

2.1 自動(dòng)定向機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型

將所建立的定向機(jī)構(gòu)的數(shù)字化樣機(jī)和蘋(píng)果模型導(dǎo)入到ADAMS /View，并根據(jù)定向機(jī)構(gòu)的工作原理，為定向機(jī)構(gòu)的Adams模型添加約束和力、驅(qū)動(dòng)[9-10]。蘋(píng)果密度設(shè)置為1.0×10-6g/mm3。

2.2 ADAMS中碰撞參數(shù)選取

ADAMS中接觸力定義方式有兩種，分別是Restitution補(bǔ)償法和Impact沖擊函數(shù)法[11]?？紤]應(yīng)用情況，采用Impact沖擊函數(shù)法，碰撞力由兩個(gè)構(gòu)件之間的相互切入而產(chǎn)生的彈性力和相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力兩部分組成。Impact沖擊函數(shù)一般表達(dá)式：

(4)

式中：

q0——兩物體間初始距離，mm；

q——物體碰撞過(guò)程中的實(shí)際距離，mm；

K——?jiǎng)偠认禂?shù)，N/mm；

e——碰撞指數(shù)，反映了材料的非線性程度；

CMax——最大阻尼系數(shù)，%；

d——切入深度，它決定了何時(shí)阻尼力達(dá)到最大，mm。

式(4)表示，當(dāng)q>q0時(shí)，兩物體不發(fā)生碰撞，其碰撞力值為零；當(dāng)q≤q0時(shí)，表示兩物體發(fā)生碰撞，其碰撞力大小與剛度系數(shù)K、變形量q0-q、碰撞指數(shù)e、阻尼系數(shù)C和阻尼完全作用時(shí)變形距離d有關(guān)。碰撞指數(shù)e反映了材料的非線性程度，最大阻尼系數(shù)CMax表征碰撞能量的損失。其值通常設(shè)為剛度系數(shù)的 0.1～1%。為了解決碰撞過(guò)程中阻尼力的不連續(xù)問(wèn)題，式中采用Step階躍函數(shù)。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)物體，剛度系數(shù)取決于撞擊物體的材料和結(jié)構(gòu)形狀，近似根據(jù)式(5)確定：

(5)

其中，

(6)

(7)

式中：

R——名義半徑，mm；

E*——名義彈性模量，MPa；

R1、R2——兩碰撞物體碰撞處的半徑，mm；

μ1、μ2——兩物體的泊松比；

E1、E2——兩物體的彈性模量，MPa。

蘋(píng)果、定向輪和蘋(píng)果容置單元接觸力相關(guān)參數(shù)設(shè)置[12]見(jiàn)表1，接觸力屬性設(shè)置見(jiàn)表2。

表1 蘋(píng)果、定向輪和蘋(píng)果容置單元接觸力相關(guān)參數(shù)Table 1 Contact force parameters of apple, wheel and pan

表2 接觸力屬性設(shè)置表Table 2 Contact force attribute of apple and wheel

2.3 不同姿態(tài)蘋(píng)果定向時(shí)間仿真試驗(yàn)

蘋(píng)果從定節(jié)拍單元以任意位姿落入蘋(píng)果容置單元中，選取3種極限位置對(duì)蘋(píng)果定向過(guò)程進(jìn)行模擬，記果軸-花萼之間的連線與X、Y、Z軸之間的角度分別為γ、δ、θ，3種極限位置分別是：第一種情況：γ=90°、δ=90°、θ=0°；第二種情況：γ=0°、δ=90°、θ=90°；第三種情況：γ=45°、δ=45°、θ=45°。3種位姿見(jiàn)圖3。

對(duì)于相同直徑蘋(píng)果，位姿1蘋(píng)果位置基本不會(huì)發(fā)生變化；對(duì)于位姿2和位姿3，蘋(píng)果繞Y軸角速度較大，X軸角速度較小。其中，位姿2實(shí)現(xiàn)定向所需時(shí)間最長(zhǎng)為2.5s；位姿3其次，為2s。

圖3 蘋(píng)果3種位姿Figure 3 Three kinds of apple pose

圖4 3種位姿定向時(shí)間及最大碰撞力Figure 4 Orientation time and maximum impact forceof three kinds of apple pose

不同位姿蘋(píng)果的最大碰撞力見(jiàn)圖4。加載力為50N時(shí)蘋(píng)果最大應(yīng)力0.364 7MPa[13]，小于其破壞應(yīng)力0.46MPa，故不會(huì)對(duì)蘋(píng)果造成損傷。

2.4 不同規(guī)格蘋(píng)果定向時(shí)間仿真試驗(yàn)

蘋(píng)果尺寸對(duì)定向時(shí)間的影響較明顯，為了確定不同規(guī)格蘋(píng)果在定向時(shí)間上的變化，選取直徑分別為75，80，85，90mm蘋(píng)果進(jìn)行仿真，定向結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 定向時(shí)間Figure 5 Orientation time

由圖5可知，位姿1定向時(shí)間少于位姿3定向時(shí)間，位姿3定向時(shí)間少于位姿2定向時(shí)間。

2.5 最短定向時(shí)間正交試驗(yàn)

蘋(píng)果容置單元參數(shù)是影響定向時(shí)間的重要因素，采用三水平四因素正交表，確定正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表3、4。位姿采用位姿2。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算與處理過(guò)程記錄見(jiàn)圖6。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。所需定向時(shí)間越短越好，故計(jì)算得到可能的最優(yōu)方案見(jiàn)表5。

對(duì)可能的最優(yōu)方案進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)化前最短定向時(shí)間與優(yōu)化后定向時(shí)間對(duì)比圖見(jiàn)圖7。

表3 試驗(yàn)因素水平編碼表Table 3 Coding of levels of factors mm

表4 仿真試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)方案表Table 4 Orthogonal experiment design table ofsimulation tests

圖6 定向時(shí)間Figure 6 Orientation time表5 可能的最優(yōu)方案Table 5 Possible optimal scheme

蘋(píng)果尺寸/mmABCD7540.53537.648039.52540.068539.52537.659040.53540.06

圖7 優(yōu)化前后定向時(shí)間對(duì)比Figure 7 Orientationtimecontrast

根據(jù)圖7，75，85，90mm定向時(shí)間減少，80mm時(shí)間沒(méi)有變化。所以，對(duì)于75，85，90mm，選擇優(yōu)化后組合；對(duì)于80mm，選擇最短定向時(shí)間組合，得到最優(yōu)方案見(jiàn)表6。根據(jù)優(yōu)化后定向時(shí)間最長(zhǎng)時(shí)間確定系統(tǒng)節(jié)拍，并適當(dāng)放大余量，故蘋(píng)果分揀系統(tǒng)節(jié)拍定為1.5s。

表6 最優(yōu)方案Table 6 Optimal scheme mm

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種蘋(píng)果定向機(jī)構(gòu)，并對(duì)定向單元進(jìn)行分析，分析過(guò)程中得到如下結(jié)論：

(1) 對(duì)蘋(píng)果定向過(guò)程進(jìn)行仿真，該定向機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)蘋(píng)果定向要求。

(2) 最大碰撞力基本都小于50N，最大應(yīng)力均小于極限應(yīng)力，定向過(guò)程中蘋(píng)果不會(huì)造成損傷。

(3) 探討了蘋(píng)果容置單元參數(shù)對(duì)定向性能的影響，結(jié)合仿真試驗(yàn)對(duì)蘋(píng)果容置單元機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了選擇。根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，蘋(píng)果分揀系統(tǒng)節(jié)拍定為1.5s。

[1] 吳曉強(qiáng), 黃云戰(zhàn), 趙永杰. 基于運(yùn)動(dòng)控制器的蘋(píng)果質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)[J]. 食品與機(jī)械, 2015, 31(5): 114-116.

[2]REHKUGLERGE,THROOPJA.AppleSortingwithmachinevision[J].TransactionsoftheASAR, 1985, 29(5): 1 388-1 397.

[3]UNAYD,GOSSLINB.Stemandcalyxrecognitionon'Jonagold'applesbypatternrecognition[J].JournalofFoodEngineering, 2007, 78(2): 597-605.

[4]BENNEDSENBS,PETERSONDL,TABBA.Identifyingdefectsinimagesofrotatingapples[J].ComputersandElectronicsinAgriculture, 2005, 48(2): 92-102.

[5]BROSNANTadhg,SUNDa-wenDawen.Improvingqualityinspectionoffoodproductsbycomputervisionareview[J].JournalofFoodEngineering, 2004, 61(1): 3-16.

[6]THROOPJA,ANESHANSLEYDJ,ANGERWC,etal.Qualityevaluationofapplesbasedonsurfacedefects:developmentofanautomatedinspectionsystem[J].PostharvestBiologyandTechnology, 2005, 36(3): 281-290.

[7]DEREKPWhitelock,GERAKLHBrusewitz,MARVINLStone.Appleshapeandrollingorientation[J].AppliedEngineeringinAgriculture, 2006, 22(1): 87-94.

[8] 蔣維棟. 一種蘋(píng)果自動(dòng)定向輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[D]. 烏魯木齊: 新疆大學(xué), 2013: 8-15.

[9] 趙武云, 史增錄, 戴飛, 等.ADAMS2013基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2015: 52-54.

[10] 郭衛(wèi)東, 李守忠, 馬璐.ADAMS2013應(yīng)用實(shí)例精解教程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015: 16-22.

[11] 田湛, 李應(yīng)強(qiáng). 基于ADAMS的鋸片磨齒機(jī)撥齒機(jī)構(gòu)接觸仿真[J]. 冶金設(shè)備, 2006(1): 27-29, 45.

[12] 劉平, 張麟. 基于ADAMS的油菜籽仁皮振動(dòng)分層仿真研究[J]. 武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 30(4): 24-27.

[13] 姬偉, 李俊樂(lè), 楊俊, 等. 機(jī)器手采摘蘋(píng)果抓取損傷機(jī)理有限元分析及驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(5): 17-22.

Modeling and dynamic simulation ofautomatic apple oriented mechanism馬 垚1,2MA Yao1,2

YUJing-hu1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.JiangsuKeyLaboratoryofAdvancedFoodManufacturingEquipmentandTechnology,Wuxi,Jiangsu214122,China)

It’s difficult to distinguish between apple damage and fruit axis and calyx in image processing. This results in poor efficiency and accuracy. An apple orientation mechanism is designed, and realized orientation of apple before image acquisition, thereby reducing image processing time. It mainly includes fruit pan, synchronous wheel, fixed caster and drive shaft. ADAMS was used to simulate the orientation process of apple, which verified the feasibility of the mechanism, and sure that the apple will not scratched in the orientation process. In order to improve the efficiency of apple sorting system, the optimal scheme was obtained by simulating the mechanism with different structure parameters.According to the simulation results of the optimal scheme, the beat of the system was 1.5 s.

apple;automatic classification；oriented mechanism; simulation analysis; optimization of parameter

馬垚，女，江南大學(xué)在讀碩士研究生。

俞經(jīng)虎(1973-)，男，江南大學(xué)教授，博士。 E-mail:jhyu@jiangnan.edu.cn

2016-09-28

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.012