番茄采摘設(shè)備的設(shè)計方法研究

李 寧 ，李 林 ，李千山

（1.新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，新疆 昌吉 831100；2.東瑞石油鉆具有限公司，新疆 841000）

番茄及制品是深受世界各地人們喜愛的食物之一。2011年，世界番茄產(chǎn)量為15934萬t，其中中國番茄產(chǎn)量達到4857萬t，占全球總產(chǎn)量的30.48%。中國新疆維吾爾自治區(qū)種植番茄的農(nóng)田被高山和大漠阻隔，遠離人口稠密的地區(qū)。這里地處偏遠，人煙稀少，工業(yè)和農(nóng)業(yè)都不發(fā)達。這些因素有不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一面，但也有有利于番茄種植的另外一面，即人均土地面積大，實現(xiàn)機械化種植和采收的條件好，工業(yè)廢水、廢氣、廢渣污染比較小。在強烈的陽光照射下，在天山雪水的澆灌下，番茄色澤紅潤，口感香甜，果形大，病蟲害很少爆發(fā)，番茄所受污染小，品質(zhì)高。這里的自然環(huán)境和氣候十分適宜番茄的種植。2010年，新疆維吾爾自治區(qū)番茄及制品的產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的70%以上，出口占國際貿(mào)易量的1／4，已經(jīng)成為亞洲最大的番茄生產(chǎn)和加工基地。

在新疆，通常番茄的成熟期為80 d。目前主要采用人工采摘的方法。新疆的面積為166萬km2，常住人口有2.18千萬，平均每平方公里只有13個人，真可謂地廣人稀，面對迅速增長的番茄產(chǎn)量，采摘工人十分缺乏。如果從其他人力資源豐富的地區(qū)請工人來采摘，單是路費便是一筆不小的開支。例如，烏魯木齊至西安距離為兩千多公里，火車運行時間是38 h，單人往返硬臥票價932元。2012年在新疆番茄的采摘費是0.3元／kg一個人要摘3000多kg才能把路費賺回來。

種種束縛之下，發(fā)展番茄采摘設(shè)備不失為出路之一。

1 設(shè)計方法

1.1 古代設(shè)計方法

在距今十萬年前，古人就已經(jīng)設(shè)計出了投石器；在2.8萬年前，又設(shè)計出了弓箭。古時候的設(shè)計產(chǎn)品例如指南車、地運天象儀等具有結(jié)構(gòu)精巧、使用簡單、外形美觀、觀測準(zhǔn)確度比較高等特點?？上Мa(chǎn)品實物留存少，數(shù)據(jù)簡單，多以文字描述傳世。例如后漢書中記載地動儀“以精銅制成，員徑八尺，合蓋隆起，形如酒尊”。全文共195個字，尺寸數(shù)據(jù)3個，材料精銅，沒有配圖。如此復(fù)雜的機構(gòu)，僅憑文字描述，難免語焉不詳。所以古人設(shè)計資料缺圖紙，少數(shù)據(jù)，關(guān)鍵之處密不外傳的作法，使得設(shè)計進展緩慢。偶有妙器出世，多半依賴像張衡、祖沖之這些“天才”式的人物。自西方科技傳入中國以來，設(shè)計的風(fēng)格開始慢慢發(fā)生變化，設(shè)計產(chǎn)品開始配圖，數(shù)據(jù)也多了起來，有時還會附上量具、模具樣式和設(shè)計說明。越來越嚴(yán)謹，依圖即可復(fù)制產(chǎn)品，含混不清之處逐漸減少。

1.2 現(xiàn)代設(shè)計方法

機器的設(shè)計方法可以從不同角度作出不同分類。目前較為流行的分類方法是把過去長期采用的設(shè)計方法稱為常規(guī)（或傳統(tǒng)）的設(shè)計方法，近幾十年發(fā)展起來的設(shè)計方法稱為現(xiàn)代設(shè)計方法。常規(guī)設(shè)計方法可概括地劃分為理論設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計、模型設(shè)計。這種設(shè)計方法一般來說就是按照某種需求確定其功能，設(shè)計機構(gòu)和零件來完成這個功能。主要是選擇材料、計算尺寸、強度、壽命等數(shù)據(jù)，保證機器能在規(guī)定的時間內(nèi)安全可靠地完成指定的工作。

現(xiàn)代設(shè)計方法主要有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、虛擬設(shè)計、智能設(shè)計等。在計算機發(fā)明之后，在機器設(shè)備的設(shè)計中大量使用計算機來輔助設(shè)計。例如繪圖不再手工繪制，改用Auto CAD繪制。或是用CATIA、UG等軟件直接繪制三維模型圖，由計算機自動生成三視圖和剖面圖。設(shè)計好的零件可以在計算機里進行受力分析、模擬裝配等，大大減少了工作量，節(jié)約時間和成本。

2 番茄采摘設(shè)備的設(shè)計方法

番茄采摘設(shè)備的設(shè)計方法主要采用了頭腦風(fēng)暴法來確定總體方案，用虛擬設(shè)計法來進行零件設(shè)計、受力分析和設(shè)備數(shù)字建模與仿真等，最后采用綠色制造的理念來保證番茄采摘設(shè)備在生產(chǎn)、制造、使用和回收整個周期中環(huán)境污染小。番茄采摘設(shè)備的設(shè)計步驟見圖1。

圖1 番茄采摘設(shè)備的設(shè)計步驟

2.1 頭腦風(fēng)暴法

頭腦風(fēng)暴法這是美國人奧斯本于1938年提出的最早的創(chuàng)新方法，又稱智暴法、激智法、群體集智法。它是通過多人集體討論或書面交流，相互啟迪，激發(fā)靈感，從而引起創(chuàng)造性思維的連鎖反應(yīng)，以形成綜合創(chuàng)新思路的一種方法。比如對采摘番茄進行頭腦風(fēng)暴，采摘番茄的實質(zhì)就是把番茄從其生長的莖桿上分離出來。如何分離以及在哪里分離的關(guān)鍵是找到番茄。機器如何能識別番茄呢，著眼于番茄與莖、葉、根、花有何不同，找到不同就找到了識別番茄的方法。經(jīng)過頭腦風(fēng)暴確定以下三種番茄采摘設(shè)備總體設(shè)計方案：

（1）顏色識別設(shè)計：成熟的番茄是紅色，番茄的莖、葉和未成熟的果實是綠色的，根和枯萎的葉子是棕黃色的。只要把識別顏色定為紅色，其他顏色均不予理會就能讓機器識別番茄。

（2）形狀識別設(shè)計：番茄的成熟果實是近似橢圓形或球形的，根和莖是圓柱形，葉子是薄片。設(shè)計甄別時只要選出橢圓形或球形，其他形狀忽略。

（3）尺寸識別設(shè)計：成熟番茄的直徑大于莖和根的直徑，葉子的尺寸雖大但太薄容易翻卷和劃破，可以利用梳理的方法，將梳齒的尺寸定為大于莖稈尺寸，小于果實尺寸，工作中可以破碎葉子，拉直莖桿，梳下果實。

在上述三種設(shè)計方案中，采摘準(zhǔn)確率最高的是顏色識別設(shè)計方案，采摘的番茄成熟度高，番茄制品顏色紅潤，口感酸甜適宜，但設(shè)備成本較高，采摘效率低。采用尺寸識別設(shè)計方案，采摘不夠精準(zhǔn)，會造成番茄制品顏色暗沉，口感偏酸，但設(shè)備成本較低，采摘效率高。關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量的用戶可采用顏色識別設(shè)計方案，關(guān)注產(chǎn)品成本的用戶可采用尺寸識別作為總體設(shè)計方案。

確定番茄采摘設(shè)備總體設(shè)計方案后，就可以開始設(shè)計設(shè)備的結(jié)構(gòu)和零部件了。

2.2 虛擬設(shè)計

在設(shè)備的結(jié)構(gòu)和零部件設(shè)計過程中，可以用AutoCAD或CAXA等軟件繪制出零件的三視圖，加快繪圖速度，簡化制圖工作量。也可以用UG或PRO-E等軟件直接繪制出零件的三維實體形狀，由軟件自動生成二維圖紙，把零件在模擬階段才能做到的可視化大大提前，給設(shè)計人員帶來更形象和直觀的感受。還可以用CATIA或MATLAB等軟件對零部件進行受力分析，計算其強度或許用應(yīng)力等參數(shù)，進行機械和振動分析。當(dāng)零件設(shè)計完成后，還可以用ADAMS或CATIA等軟件，把零件組裝成機構(gòu)或設(shè)備，對其結(jié)構(gòu)進行受力分析，運動干涉分析，還可以渲染，制作裝配和設(shè)備運動仿真動畫。選擇任意角度仔細觀察評估產(chǎn)品，查找有可能改進的地方。

當(dāng)確定零件的材料，輸入材料的價格之后，還能計算出零件的質(zhì)量，推演出毛坯尺寸，制造所需的工、量、夾具，加工該零件所需的設(shè)備和加工時間，核算出制造成本。采用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件可以把圖紙數(shù)據(jù)生成零件尺寸、制造資源、工藝特征、裝配參數(shù)、成本等數(shù)據(jù)庫，可以使得大量設(shè)計小組協(xié)調(diào)工作，減少數(shù)據(jù)修改難度和設(shè)計時間，加快產(chǎn)品制造進度。

虛擬設(shè)計能夠簡化設(shè)計難度，提高設(shè)計效率，減少制造成本，縮短開發(fā)周期。

2.3 綠色制造

新疆的番茄種植地大多位于天山山脈附近，位于高山和沙漠之間，用融化的雪水澆灌。這里的土地和山巒未被大規(guī)模污染破壞，基本保持原有的自然風(fēng)貌。2013年，天山還被列入世界自然遺產(chǎn)。為保護我們的棲息地，關(guān)愛人類健康，保證番茄始終如一的高品質(zhì)，在設(shè)計、制造和使用番茄采摘設(shè)備時，應(yīng)盡量減少其對生態(tài)環(huán)境的危害。采用綠色制造的理念能確保番茄采摘設(shè)備在生產(chǎn)、制造、使用和回收整個周期中環(huán)境污染小。

綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中，對環(huán)境負面影響最小，資源利用率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟效益與社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。番茄采摘設(shè)備的生命周期主要包括：產(chǎn)品設(shè)計、選擇材料、礦石開采、運輸、冶煉、軋制、鑄造、鍛造、機械加工、熱處理、裝配、檢驗、調(diào)試、涂裝、包裝、銷售、使用、維修、報廢、回收等階段。在這些階段中資源消耗主要有：煤炭、石油、天然氣、礦石、水、空氣等。環(huán)境污染物主要有：二氧化碳，二氧化硫，一氧化碳，酸霧，漆霧，堿霧，含苯氣體，粉塵，含油廢水，含酸堿廢水，廢渣，金屬切屑等。

為了在產(chǎn)品生命周期中做到資源利用率高，能源消耗量少，污染物排放少。在設(shè)計時可采取以下措施：使用可回收利用材料；設(shè)備材料在不影響功能的情況下減量處理；在強度要求不高的地方用木材代替；排放的廢氣、廢水、廢渣能進行凈化處理；選擇環(huán)境友好的加工工藝；使用太陽能作為動力等。

3 結(jié)論

在新疆番茄成熟的季節(jié)，目前大部分地區(qū)仍然采用人工采摘的方法收獲番茄，由于不能及時請到采收工人，有許多番茄成熟后脫落，最后爛在地里，降低了番茄產(chǎn)量，減少了農(nóng)民的收入。為促進新疆地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，提高農(nóng)民生活水平，迫切需要研制高效綠色的番茄采摘設(shè)備。這樣不僅能夠滿足新疆地區(qū)勞動力少，番茄集中采收量大的要求，還能減輕勞動強度，提高采收效率。為農(nóng)民增收節(jié)支，改變少數(shù)民族地區(qū)的落后面貌，對推進新疆經(jīng)濟實現(xiàn)跨越式發(fā)展和長治久安起到積極的作用。