芒果采摘機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)與有限元分析

陳啟優(yōu)，姚克恒，劉世豪

(1.海南職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)與信息學(xué)院，海南?？?570216； 2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014；3.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南海口 570228)

芒果是著名的熱帶水果，因品質(zhì)極佳，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，被譽(yù)為熱帶水果之王。近年來(lái)，世界芒果栽培面積不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量也逐年上升，在熱帶水果中排名第3，已成為世界五大水果之一[1]。我國(guó)是世界芒果生產(chǎn)大國(guó)之一，種植和生產(chǎn)主要分布在海南、廣東、廣西、福建、云南等地區(qū)。其中，海南的收獲面積和產(chǎn)量均居全國(guó)第一，收獲面積為2.46萬(wàn)hm2占全國(guó)的40.05%；產(chǎn)量為31.01萬(wàn)t，占全國(guó)的36.58%；單產(chǎn)為 8.4 t/hm2，高于全國(guó)水平[2]。由于我國(guó)目前在芒果采摘這方面機(jī)械化水平還比較低，大部分還靠人工摘采，這就使得在生產(chǎn)芒果這一塊所需的勞動(dòng)量很大。

針對(duì)上述問(wèn)題，為了減輕勞動(dòng)者的工作強(qiáng)度，提高芒果采摘的效率，需要設(shè)計(jì)一種針對(duì)芒果采摘的機(jī)器。本研究根據(jù)芒果生長(zhǎng)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了一種集升降、轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、夾持、剪斷和收集于一體的芒果采摘機(jī)來(lái)提高采摘效率、降低勞動(dòng)量。

1 芒果采摘機(jī)的整體設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的芒果采摘機(jī)主要由升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器以及芒果收集欄和電機(jī)等部分組成(圖1)。芒果采摘機(jī)采用電液共同驅(qū)動(dòng)。采摘機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)動(dòng)作需要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，升降、伸縮、夾取、剪斷這4個(gè)動(dòng)作需要由液壓完成。整個(gè)芒果采摘機(jī)的采摘流程如下：將機(jī)器運(yùn)送到采摘地點(diǎn)，首先通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)剪叉式升降機(jī)構(gòu)的液壓泵，將整個(gè)工作臺(tái)調(diào)整到合適的高度；然后由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，慢慢將剪刀等部件轉(zhuǎn)動(dòng)到適當(dāng)?shù)慕嵌?，再由液壓馬達(dá)將剪刀等末端執(zhí)行器推到芒果果柄的位置；最后通過(guò)采用小型液壓缸帶動(dòng)推桿來(lái)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)柔性末端執(zhí)行器夾緊果實(shí)并剪斷果柄。芒果采摘機(jī)夾取并剪斷果柄后，夾持手打開(kāi)，芒果自由下落，落入柔性收集欄中，最終落入收集桶中。

2 芒果采摘機(jī)主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 剪叉式升降裝置的設(shè)計(jì)

2.1.1 剪叉式升降裝置的結(jié)構(gòu)形式 剪叉式升降裝置廣泛用于高空作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、故障率低、運(yùn)行可靠、安全高效、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)作業(yè)中剪叉式升降裝置配合移動(dòng)設(shè)備可滿足果實(shí)采摘的要求。該升降裝置固定到移動(dòng)設(shè)備上，可實(shí)現(xiàn)不同地方的采摘工作。由于芒果樹(shù)品種的不同，采摘高度有所不同，可以通過(guò)增加或減少級(jí)數(shù)達(dá)到調(diào)整工作高度的目的。本研究中以二級(jí)剪式升降為設(shè)計(jì)對(duì)象，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

2.1.2 剪叉式升降裝置數(shù)學(xué)模型的建立 以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，AB為x軸，AN為y軸建立直角坐標(biāo)系，P代表上平臺(tái)單側(cè)負(fù)重，剪叉升降架的一條邊AC長(zhǎng)度為L(zhǎng)，拆去油缸，以油缸的推力F作用于J、I各銷軸處，下端耳環(huán)分別標(biāo)記為B、J，上端耳環(huán)分別標(biāo)記為D、I，下端耳環(huán)的長(zhǎng)度為l1，上端耳環(huán)長(zhǎng)度為l2，建立數(shù)學(xué)模型(圖3)，然后用虛位移法求1個(gè)油缸所需的推力。

各點(diǎn)坐標(biāo)值：

B點(diǎn)：Bx=L·cosα，βy=0，

J點(diǎn)：Jx=L·cosα-l1·cos(φ1-α)，Jy=-l1·sin(φ1-α)，

D點(diǎn)：Dx=0，Dy=L·sinα，

I點(diǎn)：Ix=l2·cos(φ2+α)，ly=L·sinα+l2·sin(φ2+α)，

W點(diǎn)：Wx=2L·cosα，Wy=2L·sinα。

假設(shè)負(fù)重P在y方向的虛位移為δw=2L·sinα·δy，由此得出I、J2點(diǎn)在x、y方向的虛位移：

δJx=[-L·sinα-l1·sin(φ1-α)]·δy；

δJy=-l1·cos(φ1-α)·δy；

δIy=-l2·cos(φ2+α)·δy；

δIx=[L·cosα+l2·cos(φ2+α)]·δy。

在I點(diǎn)處：y方向微位移與x方向微位移之間的夾角為β，J點(diǎn)處y方向微位移與x方向微位移之間的夾角為θ，得出：

列出虛位移方程：

-P·δwy+F·cosβ·δIx+F·sinβ·δIy-F·cosθ·δJx-F·sinθ·δJy=0。

求出液壓缸所需推力F，根據(jù)實(shí)際情況，選用HSGF型號(hào)的伸縮液壓缸。由此完成對(duì)該剪叉式升降架的設(shè)計(jì)以及液壓缸的選取。

2.2 底座轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)芒果采摘機(jī)的功能，在底座部分加入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且具有減速的功能，由于齒輪傳動(dòng)具有工作可靠、壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)比穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)芒果采摘機(jī)的特點(diǎn)，選用齒輪傳動(dòng)。

動(dòng)力由電機(jī)輸出經(jīng)過(guò)一級(jí)齒輪減速，將動(dòng)力傳送到行星減速機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪進(jìn)行減速，最終行星架輸出動(dòng)力傳給底座，使芒果采摘機(jī)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。行星減速設(shè)計(jì)是將內(nèi)齒圈固定，太陽(yáng)輪作為主動(dòng)輪，行星輪做周轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，行星架作為動(dòng)力輸出，行星減速結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 采摘機(jī)擺動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)擺動(dòng)裝置在整個(gè)采摘機(jī)工作過(guò)程中起著很重要的作用。本研究按照機(jī)構(gòu)布局合理、機(jī)械簡(jiǎn)單易造以及通用性良好的原則設(shè)計(jì)了圖5的擺動(dòng)裝置。其中，由于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速較高，輸出轉(zhuǎn)矩有限，無(wú)法滿足機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求，因此采用諧波減速器和電動(dòng)機(jī)直接配套，滿足工作要求。

由于要靈活地完成采摘工作，因此同時(shí)有2個(gè)可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)，然而在擺動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中，采用軸線相交且軸交角為90°的直齒錐齒輪作為動(dòng)力的傳動(dòng)部件，主動(dòng)直齒錐齒輪齒數(shù)Z1=18，從動(dòng)直齒錐齒輪齒數(shù)Z2=32，擺動(dòng)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

擺動(dòng)裝置的工作原理為固聯(lián)在機(jī)架的伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器，再經(jīng)過(guò)諧波減速器減速后，將動(dòng)力傳輸?shù)街饼X錐齒輪Ⅰ，直齒錐齒輪Ⅱ通過(guò)與直齒錐齒輪Ⅰ嚙合來(lái)帶動(dòng)固聯(lián)在轉(zhuǎn)軸上的連接件，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4 伸縮裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足芒果采摘的需求，并且驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器，采用了1個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)。伸縮機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式一般有機(jī)械式和液壓式2種，在同等功率下，液壓傳動(dòng)的體積小、質(zhì)量輕，更符合芒果采摘工作的需求。因此本設(shè)計(jì)采用液壓式。伸縮裝置結(jié)構(gòu)如圖6。

2.5 柔性末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.5.1 柔性末端執(zhí)行器的工作分析 在進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，執(zhí)行器常直接與芒果接觸，由于芒果個(gè)體差異較大，而且果皮容易受損，因此芒果采摘機(jī)的末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)也是整個(gè)采摘機(jī)的重點(diǎn)。芒果的大小、形狀有著較大的區(qū)別，導(dǎo)致采摘過(guò)程中的夾持力有所不同，所以設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器就須要有一定的通用性。同時(shí)，夾持力的大小將會(huì)影響采摘芒果的品質(zhì)，要注意不能損壞芒果的外觀。因此，根據(jù)實(shí)際情況，一方面在設(shè)計(jì)過(guò)程中要有創(chuàng)新，來(lái)更好地滿足現(xiàn)狀，另一方面要更加注重設(shè)計(jì)的通用性，這就須要利用更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，從而滿足果農(nóng)的多樣化需求。

2.5.2 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式 圖7為末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)芒果的摘取。它的主要工作原理是利用連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取和夾斷果柄的操作，連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)是利用1個(gè)小型液壓缸來(lái)帶動(dòng)的。由于夾持裝置的存在，該末端執(zhí)行器對(duì)不同類型的水果都能使用，保證了整個(gè)裝置的通用性。另外，為了保護(hù)芒果表皮不會(huì)在釆摘過(guò)程被破壞，在本設(shè)計(jì)中還增加了柔性抓取功能，而且抓取剛度可以調(diào)節(jié)。

2.5.3 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示，其工作原理主要是通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)支持手，控制支持手的開(kāi)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)芒果的抓取與釋放。其中在支持手與果實(shí)接觸的那一面覆蓋了1層彈性膠層，為芒果抓取過(guò)程提供了足夠的摩擦力，同時(shí)對(duì)芒果表皮的損傷也較小[3]。

該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如下：固定在固定板上的伸縮液壓缸做伸縮運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)焊接在伸縮液壓缸上的推桿做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)軸銷定位的連桿也做平面運(yùn)動(dòng)，使固定在固定板的平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)也做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，固定在平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)上的夾持手就能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)閉動(dòng)作，即實(shí)現(xiàn)了抓取動(dòng)作。在該機(jī)構(gòu)中增加彈簧的作用是實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器的柔性抓取，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母可以調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力，也可以通過(guò)換取不同彈性系數(shù)的彈簧實(shí)現(xiàn)柔性抓取[4]，這樣就避免了采摘過(guò)程中由于抓取力過(guò)大導(dǎo)致芒果表面損壞的問(wèn)題。

2.5.4 果柄剪斷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 通過(guò)試驗(yàn)得到芒果果柄的剪斷力(表1)。

表1 果柄剪斷力數(shù)據(jù)

針對(duì)表1中的數(shù)據(jù)，比較剪切和扭斷2種方式，在扭斷的過(guò)程中果柄和果實(shí)接觸部分最先分離，在此過(guò)程中果柄中的汁液會(huì)灑落在果實(shí)表面，裸露在空氣中，會(huì)使果實(shí)表面變黑，影響芒果質(zhì)量，所以不適合芒果的采摘，最終選用剪斷收獲。本研究設(shè)計(jì)的果柄剪斷機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖9。

該機(jī)構(gòu)的工作原理如下：由伸縮液壓缸提供動(dòng)力，推動(dòng)推桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使用軸銷連接在推桿上的連桿Ⅰ做平面運(yùn)動(dòng)，從而使通過(guò)軸銷連接在支撐板的剪刀做剪斷運(yùn)動(dòng)。

3 基于SoildWorks-Simulation的零件強(qiáng)度有限元分析

3.1 芒果采摘機(jī)靜力學(xué)分析

對(duì)芒果采摘機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析的目的主要是獲得齒輪和軸的受力情況。進(jìn)行靜力學(xué)分析計(jì)算時(shí)，只需要計(jì)算各個(gè)節(jié)處在最極端情況下扭矩的大小即可，把計(jì)算所得扭矩作為零件所受最大扭矩的標(biāo)準(zhǔn)[5]。由于該采摘機(jī)中2個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)所選擇結(jié)構(gòu)和材料均相同，因此只需要計(jì)算受力最大的一個(gè)。在SoildWorks可以對(duì)裝配體的質(zhì)量屬性進(jìn)行測(cè)量，但必須對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行材料編輯，其材料明細(xì)如表2所示。

利用SoildWorks對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量分析，在受力最大的狀態(tài)(圖10)，得出質(zhì)量m=90.58 kg，重心位置x=963.16 mm、y=585.709 mm、z=-16.529 mm，測(cè)量出重心距離齒輪和軸中心的距離l=600.34 mm。

表2 材料明細(xì)

根據(jù)公式可以得出最大轉(zhuǎn)矩：

Tmax=m·g·l=90.58×10×600.34×10-3=543.79 N·m

3.2 直齒錐齒輪強(qiáng)度分析

根據(jù)計(jì)算公式如下：

Fr=Ft·tanα·cosδ；

Fa=Ft·tanα·sinδ。

帶入數(shù)據(jù)求得：

Ft=8 965.62N；

Fr=1 599.87N；

Fa=2 844.22N。

3.2.2 有限元分析求解 使用SoildWorks-Simulation對(duì)零件模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理。其中網(wǎng)格質(zhì)量和密度對(duì)有限元的計(jì)算結(jié)果影響較大。因此網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)計(jì)算精度貢獻(xiàn)較大的部分的網(wǎng)格應(yīng)細(xì)化，而適當(dāng)粗化對(duì)計(jì)算精度貢獻(xiàn)不大的部分[6]。所生成的齒輪網(wǎng)格如圖11、圖12所示。

經(jīng)過(guò)SoildWorks Simulation模塊分析處理后，得到錐齒輪應(yīng)力云圖如圖13、圖14所示，觀察2個(gè)齒輪的應(yīng)力圖解得出主動(dòng)直齒錐齒輪范式等效應(yīng)力(von Mises)最大值為481.006 MPa、從動(dòng)直齒錐齒輪范式等效應(yīng)力最大值為 518.237 MPa。根據(jù)對(duì)齒輪定義材料為40 Cr，材料的屈服強(qiáng)度為785.000 MPa，均大于上述值，二錐齒輪滿足應(yīng)力要求，選用合理。

3.3 傳動(dòng)軸強(qiáng)度分析

軸的分析情況與齒輪的分析類似，對(duì)軸施加轉(zhuǎn)矩、力。生成網(wǎng)格如圖15所示，根據(jù)求解得到的應(yīng)力云圖(圖16)，得出范式等效應(yīng)力最大值為408.256 MPa，根據(jù)對(duì)軸定義材料為20Cr，材料的屈服強(qiáng)度為540.000 MPa，540.000 MPa>408.256 MPa，軸滿足應(yīng)力要求，選用合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種芒果采摘機(jī)的總體設(shè)計(jì)，其中對(duì)芒果采摘機(jī)的剪式升降裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、擺動(dòng)裝置、伸縮裝置和柔性末端執(zhí)行器這幾個(gè)主要部分進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用數(shù)學(xué)建模等方法進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)；運(yùn)用SoildWorks-Simulation插件對(duì)關(guān)鍵零件強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，得出應(yīng)力圖，與所選材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比，驗(yàn)證了零件選用的合理性。本研究設(shè)計(jì)的芒果采摘機(jī)在人為操作配合下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)芒果的采摘，減輕果農(nóng)的工作強(qiáng)度，能夠?yàn)槊⒐烧詣?dòng)化的發(fā)展提供參考。