裁剪抓取式紅花采摘裝置的設(shè)計(jì)研究

白溢文， 李霞， 邵宇晴， 呂其峰， 楊袁浩

（1.天津理工大學(xué)a.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津300384）

0 引 言

紅花是名貴中藥材和重要的油料作物，作為提取食用色素的原料，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品等行業(yè)[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)紅花產(chǎn)業(yè)在飛速發(fā)展，因此紅花花絲的機(jī)械化采收是勢(shì)在必行的[2]。

紅花種植在國(guó)內(nèi)十分廣泛，隨著紅花產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶來(lái)的最突出問(wèn)題就是采摘困難。紅花采摘期大約在每年的7-9月份，與其他農(nóng)作物采摘期重疊，而且紅花對(duì)采摘時(shí)間的要求也很苛刻，過(guò)早或過(guò)晚采摘都會(huì)影響紅花的質(zhì)量。由于紅花獨(dú)特的生長(zhǎng)特性，花球分布較為復(fù)雜，導(dǎo)致采摘定位困難；紅花花絲和花籽的成熟時(shí)期不同，并且收獲花絲時(shí)不能損傷花球，導(dǎo)致機(jī)械化采摘困難，因此現(xiàn)在仍以人工采收為主[3-5]。這些因素導(dǎo)致了采摘費(fèi)用逐年上升，已占到紅花田間生產(chǎn)總費(fèi)用的30%～50%，甚至導(dǎo)致新疆等地出現(xiàn)雇工困難的情況，嚴(yán)重影響了農(nóng)戶種植紅花的積極性。

針對(duì)紅花機(jī)械化采摘問(wèn)題，中國(guó)、印度、意大利等國(guó)家進(jìn)行了大量研究[6]，現(xiàn)有已研發(fā)的紅花采摘機(jī)按工作原理主要可分為氣吸式、對(duì)輥式、梳夾式等，但都存在著能耗高、噪聲大、采凈率低等缺陷，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中使用效果并不是非常理想。為解決目前紅花采摘技術(shù)落后、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性較差等問(wèn)題[7]，通過(guò)幾何計(jì)算和三維建模的方法設(shè)計(jì)了一種裁剪抓取式紅花采摘末端執(zhí)行器，來(lái)降低農(nóng)作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。末端執(zhí)行器擺脫了傳統(tǒng)的高壓氣流采摘方式，實(shí)現(xiàn)了無(wú)噪聲無(wú)污染作業(yè)，同時(shí)利用PLC搭建了與采摘裝置配套的自動(dòng)控制系統(tǒng)。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)可行性和穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，提前在理論上預(yù)測(cè)了其能否滿足紅花采摘的工作要求。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

裁剪抓取式末端執(zhí)行器由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、托舉機(jī)構(gòu)、裁剪抓取機(jī)構(gòu)等組成，能夠有效地對(duì)紅花花球進(jìn)行限位，避免花絲散亂分布，有效減少花絲采摘不完全現(xiàn)象的發(fā)生，如圖1所示。近年來(lái)，國(guó)外針對(duì)紅花花絲機(jī)械化采收問(wèn)題的研究主要集中在氣力式采收方面[8]，而該末端執(zhí)行器擺脫了傳統(tǒng)使用高壓氣流對(duì)花絲進(jìn)行采摘的方式，并且采摘過(guò)程中不存在花絲反復(fù)摩擦的現(xiàn)象，因此有效降低了紅花的破碎率，滿足了穩(wěn)定性要求[9-10]。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為第一、第二、第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制托舉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，第二、第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制裁剪抓取機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，末端執(zhí)行器的第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制限位爪（由爪體和托舉碗組成）相對(duì)于支撐殼體運(yùn)動(dòng)，限位爪形成抓取通道從而對(duì)花莖和花球進(jìn)行限位。限位爪上的托舉碗形成托舉紅花花球的半球形托舉腔，即每一個(gè)托舉碗的內(nèi)表面均彎曲呈1/4球面，兩個(gè)托舉碗扣合形成半球形腔體。與此同時(shí)，裁剪抓取機(jī)構(gòu)的兩個(gè)夾取爪起初為張開(kāi)狀態(tài)，限位爪對(duì)花球和花莖進(jìn)行限位后兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的夾取爪在第二和第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下對(duì)準(zhǔn)花絲根部直接夾取花絲。其中一個(gè)夾取塊上設(shè)有切割花絲的刀片，當(dāng)兩個(gè)夾取塊扣合后，一個(gè)夾取塊上的刀片與另一個(gè)夾取塊扣合實(shí)現(xiàn)對(duì)花絲的切割，瞬間實(shí)現(xiàn)花絲和花球的分離。由于夾取塊彎曲呈“V”形，兩個(gè)夾取塊扣合后中間位置能夠形成夾取通道，避免了切割花絲后花絲直接掉落。最后裁剪抓取機(jī)構(gòu)釋放采摘下來(lái)的花絲，紅花花絲落入收集裝置。其工作流程如圖2所示，可以更好地說(shuō)明機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)行情況[11]。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 托舉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖2 工作流程

托舉機(jī)構(gòu)是末端執(zhí)行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其對(duì)末端執(zhí)行器能否成功采摘紅花花絲有著決定性的影響。托舉機(jī)構(gòu)的主要作用是直接抓取花徑并通過(guò)托舉腔托舉紅花花球，有效地對(duì)花球進(jìn)行限位，即使遇到較為惡劣的天氣（如大風(fēng)天氣），限位爪也能夠保證花莖和花球是穩(wěn)定的。托舉機(jī)構(gòu)由支撐殼體、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及上述托舉碗活動(dòng)連接的限位爪構(gòu)成，托舉碗和限位爪均和第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)限位爪相對(duì)于支撐殼體運(yùn)動(dòng)，以使限位爪形成用于抓取花莖的通道和用于托舉花球的托舉腔，如圖3所示。

2.2 裁剪抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

裁剪抓取機(jī)構(gòu)是末端執(zhí)行器的另一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其主要作用是準(zhǔn)確地摘取下紅花花球上的花絲，并且采摘過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，且噪聲小。裁剪抓取機(jī)構(gòu)由抓取機(jī)構(gòu)、第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，抓取機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的夾取爪，第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和兩個(gè)夾取爪連接來(lái)驅(qū)動(dòng)夾取爪扣合夾取花絲，如圖4所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采摘裝置所有功能的實(shí)現(xiàn)均需要通過(guò)控制系統(tǒng)，并且只有通過(guò)控制系統(tǒng)才可以真正實(shí)現(xiàn)采摘全過(guò)程的自動(dòng)化。PLC 是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域重要的控制器[12]，其能夠通過(guò)數(shù)字或模擬式的輸入/輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程。

根據(jù)紅花采摘裝置的運(yùn)動(dòng)和工作原理，考慮到實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的控制需要較為復(fù)雜的PLC系統(tǒng)，并且輸入/輸出信號(hào)較多，因此選用三菱FX3U-32MT型號(hào)的PLC。采摘裝置控制系統(tǒng)具體的I/O分配如表1所示。

圖3 托舉機(jī)構(gòu)

圖4 裁剪抓取機(jī)構(gòu)

采摘裝置共有3個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此需要3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置驅(qū)動(dòng)?？紤]到農(nóng)業(yè)機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性、可靠性的需求[13]，第一、第二、第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用松下MBDKT2510CA1型伺服驅(qū)動(dòng)器，該伺服驅(qū)動(dòng)器為松下A5Ⅱ系列伺服驅(qū)動(dòng)器，操作簡(jiǎn)單方便且具有很好的兼容性，接線圖如圖5所示。

4 托舉碗傾角計(jì)算

裝置托舉碗的作用是固定紅花花球位置，將花球包裹在其形成的托舉腔內(nèi)。托舉腔前端存在圓柱孔洞，其作用是形成紅花花莖的的通道，避免托舉花球時(shí)將花莖損傷。

表1 I/O分配表

圖5 伺服驅(qū)動(dòng)器接線圖

托舉紅花花球時(shí)，要保證采摘裝置的兩個(gè)球形托舉碗相互扣合從而形成閉合的半球托舉腔。因此，需要對(duì)托舉碗相對(duì)于爪體的傾角大小進(jìn)行幾何關(guān)系計(jì)算。具體在工作中，首先第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)氣壓（液壓）等方式驅(qū)動(dòng)動(dòng)力組件向前方運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力組件隨之帶動(dòng)傳動(dòng)組件運(yùn)動(dòng)。左右兩端的傳動(dòng)組件與豎直方向的夾角發(fā)生改變，裝置前端兩個(gè)球形托舉碗形成閉合托舉腔。托舉碗閉合前爪體處于水平位置，具體如圖6所示。

圖6 托舉碗閉合前結(jié)構(gòu)狀態(tài)

設(shè)傳動(dòng)組件兩端圓心距離為m,爪體兩端圓心距離為n,傳動(dòng)組件與豎直方向夾角為θ，左右兩端傳動(dòng)組件圓心距離為s，左右兩端托舉碗圓心距離為y，托舉碗與水平方向的夾角為φ。根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸和幾何關(guān)系可確定：

托舉碗閉合后，爪體不再處于水平位置，具體如圖7所示。

圖7 托舉碗閉合后結(jié)構(gòu)狀態(tài)

傳動(dòng)組件與豎直方向夾角變?yōu)棣取?，左右兩端傳?dòng)組件圓心距離為s′，左右兩端托舉碗圓心距離為y′, 此時(shí)s′與y′不再相等，但托舉碗與水平方向的夾角仍為φ不變，根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸和幾何關(guān)系可確定：

5 采摘裝置有限元分析

ANSYS軟件主要用來(lái)進(jìn)行熱、電磁、靜力學(xué)及流體等方面的分析，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，尤其是在復(fù)雜工程問(wèn)題的計(jì)算和分析方面[14]。通過(guò)Cero軟件設(shè)計(jì)出紅花采摘裝置的三維模型，將其導(dǎo)入到ANSYS SCDM中進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。修復(fù)完成后通過(guò)軟件內(nèi)部接口直接將模型導(dǎo)入到Workbench模塊中。首先對(duì)采摘裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，目的是檢驗(yàn)該裝置在理論上是否滿足實(shí)際生產(chǎn)中強(qiáng)度和剛度的需求[15]。然后對(duì)裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——托舉機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以確定在工作頻率下是否會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

5.1 建立有限元模型

第一步先定義裝置的材料，考慮到在實(shí)際紅花采摘過(guò)程中的外部環(huán)境，末端執(zhí)行器的材料應(yīng)該具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，因此材料選擇45鋼。接下來(lái)對(duì)裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用自由生成網(wǎng)格的方式進(jìn)行劃分[16]，因?yàn)槟┒藞?zhí)行器結(jié)構(gòu)模型不是很規(guī)則，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選擇四面體形式的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

5.2 靜力學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)位移云圖的觀測(cè)，末端執(zhí)行器最大位移為0.180 86 mm，出現(xiàn)在其頂端位置，如圖8（a）所示；根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖的觀測(cè)，末端執(zhí)行器最大應(yīng)力為17.186 MPa，出現(xiàn)在其中間連接位置，如圖8（b）所示；根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D的觀測(cè)，末端執(zhí)行器最大應(yīng)變 為8.9771 ×10-5，也出現(xiàn)在其中間連接位置，如圖8 (c) 所示。

5.3 模態(tài)分析

圖8 靜力學(xué)分析求解結(jié)果

托舉機(jī)構(gòu)是采摘裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，由于機(jī)構(gòu)末端的動(dòng)力組件直接接觸氣壓或液壓機(jī)構(gòu)，并且該機(jī)構(gòu)的托舉碗限位紅花花球也是整個(gè)采摘裝置運(yùn)行的第一步。托舉機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，直接影響著裝置能否成功采摘花絲，因此對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以確定其是否能夠穩(wěn)定工作。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可以確定托舉機(jī)構(gòu)的固有頻率和振型特征，機(jī)構(gòu)前6階模態(tài)振型和模態(tài)頻率如圖9所示。

圖9 托舉機(jī)構(gòu)前6階振型

由模態(tài)振型可知，托舉機(jī)構(gòu)的前6階振型頻率均很小。托舉機(jī)構(gòu)工作頻率在0.1～0.2 Hz左右，遠(yuǎn)大于振型頻率，因此工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。具體各階振幅和振型特征如表2所示。

表2 前6階模態(tài)分析

6 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種裁剪抓取式紅花采摘裝置，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出結(jié)構(gòu)傾角，同時(shí)設(shè)計(jì)出配套的PLC控制系統(tǒng)，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化水平。

2）通過(guò)靜力學(xué)分析，裝置結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在頂端位置，與實(shí)際情況相符。整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值均較小，說(shuō)明裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生破壞。

3）通過(guò)模態(tài)分析，獲得了托舉機(jī)構(gòu)前6階振型，機(jī)構(gòu)的各階振型固有頻率遠(yuǎn)小于工作頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。