甘蔗種節(jié)識(shí)別切種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

劉智強(qiáng)，趙永超，劉信鵬

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江 524091；2.廣東海洋大學(xué)，湛江 524088）

0 引言

甘蔗是我國蔗糖的主要生產(chǎn)原材料，其主要種植在我國的廣東、廣西、海南等南方熱區(qū)；由于我國在甘蔗機(jī)械化切種方面，還主要以傳統(tǒng)人力切種為主，存在切口平整度不一、蔗芽破裂、蔗皮破裂、勞動(dòng)強(qiáng)度大、輔助人工多、效率低等問題，導(dǎo)致甘蔗出苗率低[1～5]。

在甘蔗機(jī)械化切種過程中，輸送機(jī)構(gòu)的送種、斬切機(jī)構(gòu)的斬種是關(guān)鍵關(guān)節(jié)，其中種節(jié)的檢測(cè)識(shí)別、下刀的速度和力度對(duì)甘蔗種質(zhì)量的影響至關(guān)重要。目前國內(nèi)已研究多種基于電阻式應(yīng)變片/感應(yīng)計(jì)數(shù)/計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)識(shí)別的甘蔗切種裝置[6～10]，其主要由切割器、控制單元、電阻應(yīng)變片/感應(yīng)計(jì)數(shù)/CCD攝像頭、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等機(jī)構(gòu)組成，能實(shí)現(xiàn)視覺識(shí)別，機(jī)械切割的目的，由于該裝置存在切割效率低、靈活性差、價(jià)格昂貴等問題。

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械接觸傳感識(shí)別、氣缸推動(dòng)斬切的甘蔗種節(jié)識(shí)別切種裝置；基于甘蔗節(jié)莖物理特性，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)，設(shè)計(jì)輸送機(jī)構(gòu)、斬切機(jī)構(gòu)，采用控制算法設(shè)計(jì)檢測(cè)控制單元，運(yùn)用ANSYS對(duì)裝置斬切刀進(jìn)行仿真優(yōu)化分析；最終實(shí)現(xiàn)裝置高識(shí)別精度、高效率斬切甘蔗種節(jié)目的。

1 總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，甘蔗識(shí)別切種裝置主要由機(jī)架、滑軌、輸送槽、傳感器、控制閥、斬切刀等機(jī)構(gòu)組成。

圖1 甘蔗識(shí)別切種裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該識(shí)別切種裝置配備檢測(cè)單元、斬切機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即分別固定在輸送槽上方、下方的機(jī)架上，并將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在滑軌下方，檢測(cè)單元固定在滑槽上方檢測(cè)甘蔗經(jīng)過的地方，氣動(dòng)閥固定在斬切刀的正上方。

1.2 工作原理

甘蔗識(shí)別斬切裝置總體工作原理如圖2所示，即輔助人工將整稈甘蔗放在甘蔗識(shí)別切種裝置的輸送槽上，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)，輸送甘蔗到裝備檢測(cè)單元位置，檢測(cè)到甘蔗種節(jié)，傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的變化，控制氣泵控制閥的開啟，進(jìn)一步推動(dòng)氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)斬切刀對(duì)蔗莖種節(jié)進(jìn)行斬切。

圖2 甘蔗識(shí)別斬切總體工作原理圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)分析

2.1 輸送槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

需要輸送槽內(nèi)運(yùn)送的甘蔗與檢測(cè)單元傳感器的觸腳保持接觸，才可以保證采集到準(zhǔn)確、有效的甘蔗種節(jié)信號(hào)；由于部分甘蔗具有一定的彎度，所以需要對(duì)輸種槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，已達(dá)到對(duì)甘蔗限位的目的，如圖3所示；為了方便甘蔗上料，將該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為兩個(gè)半徑為30mm的1/4圓，兩圓中間的中間間隔設(shè)有電機(jī)帶動(dòng)的輸送帶，且輸送帶底部距上表面的距離為15mm，并在輸送槽的右側(cè)設(shè)有喇叭口，確保甘蔗輸送過程中的橫向運(yùn)動(dòng)。由于單次輸送甘蔗的扭矩都不大，系統(tǒng)不需要大范圍內(nèi)調(diào)速，采用電機(jī)帶動(dòng)的間歇式輸送機(jī)構(gòu)如圖4所示，已滿足每次輸送甘蔗快速啟動(dòng)、快速停止，穩(wěn)定輸送的目的。

圖3 輸送槽結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 輸送槽傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 斬切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

斬切機(jī)構(gòu)是甘蔗識(shí)別斬切裝置的核心部件，其結(jié)構(gòu)的合理性，工作的可靠性直接決定甘蔗切種的質(zhì)量；為確保切種的蔗段長(zhǎng)度為60mm，基于甘蔗物理特性基礎(chǔ)上，充分考慮斬切速度、斬切傾角等工況條件，將斬切刀片中心距離設(shè)置為60mm的垂直雙刀片，同時(shí)在斬切蔗種時(shí)，為防止甘蔗發(fā)生橫向滾動(dòng)，需要設(shè)計(jì)夾緊裝置來夾緊甘蔗的一端或兩端，其機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 斬切機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 斬切刀片設(shè)計(jì)分析

斬切機(jī)構(gòu)力學(xué)模型如圖6所示。驅(qū)動(dòng)斬切刀的力主要來自氣缸的活塞推桿力F和氣缸工作壓力p。根據(jù)氣缸載荷率取值情況，得到作用在斬切刀上的活塞桿推力Ft,為了確保斬切力Ft能同時(shí)切斷蔗莖，在斬切甘蔗時(shí)，同時(shí)考慮受到甘蔗的反作用力F1、F2；為保證甘蔗種不發(fā)生剪切破壞，根據(jù)甘蔗直徑在19mm～35mm之間，甘蔗莖皮許用強(qiáng)度[σ2]=2.25MPa，甘蔗莖芯許用剪切強(qiáng)度[σ1]=0.45MPa等物理特性，結(jié)合氣缸載荷情況，如表1所示，對(duì)斬切甘蔗所受的最大剪切力Fmax，斬切速度v、斬切時(shí)間t進(jìn)行校核：

表1 氣缸載荷率與速度的取值表

圖6 斬切機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

式中：D為氣缸內(nèi)徑（mm）；

Ft為活塞桿推力（N）；

P為氣缸工作壓力（Pa）；

η為氣缸載荷率；

Fmax為斬切力最大值（N）；

τmax為最大切應(yīng)力（MPa）；

A為甘蔗徑向截面積（mm2）；

v為平均斬切速度（m/s）；

v1為行程耗氣量（L）；

v2為回程耗氣量（L）；

vm為平均速度（m/s）；

L為行程距離（mm）。

取蔗莖的最大直徑dmax=35mm，ρ=0.6MPa，η=0.4，D=60mm，L=100mm，得到Fmax=325N，vm=0.28m/s。

2.2.2 斬切刀的建模與仿真分析

氣缸在驅(qū)動(dòng)斬切刀斬切甘蔗過程中，容易在斬切末端及推桿回程末端產(chǎn)生沖擊力，使工作整機(jī)振動(dòng)；隨著負(fù)載與推桿速度的增加，沖擊力也呈線性增加，相對(duì)作用時(shí)間變長(zhǎng)；為了確保甘蔗斬切的質(zhì)量，在對(duì)直徑為35mm，蔗皮厚度0.8mm的桂林—黑皮甘蔗進(jìn)行斬切時(shí)，選用剛性與耐磨性較好的65Mn材料作為斬切刀材料，并對(duì)斬切刀刃橫截面形狀和刀刃曲線進(jìn)行三維建模仿真分析[11～16]，如圖7所示，其刀刃參數(shù)如表2所示。

表2 刀刃參數(shù)

圖7 甘蔗斬切模型示意圖

針對(duì)甘蔗蔗芯和蔗皮的主要物理力學(xué)特性，如表3所示，擬定靜摩擦系數(shù)Fs為0.14，動(dòng)摩擦系數(shù)Fd為0.12，工作氣壓ρ為0.6MPa的工作條件下，分別以斬切速度υ為0.1m/s、0.28m/s、0.6m/s，對(duì)甘蔗進(jìn)行斬切，并對(duì)斬切過程進(jìn)行仿真分析如圖8所示，檢測(cè)其斬切時(shí)間、斬切速度、斬切刀片承受應(yīng)力情況，如表3、表4所示。

圖8 斬切甘蔗的網(wǎng)格顯示過程

表3 甘蔗莖稈的力學(xué)特性

表4 試驗(yàn)結(jié)果

仿真結(jié)果表明，刀刃角越小斬切效果越好，由于刀刃角過小易加劇斬切刀的磨損，因此刀刃角一般取15°的矩形刀刃和圓弧刀刃；當(dāng)斬切速度越大，斬切周期越短時(shí)，圓弧刀刃相對(duì)矩形刀刃的斬切效率越高，同時(shí)刀刃受到的最大應(yīng)力也相對(duì)增加，考慮到斬切末端的沖擊振動(dòng)速度，選擇具有較高實(shí)用性、斬切速度小于0.28m/s的矩形斬切刀刃。

2.3 檢測(cè)識(shí)別控制算法設(shè)計(jì)

甘蔗種節(jié)檢測(cè)識(shí)別控制系統(tǒng)是該裝置的核心部件，包括供電系統(tǒng)、傳感檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等模塊[17～20]；根據(jù)甘蔗檢測(cè)、斬切的運(yùn)動(dòng)過程規(guī)律，將系統(tǒng)運(yùn)行分為上料、輸送、檢測(cè)，斬切、回程控制等幾個(gè)過程，考慮系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的不上料、斬切停止等問題，將事件按優(yōu)先級(jí)降冪排列，并進(jìn)行相應(yīng)協(xié)調(diào)控制算設(shè)計(jì)，如圖9所示。

圖9 基于優(yōu)先級(jí)協(xié)調(diào)控制算法及硬件

3 性能試驗(yàn)

在優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真的基礎(chǔ)上，加工制造試驗(yàn)樣機(jī)，如圖10所示。為了驗(yàn)證甘蔗識(shí)別斬切設(shè)備的斬切效果和檢測(cè)精度，進(jìn)行斬切試驗(yàn)[21～22]，以樣機(jī)連續(xù)斬切10根甘蔗（89個(gè)種節(jié)）為試驗(yàn)對(duì)象，以斬切的種節(jié)個(gè)數(shù)、切種時(shí)間、種節(jié)長(zhǎng)度為試驗(yàn)指標(biāo)，將試驗(yàn)樣機(jī)的性能參數(shù)設(shè)計(jì)為如表5所示。

表5 甘蔗識(shí)別斬切設(shè)備的性能參數(shù)表

圖10 甘蔗識(shí)別斬切樣機(jī)

經(jīng)過對(duì)甘蔗識(shí)別切種裝置的試驗(yàn)得到如表6所示的試驗(yàn)結(jié)果表明：在平均斬切速度1.06s/次斬切過程中，89節(jié)甘蔗種節(jié)識(shí)別到85節(jié)，蔗節(jié)識(shí)別成功率為95.5%，識(shí)別精度為91.76%；經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)未成功識(shí)別的甘蔗種節(jié)，大部分出現(xiàn)在甘蔗梢頭部位直徑較小的位置，該處種節(jié)凸起不明顯。

表6 斬切甘蔗試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

針對(duì)甘蔗種節(jié)檢測(cè)識(shí)別與斬切需求，研究設(shè)計(jì)了甘蔗種節(jié)識(shí)別斬切裝置，并對(duì)該裝置的輸送槽、斬切機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，尤其對(duì)斬切刀斬切甘蔗過程進(jìn)行仿真分析，得到斬切刀的刀刃角一般為15°，斬切速度小于0.28m/s的矩形斬切刀刃時(shí)，斬切刀具實(shí)用性最好。通過對(duì)該裝置進(jìn)行切種試驗(yàn)得到：在平均斬切速度1.06s/次斬切過程中，89節(jié)甘蔗種節(jié)識(shí)別到85節(jié)，蔗節(jié)識(shí)別成功率為95.5%，識(shí)別精度為91.76%[23]；經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)未成功識(shí)別的甘蔗種節(jié)，大部分出現(xiàn)在甘蔗梢頭部位直徑較小的位置，該處種節(jié)凸起不明顯，為增加識(shí)別精度，可以在斬切前對(duì)甘蔗梢進(jìn)行預(yù)處理[24]。