芒果自動稱重分揀機的研制

張力文ZHANG Li-wen

（攀枝花學(xué)院，攀枝花 617000）

0 引言

芒果原產(chǎn)于印度，曾被命名為“庵波羅果”，記錄在《大唐西域記》中，唐朝時引種至我國（羅豐雷，2014）。數(shù)年發(fā)展后，目前我國已成為全球第二大芒果生產(chǎn)國，主要分布在廣東、廣西、云南等地（梁偉紅，2008），四川與云南交界的攀西地區(qū)作為新興的芒果產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)，其優(yōu)勢地位明顯。攀西地區(qū)位于北緯26°附近，屬于南亞熱帶干熱河谷氣候，具有“南方熱量，北方光照”的優(yōu)越條件，晝夜溫差大，利于淀粉的積累和糖分的轉(zhuǎn)化，種植出的芒果具有“甜、大、鮮”的特點。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，僅攀枝花一地2018 年芒果種植總面積超過27 萬畝，盛果期畝均產(chǎn)值1萬元以上，擁有多項榮譽稱號，比如“歐洲良好農(nóng)業(yè)規(guī)范（GAP）”“全國百強特色農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域公用品牌”“消費者最喜愛的中國農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域公用品牌”等，已經(jīng)成為當?shù)孛撠毠?，振興鄉(xiāng)村建設(shè)的重要途徑。

芒果的市場核心競爭力一方面取決于本身的品質(zhì)如可溶性固形物含量、含糖量、果實可食率，另一方面取決于產(chǎn)后處理。目前攀西地區(qū)芒果品質(zhì)已經(jīng)達到國內(nèi)頂尖水平，但與蓬勃發(fā)展的芒果種植不同，果實成熟后的篩選、分揀顯得較為落后，仍然處于較為初級的散裝散賣狀態(tài)，未能按照形狀、大小等進行品質(zhì)分級分類，這其中最重要的原因是缺少價格低、效率高的分揀工具。通過查閱文獻和實地走訪調(diào)查，目前芒果市場主要采用工人手工分揀，分揀效率低，勞動強度大，芒果的形狀、重量完全依靠分揀工人經(jīng)驗，分揀標準不一，對芒果產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展十分不利。

近年來，農(nóng)業(yè)機械智能技術(shù)發(fā)展意義重大、發(fā)展趨勢明顯（戴明文，2018）。由機械設(shè)備代替農(nóng)民完成勞作，能夠減小人力工作量，節(jié)省大量的資源和成本，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。為此，在現(xiàn)有各類分揀技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)芒果產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點，重點解決稱重和分揀難題，研制專門針對中小型個體農(nóng)戶的芒果自動稱重分揀機顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

芒果自動稱重分揀機依據(jù)芒果重量與品種的對應(yīng)關(guān)系對芒果進行稱重分揀，主要由人工料倉、上料輸送、分離輸送、稱重裝置及分揀裝置組成，如圖1 所示。

圖1 芒果自動稱重分揀機結(jié)構(gòu)圖

分揀機在機械結(jié)構(gòu)上由四個獨立模塊組成，包括上料模塊、分離模塊、稱重模塊和分揀模塊，與分揀機的工作步驟一一對應(yīng)。上料模塊通過電極帶動，循環(huán)運轉(zhuǎn)，能夠?qū)⒚⒐\送到分離模塊中；分離模塊使用滾筒滑動，將芒果進行單個分離，并運送到稱重模塊；稱重模塊能夠依據(jù)程序設(shè)定的參數(shù)，按照重量不同，將芒果運送到不同的成品倉實現(xiàn)分揀的效果，工作流程如圖2 所示。電控系統(tǒng)采用快速接頭設(shè)計，可實現(xiàn)快速現(xiàn)場拼裝。

圖2 工作流程簡圖

2 分揀機結(jié)構(gòu)

分揀機由機械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)兩部分組成。通過對分揀機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可實現(xiàn)上料、分料、稱重和分揀；電控系統(tǒng)由Arduino 實現(xiàn)對分揀機運行的整體控制。

2.1 機械部分

機械部分包括上料機、分料機、分揀轉(zhuǎn)盤和料倉，如圖3 所示。其工作過程如下：

圖3 芒果分揀機機械部分

①上料模塊需人工將芒果倒入上料倉，其料倉承載量可根據(jù)芒果大小及重量靈活設(shè)計。

②分料模塊采用斜齒皮帶傳輸，有利于芒果分隔，達到自動輸送芒果的目的。分料模塊傳輸過程采用分段式滾筒輸送方式，第一段滾筒輸送帶與第二段滾筒輸送帶之間采用差速運行；經(jīng)實驗測試，當?shù)诙螡L筒輸送帶傳輸速度V2 大于或等于第一段滾筒輸送帶傳輸速度V1 的1.5倍時，可實現(xiàn)良好的芒果分隔作用；利用交流變頻調(diào)速電機根據(jù)實際使用要求，調(diào)節(jié)傳輸速度，分段式滾筒輸送方式示意圖如圖4 所示。

圖4 分段式滾筒輸送方式

③稱重模塊采用獨立式稱重托盤，即每個托盤采用獨立的稱重傳感器，托盤數(shù)量=成品倉+1。

④分揀模塊采用翹板式分揀，采用翹翹板原理，實現(xiàn)果蔬分揀至對應(yīng)的成品倉；利用電磁鐵吸合實現(xiàn)推桿動作。圓盤360 度旋轉(zhuǎn)循環(huán)接貨，配置旋轉(zhuǎn)編碼器，實現(xiàn)精確位置記錄，防止漏貨情況的發(fā)生；并配置電滑環(huán)，實現(xiàn)電氣連接。

接貨部分可根據(jù)輸送線出貨口處紅外傳感器信號；圓盤將空托盤旋轉(zhuǎn)至接貨口，圓盤式運動可以實現(xiàn)高速分揀，滿足1 秒分揀2 個芒果的分揀需求；等待貨物自動掉入托盤；托盤稱重傳感器自動稱重。

分揀模塊可根據(jù)客戶自定義的分揀重量，自動判斷出需分揀出的成品倉；待圓盤將托盤旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)的成品倉位置處，控制推桿動作實現(xiàn)分揀動作。循環(huán)執(zhí)行以上步驟直至完成所有芒果的分揀。

2.2 電控系統(tǒng)

該分揀機的電控系統(tǒng)由Arduino、串口、步進電機、組態(tài)觸摸屏、稱重傳感器、轉(zhuǎn)盤及托盤信號檢測等部件組成，分揀機電控系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖5 所示。其控制架構(gòu)以Arduino 為核心，通過RS232 串口與組態(tài)觸摸屏MT4434T通信，信號傳輸部分包含6 個模擬量輸入、5 個數(shù)字量輸入、9 個數(shù)字量輸出和轉(zhuǎn)盤及托盤信號，以發(fā)送PWM 脈沖信號的方式驅(qū)動步進電機，完成對芒果的自動分揀。

圖5 分揀機電控系統(tǒng)控制架構(gòu)圖

該分揀機電氣控制設(shè)計包含Arduino 及其外圍電路設(shè)計；傳感器數(shù)據(jù)傳輸、傳感器信號放大調(diào)理、數(shù)字信號與模擬信號轉(zhuǎn)換、電源電路、電平轉(zhuǎn)換電路及開關(guān)硬件電路設(shè)計；步進電機控制系統(tǒng)、步進電機選型、步進電機與Arduino 連接硬件電路設(shè)計。

如圖6 所示，本文自動分揀機通過稱重傳感器完成信號采集，利用傳感器對芒果進行重量檢測。至此得到信號較為微弱的重量信號，再經(jīng)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號處理電路對芒果重量微弱信號進行處理。經(jīng)處理后的信號作為Arduino 控制器的輸入信號，并將其存儲到存儲單元中。Arduino 控制器對芒果重量信號進行處理并且確定其對應(yīng)成品倉位，隨后控制步進電機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對芒果的自動稱重分揀。

圖6 電氣原理圖

3 試驗與結(jié)果分析

選用重量、品種不同的芒果作為自動分揀機的試驗材料，通過不同重量與品種間的對應(yīng)關(guān)系，如表1 所示，測試分揀機根據(jù)芒果重量是否能高速、準確地按品種區(qū)分芒果。

表1 芒果種類與重量對應(yīng)關(guān)系

試驗分為4 組，每組3 次，每次試驗選用40 個芒果。試驗芒果中分別包含椰香、海頓、金煌三個品種，重量0.1-0.3kg 的椰香芒果400 個，0.3-0.5kg 的海頓芒果500 個，0.5-1.5kg 的金煌芒果300 個，使得試驗預(yù)備芒果數(shù)量遠大于實際試驗使用數(shù)量，以確保試驗對象的隨機性和試驗結(jié)果的有效性。試驗組次及選用芒果種類、數(shù)量如表2 所示。

表2 試驗組次及選用芒果種類、數(shù)量設(shè)置

第1 組第1 次試驗，選用40 個芒果，其中包含重量0.1-0.3kg 的椰香芒果10 個，0.3-0.5kg 的海頓芒果20 個，0.5-1.5kg 的金煌芒果10 個。將上述芒果倒入上料機中，經(jīng)上料、運輸、分隔、稱重、分揀等試驗步驟，得到如下結(jié)果：①5 個分揀機成品倉中，3 個成品倉（成品倉I、成品倉II、成品倉III）分揀出芒果，2 個成品倉（成品倉IV、成品倉V）空；試驗結(jié)果表明本文分揀機能夠?qū)崿F(xiàn)芒果分類。②成品倉I、II、III 中單個芒果平均重量分別為：0.203kg、0.446kg，0.976kg，表明本文分揀機能夠?qū)崿F(xiàn)按重量分揀芒果。③成品倉I 中芒果數(shù)量為13 個，其中包括10 個重量為0.1-0.3kg 的椰香芒果和3 個重量為0.285-0.32kg 的海頓芒果；成品倉I 試驗結(jié)果（倉中芒果數(shù)量）比預(yù)期多3 個。④成品倉II 芒果數(shù)量為18 個，其中包括17 個重量為0.3-0.5kg 的海頓芒果和1 個重量為0.505kg 的金煌芒果；成品倉II 試驗結(jié)果（倉中芒果數(shù)量）比預(yù)期少2 個。⑤成品倉III 芒果數(shù)量為9 個，均為重量在0.5-1.5kg 區(qū)間的金煌芒果；成品倉III 試驗結(jié)果（倉中芒果數(shù)量）比預(yù)期少1 個。⑥上述結(jié)果③④⑤表明本文分揀機能夠根據(jù)重量區(qū)分芒果的種類，但分揀結(jié)構(gòu)仍存在偏差。第1 組第1 次試驗分揀出錯芒果數(shù)量為4 個，試驗芒果總數(shù)為40 個，試驗結(jié)果偏差為10%。⑦進而進行多組多次試驗，最終試驗測試結(jié)果偏差如表3 所示。

表3 芒果分揀試驗結(jié)果偏差

試驗測試結(jié)果表明：

①將40 個待分揀的芒果倒入上料機，由于設(shè)計中沒有上料振動裝置，上料機可能存在積壓芒果的情況，此時需手動協(xié)助上料。②芒果通過上料漏斗下滑至分料機，在三段式分料結(jié)構(gòu)的差速運行下，可實現(xiàn)將芒果逐個分離。③試驗結(jié)果表明：芒果自動分揀機能夠根據(jù)芒果的重量實現(xiàn)對芒果種類的分揀，一組試驗時間在20-35 秒，即分選速度可達每秒2±1 個芒果。④試驗結(jié)果表明：該分揀機分選偏差可控制在8%±0.5%，滿足農(nóng)忙時節(jié)芒果分揀需求。

4 結(jié)論

該芒果自動分揀機采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，適用性強，便于維護。在理論推演和試驗驗證中，均可達到農(nóng)忙時節(jié)對芒果分揀高速高效的需求。該芒果自動分揀機填補了目前市場上中小型芒果分揀機械的空缺，可在芒果種植基地廣泛地推廣應(yīng)用。