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一种多功能柑桔采摘装置的设计


文章作者:www.zx8.org.cn 发布时间:2019-10-05 点击:669



2019-09-19 19: 49: 11年轻的汽车谈话

多功能柑橘采摘装置的设计

基金项目:全国大学生创新创业培训计划()

本研究设计了一种一次性使用的多功能柑橘采摘装置,可以实现定点剪切,省力剪切,可逆剪切,伸缩伸缩,延长果农的工作时间,解决了目前缺乏功能和操作的问题。柑橘采摘设备。不方便,不能帮助果农提高采摘效率和采摘质量。因此,这项研究具有很高的现实意义。该装置保留了原有的柑橘采摘功能,并根据实际需要结合了新的功能,弥补了原有柑橘采摘装置的不足,以更简单方便的机制实现了原有功能,提高了原作的实用性。设备。

1工作条件分析及存在的问题

1. 1工作状态分析

柑橘树的高度通常为2 m,少数可以达到2。3m。柑橘的生长姿势是垂直向下和倾斜向下。因此,该设备应具有伸缩功能。随着柑橘生长高度的增加,枝条与采摘装置之间的夹角变小,最佳剪切角是剪切刀片的方向垂直于枝条的延伸方向,以确保可靠的剪切并避免斜剪的形成。锋利的部分刺穿了果皮,因此设计的剪切机构应该能够摆动。拿起手持设备时,腕关节相当于铰链点,并且将承受重力和设备对腕关节的重力。腕关节是脆弱的关节,并且对外界力矩的抵抗力很弱。因此,应设计一个辅助的固定机构以减轻手腕的劳动强度。摘柑橘需要在距果梗1厘米的距离处进行固定切割。当采摘高大的树木并在树上采摘时,树叶的阻塞使操作员难以掌握柑橘树枝的方向。因此,应建立视觉确认系统。辅助定位。柑桔皮很薄,为了防止柑桔掉落,应设置收集装置以缓冲切出的柑桔。

1. 2当前存在问题

当前市售的柑橘采摘装置以剪切方式工作。剪切采摘机构的优点是对树枝的损伤小,切割快并且切割表面平坦。缺点如下:在高生长的柑橘上很难进行定点剪切;依靠人力或电动机提供剪切力,而电动机构具有电池寿命和电气系统可靠性;柑橘的生长姿势不一致,剪切机理不可逆,因此装置的应变性不理想。如果要将该装置拉长以用于高分支采摘,除非设置了电动伸缩机构,否则当前的柑橘采摘装置需要停止工作以制造长装置,这给操作带来不便。总体而言,当前的柑橘采摘设备不能满足实际需求。这项研究设计了现有的柑橘采摘设备。根据功能分类,该装置可分为剪切机构,反转机构,伸缩机构,辅助保持机构,视觉确认系统和收集装置。

2拣选设备的设计

多功能柑橘采摘设备如图1所示。

图1多功能柑橘采摘装置

1.照相机2.剪切机构; 3.锥齿轮; 4.卡插槽; 5.手机; 6.辅助控制杆; 7.驱动器手柄连接器; 8.驱动手柄; 9.钢丝绳;一组接线盒

2. 1剪切机制

剪切机构采用剪切工作方式,其剪切机构如图2所示。为了减少剪切力对手动操作的依赖性,并确保机构的可靠性,该机构通过以下方式释放弹性势能:弹簧驱动剪切刀执行剪切动作。切割刀打开单个边缘,并且只有两个笔直的边缘相互交叉,并且切割边缘的形状几乎是半圆形的,如图2所示,这可以防止切割边缘伤害柑桔并促进进入切削刃之间的分支。上刀片铰接在机构上,下刀片固定在机构上。表盘块铰接在上刀片的端部并通过扭力弹簧邻接,并且块插入销轴抵靠上刀片打开的滑动槽。剪切机构的工作机理如下:驱动手柄在连接座平面内旋转,滑块由钢丝绳驱动,驱动滑块从左端向右端移动导轨的一端与拨盘接触,上叶片抵抗动力弹簧的弹力而打开。滑块与刻度盘分开,立即关闭上刀片以实现切割作用。当驱动手柄复位时,钢丝绳失去拉力,复位弹簧推动驱动滑块从导轨的右端移动到左端。当驱动滑块向上推拨盘块时,扭簧被压缩。当驱动滑块与表盘块分离时,扭力弹簧将使表盘块复位。这实现了剪切机构操作的循环。动力弹簧带动上刀片快速旋转。上刀片对分支的作用时间非常短,瞬时力很大。但是,由于接触面较小,因此刀片对分支的损伤小,因此较大的力有利于提高切割可靠性。

图2剪切机制

1.上刀片2.下刀片; 3.配重; 4.动力弹簧; 5.驱动滑块; 6.复位弹簧; 7.拨块; 8.扭力弹簧

剪切机制为:一方面,动力臂的长度为49毫米,阻力臂的长度为23毫米。这是第一级的省力设计。安装手持式驱动手柄时,动力臂的长度(从手掌到驱动柄的轴线)为166 mm,阻力臂的长度为59 mm。如图3所示,这是第二级的省力设计。如果动力弹簧的弹力为F,则经过两阶段的省力设计后,驱动剪切机构所需的动力仅为0。17F,从而减少了剪切分支对人力的依赖性。另一方面,驱动手柄采用伸缩设计,最大伸长率为原始长度的1.6倍。此时,驱动剪切机构所需的动力为0.11F,省力效果更好。

图3驱动器手柄

驱动剪切机构所需的动力与动态弹簧的弹力密切相关。首先将不锈钢压缩弹簧用于动力弹簧。其规格为1.6 * 17.6 * 40 * 6。根据弹簧刚度系数k的计算公式,可得出:

动力弹簧的安装高度为h 1=33 mm,行程末端高度为h 2=23 mm。根据胡克定律F=kx,安装高度弹性F 1=24. 85 N,行进端弹性F 2=60. 35N。当用F 2的值代替F时,操作员可以驱动剪切机构完成操作。仅通过在驱动手柄的原始长度中提供超过10.26 N的力即可剪切,并且在驱动手柄的最大伸长中所需的力可以减小到6.41N。

《木结构设计规范》表示木材的最大横向剪切强度为1. 3 N/mm。柑橘类水果分支的厚度为3 mm,切开分支所需的力为F 3=σπr2=1。3×3. 14×1. 5×1. 5=9. 19 N [4]。因为F 1 -F 3 = 15.66N,所以动力弹簧具有较大的弹性裕度,从而可以尝试以较小的刚度系数替换弹簧或缩短原始长度,从而进一步减小了剪切机构的驱动力。

2. 2换向机制

为了方便操作,驱动手柄可以同时控制剪切机构的摆动,而后退机构则通过齿轮传动来实现作用。两对齿轮对分别设置在传动杆的两端,锥齿轮布置在传动杆的两端。第一传动轴铰接在支撑座的夹持柱上,一端与驱动手柄连接座固定连接,另一端与锥齿轮固定。锥齿轮与固定在传动杆上的锥齿轮啮合而形成第一齿轮对。第二传动轴与剪切机构固定连接,铰接在剪切机构的连接座上,锥齿轮固定在轴的一端,锥齿轮与锥齿轮啮合,锥齿轮固定在传动杆上,形成一个第二齿轮对。需要使剪切机构反转,并驱动驱动手柄带动连接座旋转,由连接座带动驱动轴旋转,该旋转转换为剪切机构相对于主轴的同步摆动。驱动手柄由两对齿轮对组成。因为齿轮啮合是刚性连接,所以确保了剪切机构的角度调节精度和同步性能。第一和第二齿轮对如图4和图5所示。

图4第一个齿轮对的示意图

1.驱动手柄连接座; 2.支持基础; 3.小截面铝管; 4.传动杆; 5.大截面铝管; 6.锥齿轮; 7.第一传动轴

图5第二个齿轮副的示意图

1。第二传动轴;2.剪切机制;锥齿轮;4.驱动杆;5.小截面铝管;6。剪切机构连接座

2.3伸缩机构

为了操作方便,该装置的采摘范围需要在较短的条件下覆盖大部分柑橘,并采用驱动手柄控制装置来控制膨化。根据树的高度,树的高度至少可以偏移1.3m。因此,在缩短的条件下(保持位置和辅助保持机构的长度除外),装置的有效长度为1.2m。在辅助采果树的顶部,允许将一些水果的长度延长0.3米。膨胀机构使自滑块机构变形,膨胀杆段铝管与支架固定。大断面铝管从端部打开滑动槽和定位滑槽,支座卡柱顺利插入大断面铝管。支撑座设有大断面铝管的间隙,在溜槽的滑道上可自由滑动。手持式驱动手柄向前推动,驱动轴向前推动支撑座即伸长装置,将支撑座夹紧柱拉入夹紧槽端部,实现装置长度固定。为防止拣选过程中卡柱意外落入溜槽,设计了倒“L”型卡柱溜槽。由于伸缩杆伸长后,其驱动手柄远离操作者,因此也采用伸缩设计,便于操作者在装置伸长时对装置进行控制。伸缩机构如图6所示。

图6伸缩机构

1。小截面铝管;大截面铝管;支撑座

与现有的柑橘收获装置相比,该装置操作更加方便快捷,有利于协助果农提高工作效率。

2.4辅助控制体

由于二头肌和其他肌肉分布在上臂和前臂中,因此本研究设计了一种机制来支撑抓握杆,以抓住人类肘部的高肘,这可以抵消手腕的力矩,并使充分利用承载力。手臂要承受设备的负荷,以减轻手腕的工作强度,从而延长果农的工作时间。该机构具有可调功能,该设备易于使用。

该机制设计如下。辅助固定杆固定在铰链轴上,铰链轴铰接在连接块上,并且连接块具有六角槽配合。辅助保持机构如图7所示。滑块的六角形卡扣部分与连接滑块的六角形槽配合,因此可以径向拉出滑块,并通过块的中心孔。螺钉受到约束,并按下了位于螺钉上方的小弹簧。沉孔的底部有一个六角形的槽,当用小弹簧压紧滑块时,它与铰接的六角头配合以限制铰链轴的旋转。从而,连接块与块的两个块,块与铰链轴配合,实现辅助锁杆角度锁紧。可以通过稍微拉出滑块来调节辅助杆的角度。由于辅助固定机构通过连接块弹性夹具设计固定在伸缩杆的端部,因此操作员可以轻松调节螺钉以调节安装角度和机构的安装位置,以找到合适的最佳操作角度。

图7辅助控制机构

1.连接块2.铰接轴; 3.辅助固定杆; 4.卡座; 5.小弹簧

为了使设备更轻巧,该设备由铝合金制成,总重量在2 kg以内。

2. 5视觉确认系统

切割机构中安装有微型相机,镜头位于上刀片上方,并与安装在杆体上的手机无线连接,并通过手机实时观察刀片的朝向,可以帮助果农进行定点切割。视觉确认系统不仅有利于定点剪切,而且有助于基于柑橘的成熟度进行选择性采摘。

2. 6个采集装置

收集装置固定在剪切机构上,主体为软导套。导流套筒位于切削刃下方,因此,每次切柑桔时,导流套筒都可以将其缓冲到地面收集篮中。

3测试与改进

在测试过程中,采摘装置具有很强的剪切力,反向灵敏度和灵活的伸缩性。整个过程无故障,操作方便,使高挑拣选更加方便,高效。拣选测试如图8所示。

图8拣选测试

测试后,设备的细节得到改善。导线杆固定在伸缩杆的铝管位置。钢丝绳穿过杆引导孔,因此当钢丝绳拉动驱动滑块时,基本上可以驱动驱动滑块的拉动方向和驱动方向。一致,提高组织的可靠性。

4个结论

该多功能柑橘采摘装置结构简单,工作可靠,功能更多,操作方便,成本较低,重量较轻,有助于提高柑橘采摘效率和采摘质量,减轻果农的劳动强度,减轻劳动强度。果农的农业支出。与目前市场上的柑橘采摘设备相比,该设备在功能多样性,操作便捷,实用性和性价比方面具有很大的优势,是果农的好帮手。另外,尽管该装置的定位设计为柑橘采摘装置,但是采摘的对象可以扩展为单个果树,例如苹果,雪梨,桃子等,具有很大的潜在应用前景。

多功能柑橘采摘装置的设计

基金项目:全国大学生创新创业培训计划()

本研究设计了一种一次性使用的多功能柑橘采摘装置,可以实现定点剪切,省力剪切,可逆剪切,伸缩伸缩,延长果农的工作时间,解决了目前缺乏功能和操作的问题。柑橘采摘设备。不方便,不能帮助果农提高采摘效率和采摘质量。因此,这项研究具有很高的现实意义。该装置保留了原有的柑橘采摘功能,并根据实际需要结合了新的功能,弥补了原有柑橘采摘装置的不足,以更简单方便的机制实现了原有功能,提高了原作的实用性。设备。

1工作条件分析及存在的问题

1. 1工作状态分析

柑橘树的高度通常为2 m,少数可以达到2。3m。柑橘的生长姿势是垂直向下和倾斜向下。因此,该设备应具有伸缩功能。随着柑橘生长高度的增加,枝条与采摘装置之间的夹角变小,最佳剪切角是剪切刀片的方向垂直于枝条的延伸方向,以确保可靠的剪切并避免斜剪的形成。锋利的部分刺穿了果皮,因此设计的剪切机构应该能够摆动。拿起手持设备时,腕关节相当于铰链点,并且将承受重力和设备对腕关节的重力。腕关节是脆弱的关节,并且对外界力矩的抵抗力很弱。因此,应设计一个辅助的固定机构以减轻手腕的劳动强度。摘柑橘需要在距果梗1厘米的距离处进行固定切割。当采摘高大的树木并在树上采摘时,树叶的阻塞使操作员难以掌握柑橘树枝的方向。因此,应建立视觉确认系统。辅助定位。柑桔皮很薄,为了防止柑桔掉落,应设置收集装置以缓冲切出的柑桔。

1. 2当前存在问题

当前市售的柑橘采摘装置以剪切方式工作。剪切采摘机构的优点是对树枝的损伤小,切割快并且切割表面平坦。缺点如下:在高生长的柑橘上很难进行定点剪切;依靠人力或电动机提供剪切力,而电动机构具有电池寿命和电气系统可靠性;柑橘的生长姿势不一致,剪切机理不可逆,因此装置的应变性不理想。如果要将该装置拉长以用于高分支采摘,除非设置了电动伸缩机构,否则当前的柑橘采摘装置需要停止工作以制造长装置,这给操作带来不便。总体而言,当前的柑橘采摘设备不能满足实际需求。这项研究设计了现有的柑橘采摘设备。根据功能分类,该装置可分为剪切机构,反转机构,伸缩机构,辅助保持机构,视觉确认系统和收集装置。

2拣选设备的设计

多功能柑橘采摘设备如图1所示。

图1多功能柑橘采摘装置

1.照相机2.剪切机构; 3.锥齿轮; 4.卡插槽; 5.手机; 6.辅助控制杆; 7.驱动器手柄连接器; 8.驱动手柄; 9.钢丝绳;一组接线盒

2. 1剪切机制

剪切机构采用剪切工作方式,其剪切机构如图2所示。为了减少剪切力对手动操作的依赖性,并确保机构的可靠性,该机构通过以下方式释放弹性势能:弹簧驱动剪切刀执行剪切动作。切割刀打开单个边缘,并且只有两个笔直的边缘相互交叉,并且切割边缘的形状几乎是半圆形的,如图2所示,这可以防止切割边缘伤害柑桔并促进进入切削刃之间的分支。上刀片铰接在机构上,下刀片固定在机构上。表盘块铰接在上刀片的端部并通过扭力弹簧邻接,并且块插入销轴抵靠上刀片打开的滑动槽。剪切机构的工作机理如下:驱动手柄在连接座平面内旋转,滑块由钢丝绳驱动,驱动滑块从左端向右端移动导轨的一端与拨盘接触,上叶片抵抗动力弹簧的弹力而打开。滑块与刻度盘分开,立即关闭上刀片以实现切割作用。当驱动手柄复位时,钢丝绳失去拉力,复位弹簧推动驱动滑块从导轨的右端移动到左端。当驱动滑块向上推拨盘块时,扭簧被压缩。当驱动滑块与表盘块分离时,扭力弹簧将使表盘块复位。这实现了剪切机构操作的循环。动力弹簧带动上刀片快速旋转。上刀片对分支的作用时间非常短,瞬时力很大。但是,由于接触面较小,因此刀片对分支的损伤小,因此较大的力有利于提高切割可靠性。

图2剪切机制

1.上切削刃2.较低的切削刃; 3.偏移量块; 4.动力弹簧; 5.驱动滑块; 6.复位弹簧; 7.拨块; 8.扭力弹簧

切割机制旨在节省工作量:一方面,动力臂的长度为49毫米,阻力臂的长度为23毫米。在这里,第一阶段的省力设计;当使用手持式驱动手柄时,动力臂(驱动手柄安装轴的手掌)的长度为166 mm。阻力臂长度为59毫米,如图3所示,这是次要设计。动力弹簧力为F。经过两步的省力设计后,驱动剪切机构所需的动力仅为0.17F,从而减少了剪枝时的人力依赖性。另一方面,驱动手柄采用伸缩设计,最大伸长长度为原始长度的1.6倍,驱动剪切机构所需的动力为0.11F,省力效果更好。

图3驱动器手柄

驱动剪切机构所需的动力与动力弹簧的弹力密切相关。动力弹簧最初由规格为φ1.6*φ17.6* 40 * 6的不锈钢压缩弹簧制成。根据弹簧刚度系数k,可得出公式:

动力弹簧的高度为h 1=33 mm,行程终点为h 2=23 mm。根据胡克定律F=kx,安装高度弹性F 1=24。 85 N,行程端弹力F 2=60。 35N。将F 2值代入F,操作员只需提供10.26 N或更大的力来驱动剪切机构即可完成剪切。在驱动手柄的最大伸长状态下,所需的力降至6.41N。

《木结构设计规范》表示木材的最大横向剪切强度为1. 3 N/mm。柑橘类水果分支的厚度为3 mm,切开分支所需的力为F 3=σπr2=1。3×3. 14×1. 5×1. 5=9. 19 N [4]。因为F 1 -F 3 = 15.66N,所以动力弹簧具有较大的弹性裕度,从而可以尝试以较小的刚度系数替换弹簧或缩短原始长度,从而进一步减小了剪切机构的驱动力。

2. 2换向机制

为了方便操作,驱动手柄可以同时控制剪切机构的摆动,而后退机构则通过齿轮传动来实现作用。两对齿轮对分别设置在传动杆的两端,锥齿轮布置在传动杆的两端。第一传动轴铰接在支撑座的夹持柱上,一端与驱动手柄连接座固定连接,另一端与锥齿轮固定。锥齿轮与固定在传动杆上的锥齿轮啮合而形成第一齿轮对。第二传动轴与剪切机构固定连接,铰接在剪切机构的连接座上,锥齿轮固定在轴的一端,锥齿轮与锥齿轮啮合,锥齿轮固定在传动杆上,形成一个第二齿轮对。需要使剪切机构反转,并驱动驱动手柄带动连接座旋转,由连接座带动驱动轴旋转,该旋转转换为剪切机构相对于主轴的同步摆动。驱动手柄由两对齿轮对组成。因为齿轮啮合是刚性连接,所以确保了剪切机构的角度调节精度和同步性能。第一和第二齿轮对如图4和图5所示。

图4第一个齿轮对的示意图

1.驱动手柄连接座; 2.支持基础; 3.小截面铝管; 4.传动杆; 5.大截面铝管; 6.锥齿轮; 7.第一传动轴

图5第二个齿轮副的示意图

1.第二驱动轴; 2.剪切机制; 3.锥齿轮; 4.传动杆; 5.小铝管; 6.剪力机构连接座

2. 3伸缩机构

为了方便操作,在设备处于缩短状态时,采摘范围需要覆盖大部分柑橘,并且驱动手柄控制设备用于扩展和收缩。根据人的身高,树的高度至少可以偏移1. 3 m。因此,该装置的有效长度(不包括保持位置和辅助保持机构的长度)设计为1. 2 m,这有助于在果树顶部采摘一些水果,从而可以设备伸展。 0. 3 m。伸缩机构从滑动机构变形,伸缩杆的铝管固定在支撑体上。大截面铝管从一端打开滑动槽和定位卡插槽,支撑块连接到大截面铝管。支撑座与大截面铝管匹配,可在滑道的行程内自由滑动。向前推动手持驱动手柄,驱动轴向前推动支撑座和延伸装置。将支撑框架卡入柱拉入卡插槽的末端以实现设备的固定长度。为了防止在拾取过程中卡入式色谱柱意外掉入斜槽,卡插槽的设计为倒“ L”型。由于伸缩杆伸出以将手柄从操作员身上拉开,因此驱动手柄也设计成可伸缩的,这便于操作员在设备伸出时控制设备。伸缩机构如图6所示。

图6伸缩机构

1.小铝管; 2.大铝管; 3.支援基地

驱动手柄用于控制剪切机构,反转机构和伸缩机构。与目前的柑橘采摘设备相比,该设备更加方便快捷,可以帮助果农提高工作效率。

2. 4辅助控制机构

由于二头肌和其他肌肉分布在上臂和前臂中,因此本研究设计了一种机制来支撑抓握杆,以抓住人类肘部的高肘,这可以抵消手腕的力矩,并使充分利用承载力。手臂要承受设备的负荷,以减轻手腕的工作强度,从而延长果农的工作时间。该机构具有可调功能,该设备易于使用。

该机制设计如下。辅助固定杆固定在铰链轴上,铰链轴铰接在连接块上,并且连接块具有六角槽配合。辅助保持机构如图7所示。滑块的六角形卡扣部分与连接滑块的六角形槽配合,因此可以径向拉出滑块,并通过块的中心孔。螺钉受到约束,并按下了位于螺钉上方的小弹簧。沉孔的底部有一个六角形的槽,当用小弹簧压紧滑块时,它与铰接的六角头配合以限制铰链轴的旋转。从而,连接块与块的两个块,块与铰链轴配合,实现辅助锁杆角度锁紧。可以通过稍微拉出滑块来调节辅助杆的角度。由于辅助固定机构通过连接块弹性夹具设计固定在伸缩杆的端部,因此操作员可以轻松调节螺钉以调节安装角度和机构的安装位置,以找到合适的最佳操作角度。

图7辅助控制机构

1.连接块2.铰接轴; 3.辅助固定杆; 4.卡座; 5.小弹簧

为了使设备更轻巧,该设备由铝合金制成,总重量在2 kg以内。

2. 5视觉确认系统

切割机构中安装有微型相机,镜头位于上刀片上方,并与安装在杆体上的手机无线连接,并通过手机实时观察刀片的朝向,可以帮助果农进行定点切割。视觉确认系统不仅有利于定点剪切,而且有助于基于柑橘的成熟度进行选择性采摘。

2. 6个采集装置

收集装置固定在剪切机构上,主体为软导套。导流套筒位于切削刃下方,因此,每次切柑桔时,导流套筒都可以将其缓冲到地面收集篮中。

3测试与改进

在测试过程中,采摘装置具有很强的剪切力,反向灵敏度和灵活的伸缩性。整个过程无故障,操作方便,使高挑拣选更加方便,高效。拣选测试如图8所示。

图8拣选测试

测试后,设备的细节得到改善。导线杆固定在伸缩杆的铝管位置。钢丝绳穿过杆引导孔,因此当钢丝绳拉动驱动滑块时,基本上可以驱动驱动滑块的拉动方向和驱动方向。一致,提高组织的可靠性。

4个结论

该多功能柑橘采摘装置结构简单,工作可靠,功能更多,操作方便,成本较低,重量较轻,有助于提高柑橘采摘效率和采摘质量,减轻果农的劳动强度,减轻劳动强度。果农的农业支出。与目前市场上的柑橘采摘设备相比,该设备在功能多样性,操作便捷,实用性和性价比方面具有很大的优势,是果农的好帮手。另外,尽管该装置的定位设计为柑橘采摘装置,但是采摘的对象可以扩展为单个果树,例如苹果,雪梨,桃子等,具有很大的潜在应用前景。

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