小型自动伸缩便携双动刃剪切式梨果采摘杯设计与试验

祝怀志 李东方 祝惠一

摘 要 为解决梨果采摘过程中存在劳动强度大、效率低、果皮易损伤及高处不易采摘等问题，利用Inventor软件，优化设计了一款小型自动伸缩便携双动刃剪切式梨果采摘杯装置，总体上改进了现有技术的不足。在进剪机构中设置“侧开豁口”式进剪挡板与果枝导向条，实现果条精确定位与进刀。试制样机，两刀刃最大开口度为13 mm；进行剪切试验，果子完整率达到100%，完成单颗果子采摘过程约3.6 s。结果表明，本采摘杯快速、高效、便捷，适应性强，柔性掉落系统可最大限度避免果子外皮损伤，满足果园采摘作业各项需求，为水果采摘领域实现机器代人提供了有力技术支持。

关键词 自动采摘杯；双动刃剪；果枝导向条；气动伸缩杆；优化设计

中图分类号：TH122；S225 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.29.076

近年来，国内水果产量急剧增加，苹果产量达到

4 312万吨，2017年梨产量与2016年相比增长6%[1]。在如此巨大产量下，整个生产过程需大量劳动力，其采摘作业耗费劳动力占整个生产过程所耗劳动力的35%～45%[2]。何家成等[2]人设计了一种手持式电动梨子采摘机，是一种机械辅助半自动采摘工具。但剪切部分采用回转动刀片结构，结构繁琐，费用昂贵。为满足采摘作业需求，提高采摘效率和果子完好率，降低人工采摘劳动强度，利用Inventor软件研发设计一种自动化程度高，农民买得起、用得起的采摘杯装置。

1 采摘杯结构设计与工作原理

1.1 采摘杯结构设计

小型自动手持伸缩便携式多种水果采摘杯，主要由双动刃剪剪切机构、果枝进剪机构、收纳杯、自动伸缩机构、扶手机构以及动力控制单元等组成，如图1所示。

1.2 工作原理

启动系统，按伸缩杆升降钮，将采摘杯调整到果子所在高度，按自动剪切按钮，步进挡板电机正转，带动挡板使得水果果座沿着果条导向条进入剪口，气动剪进气，两剪刃剪口闭合，剪下果条，果子通过柔性输送袋滑落在果篮中。同时，挡板电机反转，采摘杯复位。

2 主要部件的结构设计

2.1 双动刃剪剪切机构剪切力的理论计算

剪切机构的设计，主要涉及气动强力双动刃剪剪刃的具体设计。据文献[3]，动刀刃所受外载荷F为：

式中：θ是刀刃角；φ是树枝与刀片滑动摩擦角；L是刀刃与树枝接触线长度；h是梁厚度；σ0是木材顺纹抗拉强度；E是树枝顺纹抗拉弹性模量；E′′是树枝横纹抗压弹性模量；E′是树枝顺纹抗弯弹性模量；t是未剪切部分樹枝高度；a是动刀片切入深度；r是树枝半径；yc是距离；B1、B2和B3是参数。以双动刃剪刃剪切转速为

40 r·min-1，果枝枝条直径为φ3.5 mm为例，剪切力理论解为193.9 N。经大量计算及优化设计[4]，确定了剪切机构主要参数，如表1所示。

2.2 防转气动自动快速伸缩杆及侧开豁口式进剪挡板的设计

伸缩杆在承受收纳杯等零部件重量的同时，其强度以及整机重量、稳定性都要考虑。此外，仍需考虑杆端轴向固定，因而，伸缩缸活塞杆横截面采用六角形形式。为了将果座枝条送进剪切结构中，同时考虑到挡板“复位”，进剪挡板设计为高精度步进电机来驱动。根据运行轨迹，将挡板设计成侧边“豁口”式，提高进剪可靠性。

3 控制系统的设计

为配合采摘杯各机构之间运动，同时考虑控制系统硬件成本，特别设计了时间继电器-步进电机定长控制方案。时间继电器-步进电机定长控制原理图及高精度步进电机接线图，如图2所示。该方案简单可靠、价格经济实用。

4 结果与分析

试制了样机，如图3所示。随机选取50个水晶梨果进行采摘试验并统计，如表2所示。结果表明，本采摘杯自动化程度高、采摘动作迅速、极大地降低劳动强度，果子完好率极高。

5 结论

设计了一款小型自动手持伸缩便携式水果采摘杯，进行了样机试制及试验。剪刃在13 mm开口度范围内做剪切运动，和其他旋转切割方式比，很好地避免剪刃剪切过程中对果皮损伤。采用气动驱动，避免了电机驱动剪切机构堵转带来的设备损伤，安全性好、果子完整率达到100%。完成单颗果子采摘过程约3.6 s，采摘效率高。本采摘杯整机长度可调，适应性极强。本采摘杯荣获了2018年浙江省第十五届“慧谷杯”大学生机械创新设计竞赛二等奖，并申请了国家专利。

参考文献：

[1] 武婕.水果生产消费结构进一步优化升级[J].农产品市场周刊，2017（16）：29-30.

[2] 何家成，汪洋，刘宏博，等.便携式果园采摘机设计[J].农机化研究，2018（5）：83-87.

[3] 王慰祖，吴良军，杨洲，等.树枝直刃剪切数学模型与试验[J].华南农业大学学报，2016，37（4）：105-111.

[4] 濮良贵，纪明刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.

（责任编辑：赵中正）