落地红枣收获装备机的结构设计

贾学增，陈曦

重庆化工职业学院（重庆 400020）

现在，在国家的一些政策鼓励之下，许多水果的种植已经由原来的个人散户种植慢慢转变为大规模的、有制度的种植。特别是落地红枣，这样种植方式的转变已经使得其品质和产量都有很大程度的提高。但是在落地红枣最后的采摘作业中，许多地方还是传统的采摘方式，投入大量的人工去作业。这样的工作活动在整个劳动过程中占有40%的份额，并且人工采摘也会导致一部分的水果品质变得不好，这将会直接影响到后面的包装和保存，并且人工采摘容易发生事故。在机械自动化等高端技术不断更新的当下，各种农业范围的机械在发展变换，对于各种农产品的生产有积极的影响。

1 落地红枣收获装机的收集装备的构造设计

1.1 基本的构造设计

在空间中，物体一般具有6个自由度，试验设计的落地红枣收获机要求具有5个方向的自由度，在这5个自由度中，其中3个自由度分别为两个移动自由度和一个具有夹持功能的机械手的自由度，考虑机械轻量化，在设计课题红枣收获机的机体时，使用工程塑料和铝材协调使用，这样用材不但使得设备轻巧灵便而且使得车身方便移动。

1.1.1 减速级数的设计

现实水果采摘收集时，因为水果都比较脆，所以使用机械进行采摘和收集时一般会损坏水果表面，这样的水果很难卖出一个好价格，甚至损坏严重的水果会卖不出去。这样付出的人力和物力没有得到很好的回报。鉴于这种情况，经过相关文献的查询和分析如果对减速器的级数选在一个合适的级数并且使用带传动会大大改善这种状况，课题的减速比暂时定为1/30，在所设计的机构不致使水果受损的同时还需要考虑机构的设计和加工成本，综合对比减速机性能和传动比的具体要求之后，最终确定减速使用二级带传动减速机来实现效果功能。

1.1.2 减速机中支撑轴构造的设计

通过前面分析，课题的减速功能使用带传动来完成，而在带传动中，其带轮的参数会直接影响减速效果的好坏，所以通过对带轮轴向定位和实际尺寸大小的分析设计来增强减速机的减速效果。在设计中，比较重要的设计部分是课题使用的二级带轮减速器的中阶梯轴和轴向定位套筒等类似关键部件的设计选择，图1展示了支撑轴的装配平面简图。

图1 二级带传动减速机中支撑轴结构平面简图

设计研究的落地红枣机械手在地面的整体运动是通过人工推拉小车来实现的。其他的运动都是建立在整体运动上，因为需要人工去推动小车进行落地红枣机械手的移动，所以小车的高度在设计时需要满足操作者的高度要求，高度如果和操作者不匹配会使操作者在实际操作中感到难受，不能长时间进行劳作，同时红枣采摘器机器人需要在不同地形进行工作，所以其移动平台下面的滚动轮在结构设计中应根据满足不同地形路况进行设计而且移动平台的扶手高度也需要满足操作者的身高要求，这些机构细节设计，都将人体工程学在此次课题设计中运用得淋漓尽致。在对移动平台的连接尺寸参数进行选择时，首先要确定汽油发动机的结构尺寸和其他部件的安装尺寸，根据这些信息再进行移动平台的宽度和长度的基本设计。图2是设计的落地红枣采摘机器人移动平台的数模图形。由图2可知，机架周围由4根柱子组成，且其构造由两块直板90度角组成，图形中的底板材料使用Q235材料通过焊接方式和其他组装在一起。

图2 总机架的数模图形

1.2 收集装置运输带的设计

在红枣采摘完成后，会以一定的速度下落并和收获机收获装置进行接触，考虑水果本身就软而且下落具备一定的动量，所以不能使用较硬的承受板接收水果，这样会提高水果的损坏率，所以在接受物的材质选择时使用较软的材料，课题选用平带接受水果和传输，在结构上由左右两个皮带连接用软布缝制而成，水果将落在收割后的软布之间的皮带，在软布上处理一些小型的矩形孔，目的在于运输的过程中主要用于增加水果和软布之间的摩擦，这可以极大地降低水果在软布上的运输速度，从而可以一起移动。当平带持续旋转时，果实最终被收集到移动平台上方的收集箱里面，收集装置传送带如图3所示。

图3 收集装置运输带结简图

由于传送带在红枣采摘过程中会处于展开状态，如果输送带在不使用时或落地红枣机械手运动时始终处于展开状态，这样会使红枣收获装置的机械手运动不方便。鉴于以上问题，考虑将铝合金作为输送带及其支撑杆部件整体框架的材料，并在铝合金杆的结构设计中采用两种长度实现不同的连接，它可以很好地调节不同高度的输送带，也可以实现输送带的折叠功能。传送带的可调节接线图如图4所示。

1) 在构造的设计过程中，为了防止设备在进行红枣采摘过程中因机器故障而不能工作的情况发生，需要对铝合金杆件之间的连接稳定性进行加强，此次课题在此机构上面设立了两对铝合金杆件进行支撑，形成传送带的整个支架，有效地加强了连接稳定性，其结构示意图如图5所示。

图4 运输带的可调节结示意图

图5 运输带总机架未装运输带的正视图

2) 红枣收获装机收集机构中需要对传送带的承载轴进行相关设计，设计后承载轴的二维图如图6和图7所示，并表明其基本参数，其中图6为减速级阶梯轴的结构示意图，图7为传输带支撑轴的结构示意图。

图6 减速级阶梯轴的结构示意图

图7 传输带支撑轴的结构示意图

3) 在红枣收获装置的相关机构设计完成后，需要将零件进行相关连接装配，而部件的连接此次课题使用螺栓连接方式，装置中需要进行螺栓连接的有动力轴和铝合金杆件连接部位，铝合金杆件和轴承座之间也需要进行螺栓连接。

另外通过安装深沟球轴承进行连接的零件主要有传送带的轴承座和传送带承载轴之间。螺栓连接如图8所示，深沟球连接如图9所示。

图8 螺栓连接示意图

图9 轴、轴承和轴承座连接示意简图

1.3 两级减速带轮的结构尺寸大小及总转动比的设定

两级减速带轮设计的基本参数条件如表1所示。

表1 设计的基本条件

考虑在落地红枣收获装机实际工作时其工况一般都是良好，而且落地红枣收获装机实际作业时负荷变动不是很大，所以此次课题的工况系数通过资料查询选择KA=1.0，并通过式（1）计算出功率大小：

1.3.1 减速带轮带型的确定

带轮功率通过前面计算为Pca=1.5 kW，根据这参数并综合考虑此次课题的传送带，选用普通V带且其形状为Y型带，作为一级减速带带型。

1.3.2 各带轮基准直径的计算

查找相关机械手册得出：需汽油机带轮d1≥50 mm。根据此次课题红枣收获机的属性和采摘对象选择带轮直径d1=50 mm，通过式（2）进行计算：

所以d2=280 mm。

1.3.3 传送带速度的计算

在进行红枣采摘收集时，发动机的功率以及运作速度在大小上可以通过调节油门开口的大小对其进行有效控制，所以在传送带的速度计算时需要算出汽油机的最小转动速度，发动机最小运转速度通过公式（3）计算得出：

通过计算结果可知：带速在5～25 m/s之间，调节汽油机的油门使转速大于2 550 r/min。

1.3.4 V带的基准长度和中心距的计算

通过式（4）和（5）对中心距得出初步大小：

通过相关资料的查询选择中心距大小Ld=1 330 mm。

通过式（6）算出实际中心距的大小：

1.3.5 小带轮包角的验证

通过数据计算可知其满足设计要求。

1.3.6 V带根数的确定

根据d1=50 mm，n1=2 550 r/min，查找相关资料可得：p0=0.26 kW。

根据i1=5.8 查找相关文献资料可得：p0=0.04 kW。

根据a1=141.73°，查找相关文献资料可得Kα= 0.98，kl=0.85。

进而把数值代入式（7），得到V带的根数：

为保证机械正常运转工作，V带根数取为3。

1.3.7 带轮轴上压力的确定

查资料，取q=0.1 kg/m，进而根据初拉力的计算式（式（8））求得单根V带初拉力的具体数值。

装载在带轮上的轴以及轴承为了更好设计其参数和计算，第一需要确定带传动在轴上的力Fp的大小和方向。在进行计算时可忽略带左右两端的拉力差，这样就可以近似得到：

1.3.8 带轮结构的设计概述

试验中带轮综合考虑后选用实心式结，材质为HT200。

1.3.9 二级减速带轮带型的选用

根据带轮的功率Pca=1.2 kW，查找相关资料进而选择普通V带Z型带，因为这种带的中心距能够增大，而且传动过程中的稳定性也比较好。

2 落地红枣收获装机设计

2.1 总体方案图

如图10所示，试验设计的收获装机的三维模型，其工作原理大致如下：整个结构由如图10所示的1控制部分实现整体的控制，能够发现、定位到落地红枣，在电机的带动之下，图中2所代表的摘果机腰部组件、图中3所代表的大臂辅助组件、图中4所代表的大臂组件、图中5所代表的小臂电动伸缩组件、图中6所代表的小臂组件实现有机的运动，能够及时地将图中8所代表的末端执行器送到落地红枣之上，在图中7所代表的旋转法兰组件扭力作用之下实现采摘的动作。

图10 采摘部分结构简图

2.2 方案细化

对落地红枣收获装机设计进行位置确定，采用D-H参数法完成其设计。连杆参数有连杆长度ai、连杆扭角αi、连杆距离di和连杆转角θi，其定义分别如下：

1) 连杆长度ai指的是其轴向垂直长度。

2) 连杆扭角αi指的是运动过程中，两轴之间的距离。

3) 连杆距离di指的是两根关节公垂线距离。

4) 连杆转角θi指的是两根关节公垂线ai与ai-1之间的夹角。

用这种方式可以确认机械手之间的距离。

根据以上条件，建立落地红枣收获装机连杆坐标系，如图11所示。

图11 连杆坐标系

落地红枣收获装机之间的距离都可以按照这种方式确定。根据以上各参数的定义，落地红枣收获装机的各参数如表2所示。

表2 参数表

试验设计的5个自由度机械手主要是通过旋转实现对落地红枣的采摘功能，这个方式的机械手能够实现固定范围内所有的落地红枣采摘程序与速度。

3 结语

设计的落地红枣收获装机共由三个机构组成，包含落地红枣收获装机、水果收集机构及整机移动平台。落地红枣收获装机设计采用5轴机械手机构进行采摘；利用一款可收叠式的收集机构来作为水果收集机构，在进行工作时将其展开到一定的角度，落地红枣收获装机配合输送带不断运动，对水果进行收集；移动平台主要使落地红枣收获装机和水果收集机构连接成整体，并且这里使用人工方式进行移台，之所以考虑这样的设计是因为它具有很好的优良性，不仅适合一些中小型用户的需要，而且性价比高，对于未来的发展一定有着巨大的用途。