甘蔗种节识别切种装置设计与试验研究

刘智强，赵永超，刘信鹏

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，湛江 524091；2.广东海洋大学，湛江 524088）

0 引言

甘蔗是我国蔗糖的主要生产原材料，其主要种植在我国的广东、广西、海南等南方热区；由于我国在甘蔗机械化切种方面，还主要以传统人力切种为主，存在切口平整度不一、蔗芽破裂、蔗皮破裂、劳动强度大、辅助人工多、效率低等问题，导致甘蔗出苗率低[1～5]。

在甘蔗机械化切种过程中，输送机构的送种、斩切机构的斩种是关键关节，其中种节的检测识别、下刀的速度和力度对甘蔗种质量的影响至关重要。目前国内已研究多种基于电阻式应变片/感应计数/计算机视觉检测识别的甘蔗切种装置[6～10]，其主要由切割器、控制单元、电阻应变片/感应计数/CCD摄像头、驱动电机等机构组成，能实现视觉识别，机械切割的目的，由于该装置存在切割效率低、灵活性差、价格昂贵等问题。

针对以上问题，设计了一种机械接触传感识别、气缸推动斩切的甘蔗种节识别切种装置；基于甘蔗节茎物理特性，结合机械结构运动学，设计输送机构、斩切机构，采用控制算法设计检测控制单元，运用ANSYS对装置斩切刀进行仿真优化分析；最终实现装置高识别精度、高效率斩切甘蔗种节目的。

1 总体方案

1.1 结构组成

如图1所示，甘蔗识别切种装置主要由机架、滑轨、输送槽、传感器、控制阀、斩切刀等机构组成。

图1 甘蔗识别切种装置结构示意图

该识别切种装置配备检测单元、斩切机构、控制系统、驱动系统，即分别固定在输送槽上方、下方的机架上，并将驱动系统安装在滑轨下方，检测单元固定在滑槽上方检测甘蔗经过的地方，气动阀固定在斩切刀的正上方。

1.2 工作原理

甘蔗识别斩切装置总体工作原理如图2所示，即辅助人工将整秆甘蔗放在甘蔗识别切种装置的输送槽上，经过驱动系统的带动，输送甘蔗到装备检测单元位置，检测到甘蔗种节，传送给控制系统，控制系统根据检测信号的变化，控制气泵控制阀的开启，进一步推动气缸活塞杆运动，驱动斩切刀对蔗茎种节进行斩切。

图2 甘蔗识别斩切总体工作原理图

2 关键部件设计分析

2.1 输送槽的结构设计

需要输送槽内运送的甘蔗与检测单元传感器的触脚保持接触，才可以保证采集到准确、有效的甘蔗种节信号；由于部分甘蔗具有一定的弯度，所以需要对输种槽结构进行重新设计，已达到对甘蔗限位的目的，如图3所示；为了方便甘蔗上料，将该结构设计为两个半径为30mm的1/4圆，两圆中间的中间间隔设有电机带动的输送带，且输送带底部距上表面的距离为15mm，并在输送槽的右侧设有喇叭口，确保甘蔗输送过程中的横向运动。由于单次输送甘蔗的扭矩都不大，系统不需要大范围内调速，采用电机带动的间歇式输送机构如图4所示，已满足每次输送甘蔗快速启动、快速停止，稳定输送的目的。

图3 输送槽结构示意图

图4 输送槽传动系统结构图

2.2 斩切机构设计

斩切机构是甘蔗识别斩切装置的核心部件，其结构的合理性，工作的可靠性直接决定甘蔗切种的质量；为确保切种的蔗段长度为60mm，基于甘蔗物理特性基础上，充分考虑斩切速度、斩切倾角等工况条件，将斩切刀片中心距离设置为60mm的垂直双刀片，同时在斩切蔗种时，为防止甘蔗发生横向滚动，需要设计夹紧装置来夹紧甘蔗的一端或两端，其机构总体结构示意图如图5所示。

图5 斩切机构总体结构示意图

2.2.1 斩切刀片设计分析

斩切机构力学模型如图6所示。驱动斩切刀的力主要来自气缸的活塞推杆力F和气缸工作压力p。根据气缸载荷率取值情况，得到作用在斩切刀上的活塞杆推力Ft,为了确保斩切力Ft能同时切断蔗茎，在斩切甘蔗时，同时考虑受到甘蔗的反作用力F1、F2；为保证甘蔗种不发生剪切破坏，根据甘蔗直径在19mm～35mm之间，甘蔗茎皮许用强度[σ2]=2.25MPa，甘蔗茎芯许用剪切强度[σ1]=0.45MPa等物理特性，结合气缸载荷情况，如表1所示，对斩切甘蔗所受的最大剪切力Fmax，斩切速度v、斩切时间t进行校核：

表1 气缸载荷率与速度的取值表

图6 斩切机构力学模型

式中：D为气缸内径（mm）；

Ft为活塞杆推力（N）；

P为气缸工作压力（Pa）；

η为气缸载荷率；

Fmax为斩切力最大值（N）；

τmax为最大切应力（MPa）；

A为甘蔗径向截面积（mm2）；

v为平均斩切速度（m/s）；

v1为行程耗气量（L）；

v2为回程耗气量（L）；

vm为平均速度（m/s）；

L为行程距离（mm）。

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

2.2.2 斩切刀的建模与仿真分析

气缸在驱动斩切刀斩切甘蔗过程中，容易在斩切末端及推杆回程末端产生冲击力，使工作整机振动；随着负载与推杆速度的增加，冲击力也呈线性增加，相对作用时间变长；为了确保甘蔗斩切的质量，在对直径为35mm，蔗皮厚度0.8mm的桂林—黑皮甘蔗进行斩切时，选用刚性与耐磨性较好的65Mn材料作为斩切刀材料，并对斩切刀刃横截面形状和刀刃曲线进行三维建模仿真分析[11～16]，如图7所示，其刀刃参数如表2所示。

表2 刀刃参数

图7 甘蔗斩切模型示意图

针对甘蔗蔗芯和蔗皮的主要物理力学特性，如表3所示，拟定静摩擦系数Fs为0.14，动摩擦系数Fd为0.12，工作气压ρ为0.6MPa的工作条件下，分别以斩切速度υ为0.1m/s、0.28m/s、0.6m/s，对甘蔗进行斩切，并对斩切过程进行仿真分析如图8所示，检测其斩切时间、斩切速度、斩切刀片承受应力情况，如表3、表4所示。

图8 斩切甘蔗的网格显示过程

表3 甘蔗茎秆的力学特性

表4 试验结果

仿真结果表明，刀刃角越小斩切效果越好，由于刀刃角过小易加剧斩切刀的磨损，因此刀刃角一般取15°的矩形刀刃和圆弧刀刃；当斩切速度越大，斩切周期越短时，圆弧刀刃相对矩形刀刃的斩切效率越高，同时刀刃受到的最大应力也相对增加，考虑到斩切末端的冲击振动速度，选择具有较高实用性、斩切速度小于0.28m/s的矩形斩切刀刃。

2.3 检测识别控制算法设计

甘蔗种节检测识别控制系统是该装置的核心部件，包括供电系统、传感检测单元、数据采集系统等模块[17～20]；根据甘蔗检测、斩切的运动过程规律，将系统运行分为上料、输送、检测，斩切、回程控制等几个过程，考虑系统运行时可能会出现的不上料、斩切停止等问题，将事件按优先级降幂排列，并进行相应协调控制算设计，如图9所示。

图9 基于优先级协调控制算法及硬件

3 性能试验

在优化设计仿真的基础上，加工制造试验样机，如图10所示。为了验证甘蔗识别斩切设备的斩切效果和检测精度，进行斩切试验[21～22]，以样机连续斩切10根甘蔗（89个种节）为试验对象，以斩切的种节个数、切种时间、种节长度为试验指标，将试验样机的性能参数设计为如表5所示。

表5 甘蔗识别斩切设备的性能参数表

图10 甘蔗识别斩切样机

经过对甘蔗识别切种装置的试验得到如表6所示的试验结果表明：在平均斩切速度1.06s/次斩切过程中，89节甘蔗种节识别到85节，蔗节识别成功率为95.5%，识别精度为91.76%；经观察发现未成功识别的甘蔗种节，大部分出现在甘蔗梢头部位直径较小的位置，该处种节凸起不明显。

表6 斩切甘蔗试验结果

4 结语

针对甘蔗种节检测识别与斩切需求，研究设计了甘蔗种节识别斩切装置，并对该装置的输送槽、斩切机构等关键部件进行设计分析，尤其对斩切刀斩切甘蔗过程进行仿真分析，得到斩切刀的刀刃角一般为15°，斩切速度小于0.28m/s的矩形斩切刀刃时，斩切刀具实用性最好。通过对该装置进行切种试验得到：在平均斩切速度1.06s/次斩切过程中，89节甘蔗种节识别到85节，蔗节识别成功率为95.5%，识别精度为91.76%[23]；经观察发现未成功识别的甘蔗种节，大部分出现在甘蔗梢头部位直径较小的位置，该处种节凸起不明显，为增加识别精度，可以在斩切前对甘蔗梢进行预处理[24]。