《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)》單人手持采梨機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)》單人手持采梨機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)摘要：針對(duì)一些難以使用常規(guī)方法進(jìn)行采摘的刺梨效率慢，安全性低，難以采摘高處果實(shí)的情況，設(shè)計(jì)了一款單人單桿可伸縮的刺梨采摘器。該采摘器特有的刀片能實(shí)現(xiàn)高效采摘，此外可通過調(diào)節(jié)桿的長度實(shí)現(xiàn)對(duì)刺梨的遠(yuǎn)距離采摘，桿旁設(shè)置固定塑料收集器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刺梨的收集。采摘器由采摘頭，可伸縮桿及塑料收集管組成，其工作流程為采摘工人手持刺梨采摘器，調(diào)節(jié)桿長至合適位置，再將刀片對(duì)準(zhǔn)刺梨，通過手柄處拉桿控制刀片剪切刺梨莖，隨后刺梨順著塑料管進(jìn)入收集器，本機(jī)器除了可以采摘刺梨，對(duì)蘋果等類似作物也可以實(shí)現(xiàn)高效采摘。關(guān)鍵詞：果實(shí)；采摘；手持；收集0引言中國是世界上最大的水果生產(chǎn)國和最大的水果消費(fèi)國，約占世界水果種植行業(yè)產(chǎn)量的14%，巨大的水果市場的快速發(fā)展增加了市場對(duì)果園機(jī)械的需求。采摘的操作具有比較復(fù)雜的操作難度和季節(jié)性，如果采用人工采摘，不僅效率低，工作量大，而且容易對(duì)果實(shí)造成損害，造成果實(shí)腐爛，最后導(dǎo)致浪費(fèi)，降低果農(nóng)的收益。所以采摘機(jī)的使用不僅提高了采摘效率，還降低了損失率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，提高揀選作業(yè)的機(jī)械化是非常重要的。隨著農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的減少和老齡化趨勢的加劇，收獲機(jī)的開發(fā)和使用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場前景。近幾年，采摘機(jī)中國發(fā)展迅速，并且有很多機(jī)器學(xué)習(xí)的采摘水果，但差異不同，對(duì)于大型采摘機(jī)，成本高，操作困難，維修成本高，不同的水果種植地區(qū)的地理?xiàng)l件和變化的水果品種,突出了機(jī)器的不同發(fā)展要求的采摘，因此，如何開發(fā)一款便捷，容易上手的采摘機(jī)是眼下急需解決的問題。對(duì)于自動(dòng)采收來說，難度大，成本高，不適合目前以農(nóng)民為主的中國國情。手持成本低，但生產(chǎn)過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度大，不像傳統(tǒng)的自動(dòng)扶梯攀爬挑選方便。而簡單的水果輔助采摘機(jī)是一種移動(dòng)的輔助采摘設(shè)備，專為生產(chǎn)環(huán)境和收獲類似體積的水果的需要，如蘋果，梨，它屬于農(nóng)業(yè)輔機(jī)，主要用于采摘相關(guān)水果，也可用于修剪果樹的樹枝和葉子。輔助收集水果是集成在采集和收集,和它的主要特點(diǎn)是手持操縱桿，通過萬向節(jié)實(shí)現(xiàn)伸縮和調(diào)節(jié)?？稍诟鱾€(gè)方向調(diào)整，解決了采摘和勞動(dòng)強(qiáng)度的問題。同時(shí)，輔助水果采摘機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，維修成本也低，價(jià)格幾乎所有的果農(nóng)都能接受，且適用于多種水果采摘，還具有修剪枝葉的功能，具有良好的實(shí)用價(jià)值。因此，輔助采果具有較高的普及和應(yīng)用價(jià)值，市場潛力不可估量。所以本文設(shè)計(jì)了一款操作簡單，成本低且可以輔助單人采摘果實(shí)的機(jī)器。1.單人輔助采梨機(jī)的總體設(shè)計(jì)整體三維結(jié)構(gòu)本圖給出了一種單人輔助采梨機(jī)，本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了多種刀片組合式剪切，可以確保剪切時(shí)不會(huì)出現(xiàn)剪不斷的情況。此外，齒輪連桿機(jī)構(gòu)與下方的拉桿相連，人工只需手動(dòng)拉動(dòng)拉桿便可實(shí)現(xiàn)采摘，采摘完一個(gè)果實(shí)后，向上推動(dòng)拉桿便可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位，從而繼續(xù)下一個(gè)果實(shí)的采摘。如圖1所示，左端設(shè)計(jì)有兩種刀片，右邊設(shè)計(jì)有一個(gè)單刀片，在剪切時(shí)能有效確保莖稈的剪斷。圖1剪切裝置實(shí)體圖(a)收集存儲(chǔ)裝置(b)果實(shí)下落收集裝置圖2收集裝置整體設(shè)計(jì)圖2.工作原理概述2.1收集裝置如圖2所示，之后落入下方的收集裝置中，收集裝置設(shè)有多級(jí)緩沖裝置，管道內(nèi)設(shè)有海綿，擋板，彈簧，能夠確保果實(shí)能夠完好無缺的落入到收集機(jī)構(gòu)中，并不與下方已有的果實(shí)發(fā)生磕碰。收集裝置可以進(jìn)行收縮、伸長，左端的固定裝置可以保證整體的穩(wěn)定，右邊的滾動(dòng)裝置可以保證整體的移動(dòng)。2.2剪切形態(tài)圖3剪切裝置模型圖如圖3所示，設(shè)計(jì)有齒輪連桿機(jī)構(gòu)，果農(nóng)手持采摘機(jī)器，移動(dòng)至果實(shí)的正下方，將剪切口對(duì)準(zhǔn)果實(shí)的莖稈，一切就緒后，向下拉動(dòng)連桿，在桿牽引力的帶動(dòng)下，帶動(dòng)上方兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)，上方連桿向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)最外沿的刀具靠近，實(shí)現(xiàn)剪切，剪切完成后，向上推動(dòng)拉桿，帶動(dòng)齒輪反轉(zhuǎn)，刀具隨之張開，果實(shí)被剪切完成。2.3保護(hù)裝置此外，這個(gè)機(jī)器的最外端輪廓有保護(hù)罩，可以有效防止在采摘果實(shí)的過程中的落葉，泥土飛入的機(jī)構(gòu)中，從而使得機(jī)構(gòu)卡住，無法正常工作。3.尺寸的設(shè)定3.1機(jī)構(gòu)尺寸考慮到果樹的高度與果農(nóng)的操作便利，在手持桿的部分設(shè)計(jì)了伸縮機(jī)構(gòu)，最大可伸長2.5m，果農(nóng)可以根據(jù)具體情況任意收縮，達(dá)到預(yù)期高度后，在鎖緊裝置的作用下，伸縮桿會(huì)立即鎖緊，考慮到設(shè)備的穩(wěn)定性，一共設(shè)有三個(gè)鎖緊裝置，能夠萬無一失的確保果農(nóng)的使用安全性。與之配套的還有收集箱，容量為0.7m3，下放有滾動(dòng)的輪子，如果存在果實(shí)很高的極端情況時(shí)，果農(nóng)可坐在收集箱上手持收集桿進(jìn)行采摘，考慮到地形凹凸不平的情況，收集箱還有輔助的穩(wěn)定裝置，確保收集箱不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。齒輪的參數(shù)如下，分度圓直徑：D=250mm，且為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，模數(shù)：m=10，ha*=1，c*=0.25，壓力角α=20°。3.2機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖圖4如圖4所示，該部分機(jī)構(gòu)由4個(gè)連桿，2個(gè)完全相同的齒輪組成。4.運(yùn)動(dòng)學(xué)分析4.1自由度的計(jì)算由圖4可知，該機(jī)構(gòu)一共含有4個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，2個(gè)齒輪連桿機(jī)構(gòu)，與其之間的2個(gè)連桿，自由活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=4。兩個(gè)齒輪之間的連接桿固定不動(dòng)，并與下方的拉桿剛性連接，不計(jì)入活動(dòng)構(gòu)件中。5個(gè)低副（轉(zhuǎn)動(dòng)副），2個(gè)齒輪有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，齒輪與連桿之間有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，低副個(gè)數(shù)P1=5。齒輪與齒輪之間相互嚙合有一個(gè)高副，高副個(gè)數(shù)Ph=1。由自由度計(jì)算公式（1）F=3n-2P1-Ph(1)所以可得該機(jī)構(gòu)自由度為：F=3*4-2*5-1=1>0。在該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變型機(jī)構(gòu)中，該機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件的原動(dòng)件數(shù)為F=1，所以該機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。4.2剪切裝置連桿的位移分析圖5位移—時(shí)間變化曲線剪切裝置的連桿由0s開始運(yùn)動(dòng)，在0至0.5s內(nèi)完成一次剪切，在0.5s至0.8s內(nèi)完成刀具張開。剪切過程設(shè)計(jì)的時(shí)間更長，是為了更好的完成果實(shí)的剪切，避免出現(xiàn)莖稈藕斷絲連的情況，這樣，在一個(gè)連續(xù)的周期內(nèi)，完成剪切只需要0.8s，在實(shí)際使用中還要考慮果農(nóng)的操作與移動(dòng)連桿至適當(dāng)?shù)奈恢?，整體下來，本機(jī)器較傳統(tǒng)采摘來說，可以提高一倍的效率。4.3剪切裝置連桿的速度分析圖6速度—時(shí)間變化曲線剪切時(shí)，為了保證剪切的速度由慢到快，我們根據(jù)使用情況，在使用的時(shí)候移動(dòng)到需要剪切莖稈的適當(dāng)位置前，然后以較慢的速度向上移動(dòng)，在移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢弥?，刀具隨之快速合攏，與莖稈貼合，實(shí)現(xiàn)剪切，在剪切完成之后，兩側(cè)的刀具隨之張開，再回到剪切前的狀態(tài)，至此，為一個(gè)周期，下一次剪切時(shí)便重復(fù)上述過程。經(jīng)過測試后，使用該機(jī)器只需要人手動(dòng)拉動(dòng)拉桿，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，安全性也顯著提高，在效率上，該機(jī)器的采摘果實(shí)效率大致為人工的三倍，特別是在采摘高處果實(shí)時(shí)，有著更大的優(yōu)勢。5.總結(jié)我們?cè)诒容^市面上各種類型的果農(nóng)輔助采摘裝置的優(yōu)缺點(diǎn)后，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安全性能高的單人輔助采摘機(jī)器，操作難度低，幾乎所有果農(nóng)都能輕松使用，具有很高的研究價(jià)值和市場意義。提出了一種集采摘與收集于一體，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種的安全、可靠、效率高的單人輔助采摘梨裝置。

2，設(shè)計(jì)了“2+1”型刀口剪切裝置。

3，通過傳輸機(jī)構(gòu)上的支