白溢文， 李霞， 邵宇晴， 呂其峰， 楊袁浩

（1.天津理工大學(xué)a.天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室；b.機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心，天津300384）

0 引 言

紅花是名貴中藥材和重要的油料作物，作為提取食用色素的原料，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品等行業(yè)[1]。近年來國內(nèi)紅花產(chǎn)業(yè)在飛速發(fā)展，因此紅花花絲的機械化采收是勢在必行的[2]。

紅花種植在國內(nèi)十分廣泛，隨著紅花產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶來的最突出問題就是采摘困難。紅花采摘期大約在每年的7-9月份，與其他農(nóng)作物采摘期重疊，而且紅花對采摘時間的要求也很苛刻，過早或過晚采摘都會影響紅花的質(zhì)量。由于紅花獨特的生長特性，花球分布較為復(fù)雜，導(dǎo)致采摘定位困難；紅花花絲和花籽的成熟時期不同，并且收獲花絲時不能損傷花球，導(dǎo)致機械化采摘困難，因此現(xiàn)在仍以人工采收為主[3-5]。這些因素導(dǎo)致了采摘費用逐年上升，已占到紅花田間生產(chǎn)總費用的30%～50%，甚至導(dǎo)致新疆等地出現(xiàn)雇工困難的情況，嚴重影響了農(nóng)戶種植紅花的積極性。

針對紅花機械化采摘問題，中國、印度、意大利等國家進行了大量研究[6]，現(xiàn)有已研發(fā)的紅花采摘機按工作原理主要可分為氣吸式、對輥式、梳夾式等，但都存在著能耗高、噪聲大、采凈率低等缺陷，在實際生產(chǎn)過程中使用效果并不是非常理想。為解決目前紅花采摘技術(shù)落后、勞動強度大、安全性較差等問題[7]，通過幾何計算和三維建模的方法設(shè)計了一種裁剪抓取式紅花采摘末端執(zhí)行器，來降低農(nóng)作者的勞動強度。末端執(zhí)行器擺脫了傳統(tǒng)的高壓氣流采摘方式，實現(xiàn)了無噪聲無污染作業(yè)，同時利用PLC搭建了與采摘裝置配套的自動控制系統(tǒng)。為驗證結(jié)構(gòu)可行性和穩(wěn)定性，對其進行了有限元分析，提前在理論上預(yù)測了其能否滿足紅花采摘的工作要求。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

裁剪抓取式末端執(zhí)行器由驅(qū)動機構(gòu)、托舉機構(gòu)、裁剪抓取機構(gòu)等組成，能夠有效地對紅花花球進行限位，避免花絲散亂分布，有效減少花絲采摘不完全現(xiàn)象的發(fā)生，如圖1所示。近年來，國外針對紅花花絲機械化采收問題的研究主要集中在氣力式采收方面[8]，而該末端執(zhí)行器擺脫了傳統(tǒng)使用高壓氣流對花絲進行采摘的方式，并且采摘過程中不存在花絲反復(fù)摩擦的現(xiàn)象，因此有效降低了紅花的破碎率，滿足了穩(wěn)定性要求[9-10]。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

末端執(zhí)行器驅(qū)動機構(gòu)分為第一、第二、第三驅(qū)動機構(gòu)，其中第一驅(qū)動機構(gòu)控制托舉機構(gòu)運動，第二、第三驅(qū)動機構(gòu)控制裁剪抓取機構(gòu)運動。工作時，末端執(zhí)行器的第一驅(qū)動機構(gòu)控制限位爪（由爪體和托舉碗組成）相對于支撐殼體運動，限位爪形成抓取通道從而對花莖和花球進行限位。限位爪上的托舉碗形成托舉紅花花球的半球形托舉腔，即每一個托舉碗的內(nèi)表面均彎曲呈1/4球面，兩個托舉碗扣合形成半球形腔體。與此同時，裁剪抓取機構(gòu)的兩個夾取爪起初為張開狀態(tài)，限位爪對花球和花莖進行限位后兩個相對設(shè)置的夾取爪在第二和第三驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動下對準花絲根部直接夾取花絲。其中一個夾取塊上設(shè)有切割花絲的刀片，當(dāng)兩個夾取塊扣合后，一個夾取塊上的刀片與另一個夾取塊扣合實現(xiàn)對花絲的切割，瞬間實現(xiàn)花絲和花球的分離。由于夾取塊彎曲呈“V”形，兩個夾取塊扣合后中間位置能夠形成夾取通道，避免了切割花絲后花絲直接掉落。最后裁剪抓取機構(gòu)釋放采摘下來的花絲，紅花花絲落入收集裝置。其工作流程如圖2所示，可以更好地說明機構(gòu)的整體運行情況[11]。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 托舉機構(gòu)的設(shè)計

圖2 工作流程

托舉機構(gòu)是末端執(zhí)行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其對末端執(zhí)行器能否成功采摘紅花花絲有著決定性的影響。托舉機構(gòu)的主要作用是直接抓取花徑并通過托舉腔托舉紅花花球，有效地對花球進行限位，即使遇到較為惡劣的天氣（如大風(fēng)天氣），限位爪也能夠保證花莖和花球是穩(wěn)定的。托舉機構(gòu)由支撐殼體、第一驅(qū)動機構(gòu)及上述托舉碗活動連接的限位爪構(gòu)成，托舉碗和限位爪均和第一驅(qū)動機構(gòu)連接。第一驅(qū)動機構(gòu)用于驅(qū)動限位爪相對于支撐殼體運動，以使限位爪形成用于抓取花莖的通道和用于托舉花球的托舉腔，如圖3所示。

2.2 裁剪抓取機構(gòu)的設(shè)計

裁剪抓取機構(gòu)是末端執(zhí)行器的另一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其主要作用是準確地摘取下紅花花球上的花絲，并且采摘過程中不會產(chǎn)生很大的振動，且噪聲小。裁剪抓取機構(gòu)由抓取機構(gòu)、第二驅(qū)動機構(gòu)和第三驅(qū)動機構(gòu)組成，抓取機構(gòu)包括兩個相對設(shè)置的夾取爪，第二驅(qū)動機構(gòu)和兩個夾取爪連接來驅(qū)動夾取爪扣合夾取花絲，如圖4所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

采摘裝置所有功能的實現(xiàn)均需要通過控制系統(tǒng)，并且只有通過控制系統(tǒng)才可以真正實現(xiàn)采摘全過程的自動化。PLC 是工業(yè)自動化領(lǐng)域重要的控制器[12]，其能夠通過數(shù)字或模擬式的輸入/輸出來控制各種類型的機械設(shè)備和生產(chǎn)過程。

根據(jù)紅花采摘裝置的運動和工作原理，考慮到實現(xiàn)對裝置的控制需要較為復(fù)雜的PLC系統(tǒng)，并且輸入/輸出信號較多，因此選用三菱FX3U-32MT型號的PLC。采摘裝置控制系統(tǒng)具體的I/O分配如表1所示。

圖3 托舉機構(gòu)

圖4 裁剪抓取機構(gòu)

采摘裝置共有3個驅(qū)動機構(gòu)，因此需要3個伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)裝置驅(qū)動?？紤]到農(nóng)業(yè)機械的經(jīng)濟性、可靠性的需求[13]，第一、第二、第三驅(qū)動機構(gòu)均采用松下MBDKT2510CA1型伺服驅(qū)動器，該伺服驅(qū)動器為松下A5Ⅱ系列伺服驅(qū)動器，操作簡單方便且具有很好的兼容性，接線圖如圖5所示。

4 托舉碗傾角計算

裝置托舉碗的作用是固定紅花花球位置，將花球包裹在其形成的托舉腔內(nèi)。托舉腔前端存在圓柱孔洞，其作用是形成紅花花莖的的通道，避免托舉花球時將花莖損傷。

表1 I/O分配表

圖5 伺服驅(qū)動器接線圖

托舉紅花花球時，要保證采摘裝置的兩個球形托舉碗相互扣合從而形成閉合的半球托舉腔。因此，需要對托舉碗相對于爪體的傾角大小進行幾何關(guān)系計算。具體在工作中，首先第一驅(qū)動機構(gòu)通過氣壓（液壓）等方式驅(qū)動動力組件向前方運動，動力組件隨之帶動傳動組件運動。左右兩端的傳動組件與豎直方向的夾角發(fā)生改變，裝置前端兩個球形托舉碗形成閉合托舉腔。托舉碗閉合前爪體處于水平位置，具體如圖6所示。

圖6 托舉碗閉合前結(jié)構(gòu)狀態(tài)

設(shè)傳動組件兩端圓心距離為m,爪體兩端圓心距離為n,傳動組件與豎直方向夾角為θ，左右兩端傳動組件圓心距離為s，左右兩端托舉碗圓心距離為y，托舉碗與水平方向的夾角為φ。根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸和幾何關(guān)系可確定：

托舉碗閉合后，爪體不再處于水平位置，具體如圖7所示。

圖7 托舉碗閉合后結(jié)構(gòu)狀態(tài)

傳動組件與豎直方向夾角變?yōu)棣取?，左右兩端傳動組件圓心距離為s′，左右兩端托舉碗圓心距離為y′, 此時s′與y′不再相等，但托舉碗與水平方向的夾角仍為φ不變，根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸和幾何關(guān)系可確定：

5 采摘裝置有限元分析

ANSYS軟件主要用來進行熱、電磁、靜力學(xué)及流體等方面的分析，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，尤其是在復(fù)雜工程問題的計算和分析方面[14]。通過Cero軟件設(shè)計出紅花采摘裝置的三維模型，將其導(dǎo)入到ANSYS SCDM中進行檢測和修復(fù)。修復(fù)完成后通過軟件內(nèi)部接口直接將模型導(dǎo)入到Workbench模塊中。首先對采摘裝置整體結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)分析，目的是檢驗該裝置在理論上是否滿足實際生產(chǎn)中強度和剛度的需求[15]。然后對裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——托舉機構(gòu)進行模態(tài)分析，以確定在工作頻率下是否會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

5.1 建立有限元模型

第一步先定義裝置的材料，考慮到在實際紅花采摘過程中的外部環(huán)境，末端執(zhí)行器的材料應(yīng)該具有較高的強度和耐磨性，因此材料選擇45鋼。接下來對裝置進行網(wǎng)格劃分，采用自由生成網(wǎng)格的方式進行劃分[16]，因為末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)模型不是很規(guī)則，所以在進行網(wǎng)格劃分時選擇四面體形式的網(wǎng)格進行劃分。

5.2 靜力學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)位移云圖的觀測，末端執(zhí)行器最大位移為0.180 86 mm，出現(xiàn)在其頂端位置，如圖8（a）所示；根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖的觀測，末端執(zhí)行器最大應(yīng)力為17.186 MPa，出現(xiàn)在其中間連接位置，如圖8（b）所示；根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖的觀測，末端執(zhí)行器最大應(yīng)變 為8.9771 ×10-5，也出現(xiàn)在其中間連接位置，如圖8 (c) 所示。

5.3 模態(tài)分析

圖8 靜力學(xué)分析求解結(jié)果

托舉機構(gòu)是采摘裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，由于機構(gòu)末端的動力組件直接接觸氣壓或液壓機構(gòu)，并且該機構(gòu)的托舉碗限位紅花花球也是整個采摘裝置運行的第一步。托舉機構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，直接影響著裝置能否成功采摘花絲，因此對該結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，以確定其是否能夠穩(wěn)定工作。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可以確定托舉機構(gòu)的固有頻率和振型特征，機構(gòu)前6階模態(tài)振型和模態(tài)頻率如圖9所示。

圖9 托舉機構(gòu)前6階振型

由模態(tài)振型可知，托舉機構(gòu)的前6階振型頻率均很小。托舉機構(gòu)工作頻率在0.1～0.2 Hz左右，遠大于振型頻率，因此工作時不會發(fā)生共振現(xiàn)象。具體各階振幅和振型特征如表2所示。

表2 前6階模態(tài)分析

6 結(jié) 論

1）設(shè)計了一種裁剪抓取式紅花采摘裝置，根據(jù)幾何關(guān)系計算出結(jié)構(gòu)傾角，同時設(shè)計出配套的PLC控制系統(tǒng)，提高了農(nóng)業(yè)機械自動化水平。

2）通過靜力學(xué)分析，裝置結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在頂端位置，與實際情況相符。整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值均較小，說明裝置能夠穩(wěn)定運行，不會發(fā)生破壞。

3）通過模態(tài)分析，獲得了托舉機構(gòu)前6階振型，機構(gòu)的各階振型固有頻率遠小于工作頻率，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。