基于PLC的苹果采摘机及其分拣一体化的机械设计.docx

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1、摘要苹果是我国水果产业中重要水果之一，其种植和生产面积位居世界前列，但苹果采摘 和分拣比较困难，主要依靠人工进行采摘分拣，机械化与自动化水平较低。因此，开发一 种综合性的、自动化的苹果采摘和分拣一体化设备是非常重要的。由机器根据重量和大小 的不同对苹果进行分类，与市场的分类要求相一致，可以减少生产成本、提高生产效率。 目前，市面上苹果的品种很多，但所有的苹果在重量和大小上都有一定的区别，因此，对 苹果进行尺寸分级是合理和科学的。当苹果采摘及分拣机运作时，苹果经由机械臂进行采 摘后放置皮带上运动，运动的相对速度较小，苹果受到的损伤较小。对于球形或近似球形 的苹果的分拣，这种分拣机构较为适用，能够

2、实现三级分拣。关键词：苹果；采摘；分拣；结构设计INTEGRATED MECHANICAL DESIGN OF APPLE PICKING ANDSORTINGABSTRACTApple is one of the important fruits in China*s fruit industry, and its planting and production area ranks among the top in the world, but it is difficult to pick and sort apples, mainly relying on manual picking

3、 and sorting, and the level of mechanization and automation is low. Therefore, it is very important to develop an integrated and automated device for apple picking and sorting. Machines classify apples according to different weight and size, consistent with the classification requirements of the mar

4、ket, which can reduce production costs and improve production efficiency. At present, there are many varieties of apples on the market, but all the apples have certain differences in weight and size, so it is reasonable and scientific to classify the apples in size. When the apple picking and sortin

5、g machine is operated, the apples are picked through the mechanical arm and placed on the belt. The relative speed of the movement is small, and the apples are less damaged. For the sorting of spherical or nearly spherical apples, this sorting mechanism is more suitable, which can realize three-leve

6、l sorting, and is easier to achieve from the structural design, low cost.KEY WORDS: Apple; picking; sorting; structure design1绪论机械臂是一种多关节机器人，被广泛应用于工业生产线的装配、喷涂、搬运等各个 领域，可以有效地提高生产效率和产品质量。在农业领域，机械臂也被广泛应用于水果的 采摘和分类。本文将主要概述采摘机械臂的设计。本文分析机械臂的结构和工作原理。在 设计机械臂的过程中，需要考虑到其结构、材料、力学性能等诸多因素，并且采用一些灵 活的机构使其能够完成各种采摘任

7、务。机械臂通常由底座、关节、手臂、末端执行器等几 个部分组成，其中每个部分都有不同的结构和工作原理，能够实现不同的运动模式和采摘 操作。采用先进的传感器和控制算法可以帮助机械臂更精准地定位和采摘，减少误差和成 本。1.1 研究背景苹果采摘和分拣机技术作为果园采摘行业的重要技术之一，大大提高了苹果采摘与 分拣效率，成功释放了劳动力资源。苹果采摘与分拣技术是以机械技术为主体，同时结合 各种现代计算机系统的应用技术。经过近若干年年的发展，苹果采摘和分拣技术在农林生 产中得到了广泛的应用，大大提高了生产质量并成功解放了劳动力资源。它在学术研究、 农业产业现代化以及未来经济社会发展方面发挥着非常重要的作

8、用。相关领域的技术革新 对于苹果采摘及分拣一体化设备的设计技术扩大应用范围、中国是苹果的主要生产国， 特别是自上世纪90年代以来，发展速度加快。中国苹果总产量占世界总产量的12. 7%。 苹果产业已成为华南主要产区农村经济的支柱，由于国内苹果价格低，且经常出现“水果 销售困难”的问题，直接阻碍了苹果生产的快速发展。造成这种情况的一个主要原因是收 获后销售不良和苹果质量差，导致市场价值低。苹果收获后的销售包括：清洗、上蜡、分 级和包装。排名是商业化过程的重要组成部分，是近年来增长最快、经历了根本性变化的 技术。该项目旨在对苹果进行采摘和分级，从而提高生产率，提高苹果质量，降低苹果损 伤率，降低生

9、产成本，并加快苹果收获后的国际营销过程。1.2 研究意义我国是苹果生产大国，90年代以来，我国的苹果果园面积明显提高，如图Ll所示, 我国水果市场在全球水果市场中的占比也很大,水果的需求也是居高不下,如图L 2所示, 苹果的种植也成为我国农村生产的支柱型产业。在国内，对于苹果采摘及其分拣一体化的 机械研究还不是特别完善。对苹果的采摘及其大小分类的研究可以明显减少苹果的伤果 率，降低生产成本，提高其人工效率，进而增加中国苹果的国际竞争力，提高苹果出口率。 因此，本文选择了一个圆形的苹果分拣机。可以适用于各种地形，可靠率高。圆形分选 机的一个缺点是其分级精度不高。13国内外研究现状苹果是全球范围内

10、广泛种植和消费的水果之一,其采摘和分拣工作一直是一个耗时耗 力的问题。为解决这个问题，一体化的机械设计已经成为了研究的热点，被广泛应用于苹 果的采摘和分拣中。本文将从国内外的研究成果中，概述苹果采摘及其分拣一体化的机械 设计。1.3 . 1国内研究综述在国内，苹果采摘和分拣的机械化设计已经取得了显著进展。其中，“苹果采摘机器 人”成为了研究的一大亮点。该机器人采用机械臂、视觉传感器和电气控制系统等技术, 实现全自动、高效的苹果采摘和分拣。同时，还有一些机械化采摘和分拣设备，在机械设 计和智能控制方面得到了极大的进展。1.32 国外研究综述在国外，苹果采摘和分拣的机械化技术更加成熟和发达，已经应

11、用于实际生产中。其 中，自主式无人机和“苹果挖掘机”是两个较为突出的研究成果。自主式无人机可以通过 使用先进的传感器和控制系统，实现在苹果树上的精确定位和采摘。而“苹果挖掘机”则 通过使用先进的机械臂和强劲的机械力量，实现从苹果树上将苹果挖掘下来，并分拣。1.33 3国内外研究进展分析综合国内外研究成果，可以发现苹果采摘和分拣的机械化设计已经取得了很大的进 展。尤其是应用了先进的机器人、无人机和挖掘机技术，使得机械化采摘和分拣变得更加 高效和可靠。不过，仍然存在一些挑战，例如设备精度不足、成本过高、复杂操作等问题。 此外，针对不同品种苹果，机械化设计不可避免地面临着需要不断优化与升级的困境，因

12、 此，有必要加大研发力度，不断创新和改进机械化设计方案，实现更加高效、可靠和经济 的苹果采摘和分拣。1.4课题研究内容重点研究苹果采摘分拣机核心部件的结构参数和工作原理。更换筛筒的核心部件，用于实现对苹果的分级目标。L5本章小结苹果采摘和分拣一体化机械的发展影响商品化水平,并已成为中国苹果出口发展的主 要制约因素。本章详细分析了国内外苹果采摘和分拣机的研究和发展情况，进一步了解了 苹果采摘分拣机械的结构，说明了课题研究的目的和重要性，并阐明了课题研究的主要内 容。2采摘机械臂的设计2.1 机械臂的设计所选方案(1)机械手机械臂设计设计要求：行程：O600mm,任意可调。运动平稳，定位可靠，精确

13、。运动时间：05so旋转底座，采用法兰盘连接。采用圆柱滑动导轨。(2)运动方案气压驱动方案：采用直线气缸。机械驱动方案：采用气压传动。(3)设计内容机械臂的结构设计。机械臂结构强度的计算。连接件及其固定件的选择2.2 具体方案(1)驱动系统的选择计算按设计任务书要求，按空气动力传动的方式进行。气压传动具有运动平稳，易于控制, 安装和安装等特点。但是，由于采用液压传动会增大机械手上、下端的体积，从而使其刚 性下降，所以不能应用。(2)气压缸的选择惯性负载Fa由设计任务书可知：归=V = 0.25(2. 1)2V 取 0. 25mso根据气压传动教材F=21.25No重力负载Fg,对该项设计任务，

14、气压缸上升Fg取正，反之取负。(3)执行元件主要参数的确定初选执行元件的工作阻力根据本项目实际情况工作压力p取2MPao执行元件主要结构尺寸的确定液压缸受力最大，受力分析如图2.1。图2. 1气压缸受力简图所以，F = Fw = 850NoP=2MPa,初定 Pb=O （背压）规为标准，D取：4FD = J=23.81mm要求活塞杆长度应为580mmo校核已知背压Pb=0. 6MPa,受力分析如图2. 2o由受力平衡:Pg)?) + .D=50mm的气压缸选择合理。 对活塞杆的强度校核；I 850 =4.64 10 d 125由于长径比不大于10,cr = 5A9MPa d24所以刚度校核满足

15、要求。(4)气压缸的选择与安装考虑到活塞杆宇滑块相连接，活塞缸与液压缸较长，因此采用中部轴销连接。位于机 械臂的最前方，直接通过气压缸和机械爪的相连接，从而控制机械爪的张开和闭合。如图 2. 3是机械臂与气压缸装配模型。大臂导轨的设计为确保机械手的结构大小，采用浇注型的燕尾型导向器，该设计采用能承载倾转扭矩 的封闭型柱形导向器；由于其自身的构造形式，能够确保与滑动平台的接触点，而大臂梁 自身质量和体积都较大，又担负着工作部件和伸缩手臂的重荷，所以在选用材质时，既要 注意重力对其的影响，又要兼顾工艺和稳定性；故该项目选择了磷钛窗球铁。(6)苹果定位机构的选用苹果的定位系统选用的是双目视觉定位系统,其主要是选用两个T3200摄像头作为双 目视觉系统，摄像头的分辨率为480X640,然后把相机安装在机架上，从而进行苹果的 识别和定位U。2.3 夹持器结构设计(1)夹紧力计算该结构的动力源是12 V, 30 W的电机，并且该结构同样配备运输，切割，支撑等零 件。在机器正常运作时，点击减速器提供动力使输出端的带轮转动，减速器电机的转速为 60转min,经过皮带的动力传递，控制装在刀架的真反转从而完成剪切动作。手指对零件的夹持力可按以下公式计算Fn K1K2K3G(2.2)式中G被抓取工件的重量。K1安全系数，由机械