【摘要】：中國的蘋果產(chǎn)量位居世界第一,蘋果產(chǎn)業(yè)對發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)果園機(jī)械化作業(yè),農(nóng)藝專家通過多年實(shí)踐研究,提出了“寬行矮砧密植”的種植模式。因?yàn)闄C(jī)器人采摘效率低、成本高,短時(shí)間內(nèi)難以得到廣泛推廣應(yīng)用。因此,半自動(dòng)化果園采摘平臺(tái)將得到優(yōu)先發(fā)展。果園采摘平臺(tái)的核心部分是傳送裝箱系統(tǒng),作用是將人工摘下的蘋果進(jìn)行匯集、傳送和裝箱。但在機(jī)械傳輸過程中,滾動(dòng)、跌落、碰撞等會(huì)對蘋果造成嚴(yán)重的損傷,影響果實(shí)質(zhì)量。本文針對上述問題,設(shè)計(jì)了與果園采摘平臺(tái)相配套的傳送裝箱系統(tǒng),并制造樣機(jī)和試驗(yàn)驗(yàn)證其傳送裝箱性能。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)針對“寬行矮砧密植果園”的種植模式,結(jié)合蘋果的機(jī)械損傷機(jī)理,確定了果園采摘平臺(tái)傳送裝箱系統(tǒng)整體方案。其中,傳送帶寬800 mm,總長度3000 mm。該系統(tǒng)由調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)傳送帶工作,自動(dòng)完成對蘋果的傳送和裝箱工序,動(dòng)傳送裝置的擺動(dòng)使蘋果均勻地落在果箱底面的各個(gè)位置;果箱置于彈簧箱架上,其垂直方向位移與所裝蘋果質(zhì)量呈線性相關(guān)。(2)基于EDEM模擬了傳送裝箱系統(tǒng)的裝箱過程,以此來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性及系統(tǒng)的工作參數(shù)范圍。建立了蘋果和果箱模型,模擬當(dāng)動(dòng)傳送裝置擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅度和傳送效率取不同值時(shí)的蘋果裝箱過程,比較裝箱表面堆積形狀和蘋果損傷率,仿真結(jié)果表明:當(dāng)擺動(dòng)幅度取800~850 mm,裝箱過程蘋果基本能實(shí)現(xiàn)逐層堆積,然而,動(dòng)傳送裝置擺動(dòng)頻率從1/25 Hz到1/5Hz,傳送帶傳送效率從2到5個(gè)每秒變化時(shí),這兩個(gè)工作參數(shù)對裝箱表面堆積形狀的影響不明顯,裝箱過程中蘋果基本能實(shí)現(xiàn)逐層堆積。當(dāng)動(dòng)傳送裝置擺動(dòng)幅度為800 mm,擺動(dòng)頻率為1/10 Hz,傳送效率為3個(gè)/秒時(shí),裝箱質(zhì)量較好,蘋果損傷率在5%以內(nèi)。(3)對樣機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì),完成了虛擬樣機(jī)裝配。對裝箱機(jī)架上的叉架、門架、滑槽、傳動(dòng)軸和彈簧等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算,并用ANSYS對叉架和傳動(dòng)軸做靜力學(xué)分析,叉架的最大應(yīng)力為91.255 MPa,最大變形量為7.19 mm;傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力為136.12 MPa,最大變形量為0.76 mm,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足實(shí)際工作需求;設(shè)計(jì)了傳送系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)(包括框架、傳送帶和電機(jī)等)和動(dòng)傳送裝置擺動(dòng)控制系統(tǒng);利用CATIA軟件完成了所有零部件的三維造型和樣機(jī)裝配。(4)樣機(jī)制造,并完成樣機(jī)相關(guān)性能試驗(yàn)。彈簧箱架性能試驗(yàn)表明:彈簧箱架承載重量后的實(shí)際下降距離與理論下降距離誤差不大,絕對誤差在19mm以內(nèi),實(shí)際下降距離與承載質(zhì)量呈線性相關(guān)。傳送裝箱試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能完成傳送和裝箱兩道工序,且通過動(dòng)傳送裝置的擺動(dòng)系統(tǒng)和箱架的彈簧控制,可有效減少蘋果傳送裝箱過程中的碰撞損傷,作業(yè)質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過正交試驗(yàn)得出該系統(tǒng)工作的較優(yōu)組合為:動(dòng)傳送裝置擺動(dòng)頻率0.1 Hz、傳送效率3個(gè)/秒、傳送帶線速度0.1 m/s。在此條件下,該系統(tǒng)的作業(yè)效率為每小時(shí)10800個(gè)蘋果。
【圖文】：

備類型（Jian et al. 2009）。歐美一些國家研究了各種振動(dòng)式蘋果收獲機(jī)械，主要由激振和收集裝置組成，在大規(guī)模的蘋果收獲中非常高效（Peterson et al. 1994）。華盛頓州立大學(xué)研制的適合豎直墻式果樹形狀的慣性式振動(dòng)收獲機(jī)，可使“爵士”蘋果的收獲比例達(dá)到九成，且控制蘋果的損傷率在 15%以內(nèi)（Kleine et al. 2015）。之后，科研人員研究發(fā)現(xiàn)，通過合適的加速度搖振樹枝能使果實(shí)輕易分離，Peterson 等人設(shè)計(jì)了機(jī)械沖擊式收獲機(jī)，并在半矮化果園進(jìn)行試驗(yàn)，蘋果的采收效率在 65%以上，平均八成的果實(shí)符合市場上蘋果的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（Wolford et al. 2003；Peterson2005）。90 年代初，采用樞軸式擺動(dòng)懸掛機(jī)構(gòu)，，日本研究設(shè)計(jì)了自走式采摘車，并在四國農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場研制成功（謝志勇 2005）。20 世紀(jì) 70 年代末期，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，美國著手研究各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人，其中就包括采摘機(jī)器人（Hayashi et al. 2002；Harrell et al. 1990）。首臺(tái)采摘機(jī)器人在 1983 年于美國研制成功，其后包括法國、荷蘭、日本等國相繼研發(fā)了具有機(jī)器視覺技術(shù)和人工智能的多種采摘機(jī)器人，適用于柑橘、蘋果、葡萄和西瓜等果實(shí)的采摘（姜麗萍等 2006）。

果園采摘平臺(tái)傳送裝箱系統(tǒng)研究，采摘機(jī)械臂由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，柔性末端執(zhí)行器可減少對左右，每個(gè)蘋果采摘用時(shí) 10 秒以內(nèi)。0 年代中期，美國成功研制了果園升降作業(yè)平臺(tái)，其由機(jī)極大地提高了農(nóng)民采摘蘋果的速度（Luo et al. 2015）。美2 所示，采摘人員站在升降平臺(tái)上將蘋果摘下，利用氣壓負(fù)壓吸入人工摘下的蘋果，并攜帶蘋果運(yùn)動(dòng)，當(dāng)蘋果運(yùn)動(dòng)，保證單個(gè)蘋果的高速度和高精度傳送，傳送導(dǎo)管末端的果箱內(nèi)底面。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2645364