水果纸袋套袋机械设计.zip

本课题的意义、国内外研究概况、应用前景等（列出主要参考文献） 1.课题研究的意义 水果套袋机械的研究虽然还处于初步阶段，但是智能化机械套袋逐步取代目前的 人工套袋作业是必然的发展趋势。水果套袋作业的时令性非常强，这就要求果农在 短时间完成高强度的工作。水果套袋机械可以减轻果农的劳动强度，解放农村的劳 动力。因此研究与发展套袋机器人符合我国农业大国的国情。水果套袋技术能极大 的提高水果的商品价值，但是时令性强、套袋严格。使用水果套袋机械可以减轻果 农劳动强度，提高套袋效率，使套袋作业更加规范，提高套袋质量。在保证果品的 质量，进而提高果农收益方面有着重要作用。论文研究工作的目的是设计一种水果 套袋机械，可以减轻果农的劳动强度，提高套袋作业的质量和效率，进而增加果农 的收益。因此论文的研究工作有一定的研究意义以及实用价值。 2. 水果套袋机械的研究现状 2.1. 国外的研究现状 对于水果套袋机器人，欧美、日本等国家暂时没有相关的报导。现有的能实现 水果套袋功能的机械多是由日、美等国的一些科研院所研制的具有一定智能，并且 价格昂贵的大型多功能动化果园机械，而套袋仅作为集成化大型农业机器人的一项 功能。M.Monta1等介绍了一种全自动套袋机械手,该机械手采用的电机较多,整个机 械手要与一个较大的机体连接,计算机操控机体,对于该机器的实际应用性还有待于 验证。日本冈山大学的 Kondo N 等人研制的棚架栽培下葡萄机械化生产的多用途农 业机器人，在履带式行走小车上安装有机械臂，机械臂的末端可以安装多种末端执 行器并配有视觉系统。机器人的机械臂采用的是一个 5 自由度机械臂，由一个移动 关节以及四个转动关节组成。葡萄套袋的末端执行器所示。套袋末端执行器主要由 打开、闭合袋的机械手和连续给机械手指供袋的供给结构组成。袋口部分不是用金 属丝而是装了个板簧，从两侧用力一压，袋即打开，松开则自然闭合。这种机器人 除了能完成套袋作业外，还能通过更换机器人的末端执行器实现疏果、套袋以及喷 药等功能2-3，实现多功能是它的主要优点，但由于灵活度较低、作业效率较低、成 本高等原因，只停留在实验室中，有待进一步改进。 2.2. 国内的研究现状 2.2.1. 塑膜套袋 塑膜袋套袋技术是我国劳动人民和果园科技工作人员在水果生产中的伟大创新 实践，在逐渐形成系统的塑膜套袋理论的同时，也发明创造出了适用于塑膜套袋的 相关机械，已在局部地区开始逐渐得到应用。目前市场上已有的一些塑膜套袋机械, 其主要工作原理是利用胶棒粘力拉开塑膜袋,用蓄电池通电加热电热丝来熔合塑膜袋 完成果袋的封口。它是由一端铰接的夹子状手柄以及手柄上的机构组成。下部手柄 前端安装有垂直于手柄轴线的 L 形塑膜袋固定挡板，固定挡板的外部边缘设有热熔 压条，固定挡板的前端还安装有胶面向上的不干胶块，胶块前端安装有用于透过苹 果幼果的挡板；上面的手柄前端安装有可以沿着手柄轴向运动的伸缩杆，伸缩杆的 最前端装有热熔压条，热熔压条的下面安装有不干胶块，伸缩杆有红色按钮控制。 使用前应将塑膜袋穿过铁钉固定在下部手柄上。操作时共九个步骤：（1）大拇指下 拉红色按钮，为 将塑膜袋粘起做准备；（2）下压套袋器上部支架，粘住塑膜袋；（3）张开套袋器， 使塑膜袋粘起、分开；（4）松开大拇指使红色按钮返回原位，为撑开塑膜袋做准备； （5）下压套袋器上部支架，使上下手柄上的胶块分别粘住塑膜袋的两侧；（6）张 开套袋器，将塑膜袋撑开；（7）装果；（8）下压套袋器上部支架，通过热熔丝加 热使袋口熔合；（9）张开套袋器，还原初始状态，为下一次套袋做准备。这种套袋 器可以实现单手进行套袋作业，另一只手可以通过拉伸枝条辅助套袋，提高了套袋 效率。但是操作步骤较多，并且在进行第 5 个步骤时容易使塑膜袋碰到热熔压条， 从而提前封口。而且在封口操作时,如果枝叶密集繁杂,就容易把树叶也一起封进果 袋,造成封口不严。同时套袋的机械手一般通过粘附层粘接待套袋的外部来撑开待套 袋,长时间使用后粘附性能下降,必须继续更好粘附层,重复使用率差,使用不便。 2.2.2. 纸质套袋 由于纸袋与塑膜材质上的差异，所以相对于简单用的塑膜套袋机械，纸袋套袋 机械在结构上则更加复杂。2005 年，中国农业大学的葛晓堂、徐丽明等人进行了 “半自动套袋机器人”的研究。该装置采用气动与真空系统，利用真空吸盘吸住纸 袋的两侧向两侧拉伸实现撑袋功能。该装置利用一对相啮合的 V 块挤压位于纸袋袋 口处的铁丝，使其产生塑性变形从而达到封口的目的。进行套袋时该套袋机构需要 人工辅助，套袋的速率大约为 3 个/分钟，是平常人工套袋速率的 2 倍，但其整套 机械的撑袋和套袋机构相互分离，使用不便，应用性有待检验4。该方案采用硬质 V 型块卡合的原理进行果袋封口,在操作上如有偏差,极容易卡伤幼果的果柄,对其以 后的生长造成影响。另外,该套组合机械中,使用了众多的气缸和电机,还使用了真空 发生系统,既增加了成本,又增加了设备的维护困难。 2010 年，浙江工业大学的陈权等人设计了一种水果套袋机器人5。水果套袋机 器人包括车厢，车厢底部固定安装有电机，在车厢顶部固定安装有储袋箱以及纸袋 的输送装置。纸袋的输送装置由摩擦轮以及纸袋输送平台组成，摩擦轮通过电机驱 动，并固定安装在储袋箱底部的通口外侧。纸袋的输送平台与储袋箱并排固定安装， 并且在纸袋的输送平台远离储袋箱的一侧固定安装有用于撑开纸袋的吸气装置。另 外，储袋箱的一侧通过垂直安装于纸袋方向的移动副以及栅栏支撑架铰接，栅栏支 撑架的内侧固定有一对纵向的齿条以及抽屉导轨，抽屉导轨的内侧设有滑道平台， 滑道平台通过齿轮齿条结构上下移动，滑道平台的另一侧通过机械臂配合安装有用 于撑袋和紧袋的机械手。 2011 年，中国农业大学的李伟、赵丽宁等人研制了一种新型葡萄套袋机械手6。 机械手由下面的旋转平台、安装于旋转平台上的垂直滑轨与果袋支架、安装在垂直 滑轨上的水平滑轨以及装在水平滑轨上的执行器组成。执行器上可安装相机、传感 器。将机械手安装在行走导航车上，行走底盘导航车载着机械手进入果园，通过相 机采集果园的信息并对采集到的信息进行处理得到葡萄生长的极位置信息。执行器 取得果袋后在旋转平台、垂直滑轨、水平滑轨的带动下将套袋套在目标葡萄串上。 载有机器人的导航车速度为 0.3m/s 时，目标识别率为 95，套袋成功率为 85，葡萄的目标识别过程平均耗时 136ms，单个套袋平均耗时 39.6s。 2010 年，浙江理工大学的武传宇等人设计了一种水果套袋机械封口装置7。该 机械结构能通过在机构的两个输入端施加一对大小相等，方向相反的驱动力，从而 实现“中心合拢式”封口。机械具有结构简单,成本低廉,易于控制,性能可靠,且容 易改装以适应不同尺寸果袋的封口装置。2014 年，中国农业化机械研究院的毛文华、 胡小安等对葡萄套袋机器人进行了研究8。机器人由行走小车以及一个四自由度机 械臂组成，末端执行器进行封口的原理是利用纸袋袋口处的一对弹簧片进行封口。 从总体来看，我国的水果套袋机器人还处于刚起步阶段。现有的机器人或者机 械结构或者完成了套袋工作的一部分，或者还只是个设想并未进行实际的验证。 3. 水果套袋机械的应用前景 从二十世纪九十年代开始,水果套袋技术在我国逐渐普及,实践证明水果套袋技 术能有效提高水果生产质量。随着越来越多的地区应用水果套袋技术,套袋劳动量和 劳动强度也随之大幅上升,套袋机械已成为果园机械研究的热点和重点之一。我国水 果套袋机械的研究虽然还处于新兴起步阶段,但机械化套袋作业逐步取代现在的手工 作业方式是发展的必然。 参考文献 1Kondo N. Basic Studies on Robot to Work in Vineyard (Part 1)JJournal of the Japanese Society of Agricultural Machinery，1993,55 (6)：85-94 2 Kondo N. Basic Studies on Robot to Work in Vineyard (Part 2)J.Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery，1994，56 (1)：45-53 3 Kondo N，Monta M，Fujiura T，Shibano Y. Intelligent Robot to Harvest TomatoCIEEE International Conference on Robotics and Automation，1995a，Video Proceedings：34-35 4 葛晓棠.半自动苹果套袋机器人的研究D.中国农业大学，2005，3-193. 5 陈权，胡鹏飞，张铠，等水果套袋机器人：中国专利，CN 102077774 AP2011-06- 01 6 李伟，赵丽宁，等一种葡萄套袋机械手：中国，102224797AP2011-10-26 7 武传宇，方沤鹏，等.一种水果套袋机械的封口装置：中国，101773057AP2010-07-14. 8 李诗荣葡萄套袋机械手设计与避障研究D.中国农业机械化科学研究院，2014,16-28. 研究的目标、内容、拟解决的问题 1. 研究的目标 通过对手工套袋过程的研究,本课题提出参考现有的纸袋式的水果套袋机械，对 其进行改进分析和对功能模块的设计参数进行改变以及通过运动学分析验证机械能 够按照设计要求运动,使纸袋套袋机械的效率提高至 7 个/min。在保证作业要求的前 提下,尽量降低成本,让果农容易接受,以达到减轻工作人员劳动强度,降低劳动危险 系数和提高劳动生产率的目的。 2. 研究的内容 根据现有的纸袋式水果套袋机械,对纸袋的规格进行了解， 对水果套袋机械的 结构组成、工作原理、和适用范围全面分析；对机械的设计方法技术路线掌握透彻， 改进现有的纸袋式水果套袋机械，并对果袋分离机构、撑口机构和封口机构的关键 零部件进行分析，优化结构设计，分析水果套袋机械的实用性。 3. 拟解决的问题 水果套袋机械的设计方案，涉及的机械结构的干涉和受力分析问题，确保设计 的安全可靠；优化果袋分离机构、撑口机构和封口机构的设计方案的选择，选择最 优的方案；设计机械的运动学分析，如何检验该设计的效率的提高和实用性。 研究方法、技术路线、可行性分析 1. 研究方法 通过期刊、网络及图书资料把国内外关于水果套袋的相关理论和实践研究成果 进行搜集和积累，促使研究能够在已有的研究基础上找到提高水果套袋效率的方法。 利用 AutoCAD 和 Pro/E 绘制机械原理图，根据相关资料进行大量的运动学分析，同 时对机械的零件图和装配图的设计参数进行分析，获得一套能提高水果套袋效率的 设计方案，来完成本次毕业设计的任务。 2. 技术路线 分析、对比和评价 3. 可行性分析可行性分析 通过研读套袋机械的相关文献资料，在前人的研究基础上提出最初的研究思路， 并进行机械改进，而本次毕业设计所设计的水果套袋机械通过果袋分离、果袋输送、 果袋撑开及果袋封口四个步骤可以完成水果套袋，可以证明本次毕业设计的可行性 是能得到保证的。 特色或创新之处 最近几年市场上也出现了各式各样的水果套袋器，总的分类为塑膜套袋机械纸 袋套袋机械。可是，有些容易对水果造成伤害；有些不便于操作，工作效率低；有 的对于高处的水果束手无策；有的采用复杂电路控制或复杂技术以致价格昂贵且不 便于一般果农方便使用；同时塑膜套袋会产生大量的废旧塑料袋，造成“白色污染” 。 鉴于以上各种问题，本次毕业设计将设计出一款纸袋套袋机械结构的水果套袋器。 放弃使用过多控制元素，便于果农使用以及果农自己制作和修理套袋器。 果袋输送 果袋分离 果袋撑开 果袋封口 果袋分离机构结构 果袋撑口机构结构 果袋封口机构结构 确定各机构零部件 的参数 套袋机械整体方案综 合设计 用 AutoCAD 和 ProE 画图软件建模 研究计划及预期进展 2016