多功能水果采摘器的改进和设计

1、青岛农业大学海都学院本科生毕业论文（设计）题 目：多功能水果采摘器的改进和设计姓名：程勇杰系别：工程系专 业：机械设及其计制造自动化班 级：2016级2班学 号：201601066指导教师：尚庆利2020年 5月 22 日毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确 标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及 己获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。论文（设计）

2、作者签名：日期：年月日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论 文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权 青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设 计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接 相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日采摘器的设计是根据原有存在的传统的采摘器存在的一些弊端而进行改进 和优化组合的一款半自动化使用工具。本文

3、设计的多功能水果采摘器是按照工作 中实际工作的标准来完成设计的，而且明确的解释了其基本结构、参数和工作原 理。此采摘器主要是以苹果采摘为基本参考进行改进和设计，也可实现其他水果 的采摘，只需进行尺寸的修订即可。设计的采摘器由四大模块组合而成，实现采 摘、分拣、运输的半自动化采摘。可有效的降低采摘过程中存在的危险性，提高 采摘作业的工作效率，解决果农的实际问题。经过多个采摘装置与分拣收集装置 可实现多人协同作业。采摘伸缩杆高度可实现3米2米1米不同高度使用，基本 包含不同位置的果实，改进后刀具采摘过程不伤枝丫和果实，本文还对设计的基 本齿轮、带轮进行校核。关键词：半自动；协同作业Abstiact

4、Tlie design of the picker is a semi-automatic tool which is impioved and optimized according to some disadvantages of the traditional picker. Tlie multi-ftmctional fruit picker designed in this paper is designed according to the actual working standards, and its basic structure, parameters and worki

5、ng principle are clearly explained.Tliis picker is mainly improved and designed with apple picking as the basic reference, and it can also realize the size revision of other finit picking. The designed picker is composed of four modules to realize semi-automatic picking, sorting and transportation.

6、It can effectively reduce the risk of picking process, improve the working efficiency of picking operation, and tmly solve the practical problems of fruit fanners. Thimigh multiple picking devices and sorting collection devices, multiple people can work together. Tlie height of the extension rod can

7、 be used at different heights of 3M, 2M and lm, basically including finits at different positions. After the improvement of the cutter, the branches and fruits will not be damaged during the picking process. Tliis paper also checks the designed basic gears and pulleys.Key words: semi-automatic； coll

8、aborative operation目录摘要IAbsti-actII第一章引言11.1 水果采摘的现状11.1.1 采摘水果（苹果）规格21.2 采摘器（苹果）的设计要求2第二章采摘器的总体设计32.1 采摘器的总体方案设计和工作原理32.2 各部分结构设计32.2.1 采摘装置32.2.3 伸缩装置52.2.4 收集分拣装置9（1）水果输送管道的改进和设计9（2）分拣装置的结构和工作原理92.2.5 移动运输装置10第三章 主要机构的设计计算和电机的选用123.1电机的选用123.1采摘机构大小齿轮的参数计算123.3分拣机构带的相关参数16第四章结论19参考文献20青岛农业大学海都学院本

9、科生毕业设计第一章引言1.1 水果采摘的现状中国进入二十一世纪，随着机械自动化的蓬勃发展，再加上目前我国的国情, 目前正处于人口老龄化的现状，大批的果园种植人员面临着退休，过去是每家每 户自己种植自己的果园，原始的劳动力逐渐老去，采摘这一工作年轻人不愿意去 做，随着中国现代化的进程，果蔬种植也会由个人种植转变为规模化种植，我国 是个农业大国，其中水果产业也是重要的支柱性产业。农民采摘水果现在存在着许多弊端，用到大量的人力物力，也无法满足目前 我国水果产业的发展，设计一款采用机械自动化的采摘装置可以满足市场以及产 业的进步，而且一款高效多功能的采摘机构可以缓解我国存在的劳动力问题。在 美国，每年

10、大概会收获40亿美元的苹果。时至今日，农场的工人还要背着大袋 子摘苹果，一袋苹果重达20-27千克，给肩膀造成巨大负担，因此愿意从事这项 体力劳动的工人越来越少了。中国素有“世界水果王国”的美称，几乎所有种类 的水果都有出产，水果市场巨大，前景广阔。虽然我国拥有巨大的水果市场，但 是水果采摘行业机械化、智能化程度相对较低，相关设备大都处于理论研究阶段 或结构较为复杂，不适合山区、丘陵等环境下使用，而我国大多数果园处于山地、 丘陵地区，果园周边环境恶劣，山路狭窄、道路泥泞，大型采摘机械无法进入， 很难进行机械化作业。高处果实需爬高上树，较为危险。因此，在水果采摘过程中需要一种新型辅助采摘装置来提

11、高采摘效率、降低 采摘难度。综合考虑现阶段技术水平和实际采摘现状，大多数小果园无力购买大 型采摘设备，且果园地形复杂机械化设备难以展开，广大果农需要一种人工采摘 的辅助机械装置，装置操作简单、成本低廉，符合果农技术与经济需求。水果产量的巨大，需要更高效的自动化产业应用到水果采摘工作中。1.1.1 采摘水果（苹果）规格一般的苹果大概80mm大小。具体规格如下：一般苹果采用70、80、90果 等表示，单位是mm,表示直径大小，80就是8mm。苹果有大有小，有红有绿，形状 不一，直径一般在40mm80mm左右吧，高度大概在35mm60mm左右。果实皮 薄较容易磕碰造成损伤。一般苹果挂果位置高低不同，

12、果园平均果树树冠直径约3000mm5000mm, 一般苹果园树高果农修剪不高，平均挂果位置高度1000mm-5000mm左右。1.2 采摘器（苹果）的设计要求1 .苹果树枝繁茂，树枝多果实多，采摘时不能破坏大量的枝条和苹果。采 摘过程中不能破坏花芽，影响果树明年结果。2 .采摘时苹果柄把有一定的硬度，道具需要一定的硬度和耐损度。3 .苹果柄不能过长，要低于苹果凹口以免运输途中破坏其他果实，成为次 等果。4 .靠近地表面的果实枝条密集，果实多，空闲空间少。需考虑高低远近位 置摘取。5 .为保证水果的质量，要采用柔韧性的输送管道，确保不伤果实。6 .根据果实的大小分拣出不同等级的果实。7 .储存装

13、置要便于移动和装卸采摘好的果实。、1青岛农业大学海都学院本科生毕业设计柄。改进后的刀具为图2-2刀具形状示例。1.防护段2.刀刃区图2-2刀具形状示例(2)刀具的尺寸刀具隐藏在外置圆圈内，由两段圆弧组成，每段圆弧刀刃区长度为四分之一 H,根据大部分苹果直径大小分析，外圈内径为不易过大，过大容易导致采摘果 实时外径触碰其他果实，且采摘动作时不方便，外圈内径过小会造成苹果不易进 入采摘作业区，应采取适当的尺寸，由于果实直径一般在70到100毫米之间， 合理的作业半径为160mm为最佳。(3)刀具材料选用由于高速钢特别适用于制造结构复杂的成形刀具，适于制造中、低速切削的 各种刀具。切割果柄在低速旋转

14、过程中就可实现果柄的切割，考虑到经济型，目 前市场上常见的普通高速钢就可以满足制作刀具的条件，胜任切割_E作。选用普通高速钢可满足条件用于制作刀具即可。常见的普通高速钢有两种 鸽系高速钢和鸽铝钢塑钢，目前鸽铝高速钢6542目前正在取代鸨系高速钢，具 有碳化物细小分布均匀，耐磨性高，成本低等一系列优点。由此刀具宽20mm, 厚2mm，根据刀具的形状，和性能要求，经济型，采用牌名W6M05Cr4V2铝铝系 高速钢。连接圆环刀具和齿轮统一采用M5螺栓连接，查询螺栓国标。(4)采摘机构组成和工作原理采摘机构由两个环形刀具、大齿轮、小齿轮、滑动轴承、弹簧、电机、电源、 无线遥控开关和外壳组成。工作顺序：

15、按下无线遥控开关玲小齿轮转动好带动大齿轮转动好大齿轮 带动第二段环形刀具运动玲带动第一段环形刀具玲大齿轮运转到两环形刀具 闭合切割果柄好松开开关电机停止转动好 弹簧收缩刀具回转到原位置完成 一个工作循环2.2.3伸缩装置(1)材料的选用分析材料的密度和重量，考虑到经济型和实用性，从常见的铝合金材料、合 金钢、和铸铁。综合考量分析各材料的重量和硬度要求，以伸缩装置三米计算分 析，圆管状。以厚2mm，直径30mm为参考进行分析选材。合金钢以45钢为参 考，体积 V=273.18cm3。表2-1伸缩机构材料的分析和比较材料合金钢铝合金铸铁密度(平均)7.850. 25136.5硬度(平均)HB230

16、HB35HB120重量(KG)2. 1440. 0681. 77567经过分析与考虑，材料采用铝合金材料，材料较轻，可以减轻工作人员的劳 动强度。(2)伸缩装置的改进和设计伸缩装置采用三级伸缩杆，改变传统的圆管伸缩，采用八边形管，比较传统 的圆管伸缩，各级段的接触更加紧密，伸缩时有效减小各级段管伸缩时之间的缝 隙，限制了伸缩杆沿轴心转动的自由度，在各级段的表面合适位置开滑条，借鉴伸缩伞伞柄的结构，采川弹簧片、半球形光滑实心铁球，进行伸缩后的固定。一级伸缩杆的结构：外部为圆管，内部表面为30mm内接圆的八边形表面。首端装无线遥控开关，锂电池。设置圆形手柄，便于启动开关控制采摘装置 的运转。手柄前

17、段开1个小孔，用于固定收缩后的三级伸缩杆，一级伸缩杆尾端，开 口采用斜坡阶梯式，方便三级伸缩杆的收缩。首端开孔与尾端孔在同一轴线呢， 用于固定伸缩后的二级伸缩杆。在每一个孔口位置放置弹簧开关，用于控制光滑实心铁球，进而控制伸缩杆的伸缩。在尾端孔口侧面平面压制50mm止动槽。 图2-3为一级伸缩杆，图2-4为弹簧开关装配图。1 ,斜坡阶梯2.6m小孔3.手柄去图2-3 一级阶梯伸缩杆图2-4弹簧开关装配图二级伸缩杆结构：首端在一端面开一长方形槽，焊接上弹簧片和半球形光滑铁球。与一级伸缩 杆孔口位置在同一轴线内，二级收缩杆收缩后孔口与一级伸缩杆的第首端孔口同 心。收缩后铁球进入一级伸缩杆的首端孔，

18、尾端开一孔口，在二级伸缩杆铁球侧, 孔和三级伸缩杆伸缩后铁球同心。在槽侧面的平面距首部端面5cm处压制一条移动槽与一级伸缩杆压制的止 动槽配合滑动。尾端开孔，用于固定伸缩后的三级伸缩杆。尾端位置孔口对面平面压制与尾 端孔口位置距尾部端面距离相同的50mm止动槽，防止三级伸缩杆意外从二级 伸缩杆内滑出。图2-5为二级伸缩杆。1 .半球形弹簧片2.小孔3.滑动槽4.止动槽 图2-5二级伸缩杆三级伸缩结构：首端在一端面开一长方形槽，焊接上弹簧片和半球形光滑铁球。在槽对面的 平面距首部端面50mm处压制一条移动槽与二级伸缩杆压制的槽配合移动，尾端切制内螺纹，用于连接安装落果网的短杆。一端切制外螺纹，一

19、端连接采摘装 置。图2-6位三级阶梯伸缩杆示意图。1螺纹2,滑动槽3.半球形弹簧片图2-6三级伸缩杆（3）伸缩结构的具体尺寸表2-2伸缩杆结构具体尺寸表一级伸缩杆二级伸缩杆三级伸缩杆长mm100010001000八边形内接圆（直3025.221.2径）mm孔口（直径）mm666滑动槽mm无840790止动槽mm5050无手柄长mm150无无2.2.3收集分拣装置收集分拣装置由落果网、环形可收缩软管、收集箱、分拣装置组成。(D水果输送管道的改进和设计一些常见的落果通道采用普通的网兜式设计，存在网兜容易破损，随有效 防止落果后的破损但容易造成水果存留在落果通道的弊端，会导致工作效率大大 降低。改进

20、：将普通的网兜设计改成上宽小窄的环形可收缩软管，进入收集箱之前 在收集箱顶端面架设一条环向弯曲通道，水果进去弯曲通道落果位置增加一层防 护垫，环节采摘落果残留的势能。然后划入环形弯曲通道进去分拣装置。(2)分拣装置的结构和工作原理分拣装置由电机、带轮、带(带半圆形防护特殊带)、轴、轴承、齿轮组成。工作原理：分拣装置由两条带组成，根据苹果规格不同调节主动轮与从动轮之间的夹角，根据两条带之间距离不同分拣出不同规格大小的水果。苹果经落果通道落入两带之间，随着带运动，间隙由小变大，落入分拣装置下带有防护垫的斜坡滑入收集箱内，完成分拣过程。9青岛农业大学海都学院本科生毕业设计1 .输送管道2,从动带轮3

21、.轴4.特殊带5.缓冲斜台6.滚轴7,驱动带轮 图2-8分拣装置2.2.4移动运输装置(D移动运输装置的组成移动运输装置由电动三轮平板车、箱体两部分组成。箱体在内部装有分拣装置，顶部端根据需求可构建多个支撑落果装置的支 架，实现多人同时作业。分拣装置下面设置缓冲斜坡，在收集筐下方安装适当问 距的两根滚轴，方便取出收集满的收集筐。(2)电动平板车的选用考虑到成本以及经济性等条件采用市面上现有的电动平板车便可实现水果 的移动收集功能。分拣三种不同等级的苹果的为例，收集筐以市面上常用的塑料收集筐为例， 尺寸如表2-3常见的水果框尺寸表。表23常见的水果筐尺寸表名称 外径内径K-1# 水510*355

22、*308 果筐K-2# 水534*357*295 果筐K-3# 水602*406*183 果筐475*320*298504*325*285566*374*170三筐苹果重约重150Kgo平板车(一条分拣带)要求：最低载重200Kg,长2000mm,宽1000mm其他型号可根据使用不同分拣带条数和收集筐的筐数灵活选用不同型号功 率的平板车，以达到灵活使用装拆的目的。也可采用目前家用使用的电动三轮车 进行组合使用，控制器48V 800W的电动平板车，图2-9为平板车实例图I青岛农业大学海都学院本科生毕业设计11图2-9平板车实例图青岛农业大学海都学院本科生毕业设计第三章主要机构的设计计算和电机的选

23、用3.1 电机的选用电机的选型首先要考虑的是当在工作时，启动时的存在的扭矩，正常工作后 存在负教的转动惯量。这两项对于电机的选型尤为重要，选择合适的电机可以有 效地降低电机的损坏率，增加电机的使用寿命。采摘装置采摘机构电机的选用：为了顺利切下水果，由于改进刀具果柄会尽可能的靠近刀具，改进后电动机 无需太高的转速。为了更加节能安全，使用方便。该电动机选用直流电动机。根 据经验采摘水果，电动机的功率5W左右，转速在20r/min左右，12V直流电机。分拣装置电机的选用：1 .工作扭矩的计算我们预估在两条分拣带上所受的负载大概13个苹果的 重量负教取W=15N,对于一般线形导轨摩擦系数口 =0.01

24、,计算所得的工作力，水 平行走：Fb= U W=0.15N 带轮初选驱动轮半径R=100mm,工作转矩 T=FR=0.015N/m.2 .根据传动速度，计算驱动轮的转速。假设带的传送速度为4m/s,则驱动轮 的转速 n=V/L=383r/mino3 .（单根带）电动机的功率 W=T*n/9550=6W分拣机构由至少2条带组成，乂根据协同作业可添置多个带，由此电机选 用转速在400r/min左右，36V直流电机。4 .1采摘机构大小齿轮的参数计算采用直齿圆柱齿轮，已知条件：直齿圆柱齿轮传动，输入功率为Pl=5kw, 齿轮转速为小齿轮nl=200r/min,大齿轮齿顶圆直径200mm,由电动机驱动

25、，假设 电机的工作寿命为使用10年，每年大概工作100天左右，电机定向，存在轻微 冲击，工作场地略微潮湿露天工作。青岛农业大学海都学院本科生毕业设计1、齿轮基本参数的选定(1)材料：高速级小齿轮一般选用45#钢调质处理，齿面硬度为250HBS。 低速级大齿轮选用45#钢调质，齿面硬度为220HBS。(2)采摘器一般剪切果柄，速度不高，故选用8级精度。(3)小齿轮齿数初选为zl=22,大齿轮齿数z2=73。2、齿面接触强度计算由设计计算公式进行计算，即恃一岛J(1)确定公式内的各计算数据试选载荷系数k=1.3计算小齿轮传递转矩 $W辽=238750N/mm(3-2)力选取齿宽系数为1查得材料的弹

26、性影响系数为189.8Mpa按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为590Mpa.大齿轮的接触疲劳 强度极限570Mpa.计算应力循环次数。Nl=60nljL=576000000(3-3)N2=172817282接触疲劳寿命系数k则=0-88 % = 0.92 °计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数S=l,得匕J =2受=0.88x590 = 519.2必口 S凡2 =忆有：2 = 0 92x570 = 524.4M&(3-4)（2）计算 试算小齿轮分度圆直径,代入中最小值。>2,32323.2mm(3-5)i卜算圆周速度v(3-6)v =U= o.2428m

27、/s 60x1000计算齿宽b(3-7)计算齿宽与齿高之比模数齿高mt = = 1Q5Z h=2.3625齿高之比9.82计算载荷系数根据v=0.2428m/s, 8级精度，查得动载荷系数；=1.1直齿轮,；女用二%二1；由表查得使用系数；=1-25用插值法查得8级精度、小齿轮相对支承非对称布置时%=1.1.196由宽径比， =1452查图得K中=1.38;故载荷系数 K = KAKvKnciK = 1.25x1.12x1x1.1.452 = 2.03 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得(3-8)35.17mm(3-9)计算模数m1.6(3-10)3、按齿根弯曲强度设计 得弯曲强度的设

28、计公式为(1)确定公式内的各数值参数查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限。m = 440MPa,大齿轮。p = 420MPa;然后大小齿轮弯曲疲劳寿命系数Km= 0.84, Km=0.88 ;取弯曲疲劳安全系数s=1.3,得弯曲疲劳许用应力0.84 x440= 284.3MPa0.88x420 = 284.3MPa教荷系数 K= KgKpKp Kpe=125xl.l2xlxl.38= 1.932(3-12)齿形系数 Ymal=2.72 Yp2= 2.216应力校正系数得Yal=1.57 Ya2= 1.772大、小齿轮的Y nYsa/Qf并力口以比较(3-13)小齿轮的数值较大。(2)设计计算由上面计算

29、求得m=1.039mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于山齿根弯曲疲劳强 度计算的模数，且齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承教能力， 而齿面接触疲劳强度所决定的承教能力，仅与齿轮直径有关，可取弯曲强度算得 的模数1.039并就近圆整为标准值m=l,按接触疲劳强度算得的分度圆直径 dl=35.17mm,算出小齿轮齿数 zl=35.17 36大齿轮齿数z2=1984、大小齿轮基本尺寸确定t(3-13)青岛农业大学海都学院本科生毕业设计(1)分度圆直径d、= 2 = 236d2=198(3-14)(2)中心距久二% ；兔方(3-15)(3)齿宽b =必由=36(4)齿顶圆和齿

30、底圆直径分度圆:d=m.z 齿顶圆:da=m.(z+2)齿根圆:df=m.(z-2.5)(3-16)m：模数z：齿数小齿轮：da=38 df=33. 5大齿轮：da=200 df= 195. 53.3分拣机构带的相关参数2计算驱动轮和从动轮之间的夹角取两驱动轮之间距离为110mm,从动轮之间距离为60mm.从动轮与驱动轮之 间距离为2500mm.计算得出两轮之间夹角为0.02° ,因此带在工作时受冲击小，可忽略因两带 轮不在同一轴线产生的扭转力。特殊带下端部分采用普通V带与带轮配合。1青岛农业大学海都学院本科生毕业设计3计算功率山已知采用V带传动，选用直流电动机，电动机转速为400r

31、/min,分拣机 构带轮转速为400r/min,输入功率15W。查表得工作情况洗漱Ka=1.2,P=K,P = 1.2X15=18W(3-17)G n4选V带型号根据已知的转速和功率，查图13-15查出坐标点位于A型和Z型之间，选用 Z型号进行计算。5确定带轮的基准直径查图得出d=80-100mm,因分拣机构驱动轮与从动轮之间不存在传动比，可取 带轮直径d=100mm6验算带的速度兀V = 60 xWOO =2-09m/s(3-18)根据实际分拣速度要求在lm/s-4m/s范围内，合适7作用在带轮上的压力F查表得q=0.06kg/m,由计算公式算的单根V带的初拉力/;, 二 50T I：.&q

32、uot;.卜7.4587N(3-19)作用在轴上的压力F% = 2zF。cos q二2z吊 sin=53.63N(3-20)因为带为平带传送带，小轮包角为180°取中心距a=3000mmZ取28带轮结构设计材料选择：设计中转速要求不高，受冲击小，所以材料采用HT2000带轮结构形式：方案中带轮属于中小尺寸且带轮配合一根带，故采用实心式 带轮查参考文献，确定带轮的相关基本尺寸参数1青岛农业大学海都学院本科生毕业设计da=100mmd=92mmB=28mmL=30m1青岛农业大学海都学院本科生毕业设计第四章结论本装置对目前存在的水果采摘器所存在的一些不足进行改进和设计，组合多 种装置，即

33、可实现采摘装置、伸缩装置、收集分拣装置、移动运输装置组合实现 多功能采摘，乂可单独使用，实现果实的采摘分拣及运输。有效地减少果实的破 损率，可实现多人同时采摘进行分拣收集，方便灵活，不仅可以降低采摘果实所 存在的危险，可以有效提高采摘的作业效率。分析目前市场上所存在的水果采摘器的应用情况，目前的个体果农主要还是 以人工采摘为主，但随着时代的发展，科技的不断进步，智能采摘器将会随着人 一匚智能的发展和机械的不断结合运用，我所设计的这款多动能采摘器目前正适合 当下的一个需求，采摘工的逐渐减少，迫切希望降低劳动强度，然而当下的AI 发展技术正处于萌芽期，我也深知我所设计的半自动采摘器也是水果采摘的一

34、个 过渡过程，但依照目前中国的农业发展情况，半自动水果采摘器还有着5-10 年的市场应用前景。本装置设计本着操作方便、实用性、经济性以及提高工作效率的原则进行设 计和改进，适用于我国目前水果采摘行业的使用要求，造价便宜。通过对此水果采摘器的改进和设计，学会应用机械机构替代电路控制，明白 了机械与电的结合使用，机电不分家。同时机械对现实生活中的运用存在于生活 的方方面面，只要有一颗善于探索的心，随着时代的发展，机械会随着计算机 硬件方面的更新换代，更加高效应用在生活的方方面面。1青岛农业大学海都学院本科生毕业设计参考文献1李建功.机械设计手册M. 4版.北京：机械工业出版社，2007.2刘会英，李明勤，徐宁.机械原理M. 3版.北京：机械工业出版社，2013.杨敏丽.中国农业机械化与提高农业国际竞争力研究D.北京：中国农 业大学，2003陈飞，蔡建