CN110036764B - 一种变频变幅激励式果品振动采收机构及其采收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变频变幅激励式果品振动采收机构及其采收方法。目前对于变频变幅激励方式的振动采收机构研究较少。本发明的一个伺服电机的输出轴与转轴固定；第一连杆一端与转轴通过紧定螺钉固定，另一端与第二连杆一端通过第一销钉铰接；第二连杆另一端与第三连杆一端通过夹持机构的螺纹连接杆铰接；第三连杆另一端与第四连杆一端通过第二销钉铰接；第四连杆另一端与另一个伺服电机的输出轴固定；下连接杆与输出螺纹杆顶端固定；上连接杆与下连接杆通过螺栓和螺母连接，并合围成夹持空间。本发明采用五杆机构，并通过两个伺服电机协同运动驱动两个连杆，使输出螺纹杆输出的运动轨迹满足变频变幅非圆周运动，以适应不同的果树类型。

Description

一种变频变幅激励式果品振动采收机构及其采收方法
技术领域
本发明属于果品采收机械技术领域，具体涉及一种变频变幅激励式果品振动采收机构及其采收方法。
背景技术
果品采收是果园生产全过程中重要的环节之一。目前，机械振动式收获机是采收效果最为明显，最为容易实现的机械收获方式，其工作原理是果品振摇式收获机利用外力迫使果树发生振动，从而使果实产生加速度，当果实产生的惯性力大于果实与果枝连接力时使果实脱落。但是目前果品振摇机构大多采用单一的偏心块激励方式，不同的激励方式对果品收获效率产生很大的影响，而目前对于变频变幅激励方式的振动采收机构研究较少。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术的不足，设计一种变频变幅激励式果品振动采收机构及其采收方法，实现变频变幅非圆周运动，以适应不同的果树类型，并且该采收机构具有刚度大、精度高、结构稳定以及空间小等优点。
本发明采用以下技术方案：
本发明一种变频变幅激励式果品振动采收机构，包括五杆机构、夹持机构、动力机构、箱体和控制系统。所述的动力机构包括伺服电机和电机固定架；伺服电机设有两个，两个伺服电机均由控制系统控制；伺服电机的底座与电机固定架通过螺栓和螺母连接；电机固定架固定在箱体内；所述的五杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一销钉、第二销钉和转轴；第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的杆长均相等，两个伺服电机的输出轴中心距为第一连杆杆长的两倍。一个伺服电机的输出轴与转轴固定；第一连杆一端与转轴通过紧定螺钉固定，另一端与第二连杆一端通过第一销钉铰接；第二连杆另一端与第三连杆一端通过夹持机构的螺纹连接杆铰接；第三连杆另一端与第四连杆一端通过第二销钉铰接；第四连杆另一端与另一个伺服电机的输出轴固定。第一连杆与第二连杆的铰接方式具体为：第一销钉一端通过第一轴承支承在第一连杆开设的轴承安装孔内，另一端与第二连杆固定，第一连杆的轴承安装孔内设有与第一连杆一体成型的第一凸环，第一轴承的两端分别通过第一凸环和与第一销钉上的外螺纹连接的螺母定位；第三连杆与第四连杆的铰接方式具体为：第二销钉一端通过第二轴承支承在第三连杆开设的轴承安装孔内，另一端与第四连杆固定，第三连杆的轴承安装孔内设有与第三连杆一体成型的第二凸环，第二轴承的两端分别通过第二凸环和与第二销钉上的外螺纹连接的螺母定位；第二连杆与第三连杆的铰接方式具体为：螺纹连接杆的底端与第三连杆固定，中部通过第三轴承支承在第二连杆开设的轴承安装孔内，第二连杆的轴承安装孔内设有与第二连杆一体成型的第三凸环，第三轴承的两端分别通过第三凸环和与螺纹连接杆上的外螺纹连接的螺母定位。
所述的夹持机构包括输出螺纹杆、下连接杆和上连接杆。下连接杆与输出螺纹杆顶端固定；上连接杆与下连接杆通过螺栓和螺母连接，并合围成夹持空间。
进一步，所述的箱体包括底板、侧板、前部板和后部板，侧板、前部板和后部板的底部均与底板固定，前部板和后部板两端均通过一块侧板固定连接。
进一步，输出螺纹杆顶端中心点的运动轨迹设计过程如下：选取至少180个轨迹点，保证在同一个极坐标系中，相邻的每两个轨迹点之间的极角相等；相邻的每两个轨迹点用直线连接，从而形成封闭的输出螺纹杆顶端中心点的运动轨迹。
进一步，第一连杆与伺服电机连接那端的旋转中心记为A1点，第四连杆与伺服电机连接那端的旋转中心记为A2点，第一连杆与第二连杆的铰接中心记为B1点，第四连杆与第三连杆的铰接中心记为B2点，并设定A2点与A1点的距离A1A2＝2r，A1点与B1点的距离A1B1、A2点与B2点的距离A2B2、B1点与输出螺纹杆顶端中心点P的距离B1P以及B2点与输出螺纹杆顶端中心点P的距离B2P均为r，其中，2r取值大于运动轨迹上相距最远的两个轨迹点之间的距离；A2点与A1点连线方向设为x轴方向，垂直于A2点与A1点连线方向设为y轴方向，A2点与A1点的对称中心点设为坐标原点o，在输出螺纹杆顶端端面上建立坐标系xoy，则输出螺纹杆顶端中心点P的坐标方程为：
Figure BDA0002073809910000021
其中，θ1和θ2分别为第一连杆和第四连杆相对x轴正向的角位移，xP和yP分别为点P的x轴和y轴坐标。
将设计好的输出螺纹杆顶端中心点的运动轨迹上各轨迹点的x轴和y轴坐标代入输出螺纹杆顶端中心点P的坐标方程中，便能求得各轨迹点对应的θ1和θ2，从而求得两个伺服电机的转角相对关系；通过控制两个伺服电机的转角，使两个伺服电机的转角满足两个伺服电机的转角相对关系，便能使输出螺纹杆顶端中心点P按照设计好的运动轨迹运动。
该变频变幅激励式果品振动采收机构的采收方法，具体步骤如下：
首先，使输出螺纹杆顶端中心点的初始位置位于设计好的运动轨迹的其中一个轨迹点处；然后，上连接杆与下连接杆通过螺栓和螺母连接，将果树主枝夹持在上连接杆和下连接杆之间的夹持空间内。接着，启动两个伺服电机，分别驱动第四连杆和转轴转动；第四连杆带动第三连杆转动；转轴带动第一连杆转动，第一连杆带动第二连杆转动；第二连杆和第三连杆进行协同运动，通过螺纹连接杆向外输出；最后，下连接杆和上连接杆一同强迫果树主枝沿着设计好的输出螺纹杆顶端中心点的运动轨迹运动，从而将螺纹连接杆运动的能量传递给果树主枝。
本发明具有的有益效果是：
本发明采用五杆机构，并通过两个伺服电机协同运动驱动两个连杆，使输出螺纹杆输出的运动轨迹满足变频变幅非圆周运动，以适应不同的果树类型；通过夹持机构夹住果树主枝，强迫果树主枝沿着输出螺纹杆输出的运动轨迹运动，从而将输出螺纹杆运动的能量传递给果树主枝。本发明具有刚度大、精度高、结结构稳定以及空间小等优点。本发明开展变频变幅非圆周运动的振动式采收机械研究，对提高我国果园的机械化水平具有重大意义，同时也具有广泛的市场价值。
附图说明
图1是本发明的整体结构俯视图。
图2是本发明的整体结构侧视图。
图3是本发明的整体结构立体图。
图4是本发明在初始安装位置的机构运动简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1、2和3所示，一种变频变幅激励式果品振动采收机构，包括五杆机构、夹持机构、动力机构、箱体和控制系统。动力机构包括伺服电机3和电机固定架2；伺服电机3设有两个，两个伺服电机均由控制系统16控制；伺服电机3的底座与电机固定架2通过螺栓和螺母连接；电机固定架2固定在箱体内；五杆机构包括第一连杆4、第二连杆6、第三连杆7、第四连杆9、第一销钉5、第二销钉8和转轴12；第一连杆4、第二连杆6、第三连杆7和第四连杆9的杆长均相等，两个伺服电机的输出轴中心距为第一连杆4杆长的两倍。一个伺服电机3的输出轴与转轴12固定；第一连杆4一端与转轴12通过紧定螺钉固定，另一端与第二连杆6一端通过第一销钉5铰接；第二连杆6另一端与第三连杆7一端通过夹持机构的螺纹连接杆13铰接；第三连杆7另一端与第四连杆9一端通过第二销钉8铰接；第四连杆9另一端与另一个伺服电机的输出轴固定。第一连杆4与第二连杆6的铰接方式具体为：第一销钉5一端通过第一轴承支承在第一连杆4开设的轴承安装孔内，另一端与第二连杆6固定，第一连杆4的轴承安装孔内设有与第一连杆4一体成型的第一凸环，第一轴承的两端分别通过第一凸环和与第一销钉5上的外螺纹连接的螺母定位；第三连杆7与第四连杆9的铰接方式具体为：第二销钉8一端通过第二轴承支承在第三连杆7开设的轴承安装孔内，另一端与第四连杆9固定，第三连杆7的轴承安装孔内设有与第三连杆7一体成型的第二凸环，第二轴承的两端分别通过第二凸环和与第二销钉8上的外螺纹连接的螺母定位；第二连杆6与第三连杆7的铰接方式具体为：螺纹连接杆13的底端与第三连杆7固定，中部通过第三轴承支承在第二连杆6开设的轴承安装孔内，第二连杆6的轴承安装孔内设有与第二连杆6一体成型的第三凸环，第三轴承的两端分别通过第三凸环和与螺纹连接杆13上的外螺纹连接的螺母定位。
如图2所示，夹持机构包括输出螺纹杆13、下连接杆14和上连接杆15。下连接杆14与输出螺纹杆13顶端固定；上连接杆15与下连接杆14通过螺栓和螺母连接，并合围成夹持空间。
如图1和3所示，箱体包括底板1、侧板10、前部板11和后部板，侧板10、前部板11和后部板的底部均与底板1固定，前部板11和后部板两端均通过一块侧板10固定连接。
设计好输出螺纹杆13顶端中心点的运动轨迹，通过下连接杆14和上连接杆15夹持果树主枝，就能强迫果树主枝沿着输出螺纹杆13顶端中心点的运动轨迹运动。输出螺纹杆13顶端中心点的运动轨迹设计过程如下：选取至少180个轨迹点，保证在同一个极坐标系中，相邻的每两个轨迹点之间的极角相等；相邻的每两个轨迹点用直线连接，从而形成封闭的点P的运动轨迹。
如图4所示，第一连杆4与伺服电机连接那端的旋转中心记为A1点，第四连杆9与伺服电机连接那端的旋转中心记为A2点，第一连杆4与第二连杆6的铰接中心记为B1点，第四连杆9与第三连杆7的铰接中心记为B2点，并设定A2点与A1点的距离A1A2＝2r，A1点与B1点的距离A1B1、A2点与B2点的距离A2B2、B1点与输出螺纹杆13顶端中心点P的距离B1P以及B2点与输出螺纹杆13顶端中心点P的距离B2P均为r，其中，2r取值大于运动轨迹上相距最远的两个轨迹点之间的距离；A2点与A1点连线方向设为x轴方向，垂直于A2点与A1点连线方向设为y轴方向，A2点与A1点的对称中心点设为坐标原点o，在输出螺纹杆13顶端端面上建立坐标系xoy，则输出螺纹杆13顶端中心点P的坐标方程为：
Figure BDA0002073809910000051
其中，θ1和θ2分别为第一连杆4和第四连杆9相对x轴正向(x轴正向、y轴正向根据需要设定即可，并不影响点P的运动轨迹)的角位移，xP和yP分别为点P的x轴和y轴坐标。
将设计好的输出螺纹杆13顶端中心点的运动轨迹上各轨迹点的x轴和y轴坐标代入输出螺纹杆13顶端中心点P的坐标方程中，便能求得各轨迹点对应的θ1和θ2，从而求得两个伺服电机3的转角相对关系；通过控制两个伺服电机3的转角，使两个伺服电机3的转角满足两个伺服电机3的转角相对关系，便能使输出螺纹杆13顶端中心点P按照设计好的运动轨迹运动。
该变频变幅激励式果品振动采收机构的采收方法，具体步骤如下：
首先，使输出螺纹杆13顶端中心点P的初始位置位于设计好的运动轨迹的其中一个轨迹点处，如图4所示。然后，上连接杆15与下连接杆14通过螺栓和螺母连接，将果树主枝夹持在上连接杆15和下连接杆14之间的夹持空间内。接着，启动两个伺服电机，分别驱动第四连杆9和转轴12转动；第四连杆9带动第三连杆7转动；转轴12带动第一连杆4转动，第一连杆4带动第二连杆6转动；第二连杆6和第三连杆7进行协同运动，通过螺纹连接杆13向外输出；最后，下连接杆14和上连接杆15一同强迫果树主枝沿着设计好的输出螺纹杆13顶端中心点P的运动轨迹运动，从而将螺纹连接杆运动的能量传递给果树主枝。
需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种变频变幅激励式果品振动采收机构，包括夹持机构、动力机构、箱体和控制系统，其特征在于：还包括五杆机构；所述的动力机构包括伺服电机和电机固定架；伺服电机设有两个，两个伺服电机均由控制系统控制；伺服电机的底座与电机固定架通过螺栓和螺母连接；电机固定架固定在箱体内；所述的五杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一销钉、第二销钉和转轴；第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的杆长均相等，两个伺服电机的输出轴中心距为第一连杆杆长的两倍；一个伺服电机的输出轴与转轴固定；第一连杆一端与转轴通过紧定螺钉固定，另一端与第二连杆一端通过第一销钉铰接；第二连杆另一端与第三连杆一端通过夹持机构的螺纹连接杆铰接；第三连杆另一端与第四连杆一端通过第二销钉铰接；第四连杆另一端与另一个伺服电机的输出轴固定；第一连杆与第二连杆的铰接方式具体为：第一销钉一端通过第一轴承支承在第一连杆开设的轴承安装孔内，另一端与第二连杆固定，第一连杆的轴承安装孔内设有与第一连杆一体成型的第一凸环，第一轴承的两端分别通过第一凸环和与第一销钉上的外螺纹连接的螺母定位；第三连杆与第四连杆的铰接方式具体为：第二销钉一端通过第二轴承支承在第三连杆开设的轴承安装孔内，另一端与第四连杆固定，第三连杆的轴承安装孔内设有与第三连杆一体成型的第二凸环，第二轴承的两端分别通过第二凸环和与第二销钉上的外螺纹连接的螺母定位；第二连杆与第三连杆的铰接方式具体为：螺纹连接杆的底端与第三连杆固定，中部通过第三轴承支承在第二连杆开设的轴承安装孔内，第二连杆的轴承安装孔内设有与第二连杆一体成型的第三凸环，第三轴承的两端分别通过第三凸环和与螺纹连接杆上的外螺纹连接的螺母定位；
所述的夹持机构包括输出螺纹杆、下连接杆和上连接杆；下连接杆与输出螺纹杆顶端固定；上连接杆与下连接杆通过螺栓和螺母连接，并合围成夹持空间；
输出螺纹杆顶端中心点的运动轨迹设计过程如下：选取至少180个轨迹点，保证在同一个极坐标系中，相邻的每两个轨迹点之间的极角相等；相邻的每两个轨迹点用直线连接，从而形成封闭的输出螺纹杆顶端中心点的运动轨迹；
第一连杆与伺服电机连接那端的旋转中心记为A1点，第四连杆与伺服电机连接那端的旋转中心记为A2点，第一连杆与第二连杆的铰接中心记为B1点，第四连杆与第三连杆的铰接中心记为B2点，并设定A2点与A1点的距离A1A2＝2r，A1点与B1点的距离A1B1、A2点与B2点的距离A2B2、B1点与输出螺纹杆顶端中心点P的距离B1P以及B2点与输出螺纹杆顶端中心点P的距离B2P均为r，其中，2r取值大于运动轨迹上相距最远的两个轨迹点之间的距离；A2点与A1点连线方向设为x轴方向，垂直于A2点与A1点连线方向设为y轴方向，A2点与A1点的对称中心点设为坐标原点o，在输出螺纹杆顶端端面上建立坐标系xoy，则输出螺纹杆顶端中心点P的坐标方程为：
Figure FDA0002565936180000021
其中，θ1和θ2分别为第一连杆和第四连杆相对x轴正向的角位移，xP和yP分别为点P的x轴和y轴坐标；
将设计好的输出螺纹杆顶端中心点的运动轨迹上各轨迹点的x轴和y轴坐标代入输出螺纹杆顶端中心点P的坐标方程中，便能求得各轨迹点对应的θ1和θ2，从而求得两个伺服电机的转角相对关系；通过控制两个伺服电机的转角，使两个伺服电机的转角满足两个伺服电机的转角相对关系，便能使输出螺纹杆顶端中心点P按照设计好的运动轨迹运动。
2.根据权利要求1所述的一种变频变幅激励式果品振动采收机构，其特征在于：所述的箱体包括底板、侧板、前部板和后部板，侧板、前部板和后部板的底部均与底板固定，前部板和后部板两端均通过一块侧板固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种变频变幅激励式果品振动采收机构的采收方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
首先，使输出螺纹杆顶端中心点的初始位置位于设计好的运动轨迹的其中一个轨迹点处；然后，上连接杆与下连接杆通过螺栓和螺母连接，将果树主枝夹持在上连接杆和下连接杆之间的夹持空间内；接着，启动两个伺服电机，分别驱动第四连杆和转轴转动；第四连杆带动第三连杆转动；转轴带动第一连杆转动，第一连杆带动第二连杆转动；第二连杆和第三连杆进行协同运动，通过螺纹连接杆向外输出；最后，下连接杆和上连接杆一同强迫果树主枝沿着设计好的输出螺纹杆顶端中心点的运动轨迹运动，从而将螺纹连接杆运动的能量传递给果树主枝。
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