【正文】 tion , reasonable partition parameters need to be estimated to ensure the carrot fruit feeding separated . Utilizing the principle of screening, this machine use the sorting slot of which length vary from small to large , realizing the grading of carrot in accordance with the length. In order to ensure good convergence of two parts, the speed of the conveyor device classification should be reasonably determined after analyzing the carrot’s state of motion when it output from the feeding device. The principle of this machine is feasible and can grading carrots efficiently .With simple structure and convenient operation,this machine will liberate of a large labor force, promote the prosses of mercialization for carrot , fill the gaps in the long rodshaped fruit grader. Key words: carrot。 grader。 feeding device 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒 論 本課題研究 的目的和意義 我國(guó)胡蘿卜的種植面積和產(chǎn)量均居世界領(lǐng)先地位，并始終保持增長(zhǎng)的狀態(tài)。同時(shí)，胡蘿卜作為我國(guó)傳統(tǒng)的出口產(chǎn)品，是國(guó)際貿(mào)易中主要?jiǎng)?chuàng)匯蔬菜品種之一，出口市場(chǎng)集中于亞洲，特別是日韓等周邊國(guó)家，規(guī)格多以大中型胡蘿卜為主。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，胡蘿卜作為健康果蔬品種之一，被人們直接食用或加工成菜肴，規(guī)格多以中小型胡蘿卜為主。另外，以胡蘿卜為原料，開(kāi)發(fā)的保健品，藥物以及食品添加劑等產(chǎn)品也具有巨大的市場(chǎng)潛力。國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)胡蘿卜的需求，為該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了機(jī)遇，也提高了對(duì)胡蘿卜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的迫切要求。對(duì)胡蘿卜進(jìn)行分級(jí)包裝，以統(tǒng)一的高品質(zhì)規(guī)格進(jìn)入市場(chǎng)，適應(yīng)不同層次市場(chǎng)的需求，不僅方便儲(chǔ)運(yùn)，還能夠大大提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)造良好的效益 [13]。 目前，我國(guó)進(jìn)行機(jī)械化果蔬分級(jí)的企業(yè)較少，裝備也落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，分級(jí)工作基本上依靠機(jī)械與人工相配合的方式實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)普遍采用的果蔬分級(jí)裝置有活動(dòng)果托式、篩選式、滾筒式、回轉(zhuǎn)帶式、輥軸式等等 [45]，然而這些分級(jí)裝置主要針對(duì)類球形、易于滾動(dòng)的果蔬，如蘋(píng)果、橘子等。對(duì)于胡蘿卜這種長(zhǎng)桿狀且粗細(xì)不均的果蔬并不適用。在查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料后，發(fā)現(xiàn)目前胡蘿卜自動(dòng)分級(jí)機(jī)尚未出現(xiàn)。我國(guó)胡蘿卜分級(jí)普遍采用手工和半自動(dòng)兩種方式。手工分選，勞動(dòng)強(qiáng)度高，效率低，勞動(dòng)力消耗大，耗時(shí)多，主觀性強(qiáng)，難以保證質(zhì)量。半自動(dòng)分級(jí)是采用自動(dòng)輸送、人工分級(jí)的方式。該方式效率有所提高、勞動(dòng)力消耗有所下降，但分級(jí)主觀性依然存在，分級(jí)質(zhì)量不高。在高效率生產(chǎn)和勞動(dòng)成本不斷提高的今天，胡蘿卜分級(jí)作業(yè)的機(jī)械化儼然已是必然趨勢(shì)。 為了提高胡蘿卜采 摘后處理的機(jī)械化水平，我們提出了運(yùn)行可靠、成本低廉的胡蘿卜自動(dòng)分級(jí)包裝機(jī)。該裝置可以大大提高胡蘿卜的分級(jí)效率，傷果率低，分級(jí)精度高，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，且釋放了大量的勞動(dòng)力，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，該裝置也適用黃瓜，茄子等長(zhǎng)桿狀果蔬，彌補(bǔ)了該類果蔬分級(jí)裝置的空白。 胡蘿卜 基本物理特性 及分級(jí)指標(biāo) 胡蘿卜 是 傘形科植物，其根部被人們直接食用，并被用于藥品、保健以及美容等領(lǐng)域[3]。按照農(nóng)業(yè)物料學(xué)的研究方法，胡蘿卜根部為截頭正圓錐體，呈一頭粗，一頭小的不規(guī)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 則細(xì)長(zhǎng)桿狀，其基本物料特性與機(jī)械裝備尺寸的合理確定息息 相關(guān)，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供了可靠合理的設(shè)計(jì)依據(jù)以及檢驗(yàn)指標(biāo)，具體參數(shù)如表 11 所示 [6]。另外，胡蘿卜的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) [7]制定 ,將胡蘿卜按照長(zhǎng)度分為大 (L)、中 (M)、小 (S)三種規(guī)格，規(guī)格要求如表 12所示。 表 11 胡蘿卜基本物料特性參數(shù) 表 12 胡蘿卜國(guó)家分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)格 大（ L） 中（ M） 小（ S） 長(zhǎng)度 20 15~20 15 同一包裝中允許誤差 ≤3 ≤2 ≤1 果蔬分級(jí)機(jī) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó) 外果蔬分級(jí)機(jī) 研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)外果蔬分級(jí)機(jī)的研究主要集中于無(wú)損檢測(cè)等高新 技術(shù)，比如果蔬的電學(xué)特性、光學(xué)特性、聲波振動(dòng)特性、核磁共振技術(shù)、撞擊技術(shù)、電子鼻技術(shù)以及機(jī)械視覺(jué)技術(shù)等都已得到應(yīng)用。其中機(jī)械視覺(jué)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中運(yùn)用最廣且理論日趨成熟，也是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題 [89]。 機(jī)械視覺(jué)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中主要用于檢測(cè)果蔬的外觀品質(zhì)。通過(guò)高速相機(jī)進(jìn)行拍照，將圖片數(shù)字化后，與前期所采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，由計(jì)算機(jī)做出相應(yīng)的決策并控制分級(jí)執(zhí)行件動(dòng)作，完成果蔬分級(jí)。其外觀品質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)主要有顏色、大小、表面缺陷、形狀和紋理等 [6]。現(xiàn)在，國(guó)外也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水果顏色的自動(dòng)分級(jí)，并且已有多 家大型果蔬設(shè)備制造廠商進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的開(kāi)發(fā)推廣，例如 荷蘭的 GREEFA 水果分級(jí)線， 代表型號(hào)有GeoSort 和 SmartSort；美國(guó) Merling 高頻計(jì)算機(jī)水果分級(jí)系統(tǒng)， OSCARTM 型和 NERLIN青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 型高速水果分級(jí)生產(chǎn)線，以及法國(guó)的 Maf— Roda、意大利的 Unitec、新西蘭的 Compas，西班牙的 Fomesa 等都是全球化的果蔬分級(jí)包裝設(shè)備公司 [9]。該類生產(chǎn)線上的檢測(cè)分揀裝置的機(jī)械形式也是多種多樣。比如 Aaron J. Warkentin 所設(shè)計(jì)的基于機(jī)械視覺(jué)的果蔬分級(jí)線 [10]。如圖 11 所示為整體分級(jí)線 ，圖 12 為果杯式杠桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。 圖 11 基于機(jī)械視覺(jué)的果蔬分級(jí)線 圖 12 果杯式杠桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 分級(jí)線前端為輥軸輸送裝置，果蔬安放于兩輥軸間形成凹槽內(nèi)往前輸送，在此輸送線上進(jìn)行果蔬外表的檢測(cè)，并判斷相應(yīng)等級(jí)。分級(jí)線后端為果杯式杠桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在判別好等級(jí)信號(hào)后，通過(guò)控制元件，使得電磁鐵通電，拉動(dòng)杠桿一端的果杯向上并翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)。該分級(jí)線效率高，但由于前端的雙錐式輥軸輸送裝置無(wú)法拍攝到果品的整個(gè)外觀信息，常用于分級(jí)精度要求不高的場(chǎng)所。 為了解決采集整個(gè)果品信息圖像這一問(wèn)題， Gee A. Mills 對(duì)輥軸輸送裝置進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種活動(dòng)轉(zhuǎn)輥式輸送裝置 [11]。輥軸受到下方反向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦帶的作用，使得位于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 輥軸間的果蔬能夠在上方轉(zhuǎn)動(dòng)，以采集到各個(gè)表面的圖像。 圖 13 活動(dòng)轉(zhuǎn)輥式輸送裝置工作示意圖 Luciano Gentili 設(shè)計(jì)了一種全新的輸送卸料裝置 — 雙錐式滾子輸送翻轉(zhuǎn)裝置 [12]，如圖14 所示。該裝置的果托由兩根靠?jī)蓚?cè)摩擦板帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的輥軸組成，果蔬位于其凹槽內(nèi)能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以采集到整個(gè)表面的信息。卸料時(shí)，通過(guò)增高果盤(pán)的一側(cè)活動(dòng)端，使果盤(pán)傾斜，果蔬從傾斜的托盤(pán)中滾落，完成分 級(jí)卸料。 圖 14 雙錐式滾子輸送翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)圖 基于機(jī)械視覺(jué)的果蔬分級(jí)線的生產(chǎn)效率和分級(jí)精度相較于傳統(tǒng)機(jī)械式分級(jí)要高的多，適用范圍廣，且屬于無(wú)接觸式檢測(cè)，對(duì)果蔬損傷小。但整機(jī)造價(jià)高且安裝維護(hù)較困難，故常用于大型果蔬加工廠和大型農(nóng)場(chǎng)，對(duì)于國(guó)內(nèi)的小作坊式果蔬加工廠而言成本較高，故在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 按照果品的尺寸大小進(jìn)行機(jī)械分級(jí)仍然是我國(guó)果蔬分級(jí)產(chǎn)業(yè)的主流。普遍采用的尺寸分級(jí)方式有滾筒式、帶式、輥軸式等 [13]。 （ 1）滾筒式 滾筒式分級(jí)機(jī)根據(jù)每一級(jí)滾筒上分級(jí)孔眼的大 小不同，依次對(duì)果蔬進(jìn)行分級(jí)。傳統(tǒng)的滾筒式分級(jí)機(jī)采用多級(jí)滾筒水平布置，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，但在各級(jí)滾筒銜接處容易產(chǎn)生機(jī)械損傷，傷果率高，因此也衍生了相應(yīng)的改進(jìn)機(jī)型。中國(guó)包裝和食品機(jī)械公司生產(chǎn)的 FJ1 型多級(jí)滾筒分級(jí)機(jī) [14]。物料靠自重在 V 型槽內(nèi)順序滾動(dòng)輸送，依次將其送入開(kāi)有孔徑逐漸變大的分級(jí)孔的滾筒外壁上方。物料在每一級(jí)分級(jí)滾筒上自動(dòng)進(jìn)行果徑的校核，直至小于分級(jí)孔的直徑，物料落入果盤(pán)，完成分級(jí)，否則進(jìn)入 V型槽繼續(xù)前進(jìn)，將物料由小到大依次分成若干等級(jí)。該裝置的分級(jí)滾筒呈階梯狀布置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且調(diào)整方便，但占用 空間大且物料在自重下滾動(dòng)輸送，分級(jí)速度不宜控制，果蔬在分級(jí)過(guò)程中易夾果造成機(jī)械損傷，普遍適用于蘋(píng)果、柑橘等中型球形果蔬。 圖 15 多級(jí)滾筒分級(jí)機(jī) 1 輥軸 2 分級(jí)滾筒 3 V型導(dǎo)果槽板 4 喂料閥門(mén) 5 果箱 6 手把 7 板車(chē)輪 8 電機(jī) 9 接果盤(pán) 10 機(jī)架 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在此原理上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)的白果分級(jí)機(jī) [15]以及銀杏分級(jí)機(jī) [16]采用多層滾筒分級(jí)的方式，如圖 16 所示。通過(guò)直徑依次減小的各層滾筒嵌套固聯(lián)在一起進(jìn)行分級(jí)，果蔬沿旋轉(zhuǎn)的滾筒內(nèi)壁上升，上升一定高度后靠重力松散落下進(jìn)行果徑的校核 。內(nèi)層果蔬在進(jìn)入下級(jí)篩選時(shí)，還具有一定的撞擊作用，防止了篩孔堵塞。在滾筒的兩側(cè)安裝有錐筒形返料板，增加了物料在滾筒內(nèi)分級(jí)時(shí)間，改善了分級(jí)效果。該裝置所分級(jí)的各級(jí)果蔬由內(nèi)層到外層尺寸依次變小，并能有效控制分級(jí)速度，減小了整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，簡(jiǎn)化了傳功系統(tǒng)，適用于圣女果、紅棗以及堅(jiān)果等小型果蔬。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 16 白果分級(jí)機(jī) 1 電機(jī) 2 減速器 3 進(jìn)料機(jī)構(gòu) 4 滾筒篩體 5 機(jī)架 6 卸料斗 遼寧省農(nóng)機(jī)站所設(shè)計(jì)的滾筒式分級(jí)機(jī) [17]，如圖 17 所示。該機(jī)采用單個(gè)滾筒傾斜安裝，滾筒上不同部位開(kāi)有孔徑由小到 大的篩選孔，當(dāng)物料在滾筒內(nèi)逐步往前輸送的過(guò)程中，依次在各部分分級(jí)區(qū)域進(jìn)行校核實(shí)現(xiàn)分級(jí)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，但在輸送過(guò)程中容易夾果，且分級(jí)精度較低，易產(chǎn)生竄級(jí)，適用于球形果蔬。 圖 17 滾筒式分級(jí)機(jī) 1 進(jìn)料斗 2 滾筒 3 滾圈 4 摩擦輪 5 鉸鏈 6 收集料斗 7 機(jī)架 8 傳動(dòng)系統(tǒng) 塔里木大學(xué)通過(guò)優(yōu)化滾筒轉(zhuǎn)速以及滾筒內(nèi)部加裝的變距內(nèi)螺旋輸送葉的螺距 [18]，克服了傳統(tǒng)分級(jí)機(jī)竄級(jí)現(xiàn)象，提高了生產(chǎn)效率。滾筒式分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分級(jí)效率高，是我國(guó)最常用的果蔬等級(jí)分級(jí)機(jī)。但物料經(jīng)過(guò)多次翻滾完成分級(jí) ，在分級(jí)過(guò)程中往往帶有一定的沖擊及夾果現(xiàn)象，傷果率高，且一般只適用于球形果蔬，很難推廣到胡蘿卜這種長(zhǎng)桿狀果蔬。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 18 變螺距柵條式紅棗分級(jí)裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1 進(jìn)料斗 2 傳動(dòng)鏈條 3 鏈輪 4 柵條滾筒 5 螺旋輸送葉片 6 電動(dòng)機(jī) 7 出料斗 8 清篩裝置 9 機(jī)架 （ 2）帶式 帶式分級(jí)機(jī)由兩相隔間距逐漸變大的回轉(zhuǎn)帶組成，在果蔬挾持于兩回轉(zhuǎn)帶間往前輸送，當(dāng)果蔬直徑小于兩條回轉(zhuǎn)帶間隙時(shí)則落入下方的相應(yīng)等級(jí)的輸送帶輸出。回轉(zhuǎn)帶常用包有氯丁橡膠的不銹鋼制成， Atlas Pacific 公司生產(chǎn)的帶式分級(jí)機(jī) 已經(jīng)很好的適用于桃、蘋(píng)果等圓形水果的分級(jí) [19]。 圖 19 Atlas Pacific 公司帶式分級(jí)機(jī) 由帶式分級(jí)機(jī)衍生出來(lái)的還有雙輥式以及輥帶式分級(jí)機(jī)。常用的輥帶式分級(jí)機(jī)又有等徑輥帶式和變徑輥帶式兩種形式 [20]。等徑輥帶式分級(jí)機(jī)通過(guò)回轉(zhuǎn)帶帶面與圓柱形分級(jí)輥回轉(zhuǎn)軸線呈一定角度布置產(chǎn)生由小變大的間隙，變徑輥帶式采用錐形分級(jí)輥或者多段直徑不同的分級(jí)輥，兩回轉(zhuǎn)軸線水平布置，簡(jiǎn)化安裝和傳動(dòng)。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)就雙輥式分級(jí)裝置 [21]進(jìn)行了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為其設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇提出了理論依據(jù)，并提出需要相應(yīng)的送果機(jī)構(gòu) 配合使用的要求，以保證水果以一定的間距進(jìn)入分級(jí)輥。廣西大學(xué)就 5BF3 型輥 帶水果分級(jí)機(jī) [22]為試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)各個(gè)影響水果分級(jí)精度的因素進(jìn)行了優(yōu)化，將分級(jí)精度提高到了 96%。輥帶式分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，但分級(jí)精度低，且需要配套的送果機(jī)構(gòu)配青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 合使用。適用于紅棗，蘋(píng)果等球型果蔬，對(duì)于胡蘿卜這種長(zhǎng)桿狀果蔬也可進(jìn)行直徑分級(jí)，但需配套設(shè)備將胡蘿卜夾持入輥帶之間才能正常工作。 圖 110 帶式分級(jí)機(jī)及其衍變形式 （ 3）輥軸式 輥軸式分級(jí)機(jī)是通過(guò)在特制的輸送鏈條上安裝具有一定自由度的輥軸，利用變間距螺桿 或者導(dǎo)軌上的突起物，改變相鄰滾桿的間距完成分級(jí)。新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的 6JGG1000型可變間隙輥軸式果蔬分級(jí)機(jī)以及其改進(jìn)機(jī)型 6FG3000 型滾杠式青核桃分級(jí)機(jī) [23， 24]。采用長(zhǎng)鏈節(jié)的輸送鏈，鏈板上開(kāi)有水平長(zhǎng)槽，輥軸兩端安裝于長(zhǎng)槽內(nèi)，在一定距離上有水平移動(dòng)的自由度，輥軸伸出端安裝于旋轉(zhuǎn)的變螺距螺桿的螺旋軌道中，輥軸在隨鏈條往前輸送的過(guò)程中，受到變螺距螺桿的限制，控制相鄰兩輥軸的間距發(fā)生平穩(wěn)