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摘要：随着我国林果产业的发展，果树管理作业劳动量增大，果树修剪作业是果树管理作业中的重要环节之一。针对果树修剪的作業特点，设计了剪枝机械手的剪刀头，并在Inventor软件中构建了其三维模型，利用软件内嵌的ANSYS技术对剪枝机械手剪刀头刀具进行有限元分析，得出高枝剪的工作安全系数。进行了实际果园作业实验，验证软件中所得高枝剪的分析数据，提高了修剪作业效率。
关键词：剪枝机械手； 修剪； 有限元分析
Abstract: With the development of China's fruit industry, fruit tree management work increases, fruit tree pruning operation is an important link in the management of fruit trees in operation. According to the operation characteristics of fruit tree pruning, pruning scissors head designed manipulator, and constructs a three-dimensional model in Inventor software, the finite element analysis of the mechanical hand scissors head pruning tools using software embedded ANSYS technology, the high branch shears the work safety factor. The orchard operation experiment, the verification of software in the high branches of data analysis of shear, improve the pruning operation efficiency.
Key words: pruning robot; pruning; finite element analysis
中图分类号：S22
0 引言
修剪，是果树管理中的重要环节，它对延长果树寿命、提高果品产量和质量起着关键性的作用。 [1]。我国的水果生产量居世界首位，果树种植分布地跨大江南北，但是，目前果树管理基本上处于人工作业，相对制约了林果业的产业化发展，实现果树管理机械化是果农的迫切要求。剪枝机械手是果树修剪机械化作业中一种重要的机械工具，其关键部件是剪枝机械手剪刀头，如图1所示。剪刀头的合理设计设计对降低果农劳动强度，提高果树枝条修剪质量和作业效率有着重要的意义。
图1 剪刀头
1.工作原理
剪刀头有上下两个刀组成：上刀为动刀起切割作用；下刀为定刀，起支撑作用。剪刀头剪切枝条的工作原理与一般剪刀相似，是利用杠杆原理将力作用于剪刀头上下刀之间的枝条，剪切使其断裂。剪枝机械手剪刀头的刀刃成圆滑弧线，在切割枝条时为滑切，较为省力[2]。
2.剪刀头的设计
当上刀与下刀即将交合时，连杆BC应与杆CD成一条直线，即连杆的B点运动到E点，此时机构处于“死点”位置，下刀虽然受到很大的力，但上刀不会越过“死点”接着运动，不会使下刀因频繁冲击而受损，这样可以提高上下刀的使用寿命。如图2所示，由几何学可知，A、B在同一连杆上，G到F所转过的角度α与B到E所转过的角度β相等，此时该连杆机构B点处于死点位置，有α＝β
设计的剪枝机械手的最大剪枝直径是25mm,由图中可以量的
===0.333
α′=2arcsin =2×=45°
因此由图中量取连杆与水平的夹角γ=25°
图2剪刀头结构分析图
3.有限元分析
3.1基本假设
在AIP中进行有限元分析之前要进行基本的假设。对参数化模型的假设包括：
（1）认为高枝剪刀具的材料是各向同性；
（2）受力过程中的变形量与实际尺寸相比相当小；
（3）工作过程中剪刀承受的是静载荷。
3.2载荷计算
握力式剪枝机械手剪切力来自于人手的握力，人手的握力的大小可以根据以下回归方程[3]计算得出。
（男），
（女）
（g取9.8N/kg）
GS——握力的千克数；
KG——人体体重；
F——人手的握力。
手柄的力臂与剪刀的力臂之约比为5:2，杠杆原理知剪刀剪切力为。
有滑切经验公式[4]为：
常数
P——切割阻力；
s——滑切长度（刀刃沿刃线方向移动的距离，与切割角α有关）；
即：
——滑切力（此时滑切力等于剪刀的剪切力，即：）；
——滑切长度（）；
——正切力；
d——枝条直径。
整理以上公式得出：
设计中握力式高枝剪剪刀的切割角取12°。因此，经计算得出。
使用最大量程为1000N的推拉力计，安装一个带有刀片的刀头，选择桃树不同位置的多根枝条，针对直径不等的多组枝条分别进行50次剪切实验，并记录数据，实验表明在直径小于15mm范围内的枝条均可以成功被切断。当取极大值1000N时，值仍然在人手的正常握力范围内。
3.3剪刀头刀具的有限元分析
参考市场上已有的一些农用刀具（如剪刀、菜刀等）的材料，高枝剪刀的材料选择不锈钢440C，这种不锈钢具有较高的硬度，屈服强度高（Qs=689MPa），塑性好，适合制作高质量刀具，可用于耐腐蚀环境下，材料属性如图3所示。
图3 材料属性
根据剪切试验所得的数据对高枝剪的剪刀施加载荷。并利用AIP中的ANSYS进行有限元分析，得到高枝剪剪刀的等效应力、安全系数和变形量。在机械设计中只有安全系数k≥1的设计才可以被接受，一般认为控制在2~4之间的设计最为合理，而且设计中最大等效应力要小于材料的屈服强度，各个方向的变形量要控制在5mm以内[5,6]。分析结果得到剪刀的最大等效应为541.74MPa小于Qs。最大变形量约为0.31mm<5mm，最小安全系数为1.27>1。图4是软件分析所得的变形、安全系数和等效应力的云图。
（a） （b） （c）
图4有限元分析图
4.试验与结论
选择春季和冬季分别在桃园和苹果园进行剪枝实验。在操作过程中发现剪枝机械手携带轻便，操作省力，可以轻松剪断直径小于20mm的枝条，也可以对直径更大（小于30mm）的枝条进行修剪，并且刀具完好无损。
针对果树修剪的作业特点，设计了剪枝机械手的剪刀头，并在Inventor软件中构建了其三维模型。利用软件内嵌的ANSYS技术对剪枝机械手剪刀头刀具进行有限元分析，得出高枝剪的工作安全系数。田间试验表明，本文所设计的剪刀机械手剪刀头能够完成果树修剪作业，且操作轻便、省力，对提高果园作业效率有重要意义。
参考文献：
[1] 葛世康. 谈谈果树的冬季修剪，果树园林[J].2010(11);13
[2] 寻怀义.滑切理论探讨[J].农业机械学报，1979年12月，10（4）：108-110.
[3] 卢昌亚.大学生握力分级标准研究[J].体育学刊，1998年，1：34-35
[4] 北京农业工程大学．农业机械学（下册）[M]．北京：中国农业出版社，1991：8．
关键词：剪枝机械手； 修剪； 有限元分析
Abstract: With the development of China's fruit industry, fruit tree management work increases, fruit tree pruning operation is an important link in the management of fruit trees in operation. According to the operation characteristics of fruit tree pruning, pruning scissors head designed manipulator, and constructs a three-dimensional model in Inventor software, the finite element analysis of the mechanical hand scissors head pruning tools using software embedded ANSYS technology, the high branch shears the work safety factor. The orchard operation experiment, the verification of software in the high branches of data analysis of shear, improve the pruning operation efficiency.
Key words: pruning robot; pruning; finite element analysis
中图分类号：S22
0 引言
修剪，是果树管理中的重要环节，它对延长果树寿命、提高果品产量和质量起着关键性的作用。 [1]。我国的水果生产量居世界首位，果树种植分布地跨大江南北，但是，目前果树管理基本上处于人工作业，相对制约了林果业的产业化发展，实现果树管理机械化是果农的迫切要求。剪枝机械手是果树修剪机械化作业中一种重要的机械工具，其关键部件是剪枝机械手剪刀头，如图1所示。剪刀头的合理设计设计对降低果农劳动强度，提高果树枝条修剪质量和作业效率有着重要的意义。
图1 剪刀头
1.工作原理
剪刀头有上下两个刀组成：上刀为动刀起切割作用；下刀为定刀，起支撑作用。剪刀头剪切枝条的工作原理与一般剪刀相似，是利用杠杆原理将力作用于剪刀头上下刀之间的枝条，剪切使其断裂。剪枝机械手剪刀头的刀刃成圆滑弧线，在切割枝条时为滑切，较为省力[2]。
2.剪刀头的设计
当上刀与下刀即将交合时，连杆BC应与杆CD成一条直线，即连杆的B点运动到E点，此时机构处于“死点”位置，下刀虽然受到很大的力，但上刀不会越过“死点”接着运动，不会使下刀因频繁冲击而受损，这样可以提高上下刀的使用寿命。如图2所示，由几何学可知，A、B在同一连杆上，G到F所转过的角度α与B到E所转过的角度β相等，此时该连杆机构B点处于死点位置，有α＝β
设计的剪枝机械手的最大剪枝直径是25mm,由图中可以量的
===0.333
α′=2arcsin =2×=45°
因此由图中量取连杆与水平的夹角γ=25°
图2剪刀头结构分析图
3.有限元分析
3.1基本假设
在AIP中进行有限元分析之前要进行基本的假设。对参数化模型的假设包括：
（1）认为高枝剪刀具的材料是各向同性；
（2）受力过程中的变形量与实际尺寸相比相当小；
（3）工作过程中剪刀承受的是静载荷。
3.2载荷计算
握力式剪枝机械手剪切力来自于人手的握力，人手的握力的大小可以根据以下回归方程[3]计算得出。
（男），
（女）
（g取9.8N/kg）
GS——握力的千克数；
KG——人体体重；
F——人手的握力。
手柄的力臂与剪刀的力臂之约比为5:2，杠杆原理知剪刀剪切力为。
有滑切经验公式[4]为：
常数
P——切割阻力；
s——滑切长度（刀刃沿刃线方向移动的距离，与切割角α有关）；
即：
——滑切力（此时滑切力等于剪刀的剪切力，即：）；
——滑切长度（）；
——正切力；
d——枝条直径。
整理以上公式得出：
设计中握力式高枝剪剪刀的切割角取12°。因此，经计算得出。
使用最大量程为1000N的推拉力计，安装一个带有刀片的刀头，选择桃树不同位置的多根枝条，针对直径不等的多组枝条分别进行50次剪切实验，并记录数据，实验表明在直径小于15mm范围内的枝条均可以成功被切断。当取极大值1000N时，值仍然在人手的正常握力范围内。
3.3剪刀头刀具的有限元分析
参考市场上已有的一些农用刀具（如剪刀、菜刀等）的材料，高枝剪刀的材料选择不锈钢440C，这种不锈钢具有较高的硬度，屈服强度高（Qs=689MPa），塑性好，适合制作高质量刀具，可用于耐腐蚀环境下，材料属性如图3所示。
图3 材料属性
根据剪切试验所得的数据对高枝剪的剪刀施加载荷。并利用AIP中的ANSYS进行有限元分析，得到高枝剪剪刀的等效应力、安全系数和变形量。在机械设计中只有安全系数k≥1的设计才可以被接受，一般认为控制在2~4之间的设计最为合理，而且设计中最大等效应力要小于材料的屈服强度，各个方向的变形量要控制在5mm以内[5,6]。分析结果得到剪刀的最大等效应为541.74MPa小于Qs。最大变形量约为0.31mm<5mm，最小安全系数为1.27>1。图4是软件分析所得的变形、安全系数和等效应力的云图。
（a） （b） （c）
图4有限元分析图
4.试验与结论
选择春季和冬季分别在桃园和苹果园进行剪枝实验。在操作过程中发现剪枝机械手携带轻便，操作省力，可以轻松剪断直径小于20mm的枝条，也可以对直径更大（小于30mm）的枝条进行修剪，并且刀具完好无损。
针对果树修剪的作业特点，设计了剪枝机械手的剪刀头，并在Inventor软件中构建了其三维模型。利用软件内嵌的ANSYS技术对剪枝机械手剪刀头刀具进行有限元分析，得出高枝剪的工作安全系数。田间试验表明，本文所设计的剪刀机械手剪刀头能够完成果树修剪作业，且操作轻便、省力，对提高果园作业效率有重要意义。
参考文献：
[1] 葛世康. 谈谈果树的冬季修剪，果树园林[J].2010(11);13
[2] 寻怀义.滑切理论探讨[J].农业机械学报，1979年12月，10（4）：108-110.
[3] 卢昌亚.大学生握力分级标准研究[J].体育学刊，1998年，1：34-35
[4] 北京农业工程大学．农业机械学（下册）[M]．北京：中国农业出版社，1991：8．