基于仿生方法的采茶刀结构参数设计

摘要

由于它们的牙齿锋利，蟋蟀可以吃掉茶树茎上的新芽。受蟋蟀牙齿特殊几何结构的启发，本研究设计了一种仿生切割器，以减少切割茶树茎杆所需的力和能量。因此，我们考虑了四种仿生切割机:一个，b，c,d．刀一个是一种传统的刀具，用于与其他三种仿生刀具进行比较。使用3D打印技术制造刀具，并通过纹理测试仪在不同加载速度(分别为5、10和15 mm/s)下进行评估。结果表明，该铣刀具有良好的切削性能c与切削齿相比，具有更好的性能一个加载速度分别为5、10和15 mm/s。然而，在15毫米/秒加载速度下，刀具所需的最大切削力b和c分别比cutter一个(9.021 N)。同样，切削齿所消耗的能量b和c比切割机消耗低13.8%和4.24%一个(1.225 J)。此外,刀c与其他公司相比，提供了最好的结果。研究结果表明，利用仿生切割机可以优化茶叶采收。

1.介绍

茶是一种芳香的饮料，全世界的人都喝。1］．采茶机被广泛用于提高茶树收获的产量[2，3.］．切割机是采茶机的关键部件，对采茶机的切割性能和效率有重要影响[4，5］．采茶机常用的切割器有往复式切割器、圆盘切割器和连枷式切割器。与圆盘和连枷式刀具相比，往复式刀具结构更简单，适应范围更广。6- - - - - -8］．此外，为了提高往复式刀具的切削性能，对往复式刀具的结构参数进行了优化。

目前对往复式刀具的优化设计研究主要集中在往复式刀具的切削速度、切削角度、几何形状和尺寸等方面。在铣刀的设计中也考虑了工厂的机械性能[9- - - - - -12］．为了设计一种收获元件，Sunil等人研究了能量甘蔗茎秆的力学特性，发现切割器的斜角和切割速度对切割能量有显著影响[13］．Yamasaki等[14和Galedar等[15]对往复式铣刀的结构参数进行了类似的研究。Shi et al. [16]建立了秸秆与刀具的三维模型，采用响应面法确定了刀具在切削速度1.6 m/s、切削角度15°、工作速度1m /s下的运动参数的最优组合。

近年来，仿生技术已被应用于传统农业机械的优化设计和提高其能量利用率[17- - - - - -20.］．它将生物学原理与工程问题结合起来，寻找解决方案。Chang等人的研究[21]通过模仿该物种若虫前爪的外轮廓，设计了一种仿生割茬器Cryptotympana atrata降低切割阻力。通过考虑蚱蜢的锯齿门牙，Jia等人[22]设计制造了一种仿生刀具，以减少对最大切削力和切削能量的要求。Tong et al. [23基于鼹鼠在挖地时爪状脚趾的动力学，优化了一个修剪残茬的圆盘。可以参考仿生学的研究来设计一种能够减少收割所需的能量和切削力的切割机[24，25］．

仿生切割技术通常基于植食性昆虫的特征，如虎甲虫[26]、竹象鼻虫幼虫[27]，蝗虫[28］．这些昆虫有形状良好、强壮的下颚，可以有效地咀嚼植物。利用零件的口部特征可以优化刀具的参数。为了适应嘴巴的攻击性结构，昆虫必须决定什么角度是最好的进食角度。蟋蟀是如何做到这一点的，可以说是最容易理解的(直翅目:蟋蟀科)[29］．蟋蟀是一种杂食性昆虫，它吃茶树、蔬菜和其他作物的新芽、茎、叶和种子。它下颚的牙齿已经进化和适应，所以它们可以很容易地切断和撕裂植物纤维[30.］．因此，蟋蟀下颚齿的特征可以用来设计一种高效的茶树切割器。

在此基础上，本文研究了基于仿生技术的茶树采收刀具的结构参数。提取了蟋蟀下颌骨锯齿状结构的外轮廓线，并利用其拟合曲线设计了仿生切割器。此外，四台刀具(一个，b，c,d)采用3D打印技术制造，并在纹理测试仪上进行实验，研究其所需切削力和能量方面的性能。最后，利用微型计算机断层扫描(micro-CT)扫描仪观察茶叶茎的横截面，分析刀具的性能。

2.材料和方法

2．1．刀具设计

2．1．1．样品制备

本实验在山东省宁阳市郊区采集成蟋蟀。用99%乙醚麻醉5例，用镊子取出牙齿，用蒸馏水冲洗。然而，茶叶样品来自江苏丹阳的麦春茶场，靠近长江地区(纬度32^°02N,东经119^°67本实验选择了纯正茶，茶茎为中茶108品种的第三节间。取样时，茶杆的平均水分含量为73.8%(湿基)，采摘时间为2019年6月[31］．

2．1．2．样本的观察

利用数字微系统(VHX-900F, KEYENCE, Japan)观察了蟋蟀牙齿的几何结构和茶茎的微结构。该系统用于测量这些物体的二维尺寸和三维轮廓。蟋蟀下颚上牙齿的照片如图所示1(一)，茶杆结构如图所示1 (b)．

2.1.3。曲线提取

利用TRACE软件将位图转换为矢量图，提取蟋蟀牙齿的几何特征轮廓。为了便于从图像背景中分离目标，对矢量图进行二值化处理，将其转换为黑白图像。利用AutoCAD软件对点进行调整和绘制，提取出蟋蟀下颌骨锯齿状结构的等高线。锯齿状结构外边缘的曲线被划分为单独的曲线，以便在给定的时间内准确地表达它们。最后利用Origin软件进行数据分析，选择仿生单元。

2.1.4。刀具制造

利用蟋蟀牙齿的几何特征轮廓，设计了仿生切割器。为了准确表达仿生元素，使用Future 8000树脂进行3D打印加工。它具有高度精确和光滑的表面，并具有与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)相似的机械性能。所有的测试都使用了3D打印切割机。此外，在模拟试验中，切割机的材料仍然是Future 8000树脂。

2．2.测试方法

实验所用刀具厚度为1.5~2.5 mm。利用ANSYS软件进行有限元分析，确定刀具厚度对切削力的影响。

采用质地测定仪(Stable Micro Systems, TA-XT2i)测量、记录和分析不同刀具对茶茎的切割性能(切割力、切割时间和消耗的能量)[32］．该测试仪的移动距离范围为0.1 mm - 295 mm，在0.1~20 mm/s的速度下，测力精度为0.025%。加载速度是一个重要的因素，因为茶杆是用粘弹性材料制成的[33］．在切削实验中，加载速度分别设置为5、10、15 mm/s。当切割机在等速下切割茶叶茎秆时，可通过织构测试仪得到切割力-位移曲线。所消耗的能量可由切割曲线与位移轴之间的面积计算[22］．

当加载速度为10 mm/s，剪切力为2.5 N时，茶叶茎秆横截面发生变化。切割实验后，采用x射线微计算机断层扫描(Scanco Medical AG, micro-CT 100, Switzerland)对测试茎秆进行扫描。x射线管的光斑大小为5毫米，工作电压为45 kV，电流为88μA.共200张切片图像(每一张带有 像素)，由实验得到。将茶杆固定在扫描桶内的海绵上，观察其内部结构。

3.结果与讨论

3．1.牙齿结构的曲线

蟋蟀下颚上的牙齿大小和形状各不相同。不同的弧形齿结构显著降低了下颌骨与植物新芽之间的摩擦阻力。

3.1.1。锯齿形结构的拟合曲线

蟋蟀下颚牙齿的弧形结构分为五种曲线(曲线)一个- - - - - -e)．采用非线性回归模型对曲线外边缘进行分析一个来e．锯齿形结构曲线的拟合公式如下:

齿曲线拟合参数如表所示1．结果发现所有曲线(一个，b，c，d,e)均大于0.9595。因此，拟合结果是可以接受的。数字2显示的曲线一个- - - - - -e．曲线一个，c,e有相同的上升和下降趋势，而曲线呢b和d有一些不同的。曲线一个随着曲线几乎线性增加c和e在下降之前，隆起部分是凸的。曲线的峰值一个比其他曲线大。

3.1.2。拟合曲线的最佳逼近

第一颗锋利的牙齿(图1(一))，有效地切断芽，其他牙齿用来磨碎食物[30.，34］．第一尖齿也能降低切削阻力。曲线一个，这是模型的这个齿，因此选择设计刀具的模型。

降低了加工刀具、曲线的难度一个用拟合曲线和直线代替，在保持仿生特性的同时简化了牙齿的形状。在拟合曲线(及直线)中，以误差平方和为最优指标，寻求最优匹配函数。采用拟合曲线时，曲线的表达式一个是一个五阶多项式方程吗值为0.999(图3.)．曲线拟合公式如下:

当采用拟合直线时，曲线一个采用最小二乘法拟合。拟合函数设为:

曲线的上升和下降部分采用最小二乘法(图)4)．拟合参数和，用Origin软件计算，如Table2．近似线段上、下两部分的斜率分别为1.959和-1.891。在笛卡尔坐标系下，对应的倾角分别为63°和118°，对应的倾角为分别为0.964和0.953。这些结果表明拟合线与真实曲线之间有很高的相关性。

因此，拟合曲线和直线可以代替蟋蟀下颌骨第一颗牙的轮廓曲线，简化加工工艺，保持仿生特性。

3.1.3。刀具设计与制造

图中显示了没有毛刺的不同刀具5．刀一个是否使用传统刀具与其他刀具进行切削性能比较b，c,d——仿生。它们是根据蟋蟀下颚上第一颗锋利牙齿的结构曲线(即曲线)设计的一个)．刀具的轮廓线一个是梯形。的刀具b和c式(2)及式(3.),分别。刀具的轮廓线d是梯形和不等边三角形的组合。对刀具c和d，三角形两侧沿垂直方向的夹角分别为27°和28°(图6)．

３．２．刀具厚度分析

应力和变形对刀具的稳定性和磨损有重要影响。许多因素反过来影响刀具的应力和变形，如其机械性能、刀具类型、结构和运动相关参数。本文研究了刀具厚度对刀具应力和变形的影响。

假设载荷为3n，有限元分析显示，刀具的应力场和变形随刀具的厚度而变化，如图所示7．刀具的最大等效应力随厚度的增加先减小后略有变化。在不同厚度的刀具上，刀具产生的最大等效应力b和c是否与切削齿生产的产量相似且低于切削齿生产的产量一个和d．随着刀具厚度的增加，其总变形量逐渐减小。刀具的变化趋势一个是突出的，而刀具的呢b，c,d很顺利。当刀具厚度为1.5~2.5 mm时，刀具产生的最大等效应力和总变形量b和c厚度变化不显著。

3．3．测试切割性能的实验

3.3.1。切削力

切削力反映了切削效率。为了清楚地检查刀具的效率，在加载速度为5、10和15 mm/s时使用了最大切削力(见表)3.)．平均最大切削力如图所示8．

加载速度为5mm /s时，刀具的平均最大力一个，b，c,d分别为9.086 N、10.047 N、8.987 N、9.195 N(表3.和图8)．刀具的平均最大切削力b和d与切割机相比，分别提高了10.58%和1.2%一个．然而，刀具的平均最大切削力c比刀具的尺寸小吗一个了1.08%。刀具的平均最大切削力b，c,d在加载速度为10 mm/s时，分别为9.193 N、9.027 N和10.939 N，分别比切刀一个(9.318 N)。刀具的平均最大切削力一个，b，c,d加载速度为15 mm/s时，分别为9.021 N、8.171 N、8.476 N和13.597 N。与刀具的平均最大切削力相比一个，那些刀具b和c分别为9.43%和6.04%，而cutterd为50.72%。随着加载速度的增加，刀具的平均最大切削力增大一个，b,c无明显变化，而刀具d增加了。

茶秆的最大采摘力远大于一般采摘力2.59 N [35因为这些刀具是用Future 8000树脂做的，而不是钢。这也影响了切割所需的时间和能量。切削时间和能耗与刀具的结构参数密切相关。由于切刀形状的不同，茶柄被挤压的程度也不同，不同切刀的切割次数和消耗的能量也不同。

3.3.2。能源消耗

能源消耗是反映切割效率的一个重要因素。用切削力曲线与位移轴之间的面积表示[21］．当加载速度分别为5、10、15 mm/s时，不同刀具消耗的能量记录在表中4平均能耗如图所示9．

加载速度为5 mm/s和10 mm/s时，刀具的平均能耗d比其他刀具高(表4和图9)．刀具的平均最大切削力一个，b,c是相同的。当加载速度为15mm /s时，切削齿的平均能耗一个，b，c,d分别为1.225 J、1.056 J、1.173 J和2.567 J。相比之下,刀一个，刀具的平均最大切削力b和c分别为13.8%和4.24%，而cutterd增加了109.55%。

仿生切削齿所消耗的能量b和c是否比传统刀具的消耗量低一个还有仿生切割机d．

4.讨论

4．1.蟋蟀的行为机制

研究表明，昆虫可以通过神经调节的力量来决定进食的角度和最佳战斗时间。29］．利用遗传技术，在果蝇中发现了影响攻击性的神经元。然而，对于蟋蟀，我们对吃和战斗的神经元一无所知。此外，关于蟋蟀(无脊椎动物)进食和战斗时大脑左右不对称和行为的影响的研究很少[36］．因此，蟋蟀左右下颚咬合行为的工作机制有待进一步研究。这可能是由于神经支配的不同。现在基因技术已经可以用于蟋蟀[37，可以预期，未来对蟋蟀模型系统的研究将取得更多进展。

4．2．茎的切割机构

使用micro-CT扫描仪观察茶叶茎的结构变化，如图所示10．数据显示2和9，茶柄的结构可分为四部分:髓、木质部、韧皮部和表皮。Li和Lai用扫描电子显微镜观察了茶茎的微观结构，得到了类似的组织结构[38］．在茶茎结构中，茎髓所需的切割力和能量较低。因此，由于茶茎的异质性和其柔软的海绵内部结构，它被忽视了。

在数据10(b)和10(c)显示茶秆损伤前的压缩变形。挤压期木质部结构受损。切茶杆的过程可分为两个阶段。在第一个阶段，切割力作用于支撑植株的木质部。第二阶段是对表皮和韧皮部施加切割力，这是茶茎的机械组织。表皮和木质部导致切割力曲线出现两个峰值(图)11)．在图11，第一个和第二个峰值是破坏木质部以及表皮和韧皮部的最大力。Leblicq等人也得出了类似的结论，他们研究了植物茎秆的变形以及植物与力的相互作用。他们发现，茎秆的断裂可以分为两个连续的阶段(卵形化和屈曲)[39］．

4．3．刀具的对比分析

一般来说，剪切是切割木质纤维素材料最有效的方法，比如茶杆。当茶柄被用切割器切割的时候一个，b,c，割刀与茶柄表皮的接触面形成一条线。这种接触方式有利于剪切。刀具b和c需要比刀具更小的切削力和能量一个，表明它们能较好地切割木质纤维素材料。这是因为刀具b和c是具有特殊拟合曲线的仿生刀具。数据8和9说明了刀具所消耗的最大切削力和能量d比其他切割者高。这是因为刀具d有一个突出的牙齿的小结构。刀齿的尖端可以很容易的刺入茶柄的表皮，但是非常小，因此需要更大的力量来打破茶柄的组织结构。这些现象表明，刀具b和c(仿生切割器)对茶茎的切割性能优于切割器一个和d．

用来收割茶树的刀具通常是钢制的。然而，为了更准确地比较不同的刀具，本研究使用Future 8000树脂制造它们。在未来的工作中，作者计划制造金属仿生刀具并测量其切削力和能量消耗。该领域的进一步工作还应研究仿生切割机在不同作物和不同装载速度下的优势。

5.结论

在本研究中，发现了刀具的切削性能b和c比卡特的好吗一个加载速度分别为5、10和15 mm/s。刀具b和c能否使用比刀具少9.43%和6.04%的平均最大切削力一个在加载速度为15 mm/s时，平均能量消耗分别减少13.8%和4.24%。当刀具厚度为1.5~ 2mm时，刀具产生的最大等效应力和总变形量b和c没有显著变化。结果表明，利用蟋蟀下颌骨第一尖齿设计出的仿生切割器在切削力和能量消耗方面均能有效地切割茶树茎秆。

数据可用性

用于支持这项研究结果的原始数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

江苏省高等学校学术发展重点项目(No. PAPD-2018-87);国家重点研发计划项目(No. 2017YFD0700300);河南省科技厅科研计划项目(No. 212102110034)。

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