文摘

细菌的夹具设计瓶起着至关重要的作用在设计一个瓶装真菌采摘机器人采摘过程中节省劳动力成本的瓶装真菌。摘要提出了一种基于回归模型的夹紧元件设计方法。几套夹紧元素根据外观设计数据的细菌瓶子。单因素试验是由使用这些夹紧元素,和三个层次的每一个因素被选来获取所需的夹紧元素的值。然后,Box-Behnken测试是由选定的水平。建立回归模型描述了一个数值之间的关系至关重要的测量分和所有变异来源的变化在一个精确的夹紧元件的布局。获得直接的参数来解决这个问题,提出了基于响应面方法的回归模型。最后,测试是用于演示的效果优化夹紧元素当夹紧一个细菌瓶。通过相关分析和优化,这是证明的持有影响夹紧元素是最好的在这些条件下:内弧区是4948年 ;向下的位移是1.48毫米;和橡胶厚度为3.69毫米。结果表明,该方法是可行的,优化后的装配质量大大提高。它可以提供一个参考设计夹具的选择瓶机。

1。介绍

这是一个事实,有些蘑菇是由细菌培养瓶在大多数食用菌工厂。除此之外,菇中孢子(中孢子)是最栽培蘑菇的六个物种在世界上,每年生产超过300000 t [1]。至于瓶装的生产过程f中孢子,它仍然是手工绘画。随着中国人口老龄化的发展,劳动力成本也显著增加。劳动的贡献为种植者总体生产成本通常是至少40%。自动化已经改善的潜力新鲜农产品的质量,降低生产成本和减少劳动力的需求2]。因此,设计一种机器人,如f中孢子收割机,有助于增加工厂的利润。在生产的过程中,大量的细菌瓶子被应用。因此,有必要重视设计夹紧元素可用于采摘机器人。

夹具是一种work-holding装置,定位和支持工件(3]。此外,夹紧固定的元素是必不可少的部分。供应装置应该有适当的结构和合理的力量持有对象。提出了一些方法来避免工件变形,可由夹紧系统本身引起的。冈萨洛et al。4)提出了一个分析来识别静态变形的原因在夹紧和方法正确夹紧工件的几何失真和变形的评价反应部队的选择相关的夹紧点。Vukelic et al。5)提出了一个方法,是基于预处理的联系接口和缩进到工件的夹紧元素。它意识到使用更低的夹紧力达到更深的缩进和更高的切向载荷能力。太阳et al。6]介绍了测量实时动态锁模力监控的原型,可以用来实现实时在薄壁零件铣削振动监测,以及初步确定薄壁零件的加工质量。华敏et al。7)提出了一个线性规划技术来验证存在和力量在相应的夹紧点的可行性。因为该方法将夹紧力的不断设计问题转化为离散分析工件稳定性问题,它可以适用于复杂的工件和自动化夹具设计的发展中获益。吴和习8)设计了一种同步夹紧机制,提出了平面设计标准锁定机制的夹紧力。他们获得了相关的运动曲线,通过这些可以作为一个新的想法设计机器人夹紧的元素。李等人。9)设计了一种新型的夹紧对机器人末端执行器的结构实现小箱货物。关键部件的有限元分析改进结构设计的可行性,验证结构设计的可行性,为后续的优化提供了参考。喧嚣et al。10)设计了一种新型的Arcan夹具的机械试验获得适用的设计标准。Papastathis et al。11)提出了一种自适应夹具能够重新配置夹紧元素;它还使用位置和夹紧力反馈。此外,workpiece-fixture系统允许的建模优化策略的实施达到一个合适的夹具结构。吴et al。12)提出了一个计算机化的计算机辅助夹具设计的框架和评价近净形喷气发动机叶片根据力学模型和数学模型。它评估和优化夹具相同类型的叶片获得夹具的定位和力学行为,可以实现高精度的生产制备喷气发动机叶片。于(13)设计一个更健壮的夹具在使用响应面方法适用于建立向量回归模式,提高了装配质量。刘等人。14)提高了夹具夹紧力通过优化质量计划和夹具布局设计的有限元模型。Nategh和Parvaz15)建立了一个数学基础的夹紧系统设计和算法利用螺旋理论的概念和最低标准的原则。relegalized最小数量的夹子,夹紧力组件的最大矛盾的曲折倾向于打破接触工件,定位器,下的工件的静态稳定和维护不同的扳手。Zhang et al。16)提出了一种设计方法改善夹具更换绝缘子串的特高压输电线路(特高压)。夹具的力学性能进行分析,确定夹具的结构碳纤维复合材料的有限元方法。它可以提高工作效率,降低了劳动强度。朱(17)设计了气动夹紧装置和弧形零件和优化通过正交试验和回归分析。王等人。18]香蕉采摘机械手的设计和优化控股设备利用Pro / E和ANSYS软件。结果有一个专门的应用价值满足刚度和强度要求收获串香蕉。麦德林et al。19)提出了一个使用有限元分析双轴拉伸试验夹具,可以和万能试验机用于薄板金属的特性。花茎甘蓝等。20.)优化薄壁工件加工中使用的夹具的性能取决于组件的本地刚性特征加工的拓扑优化设计。

目前,相对密集的装夹在农业或工业对象。然而,并没有研究夹具对细菌瓶用新鲜材料用于设计夹紧元素蘑菇收割机。因此,我们结合实验研究和数学分析,首次应用于设计夹具的细菌瓶子与文化。我们保证夹的最小大小保持接触瓶子和定位器。它导致了可回收瓶的一生。

撤军是一个普遍的方法当劳作瓶装中孢子。在设计一个瓶装蘑菇采摘机器人,有必要确保细菌瓶夹持有部分撤军过程中适当的选择f中孢子。和适当的容量可以增加可回收瓶的一生。因此,研究细菌瓶的力学性能已成为必要。几位学者21- - - - - -23使用塑料瓶)进行了许多机械测试来获取相关数据。因此,我们提出了一组夹紧元素进行了压缩试验,旨在设计一个夹具用于开发一个机器人,可以收获瓶装f中孢子拉拔力。Box-Behnken测试选择的水平的单因素试验。根据获得的数据,变异模型建立了描述准确的夹紧质量和变化之间的关系在特定夹紧元素来源。和响应面建模法来获取质量因素之间的交互作用显著影响夹紧。最后,确认测试证实了优化参数,提供细菌瓶子夹具设计的基础。

2。材料和方法

2.1。夹紧的设计元素

细菌瓶是一种塑料瓶子。它有三种类型,包括小型,中型和大型。媒介瓶最常用的培养过程中f中孢子在一个工厂。图1显示了瓶中细菌与外部维度。夹具应持有一个塑料瓶。橡胶是在室内,以减少金属夹具的影响。瓶子的主体,140毫米的长度,是一个很好的位置。

因此,夹紧元素设计了基于中央瓶部分的参数。夹紧的三角槽板已广泛应用的塑料瓶。它没有大瓶子接触细菌的地区,这可能减少由于高负荷瓶子的生命周期。因此,环形表面接触更有利于保护瓶子。之间存在较小的接触压力,瓶子和夹紧元素。此外,夹紧整瓶并不是一个科学的方法。它应该有一个适当的区域,包括中央角和厚度。橡胶被忽略,因为它的厚度不能显著影响夹紧的面积元素。误差在5.6%以下,半径值“54毫米”。因此,夹紧的结构元素如图2(一个)。然后, 在哪里B夹紧的是内部电弧区域元素和(rad)相对应的圆心角夹紧的夹紧的元素。它的价值可以{π/ 2,2π/ 3,5π/ 6}。h(mm)的厚度夹紧元素。它的价值可以{25岁,35岁,45}。根据组合,可以2121年的地区(π/ 2×25),2969年(π/ 2×35),3817年(π/ 2×45),2827(2π/ 3×25),3958年(2π/ 3×35),5089年(2π/ 3×45),3534(5π/ 6×25),4948年(5π/ 6×35),和6362年(5π/ 6×45)。地区选择应该有一个适当的范围和间隔。此外,我们认为是错误。夹紧的地区元素,2121年 ,2969年 ,3958年 ,4948年 ,和6362年 ,被用来做相应的部分,如图2 (b)。

2.2。实验的程序

几瓶细菌与新鲜文化应用而不是空瓶子是由于它们之间的伟大的力学性能上的差异。获得所需的夹紧元素值的压缩试验,设计单因素和Box-Behnken测试。首先,夹紧元素附加橡胶和别针固定在试验机。瓶子之间的位置和上一个,直到他们彼此紧密联系没有任何互动。根据这两个设计测试,进行了压缩试验使用电子万能试验机(UTM6503)的滑动速度下5毫米/分钟。试验机停止时,瓶嘴的长轴和短轴是由电子游标卡尺测量(SR44)。之后,一个指针推拉力量计(NK-50)是用来测量瓶和橡胶之间的摩擦系数。获得的数据记录进行进一步分析。

此外,瓶子的应力分析测试如图3。这不是分析和绘制在图3因为瓶子的重力等于生产的支持下夹紧元件(24]。然后, 在哪里F拉力测量的测功器,N;和是滑动摩擦力产生的正压推挽式功率计的方向拉,N;和上夹紧元件的正压瓶,N;和μ相当于夹紧元素和瓶子之间的摩擦系数。

2.3。实验设计

根据细菌瓶夹紧设计元素,影响着质量的主要因素是内部电弧表面积,向下的位移,和夹紧橡胶厚度的元素。后果是细菌瓶的压力,长时间运行和短轴的比率,和瓶子上的拉细菌。

2.3.1。单因素试验

因素和水平选择的单因素试验设计夹紧元素和最终的效果,如表所示1。一些细节如下。

地区选择应该有一个适当的范围和间隔。基于自制的夹紧元素,内弧面积的水平是2121 ,2969年 ,3958年 ,4948年 ,和6362年 。“这可以包括不同角度(β′)和厚度(h夹紧的元素。胶的厚度,“1毫米,2毫米,3毫米,4毫米和5毫米,“选为单因素试验水平根据市场上现有的。整个瓶子的压缩试验进行了面积2121和6362年 ,如图4。和曲线,如图5。这说明曲线的趋势迅速增加位移时超出2毫米。瓶装的抗拔试验f中孢子选择所需的平均抗拔力是30 N。安全系数为1.1时,最大安全撤出载荷约为32.94 N (25]。根据拉拔力(图模型3),计算出压力至少35 N,以确保选择瓶装f中孢子下摩擦系数为0.47。35 N是必要的,因此,上面的力和位移是根据图1.4毫米在这个时候5。如果向下位移过大,瓶子太巨大的压力。它会影响随后的循环使用和一生的瓶子。因此,我们把0.1毫米作为一个区间值。和单因素试验水平的向下位移是1.4毫米,1.5毫米,1.6毫米,1.7毫米和1.8毫米。

2.3.2。Box-Behnken测试

Box-Behnken技术是一种技术,使一个有效的设计空间,而且它只需要完整的阶乘点的分数估计二阶影响的响应面26]。根据单因素试验结果,Box-Behnken测试执行的组合一个,B,C每个因素在三个级别(高,+ 1,媒介,0,低,−1)。结果如表所示2。

3所示。结果

3.1。单因素试验的结果

3.1.1。内部电弧的影响表面区域的检测指标

三个物理量作为检测指标来评估夹紧的效果。压力值,长时间运行和短轴比值的瓶嘴,并把值。他们可以反映夹紧元素的效果和变形程度的细菌瓶子。

夹紧的向下位移时1.6毫米和橡胶厚度3毫米,细菌瓶压力测试是由使用不同的夹紧元素有不同的弧表面区域。图6显示了结果的压力、拉和不同区域的比例变化。

张力测量由推挽式功率计的范围从0到50 N。计算值超出范围时,根据细菌瓶和橡胶之间的等效摩擦系数得到的测试。然后,得到相应的价值。瓶子之间的等效摩擦系数的平均值和橡胶为0.458。如图6,这表明细菌瓶的压力和张力产生的测功器有相似的趋势,和比率波动内弧的表面积的增加夹紧元素。夹紧元素需要满足的要求选择瓶装f中孢子,它不会对细菌造成的一支重要力量瓶,以免影响后续使用。因此,需要有一个小瓶子变形的细菌。它应该更合适的压力和紧张感。此外,选中的内弧表面区域应该总结三种中央的角度。根据结果,三个层次的弧表面区域被选中。他们是2121 ,3958年 ,和4948年 。

3.1.2。向下的位移检测指标的影响

细菌瓶进行了压力测试,而弧表面积是3958年和橡胶厚度3毫米。图7显示了压力,拉,用不同的向下位移。

所有三个检测指标向下位移增加而增加。满足要求,应该对细菌造成损伤和变形小瓶。三个选择向下位移。他们是1.4毫米、1.5毫米和1.6毫米。

3.1.3。橡胶厚度检测指标的影响

当电弧表面积是3958年和橡胶厚度3毫米,细菌瓶压力测试进行了使用不同的夹紧元素和不同厚度的橡胶。图8介绍了压力、拉力、比例和不同的橡胶厚度发生变化。

三个检测索引值显示下降趋势异常当橡胶的厚度超过3毫米。满足需求,张力是不少于35 N。橡胶厚度5毫米时,测试是不够的。至于“1毫米厚的橡胶,细菌瓶的压力是巨大的,1毫米的厚度相对比3毫米薄。这不是有益于减少缓冲力的夹紧组件。因此,厚度”,2毫米,3毫米和4毫米,”被选为综合考虑的因素。

3.2。Box-Behnken测试的结果

探索最优值夹紧元素的相关参数,这三个值,细菌的压力瓶,瓶嘴的length-to-short轴比、拉伸力的价值,被作为响应值。实验设计方案和结果如表所示3。

利用数学模型。及相关汇总结果中指定的二次线性模型和方差分析,如表所示4(27]。

响应面被构造成一个基于代理模型最重要的影响。找到目标函数和系数值之间的关系,下列二阶多项式模型,{x1、……xk因素和}βi年代系数和e是近似误差(26]。然后,

比较预测之间的值在设计点和平均预测误差,足够的精度(美联社)的价值在这个模型显示,远高于(4)。模型可以用来导航设计空间。此外,根据方程(3),这三个指标的回归方程。然后, 在哪里是代码值的压力值;的代码值比率;的代码值是把价值;一个代表了代码的内表面积,值B位移表示的代码值下降压力,和C代表了代码的橡胶厚度值。的参数显著值小于0.05。表中可以看到4。人们已经发现,该模型与实验值相当好安装(28]。

3.3。实验参数对检测指标的影响

响应面方法(29日- - - - - -32)是一种常见的方式来分析检测指标的影响因素。因此,根据建立的回归方程,我们得到的因素和指标之间的关系通过建立响应面。

图9显示了实验参数对压力值的影响。压力值的范围从33.843到97.608 N。随着位移的价值增加,压力值先增加后减少。同样的趋势在橡胶厚度之间的关系证明,压力值。然而,压力值增加而增加的地区。几个设计点的预测价值。此外,根据响应曲面的轮廓,它表明,椭圆的曲率图9 (b)是大的。因此,有一个弧夹紧的表面积之间的交互元素和橡胶厚度,并对压力有显著的交互影响瓶子的细菌。

实验参数的影响在长时间运行和短轴比值图所示10。比率的范围从1.0074到1.0341。三个因素有不同的对比值的影响。当位移增加,比先增加后减少。相同现象的变化可以发现厚度的影响。分别与面积减少,比例下降。它也有几个设计点以外的预测价值。响应曲面的轮廓曲率图表明,椭圆10 (b)是最大的。之间有一个互动弧夹紧元件的表面积和橡胶厚度。

图11显示了三个因素的影响,把价值的细菌。拉力值在31.055 N的范围89.54 N。该地区更重要的是,把价值越高。此外,拉力值的增加先增加后减少由于位移或厚度。它可以发现一些设计点的范围。响应面表明,椭圆轮廓的曲率图10 (b)是最大的。它有一个夹紧的弧面积元素之间的交互和橡胶厚度。

3.4。实验验证

根据软件设计专家,多目标非线性优化方法用于解决目标下的回归模型,并最终获得最优参数组合。优化约束最小(一个,B,C),最小值(一个,B,C),(一个,B,C)> 32。变量范围是−1≤一个≤≤1−1B≤≤1−1C≤1。

最后,获得的优化参数。内弧夹紧元件的面积是4948 。下行压力位移为1.48毫米。橡胶厚度为3.69毫米。细菌瓶的压力为73.84 N。细菌的长短轴比瓶子口为1.02,瓶子和细菌的张力为67.75 N。

为了验证优化结果的可行性,优化参数进行了实验验证。夹紧元件的内弧表面积是4948年 ,向下的位移是1.48毫米,橡胶厚度为3.7毫米。在这些条件下,细菌瓶压力测试是重复三次,平均获得。如表所示5,结果是接近预测值。因此,相关的试验研究与夹紧组件的性能和技术要求。

4所示。讨论

夹紧的设计元素类似于香蕉装置(17,18)在研究方法方面,尽管他们有不同的机械测试科目。除此之外,一些模型和方法使用的设计,吴邦国委员长和Xi (8)也在我们的研究评估。它可以提高夹紧的财产由于使用这些元素的合理方法。

整个细菌瓶的压力测试是进行选择水平的单因素试验。结果如表所示1。与其他研究相比(23),测试机是用于生产瓶子表面的一个统一的力量而不是使用不同的权重。更直接、准确、方便。

Box-Behnken测试设计和用于获得相关数据。结果如表所示2和3。此外,建立的数学模型是指方差分析和响应面方法(27,30.]。之间的关系三个因素分析后得到公式(4)(6)。数据9来11显示了响应面展示三个因素对检测指标的影响。响应表面反映,他们有一个很好的协议的方差与数学分析,并观察结果。在细节,并给出了估算值和测量值在表5。他们有一个合适的误差在可以接受的范围内。最后,优化参数与完善的分析验证了其伟大的协议模型和验证实验。

在目前的研究中,我们调查了事实劳动了瓶装蘑菇由于缺乏收割机。和一组夹紧元素设计有效地把细菌瓶,这是设计一个采摘机器人的重要组成部分。我们进行了Box-Behnken测试获得的数据被用来建立回归模型。应用响应面方法获得变异和变异之间的关系资源。结果表明,数学模型有一个很好的适合设计实验。验证测试证实了优化夹紧元素有一个夹紧效果好。这一发现意义重大,因为它提供的可能性,使用机器人选择瓶装蘑菇,特别是瓶装f中孢子。据我们所知,这是第一次使用细菌进行机械试验瓶与新鲜的文化材料,旨在设计和优化瓶装蘑菇采摘机器人的夹具。然而,细菌瓶的机械性能有一些区别,塑料瓶,因为不同内容的瓶子。和响应面方法的效果验证。与其他研究相比,我们连接的机械测试与响应面方法设计一个夹具。它更直接和简洁的夹紧元素的优化参数。

提高夹紧元素”效应,机械试验的方法需要系统地调查。推拉力量表的指针的范围是有限的。应该进行进一步的研究来验证是否使用测力传感器可以改变在这个研究。此外,选择夹紧的面积元素的方法应进一步改进。找到一个更准确的项目在未来成为必要。在这项研究中,我们证明了夹紧元素是由机械设计和优化的试验和响应面方法。所需的值与实验有很好的协议。这表明的可行性设计一个夹具薄壁管的使用方法我们的研究过程。优化的夹紧元素将是一个有价值的应用程序设计的一部分细菌瓶采摘机器人的夹具。

5。结论

在本文中,我们提出了一种设计瓶装的夹具的夹紧元件f中孢子采摘机。经过实验研究,过程参数对压力的影响,长时间运行和短轴比值,和橡胶厚度进行调查。获得所需的夹紧元素值的参数,该模型的充分性进行检查和确认测试研究优化参数的准确性。实际值和预测值之间的差异被视为可接受的限制内。对于这些实验调查,以下结论得出:(一)夹紧元素被设计根据介质细菌瓶被普遍用于食用菌的工业生产。细菌的压力测试瓶使用夹紧进行了元素。通过进行单因素试验获得的显著水平。(b)Box-Behnken测试被用来建立一个绩效指标之间的数学回归模型的细菌瓶压力测试和三个试验因素(包括内部电弧表面积、位移的压力,和橡胶厚度)。每个因素的影响和交互测试指数是通过建立方差模型。在这些实验因素,内弧表面积显著影响的压力和拉力值细菌瓶。长时间运行和短轴的比值可以戏剧性地通过改变橡胶厚度的影响。(c)数学模型建立了分析测试数据,和响应面法优化回归方程。最优参数如下:夹紧元件的内部电弧表面的面积是4948 ,向下的位移是1.48毫米,橡胶厚度为3.69毫米。同时,细菌瓶的压力值是73.84 N,长短轴比细菌的瓶子是1.02,和细菌瓶的应变值为67.75 N。相同的测试方法用于验证优化结果。实际值如下:细菌瓶的压力值是75.69 N。长时间运行和短轴的比值的细菌瓶子口为1.03,瓶子和细菌的应变值为69.45 N。(d)机械试验的方法需要系统地研究提高夹紧元素的效果。设计夹紧元素用于瓶装中孢子。重要的是要研究不同文化在瓶是否有不同的影响结果。这也是很有必要开发一种夹具可以装几瓶细菌在未来提高收获效率。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究从中国农业研究系统基金赠款支持(CARS-20), p . r .。作者要感谢NIAM设备支持,江南生物技术有限公司材料和技术支持,为批判性回顾Weidong教授的歌手稿。