本发明涉及凸轮设计技术领域，具体地，涉及一种可使运动件自动回位的运行方法及其果蔬采摘机。
背景技术
凸轮上可通过设置多种类型的凸轮曲线来为运动件提供移动路径，这些凸轮曲线往往有自身的设计目的，现有的凸轮曲线通常是为起到更好的传动效果而设计，比如如何使传动稳定、如何确保凸轮装置在传动过程中不产生振动、如何避免传动过程中可能产生的噪音等问题，但却鲜少考虑到如何使绕凸轮曲线移动的运动件快速自动回位来提高凸轮传动效率的问题。
细化到凸轮和凸轮曲线的某些应用上，譬如某些切割器具如自动剪，要让刀片回位，要么用曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构增加了运动零件，也会增加故障点；要么电机自动反转，电机反转时会有电流冲击，影响电机寿命；或者用弹簧回位，弹簧回位能耗损失大，容易疲劳，还譬如果蔬采摘装置，其上需设置刀片来对果蔬根茎进行切断采摘，刀片就相当于沿凸轮曲线轨迹运动的运动件，刀具每动作一次完成一次切断采摘操作，如采摘工人本身身手灵活，可确保采摘速度较快(即一段时间内可进行大批量果蔬的采摘操作)，这种情况下就需要考虑刀片的进刀和回刀是否顺利以及速度问题，采摘装置本身的刀片动作是否顺利及其速度直接决定了采摘效率，因此设计一种具有可促使刀片自动且快速回位的凸轮曲线尤其重要，刀片沿该凸轮曲线形成的凸轮曲线轨迹移(摆)动即可确保回刀效率。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种可使运动件自动回位的运行方法。
本发明同时提供一种采用所述可使运动件自动回位的运行方法运行的果蔬采摘机。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种可使运动件快速回位的运行方法，运动件沿设定的凸轮曲线轨迹行驶，凸轮曲线设置在凸轮上，运动件一端铰接于一牵引点、另一端与凸轮活动连接并可沿凸轮曲线移动，运动件和凸轮中至少一个作圆周运动，运动件的圆周运动由牵引点带动，凸轮曲线的表达式为
进一步地，t可取为0～1，一般地，t依凸轮曲线的实际应用情况来确定。一种果蔬采摘机，包括采摘刀片，采摘刀片采用上述的运行方法运行，上述的运动件即为果蔬采摘机的采摘刀片。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本凸轮曲线可为运动件提供优良的曲线运动轨迹，一方面当凸轮不动，运动件一端随牵引点作圆周运动，另一端则在圆周运动的带动下可在凸轮曲线轨迹上顺畅移动，该独特的凸轮曲线可使运动件在短时间内即自动恢复至初始位置(回位)；另一方面当运动件的铰接点处不动，而凸轮作圆周运动时，凸轮可控制运动件运动并快速自动回位；即使当凸轮和运动件两者都作圆周运动时，运动件也仍然能沿凸轮曲线顺畅移动并快速自动回位，如此周而复始，实现运动件高效工作的目的；
2)将本凸轮曲线以凸轮凹槽的形式设置在凸轮上，可为运动件提供良好的运动轨迹载体，具体到实施例中的果蔬采摘装置，上导引凸轮盖和下导引凸轮座中采用本凸轮曲线绘制出各凸轮凹槽，各旋切刀片(运动件)可在对应的凸轮凹槽内稳定运转并发生交汇完成对被剪切物品的切断的动作，切断动作快且各旋切刀片自动退刀迅速，不会发生卡滞，可连续高效地进行大批量物品剪切；
3)本发明的果蔬采摘机，各旋切刀片(运动件)通过刀盘带动的圆周运动和对应凸轮凹槽带动的旋转运动同时作用，完成对被剪切物品的旋转锯割和剪切动作，降低了切断难度，有效防止单一剪切引起的刀片变形问题，同时也保证了被果蔬被剪切部的切口美观均匀。
附图说明
图1为实施例2所述的果蔬采摘机的外观结构示意图；
图2a为实施例2所述的果蔬采摘机的爆炸图；
图2b为实施例2所述的果蔬采摘机的局部剖视图；
图3为实施例2所述的刀盘的结构示意图；
图4为实施例2所述的上旋切刀片的结构示意图；
图5为实施例2所述的下旋切刀片的结构示意图；
图6为实施例2所述的上导引凸轮盖的结构示意图；
图7为实施例2所述的下导引凸轮座的结构示意图；
图8为实施例2所述的衬套的结构示意图；
图9为实施例2所述的上旋切刀片、下旋切刀片的运动轨迹示意图；
图10为实施例2所述的上旋切刀片、下旋切刀片的进刀、退刀轨迹示意图；
图11为实施例2所述的上旋切刀片、下旋切刀片交汇完成切断动作的轨迹示意图；
图12为实施例2所述的偏位距e的说明示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
提供一种可使运动件自动回位的运行方法，运动件沿设定的凸轮曲线轨迹行驶，凸轮曲线设置在凸轮上，运动件一端铰接于一牵引点、另一端与凸轮活动连接并可沿凸轮曲线移动，运动件和凸轮中至少一个作圆周运动，运动件的圆周运动由牵引点带动，凸轮曲线的表达式为
具体地，运动件在绕凸轮曲线移动(摆动)的过程中总存在一个摆动中心，偏位距e即为该摆动中心至圆周运动的圆心之间的距离。
本凸轮曲线可为运动件提供优良的曲线运动轨迹，一方面当凸轮不动，运动件一端随牵引点作圆周运动，另一端则在圆周运动的带动下可在凸轮曲线轨迹上顺畅移动，该独特的凸轮曲线可使运动件在短时间内即自动恢复至初始位置(回位)；另一方面当运动件的铰接点处不动，而凸轮作圆周运动时，凸轮可控制运动件运动并快速自动回位；再一方面当凸轮和运动件两者都作圆周运动时，运动件也仍然能沿凸轮曲线顺畅移动并快速自动回位，如此周而复始，实现运动件高效工作的目的。
实施例2
一种果蔬采摘机，主要用于采摘近地面的果蔬，如图1所述，其包括采摘执行模块、采摘驱动模块和采摘控制模块。
如图2a和图2b所示，采摘执行模块包括实施例1中提到的凸轮(该凸轮在本实施例中称为下导引凸轮座12)，还包括与下导引凸轮座12成对使用的上导引凸轮盖11，如图6所示，上导引凸轮盖11中设有上凸轮凹槽111，如图7所示，下导引凸轮座12中设有下凸轮凹槽121，下凸轮凹槽121与上凸轮凹槽111成对设置。
上导引凸轮盖11和下导引凸轮座12通过螺栓配合连接形成中空容纳腔，如图3至5所示，中空容纳腔内设有刀盘13和两片采摘刀片(即实施例1中提到的运动件)，两片采摘刀片分别为上旋切刀片14和下旋切刀片15，刀盘13可在采摘驱动模块带动下作圆周运动(原则上为匀速圆周运动)，其中，上导引凸轮盖11、下导引凸轮座12和刀盘13中心均具有中心孔便于果蔬采摘机执行采摘操作，本果蔬采摘机是通过将中心孔在果蔬上空对准果蔬后直线下降使刀盘13、上旋切刀片14和下旋切刀片15的位置可对准果蔬根茎以备后续切割采摘。
如图4和图5所示，上旋切刀片14和下旋切刀片15均包括刀刃部和刀片支持部(上旋切刀片刀刃部为141、刀片支持部为142，下旋切刀片的刀刃部为151、刀片支持部为152)，刀刃部呈月牙状弧形结构，刀片支持部与刀刃部的非刃口部连接，刀片支持部的一端设有用于将上旋切刀片14/下旋切刀片15铰接至刀盘13的铰接孔；刀片支持部的另一端设有用于安装可辅助上旋切刀片14、下旋切刀片15分别沿上凸轮凹槽111、下凸轮凹槽121移动的连接部件的安装孔；刀片支持部包括上表面、下表面和刀背面。
上旋切刀片14和下旋切刀片15以月牙状弧形结构相对的方式安装至刀盘13上，上旋切刀片14和下旋切刀片15与刀盘13的铰接点在刀盘13的直径线上，其中，下旋切刀片15的铰接点与刀盘13中心的距离小于上旋切刀片14的铰接点与刀盘13中心的距离，上旋切刀片和下旋切刀片的刀片支持部下表面相对设置并具有间隙，该间隙设置为0～1mm，上旋切刀片和下旋切刀片的大小根据本果蔬采摘机的实际设计需要来确定总长和总宽，一般来说，为了适应上旋切刀片与下旋切刀片各自的运动轨迹及更好地实现两旋切刀片发生交汇时的切割动作，下旋切刀片在总长和总宽上要略小于上旋切刀片。
参照图9所示的下旋切刀片15的运动轨迹，如图7所示的下凸轮凹槽121所依据的凸轮曲线表达式为
下凸轮凹槽121与上凸轮凹槽111的成对设置是为使得上旋切刀片14和下旋切刀片15的运动轨迹正好相反，因此如图6所示的上导引凸轮盖中上凸轮凹槽111所依据的凸轮曲线表达式为
上述两表达式中相应的xr、yr的表达式为
本实施例将凸轮曲线以凹槽的形式设置在上导引凸轮盖和下导引凸轮座上，可使两采摘刀片分别很好地与上导引凸轮盖、下导引凸轮座配合，依托独特的凸轮曲线设计，从而稳定、快速、顺利地完成各采摘刀片回位的过程。
采摘控制模块则通过控制采摘驱动模块动作来使刀盘13发生圆周运动，采摘控制模块为采摘驱动模块提供电源和动力。
具体地，如图4和图5所示，上旋切刀片/下旋切刀片的刀刃部的刃口部呈锥形结构，锥形结构的底面与刀片支持部的下表面在同一平面内，锥形结构的锥度为18～22°，本实施例优选为20°；此外，刃口部的垂直宽度为6～10mm，优选为8mm；弧形结构刀刃部的弧形弯曲半径为51mm。
为增强上旋切刀片和下旋切刀片交汇锯割果蔬根茎时的锋利度，可将上旋切刀片/下旋切刀片的刃口部设计为锯齿状刃口部(附图未示出锯齿状，该锯齿状即与常见的刀具刃口锯齿结构相同)。
当然，为保证果蔬采摘机的整体轻便性，上旋切刀片/下旋切刀片不宜过厚，具体地，各旋切刀片的刀片支持部高度为2.5～3mm。
与刃口部的弧形结构相对应的，刀片支持部刀背面也呈弯曲半径为71mm的弧形弯曲结构，以便与刀盘的内周结构相适应。
刀刃部与刀片支持部的端部平滑过渡连接，可有效防止各旋切刀片上产生不利于果蔬采摘时保证果蔬外观优良的尖角等尖锐部分，同时也避免各旋切刀片因这些尖锐部分而与刀盘内周发生干涉的问题。
刀片支持部的铰接孔内安装的铰接件为定位销16，各旋切刀片上的该定位销16与刀盘13焊接固定，而各旋切刀片仍可相对定位销16作定点自由旋转，此举可确保上旋切刀片14和下旋切刀片15可靠地跟随刀盘13作圆周运动，同时又不妨碍各旋切刀片沿相应凸轮凹槽的移动操作。
刀片支持部的安装孔内安装的连接部件为定位销16和套设在定位销上的衬套或微型轴承(衬套和微型轴承均可达到使各旋切刀片灵活沿相应凸轮凹槽移动的目的)，本实施例中选用衬套17，如图8所示，衬套17的上端面和下端面均呈半圆环状，两个衬套可分别在上凸轮凹槽111和下凸轮凹槽121中滚动，半圆环状的设计可减小衬套17与各凸轮凹槽及各旋切刀片上下表面间的摩擦，同时又有限制各旋切刀片上下工作位置的限位作用。
因上旋切刀片14与下旋切刀片15错位安装，上旋切刀片14仅通过定位销16对其进行平行支撑，因此其安装衬套17的一端可能会在重力作用下朝下发生倾斜使上旋切刀片14不再精准地沿上凸轮凹槽111移动，为避免这一情形的发生，如图3所示，刀盘13上可设置垫块131用于辅助防止上旋切刀片14从上凸轮凹槽111中脱出，当然，上旋切刀片14在绕上凸轮凹槽111移动的过程中，其与刀盘13发生的相对移动将局限在一小部分区域内，因此刀盘上的垫块131只需在该小部分区域内设置，此外，下旋切刀片在工作过程中不会进入到该区域内，因此该区域内设置的垫块也不会对下旋切刀片的运动产生干涉影响。
考虑到上旋切刀片或多或少会产生轻微倾斜，同时也为避免上旋切刀片14在与垫块131接触伊始可能发生卡死的情况发生，可将垫块131在靠近刀盘13中心孔的端部设置为楔形结构1311(楔形结构实际上就是指一个倾斜的面，该倾斜的面在靠近中心孔处相对低些，在远离中心孔处相对高些)，即上旋切刀片14在刚进入垫块设置区域时，上旋切刀片将通过楔形结构1311逐步被抬高与垫块上表面接触，从而保证上旋切刀片14平稳可靠地沿上凸轮凹槽111移动。
采摘驱动模块包括减速电机21、与减速电机的电机轴相连的主动齿轮22、可与主动齿轮发生啮合传动的从动齿轮23，下导引凸轮座具有两层阶梯式的轴向台阶(包括中段轴向台阶122和末端轴向台阶123，中段轴向台阶122的直径大于末端轴向台阶123的直径)，从动齿轮23通过在内孔中嵌设轴承24后套设至末端轴向台阶123上，轴承内圈上端面则与中段轴向台阶122的端面接触，从动齿轮23内孔末端还设有轴承限位台阶231，轴承限位台阶231与中段轴向台阶122端面之间的间距与轴承24的高度相等，轴承24具体为超薄轴承，从动齿轮23与刀盘13螺栓连接以便在啮合传动时顺利带动刀盘旋转。
为紧固轴承24，使刀盘13的圆周运动平稳运行，下导引凸轮座12的末端轴向台阶123外周还均匀设有两个用于安装与轴承内圈接触并压紧轴承的压紧件的非封闭安装孔124，压紧件可为螺栓，压紧件的设置同时也可为轴承的拆卸提供辅助作用。
采摘执行模块还包括设置在从动齿轮下端面处的底座25，底座25分别与下导引凸轮座12、上导引凸轮盖11通过螺栓固定连接，底座25上也具有与上导引凸轮盖、下导引凸轮座向对应的中心孔，上导引凸轮盖和底座将从动齿轮夹设在两者固定连接形成的空间内，使果蔬采摘机形成一个较封闭的整体。
底座25的内端面靠近中心孔处设有止口251(止口结构见附图2b所示)，止口251与底座中心孔之间还具有凹槽，下导引凸轮座的末端轴向台阶123嵌设在该凹槽内。
为进一步保障主动齿轮和从动齿轮的啮合不受外界干扰，避免各种误操作对其啮合传动造成影响，本实施例采用在上导引凸轮盖11外周上加设主动齿轮保护罩112，底座25上在主动齿轮保护罩的对应位置也设有保护底座252，主动齿轮保护罩112与保护底座252通过螺栓连接，主动齿轮22可放置于主动齿轮保护罩112与保护底座252形成的空间内且正好可与从动齿轮23发生啮合。
主动齿轮保护罩112上方具有通孔供减速电机21的电机轴伸入与主动齿轮22配合，减速电机21竖直设置在主动齿轮保护罩112上方。
为实现上旋切刀片14与上凸轮凹槽111之间的间距可调，避免上旋切刀片与上凸轮凹槽之间的间距过大而从上凸轮凹槽中脱出，如图2b所示，轴承24内圈下端面与底座的止口251之间还设置有调整垫圈26，通过自由选择调整垫圈26的厚度，可得到用户所需要的上旋切刀片与上凸轮凹槽之间的最佳间距尺寸。
减速电机21上还可电连接有旋转编码器(图中未示出)用于监控刀盘依次旋转一周来精确控制上旋切刀片、下旋切刀片复位，本果蔬采摘装置主要通过上旋切刀片、下旋切刀片的旋转及绕相应凸轮凹槽移动的方式以及改变两旋切刀片之间的间隙大小形成力矩产生切削力将果蔬的根茎剪断，当果蔬根茎被剪断后，圆盘继续做圆周运动，旋转编码器可即时监控刀盘在正好旋转一周后使上旋切刀片、下旋切刀片复位时，发出使减速电机停止工作的指令来控制减速电机停止转动(旋转编码器发出使减速电机停止工作的指令并最终使减速机停止工作的一系列操作可通过在采摘控制模块中设置plc来实现，plc即被包括在下一段将提到的控制器中，关于运用plc来实现这一系列操作属于现有技术，在此不再赘述)，以备使各旋切刀片在复位的状态下进行下一次采摘，这样一来可避免了各旋切刀片回刀复位过程中发生干涉的可能，为连续多次的果蔬采摘过程依次作好采摘准备，有效提高采摘效率。
采摘控制模块包括可控制减速电机工作和休息的控制器(未示出)，本实施例的果蔬采摘机的设计宗旨之一为轻快便携，因此采摘控制模块采用背包35进行收纳，采摘控制模块与减速电机电连接；上导引凸轮盖11上安装有方便用户提起果蔬采摘机的提手31，本实施例的提手31呈u字形，上导引凸轮盖外周对称设有两个用于安装u字形提手的提手安装孔，u字形提手31的横杆上设有防滑手柄32及护手挡板33，护手挡板33两端通过螺钉与防滑手柄32固定连接，防滑手柄32用于为用户提供舒适的提手紧握体验，护手挡板33则是为防止果蔬的最高处与用户手部接触，如果蔬为菠萝等具有较硬较尖锐的叶部时，其最高点一旦与用户手部接触，将导致用户手部不舒服或被扎伤。
控制器包括按钮开关34，为便于用户即时对果蔬采摘机进行采摘操作，按钮开关宜设置在提手上便于用户大拇指或食指按压的位置，方便用户快速地对采摘驱动装置发出工作指令，从而高效带动采摘执行装置执行对果蔬的采摘操作。
以下对本果蔬采摘机的工作原理作出详细说明：如图9所示，图中粗实线部分，左图为上旋切刀片，右图为下旋切刀片(以下统称旋切刀片)，上旋切刀片、下旋切刀片上下错位安装，旋切刀片与刀盘(本图中未表示)在a处节点绞接，刀盘以速度ω旋转，刀盘旋转时带动旋切刀片绕旋转中心o旋转，此时旋切刀片在a处轨迹为圆周轨迹a；在刀盘旋转带动下，旋切刀片c处节点在相应的凸轮凹槽中沿凸轮曲线轨迹b运动。
如图10所示，在刀盘运转带动下，旋切刀片一端从a节点沿圆周轨迹a运行到b处，旋切刀片另一端从c节点沿轨迹2运行到d处，旋切刀片在轨迹a的导引下旋转，完成旋转切割动作，同时，旋切刀片在轨迹b的导引下向中心运动，促使上旋切刀片、下旋切刀片同时向中心运动，如图11所示，两旋切刀片刃口部在中心交汇叠切，完成进给切断动作，刀盘运转的角度为θ1，轨迹a和轨迹b同时作用可使刀片完成旋转锯割和剪切动作，有效降低切断难度，防止单一剪切引起的刀片变形，使果蔬根茎处切断美观均匀。
此后，刀盘继续旋转，旋切刀片一端从b节点沿圆周轨迹a运行回初始状态的a处，旋切刀片另一端从d节点沿轨迹b运行回c处，旋切刀片在轨迹a的导引下旋转、在轨迹b的导引下远离中心运动，完成旋切刀片的撤回动作，此时，旋切刀片回到初始状态，如图10所示，刀盘运转的角度为θ2，由刀盘运转角度可以看出θ1>θ2表明，在刀盘转速ω恒定时，旋切刀片进刀切割相对用时长，退刀相对用时短，但总的来说，进刀和退刀用时均非常短，使果蔬采摘操作高效进行。
本实施例的果蔬采摘机工作过程如下：将果蔬采摘机套在果蔬需采摘切断的根茎部(如菠萝果柄，大白菜根部)，具体是让果蔬穿过上导引凸轮盖11、刀盘13、下导引凸轮座12和底座25的中心孔，手动按压按钮开关34，使控制器启动为减速电机21通电来驱动主动齿轮22发生旋转，从而使与主动齿轮22啮合的从动齿轮23跟着旋转，并最终带动与从动齿轮23固装在一起的刀盘13运转，刀盘13则带动安装在其上的上旋切刀片14、下旋切刀片15旋转，安装在上旋切刀片14、下旋切刀片15上的衬套17则开始分别在上凸轮凹槽111、下凸轮凹槽121中滚动，由凸轮曲线控制上旋切刀片、下旋切刀片摆动，完成旋切刀片的开合动作。
一方面，各旋切刀片随刀盘旋转，完成对采摘部位的锯割动作，另一方面，各旋切刀片由凸轮曲线控制而摆动，完成两旋切刀片的合刀剪切动作，同时，由凸轮曲线控制各旋切刀片的自动退刀(回刀)动作，锯割和剪切同时动作，使采摘部位剪切到位，大大降低了切割难度，保障了采摘部位的美观，提高了果蔬采摘机的使用寿命。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡是采用了本发明的凸轮曲线设计、运行方法或在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等都属于本发明保护的范围。