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摘要
主流果蔬采收末端执行器根据采收的果蔬品种和果梗木制纤维材质的不同，结构差异较大，均存在占据空间大、结构笨重、易碰撞果实和易造成损伤等问题，不利于果梗切割，因此研究一种结构灵活、占据空间小、切割省力的适用于不同果梗木制纤维的超声切割刀应用于果蔬采收末端执行器非常重要。本研究采用理论-有限元-试验相结合的方式对超声切割刀切割果梗的机理进行分析。首先建立了超声刀具切割果梗的物理场模型，通过对切割过程进行时空分析，建立了其位移、速度、加速度等数学模型，分析了切割过程的时空不连续性，基于断裂力学对果梗切割机理进行研究并绘制Matlab响应面图，可以发现超声切割所需要的力小于常规切割。利用有限元分析软件，对超声刀具进行了模态分析和谐响应分析，得到了刀具在不同频率下的振动模态和利于切割的最佳频率。最后，利用自制试验台采用不同切割速度分别对不同直径的橘子和橙子果梗进行了超声切割试验。试验结果表明：切割速度和激振频率与采收切断力有关，在高频和低频振动下，随着果梗直径增加，切割时间变化在0.4 s内，切割效率稳定；试验中超声切割的最大切断力远小于常规切割，且小于1 N,超声切割可以很有效地降低切断力，减小切割时的冲击作用，相对于常规切割切断能力更强，适合将其应用到采收末端执行器，从而获得更高的采收效率。
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单位电子工程学院; 西北农林科技大学
