采摘机器人果梗激光切割技术研究

摘要

激光切割技术具有非接触性及效率高等特点。将激光切割技术应用于采摘机器人的研究中,如何实现高效率低能耗成为研究采摘机器人激光切割的关键。本文研究果梗物理特性参数和激光焦斑直径与焦距对于穿透试验影响,以果梗直径、激光束功率值(电流值)、离焦量、入射角和含水量为激光穿透主要影响因素,研究其对穿透时间的影响,并建立模拟模型。基于穿透试验基础研究了不同电机转速与切割时间关系;通过正交试验得到最优组合。最后研究在最优组合下切割时间与切割速度、电机转速的关系,并对最优组合进行切割验证,并优化了参数。旨在为采摘机器人激光切割技术提供进一步实际应用的理论基础。主要研究内容和结果如下:
　　 (1)选择碧玉2号水果黄瓜果梗为试验材料,研究了黄瓜果梗的直径、长度、含水量规律和激光焦斑直径对激光穿透试验的影响。试验结果表明,果梗直径和长度大小存在一定波动,直径较长度波动不明显。果梗含水量较大,且维持在稳定的水平。测得光斑直径为2.38mm、焦距为49mm并分析了焦斑处功率密度值。为进一步激光穿透试验和切割试验提供研究基础。
　　 (2)以果梗直径、激光束功率值(电流值)、离焦量、入射角和含水量为激光穿透主要影响因素,研究它们对穿透时间的影响并建立了模拟模型。试验研究结果表明,果梗直径与穿透时间呈良好的线性关系;激光束功率值与穿透时间呈幂函数关系;离焦量与穿透时间呈二次函数关系,在离焦量为-2mm时穿透时间最短;入射角与穿透时间呈指数函数关系,当入射角为0°时穿透效果最佳;果梗含水量与穿透时间呈对数函数关系。为进一步进行激光切割试验提供了理论基础。
　　 (3)研究了不同电机速度、切割速度与切割时间关系。在单因素穿透试验基础上,通过正交试验得到最优组合。在最优组合下研究了切割时间与电机转速的关系,且对最优组合进行切割验证。试验结果表明,切割时间与果梗直径呈良好线性关系;切割速度、电机转速与切割时间呈幂函数关系,在电机转速为50rpm、切割速度为0.174mm/s时切割时间最短;由MATLAB分析正交实验结果得到了果梗直径取3.3mm、激光束电流值取7A、离焦量取-2mm、入射角取0°的最优组合,影响因素的大小顺序为离焦量F果梗直径D＞入射角θ＞激光束电流值I;最优组合下电机转速50rpm、切割速度为0.174mm/s时为最佳切割速度,同时由不同电机转速切割试验验证了最优组合;并优化了切割参数,提出了激光切割果梗运动控制策略。
　　 本文主要研究了果梗的激光穿透和切割试验,分别得到了果梗直径、激光束功率值(电流值)、离焦量、入射角、含水量、切割速度和电机转速与时间的影响关系并优化了参数,为采摘机器人实际作用提供了试验理论依据。