一种经济型鲜枣去核机

一种经济型鲜枣去核机一种经济型鲜枣去核机AKINDOFAFFORDABLEMACHINETOREMOVETHECORESOFJUJUBE摘要目前，对鲜枣去核一般多用于枣类产品的工业加工，由于去核时对鲜枣定位困难，多以手工去核为主，市场现有的自动去核机，多由于顺位结构不完善导致加工精度差，枣破损报废等现象突出。本次毕业设计提出一种三杆三点式顺位机构，用于鲜枣去核前的顺位，通过ADAMS仿真，设计多种工况，探讨了包括顺位杆转速对顺位时间影响、动摩擦系数对顺位时间影响、顺位杆倾斜角度对顺位时间影响，以及顺位杆尺寸对顺位时间的影响等，得出该三杆三点式顺位机构能够实现在1秒左右的时间成功进行鲜枣的摆正竖直顺位工作，方案切实可行，并且，在电机转速越高或动摩擦系数越大，则顺位时间越短，而，顺位杆倾斜角度的不同或顺位杆的直径的不同对顺位时间的影响不大。进一步，设计一种经济型鲜枣去核机，实现对鲜枣投料后的自动去核、自动出料等工作。主要包括放料系统、顺位定位系统、去核系统、出料系统、动力系统五大系统，各系统由单片机控制协调运行。其中，放料系统主要采用了电磁铁控制隔板，实现对单个鲜枣的逐个进料；顺位定位系统采用上述三杆三点式顺位机构，实现鲜枣竖直摆正并定位，去核系统主要设计为丝杠传输运动的空心套杆结构，简单方便的进行核肉分离工作；出料系统包括枣肉和核的出料，主要利用重力实现出料，枣肉通过带有斜面的板滚落入枣肉箱，枣核在从空心套杆中被推出后直接落入枣核箱，达到核、肉分离的效果；动力系统装有电路控制板，通过稳压调节，由步进电机提供电力，通过齿轮传动动力。进一步，制作该经济型鲜枣去核机样机模型，分别对直径为20MM左右以及直径在10MM左右的枣进行去核工作，实验验证，该三杆三点式顺位机构能够在1秒之内对鲜枣进行摆正竖直顺位，并且，该鲜枣去核机成功完成了鲜枣的整套自动去核、自动出料的工作，去核后枣肉形态完整，枣肉浪费极少。该经济型鲜枣去核机，结构简单、体积小巧、去核准确（枣肉浪费少），尤其适合于家庭使用，解决人们在进食鲜枣时遇到的去核繁琐的问题，提高人们食用鲜枣的舒适性和趣味性；对于一些生活尚不能独立的幼儿或者老年人，该款机器可以方便的进行进食鲜枣时的提前去核，也适合于在幼儿园、敬老院等场所使用。可进一步扩展为多排并联顺位机构结构，满足工业使用。关键词鲜枣去核机；顺位；三杆三点；ADAMS仿真；实验ABSTRACTATPRESENT,THEREMOVALOFDATESTONESISCOMMONLYUSEDININDUSTRIALPROCESSINGOFJUJUBEPRODUCTSTHECORESUSUALLYBEREMOVEDMANUALLYBECAUSEITISDIFFICULTTOFIXITSPOSITIONWHENTHEREMOVALBEGINSALTHOUGHAUTOMATICMACHINEOFREMOVINGDATESTONESISAVAILABLEINTHEMARKET,THEJUJUBEISSTILLEASYTOBEDAMAGEDINTHEPROCESSBECAUSEDEFECTSOFPOSITIONINSTITUTIONWOULDLEADTOPOORACCURACYINTHEPROCESSTHISGRADUATIONDESIGNPROPOSESAMECHANICALSTRUCTURE,HAVINGTHESEQUENCEOFATHREEPOLEANDTHETHREEPOINT,ITWASUSEDFORFRESHJUJUBETOREMOVECORESINFRONTOFTHELINEBYTAKINGTHEADVANTAGESOFADAMSSIMULATIONTODESIGNAVARIETYOFOPERATINGMODE,MANYCIRCUMSTANCESHADBEENDISCUSSEDSUCHASDIFFERENTSPEED,ANGLEOFINCLINATION,SIZEOFTHEPOLEANDDIFFERENTDYNAMICFRICTIONCOEFFICIENTUNDERTHESECIRCUMSTANCES,MANYINFLUENCEWOULDBECAUSEDTOEFFECTTHETIMETHEN,ACONCLUSIONWASDREWTHATTHETHREEPOLETHETHREEPOINTLINEMECHANICALSTRUCTURECANACHIEVESUCCESSINLESSTHAN1SECONDTOSTRAIGHTENTHEFRESHJUJUBESVERTICALALIGNMENTINTHISCASE,THEHIGHERTHEMOTORSPEEDWASORTHEGREATERTHEKINETICFRICTIONCOEFFICIENTWAS,THESHORTERTHETIMESEQUENCEOFTHESEQUENCEWASWHILETHEDIFFERENTANGLESANDSIZESOFTHEPOLEHADLITTLEINFLUENCEONTHESEQUENCEOFTIMEFURTHER,AKINDOFAFFORDABLEMACHINEWASDESIGNEDTOREMOVETHECORESOFJUJUBEANDJUJUBEWOULDBEPUTOUTAUTOMATICALLYAFTERTHEJUJUBEWASPUTINTOTHEMACHINETHEMACHINEINCLUDEDFIVEMAINSYSTEMSTHEFEEDINGSYSTEM,POSITIONSYSTEM,REMOVINGCORESSYSTEM,OUTLETSYSTEM,POWERSYSTEMEACHSYSTEMWASCONTROLLEDBYASINGLECHIPCOMPUTERTHEFEEDINGSYSTEMMAINLYUSEDTHEELECTROMAGNETTOCONTROLTHEPARTITIONINORDERTOPUTINJUSTSINGLEJUJUBEINONCETIMEPOSITIONSYSTEMUSEDTHETHREEPOLEANDTHREEPOINTPOSITIONINSTITUTIONTOMAKETHEJUJUBEUPRIGHTANDFIXITSPOSITIONTHEREMOVINGCORESYSTEMWASMAINLYDESIGNEDASHOLLOWSLEEVERODINSTITUTIONWHICHWASTRANSMITTEDBYLEADINGSCREWINORDERTOSEPARATETHECOREANDJUJUBECONVENIENTLYOUTLETSYSTEMWOULDLETBOTHCORESANDJUJUBEOUTDUETOTHEWEIGHTTHEJUJUBEWOULDFALLINTOJUJUBEBOXTHROUGHTHEPLATEWITHABEVELMEANWHILE,THECOREWOULDFALLINTOTHECOREBOXAFTERPUSHEDOUTBYTHEHOLLOWSLEEVERODINSTITUTIONTHROUGHTHISSYSTEM,WECANSEPARATETHECOREANDTHEJUJUBETHEPOWERSYSTEMWASPROVIDEDWITHACIRCUITCONTROLBOARD,ANDTHEPOWERSUPPLYWASPROVIDEDBYASTEPPINGMOTORTHROUGHAVOLTAGESTABILIZINGREGULATIONAFTERTHEVOLTAGEISMADESTABLE,STEPPERMOTORWOULDPROVIDEPOWERANDGEARSWOULDTRANSMITPOWERTHEN,THEAFFORDABLEMACHINEMODELWASMADETOREMOVETHECORESOFFRESHJUJUBETHECORESOFJUJUBEWHOSEDIAMETERISABOUT20CMAND1CMWOULDBEREMOVEDEXPERIMENTVALIDATEDTHATTHETHREEPOLEANDTHREEPOINTPOSITIONSYSTEMCANMAKEFRESHJUJUBEUPRIGHTWITHINONESECONDTHEMACHINEREMOVEDCORESANDPUTOUTTHECORESAUTOMATICALLYTHEJUJUBEMEATWOULDBECOMPLETEAFTERREMOVETHECORESANDLESSJUJUBEMEATWOULDBEWASTEDTHEAFFORDABLEMACHINETOREMOVETHECORESOFJUJUBEHADALOTOFADVANTAGES,SUCHASSIMPLESTRUCTURE,SMALLVOLUME,HIGHACCURACYLESSMEATISWASTEANDSOONITWASSUITABLEFORFAMILYESPECIALLYITCANSOLVETHEFACINGPROBLEMSANDIMPROVEDTHECOMFORTANDENJOYMENTWHENPEOPLEEATJUJUBESTOYOUNGCHILDRENORTHEELDERLYWHOCANTLIVEINDEPENDENTLY,THEMACHINECANREMOVETHECORESOFJUJUBEBEFOREPEOPLEEATTHEMOFCOURSE,ITWASALSOSUITABLEFORKINDERGARTENS,NURSINGHOMESANDOTHERPLACESIFITWERETOBEEXTENDEDASPARALLELLINEORGANIZATIONSTRUCTURE,THEMACHINEWOULDBESUITABLEFORINDUSTRIALUSAGEKEYWORDMACHINETOREMOVECORESOFFRESHJUJUBEMAKETHEJUJUBEUPRIGHTTHREEPOLEANDTHREEPOINTADAMSSIMULATIONEXPERIMENT第一章绪论11选题的背景和意义我国是枣子主产区，产地遍布全国许多省区，主要分布在河北、山东、河南，枣的产量很大，而且枣子加工产品种类繁多。大部分鲜枣的加工产品都需要去核，如，制作金丝蜜枣或者枣类罐头。另一方面，鲜枣因为其最大限度的保留了其含有的大量维生素C、钙、磷、维生素B、胡萝卜素等营养元素23，并且清脆可口，所以，人们直接食用鲜枣的现象也非常普遍。而，在食用鲜枣时往往会遇到枣核这一恼人的问题，如果出现幼儿或者老人误吞枣核，轻者会引起身体不适，重者可能枣核扎破气道，引发生命危险。所以，对鲜枣进食前去核也是人们对直接消费鲜枣的一种使用需求。111国内外研究现状经市场调查，目前主流的鲜枣去核加工方式主要分为3种14手工加工、半自动加工、全自动加工。目前枣果加工企业大都是由人工来完成去核的过程，人工去核存在很多显而易见的问题，并且长时间工作后效率会下降，更重要的是去核的质量得不到保障。1960年左右国外就已经进行全自动去核机械的相关开发研制工作，仅到80年的时候，美国和意大利等国家就已经推出了桃子、青红枣去核机等相关设备。我国从80年代后期开始着手于枣等相类似的农产品的去核机的研制工作，并陆续出现了一些产品。马朝峰等人设计的红枣去核机5通过在传动链条上加装U型凹槽块实现红枣的顺序排列（如图11所示），链条通过槽轮机构和减速机构来实现固定时间的间歇运动，打平头在平行于链条前进的方向上作来回往复运动以保证每个U型凹槽块内只有一枚红枣，当红枣被输送至压紧去核工位时，压枣凸轮转动带动相关连杆使压枣块压紧红枣。压紧时，通过一系列凸轮、连杆和摆杆等部件的作用驱动空心去核刀往复运动实现去核。松开时，链条继续运动，枣由于重力作用落入左端的收集框里。至此，该去核机的全部工作完成。该去核机的去核质量较好，达到98以上，但其去核效率较慢，限制了其推广应用。图11链式红枣去核机的上料排序机构1U型槽2主动链轮3压力块4输送链条5、9从动链轮6打平头7料斗挡板8张紧链轮10螺栓赵建国等人研发的履带式去核机，选用电力磁场震荡的原理制造进料装置以实现自行给料6，通过输送带将鲜枣送到去核工位，并通过上模等机构部件，完成自动轴线定位和夹紧，由沖针快速向下运动将枣核快速冲出大枣，然后沖针和上模向上运动松开大枣，大枣随链条继续运动至下料区完成一个循环。（如图12所示）图12履带式大枣自动去核机组成1减速器2槽轮曲柄3槽轮4小链轮5滚轮6链板7支撑板弹簧8料斗9衔铁10电磁铁11给料管12链条13转盘式上料器14小型冲压机15上模16下模17枣核收集筐18输送机链轮19机架20大枣收集斗王兵臣等人设计的红枣去核机（如图13所示）7，该设计通过在输送带上安装卡板实现红枣上料，不同尺寸的卡板来保证输送红枣的尺寸，到达输送带末端红枣掉入下传送链，拨片组件作用于下传送链上的中间滚轮转动，同时带动红枣旋转使其轴线与滚轮平行，下传送链随着间歇机构往前运动并最终将红枣送至与上传动链所形成的棱形空间，实现四点定位。此时，往复运动的冲核杆随着曲柄机构运动将枣核冲出完成去核。间歇机构继续运动将红枣带离棱形区域，并最终掉入收集斗里。该红枣去核机实现了去核的连续化作业，但其结构较为复杂，使用维护比较麻烦。图13上下定位连定位原理图1上定位传动链条2红枣3链条滚子4下传送定位链条5枣输送带6红枣卡板7料斗8拨片组件由张彤阳等人研制的红枣去核机（如图14所示）8，主要由五大部分组成分别为转盘间歇转动部分、往复循环去核部分、夹紧定位部分、电机与配套的减速器部分。该去核机设计的转盘共有6个加工位置，分为两个周期，即转盘每转动一个周期就会回到初始状态。所以其在转盘上设置了两个对称的料斗、去核机构、推枣机构以加快机器的加工效率。该去核机的工作原理为被放入料斗内的枣由于重力的作用落入转盘内的1号和4号工位；提升弧面和弧面分度凸轮随着输入轴的转动同时运动使提升轴作上下往复运动，当间歇运动的转盘运动到2号和5号工位时即去核工位，提升轴又带动去核杆完成去核工作。转盘继续转动到3号和6号工位，推核杆运动将红枣推出转盘。这种去核机优点显而易见，就是其去核效率高，结构相对简单；但是因为其仅仅利用夹持器的作用来夹紧和定位红枣，定位方式较为单一而不能很好的保证定位精确度和去核质量。图14转盘式全自动红枣去核机的结构1三相异步电机2联轴器3主轴转动轴承4机架5料仓6实心去核杆7滑板8推枣杆9圆形转盘10出核口11提升凸轮12拨叉13弧面凸轮14主动力轴15电机架16滚子从动件17主旋转轴18销19拨叉轴20提升轴21收枣口综上我们可以知道，目前市场上的各类农产品去核机的种类已经相当丰富，但其定位方式多数完全依赖于大枣的外形，由于枣本身的尺寸差异很大，因此这些红枣去核机的去核精度相对差些而导致枣的去核质量有所下降，也容易出现枣肉浪费多、破损报废等情况。112课题研究的目的和意义本课题针对目前现有自动鲜枣去核机的顺位难问题，提出一种三杆三点式顺位机构，有效的实现鲜枣准确顺位定位。进一步设计一种经济型鲜枣去核机，用以对鲜枣投料后进行自动去核、自动出料等工作。并，制作出样机模型，验证整个设计方案的可行性。该经济型鲜枣去核机，结构简单、体积小巧、去核准确（枣肉浪费少），尤其适合于家庭使用，解决人们在进食鲜枣时遇到的去核繁琐的问题，提高人们食用鲜枣的舒适性和趣味性；对于一些生活尚不能独立的幼儿或者老年人，该款机器可以方便的进行进食鲜枣时的提前去核，也适合于在幼儿园、敬老院等场所使用。在此基础上，可进一步扩展为多排并联顺位机构结构，满足工业使用。12课题研究的主要内容本课题主要完成经济型鲜枣去核机的设计及模型制作与验证。前期需大量查阅和收集相关设计资料，也包括考察目前市场上现有鲜枣的尺寸、重量等等，在此基础上，主要完成的内容包括1）设计三杆三点式顺位机构结构；2）进行ADAMS仿真，验证方案可行性，并设计多种工况，探讨了包括顺位杆转速对顺位时间影响、动摩擦系数对顺位时间影响、顺位杆倾斜角度对顺位时间影响等；3）设计一种经济型鲜枣去核机，完成详细结构设计与电路控制设计，实现对鲜枣投料后的自动去核、自动出料等工作，由单片机控制协调整机运行；4）制作该经济型鲜枣去核机样机模型，并对枣进行去核实验，验证设计方案的可行性。第二章三杆三点式顺位机构设计21三杆三点式顺位机构结构一种用于鲜枣顺位的装置，包括由底座、顶板、支撑杆、调节螺母组成的外围支撑体，中部为由链轮驱动、万向节连接的三组顺位杆组，底部为由球头关节轴承、弹簧、底座、限位杆组成的限位装置，上部为由微型轴承连接的可自由转动的推杆和上、下两部分挡板，上挡板开孔用于鲜枣进入顺位空间，下挡板通过转动轴和扭簧与上挡板连接可实现一定角度的转动和复位。并可以通过限位装置调节三组顺位从动杆的倾角从而实现不同大小的顺位空间，适应对各种尺寸的鲜枣的顺位工作。如图21所示，底座1和顶板13通过两端带有螺纹的支撑杆9和调节螺母19连接，组成支撑体，支撑体与进料口所在的上挡板21用螺钉20连接，下挡板8通过转动轴11与上挡板21连接，穿过转动轴11，在上档板与下档板的连接空隙处销套A26之间安装扭簧22，顺位主动杆15通过轴承14安装在顶板13通孔处，万向节10与顺位主动轴杆5连接，并用螺钉12固定，万向节10底部与顺位从动杆6连接，并用螺钉12固定，顺位从动杆6包覆橡胶7，顺位从动杆6与球头关节轴承5螺纹连接，球头关节轴承5另一端与限位杆4螺纹连接，限位杆4通过限位孔，限位孔焊接在底座1上，穿过限位杆4并靠近顺位从动杆6的一端安装弹簧3，另一端安装限位螺母2，用以调节顺位从动杆6的位置，推枣杆通过顶板13上的中心孔做往复运动。如图3所示，推枣杆由推杆17、推杆头25两部分组成，推杆17、推杆头25两部分通过微型轴承连接，可以实现推杆头25相对转动。如图22所示，为装置的三维立体图，有3个上档板21和3个下档板8构成三组挡板组，每组挡板组由上档板21之间两两圆弧连接或者等效的其他方式连接。如图23所示，装置的推杆17和推杆头25之间由微型轴承24连接，并有六角薄螺母23固定，推杆头25底部明显凹陷，便于推动鲜枣的过程中维持鲜枣的位置。如图24、图25所示，上档板21由挡板和2个销套A26以及1个销套B27焊接而成，2个销套A26位于两端，1个销套B27位于中部。如图26所示，上档板21销套B开有凹槽。如图27所示，销套B27两侧有95度缺口。如图28所示，下档板两销套内侧A26存在凸起。如图29、图210所示，下档板8由截面为矩形的挡板和2个销套A26组成。另外，下档板8凸起与上档板21销套B27的凹槽配合，实现初始角度的确定，倾角为5度。上挡板21、下挡板8的2个销套A26之间存在一定间隙，配合后，在间隙之间的转动轴11安装扭簧，实现下挡板8的复位。推杆17与顶板13垂直。链轮16为匀速转动，最佳转速为20R/MIN。橡胶套7厚度为1MM。下挡板8与顺位从动杆6围成的圆锥空间存在微小间隙，间隙大小为2MM。顺位从动杆6底部内切圆直径为15MM。图21三杆三点式顺位装置总体结构图图22三杆三点式顺位装置三维立体图图23三杆三点式顺位装置推杆示意图图24三杆三点式顺位装置上档板主视示意图图25三杆三点式顺位装置上档板俯视示意图图26三杆三点式顺位装置上档板销套B凹槽局部示意图图27三杆三点式顺位装置上档板销套B凹槽A向局部示意图图28三杆三点式顺位装置下档板销套A内侧凸起局部示意图图29三杆三点式顺位装置下档板主视示意图图210三杆三点式顺位装置下档板左视图示意图22三杆三点式顺位机构顺位工作过程鲜枣顺位时，链轮16在电动机的带动下做同向匀速转动，顺位主动杆15与顺位从动杆6在链轮16的带动下作匀速同向转动，鲜枣从上挡板21一侧进料口进入，受重力作用落于顺位从动杆6与下挡板8组成的顺枣空间S，鲜枣与顺位从动杆6接触，受到摩擦力的作用，鲜枣自转，逐渐达到重心最稳状态，鲜枣竖直摆正，在顺位过程中，推枣杆匀速向下作竖直运动，推杆头25与鲜枣接触之后,鲜枣对顺位从动杆6产生侧向压力，顺位从动杆6沿限位杆4移动，顺枣空间扩大，同时，当鲜枣向下运动时，与下挡板8接触，下挡板8受力向外扩张，销套A26之间的扭簧弹性势能增大，鲜枣在推杆头25作用下继续向下移动，直至从底座1中间出料口离开，此时，销套A26之间的转动轴11扭簧的弹性势能转变为动能，下档板8旋转，直至下档板8凸起与上挡板21销套B27凹槽配合，实现下挡板8的复位，之后，推枣杆竖直向上运动，顺位从动杆6在弹簧3的作用下复位，完成一次鲜枣顺位工作。23三杆三点式顺位机构顺位原理三杆三点式顺位机构顺位原理可简单描述如下假设鲜枣投料后位置不正（以鲜枣外形几何中心为坐标原点，则其Y轴与竖直方向呈一定角度），与三杆三点接触，瞬间，鲜枣处于受力平衡状态；瞬间，由于静摩擦力，鲜枣与三杆同步转，此时三个接触点线速度相同，而对于同一枣角速度就会相同，于是三个接触点的线速度就不可能相同，于是，鲜枣发生滑移和速度突变；接着，再如上，平衡突变，耦合多次，最终状态必然是三个接触点线速度与角速度都相同；只有枣竖直摆正（Y轴与竖直方向重合），才能实现三个接触点线速度与角速度都相同的状态；而此时，由于三根杆对枣在三个接触点的支持力，在竖直方向的分力与枣的重力平衡，并且，在水平方向的分力又相互平衡，所以，此时枣几何中心的X轴Z轴亦无明显跳动。于是，完成了三杆三点顺位定位。并且，由于该顺位装置的设计了调节螺母和弹簧，可调节顺位空间大小，所以，该机构可以满足对目前市场上几乎所有不同大小鲜枣的顺位定位。第三章三杆三点式顺位机构ADAMS仿真31ADAMS模型的建立定义青枣直径为20MM，重量为002牛顿，设置顺位杆材料为聚四氟乙烯，初始位移为各个点的初始位置，初始速度设置为0。分别为三根顺位杆添加与空间构成的沿杆件轴线方向的转动副。此处，为了模拟青枣顺位的过程，在顺位杆1（PART2）的中部PART2_MARKER_2处给上述转动副添加一个角速度为540/S的旋转驱动。完成这个设置后青枣顺位机构的模型如图31所示图31青枣顺位机构最终模型32仿真分析321直角空间轨迹规划对建好的模型进行直角空间轨迹规划方法的理论分析，并在ADAMS/VIEW的仿真和后处理模块中进行分析比较，将青枣位置、速度、加速度表示为时间的函数，相应的导出位移、速度和加速度等信息。直角坐标空间轨迹与青枣质心相对于直角坐标系的运动有关，青枣质心的位置轨迹就是沿循直角坐标空间的轨迹。分析该顺位机构模型，青枣质心Y轴与直角坐标Y轴的夹角，为影响鲜枣左右攒动的因素，质心X、Z轴与直角坐标X、Z轴的夹角，为影响鲜枣上下跳动的因素。青枣质心Y轴与直角坐标Y轴的夹角，是判断顺位是否成功的主要因素。322轨迹规划仿真分析1）顺位杆转速对顺位时间影响的分析（取顺位杆直径为19MM，倾斜角度为1044）分别设定顺位杆的转速为180/S，360/S，540/S，720/S。900/S分析其运动特性，选取青枣模型PART5中心的PART5_MARKER_5点的运动参数进行分析。青枣模型PART5_MARKER_5在X,Y,Z三个方向上的位移曲线如下图32PART5_MARKER_5在X,Y,Z三个方向上的位移图（顺位杆转速为180/S）图33PART5_MARKER_5在X,Y,Z三个方向上的位移图（顺位杆转速为360/S）图34PART5_MARKER_5在X,Y,Z三个方向上的位移图（顺位杆转速为540/S）图35PART5_MARKER_5在X,Y,Z三个方向上的位移图（顺位杆转速为720/S）图36PART5_MARKER_5在X,Y,Z三个方向上的位移图（顺位杆转速为900/S）从上图中我们看到，顺位杆转速为180/S时，质心在X轴方向上经过约153S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Y轴方向上经过约120S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Z轴方向上经过约129S后，在小幅范围内稳定波动；在顺位杆转速为360/S的情况下，质心在X轴方向上经过约134S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Y轴方向上经过约115S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Z轴方向上经过约126S后，在小幅范围内稳定波动；在顺位杆转速为540/S的情况下，质心在X轴方向上经过约121S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Y轴方向上经过约103S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Z轴方向上经过约123S后，在小幅范围内稳定波动；在顺位杆转速为720/S的情况下，质心在X轴方向上经过约117S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Y轴方向上经过约100S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Z轴方向上经过约121S后，在小幅范围内稳定波动在顺位杆转速为900/S的情况下，质心在X轴方向上经过约115S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Y轴方向上经过约098S后，在小幅范围内稳定波动，质心在Z轴方向上经过约120S后，在小幅范围内稳定波动。不同顺位杆转速对应下，质心Y轴与直角坐标间Y轴的夹角如表31所示。表31不同顺位杆转速下质心X、Y、Z轴与直角坐标X、Y、Z轴的夹角顺位杆转速V/S180360540720900顺位时间（X轴）153134121117115顺位时间Y轴120115103100098顺位时间（Z轴）129126123121120从以上分析可以得出随着顺位杆转速的增大，在X、Y、Z所需顺位时间均越来越短。2）动摩擦系数对顺位时间影响的分析（取顺位杆转速为540/S,直径19MM，倾斜角度为1044）分别设定动摩擦系数为02、03、04、05、06，分析其运动特性，选取青枣模型PART5中心的PART5_MARKER_5点的运动参数进行分析。不同摩擦系数青枣模型PART5_MARKER_5在Y方向上的位移曲线如图38（A）ART5_MARKER_5Y轴位移变化曲线（动摩擦系数为02）（B）ART5_MARKER_5Y轴位移变化曲线（动摩擦系数为03）（C）ART5_MARKER_5Y轴位移变化曲线（动摩擦系数为04）（D）ART5_MARKER_5Y轴位移变化曲线（动摩擦系数为05）（E）ART5_MARKER_5Y轴位移变化曲线（动摩擦系数为06）图38不同摩擦系数青枣模型PART5_MARKER_5在Y方向上的位移曲线不同摩擦系数青枣模型PART5_MARKER_5在Y方向上的位移变化如表32所示。表32不同摩擦系数青枣模型PART5_MARKER_5在Y方向上的位移变化动摩擦系数/0203040506顺位时间/T/S12080807065从以上可以得出，动摩擦系数与顺位时间成反比，动摩擦系数越大，所用的顺位时间越短。3）顺位杆倾斜角度对顺位时间影响的分析（取顺位杆转速为540/S,直径为19MM）。分别设顺位杆倾斜角度为244、644、1044、1444、1844，分析其运动特性，选取青枣模型PART5中心的PART5_MARKER_5点的运动参数进行分析。（1）PART5_MARKER_5顺位杆倾斜角度为244时（青枣与顺位杆发生干涉）；（2）PART5_MARKER_5顺位杆倾斜角度为644、1044、1444时Y轴位移变化曲线如图39所示；（A）PART5_MARKER_5顺位杆倾斜角度为644时Y位移变化曲线（B）PART5_MARKER_5顺位杆倾斜角度为1044时Y位移变化曲线（C）PART5_MARKER_5顺位杆倾斜角度为1444时Y轴位移变化曲线图39PART5_MARKER_5顺位杆倾斜角度为644、1044、1444时Y轴位移变化曲线（3）PART5_MARKER_5顺位杆倾斜角度为1844时青枣无法摆正。不同顺位杆倾斜角度青枣模型PART5_MARKER_5在Y方向上的位移变化如表33所示。表33不同顺位杆倾斜角度青枣模型PART5_MARKER_5在Y方向上的位移变化从以上图表可以看出，在一定角度范围内，顺位杆倾斜角度的不同对顺位时间的影响不大。4）顺位杆尺寸对顺位时间的影响的分析（取顺位杆转速540/S，倾斜角度1044）分别设顺位杆尺寸为17MM、18MM、19MM、20MM、21MM，分析其运动特性，选取青枣模型PART5中心的PART5_MARKER_5点的运动参数进行分析。得出不同顺位杆尺寸青枣模型PART5_MARKER_5在Y方向上的位移变化如表35所示。表35不同顺位杆尺寸青枣模型PART5_MARKER_5在Y方向上的位移变化顺位杆倾斜度/244644104414441844顺位时间/T/S出现干涉061060061无法摆正顺位杆直径/MM1718192021顺位时间/T/S098097097097098从以上数据来看，顺位杆的直径的不同对顺位所需时间几乎没有影响。综上，该三杆三点式顺位机构能够实现在1秒左右的时间成功进行鲜枣的摆正竖直顺位工作，方案切实可行，并且，在电机转速越高或动摩擦系数越大，则顺位时间越短，而，顺位杆倾斜角度的不同或顺位杆的直径的不同对顺位时间的影响不大。第四章经济型鲜枣去核机结构设计41经济型鲜枣去核机结构设计采用第二章的三杆三点式顺位机构进行鲜枣去核前的竖直摆正顺位，进一步设计经济型鲜枣去核机，主要包括放料系统、顺位定位系统、去核系统、出料系统、动力系统五大系统，各系统由单片机控制协调运行。图41、42是经济型鲜枣去核机整体结构示意图；图43是料仓结构示意图；图44是顺位杆组传动部分结构示意图；图45是顺位杆组传动部分分解示意图；图46是底座结构示意图；图47是顺位杆组结构示意图；图48是枣核分离收集箱结构示意图；图49是丝杆传动部分结构示意图。图41经济型鲜枣去核机整体结构示意图（A）图42经济型鲜枣去核机整体结构示意图（B）图43料仓结构示意图图44顺位杆组传动部分结构示意图图45顺位杆组传动部分分解示意图图46底座结构示意图图47顺位杆组结构示意图图48枣核分离收集箱结构示意图图49丝杆传动部分结构示意图整体零件说明见表41。表41整体零件说明1步进电机2丝杆顶板固定螺丝3丝杆顶板4光轴5直线轴承6六角铜柱7深沟球轴承18上顶板9料仓L型横撑10料仓11机架上固定杆12丝杠13联轴器14深沟球轴承615轴承上顶板16立式轴承座17限位螺母18球关节连接杆19轴承座固定螺丝20丝杆底座固定板21机架底座22枣核滚落斜板23枣核下挡板24开口式枣核箱25舵机1固定板26弹簧27球头关节28机架下固定板29青枣顺位杆组30一字螺钉31电磁铁固定架32电磁铁33料仓转动轴34万向节35M3固定螺母36M5固定螺母37深沟球轴承238顺位杆从动齿轮139顺位杆从动轴140键141从动齿轮42空心轴套43键244顺位杆从动齿轮245顺位杆从动轴246键347顺位杆从动齿轮348顺位杆从动轴349键450电路板51万向节紧定螺钉52料仓转动板53料仓复位弹簧54舵机支撑铜柱55舵机156舵机1固定螺丝57舵机1支撑架58舵机1连接盘59枣核箱60舵机1连接盘紧定螺丝61枣核下挡板62枣核分离斜板63枣下挡板64舵机265枣箱66步进电机2固定铜柱67光杆底座固定板68步进电机2支撑板69步进电机270步进电机2顶板71深沟球轴承固定板72空心铝管73料仓L型横撑174丝杆移动平台75菱形轴承座76菱形轴承座下底板77菱形轴承座上盖板78顺位杆主动齿轮79键580顺位杆主动轴81深沟球轴承382深沟球轴承483深沟球轴承5411进料机构主要由一对横向L型横撑（9）通过螺丝螺母（35）与上顶板（8）固定，外部装有电磁铁（32）由电磁铁固定架（31）和紧定螺钉（86）固定，内部由弹簧（53）连接的料仓转动板（52）通过料仓转动轴（33）与料仓（10）连接。工作时，首先将青枣倒入料仓（10）中，青枣由于自重及震动作用下落入料仓底部斜面，并且由料仓转动板（52）隔断，料仓转动板（52）由料仓转动轴（33）与料仓（10）连接，前端由弹簧（53）与料仓（10）底部连接，通过单片机控制电磁铁（32）是否得电，来控制料仓转动板（52）的吸合，通过设置脉冲时间来调整吸合的频率，即枣依次进入的顺位系统的时间间隔。412顺位定位机构主要结构由上顶板8、三组顺位杆29、机架上固定杆11、机架下固定杆（28）、连接弹簧26）、球头关节27、机架底座21、限位螺母18）、万向节34、深沟球轴承17、深沟球轴承2（37）、深沟球轴承380、深沟球轴承4（82）、深沟球轴承5（83）、顺位杆从动轴1（39）、顺位杆从动轴2（45）、顺位杆从动轴3（48）、空心轴套（42）、主动轴（80）、主动齿轮（78）、从动齿轮（41）、顺位杆从动齿轮1（38）、顺位杆从动齿轮2（44）、顺位杆从动齿轮3（47）。主动齿轮（78）与从动齿轮（41）相互啮合，达到动力传动，从动齿轮（41）与顺位杆从动齿轮1、顺位杆从动齿轮2、顺位杆从动齿轮3相互啮合，继而相互转动。动力带动三根顺位杆29匀速同向转动，顺位机构中的三根顺位杆29围成的顺枣空间为圆锥形，倾斜角度为。青枣进入顺位机构时受重力作用，落于顺60位杆组成的顺枣空间中，青枣与顺位杆29接触，受到摩擦力的作用，青枣自转，逐渐达到重心最稳状态，青枣竖直摆正，在顺位完成后，空心铝管（72）匀速向下作竖直运动，推杆头与青枣接触之后,青枣对顺位杆29）产生侧向压力，顺位杆29）沿限位杆向外移动，顺枣空间扩大，进一步，推杆头把青枣从顺位机构挤出，通过底板上的孔与下方两端开口的圆柱形容器枣箱（65）中，枣被枣箱（65）限制定位，进而等待空心铝管（72）向下去核。413去核机构主要由空心铝管65、丝杆移动平台74、步进电机2（69）、联轴器（13）、丝杆（12）、组成，枣在顺位的同时，步进电机2（69）通过联轴器（13）与丝杆连接转动，进而带动丝杆移动平台（74）的上下运动，来控制空心铝管（65）的上下运动。414出料机构主要由舵机1（55）、舵机2（64）、枣箱65、枣核箱（59）、枣核分离斜板（62）组成。去核完成后，空心铝管（65）在丝杆移动平台的带动下向上运动，枣由于球头关节27因为弹簧（26）的复位，球关节（27）阻止了枣向上随空心铝管（65）的移动；此时舵机1（55）向右转动90度，由于枣下方没有挡板，所以掉入枣核分离斜面（62）上，此时舵机1复位，从斜面上滚落到出口处，去核时空心铝管（65）直接将核顶出到枣箱下方的枣核箱，空心铝管（65）的尾部，装有强弹力弹簧，在枣核被顶出时克服枣核和空心铝管（65）间的最大静摩擦力，从而将枣核顺利的顶出到枣核箱（59），等枣核箱（59）达到一定量的枣核时，舵机2（64）向左转动90度，枣核由于自重从斜面上落入出口处，此时舵机2（64）复位，实现青枣与枣核的分离出料。414动力机构主要由步进电机11、步进电机2（69）、顺位杆从动轴1（39）、顺位杆从动轴2（45）、顺位杆从动轴3（48）、空心轴套（42）、主动轴（80）、主动齿轮（78）、从动齿轮（41）、顺位杆从动齿轮1（38）、顺位杆从动齿轮2（44）、顺位杆从动齿轮3（47）。电池提供12V电压，以提供对电磁铁32的供电，从12V稳5V，以提供对单片机供电以及对步进电机11、步进电机2（69）信号端供电等，达到电力与动力的转换。步进电机11将动力传到主动轴80上，由于主动轴80和主动齿轮78有键连接，动力通过主动齿轮80）传递到从动齿轮78上。从动齿轮78与空心轴套42通过键连接，从而带动顺位杆从动轴138、顺位杆从动齿轮2（44）、顺位杆从动齿轮3（47）的转动。动力源分为两部分，一部分为顺位杆29提供转动动力，由步进电机11提供，另一部分为丝杆（12）提供转动动力，带动移动平台（74）的上下运动。42经济型鲜枣去核机工作过程该经济型鲜枣去核机工作过程如下首先将青枣倒入放料机构的料仓中，通过电磁铁控制隔板，当一个青枣滑出后，隔板提起，阻止下一个青枣滑出，实现对单个青枣的逐个进料。当青枣进入顺位机构后，电机将动力通过轴和轴承传到顺位杆，顺位杆底部与球头关节轴承连接，球头关节轴承通过弹簧限位螺母连接，通过调节限位螺母调整顺位空间的大小，实现对不同大小的青枣的顺位。动力带动顺位杆匀速同向转动，顺位机构中的三个顺位杆围成的顺位空间为圆锥形，倾斜角度为，青枣进入顺位机构时受重力作用，落于顺位杆组成的顺60枣空间中，青枣与顺位杆接触，受到摩擦力的作用，青枣自转，逐渐达到重心最稳状态，青枣竖直摆正，顺位成功。青枣通过顺位机构顺位完成时，动力带动丝杆向下运动，丝杆下部为空心套杆结构，空心套杆头部的推杆头与青枣接触,在推杆头的作用下，青枣对顺位杆产生侧向压力，顺位杆沿限位杆移动，顺枣空间扩大，进一步推杆头把青枣从顺位机构挤出至下方出料机构的转动板上。空心套杆丝杆外部杆继续向下运动，用切割力完成去核。去核完成后，空心套杆丝杆外部杆向上运动，枣由于球关节阻止了枣向上随空心套杆的移动，此时舵机1向右转动90度，由于枣下方没有挡板，所以掉入枣核分离斜面上，此时舵机1复位，从斜面上滚落到出口处，去核时空心铝管直接将核顶出到枣箱下方的枣核箱，空心铝管的尾部，装有强弹力弹簧，在枣核被顶出时克服枣核和空心铝管间的最大静摩擦力，从而将枣核顺利的顶出到枣核箱，等枣核箱达到一定量的枣核时，舵机2向左转动90度，枣核由于自重从斜面上落入出口处，此时舵机2复位，实现青枣与枣核的分离出料。第五章经济型鲜枣去核机控制电路设计51控制电路总体设计思路经济型鲜枣去核机工作时整套系统主要动作为步进电机带动经济型鲜枣去核机的三根顺位杆同步转动，枣顺位完成后步进电机停止转动，此时另外一个步进电机带动丝杆转动，丝杆上的螺母套连接移动平台上下移动，移动平台的末端装有直径为10MM的空心铝管，空心铝管上下移动进行去核，去核完成后，铝管向上运动，枣落入底部由舵机连接的两端开口的圆柱形容器中，然后舵机转动一定角度，将枣排出，同时枣核被收集在圆柱形容器下方的两端开口的矩形容器中，等枣核达到一定数量后，由舵机转动排出枣核。通过单片机处理每步工序，实现对鲜枣的顺位以及对丝杆运动的控制，控制步进电机、舵机等的工作，进而实现对鲜枣自动去核、自动出料的目的。鲜枣机整体电控结构主要包括以下五大模块1单片机控制模块2电源管理模块3电机驱动模块4OLED交互显示模块5射频模块等。52S12单片机控制模块经济型鲜枣去核机采用的单片机为16位高速CPU12核，总线速度8MHZ，可升频到80MHZ的MC9S12MXS128M单片机，由128KB程序FLASHPLASH、8KBRAM、8KB数据FLASHDLASH组成的内存储器。主要功能模块包括内部存储器、内部PLL锁相环模块、2个异步串口通讯SCI、1个串行外设接口SPI、MSCAN模块、1个8通道输入/输出比较定时器模块、TIM、周期中断定时器模块PIT、16通道A/D转换模块ADC、1个8通道脉冲宽度调制模块PWM、输入/输出数字I/O口。图51为单片机的内部结构图。其主要端口整合模块有1）端口A，B和K为通用I/O接口；2）端口E整合了IRQ，XIRQ中断输入；3）端口T整合了1个定时模块；4）端口S整合了2个SCI模块和1个SPI模块；5）端口M整合了1个MSCAN；6）端口P整合了PWM模块，同时可用作外部中断源输入；7）端口H和J为通用I/O接口，同时可用作外部中断源输入；8）端口AD整合了1个16位通道ATD模块。图51单片机内部结构图鲜枣去核机电路控制系统使用了以下单片机资源1）PWM波调制模块系统分配一个TIMER来产生PWM波，PWM模块互补输出模式下工作，占用单片机的P0P8端口，分别级联P1、P3、P5、P7；2）人机交互OLED接口，通用I/O口，占用单片机IO端口A0A3；3）限位开关占用通用I/O端口B0、B1；4）电机驱动模块占用通用I/O端口A4、A5、A6、A7、B6；5）射频模块占用通用I/O端口B2B6。该S12最小系统板电路原理图如下图52所示。该S12最小系统板PCB图如下图53所示。图52S12最小系统板电路原理图图53S12最小系统板PCB图53电源管理模块电源管理模块为整个电路提供稳定而高质量的电源，特别是实现对单片机的供电。本系统的设计中，单片机使用5V供电，OLED模块、射频模块使用33V供电，舵机使用6V供电，步进电机驱动器使用12V供电。系统初始电池电压为12V，使用6V、5V、33V三个稳压芯片实现电压转换。其中，6V稳压由LM2941实现，5V稳压由LM2940实现，33V稳压由AMS1117实现。全部输出耦合采用电解电容，确保稳定型和可靠性。另外，为防止电源电压被拉低时引起单片机复位，采用二极管/电感和电容的电路为单片机储存电能。电源管理系统电路原理图53所示。系统电源管理模块PCB图如图54所示。焊接完成的实物如图55所示。图53电源管理系统电路原理图图54系统电源管理模块PCB图图55焊接完成的实物54电机驱动模块选用具有高可靠性和抗干扰性的经济型步进电机TB6560作为驱动器。该驱动器主要用于驱动35、39、42、57型4、6、8线两相混合式步进电机。其主要参数为细分数有4种，最大16细分；驱动电流范围为03A3A，输出电流共有14档，电流的分辨率约为02A；具有自动半流，低压关断、过流保护和过热停车功能。运行电流设置由SW1SW3、S1四个拨码开关来设定驱动器输出电流，其输出电流共有14档。停止电流设置可通过S2来设置驱动器的自动半流功能。“1”表示停止电流设为运行电流的20，“0”表示停止电流设为运行电流的50。一般用途中应将S2设成“1”，使得电机和驱动器的发热减少，可靠性提高。细分设置由S3S4两个拨码开关来设定驱动器细分数，其共有4档细分。设定细分时，应先停止驱动器运行。衰减设置由S5S6两个拨码开关来设置衰减方式，衰减方式共有4档。信号接口CLK和CLK为控制脉冲信号正端和负端；DIR和DIR为方向信号正端和负端；ENA和ENA为使能信号的正端和负端。电机接口A和A接步进电机A相绕组的正负端；B和B接步进电机B相绕组的正负端。当A、B两相绕组调换时，可使电机方向反向。接线技术要求1）为了避免驱动器受干扰，我们的控制信号线采用屏蔽电缆线，并且屏蔽层与地线短接，屏蔽线的驱动器一端悬空。2）为了防止电机噪声容易干扰脉冲方向信号引起电机定位不准，系统不稳定。脉冲和方向信号线与电机线，分开至少10CM以上，3）如果一个电源供多台驱动器，应在电源处采取并联连接。TB6560步进电机驱动器模块如图56所示，接线图如图57所示。图56TB6560步进电机驱动器模块图57B6560步进电机接线图55OLED显示模块OLED按键输入模块，液晶OLED与按键模块作为人机界面交互接口，在帮助调试的过程中起到了很大的作用，能够快速的和鲜枣去核机进行信息交换，显示反馈参数。OLED模块相较于液晶模块体积更小，显示更全面、更清楚。配套了5个按键对应5个IO口，可以方便进行参数调节、机器运行时间，故障时间显示等操作。56RFID射频模块561RFID射频模块主要指标RFID射频模块主要指标包括1、容量为8K位EEPROM；2、分为16个扇区，每个扇区为4块，每块1