（机械工程专业论文）全自动苹果去皮机的开发与研究.pdf

r es e a r c ho nt h ei n t e r g r a t e de q u i p m e n tf o rw a s t w a t e rt r e a t m e n tat h e s i ss u b m i t t e dt os h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi np 眦i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gt h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r c h e n h a i f e n g a p r i l ，2 0 1 0全自动苹果去皮机的开发与研究摘要本文在市场调研的基础上，对国内外苹果去皮机的发展现状进行了深入的分析和探讨，针对苹果加工业中去皮工序自动化程度低、生产效率低、事故率高、工人劳动强度大等弊端，提出一种具有创新意识的全自动苹果去皮技术。包括全自动苹果去皮机的设计理念与思路、总体传动方案设计，以及机器各功能单元的自动工作原理。详细分析了苹果去皮机的自动供料系统、自动工位转换工作台系统、智能自仿形刀架驱动装置系统的工作过程与特点。自动上料系统包括振动输送装置、苹果输送及苹果方向检测剔除装置及插果装置；自动工位转换工作台系统包括带传动机构、蜗杆蜗轮减速机构、槽轮间歇机构、工位转换工作台机构、冲核机构、苹果抓取机构等；智能自仿形刀架驱动装置系统包括刀架x 轴进给系统、刀架z 轴进给系统与刀架等。苹果去皮机各功能单元的设计是首先分析设计背景，了解研究现状的优缺点，然后提出改进后应完成的动作任务，通过分析、比较确定一种最合理的传动系统方案来实现既定的功能要求。最后对传动系统进行运动与动力参数计算，对传动机构的主要参数与结构尺寸进行了详细的设计。整个系统机构设计简单巧妙，结构紧凑，性能稳定，完全改变了传统的人工插果、人工卸果的工作模式。本课题研究从根本上实现了苹果去皮的自动化，首次将苹果去皮机推向全自动无人监管的形式下，而且极大的减少用工数量，降低工人的劳动强度，减小削皮厚度，提高果核的去除率，使成品率提高，并有助于提高产品的卫生等级。而且，更好地提高了生产效率，避免了工伤事故发生，从某种程度上缓解了企业的研发及创新能力薄弱，技术落后的现状。关键词：苹果去皮机，全自动，供料系统，工位转换系统，自仿形刀架驱动装置正d e v e l o p m e n ta n dr es e a r c ho ff u l l a u t o m a t i ca p p l ep e e l e ra b s t r a c tb a s e do nm a r k e ti n v e s t i g a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y s i sa n dd i s c u s s i o nd e p t h l yt h ed e v e l o p i n gs i t u t i o no ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g na p p l ep e e l e r , f o rt h el o wa u t o m a t i cp e e li nt h ep r o c e s s i n go fa p p l ei n d u s t r y , l o wp r o d u c t i v i t y , h i g ha c c i d e n tr a t e s ，h i g hl a b o ri n t e n s i t yp r o b l e m s ，p u tf o r w o r da ni n n o v a t i v et e c h n o l o g yo ff u l l - a u t o m a t i cp e e l e da p p l e i ti n c l u d i n gd e s i g nc o n c e p t sa n di d e a s ，t h eo v e r a l lt r a n s m i s s i o nd e s i g na n dt h ew o r kp i n c i p l eo ff u n c t i o n a lu n i t s d e t a i l e da n a l y s i si t sa u t o m a t i cf e e d i n gs y s t e m ，a u t o m a t i cs t a t i o nc o n v e r s i o nt a b l es y s t e m s ，t h ew o r kp r o c e s s e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd r i v es y s t e mo fi n t e l l i g e n ts e l f - p r o f i l i n gt o o lp o s t a u t o m a t i cf e e d i n gs y s t e mi n c l u d e st h ev i b r a t i o nc o n v e y o rd e v i c e ，t h ed e v i c eo fa p p l ec o n v e y i n ga n da p p l ed i r e c t i o nd e t e c t i o na n dp l u gd e v i c e t h ea u t o m a t i cs t a t i o nc o n v e r s i o nt a b l e ss y s t e mi n c l u d e sb e l td r i v em e c h a n i s m ，w o r ma n dw o r mw h e e lr e d u c e r , g e n e v aw h e e li n t e r m i t t e n tm e c h a n i s m ，s t a t i o nc o n v e r s i o nw o r k t a b l e ，p i r i n gn u c l e a rm e c h a n i s m ，g r i p i n ga p p l em e c h a n i s m ；t h ed r i v es y s t e mo fi n t e l l i g e n ts e l f - p r o f i l i n gt o o lp o s ti n c l u d e st h et o o lp o s tf e e ds y s t e mo fx - a x i sa n dz a x i s ，a n dt o o lp o s te t c t h ed e s i g no fe a c hf u n c t i o n a lu n i t so fa p p l ep e e l i n gm a c h i n ea n a l y s i si t sd e s i g nb a c k g r o u n d ，i n v e s t i g a t et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ep r e s e n tq u of i r s t l y , a n dt h e np r o p o s ea c t i o n ss h o u l db ec o m p l e t e da f t e ri m p r o v e d ，t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mt od e t e r m i n et h em o s tr e a s o n a b l es o l u t i o nt oa c h i e v et h er e q u i r e m e n tf u n c t i o n f i n a l l y , c a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so fm o t i o na n dp o w e rt r a n s m i s s i o n ，d e s i g nd e t a i l e dt h em a i np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r ed i m e n s i o no ft h ed r i v em e c h a n i s m t h ew h o l es y s t e md e s i g n e ds i m p l ea n di n g e n i o u s ，c o m p a c t ，s t a b l ep e r f o r m a n c e ，c o m p l e t e l yc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lw o r km o d ew h i c hm a n u a lp l u ga n du n l o a d i n gf r u i t i i it h i ss t u d yi sf u n d a m e n t a l l ya c h i e v e dt h ea u t o m a t i o no fp e e l e da p p l e ，i m p r o v ea p p l ep e e l i n gm a c h i n et of u l l a u t o m a t i cu n s u p e r v i s e df o r mf o rt h ef i r s tt i m e ，a n dg r e a t l yr e d u c et h ea m o u n to fl a b o ra n dr e d u c el a b o ri n t e n s i t y , r e d u c e dd e e lt h i c k n e s s ，i m p r o v i n gt h er e m o v a lr a t eo fs t o n e s ，s ot h a ti n c r e a s ey i e l da n dh e l pi m p r o v et h eh e a l t hl e v e lo ft h ep r o d u c t m o r e o v e r , t oi m p r o v ep r o d u c t i o ne 伍c i e n c y , a v o i dt h ea c c i d e n t so c c u r r e d ，d e a lw i t ht h ec o m p a n y sl o wa b i l i t yt or e s e a r c ha n dt e c h n o l o g yb a c k w a r ds t a t u sq u o k e yw o r d s ：a p p l ep e e l e r ，f u l l a u t o m a t i c ，o f f e r i n gs y s t e m , t h es t a t i o nc o n v e r s i o ns y s t e m ，t h ed r i v es y s t e mo fs e l f - p r o f i l i n gt o o lp o s ti v目录摘要ia b s t r a c t i i i1 引言11 1 研究背景11 2 国内外苹果去皮机的发展11 2 1 苹果去皮机发展现状调研11 2 2 苹果去皮机调研结果分析61 3 论文的主要研究内容81 4 全自动苹果去皮机整机系统开发思路91 4 1 全自动苹果去皮机的性能要求91 4 2 全自动苹果去皮机工作流程分析1 01 4 3 本课题相关的设计方法及技术路线1 02 自动苹果去皮机总体方案研究1 32 1 自动上料装置研究背景1 32 2 自动上料装置工作原理1 32 3 自动上料装置总体设计1 42 4 自动上料装置工艺流程1 53 自动苹果削皮机工位转换转台系统研究1 73 1 工位转换转台研究背景1 73 2 工位转换转台总体设计1 73 3 工位转换工作台设计1 73 4 机构设计1 93 4 1 减速器部分设计1 93 4 2 工作台结构尺寸设计2 73 4 3 冲核机构设计3 03 4 4 果核剥离机构设计3 34 全自动苹果去皮机智能仿行刀具驱动装置设计3 54 1 设计背景3 54 2 削皮装置传动方案3 55 总结与展望3 75 1 总结3 75 2 展望3 7原创性声明及关于学位论文使用授权的声明39参考文献4l致谢4 3攻读学位期间发表的学术论文目录45l l伞自动节果去皮机的开发与研究第一章引言1 1 研究背景苹果是大众生活必需的果品之一，苹果去皮不仅是一种习惯，也是防止果皮中残留农药等有害物伤害人体的一种有效办法。然而，传统的一手握刀一手持果的去皮方式不仅费时、费力又容易伤手、不卫生。于是，家用简易式的节果去皮机应运而生。众所周知，这类去皮机，它的去皮原理都是将水果固定在水果叉上，刀片贴在苹果的表面，靠手摇动将皮削下。这类小型去皮机解决的仅仅是手持水果刀削皮的麻烦，而且在去皮中也存在种种缺陷( 比如节果要手动取下，同时苹果被戳孑l ) 。然而，近年来，随着农村种植业的飞速发展，苹果的产量逐年增加，于是节果销售由面向家庭扩大到食品企业。因此，企业中苹果的深加工问题越来越重要。目日i 节果的深加工制成品有很多种，如果汁、果脯、果酱、水果罐头等，不论制作何种成品，都要对水果进行果皮的削除，只有这样，才能保证制成品的品质及卫生。显然，食品企业急需一种能完成大量水果削皮的大型机器。虽然，食品制造厂也陆续引进了一些削皮机，但是使用中仍旧遇到一系列技术问题。因为苹果属于非圆的异形体，所以，大批量的水果削皮的加工难度较大，仍要借助人力进行削皮，而这样操作从消毒、卫生方面都达不到国家对食品质量安全( q s ) 的规定。削皮的厚度依工人技术的不同而不同，但一般在1 1 2 o 毫米，因此，大量的果肉随皮屑扔掉，使果品的制成率很低，即只有6 5 左右。另外，工人的劳动强度较大，有时，还会对人手造成割伤。尤其是其效率低而成本高，对于时令性较强的水果加工来说，往往因效率低而造成果品堆积腐烂，并造成较大的经济损失。就其原因而讲，是缺少一种符合国家食品“质量安全”要求且自动化程度高的削皮机。为此，深入研究已有的苹果削皮机，对其在j f = 作过程中出现的缺点和不足进行技术改进，设计出一种既符合食品消毒、卫生条件又能满足现代化进程需要的高生产率、低劳动强度、低成本、高制成率的全自动新型苹果削皮机非常必要。1 2 国内外苹果去皮机的发展1 2 1 苹果去皮机发展现状调研目前苹果削皮机的研究和设计吸收了国内外众多设计成果的优点，在逐步的改进和完善着。而且，新兴的前沿技术也不断在尝试使用中，以提高节果的削皮质量和效率。比如基于计算视觉的水果无损检测技术、分类技术、图形识别技术等等都被提了出来，在削皮机中尝试使用。因为，先进的设计理念与全新的控制方式，使去皮机的使用灵活性更高，性能更稳定，效率更高。而对于企业来讲，生产用的去皮机给企业的就应是效率、效益，所以，人们对去皮机各项功能要求越来越多，去皮机的发展完善速度也是比陕西科技大学硕： ：学位论文较快速的。据调查，在国内，水果削皮机的发明专利比比皆是，光公开在网上的水果削皮机的专利数量就有2 7 项。而且，在现今市场上，各类苹果去皮机也是层出不穷。为了深入了解苹果去皮机的发展现状，透彻分析现有苹果去皮机各自的优缺点，进而开发出一种全新的、自动化程度高、工作效率高的全自动苹果去皮机，我们走访并调研了以下苹果去皮机生产厂家。a 宁波市郑海福星电器有限公司本款式苹果削皮机获中国实用新型专利，专利名称：机构隐蔽式的多功能水果削皮机。专利号：z l 9 7 2 4 9 8 3 4 6 。注册商标福星牌。本机设计的切削最大果体直径在l1 5 r a m左右。适用于加工苹果、生梨或土豆( 马铃薯) 等果菜的削皮、去芯和切片，具体原理结构如图1 1 所示。图1 - 1 卧式手动削皮机1 ) 功能与原理：通过手动操作，对果菜进行快速、同步处理，一次性完成削皮、去芯和切薄片这三项功能，也可以单一只使用削皮功能。2 ) 特点是：采用连体铝合金支架，结构隐蔽，用真空原理的塑胶吸盘固定机子，方便而牢固；设计的弹性削皮刀具仿形能力很强，能适应削不同的椭园度和凹凸面。3 ) 材料结构：整机有铝合金和不锈钢刀具等材料所组成。另部件经电镀、电抛、喷涂等工艺处理。加工后切成的无皮、无芯的薄片果肉，食时松脆、不伤牙龈而文明! 特别对老年人、婴幼儿食用新鲜、卫生的水果及家庭厨房制作果浆、果汁、果片等食品，创造了许多便利，是文明生活的好帮手，也是馈赠亲友和长辈及促销等的好礼品! 削皮、去芯、切片快速、同步完成! 由于弧形削皮刀的支撑杆配置可伸缩式弹簧，在削皮的过程中，不论苹果大小，是否规则，都始终紧贴果皮进行工作，所以完全不必要担心果皮2伞自动节果去皮机的开发0 研究_ 鬟蠹”，罨0 鼍。焉，! ? 瀚j 、“* 。#“- g图l 一2立式家川苹果去皮机2 ) 操作步骤( 1 ) 装上手柄，将节果器底部固定在桌面上；( 2 ) 将苹果竖直地插入果叉上；( 3 ) 转动手柄，刀头就会从苹果底部开始旋转，沿节果表面旋转，直到苹果头部，这时刀就会离开节果。3 ) 注意事项当刀头切削时候，因为节果表面不平被卡住时，不要用力继续旋转手柄，应该倒旋手柄，使刀头离开被卡处。产品材质优质高级塑料陕西科技大学硕：i ：学位论文产品规格2 0 0 1 5 0 x1 8 0e m4 ) 分析不足之处( 1 ) 该类去皮机仍属于手动上果、取果，也易伤手；( 2 ) 苹果表面不平整时，特别是在凹凸表面处，容易卡住，故切削有局限性。c 江苏省昆山亿鸿食品机械有限公司一全自动高速苹果( 梨) 去皮开瓣机全自动高速苹果( 梨) 去皮开瓣机适合罐头、干装、果脯深加工的食品厂家使用。苹果、梨头的大小形状适当分级就可以通用，根据加工要求可以加装去皮后开瓣装置，高效、方便、美观。苹果去皮切片机为全新技术开发的新产品。本机适用各地区品种，针对加工青硬的苹果，异形体苹果，形体大小不一的苹果去皮、冲芯、切片。本机为多功能一体机，由人工上料，通过柔性刀组去皮，去皮厚度1 5 m m ，每小时用电量为5 2 k w ，机械加工能力为7 0 - 1 0 0 个每分钟。去皮切片机设有2 0 个工作单位，每个单位安装有单独的刀片，每个单位可单独去皮冲芯、切片、开瓣。正常工作苹果配用两个人员将苹果插在三角刀上，将苹果人工定位，去皮机设计为盘式2 0 个工作单位，安装在大转盘之上。工作时大盘由调速电机控制其转速，被插上去的苹果随着转盘旋转，去皮工作开始，苹果被大盘带入去皮区，苹果开始自动旋转，去皮刀由下至上的拉起，因苹果的自转，去皮刀压在苹果外侧，所以苹果皮自动刨去。被去皮的苹果进入下一组工作区( 切片) 进行旋转切片，切片刀设计为活动的，可以调节切片后度5 1 5 ( m m ) ，根据加工需要也可以将切片刀卸除，不进行切片。切完片的苹果进行下组冲芯区，因切片的深度小于冲刀的外径，所以冲芯后节果自动成为苹果圈，另根据加工要求苹果也可以加工成6 瓣或8 瓣，去皮机体现出高效节能的良图1 3昆山亿鸿食品机械有限公司生产的苹果去皮机4伞臼动节果去皮机的开发j 研究好效果。1 ) 工作程序( 1 ) 苹果原料提升一水浮式集料槽一人工上料一去皮一切片一冲芯一成品( 2 ) 按实际工艺可完成多种品种类型，如去皮后只冲芯，去皮丌两半，去皮后开2 、4 、6 瓣，去皮后切成5 1 0 m m 厚苹果圈，还可以加工成扇形片，可一次性冲切成l o xl o x1 0或1 5 x 1 5 1 5 的方丁，功能强大，冲孔最佳内孔为( i ) 2 5 m m 。( 3 ) 根据人工实际操作能力( 2 人) ，每分钟确保7 5 - 、一8 5 个，设备本身加工能力可以上调，最高可达1 0 0 - 1 1 0 个，连续使用整台设备只需3 人操作。2 ) 分析不足之处( 1 ) 由于是多工位削皮，工作台连续转动速度较快，手工插果时有漏插果现象，而且在插果过程中易伤手，不安全。( 2 ) 冲核机构将果核向上冲出来，致使果核不易收拢在料斗，撒落在地板上，影响环境卫生。( 3 ) 去皮机在工作时，需要的人力较多，加工成本高。d 蚌埠市超越食品机械有限公司该设备属于多果加工，需要人工上果、卸果，加j 能力为每小时可加： 8 0 0 - 1 0 0 0个苹果( 去皮，去核) ，刀片装在弹性刀架上，可自动与被加工表面吻合，故对于表面不舰图1 - 4 蚌埠超越食品机械有限公司生产的苹果玄皮机则的节果也能很好的加工。陕西科技大学硕士学位论文分析该机构的不足之处：1 ) 削掉的果皮全在地板散落，故影响环境卫生；全自动尊果去皮机的开发- j 研究送于去皮工位，完成去皮工作，圆盘再转动一定角度，苹果完成切片工作，圆盘继续转动，图1 7 单果自动去皮机 ：作原理苹果被送于去核工位，节果核在该工位被除去，至此完成一个工作循环。此类去皮机较一类去皮速度快，但其仍然依靠人工上果，生产速度多由人工的熟练程度决定。c 多果自动去皮机( 第三类)如图1 8 所示。首先由人工将节果以节果梗垂直于水平面的方向放置于苹果槽内，1 气缸2 升降板3 电动机4 插针5 削皮刀6 苹果槽图l 一8 多果自动去皮机示意图陕西科技大学硕，l ：学位论文然后气缸推杆伸出带动升降板及其上的电动机、插针等一同向下移动，直到将苹果插于插针，之后气缸推杆回缩，将苹果提升至削皮刀高度，电动机带动插针、苹果一起旋转，直到完成苹果削皮工作，最后由人工将苹果卸下。该类去皮机每台机器至少一人、甚至两人负责放果和卸果，该机之劳动强度属三类去皮机中最大者，生产效率较低。由于第三类去皮机属于多果同时作业，故设计全自动供料机构困难较大，不易实现，为兼顾苹果去皮的效率与工作稳定性，全自动供料系统针对第二类去皮机来讲，更易实现。即可设计自动供料机构代替手工插果工位。目前，国内研制了各种类型的苹果削皮机。其中以手摇式苹果削皮机居多。适用于中、小型食品厂的自动苹果削皮机较少。1 3 论文的主要研究内容本研究课题先主要对苹果全自动去皮的整体工艺流程进行分析与探讨，然后对自动供料系统、自动工位转换工作台系统、智能刀架系统进行研究。在供料系统中，主要实现自动上果、自动摆正( 不能摆正的个别苹果，通过图形识别装置进行剔除) 、自动定位、自动插果等功能。在自动工位转换工作台系统中，主要实现工位的自动间歇转换，以及在每个工位要完成相应的动作。在智能刀架系统中，主要根据图形识别器识别的苹果廓线控制刀具的行走路线，使切削更均匀。该课题研究的流程是：设计背l 八璺竺垄l 八 篁望导l 八系统的实景分析厂1 案研究 理设计用性分析a 设计背景分析通过分析目前已开发出的苹果去皮机的相应功能，提出自己不同的设计思路和要完成的功能要求。b 总体方案的研究针对课题研究的需要，在不同的传动方案均可实现动作的情况下，综合考虑各种影响因素，分析比较出一种最合理的总体传递线路。c 结构原理设计依据全自动苹果去皮机应完成的作业要求，运用机械设计的知识，研究并设计出机器中各分机构，即上料机构、输送机构、苹果摆正机构、抓取机构、削皮去核机构、苹果剥离机构等。d 系统实用性分析分析比较设计方案、设计原理及结构，总结归纳出设计结果的优缺点，留与后续的3伞自动苹果去皮机的开发与研究开发与改进。1 4 全自动苹果去皮机整机系统开发思路相比于节果生产，我国苹果加工业整体加工能力薄弱，发展处于明显弱势，机械自动化程度远远落后于西方国家。目前在节果加工行业中广泛使用的苹果削皮机均为半自动，即由人工上果，机器自动削皮。为保证削皮的顺利进行，必须为每台去皮机配备人工，用手将苹果插在苹果削皮工位处，显然费时、费力、劳动强度大，而且容易产生差错乃至事故。为解决上述技术的不足而提供一种降低劳动强度，提高劳动效率和降低事故率，同时考虑p l c 控制具有可靠性高，功能性强等特点，故而设计该全自动节果去皮机系统并采用p l c控制。1 4 1 全自动苹果削皮机的性能要求全自动苹果去皮机应满足自动化程度高、去皮效率高、系统稳定、安全性能高等为前提，做到技术先进，结构巧妙、经济合理等。全i h 动苹果去皮机的应具有的性能要求：( 1 ) 方便的操作使用性能；( 2 ) 系统的稳定性即运动平稳准确，能保证规定的运动精度；( 3 ) 工作的可靠性即能根据功能要求完成既定的动作，且各动作应协渊稳定：( 4 ) 结构简单，制造容易，成本低；( 5 ) 生产效率高，能耗少；( 6 ) 减轻劳动强度，不污染环境，创造文明生产条件；( 7 ) 留有发展的余地，需用改进时而不至于造成全机废弃。本文研究的具体目标及技术参数：( 1 ) 设计全自动的苹果供料系统，完成节果的输送、苹果是否摆讵的检测剔除、自动插果等。( 2 ) 设计全自动的工位转换工作台，使其自动问歇的运动，完成工位的转换。同时，要求在工作台静止时完成插果、切削、冲核、卸果的动作，通过工作台的转动完成工位的转换。技术指标：生产能力：1 5 个m i n ；去皮用时( 工作台静止时间) ：3 秒；转位用时( 工作台转动时f h j ) ：1 秒。9陕殖科技大学硕士学位论文( 3 ) 设计全自动的智能仿形刀架驱动装置，完成去皮的水平进给、垂直进给运动，并使削皮的厚度尽可能的均匀。技术指标：去皮厚度：0 6 m m 。1 4 2 全自动苹果削皮机工作流程分析该苹果削皮机的工作流程是这样的；通过电机驱动苹果由果仓料斗被送上输送带，输送带在传动的过程中以一定的频率振动达到苹果的自动摆正，通过图形识别将未摆正的苹果剔除送入下一轮的筛选。如苹果已摆正则将苹果送入苹果托盘，并进行定位( 苹果果核轴线与苹果插针重合) ，定位准确的苹果在下压气缸的作用下，自动插入到果针上，在智能刀架对苹果廓线的跟踪识别下，完成准确的削皮，之后，在圆柱凸轮冲核机构的作用下，完成自动冲核，最后，利用三爪气缸机械手完成苹果的卸除。图l - 9 苹果削皮机工作流程图1 4 3 本课题相关的设计方法及技术路线a 理论依据1 ) 苹果摆正检测是根据图形识别器来完成的，该仪器通过识别图像中的内容，而对图像做快速识别，任何具有特征的图像，都可以根据预设的要求识别出来。充分应用计算机进行辅助设计、优化设计。2 ) 苹果的削皮可用自动智能削皮装置来完成，即让刀具的运动线路根据苹果形状的大小来调整。l o伞自动苹果去皮机的开发1 j 研究b 技术依据全自动节果削皮机的自动上料、输送、分类、摆f 、抓取定位、去核等动作要实现，所依据的技术为：1 ) 自动上料装置包括振动输送装置、节果输送及节果方向检测剔除装置及插果装置，插果装置利用对心气缸定位，而后利用下压气缸将苹果压下插到苹果插针上。2 ) 自动智能仿形刀架驱动装置可利用光电传感器和微处理器构成的跟踪装置，它的工作原理是光电传感信号传给微处理器，然后由微处理器去控制刀具的移动轨迹。3 ) 自动工位转换工作台系统是利用皮带、蜗杆减速，而后由槽轮机构带动工作台间歇转位。去核机构采用圆柱凸轮机构、成品节果剥离采用三爪机械手。c 全自动苹果去皮机整体功能结构图一部完整的、自动化程度较高的苹果去皮机包含了如图卜1 0 所示的各种机构( 装置) 。图1 1 0 去皮机功能结构图l l1 2拿自动节果去皮机的开发j | , t f 究第二章自动苹果去皮机上料系统研究2 1 自动上料装置研究背景单果自动去皮机一般采用圆盘式供果方式，即圆盘圆周上等距分布若干节果插针，山人- r ：l 哿苹果插于苹果插针上，圆盘问歇转动，以将苹果送往去皮工位。供料系统旨在实现无人工全自动上果，故其应完成如下任务：( 1 ) 将绝大多数节果以苹果中心轴竖直方向放置，以便于插果机构顺利将节果沿轴线方向插于苹果插针上，如此以利于后续削皮、去核工序的j i l 娇l j 进行。( 2 ) 自动剔除苹果果梗非垂直于水平面的苹果，使其重新回到料仓，接受第二轮选择。( 3 ) 自动将苹果沿轴线方向插于葶果插针上。2 2 全自动苹果去皮机上料装置的工作原理全自动苹果去皮机上料装置的工作过程：苹果的仓库与振动输送装置联结，并以一定的频率于水平面内横向振动，可将大部分的苹果调整为果核轴线与水平面垂直的状态，且由振动装置上附带的第一慢输送带2 2 将苹果通过衔接板2 l 送上快第二输送带2 0 ，输送带2 0 上两侧的挡板1l 距离由宽变窄，节果在通过第一输送带2 2 滑上第二输送带2 0后各节果问保持一定的间距向前输送。在通过第一光电传感器1 2 时，数码摄像装置1 3拍下该节果的俯视图并经计算机处理，如为果核轴线垂直于水平面则苹果推出汽缸1 0推杆不动，该苹果顺利通过；如若果核轴线不垂直于水平面，则推出汽缸1 0 推杆伸出将苹果推出，该苹果循环输送回料仓接受下一轮的识别与选择。节果托板8 与第二输送；特2 0 相联结，苹果对心汽缸7 设有三个，且以1 2 0 “夹角均佰于平台四周。苹果通过第二输送带2 0 被送上苹果托盘8 后，第二光电传感器2 4 开关量发生变化，发出信号给控制器，由控制器发出命令，三个对心汽缸7 推杆同时伸出瞬f 日j 缩回，将节果推至其果核轴线与苹果托盘8 下方的节果插针对齐的位置。下压汽缸5 的推杆下压，带动节果压板3 向下移动，在苹果压板3 向下移动并和节果接触之f j ，j - 苹果托板8 在弹簧6 的作用下并不向下移动，苹果压板3 和苹果接触后，节果托盘8 、节果、节果压板3 与汽缸推杆一起向下移动，苹果将被插入果针上。此时节果削皮机的节果捅针所在的工作转盘克服苹果与托盘、苹果压板之阳j 的摩擦力转动，节果移出节果托板之后下压汽缸7 丌始移动上升，并回归原位。苹果托盘8 向上移动直至其一l 表面与平台l 的上表面相平齐。此即为节果从果仓到插上苹果去皮机苹果插针的整个工作过程。全自动苹果去皮机的上料装置的示意图如图2 1 、2 2 、2 。3 所示。为便于观察，主视图中省略了对心气缸及其推果缓冲装置，俯视图中省略了支架及其附带的其他零件。陕西科技大学硕士学位论文由于在苹果托板和苹果压板上开有与苹果插针运动轨迹相重合的弧形缺口，故在节果压板压下时，苹果插针所在的圆盘可顺利转动。装于苹果对心气缸推杆上的缓冲装置可保证推杆对苹果不造成机械损伤。2 3 供料系统总体设计自动苹果去皮机上料装置，包括振动输送装置、苹果输送及苹果方向检测剔除装置及插果装置，振动输送装置包括支架及设置在其上的输送带；苹果输送及苹果方向检测剔除装置包括输送带，两输送带通过衔接板对接，输送带的上端还设置有光电传感器及数码摄像装置；插果装置设置在输送带的输出端，插果装置包括平台及支架，支架内设置有托板导柱，苹果压板固定在托板导柱上，在支架上设置有与苹果压板相连接的下压汽缸，苹果托板位于苹果压板的下端，对心汽缸固定在对心汽缸固定板上。本设计极大的减少用工数量，降低工人的劳动强度，减小削皮厚度，提高果核的去除率，使成品率提高，并有助于提高产品的卫生等级。供料系统总体结构如图2 1 、2 2 、2 3 所示。振动装置与苹果料仓衔接并以一定频率和方向振动以将苹果送上慢速输送带2 2 ，两侧挡板的距离只能允许苹果以单列通过，苹果在通过慢速输送带滑上快速输送带后各苹果间保持一定距离向前输送，在到达固定架中央时，苹果挡板气缸推杆处于伸出状态，此处的光电传感器发出信号，经p l c 程序计算图2 1全自动苹果去皮机上料装置整体结构示意图图2 - 2 图2 1 的俯视图1 4伞自动苹果去皮机的开发与研究图2 - 3 插果装置的结构示意幽( 图为左图的俯视图)并发出命令，各传送带停l 卜传送，数码摄像装置拍下该节果的俯视图像并经计算机视觉信息处理系统判断处理。如苹果果梗每直于水平面节果挡板汽缸推杆网缩，以使该节果通过，各传送带恢复传送：如节果果梗非垂直于水平面，则推出汽缸1 0 推杆伸出以将该苹果推出回到苹果料仓重新接受选择，同时各传送带恢复传送。2 4 供料系统的工艺流程根据供料系统工艺要求：在第一光电传感器1 2 位置处与支架4 处判断有无节果均使用光传感器。在苹果经过时，光传感器丌关量发生改变。在第一光电传感器1 2 处要求：两传送带停止传送，数码摄像装置摄取节果图像以进ij 二后续处理。在支架4 处要求：对心气缸推杆伸出并迅速缩回，随即下压汽缸推杆伸出。设计流程图如下图2 4 。陕西科技大学硕士学位论文伞自动节果去皮机的开发j 研究第三章自动苹果削皮机苹果工位转换转台系统研究3 1 设计背景苹果通过输送带送往果盘之后，要进行自动插果，插入果针的苹果要进行工位转换，进入削皮工位。而且在削皮时，要求工作台静止，当削皮工作完成后，再进行工位转换进入去核与切片工位，最后进入果核剥离工位。工位转换工作台系统旨在实现工位间歇转换，并使每个工位能按要求完成相应的工作，故其应完成如下任务：( 1 ) 根据生产能力1 5 个m i n ，确定插果动作、削皮动作、冲核动作、节果剥离动作均为3 秒，工作台转位时间为1 秒。( 2 ) 在削皮工位，苹果随果针自转。( 3 ) 在插果工位、削皮工位、节果剥离工位果针均静止不动。3 2 工位转换台系统总体设计工位转换台系统的传动方案示意图如图3 1 所示。电动机驱动，通过一一级v 带传动机构进行减速，然后再用蜗杆蜗轮机构二级减速，同时蜗朴蜗轮机构也将虫呙杆的水平轴线的旋转运动转换为蜗轮竖直轴线的转动。和蜗轮同轴转动的槽轮机构中的拨盘将连续的整周的回转运动，传递给间歇动作的槽轮，槽轮与工位转换工作台同轴连接，故实现了工作台的间歇运动。3 3 工位转换工作台设计工位工作转换台设计成圆盘状，且其上均匀分布有四个工位，分别是插果工位、削皮工位、冲核与切片工位、果核剥离工位。每个工位都安装有节果插针，而且苹果捅针。设计成三针，在每个节果插针轴的术端装有直齿圆柱齿轮。独立电机驱动齿轮8 转动，当工位转换工作台转至削皮工位时，齿轮8 与该工位下的齿轮9 啮合进而转动，故带动苹果插针上的苹果转动。当削皮结束，工位转换工作台转过9 0 0 ，9 脱离与8 的啮合，而后工位上的齿轮1 0 进入与8 的啮合位置，作4 l t , ! z 的转动，如此循环。故只有在削皮工位，苹果作旋转运动，而在其它三个- 丁位时，节果果s f s j i i 下的齿轮不与8 啮合，都处于相对静止状态。陕西科技大学硕士学位论文插果工位图3 - 1全自动苹果削皮机工作台间歇运动系统传动方案果核剥砗工位削皮土位图3 - 2 工位转换工作台示意图1 8一冲核、切片工位全自动节果去皮机的开发j 研究图3 - 3 果针结构示意图3 4 机构设计3 4 1 减速器部分设计a 电动机的选择及运动参数计算1 ) 选择电动机1 2 的型号根据苹果削皮机的生产能力：约4 秒加工一个，以及削皮时所需要的切削力相等较小，故类比同类机器，取电动机的功率为：1 5 k w ，转速为：1 4 0 0 r m i n 。所以选择电动机1 2 的型号为：y 9 0 l 4 型。2 ) 计算总传动比及分配各传动比( 1 ) 计算总传动比根据加工能力，确定出槽轮机构中，槽轮每三秒转动一次，转动时i 日j 为一秒，由此可推断出，拨盘的周期为4 秒，故其转速为1 5 r r a i n 。故，工作台的总传动比i 为：i 总：鳖：1 4 0 0 ：9 3 3 3( 3 1 )甩拨船l5( 2 ) 各级传动比分配取带的传动比为i ，带= 4 ，蜗杆蜗轮的传动比为：i 蚍杆= 2 3 3 3 ，在单级常用传动比8 - 8 0 的范围内。3 ) 计算各轴转速及输入功率、转矩( 1 ) 计算各轴转速：ni = n 电州i 俯= 1 4 0 0 4 = 3 5 0 o o r m i nn l i = ni i 蚍+ l = 3 5 0 2 3 3 3 = l5 o o r m i n( 2 ) 计算各轴的输入功率：1 9( 3 2 )( 3 - 3 )陕西科技大学硕上学位论文p 1 = p d q 带= 1 5 x o 9 6 = 1 4 4 k wp i i = p i n 轴承f i 蜗杆= 1 4 4 x o 9 8 x 0 7 8 = 1 1 0 k wn 带为v 带传动装置的传动效率，r i 壤子轴承为支承i 轴的圆锥滚子轴承的传动效率，n蜗杆为蜗杆蜗轮的传动效率；经查机械设计手册表1 - 7 可得：n 带= 0 9 6 ；r l 滚子轴承= 0 9 8( 一对) ，1 1 蜗杆= 0 7 8 。( 3 ) 计算各轴的输入转矩根据转矩的计算公式：t = 9 5 5 0 x 兰( n m )( 3 4 )故，ti = 9 5 5 0 x pi nl = 9 5 5 0 1 4 4 3 5 0 = 3 9 2 9 f n m )t i l 2 9 5 5 0 x p n n i i = 9 5 5 0 x 1 1 0 1 5 = 7 0 0 3 3 f n 。m )b v 带传动机构设计1 ) 确定计算功率：p c = k p = 1 0 x 1 5 k w ( k 查表得)( 3 5 )= 1 5 k w2 ) 选择v 带型号：由机械设计基础课本图1 1 8 根据p c 及n 电动机查得，交点在z 型带区域，故z 型带可选用3 ) 选择带轮的基准直径d 。和d 。由表1 1 8 ，根据d 。d 咖的要求，取d 。= 7 5 m md 2 = d i n 电动机ni = 7 5 x1 4 0 0 3 5 0 = 3 0 0 m m由表1 1 - 8 取d 2 = 3 0 0 m m ：4 ) 验算带速v ：v = 石d i n 电动机( 6 0 x 1 0 0 0 ) m s = 5 5 0 m s( 3 6 )带速在5 - 2 5 m s 范围内，故合适。5 ) 计算中心距a ，带长l d由式( 11 1 8 ) 得o 7 x ( d l + d 2 ) a o 2 x ( d l + d 2 )得：0 7 x ( 7 5 + 3 0 0 ) a o 2 x ( 7 5 + 3 0 0 )即2 6 2 5 a o 1 2 0 0故合适。7 ) 确定v 带的根数z依次查表1 1 4 表1 l 一5 表1 1 6 和表1 1 1 得：p o = 0 3 3 ( w ：p r = 0 0 , k x s ：k , - 0 9 3 ：k l 1 ( 】4 l1 弋11 2 3 ) t ：z 一竺!( p o + a p o ) 庀。k ，= 1 5 f o 3 3 + 0 0 3 ) o 9 3 1 0 4 卜4 3取7 = 二5( 3 - 9 )其变化范围为：( 3 1 0 )( 3 11 )( 3 1 2 )( 3 1 3 )8 ) 计算初f t 力f 。| | 1 挺( 11 - 2 ) 彳r ：q = 0 0 6 k g m ：弋( 11 纠) 倒：h 厂警c 等叫堋2 ( 3 - 1 4 )= 5 0 0 1 5 ( 5 x 5 5 0 ) ( 2 5 ；0 9 3 1 ) + ( ) 0 6 5 5 0 2= 4 7 8 6 n9 ) 汁锝：轴 ：的，f 。【l1 代( 11 2 5 ) 私扎l ? 、= 2 z l j f ，s i n ( o t 2 )( 3 - 1 5 )= 1 2 ) 5 4 7 8 6 、s i n ( 15 3 。8 s o 2 ：- 4 6 6 1 9 n1 0 ) 带轮的结构设计( 1 ) 材料选择：由于带传动机构一般安装在传动系统的高速级，带轮的转速高，故要求带轮要有足够的强度。当带的圆周速度v ( 翥心州志) 2xi 1x6 4 17 6 0 = 1510 2 7f i l m 3由表4 7 取标准值得m2 d = 2 5 0 0m m 3 ，则m = 6 3 m m ，d l = 6 3 m m 。3 计算有关参数及几何尺寸1 ) 直径系数qq = d i m = 6 3 6 3 = 1 02 ) 中心距aa = 1 2 x ( d 1 + d 2 ) = 1 2 ( d 1 + m z 2 ) = 1 2 x ( 6 3 + 6 3 x 4 7 ) = 1 7 9 5 5 m m3 ) 滑动速度v 。t t a n ，：堕( 3 1 7 ) ，= ol j l )d l所以y ：a r c t a n 堕：a r c t a n 鱼：丝：】1 3 1o。d，6 3又v ：型! ! ! ：! ：! ! 兰! ! 兰型：1 15 m s6 u 1 0 0 06 0 x1 0 0 0则v 。：上：旦妥：1 1 7 m s”c o s yc o s l l 。3 l ”滑动值与估值接近。4 热平衡计算1 ) 传动效率r l按v 。= 1 1 7 m s ，查表1 3 - 9 ，p 。- - 3 0 5 37 ，则7 7 = ( 0 9 5 - 0 9 6 ) 焉= ( 0 9 5 - 0 9 6 ) 乏i i 溉= 。7 。一。7 1 ( 3 一l8 )故与初值相吻合。2 ) 热平衡计算估计敞热面积a = i 2 m 2 ，取散热系数口，：l2w ( 1 1 1 2 。c ) ，则t =1 0 0 0 p l ( 1 一r ) 1 0 0 0 xi 4 4x ( 1 0 7 0 )一= 一o t f a12xi 2= 3 0 0 c a t ( 3 1 9 )2 3堕堕型垫查堂堡：! ：堂篁笙壅_ - 一a t 为表面散热系数，根据箱体周围的通风条件，一般取2 1 0 1 7 w ( m 2 。c ) ；【f 】为润滑油的许用温差( o c ) ，一般为6 0 - 7 0 0 c 。故符合热平衡条件。5 蜗杆蜗轮的尺寸计算及结构1 ) 蜗杆的尺寸计算蜗杆分度圆直径：d - = m q = 6 3 1 0 = 6 3 n u n蜗杆齿根圆直径：d ，l = d l 一2 h f l = d l - 2 ( h a + c ) m = 6 3 2 x ( 1 + 0 2 ) 6 - 3 = 4 7 8 8 m m蜗杆齿顶圆直径：d 4 l = d l + 2 吃l = 矾+ 2 m = 6 3 + 2 l 6 3 = 7 5 6 m m蜗杆导程角：y = 蝴