毕业设计（论文）-苹果自动去皮机机械设计（全套图纸三维）.doc

苹果自动去皮机摘要 现阶段我国苹果的生产相对较好，但是在加工方面和西方国家相比就有相当大的差距，在加工自动化方面更是落后。我国现在水果罐头行业的发展相对比较乐观，并且消费者对水果罐头的需求越来越大。水果罐头需求大，当然少不了苹果罐头，但我国现有的苹果去皮设备中存在着不少问题，比如大型设备体积庞大，加工过程苹果容易受污染，且不适合小型企业加工，另外有一部分设备需要靠人工将苹果逐个插到固定针上，这样很容易造成工人受伤事故。 本文设计的苹果自动去皮机主要适用于小型苹果罐头加工企业，不再需要人工将苹果逐个插到固定针上，而是采用自动检测系统，通过气缸将苹果插到固定针上。有手靠近苹果托盘是机器将不动作，这样就减少了不必要的人员事故。本设计内容主要包括苹果自动去皮机总体设计、零件设计、零件尺寸设计及计算、标准件的选择、重要部分强度校核等。并且还绘制了所需零件的所有CAD图和PROE整装图。关键词：水果罐头，苹果自动去皮机，设计全套图纸三维，加153893706AbstractAt the present stage, apple production in China is relatively good. But there is still a considerable gap in the aspect of processing compared with western countries, especially more backward in terms of process automation. In our country the development of canned fruit industry is recently boom recently, at the same time the demand for canned fruit is growing with more and more consumers loving them. Canned fruit is in great demand, so it is canned apple. However, there are still many troubles in our existing apple peeling devices, such as the large volume of large scale equipment, apple being vulnerable to pollution in the process procedure, as well as unsuitable for small business processing. Another drawback is that some devices depend on artificial to insert apple one by one into fixing pins, which is easy to cause injury accidents.Apple peeling machine automatically in this artical is mainly targeted at small apple canned food processing enterprises. Instead of depending on artificial to insert apples one by one into fixing pins, the design brings to automatic test system and apples are inserted into fixing pins through the cylinder. We can find out one advantage is that the machine doesnt work if workers hands close to apple tray so as to reduce the unnecessary accidents and improve the security. The design mainly includes the overall design of automatic apple peeling machine, detailing design, the design and calculation of component size, the choice of the standard component, and the intensity check to important part. Whats more, all CDA chart and PROE diagram of all necessary components are drawed well.Keywords: canned fruit, apple automatic peeling machine, designII目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 本设计研究的目的与意义11.2 现阶段国内苹果去皮方式11.3 苹果自动去皮机的研究状况及存在问题21.3.1 苹果自动去皮机的研究状况21.3.2 苹果自动去皮机存在问题21.4 本设计研究内容、方法及方向31.4.1 本设计研究内容31.4.2 本设计采用的方法31.4.3 本设计未来发展方向32 苹果自动去皮机总体方案设计42.1 苹果自动去皮机方案确定42.2 苹果自动去皮机工作原理及结构组成42.2.1 苹果自动去皮机工作原理42.2.2 苹果自动去皮机结构组成42.3 苹果自动去皮机工作流程43 苹果自动去皮机运动机构确定63.1 送料机构的确定63.1.1 送料机构方案设计63.1.2 送料机构组件的确定63.2 工作台转动机构的确定83.2.1 直齿圆锥齿轮的设计93.2.2 直齿圆柱齿轮的设计123.3 苹果自动去皮机去皮及苹果固定装置193.3.1 刀架的设计193.3.2 刀片的设计193.3.2 苹果固定装置204电机的选择214.1 确定电机类型214.2 步进电机参数215 轴设计校核及轴承的选择255.1 短轴的设计255.2 短轴的校核265.3 轴承的选择296 苹果自动去皮机仿真图30结束语31参考文献32致 谢331 绪论1.1 本设计研究的目的与意义 由于水果罐头行业发展快速，且水果罐头行业发展前景相对较乐观，故不少小型水果罐头企业如雨后春笋般出现，企业要加工过罐头首要问题就是加工设备，对生产苹果罐头的企业而言，苹果自动去皮设备是重中之重，相对大型罐头企业应用的大型流水线型的生产方式，对小型加工企业并不适合，因此广大加工厂家就迫切需要有一种小型苹果自动去皮设备的出现，且该设备生产效率要高，安全性高。本设计就是响应广大厂家的要求，设计出能够很好适用于小型罐头加工企业。该设计产品还具有以下优点：1）能自动检测员工是否在手放于苹果固定针下，能防止员工误操作造成人工事故；2）该产品生产效率高，将苹果果肉损耗减少到最低；3）该产品还能对其他水果去皮，如梨。该产品的出现对小型水果罐头加工过厂家有着很大的帮助，对国内整个水果罐头行业的发展有个积极的推到作用。1.2 现阶段国内苹果去皮方式1）手工去皮 手工去皮有以下优点:苹果去皮彻底；果肉损耗小。但是手工去皮有不少缺点，如去皮效率低、人工去皮成本高、人工劳动强度大。因此手工去皮的方法并不适合于企业加工。图1-1 手摇去皮机2）半机械去皮 半机械去皮又可以分成两类：一是手摇式去皮机，二是机械带动式去皮机. (1)手摇式去皮机特点： 由人工将水果（如苹果、梨子等）插在不锈钢制的三叉上，插时花蒂对准中心线。摇动手柄使主齿轮传动，并传动三叉齿轮而使果实一起动。主动轮另一端的伞齿轮传动去皮伞齿轮而使果实去皮。去皮结束后，手动将苹果拔掉。该种方式去皮效率低，劳动强度大，不适合于生产使用，但适合于普通家庭及个人使用。 (2)机械带动式去皮机特点： 机械带动式去皮机与手摇去皮最大的区别在于动力来源。加工方式与手摇式相同，这种方式相对于手摇式效率有所提高，但仍然不适合于生产使用。1.3 苹果自动去皮机的研究状况及存在问题1.3.1 苹果自动去皮机的研究状况 现阶段国内外苹果自动去皮机送果方式分为单果和多果。 (1)单果自动去皮机 该种苹果自动去皮机一次只能加工一个苹果，首先人工在苹果放置于苹果托盘上，由托盘自动将苹果置于插针上，再完成去皮的过程。该苹果去皮机体积小，移动方便，而且加工效率较高。该种去皮方式是目前企业比较流行的去皮机种，特别是在小型企业中占一大部分份额。 (2)多果自动去皮机 多果自动去皮机工作原理是首先由人工将苹果以苹果梗垂直于水平面的方向放置于苹果槽内，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，将苹果提升至月帔刀高度，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，该去皮机效率相对来说不高，在目前的罐头行业中使用也较少。1.3.2 苹果自动去皮机存在问题 不同种类的去皮机有不同的优缺点，同样都存在或多或少的问题，如人摇去皮机，操作人员的体力劳动强度大，效率很低；电机带动的去皮机则减少了操作人员的体力劳动，但是在操作过程中在安装苹果时存在安全隐患，如果操作不当则会导致人身事故；多果自动去皮机则在效率上比之前的都要高，但操作机器时需要多个人员，成本高。上述自动去皮机想要提高生产效率就要加强操作者的熟练程度，对新手来说是一较大的挑战。1.4 本设计研究内容、方法及方向1.4.1 本设计研究内容 本设计研究的主要内容是既安全又高效的苹果自动去皮机，其中主要部分是苹果去皮。该机器还包括切瓣和去核功能。本论文的主要思路为苹果自动去皮机整机分析设计、各部分机构的设计及计算、主要部件的强度校核和干涉实验等。1.4.2 本设计采用的方法 经过查阅目前苹果自动去皮机的相关资料，互联网查看苹果去皮机工作视频，综合比较各种苹果去皮机的优缺点，厂家对产品的要求，类比之后设计了该苹果自动去皮机。1.4.3 本设计未来发展方向 因本设计集合了目前不同种类苹果自动去皮机的优点，但仍然会有局限性，如不适合大型企业加工，不是采用全自动方式而是需要人工放果。该去皮机的发展方向是提高生产效率，尽量减轻人工劳动量，提高苹果果肉损失率。2 苹果自动去皮机总体方案设计2.1 苹果自动去皮机方案确定 经过比较市场上现有的苹果去皮设备，还有该设计去皮机主要用途，确定设计一款小型的苹果自动去皮机。市场上大型的生产设备就是一整天生产线，从苹果的挑选，然后洗涤，再去皮去核，这种大型的设备可以减少人工，降低工人劳动量，但是这种不适合于小型企业的发展，因设备成本高，管理生产线对员工要求也高，还有就是设备需要维修时维修费用高。另外目前市场上也有小型的苹果去皮设备，机器可以完成去皮和去核两个过程的工作。这种设备能满足一般小型企业的生产要求，且价格也在小型企业的接受范围之内。本文设计的就是适合于小型企业的苹果自动去皮机。采用PLC及步进电机控制整个转台的间歇运动，插果则采用气缸，另外该去皮机能够检测是否有苹果置于托盘上，和操作人的手是否离开工作台，只有苹果托盘上有苹果且操作员手离开托盘设备才工作，这样能够很好确保操作员的人身安全，降低生产事故。2.2 苹果自动去皮机工作原理及结构组成2.2.1 苹果自动去皮机工作原理 首先操作员将挑选并洗涤好的苹果置于气缸轴上的托盘上，传感器检测到信号后传给PLC控制中心，同时还有个红外检测操作员手的设备，当检测到人手离开时，该信号也会传给控制中心，控制中心的接到两信号之后，大约1s后气缸动作，将苹果插入苹果固定架上，之后步进电机工作，苹果固定架上电机工作，完成整个去皮过程，下一个工作周期开始，新的苹果插入苹果固定架时，之前一个苹果在同样气缸的工作下完成切瓣、去核工作。就完成了一个苹果从去皮到切半的过程。2.2.2 苹果自动去皮机结构组成 该苹果自动去皮机主要包括送料装置气缸和苹果托盘；去皮装置刀架、刀片及转动齿轮；苹果旋转装置小型电机；动力装置步进电机。另外附属装置转动平台及轴承。2.3 苹果自动去皮机工作流程 整个设备的正确运行是在控制中心PLC程序的控制下完成的，程序指令控制着设备的每一步操作，其工作流程图如下：图2-1 苹果自动去皮机工作流程图3 苹果自动去皮机运动机构确定3.1 送料机构的确定3.1.1 送料机构方案设计传统方式的送料方式是人工将苹果插入苹果固定针上，然后在转盘带动下转动一定的位置，再进行去皮操作。传统方式效率低且苹果不容易插入固定针上，操作时需要操作员使用较大力气，这样操作人员体力劳动强度就较大。本设计的送料方式则采用气压装置，气压顶杆上有一个苹果托盘，操作员只需要将苹果置于托盘中即可。托盘中装有光电传感器，能检测到托盘中是否放置苹果。没有则气缸不会工作。另外再托盘的正上方装有红外检测装置，能够检测操作人员的手是否离开托盘，从而可以防止人身事故的发生，提高了产品的安全性。设计简图如下：苹果托盘气缸图3-1 送料装置简图3.1.2 送料机构组件的确定1) 确定气缸型号图3-2 气缸型号代码图3-3 气缸规格图3-4 气缸行程选择气缸主要参数是行程，因为要将苹果送往一定的高度，初步确定气缸型号为，该气缸带有感应磁石，可以用霍尔传感器来控制气缸行程。从而更好的实现自动化控制。2） 气缸的控制设计中没有对气缸其他设备进行确定，如气压泵，管道等。本设计中的苹果自动去皮机气缸控制采用PLC来控制与气缸连接的双电磁铁直动式换向阀，PLC通过采集光电传感器和红外检测装置的信号来控制气缸的整个工作。另外通过霍尔传感器来反馈气缸动作杆的位置，从而能够准确的将苹果送至工作台上的苹果固定针上。图3-5 双电磁铁直动式换向阀3） 苹果托盘苹果托盘的形状类似于生活中小孩子吃饭用的不锈钢碗，在也有不同的是在托盘底部有一个短小的钢针用来固定苹果，防止苹果在气缸上升的过程中掉落或者侧翻。大概形状如下：图3-6 苹果托盘该托盘采用不锈钢制作而成，底部通过焊接顶杆与气缸顶杆相连，从而实现托盘的上下运动，完成将苹果送至固定针上的动作。3.2 工作台转动机构的确定 工作台转动时有两个运动，一是工作台自身的转动，二是刀架固定杆的转动。且刀架固定杆转动比较特殊，两个刀架固定杆位置对称，但是运动方向却相反，因此采用直齿圆锥齿轮来实现该运动，工作台的转动则采用直齿圆柱齿轮。3.2.1 直齿圆锥齿轮的设计 直齿锥齿轮加工多为刨齿，不宜采用硬齿面。材料选用40Cr，调质处理，硬度为241HB286HB，取平均硬度为260HB。计算步骤如下（查图、表均来自于机械设计第四版 邱宣怀主编）：1）齿面接触疲劳强度计算齿数z取z=24，由表12.6得精度等级选精度为8级精度查表12.9得使用寿命=1.0查图12.9得动载系数=1.1齿间载荷分配系数 （表12.19） （式12.6） (式12.10)齿向载荷分布系数，查表12.20及注3得载荷系数查表12.12得弹性系数,查图12.16得节点区域系数,查图12.17c得接触疲劳极限，查表12.14得接触最小安全系数为：设计时不考虑机器寿命因素得接触寿命系数许用接触应力 （式12.11）齿轮大端分度圆直径，取齿宽系数2） 确定传动主要尺寸大端模数查机械原理第七版附表5-6 锥齿轮模数（摘自GB12368-90）取实际大端分度圆直径为锥距齿宽取3） 齿根弯曲疲劳强度计算查图12.30得齿形系数，查图12.31得应力修正系数得重合度系数 （式12.18）齿间载荷分配系数载荷系数查图12.33c得弯曲疲劳极限，查表12.14得弯曲最小安全系数，不考虑寿命因素得弯曲寿命系数，查图12.25得尺寸系数为：许用弯曲应力 （式12.19）验算因此该齿轮满足强度要求。传动方式如图图3-7 锥齿轮传动3.2.2 直齿圆柱齿轮的设计 因传动尺寸无严格限制，无严重过载，固小齿轮选用材料为，调质处理，硬度为241HB286HB，平均取为260HB，大齿轮选用材料为45钢，调质处理，硬度为229HB286HB，平均取为240HB。计算步骤如下（查表、图来自于机械设计第四版 邱宣怀主编）：1) 齿面接触疲劳强度计算1.初步计算查表12.13得齿宽系数查图12.17c得接触疲劳强度初步计算的许用接触应力查表12.16取初步计算的小齿轮直径 （式12.14）取初步齿宽取2. 校核计算查表12.6得精度等级选8级精度齿数和模数初步齿数查（机械原理第七版 郑文纬 吴克坚 主编）附表5-6 锥齿轮模数（摘自GB12368-90）得，则查表12.9得使用系数，查图12.9得动载系数齿间载荷分配系数由表12.10，先求 （式12.6） （式12.10）查表12.11得齿向载荷分布系数载荷系数查表12.12得弹性系数，查图12.16得节点区域系数,接触最小安全系数接触寿命系数许用接触应力验算 （式12.8）计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。3. 确定传动主要尺寸实际分度圆直径，因模数取标准时，齿轮已重新确定，但并未圆整，故分度圆直径不会改变，即中心距齿宽取2） 齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数齿间载荷分配系数查图12.14得齿向载荷分布系数载荷系数查图12.21得齿形系数，查图12.22应力修正系数，查图12.23c弯曲疲劳极限，查表12.14弯曲最小安全系数弯曲寿命系数尺寸系数许用弯曲应力验算 (式12.16)经验算强度合格。传动方式如图：图3-8 直齿轮传动3.3 苹果自动去皮机去皮及苹果固定装置3.3.1 刀架的设计苹果自动去皮机刀架工作时主要是自身的转动，其次还有跟着工作台一起转动。苹果固定在固定针上时，苹果以较快的速度旋转，此时刀架上的刀片贴着苹果，这样就达到了去皮的效果。刀架在去皮的过程中还有上下运动的一个过程，这样才能保证将苹果的皮去干净，如果刀架不能随着苹果的转动而上下运动的话，那只会在一个部位进行切削。这样就达不到去皮的作用。每将一个去皮后，刀架的位置都是在苹果的底部位置，因此需要用弹簧来将刀架复位才能进行下一次的苹果去皮。刀架在运动时不能与苹果托盘及苹果固定针发生干涉现象，另外也不能与苹果切瓣、去核装置发生干涉现象，需要调节安装在刀架上的两个弹簧，从而达到比较理想的效果。刀架的效果图如下：图3-9 刀架位置简图刀架会随着苹果的转动而上下摆动，因此设计了可以调节的装置，并配上弹簧。弹簧能够是刀片离开苹果时能恢复初始位置，且保持稳定。3.3.2 刀片的设计刀片在苹果去皮过程中有着非常重要的作用，且刀片角度对苹果去皮效果相当明显。刀片角度不合适时，会切掉很大部分的苹果果肉，这样就浪费原材料。刀片固定在刀架上，角度能够调节，合适的角度需要在实验中得到。在给苹果去皮的过程中，不断的调节刀片角度，知道去皮效果达到理想值时固定刀片。一般苹果首先需要经过粗略的挑选，因为有些苹果形状不适合固定角度刀片的切削，去皮时刀片对苹果大小要求不高，主要是形状要规则，不能有大的凸起或者凹陷。刀片的形状跟平常家用的手动去皮器具相同，平常家用的去皮器是依靠人来掌握去皮的厚度，速度也是由操作人控制，熟练的人很快就能将苹果削好，且切皮完整。该苹果自动去皮机要达到的效果是切皮完整且厚度均匀。图3-10 家用去皮工具3.3.2 苹果固定装置 苹果由气缸送至苹果固定针上，然后在电机的带动下，苹果以一定速度旋转，刀片贴紧苹果，通过相互运动，从而达到去皮的作用。固定针需要在旋转时提供一定的摩擦力，防止不能使苹果转动的情况发生。因此在设计时在苹果固定针周围刻一些花纹，用来增加苹果与固定针之间的作用力。固定针简图如下：图3-11 苹果固定针简图4 电机的选择4.1 确定电机类型 电机是整个设备的动力来源，该苹果自动去皮机工作台的运动直接由电机控制，工作台运动包括间歇运动，连续圆周运动，还有停止。因此对电动机的启动惯性，停止惯性要求非常高。而且电机的运动要容易控制。由于本苹果自动去皮机采用PLC进行控制，所以电机选用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 图4-1 步进电机4.2 步进电机参数1）步进电机基本参数(1) 电机固有步距角(2) 步进电机的相数(3) 转矩2） 确定苹果自动去皮机工作台步进电机参数经过查阅相关资料后确定工作台电机选用110系列电机，110系列电机参数如下：表4-1 110系列步进电机参数110系列电机绝缘电阻: 500VDC 100MW Min轴向间隙: 0.10.3mm径向跳动: 0.02mm Max温 升: 65K Max绝缘强度: 550V 50Hz 1Minute环境温度: -20C+55C绝缘等级: B型号步距角()保持转矩(Nm)静态相电流(A)相电阻 (W)相电感 (mH)转动惯量(g.cm.s2)重量(Kg)110BH2A100-504 1.812.75.00.951555005.0110BH2A150-654 216.51.1518.9110008.4110BH2A165-604 266.00.6514130009.5110BH2A200-654 306.51.722.51620011.7型号长度:L110BH2A100-504 100mm110BH2A150-654 150mm110BH2A165-604 165mm110BH2A200-654 200mm选用110系列电机中110BH2A200-654这一型号电机，该电机步距角1.8，保持转矩30NM。长度L为150mm.3） 确定苹果去皮旋转电机苹果在固定针上随着工作台旋转时，自身也会快速的旋转。速度比工作台的转动速度快好几倍，但是也要能够及时停止，工作。因此对电机的运动状态要求也较高。最终也确定选用步进电机。由于苹果转动时需要的力比较小，所以对步进电机保持转矩要求相对较低。查阅步进电机手册确定选用以下系列电机。表4-2 57系列步进电机参数57系列电机绝缘电阻: 500VDC 100MW Min轴向间隙: 0.10.3mm径向跳动: 0.02mm Max温 升: 65K Max绝缘强度: 550V 50Hz 1Minute环境温度: -20C+55C绝缘等级: B型号步距角()保持转矩(Nm)静态相电流(A)相电阻 (W)相电感 (mH)转动惯量(g.cm.s2)重量(Kg)57BH2A41-1481.80.51.41.41.41350.457BH2A56-28812.80.751.23000.757BH2A76-2881.472.812.14801.057BH2A76-304231.35.04801.0单位：mmL: 57BH2A41-148=41L: 57BH2A56-288=56L: 57BH2A76-288=76L: 57BH2A76-304=76确定选用型号为57BH2A76-304的步进电机，其步距角为1.8，保持转矩2NM，机身长度L为76mm.5 轴设计校核及轴承的选择5.1 短轴的设计1） 短轴最小直径的确定选取轴的材料为45钢（调质），查资料得：轴的最小直径材料相关系数表16.2 轴强度计算公式的系数轴的材料Q235，20Q255，Q275，354540Cr,38SiMnMo等12152025303540455216014813512511811210610298资料来源：机械设计（第四版） 邱宣怀 主编求得输入轴的最小直径考虑轴要开键槽所以2） 短轴的结构设计采用以下轴上零件的装配方案：由于该轴最左端安装刀架，因此设计了的螺纹，便于固定刀架。安装齿轮处的轴段的直径齿轮采用轴肩和螺栓进行定位。圆锥齿轮的周向定位采用平键连接，由机械制图（第五版）附录附表15和附表16查得平键截面：键槽用键槽铣刀加工，长为24mm，同时为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为。取轴端倒角为5.2 短轴的校核1)轴受力图2)水平面（xy平面）受力图3)水平弯矩图4)垂直（xz平面）受力图5)垂直面弯矩图6)合成弯矩图7) 转矩图8) 当量弯矩图9) 轴强度校核 = = 故轴安全。5.3 轴承的选择 1)短轴上轴承的选择因轴承同时受有径向力和轴向力，但由于此锥齿轮转速很慢，所以轴向力可以忽略，主要就是径向力，故选用深沟球轴承，参照工作要求并根据，由机械设计（第四版）附录 常用滚动轴承尺寸和主要性能参数附录表18.1 深沟球轴承 GB/T 276中初步选取轴承代号6304，其尺寸为，采用轴肩进行轴向定位，取中间一段轴直径。2） 长轴上轴承的选择由于工作筒全部有安装在长轴上一个轴承承担，所以该轴承承受的轴向力较大，深沟球轴承虽然可以承受小部分的轴向力，但是考虑寿命及经济因素，确定使用推力球轴承，该种轴承只能受单向轴向载荷。由机械设计（第四版）附录 常用滚动轴承尺寸和主要性能参数附录表18.5 推力球轴承 GB/T 1292确定选用轴承代号为7204C，其尺寸为。6 苹果自动去皮机仿真图图6