椰子轮廓自动修剪机.doc

海 南 大 学课 程 论 文（译文） 题 目：椰子轮廓自动修剪机的设计（译文） 学 号：20090508310024 20090508310040 姓 名：盛尚品 邹充 年 级：2009级 学 院：机电工程学院 系 别：机械系 专 业：机械电子工程 指导教师：张喜瑞 老师 完成日期：2012年6月1日 目 录摘要3关键词31、前言32、材料方法42.1未修剪的及已修剪的椰子的物理特性42.1.1椰子样品的物理特性42.1.2大小分布72.2设计和操作82.2.1设计82.2.2操作112.3性能测试133、结论分析与讨论153.1椰子修剪后的完整的物理特性153.2椰子轮廓自动修剪机的工作性能16致谢18椰子轮廓自动修剪机的设计摘要：一台椰子自动修剪机原型已经完成了设计，建造，测试和评估。使用功能的机制为，尖斜刀在垂直平面平移运动来修剪被夹紧和绕着垂直轴旋转的椰子。机组件包括1个主框架，1个侧面修剪台，1个脊顶修剪台，1个底部切割台，1个旋转底座，3个椰子固定夹，电气连接滑环，电源驱动器和可编程序电子控制。在实验中，未切边的椰子不断被送入三个分开的椰子固定夹。它们交替传送着通过侧面修剪、脊顶修剪和底部修剪的椰子。椰子固定夹按顺序，不断围绕着每个修剪机构装置旋转。该机构最佳设置包括：（1）每小时传输86个椰子；（2）已被修剪的椰子以300rpm旋转；（3）脊顶修剪刀高度为180mm。纤维区域的平均损失率为0.35，果肉损伤为2.5，未被修剪绿色区域为14.5。优化修整过的水果被种植者和贸易商所接受。关键词：椰子、物理特性、修剪平台、工作性能1、前言“Namhom”椰子深受国际喜爱。该椰子由一个封闭的外壳，里面含有果肉、果汁。通常情况下，为了方便搬移椰子，椰子都被手动修剪成一个五边形轮廓。手动修剪需要相当的体力和一个非常大的锋利刀，因而是一个危险的过程。与手工修剪相关的其他问题还有：熟练劳动力的短缺和需要相当长时间的修剪过程。因此，一些研究人员试图开发出一个椰子修剪机（Harach和Jarimopas，1995年; Jarimopas和Pechsamai，2002年）。不幸的是，他们的机器都不被种植者、加工者和贸易商所接受。然而，最近Jarimopas和Ruttanadat（2007）开发了一个新型的椰子修剪机，它看起来似乎更有潜质。该机器基于车床切削机原理，由侧面修剪刀、脊顶修剪刀、底部修剪刀和夹紧机构的车床机组成。该原型每小时可切削21个椰子，成品平均含1.1%的未被修剪部分和0.2%的纤维部分。机器修剪的椰子均被水果贸易商和出口商所接受。然而，大约70%的机器运行时间流失于手动重新定位并维持椰子稳定，和为每一个切削操作调整刀具位置。于是，它只能表示手动修剪比使用机器更快。为了享用椰子的肉和汁，无论手动还是机械加工，椰子都必须被打开。修剪过程中，手动开启需要使用大而锋利的刀、大量体力，并增加了受伤的风险。 于是，Jarimopas和Kuson（2007）开发了一个椰子开口机。机器切口的理念是通过一固定不动的刀来剪切旋转中的椰子。该机性能拥有30加工1个椰子的能力，果汁溢出率2%，汁中纤维为0.2克，直径58mm的圆形开口。然而，椰子开口机的发展对椰子自动修剪机的进一步发展的挑战是工作相比于手动操作更好更快。因此，本研究旨在开发一个新型的椰子轮廓自动修剪机，可以快速有效地处理椰子。2、材料和方法2.1 未修剪的及已修剪的椰子的物理特性的测定2.1.1 椰子样品的物理特性准备大量完全成熟的“Namhom”品种椰子。30个未修剪的和30已修剪的，椰子是从曼谷大都会地区（每个地区各挑选10个）的三大水果市场随机挑选出的。使用游标卡尺（图1和图2）来测量每一个完整椰子的直径D和高度H 。然后测量每个被修剪的水果样品的物理特性（水果高度h1，脊顶高h2，脊顶边缘直径dh，底部直径db）。完好未被修剪的和已被修剪的样品切片沿轴干，用锯子和一个大型的锋利的刀剖开（图2）。在此之后，将一半选定出的并水平安放的样品使用奥林巴斯C750的超变焦数码相机（奥林巴斯公司，日本）。然后，使用测量工具Adobe Photoshop CS（Adobe系统公司，美国加利福尼亚州）的计算机应用软件（Jansomwong Jaroenpru，2002年）测量椰子的尺寸。测量未修剪的椰子时，步骤类似于已修剪的椰子。以上所述的物理特性的知识对于椰子自动修剪机的设计是必不可少的。完整名单的特点如下：对于未被修剪的椰子（单位：mm） 对于已修剪椰子（单位mm）H=外表面高度h1=高度D=外表面直径h2=脊顶边缘平均高度h=外壳高度d=外壳直径d=外壳直径h=外壳高度b1=底部到外壳的垂直距离dh=脊顶边缘直径b2顶部到外壳的垂直距离db=底部直径a1左侧到外壳的水平距离j1=脊顶尖到外壳的垂直距离a2右侧到外壳的水平距离j2=底部到外壳的垂直距离k=脊顶边缘到外壳的平均水平距离l=侧面到外壳最薄处平均水平距离m=脊顶到外壳最薄处平均垂直距离n=脊顶边缘到底部的平均距离=脊顶角=基角图1 未修剪的椰子图像（a）和已修剪的椰子图像（b）图2 未修剪椰子剖面尺寸(a)和已修剪的椰子剖面尺寸(b)。编号名称1主架2侧面修剪平台3脊顶修剪平台4输入输出及底面修剪平台5旋转底盘6椰子固定夹7椰子压紧套8电气连接滑环9电动马达10电气控制图3 椰子轮廓自动修剪机原型在确定相关的物理特性后，机械修剪过程是根据Ruttanadat和Jarimopas（2008）所提出的详细具体方法在Solid Works 2007软件（达索系统公司的SolidWorks，MA，USA）模拟完成的。2.1.2.大小分布 从Samutsakohn省Baanpaew市的一个大的出口果园随机购买370个完全成熟的“Namhom”在椰子。所有样品的水果高度果径利用支持Windows系统的SPSS12（SPSS公司，美国伊利诺斯州）软件来进行测量和分析。2.2 设计和操作。2.2.1 设计 设计概念是通过在一个垂直平面倾斜平移的道具来修剪被夹紧和垂直旋转的椰子。原型（图3）包括三个相隔120外壳修剪平台，这三个平台安装在固定的沿着旋转底座（转盘）外围的主框架上的，侧面修剪平台、脊顶修剪平台与底部修剪平台。在安装转盘上每隔120安装三个相同的椰子固定夹。每个椰子固定夹（图4）包括一个顶部夹套和底部夹套。底部中间由一个圆形平台组成，底部四周被三个可移动的爪包围。每个爪内衬泡沫橡胶，用以减少对椰子的伤害。爪可以打开或关闭，以便于侧面修剪和脊顶修剪的刀具修整。顶部夹套是用于固定椰子固定夹上的椰子。顶部夹套包括轴，弹簧，限位开关，以及直流电动机驱动的传动轴。弹簧，限位开关和电机安装在尾端覆盖着橡胶锥的轴上。这个锥的功能是收紧椰子顶部，或修剪椰子的脊顶。弹簧用来压缩椰子，而限制开关控制压缩过程。每个水果固定夹可以自动改变水果位置，以促进水果从一工位移动到另一工位时，不同部位得到修剪。例如，在侧面修剪平台（图5b）和底部修剪平台（图6）上，顶部夹套和底部夹套一起压缩水果。脊顶修剪过程中（图7b），三爪紧紧固定住位于底部夹套上的椰子，此时，顶部夹套松开。椰子固定夹也起传动轴的功能，在修剪操作过程中，使椰子绕着垂直轴进行旋转。机床部件所有运动和同步过程被电机、开关和一个可编程逻辑控制器（PLC）控制。鸟笼形状的主框架宽为1m、长为1.7m、高为1.7m，坐落在底部安装有4个小轮子的钢板平台上。 主框架由50mm的L型钢梁做。含有修剪刀的侧面修剪平台（图5）安装在送料机构上，由直流电动机驱动，限位开关来控制。脊顶修整平台（图7），在原理上类似于侧面修剪平台。侧面修剪刀和脊顶修剪刀的倾斜角是根据Jarimopas和Ruttanadat（2007）来设置的。安装在类似于其他两装置送料机构上的底部修剪平台（图6）的最大特色是安装了一把鲜明的直刀。对被传送进来的未被修剪的椰子底部的修剪工艺是自动进行的，而在底部修剪平台上，已修剪完毕的椰子的搬运需要靠人工完成。椰子在旋转平台（图4）上，从一个平台被传输到另一个平台，直到叶子被修剪完成。这期间，旋转平台以8.8rpm的转速转动。为此，配备了一个37.5mm的传动轴，以便于为椰子固定夹提供300rpm的转速。导电连接上的电气连接滑环是由聚氯乙烯管制成。内管配有14个黄铜圈，而外管配备碳刷。碳刷和黄铜圈在安装过程中首先应该考虑的是在旋转过程中电线的纠缠情况。转盘是由一个马力为3hp，电压为380v的制动电机驱动并得到一个每分钟8转的转速，而椰子固定夹是由一个马力为3hp，电压为380v的电机通过轴驱动的，并得到一个每分钟300转的转速。动力传输是通过齿轮来传递，同时所有的机构都是由两个PLC来控制的。图4 转盘底座上的椰子固定夹（a）及其全貌图（b）2.2.2操作工作人员首先将轮廓没有修剪的椰子（1号椰子）放在底部修剪平台的椰子固定夹上，底部修建平台同时承担传输椰子的功能。在这一平台上，椰子会被向下运动的顶部夹套从顶部和底部夹紧（图8）。在椰子被牢固的夹紧后，工作人员按下控制按钮，启动操作。椰子通过转盘旋转120传输到椰子侧面修剪平台，此平台是通过侧面修剪刀来修剪椰子的。当修剪完成时，机器就会停止，工作人员再将2号椰子装入到底部修建平台的第二个椰子固定夹。然后工作人员按下控制按钮，继续操作。然后，椰子通过转盘旋转120，将2号椰子移动到侧面修建平台，同时1号椰子到达脊顶修剪平台。图5 侧面修剪平台（a）和椰子进行侧面修剪时（b）1号椰子从侧面修剪平台传输到了脊顶修剪平台，机器通过旋转三爪抓钳上的爪自动改变固定位置来夹紧修剪过侧面的椰子，同时逐渐升高顶部夹套（图7）。然后2号椰子的顶部和1号椰子侧面被同时修剪。当修建完成，机器停止时，工作人员将3号椰子放入到第三个椰子固定夹，再一次按下操作按钮，启动操作。将1号椰子移动到底部修剪平台，2号椰子移动到脊顶修剪平台，3号椰子移动到侧面修剪平台。图6 底部修剪平台图7 脊顶修剪平台（a）和椰子进行脊顶修剪时（b）当1号椰子移动到底部修剪平台上时，椰子固定夹恢复到原先的那种顶和底夹紧位置，以便于道具修剪椰子底部。当1号椰子的底部被修剪时，其他两个椰子也同时被修剪。当底部修剪完成时，1号椰子的整体修剪也完成了，此时机器停止。工作人员讲已修剪的1号椰子拿下来并放置一个未修剪的椰子在椰子固定夹上，打开控制按钮，继续循环操作。在连续运行中，三个椰子被同时修剪，一个在侧面修剪平台，一个在脊顶修剪平台，以及一个在底部修剪平台。工作人员的职责是从底部修剪平台上取下已修剪的椰子和放置未修剪的椰子在椰子固定夹上，然后按下控制按钮，启动操作。每一次控制按钮被按下，转盘都将旋转120到达下一平台。当到达下一平台后传动轴旋转椰子，同时修剪刀具向前移动修剪椰子完成后返回其初始位置。在这个时间机器停下来以便于工作人员可以取下已修剪椰子和放置未修剪椰子在底部修剪平台上。2.3 性能测试性能测试的目的是：（a）操作机器；（b）评估个别零件和整个系统的正确性和敏捷性。三个椰子固定夹在在侧面修剪，脊顶修剪，底部修剪三方面分别进行了能力测试。20个新收获的椰子被用作了实验对象。一个主干被缩小的样本第一次被放置在底部修剪平台上的椰子固定夹上。打开机器，椰子顶部夹套下降到夹紧样本的位置。然后椰子固定夹旋转，样品在侧面修剪平台、脊顶修剪平台、底部修剪平台依次被修剪。工作人员在每一个平台做好相应记录。将从底部修剪平台取下的样本浸入偏亚硫酸氢钠溶液（浓度为2.5%）防止表面褐变。再将湿的样本放置在室内等表面干燥后称重和测量。依据于剩余绿色区域、纤维区域、和成功修剪的椰子数量三方面的修剪性能是由jarimopas和ruttanadat（2007）测量和分析的: （1） （2） （3） 相同的测试程序重复再其他两个椰子固定夹上，在每一个椰子固定夹上连续放置65个椰子，让他们工作相同的时间。这个测试的目的是确定最佳操作条件的椰子轮廓自动修剪机。图8 底部修剪平台最后的测试是观察自动修剪机的长期工作性能。首先，提供给机器最佳的实验条件，让其在最佳的实验条件下长时间工作。这期间，涉及使用200个刚收获的随机抽选出来的椰子。修剪50个椰子之后，修剪刀具变形。接下来，评估自动修剪机的性能。3、结论分析与讨论3.1椰子修剪后的完整的物理特性表1和表2呈现了椰子修剪后的完整的物理特性统计。一般来说，椰子外表面的平均高度（H）是180mm，平均直径（D）是160mm，椰子外壳平均高度（h）和平均直径（d）分别为99mm和105mm。修剪后的椰子平均高度（）为136mm，脊顶边缘平均高度（）和平均宽度（）分别为为90mm和126mm，底面平均宽度（）为108mm，脊顶角（）平均角度为35.6，基角（）平均角度为为84.4。依据上述的物理特性的基础数据，确定了椰子刀架和切削刀角的设置。图9显示了完整的未修剪的椰子的高度和直径的分布。椰子高度（图9a）的平均值和中位数分别为mm和174.7mm，椰子直径（图9b）的平均值和中位数分别为mm和152.1mm。平均值和中位数非常接近，这就显示了直方图分布正常（Wanichbancha，2006）。高度为175mm，直径为153mm的完整椰子用于这台机器的参考设计。表1 椰子修剪前的完整的物理特性物理特性尺寸（mm）外表面高度（H）外表面直径（D）外壳高度（h）外壳直径（d）底部到外壳的垂直距离（b1）顶部到外壳的垂直距离（b2）左侧到外壳的水平距离（a1）右侧到外壳的水平距离（a2）表2 椰子修剪后的完整的物理特性物理特性尺寸（mm）高度（h1）脊顶边缘平均高度（h2）外壳直径（d）外壳高度（h）脊顶边缘直径（dh）底部直径（db）脊顶尖到外壳的垂直距离（j1）底部到外壳的垂直距离（j2）脊顶边缘到外壳的平均水平距离（k）侧面到外壳最薄处平均水平距离（l）脊顶到外壳最薄处平均垂直距离（m）脊顶边缘到底部的平均距离（n）脊顶角（）基角（）图9 未修剪椰子的高度（a）与直径（b）分布直方图3.2椰子轮廓自动修剪机的工作性能每个椰子固定夹高效的运送未修剪的椰子通过侧面修剪平台，脊顶修剪平台和底部修剪平台。所有的椰子样品都被成功修剪。持续不断的工作得出最适当的操作条件为：（a）以每小时放置86个椰子的速度修剪；（b）以300rmp的转速修剪；（c）修剪脊顶的刀具高度应为180mm。修剪脊顶的刀具高度是依据于90%的椰子在一个正态分布图（图9）中的中等概率。该机器可以再2.34个小时内自动修剪200个椰子的轮廓，生产能力为每小时86个（不含更换三个独立刀具的时间）。测试表明，椰子纤维区域损失为0.35%，而平均未修剪绿色区域为14.5%。共计2.5%的椰子在修建过程中被损坏。所有的机械部件在程序电子控制下交互并且有效地运作。修剪过的水果也被种植者和贸易商所接受。由Jarimopas and Ruttanadat (2007)上可知，依据于纤维区域和未修剪绿色区域而判定的椰子质量，该机器修剪的椰子质量要高于其他半自动修剪机修剪的椰子。且使用该机器修剪椰子轮廓的修剪速度比熟练的手工修剪（每小时修剪35个椰子）也要快。一个只需要单一工作人员的椰子轮廓自动修剪机的原型经过了设计、建造、测试和评估。连续性能测试显示生产能力为每小时修剪86个椰子。修剪后，平均剩余纤维区域为0.35%，未修剪绿色区域为14.5%，但是修剪50个椰子之后需要调整道具位置。不过，该机器却修剪效率是人工手工修剪的2.5倍。且该自动修剪机的原型也已经被种植者和贸易商所接受。致 谢在此要感谢泰国农业大学研究与发展研究所及提供保鲜技术的清迈大学的研究生和研究项目，同时感谢国家材料与金属科技中心（MTEC）对这一项目的赞助。最后感谢加利福尼亚大学生物与农业工程系的名誉教授P. Chen博士的指导，并感谢戴维斯对我的研究工作的一贯支持。参考文献1Harach C; Jarimopas B (1995)，Young coconut peeling machine，泰国农业大学学