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水果装袋装置设计【含CAD图纸、三维模型】,含CAD图纸、三维模型,水果,装袋,装置,设计,CAD,图纸,三维,模型

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本科毕业论文（设计）开题报告论文（设计）题目水果装袋装置设计学生姓名学号指导教师1、 课题研究的背景一方面，随着苹果产业的不断扩大，中国在世界市场上占据越来越重要的地位，对国内外的果品市场均产生了很大影响，成为不可或缺的生产国和出口国。但是，在人们物质生活水平不断得以提高的今天，人们对苹果的要求已经发生了由量到质的变化，追求的是“精”，不仅苹果自身质量的精，而且要求包装精美、携带方便。另一方面，为了减轻果农的劳动强度，提高水果装袋效率，防止水果在运输过程中碰伤和擦伤，所以，要对苹果进行装袋。但是，对如此庞大数量的苹果进行纯手工套袋，无疑增加了劳动力、提高了苹果成本、降低了生产效率，为此，本文致力研发一种半自动的苹果装袋机。2、 国内外技术发展状况（一）国内技术发展现状当前苹果的采摘后商品化过程中，不同的环节有着不同的包装需求。我国苹果包装还是主要处于手工状态。手工包装时，一般先取成品包装袋，把袋口张开，然后用手逐个将苹果放入袋内，接着一手提袋并使水果袋旋转，使包装袋逐渐贴紧苹果。这样的人工装袋方式，需要大量的人力资源，且效率很低，成本极高。更有甚者，苹果在包装过程中，经手拿捏易造成苹果破损。并且人工装袋会使苹果袋口扎口不整齐，外观不佳；损坏率高；保鲜效果差，导致病变传染快。因此，苹果采摘后商品化过程中使用装袋机将是一个必然的发展趋势。装袋机简单易动手操作；保证作业要求的前提下，尽量使成本降低；能够很大程度上减轻果农或工作人员的劳动强度；降低劳动危险的系数；提高劳动的生产效率等，都是果农所深切盼望的。中国一专利号为02109683.X的可调式水果包装机，此机构在机架前上角倾斜安装着能够筛选出不同规格水果的多个上筛板与下筛板；下筛板的尾部接有多个V形的托果底格，格板的长方形孔内设置有电热丝；托果底格上方位置设有保鲜剂加入器；供膜轮安装在机架上；加入器和汇膜轮中间的挡板依靠杠杆实现间歇供果及加入保鲜剂，接着由横向封装膜将水果横向封膜之后再由压膜轮纵向封膜，最后切膜装置进行纵横切膜。该机构在切膜、封膜包装时可完成分级、加入保鲜剂等功能。但该机构相对复杂，且包装水果时，必须将两边带孔的包装膜手工按到汇膜轮、供膜轮、紧涨轮以及输送轮圆周面小圆柱上，在生产中故障率较高。中国另一专利号为93209665.4的水果胶膜包装机，此机构涉及屯果装置、运果装置、分果装置和封果装置。此机在作业时，借运果装置将水果从屯果装置运达分果装置，再由分果装置的果盘转动，将水果运达至果口，该果口下方设置一果管，且末端有一热封机。另外用自动控制的封包凸轮、封包果杆、封包开关以及起动开关连动，使果盘上的水果可依照次序被封包果杆推至果管加以封包。该机构结构相对复杂，且购机价格很高。一种柑桔套袋机，其结构包括袋膜卷筒、封口切断装置、动力传导架、联动输果装置和卷膜封边机构。动力传导架安装在柑桔包装机的包装平台上；袋膜卷筒安装在袋膜基座上；卷膜封边机构安装在封边机基座上（包括框型转盘架、电热封边转盘、卡齿封边转盘和转盘轴杆）；封口切断装置安装在封口机基座上（包括切断张合夹和加热张合夹）；联动输果装置安装在联动轴套座上。该机能自动将柑桔装入保鲜袋内，工作人员只要将包装箱放在导果管头的出口处，柑桔包装机就能自动完成收果、分类、套袋和装箱工作。但该机构设置相对复杂，维修不易，适合大批量生产的大型果农。（二）国外技术发展现状英国一家公司制成了一种可以食用的水果保鲜剂，它是由蔗糖、淀粉、脂肪酸和聚酯物调配成的半透明乳液，可采用喷雾、涂刷或浸渍的方法覆盖于苹果、柑橘、西瓜、香蕉和番茄等水果的表面，保鲜期可达200天以上。由于这种保鲜剂在水果表面形成了一层密封薄膜，故能阻止氧气进入水果内部，从而延长了水果熟化过程，起到保鲜作用，这种保鲜剂还可以同水果一起食用。法国制成了一种电子保鲜机，将其放在果蔬储藏室，可使里面存放的水果在75天内新鲜如初摘。这种保鲜机利用高压负静电场产生的负氧离子和臭氧来达到保鲜的目的。负氧离子可使果蔬进行代谢过程的酶纯化，从而降低果蔬的呼吸过程，减少果实催熟剂乙烯的生成；臭氧则是一种强氧化剂，又是一种良好的消毒剂和杀菌剂，能杀灭和消除果蔬上的微生物及其分泌的毒物，抑制并延缓有机物的分解，从而延长果蔬的储存期。三、课题研究的目的、意义 随着中国市场的国际化，中国苹果产业的不断扩大，中国已成为世界颇大的苹果及苹果汁的生产国与出口国。中国的水果市场对国内外的果品市场产生了很大影响，在世界上也占据着越来越重要的地位。又随着人们物质生活水平的提高，人们在享受的同时，不仅追求苹果的本身质量，而且在乎苹果的包装精美程度、携带是否巧便等诸多方面。因此，给苹果进行装袋，可以防止苹果在运输途中碰撞造成擦伤，有效保证原有质量，且一定程度上美观化，吸引消费者的眼球，从而提高果农的销售效益、增加收入，增强我国在全球市场的竞争力。在当前，对苹果进行装袋大都属于人工操作，这便大大降低了生产效率，且增加了果农的劳动强度。此时，研发一种全自动或半自动的装袋设置势在必行。结合手工装袋的整个过程，本课题欲研究一种半自动的苹果装袋机，达到小型便利、操作简易、维修简单的要求和减轻果农劳动强度、提高劳动生产率、降低劳动危险系数等目的。四、研究的内容 本课题是针对小型果农使用的、机械式的，不使用编程技术和机电自动控制。为了使用方便、维修简单、降低成本，采用纯机械设计的纯机械式设备。本设计结构简单，且可以有效的提高工作效率、减轻果农劳动强度、保证苹果在运输中避免碰撞和擦伤。总体设计：将减速器、电动机、凸轮机构、轴、槽轮机构、齿轮、平带等简单机械进行组合，通过槽轮机构实现先后的运动，保证苹果可以有次序的连续装袋。零件设计：半自动苹果装袋机机架的设计、凸轮机构的设计、槽轮机构的设计、电动机的选用、传动轴及齿轮的设计与校核、平带的设计等。 五、研究方案及内容 经分析、估量，该设计划分为以下四个阶段：第一阶段：1）认真阅读设计任务要求，明确设计目的；2）查阅相关资料，整理出所需的大致信息；3）规划初期的方案。第二阶段：1）制定并分析苹果装袋装置设计方案；2）进行相关的计算、校核； 第三阶段：1）完成相关零件图、零部件的三维建模；2）完成装配图；第四阶段：1）整理资料、书写报告；2）完成答辩PPT，准备答辩。六、论文提纲 1绪论1.1苹果的市场背景1.2苹果装袋装置现阶段技术水平1.3苹果装袋的目的、意义2设计内容2.1设计的要求2.2设计的任务2.3研究的内容2.4设计依据3设计简介 3.1工作原理3.2主要零部件介绍3.3装袋机样机4电动机的选择4.1电动机类型的选择4.2电动机结构的选择4.3电动机容量的选择4.4确定主动轴工作转速5传动比的确定 5.1总的传动比 5.2各级传动比6传动运动的计算 6.1计算各轴的输入功率 6.2计算各轴的输入转矩 6.3动力参数的查找、计算与整理7轴的设计计算 7.1主动轴的设计 7.2主动轴的计算 7.3主动轴的校核 7.4材料选择 7.5求分级轴的功率和转矩 7.6设计校核输入轴8齿轮的设计计算 8.1低速直齿圆柱齿轮的设计计算 8.2高速斜齿圆柱齿轮的设计计算 8.3执行机构直齿圆柱齿轮的设计计算 8.4减速箱内的圆柱齿轮传动的设计计算 8.5各计算的汇总9各零部件的二维CAD图10各零部件的三维建模图11苹果装袋装置总装配图12装袋机的缺陷及改进13总结致谢参考文献附录七、工作量的估计、工作条件（一）工作量的估计1、设计、计算、校核相应的参数；2、零部件的二维图纸、三维建模、装配图；3、撰写论文设计说明书；4、制作毕业答辩PPT；5、翻译一篇英文资料。（二）工作条件1、图书馆，图书期刊资料和电子文献资料；2、装有制图、建模软件的电脑。八、工作进程2017.12.27-2018.01.28 查（借）阅资料，了解本课题设计重点，注意事项，撰写开题报告。2018.01.29-2018.02.28 继续阅读文献，制定装袋装置设计方案。2018.03.01-2018.03.31 结构设计、计算及校核。2018.04.01-2018.05.10 绘制装配图及零件图，撰写毕业设计。2018.05.11-2018.05.24 指导老师、评阅老师评阅，整理资料准备答辩。2018.05.25 答辩。 九、存在的问题及拟解决采取的措施虽然本苹果装袋机能够实现苹果的装袋，保证苹果不受损伤，并且在一定程度上降低了果农的劳动强度，但本装袋机仍有不足之处。由于苹果装袋和发泡网的特殊性，本装袋机无法实现苹果的无限连续装袋。此装袋机在工作一定时间后，必须重新更换圆筒或重新将发泡网套在圆筒上；此外，当苹果装好袋后，不能运用机构将苹果送出，依旧需要靠人工将装袋好的苹果运出，所以输送机构有待改进；另外，可通过在苹果的进料口处，用输送带实现苹果的连续进入。参考文献1 机械设计(第七版)M，高等教育出版社，漢良贵，纪名刚主编，2001:10-200.2 刘忠仁水果胶膜包装机P.中国专利:93209665.4，2002-01-13.3 周亮.袋成型自动包装机控制系统的设计与研究D.武汉理工大学.2009(04).4 刘军弟，霍学喜.中国苹果产业发展现状及趋势分析J.北方园艺.2012(10):67-70.5 成大先.机械没计手册M.北京:化学工业出版社，2008.6 黄钟.水果包装中的塑料发泡网套技术J.安徽新闻出版学院.2011(04):55-59.7 舒荣祥.水果塑膜简易包装机P.中国专利:200610048980.8，2006-01-09. 8 机械设计课程设计M，高等教育出版社，王昆，何小柏，汪信远主编.1995:24-160.9 马刚.可调式水果包装机P.中国专利:02109683.X，2002-05-16.10 高微.苹果包装抓取运机械手的研究J.西北农林科技大学.2006(05):46-49.11 周雪渭.水果包装机P.中国专利:200610053878.7，2006-10-18.12 机械制图(第四版)M，高等教育出版社，刘朝儒，彭福萌，高治一编，2001:34-216.13 段洁利，陆华忠.水果采收机械的现状与发展J.广东农业科学.2012(08):61-64.14 葛晓棠.半自动苹果套袋机器人的研究D.中国农业大学.2005(08).15 王金政，薛晓敏.我国苹果生产现状与发展对策J.山东农业科学.2010(06):51-55.指导教师意见及建议（从选题、理论与实证准备、研究（设计）方法、工作安排等方面给出评价，并提出指导意见）： 该生通过查阅大量资料，了解了水果装袋设备的基本要求，制定了合理可行的设计方案，同意开题。 指导教师签名： 年 月 日毕业论文工作组意见及建议准予开题毕业论文工作组组长签字： 年 月 日 注：1.此表由学生填写后，交指导教师签署意见，经毕业论文（设计）工作组审批后，才能开题。水果装袋装置设计摘要：随着我国苹果产业向高层次发展，在苹果外观包装等附加价值上做更多的工作是很有必要的。一方面，包装直接影响顾客对产品的视觉需求和心理需求，好的包装能在第一时间吸引顾客的眼球。另一方面，对苹果的包装还可以起到保护和减震的作用，防止苹果在运输的时候造成意外损伤，在提高了果农和水果商的经济效益的同时还提高了苹果的品牌化。但人工的套袋包装效率低、成本高，这增大了果农与苹果经销商的经济压力，因此，研发一种新型的自动装袋机具有无限的商机和市场。本此设计的苹果装袋机采用纯机械的方式，设计过程不使用自动化控制计算和实时监测以及传感器技术，主要借助齿轮机构、槽轮机构、凸轮机构、轴、减速器、电动机等的组装和精准配合，以及依据发泡网弹性大的特性来实现苹果的连续装袋功能。本次设计，有完整详细的设计计算，利用CAD画二维工程图，利用SolidWorks实现三维建模及装配，同时做了有限元分析、爆炸图和运动仿真。分析结果验证了设计的合理性。关键词：苹果装袋机；轴；槽轮机构；凸轮机构；齿轮；发泡网Design of fruit bagging deviceAbstract:As Chinas apple industry develops to a higher level,it is necessary to do more work on the added value of Apples appearance packaging.On the one hand, packaging directly affects the customers visual and psychological needs of the product.Good packaging can attract customers attention in the first place.On the other hand,Apples packaging can also play a role in protection and shock absorption,prevent Apple from causing accidental damage during transportation,improve the economic benefits of fruit farmers and fruit traders, and also increase Apples branding.However, artificial bagging is inefficient and costly,which increases the economic pressure between farmers and Apple dealers.Therefore, the development of a new type of automatic bagging machine has unlimited business opportunities and markets.The apple bagging machine of the present design adopts a purely mechanical method.The design process does not use automatic control calculations and real-time monitoring and sensor technology,mainly through the assembly of the gear mechanism,sheave mechanism,cam mechanism,shaft,reducer,motor,etc.,and precise coordination,and according to the characteristics of the elasticity of the foam mesh to achieve the continuous bagging function of Apple.This design has a complete and detailed design calculation.Using CAD to draw two-dimensional engineering drawings, using SolidWorks to achieve three-dimensional modeling and assembly,while doing a finite element analysis,explosion map and motion simulation. The results show that the design of the device is reasonable.Keywords:Apple bagging machine,axis,Slot wheel mechanism,Cam mechanism, gear,Foam net目录摘要IAbstractII1 绪论11.1中国苹果产业的发展现状11.1.1产量和面积增加，优势领域扩大到高海拔地区11.1.2科技、要素、管理投入加大，单产水平逐步提高11.1.3果园管理从只重视地上向地上、地下并重转变11.1.4采后保鲜能力得到提高，直销体系加快推进21.2当前苹果产业存在的问题21.3苹果套袋包装的意义21.4国内外苹果装袋技术的发展状况21.4.1国内技术的发展现状31.4.2国外技术的发展现状31.5苹果装袋机的发展趋势41.6设计的内容41.6.1设计的依据51.6.2设计的要求51.6.3设计的任务61.7小结62 设计简介72.1装袋机样机72.2工作原理82.3主要零件介绍92.4小结183 基础数据的计算193.1电动机的选择193.1.1电动机类型和结构的选择193.1.2选电动机类型193.1.3选择电动机容量193.1.4确定主动轴工作转速203.2传动比的确定213.2.1总传动比213.2.2分配传动比213.3计算传动装置运动213.3.1计算各轴的转速213.3.2计算各轴的输入功率223.3.3计算各轴的转距223.4小结234 传动机构的设计计算及校核254.1齿轮的设计计算及校核254.1.1减速器箱内的圆柱齿轮传动的设计计算254.1.2高速斜齿圆柱齿轮的设计计算254.1.3低速直尺圆柱齿轮的设计计算274.1.4执行机构直齿圆柱齿轮的设计计算294.1.5齿轮的校核304.2轴的设计计算及校核314.3小结335 部分零件的有限元分析35小结366 装袋机的缺陷及改进37小结37总结39参考文献41致谢43附录45V1 绪论1.1中国苹果产业的发展现状近年来，我国苹果产业不断扩大、发展迅速，保持着良好的供需关系，像在市场、栽培等方面都有良好的表现。该产业领域已经进入了一个新的阶段，并由国内走向了国际。中国苹果产业在国际市场上占据越来越重要的地位，中国已然成为不可或缺的苹果生产国和出口国。1.1.1产量和面积增加，优势领域扩大到高海拔地区最近几年来，我国苹果产业一直以一个较快的速度发展。苹果的种植面积每年平均增长量为4。在区域方面，我国沿海地区苹果产业有所减少，但黄土高原的苹果产业区却在高速发展着。时至今日，内陆省份已经成为中国最大的苹果行业产区，带动了内陆地区多数农业区域的经济发展，对果农也产生了巨大的经济效益。1.1.2科技、要素、管理投入加大，单产水平逐步提高中国的苹果单产量在近几年不断增长，进而也促进了我国的苹果总产量持续稳定增长。究其根本，主要是因为引进并推广了苹果的优良品种、不断提高了苹果的栽种技术和果园的管理水平，并且果园的挂果面积比例也持续增加。1.1.3果园管理从只重视地上向地上、地下并重转变近几年来，苹果产业的迅速发展提高了果农们的收入水平，果园也加大了管理的质量以及力度。果园精美管理技术，譬如整形修剪、疏花疏果、套袋等也得到了广泛的应用。针对苹果产业出现的具体问题，如果园恶化和树木衰退，果园着手增加肥料的投入等。种种举措减少了部分地区成熟果园的病虫害；有效控制了果树的早落叶；极大改善了果实品质；很大程度上增加了产量。1.1.4采后保鲜能力得到提高，直销体系加快推进采后保鲜在苹果的功能性市场建设中占据着举足轻重的地位，现沿海地区储存能力高于内陆。近几年来，我国苹果的功能性市场逐渐建立，苹果直销体系的建设也逐步得到了有效发展。减少了苹果在果农或中间经销商手里的时间，很好保持了苹果的新鲜感。1.2当前苹果产业存在的问题一方面，现如今，市场上水果种类众多，其相互之间的竞争力强烈。另一方面，在近几年来，苹果的生产越来越需要大量的资金去投入，究其根本原因，主要是由于生产过程中需要投入大量的物质，比如化肥、农药等，并且对于劳动力的需求也颇大。与此同时，苹果产业一部分采用小农户型的生产方式，生产效率低、单位面积的成本增高、降低着果农的经济效益。随着苹果产业的进一步转型发展，培养掌握综合技能的新型果农很有必要。1.3苹果套袋包装的意义在上述中国苹果产业的发展现状已提到，中国市场走向国际化，在世界上有着举足轻重的地位。于此基础上，人们的生活水平明显提高，且不仅仅停留在基础的物质满足上，而是向更高层次的视觉享受、精神享受发展，比如对于购买物的封面、包装等需求愈加苛刻。包装直接影响顾客对产品的视觉需求和心理需求，精美的包装能在第一时间吸引顾客的眼球、使之印象深刻，俗话说，良好的开始是成功的一半。有关调查表明，先被人发现的产品出售率远大于后被发现的产品，这个可想而知。对水果（苹果）的装袋不仅可以提高美感效果，还可以起到保护以及减震的作用，防止苹果在运输的途中造成不必要的损伤。与此同时，显然能够提高果农和水果商的经济效益，而且可以提高苹果在市场上的品牌化和知名度。1.4国内外苹果装袋技术的发展状况1.4.1国内技术的发展现状当前，水果（如苹果）采摘后商品化阶段中，在不同的环节对应着不同的包装情况或需求。我国目前苹果装袋主要还是处于手工水平，一般情况下，用成品包装袋逐个将苹果进行包装。显而易见，这种类型的人工装袋方式需要投入大量的劳动力，且效率低下、成本极高。更有甚者，苹果在装袋过程中，可能因拿捏不稳等原因造成意外破损。另外，必须提到的是，人工装袋会使苹果袋口不整齐，促使外观分大打折扣。因此，苹果采摘之后、商品化过程之前，使用苹果装袋机装袋是一个必然的发展走向。而装袋机简单易学、操作便捷；满足作业需求的前提下，尽量使成本降到最低；可以很大程度上减轻工作人员或果农的体力消耗；提高劳动的生产效率；极力降低劳动中存在的危险系数等，均是果农深切期望的。中国现有可调式水果包装机、水果胶膜包装机、柑桔套袋机等，就可调式水果包装机而言，此机构主要由机架、上下筛板、供膜轮、横向封装膜、压膜轮等组成，另设有保鲜剂加入器等。该机构相对来说比较复杂，在生产过程中故障出现频繁，且不易解决。就水果胶膜包装机而言，此机构涉及屯、运果装置，分果装置以及封果装置。此机器在进行作业时，通过自控的封包果杆、启动开关、封包凸轮以及封包开关连动，果口下方设置有果管，末端设置有热封机。该结构也相对复杂，并且购买价格很高。1.4.2国外技术的发展现状据查资料得知，英国有一家公司研发了一种能够食用的水果保鲜剂，它是由蔗糖、淀粉、脂肪酸等物质配成的半透明乳液，通过浸渍、涂刷或者喷雾的方法可覆盖于苹果、香蕉、西瓜等水果的表面，形成一层密封的薄膜。由于阻止了氧气进入到水果内部，从而能够延长水果的熟化过程，进一步起到保鲜的作用。法国研制成功了一部电子保鲜机，能够使里面存放的水果新鲜如初摘长达75天。这种保鲜机是利用由高压负静电场产生的臭氧与负氧离子来实现保鲜的目的。负氧离子使酶纯化，臭氧有着强氧化剂的作用，二者完美配合，达到延长果蔬储存期的效果。1.5苹果装袋机的发展趋势一是方便小巧型。近年来，人们越来越倾向于追求水果的新鲜程度，因此大型包装的水果已经越来越被人们所抛弃，相反，小包装的水果因其便携、新鲜的特点而受到人们的青睐。二是精美高档型。人们对一件商品的包装提出了越来越高的要求，高档的包装是抢占市场的有利武器，尤其是一些高档的商场以及国际市场。三是信任透明型。透明的包装可以让顾客看到他们选择的食品是什么样的，增加了顾客对产品的了解，顾客看着放心才会吃着放心，所以大多数的顾客回去购买他们能看见的食品，进而提高了产品的购买率，提高了经济效益。四是绿色环保型。绿色环保的概念慢慢的深入人心，所有的产生活动都要考虑环保，包装袋的制作同样不会忽视这个问题，广大消费者的公德心让更多的人选择带有环保材料或者可循环材料的包装产品。综合以上因素，采用塑料发泡网对苹果进行套袋包装是当之无愧的最佳选择。塑料泡网比较灵活，可以用在大多数的水果包装中。泡沫的特性使它可以对震动中的水果起到一定的缓冲作用，保护水果免受物理伤害。此外，它重量轻，有利于水果的储运；还兼具保鲜作用、成本低的优点，更使其代替了传统的纸质包装而成为现时代包装的新趋势。目前苹果产业飞速发展、苹果产量剧增，仅仅依靠人工装袋耗时且耗力，高成本也不利于苹果商的销售和果农的经济发展，因此，研发一种新型的自动装袋装置具有无限的商机和市场价值。本次毕业设计就是通过分析装袋的过程，研发一种能够自动给苹果套袋的装置，来减小劳动力的使用；提高生产效率；减少生产成本；进而增加果农或水果经销商的经济收入。但设计的前提是针对现有装袋技术的缺陷，满足设计的需求和初衷。1.6设计的内容本次设计是以简单实用为基础，主要使用者为小庄园果农，而不是规模特别大的经销商，所以设计主要靠纯机械来实现功能，因此在设计过程中不使用自动化控制计算和实时监测以及传感器等技术。虽然设计相对简单易懂，但是实现的效果一样可以满足我们的基本需求，如不损害苹果的完整性、能够实现连续套袋、降低人力劳动、降低生产成本、提高生产效率、增加经济效益等。（1）总体设计：本次设计的主要零部件有机架、电动机、槽轮机构、凸轮机构、毛刷筒、齿轮、轴、剪刀等，工作原理主要是通过槽轮机构的简谐运动实现苹果装袋、剪袋动作，且实现苹果的连续包装，以达到预定的要求。（2）零部件设计：半自动苹果装袋机机架的设计、凸轮机构的设计、槽轮机构的设计、电动机的选用、传动轴及齿轮的设计与校核以及平带的设计等。1.6.1设计的依据（1）泡沫网的特点：泡沫网弹性比较大，可以在气缸外、套筒外设置，泡沫网具有连续，可实现苹果连续装袋。（2）理论基础：槽轮机构是一种能够实现间歇式运动的巧妙机构，配合凸轮机构，可以满足苹果装袋及剪袋的工作需求。1.6.2设计的要求为了减轻果农的劳动强度，提高水果装袋的效率，设计一款水果装袋装置，对水果进行装袋处理，防止水果在运输过程中碰撞和擦伤。（1）对象为小规模的农户，产品设计不宜过大，应该便于移动和操作，而且价格低。（2）在设计零件时，应尽可能避免不必要的焊接或刚性固定。通过采用柔性螺栓（如图1.1、1.2、1.3所示）来实现连接固定，这样更加方便部件的拆卸以及安装。（3）产品在设计过程尽量多使用标准件，这样可以大量减少成本，符合小商户的需求。（4）小型果农的知识水平与技术素质可能满足不了对一般故障的修理，所以设计尽量方便工人使用和维修。图1.1 螺钉 图1.2 螺钉-垫片 图1.3 垫片1.6.3设计的任务（1）查（借）阅资料，了解本课题设计重点、注意事项，撰写开题报告。（2）继续阅读文献，制定苹果装袋装置总体设计方案。（3）根据需求，进行结构设计，确定传动比。（4）进行轴的设计及校核。（5）进行齿轮的参数设计及校核。（6）（选材）选择合理的材料促使苹果从高处可以无损伤的落下。（7）使苹果装袋、发泡网剪断、苹果运出以及毛刷筒的转动之间相互协调，时间差值计算精确无误。（8）设计计算机械传动机构的具体运动尺寸。（9）绘制零件图、装配图，编写毕业设计说明书。（10）整理、整合资料，应备答辩。1.7小结本章节立足现实，点明了我国苹果产业的发展情况以及其中存在的问题，讨论了对苹果进行套袋包装的必要性。结合国内外现有的水果套袋技术和未来的发展趋势，对设计内容作了大致概括，依据可靠。对照设计内容，提出了一些硬性要求，又根据设计的要求，对设计任务作了详细规划。2 设计简介2.1装袋机样机通过SolidWorks2016软件进行三维建模设计的苹果装袋机样机（总装配图）如图2.1、2.2所示。图2.1 装袋机总装图（侧视图）图2.2 装袋机总装图（俯视图）2.2工作原理苹果装袋机是一种能够实现自动给苹果进行装袋，紧接着利用剪刀剪袋的机构装置。第一步，将发泡网套在安装在机架上的具有一定高度的套筒上，未经装袋的苹果由提升机构（送果机构）（如图2.3所示）运输到套筒之中。一定时间后，苹果落达套筒的底部，此时套筒外的发泡网将苹果自动套装好。与此同时，在凸轮机构运动配合下，带动固定在剪刀上的绳子从而将发泡网剪断。紧接着，苹果通过出果机构（运动链）（如图2.4所示）抵达储果斗储存，储果斗如图2.5所示，储果斗内侧具备一个向下倾斜的挡板，减小苹果到储果斗底部的高度，利于避免苹果着落时受损伤。当一个苹果装袋动作完成之后，两个毛刷筒便会转动，促使发泡网向下运动，运动距离为包装一个苹果所需发泡网的固定长度。此时第二个苹果落下、第三个苹果落下、第四个苹果落下按照上述规律，不停循环实现苹果的装袋过程。这里剪刀的运作是通过凸轮机构来实现的，毛刷筒的运动是通过平带带动来实现的。总体又利用槽轮机构的简谐式运动实现剪刀和毛刷筒的时间先后运动顺序。图2.3 送果机构图2.4 出果机构 图2.5 储果斗2.3主要零件介绍(1)槽轮机构如图2.9所示为槽轮与圆柱销的单向间歇式运动机构。它用于将主动部分的连续旋转运动转化为跟随器的单向周期旋转运动。槽轮机构具有比较高的机械效率，而且加工起来也比较方便。不过，它的行程时间不能进行调整，且旋转角度不能太小。因为槽轮在起动和停止时的冲击力和加速度都在不断增加，随着速度的增加或槽轮槽数的增加，槽轮的加速度也会随之而增大。因此，它并不适合高速的运动，而是经常用来实现位移的移动且不需要经常的来进一步调整。图2.6 圆柱销 图2.7 槽轮图2.8 拨盘如图2.10所示为槽轮机构的工作原理示意简图，它是由具有径向槽的槽轮2（如图2.7所示）、带有圆柱销A（如图2.6所示）的拨盘1（如图2.8所示）和机架组合而成的。当拨盘1作匀速度转动时，会驱使槽轮2作时转时停的间歇式运动。这里圆柱销分为以下三种位置情况：1）当拨盘1上的圆柱销A还未进入槽轮2的径向槽时，因为槽轮2的内凹锁住弧被拨盘1的外凸圆弧卡住了，所以槽轮2为静止不动状态。2）当圆柱销A开始进入槽轮2的径向槽时，即图2.9中所示情况，这时锁住弧被松开，槽轮2受圆销A的驱使会沿逆时针方向转动。3）当圆柱销A开始脱出槽轮的径向槽时，槽轮的另一内凹锁住弧又会被拨盘1的外凸圆弧再次卡住，致使槽轮2又处于静止不动状态。直到圆柱销A再次进入槽轮2的另一径向槽时，两者又重复上述的运动持续循环着。图2.9 槽轮机构 图2.10 槽轮机构原理示意图(2)凸轮机构凸轮机构（如图2.14所示）是由支架（如图2.13所示）、从动件（连杆）和凸轮（如图2.11所示）三个基本部件组成的。凸轮一般是曲线轮廓或槽形的构件，通常是作等速或往复直线运动机构的主动部分。此凸轮轮廓是一个凹槽形状，凸轮为一个活动部件，并是以恒定的速度作旋转运动。此凸轮机构的从动件是一连杆（如图2.12所示），与凸轮轮廓曲线接触进而传递动力，从而达到预期的运动效果。从动件连杆的末端加上了滚轮，目的是为了减少了从动件与凸轮之间产生的摩擦，以延长整个机构的使用寿命。凸轮机构有以下几种基本特点或属性：1）设计凸轮机构的初衷是使从动件得到更为复杂的且有规律的运动。一般情况下，从动件的运动情况依赖于凸轮的轮廓曲线形状，那么设计时必须根据从动件的运动需求进而设计、确定凸轮的轮廓曲线。在此装置中，凸轮机构的作用是控制剪刀来剪断用以套装苹果的发沫网。2）凸轮机构是通过凸轮的往复运动或者旋转运动这种运动方式来摆动或者驱动从动件的运动的。在此机构设置中，采用的是旋转运动方式。凸轮轮廓有曲线轮廓或者沟槽，其中凸轮沟槽，如圆柱凸轮、活动凸轮和盘型凸轮等。凸轮的轮廓曲线属于一条空间曲线，又称空间凸轮。从动件一般与凸轮或者线接触，从动件包括平底从动件、滚子从动件等。从动件可以和任何复杂的凸轮轮廓保持接触，并能够实现任意的运动需求，缺点是从动件尖端容易受磨损，一般适用于传动力较小的低速机构。图2.11 凸轮 图2.12 连杆图2.13 凸轮支架 图2.14 凸轮机构（3）齿轮机构在日常运用中，齿轮传动是应用最为广泛的传动机构之一。以其适用范围广、结构紧凑、传动效率高、寿命长和工作可靠等一系列优点而为人们所喜爱。当然，存在噪声震动、对安装精度要求高、成本高、对冲击敏感等也是人们应考虑的缺点、因素。齿轮机构的自身特性是将设定的主动轴的动力、运动，通过齿轮副而间接传递给从动轮，从而使从动轮得到理想情况下所要求的转向、转速和转矩。齿轮传动大体分为两轴平行和不平行两种情况，这里两轴不平行情况不作以细说。圆柱齿轮传动（两轴平行）分为直齿传动、斜齿圆柱齿轮传动和人字齿轮传动。直齿传动又进一步分为外啮合、内啮合和齿轮齿条三种。在此次齿轮机构设计中，采用的是圆柱齿轮传动（两轴间平行），且高速级采用斜齿圆柱齿轮，低速级采用直齿圆柱齿轮。在齿轮三维建模过程中，采用在零件库中输入齿数、模数等相关参数直接获取齿轮的简便方式。以下为齿轮三维建模所得图（如图2.15到2.19所示）。图2.15 齿轮1 图2.16 齿轮2图2.17 齿轮3 图2.18 齿轮4图2.19 齿轮5（4）其他相关主要零件为了完善苹果装袋装置的设计，一些辅助零件的安置必不可少，以下为相关零件的三维建模图。图2.20 带轮 图2.21 电机图2.22 底板 图2.23 基座图2.24 减速器 图2.25 剪刀图2.26 剪刀固定 图2.27 剪刀线固定图2.28 立柱 图2.29 固定座图2.30 毛刷筒底座 图2.31 防护壳图2.32 毛刷筒固定座 图2.33 套筒图2.34 轴图2.35 转向杆图2.36 毛刷筒2.4小结本章节对苹果装袋装置的整体结构作了图片说明，详细叙述了苹果装袋的流程及原理，着重指明了重要机构如槽轮机构、凸轮机构等的运作机理。另外，对整体装置的主要零部件与辅助零部件作了三维模型的介绍。3 基础数据的计算3.1电动机的选择3.1.1电动机类型和结构的选择本套袋机在主要是单班制工作，保证300天一年的工作需求，至少15年的使用寿命，运输带速度误差保持在5%。依据原始数据：输送带的牵引力为F=0.1kn，主动轴的圆周速度为V=0.20m/s，轴的直径为D=30mm。3.1.2选电动机类型依照上述条件，选择电动机为三相笼型异步电动机，采用封闭式结构，380V电压，类型取YS型。3.1.3选择电动机容量电动机所需工作功率按式： 公式(3.1) 公式(3.2) 公式(3.3)电动机到运输带的传动总效率为： 公式(3.4)式中：取=0.99（联轴器），=0.98（承轴），=0.97（齿轮传动），=0.96（主动轴）则：公式(3.5)本设计选用YS5014型号电动机，其主要参数如表3.1：表3.1 电动机性能型号额定功率/W转速/(r/min)满载电流/A效率/%功率因数()最大转矩YS501425W14000.17420.532.3该电动机的主要外型和安装尺寸如表3.2：表3.2 电动机安装尺寸中心高外形尺寸地脚安装尺寸地脚螺栓孔直径轴伸尺寸装键部位尺寸5015511012580635.892037.23.1.4确定主动轴工作转速 公式(3.6)二级圆柱齿轮减速器的传动比i=8-40，电动机的转速范围为：根据转速与容量相关情况，所选电动机属于小功率电动机，其功率为0.03kW，转速为1400r/min。3.2传动比的确定3.2.1总传动比由选定的电动机满载转速和工作机的主轴的转速n，可得传动装置的总的传动比是： 公式(3.7)3.2.2分配传动比总传动比：查机械设计课程设计指导书得：一级传动比：二级传动比：3.3计算传动装置运动3.3.1计算各轴的转速I轴II轴III轴主动轴IV轴V轴3.3.2计算各轴的输入功率I轴II轴III轴主动轴IV轴V轴3.3.3计算各轴的转距电动机输出转矩I轴II轴III轴主动轴输入转矩IV轴V轴各输出轴转矩：I轴II轴III轴主动轴输出转矩IV轴V轴3.4小结本章节对苹果装袋机动力元件电动机的类型、结构、容量作了选择，并进一步确定了主动轴的工作转速。结合计算公式和传动规律主要确定了整个传动机构的总传动比和分配传动比。依据公式详细计算了传动部分各轴的转速、输入功率以及转矩。4 传动机构的设计计算及校核4.1齿轮的设计计算及校核4.1.1减速器箱内的圆柱齿轮传动的设计计算本设计中高速级采用斜齿圆柱齿轮，低速级采用直齿圆柱齿轮。4.1.2高速斜齿圆柱齿轮的设计计算(1)确定许用应力并选择材料，采用硬齿面的相互组合。小齿轮用20CrMnTi渗碳淬火，齿面的硬度为5662HRC，小齿轮的接触强度疲劳极限是，小齿轮的弯曲强度疲劳极限为；大齿轮用20Cr渗碳淬火，齿面的硬度为5662HRC，大齿轮的接触强度疲劳极限是，大齿轮的弯曲强度疲劳极限为。查机械设计基础：安全系数为；区域系数；接触疲劳寿命系数，；弹性影响系数；许用应力 公式(4.1) 公式(4.2)许用接触应力(2)按齿轮弯曲强度设计计算齿轮按照8级精度来制造，查机械设计基础，取载荷系数为K1，齿宽系数为。小齿轮上得转矩 公式(4.3)初选螺旋角齿数取，则齿形系数： 公式(4.4)查机械设计基础得： 公式(4.5)故应对小齿轮进行弯曲强度计算。法向模数：取，；取。中心距，取a=99mm确定螺旋角 公式(4.6)齿轮分度圆直径齿宽，取(3)验算齿面接触强度 公式(4.7)(4)齿轮的圆周速度 公式(4.8)4.1.3低速直尺圆柱齿轮的设计计算(1)选择材料及确定许用应力：查阅机械设计基础得到：小齿轮采用40Cr进行调质，齿面硬度为241286HRC，接触疲劳强度极限为，弯曲强度疲劳极限为；大齿轮采用45钢进行调质，齿面硬度为217255HRC，接触疲劳强度极限为，弯曲强度疲劳极限为。取安全系数为。接触疲劳寿命系数；。接触疲劳许用应力为： 公式(4.9)(2)按齿面接触强度设计齿轮按8级精度制造，查机械设计基础，取载荷系数，齿宽系数，弹性影响系数MPa1/2小齿轮转矩 公式(4.10)圆周速度齿数取，则齿宽齿高(3)按齿根弯曲强度设计齿形系数，应力校正系数计算大小齿轮的并加以比较通过比较，大齿轮数值大。设计计算通过模型的计算结果得出，齿面接触疲劳强度计算大于齿根弯曲疲劳强度计算模数，齿轮模数m的承载能力的大小主要取决于齿轮的抗弯强度，承载力、齿面疲劳强度确定齿轮的相关直径。抗弯强度可取2.129，节圆为2.5mm的标准值模量，按照接触疲劳强度计算节圆的直径，小齿轮的齿数为：大齿轮齿数，取80。几何尺寸计算。分度圆直径中心距齿宽4.1.4执行机构直齿圆柱齿轮的设计计算(1)确定许用应力及选择相关材料，采用硬齿面的相互组合：查阅机械设计基础得到：小齿轮用20CrMnTi进行渗碳淬火，齿面硬度为5662HRC，接触疲劳强度极限为，弯曲强度疲劳极限为；大齿轮用20Cr进行渗碳淬火，齿面硬度为5662HRC，接触疲劳强度极限为，弯曲强度疲劳极限为。查阅机械设计基础取，取(2)按齿轮弯曲强度设计计算齿轮按8级精度制造。查机械设计基础，取载荷系数K1.3，齿宽系数。小齿轮上得转矩齿数取，则查机械设计基础得：，因故应对小齿轮进行弯曲强度计算。法向模数：，取。中心距齿轮分度圆直径齿宽，取4.1.5齿轮的校核因计算方式存在重复性，为避免累赘和篇幅繁琐，在齿轮校核中，仅以其中一直齿圆柱齿轮为例作详细校核，其他校核计算，这里不做一一说明。（1）按照齿面的接触疲劳强度校核根据前面的具体计算已得出：载荷系数KH=1.3，扭矩T1=1910Nmm，齿宽系数d=0.8，中心距d1=135mm，齿数比u=2，节点区域系数ZH=2.5，弹性系数ZE=189.8MPa，接触疲劳强度极限H=600MPa。端面重合度1=arccosZ1cos(Z1+2h*)，2=arccosZ2cos(Z2+2h*)，=Z1tan1-tan+Z2tan2-tan/2，ZE=(4-)3=0.8。将以上各参数代入公式得：H=2KHT1dd13u+1uZHZEZH，所以此齿轮齿面接触疲劳强度符合要求。（2）按照齿根的弯曲疲劳强度校核1）齿轮的重合度系数计算：Y=(0.25+0.75)=0.7。2）确定、计算整体公式中的相关参数值：齿形系数：YF1=2.74，YF2=2.22；应力修正系数：Ys1=1.75，Ys2=1.83。3）齿轮弯曲疲劳许用应力的计算：由前文已知，大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限为FE1=FE2=850MPa；这里取弯曲疲劳安全系数S=1.4，弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.89、KFN2=0.91。则，F1=KFN1Flim1S=0.898501.4=540.357MPa，F2=KFN2Flim2S=0.918501.4=552.500MPa，v=d1n1(60*100)=1351400601000=9.891m/s。齿宽b=80mm，齿高h=2ha*+c*m=9，齿高比bh=1359=15。4）计算实际载荷系数：动载系数Kv=1，Fr1=2T1d1=21910135=28.296N，KAFr1b100N/mm，齿间的载荷分配系数KF=1.2，KH=1.454，KF=1.45。5）载荷系数的计算：K=KAKvKFKF=1.211.21.45=2.088 公式（4.11）6）齿根弯曲应力的计算：F1=2KFT1YF1YS1Ydm3Z12F1 公式（4.12）F2=2KFT1YF2YS2Ydm3Z12c，故结果安全。4.3小结本章节对传动机构中轴和齿轮进行了具体的设计计算，其中包括高速斜齿圆柱齿轮的设计计算；低速直尺圆柱齿轮的设计计算；齿轮的校核；轴的设计计算；轴的校核等。5 部分零件的有限元分析对于一个装置，由多个部件组合、装配而成，装置整个效果、作用的表现情况就由这一个个部件来决定，部件（零件）的强度、刚度、稳定性等特性直接影响着装置的可靠性。采用有限元分析方法对零件结构进行模态分析，可验证设计的合理性，且有效地估计结构的一系列特性，以便进一步的结构优化。SolidWorks能够对具有支撑类型和简单载荷的零件静态分析，此次因水果装袋装置涉及零件繁多，所以仅对几种重要零件作以静态有限元分析。图5.1所示为轴的静应力分析结果图，从图中可以看出，轴的深色区域一般属于危险区域，容易折断，所以在受载荷、力的时候，应注意深色区域受力的大小，避免轴发生变形失效。该轴以45钢作为材料，加载了3处外载荷（一处是中部向下的力，两处是两端向上的支反力），添加接触面组后，经过运行算例和结果的比较，分析结果显示该轴刚度特性良好，设计较为合理。图5.2所示为支撑座的静应力分析结果图，选用铝合金为材料，分析结果表明该支撑座能够满足所承受压力的要求，不会发生变形、轴孔处的断裂等情况，结构良好。图5.3所示为一齿轮的静应力分析结果图，选用钢作为材料，此处选择几个齿面作为外载荷受力面，且中部受轴的作用力，结果评估显示该齿轮结构亦良好，能够满足传动的要求。图5.1 轴有限元分析图5.2 基座有限元分析图5.3 齿轮有限元分析小结本章节借用SolidWorks软件，对部分零件进行了静应力分析，并根据结果图对相应的零件作了结构分析以及失效变形、强度刚度等方面的说明和预测。6 装袋机的缺陷及改进虽然此装袋机能够实现苹果装袋的功能，而且对苹果不会产生损坏，达到了减少人力使用、提高效率、降低成本等的要求，但装袋机仍然存在不足之处。因为苹果设置了专用袋、发泡网，装袋机无法实现无限连续的苹果装袋工作。套袋机在经过一段时间的工作之后，我们必须更换发泡网。整体机构比较简单，自动化和智能化程度不是很高，输送机构中可能存在运输苹果的过程中“扎堆”的现象，需要人力来解决此过程中出现的问题，所以苹果输送机构有待进一步完善。我们可以采用更加合适的传送带，使苹果能按要求的时间距离依次进入传送带，并传送进套筒中，而且设计的传送带角度和传送带的摩擦力使苹果在传输过程中不会出现滚动的现象。在剪刀控制方面，可以设计带有光传感器，当苹果落入袋后，控制剪刀剪断发泡网；或者添加压力传感器在套筒的最下方，当检测到压力的变化后，将检测信号传给控制系统，控制系统传信号给控制剪刀的装置，然后操纵剪刀剪断发泡网，这样的机构灵敏度和精准度更高，基本不会出现没有苹果掉下来但剪刀剪断泡沫的现象，更大的提高了效率，减少发泡网的使用，减小了生产成本。但是这种设计需要更高的技术要求，对自动控制理论需要有一个全面的了解，设计难度大大提高，整个机构的造价成本也就有所提高，但当量产的时候，成本就可以控制下来了。小结一个机构或装置的设计，不可能完全的满足所有条件及要求，在某种情况下或者说从某一方面来看，总会存在缺陷和有待改进的地方。所以本章节结合现在设计的装置，详细说明了其中存在的缺陷和理想状态下有待改进之处。总结在这段毕业设计期间，为了能够达到设计装置的水准，我利用大量时间去阅读各种书籍和论文，自身的科研实力得到了一定的提升。不管是对各个零件的设计，还是对它们的校核，都感觉做起来得心用手。除了可以对零件的设计和校核，三维出图和二维出图能力也得到了一定的提高，不仅巩固了自己的CAD制图能力，而且学习了新的三维软件SolidWorks2016，从零件的制作到装配体的装配，复杂而繁琐的工作锻炼了我的意志，当然更提高了我三维建模能力，俗话说技多不压身，这对以后步入社会参加工作也提供了有效的帮助，对个人成长是及其有利的。毕竟自己的知识储备还是不够，对实际生产和机械还是认识不深，虽然最终设计了这个装袋机，但是其中也存在着一些问题，而且装置过于简单化，自动化程度不高，所以自己的知识储备还是需要继续积累的。这对我以后的工作以及学习有着很深的影响。参考文献1张吉国，胡继连，张兆新.我国果品产业的发展现状与对策J.山东农业大学学报(社会科学版），2002,4（3）：31-34.2刘李峰，武拉平，白晶晶.我国水果贸易基本特征及发展趋势分析J.中国果业信息2006(6):1-53王金政，薛晓敏.我国苹果生产现状与发展对策J.山东农业科学.2010(06)：51-55.4刘建海，李亚绒，梁平.苹果套袋研究现状与展望Jl.北方园艺.2007,(9):70-745刘军弟，霍学喜.中国苹果产业发展现状及趋势分析J.北方园艺.2012(10)：67-70.6吴纯清，程昌凤，唐晓华.水果套袋技术及其对果实品质的影响Jl西南园艺.2001(4):30.7黄钟.水果包装中的塑料发泡网套技术J.安徽新闻出版学院.2011(04)：55-59.8杨敏丽，白人朴.中国农业机械化发展的不平衡性研究J.农业机械学报，2005,36(9):60-63.9高微.苹果包装抓取搬运机械手的研究J.西北农林科技大学.2006(05)：46-49.10段洁利，陆华忠.水果采收机械的现状与发展J.广东农业科学.2012(08)：61-64.11机械设计课程设计M，高等教育出版社，王昆，何小柏，汪信远主编.1995：24-160.12机械设计(第七版）M，高等教育出版社，濮良贵，纪名刚主编，2001：10-200.13机械制图(第四版）M，高等教育出版社，刘朝儒，彭福荫，高治一编，2001：34-216.14葛晓棠.半自动苹果套袋机器人的研究D.中国农业大学.2005(08).15周亮.袋成型自动包装机控制系统的设计与研究D.武汉理工大学.2009(04). 致谢大四毕业设计就是毕设导师按照同学的实际情况给一个合适的课题，让同学们运用四年大学所学专业内容，在老师的指导和帮助下，完成一个课题的设计研究。这不仅是对同学们综合运用所学知识能力的考核，也是自己对自己的一次检验。经过此次毕业设计使我学到了很多，不仅巩固了我的专业知识，提高了CAD，Proe，SolidWorks等软件的制图和建模能力。它的重要性还在于加深了我和同组小伙伴的感情以及和导师的感情；培养了我坚持不懈、不耻下问、努力奋斗的精神。毕业设计是一个非常好的学习过程，不仅自学到了大学课本没有的新知识，也可以对所学的知识进行第二次的巩固，为即将踏入社会工作的我打下了坚实的基础。我相信通过为期几个月的毕设，我未来的工作、生活会更得心应手。这次整个毕业设计期间的研究和学习，我对苹果装袋机有了新的认识。通过这次毕业设计，我不仅了解了套袋机的原理、优点、用途等，还学会了自己设计并制图。毕业设计不仅提高了我的动手能力，也让我认识到真正的去设计一个机器的难度远远要比想象中大的多。一个完整机器的设计，整合了你大学四年所学的大部分专业课内容，不仅检验了自己四年学习的扎实程度，也巩固了所学过的知识。本次毕业设计就要结束，但我将永远记得本次设计过程中的美好时光。由于第一次把大学所学的专业课知识多方面的应用于实践中，所以此次设计还是存在一些问题的，希望老师原谅。在本次设计中，非常感激身边同学、朋友的帮助，带来的精神支持；十分感谢指导老师的耐心讲解、指导，提供方向与资料资源；感谢在校的最后时光能与你们共处，这一切将成为我宝贵的回忆。附录机械设计专家系统：设计几何的符号表示示例摘要：计算机集成制造系统开发中的一个主要问题是创建和维护一个合适的数据库，这个数据库将通过制造顺序为设计中的所有各种功能提供服务。这些功能包括设计师界面，图形输出，制造能力评估，功能评估（包括可能的有限元分析），工艺设计，工艺规划，工艺控制和质量控制。由于设计是这个设计制造范围的开始，所以在设计过程中有责任制定所需的数据结构，以允许其他功能的输入和访问。这种多用途数据库中的一个关键要素是表示设计几何的方法，该表示的一个基本要素是有关设计几何特征的信息，这些信息与序列的各个部分相关。我们正在探索“具有特征的设计”作为一种设计方法来获得所需的特征信息，并试验不同的数据结构来对所得设计进行符号表示。在本文中，我们描述了三个用作设计原语的不同类型的特征的实例，以及由它们的使用所产生的四个数据结构（在LISP中）。这些例子的领域是挤压，注塑和铸造。1 简介设计和制造的计算机集成的目标只有在数据库存在的情况下才能实现，该数据库在整个设计和制造过程中充分发挥各种功能。特别是，我们必须学会如何提供设计几何图形的符号表示，这些符号表示可以方便地访问任何关于所需设计的信息不仅为了方便设计人员，还为结构或热分析，可制造性评估，过程设计和规划以及质量控制。数据结构还应该有助于输入和修改数据库中的信息。为了方便，在本文中，我们将这种设计数据结构称为计算机集成制造（CIM）数据结构。CIM数据结构应该支持（至少）表1所示的设计和制造功能的信息需求。由于设计是设计制造序列的开始，因此设计过程的责任是创建设计几何图形的符号表示，这不仅可以用于设计过程，还可以用于其他功能。因此，开发CIM数据库的关键问题是，设计几何图形应该如何表示？目前的CAD系统基本上只根据点，线和面来创建几何描述；因此，他们不提供所需的数据库。这不是对CAD系统的指责，该领域是新的并且CAD开发人员首先做了第一件事。 自然，第一个CAD数据库仅提供图形输出。 使用CAD数据库进行某些分析的目的已经取得了进展：可以计算出某些物理特性，并且有限元分析也是可能的，尽管人类可以提供相当多的帮助。 在某些情况下，直接工艺规划也是可能的，例如生产控制机床的NC磁带。 然而，尽管取得了这些具体成就，但对数据库的性质和要求的研究和讨论太少，这些数据库将服务于整个设计-制造流程。我们认为合理的CIM数据库的基本要求是它包含有关设计几何的“高级”知识。依据“高级”知识，我们指的是比构成典型CAD数据库的点，线和面的细节更抽象的知识。例如，如果壁厚过渡的陡峭性对于可制造性（例如在注塑中是如此）是重要的，那么为了进行可制造性评估，我们需要知道何时在设计中存在厚度过渡以及角度过渡。这些知识比定义用于图形输出目的转换的点坐标知识更具领域特性，更抽象或“更高级别”。为了进一步说明，我们可以考虑关于铸箱的几个层次的知识。在最底层，有关于点，线和面的坐标信息来图形化地定义框。在更高的层面上，我们获得了有平板，二维拐角和三维拐角的信息，并且我们知道平板尺寸，拐角半径等。在更高层次上，我们知道对象是一个盒子。我们可能知道盒子的功能，例如，它将被用作船上电子设备的外壳。这里应该指出，从较低级别的信息生成更高级别的信息是多么困难。然而，如果有关该领域的适当知识可用，相反的过程是相对简单的。也就是说，考虑到对象是一个盒子的高级知识，加上其他尺寸的一些默认假设（如壁厚和角半径），可以很容易地生成任何可能需要的点或线的坐标。只知道点，线和面就知道这个物体是一个具有特定壁厚和角半径特征的盒子，这是非常困难的。在本文中，我们提出了几个使用“带特征的设计”作为设计方法的例子，该设计方法获得了设计几何的更高层次的知识，并且我们说明了可以用来表示这些知识的数据结构（在LISP中）。这些例子来自我们对人工智能在机械设计和制造中的应用的研究。（见参考文献1-6）。例子包括挤压，注塑和铸造的制造工艺。表1.设计-制造序列中的功能为设计人员提供包括图形输出的用户友好的界面制作工程图纸选择材料和制造工艺尽早地在设计过程中评估可制造性分析功能和成本，包括所需的有限元分析工艺设计，包括所需的模具或模具设计工艺规划和控制开发专家系统：对上述任何功能进行指导，控制或建议，或根据分析结果或制造能力评估进行重新设计 2 使用功能进行设计我们的研究正在探索使用功能设计作为设计方法学来开发合适的更高级CIM数据库的潜力。特征是一种几何形式或实体：1.其代表的尺寸与一个或多个CIM功能相关（见表1），2.作为原始设计师的设计者的可用性有助于设计过程。给定域需要的功能库由需要创建的数据库的需求决定。因此，各种设计和制造活动所需的信息决定了设计人员在该领域可以使用的特征。有关这些功能的信息将在设计创建时直接放入数据库中。另外，系统为常规CAD系统生成适当的命令以更新表示其自己的（低级别）同一对象。如前所述，当需要更详细的数据时，可以通过更高级别的信息轻松获得。在本文中介绍的具有特征的设计示例中，使用了三个特征级别。它们是：1.挤压示例中的微型特征2.注塑成型示例中的基本特征3.投影示例中的宏特征用于描述挤压的微观特征仅仅是挤压的壁和壁的中间部分。关于墙壁和交叉点的信息可用于获取有关挤压形状的大量信息。例如箱子，U型通道或角度支架。在接下来的四节中将更详细地讨论这些特征类型中的每一个以及用它们表示设计的数据结构。 3 示例1：代表塑性扩展的微特征如前所述，我们正在试验的代表二维塑性延伸的特征是：挤压横截面的壁坐标系的交叉点由于这些是我们正在使用的最低级功能，我们称之为微功能。要设计具有微特征的挤压，设计者必须指定以下信息：交点的位置（x，y坐标）哪些交叉点由坐标轴连接这些壁的厚度壁之间的圆角半径（如果有的话）在我们实现这个概念时，这个信息是由设计师以菜单驱动的程序交互获得的。每次交叉点或坐标系选择后，系统会提示厚度和圆角半径。这些功能会在创建后立即显示，并附有指定的名称（例如，wall2，intersection3等）。例如，见图1。随着设计的进行，它的象征性表示正在数据结构中创建。 该表示由三个主要部分组成：具有七种属性的命名设计：截面，壁，长度，最大允许偏差，最大允许应力，弹性模量和泊松比；每个命名的交叉点都拥有一个属性列表，其中包含三个属性：位置，相遇位置和圆角半径；每个命名的坐标系都有一个属性列表，其中包含两个属性：厚度和侧面。 图1.挤压示例例如，对于图1所示的挤压，设计的表示是：设计1：交点（交点1 、交点2、交点3）坐标轴（坐标轴1，坐标轴2）长度96（英寸）最大偏转0.5（英寸）最大压强25000（帕）系数340000（帕）泊松比0.38对于此挤压中的交点2，属性列表为：交点2：位置（0.5,0.5）交汇处（坐标轴1，坐标轴2）圆角-半径（坐标轴1，坐标轴2）0.02）如果两个以上的坐标系在交点相遇，则还包括附加的圆角半径。对于坐标轴1，属性列表是：坐标轴1：两侧（交点1，交点2）厚度0.2前面的表示是系统生成的整个数据结构。它允许相对简单的访问以获得关于设计的信息（例如结构或热量）和评估可制造性。这种挤压的表示是分层的。也就是说，每个功能部件必须具有可以访问的名称，并且无法为功能集合命名或操作。理论上，此种表示允许创建不像挤压一样有意义的数据结构，这是一处弱点。例如，数据结构可能由两组相互连接的墙壁和交叉点组成，这些墙壁和交叉点在任何时候都不加入（即是两个单独的挤压物）。我们也可以让两面墙互相通过，但是不会在这一点上代表一个交叉点。这种数据结构作为领域内的实际对象并不具有实际意义，可能会导致严重的问题，从而无法对制造业进行分析和评估。这种评估通常会涉及物理过程的特性，并且会受到非物理几何形状的混淆。这类似于CAD系统中试图计算仅当其不形成闭合表面时由其边缘和面所表示的对象的体积的问题。作为一个实际问题，我们可以检查以防止创建前面描述的两个错误。但是这种类型可能存在其他潜在的错误，这个问题仍然是一个理论问题。塑料挤压领域的哪些方面促成了这种数据结构的选择呢？我们决定不提供任何方式来表达挤压的真实功能（例如，它是一个窗口框架吗？）。我们的第一个目的是支持荷载，应力和偏转的结构分析。这种分析强烈依赖于对象的自身特性。这就是有限元方法对于应力分析有效的原因。我们想要在设计上生成有限元网格，并且在微观特征（即墙壁和交叉点）级别上的非分层表示对于此目的是充分的。我们的第二个目的是支持可制造性评估。塑料挤压过程对墙壁的厚度和墙壁相交处的材料流动敏感。但是，不需要大规模特征的知识。铝挤压不会出现这种情况，“半空心”（类似C的形状）会导致制造困难。因此，在开发铝型材料的特例时，需要比我们的例子更高级别的特征。为了说明微特征表示的用法，我们提出了两个相对简单的附加函数。第一个获得最厚的挤压壁; 第二个发现在挤压中交点的壁厚比最大。这个比率对于可制造性是有意义的，因为生产厚和薄部分的挤压件更困难。确定最厚壁的功能是： 对这个数据访问器函数的调用是：(thickest-wall (get designl walls).在图1的示例中，墙1的厚度为0.2，墙2的厚度为0.1，此函数返回值为0.2。 与从点和线数据库中获取关于几何图形的相同信息的难度相比，这非常简单。确定在挤压过程中任何交点处的最大壁厚比例的访问函数是： 需注意回答关于设计的任何“全局”问题需要搜索（也许是排序）所有命名的功能。 以下调用此函数进行示例中的挤压操作返回值为2.0：(max-thick:-ratio (get designl intersections).以类似于这些示例的方式，可以相对容易地访问分解和壁数据结构，以获得关于挤压的各种其他信息。已经编写了横截面积，外接圆，周长，重心和惯性矩的访问函数。我们还成功地使用了数据结构来生成有限元分析所需的信息。我们的程序自动生成一个网格并在没有设计师干预的情况下执行分析。我们目前正在努力使用所产生的应力和偏转信息来根据需要重新设计挤压件以符合规格。墙壁和交叉点的数据结构并不是特征的高层次表示，最终可能会证明这个事实是不利的。 对于可制造性可能感兴趣的某些特征可能比如果这些特征可用作基元更难提取。例如，尽管从点和线数据库中识别这些特征更加困难，但使用墙壁和断面图表示法可能无法很容易地识别模具中极长，极细的舌状物。 4 示例2：注塑成型的基本特征我们在注塑领域的工作迄今仅限于旋转对称部件。我们正在试验的功能分为三个子类别：主要特征圆盘，圆锥台，圆形碗，环形圆盘（圆锥和圆盘可以是锥形的）次要功能主要功能之间的转换辅助功能 - 附加功能，如凸台，孔或肋骨尽管这个特征集的概念起初似乎比挤压程序中使用的墙和交叉点更高，但它并没有根本的不同。注塑成型的主要特征是起到了壁面的作用，而第二个特征本质上是交叉的。再次，这是关于主要和次要特征的非分层表示。每一个都必须命名，以便作为个人访问，就像挤压示例的微观特征一样。尽管存在这种概念上的相似性，但是我们正在为两个领域尝试完全不同的数据结构。我们的注塑成型程序被称为IM-PARD 4，并且是Geomod实体建模器的前端7。使用IMPARD进行设计首先从菜单中选择任何主要基元。 然后提示设计师实例化该特征所需的尺寸。例如，在磁盘的情况下，设计者必须指定厚度和半径或直径。接下来，将展示一个菜单，使设计人员能够添加到设计中，或修改或删除已创建的设计部分。每次选择后，设计师都可以选择以图形方式查看最新设计。通过使用可用功能的“添加，修改或删除”过程，可以创建各种旋转对称部件。这个系统比直接使用实体建模器更具限制性。我们只能创建一类对注塑设计有意义的对象。任何可以在我们的系统中表现出来的东西都可以通过其可制造性进行评估。对于可以由csg系统表示的更一般对象类，情况并非如此。 图2.注塑杯的例子在一个列表中。例如，图2所示的简单旋转对称容器由一个带有凸台，圆盘锥形过渡和截头圆锥的圆盘构成，其设计表示如下：(disk1 (boss1) (disk-cone1) (cone1)请注意，每个辅助功能（例如bossl）都会显示在附带它的主要功能的列表中。在这方面，我们偏离了非等级制。我们可以将主要特征及其所有辅助功能引用并作为单个实体进行操作。但是在主要特征组中，每个辅助功能都是独立的，并且必须具有自己的名称以供参考。每个组成部分（即disk1，boss1等）都用层次记录结构来表示，该结构使用LISP的defstruct函数来定义。 举例来说，对于boss来说是这样的：（defstruct（boss）Part-ofheight Thicknessinner-diameter distance-from-center angle-from-referencex1 y1 X2 y2x3 y3x4 y4).每当设计人员将一个boss添加到disk1时，该程序就会创建一个新的特定的结构实例。第一个叫boss1，第二个boss2，依此类推。前五个插槽的值由设计人员获得的信息填充。这些包括boss相对于它所连接的主要特征的坐标的位置。程序根据主要特征的相对位置和绝对位置自动计算x和y坐标。这些坐标计算一次并存储在数据结构中以协助生成boss的绘图。以类似的方式，开发了每个功能的完整表示。访问这个数据结构以获得关于设计的任何想要的信息相对容易。LISP提供了方便的访问函数作为defstruct的一部分。例如，要获得boss1的高度，访问器函数只是：(boss-height boss1)在IMPARD中，我们访问数据的目的主要有两个：获取视觉显示所需的信息，以帮助设计人员进行设计的某些在线可制造性评估。我们还执行某些几何兼容性检查，以确保相邻的功能将根据需要进行匹配。实际上，该程序自动计算所需的配合尺寸，从而为设计人员节省了不必要的计算或决策。例如，当一个截锥被选择用于添加到一个圆锥锥体转换时，内部直径是根据数据结构中的信息自动计算的。在这一点上，我们也施加了一些限制，禁止创造显而易见的不可能的设计（即作为真实对象没有意义）。如前所述，为正在进行的设计的在线可制造性评估提供特征信息是IMPARD的一个重要方面。 在注射成型中，制造商的考虑对壁厚，圆角半径，过渡陡度和凸台尺寸等特征进行了限制。 因此，我们在描述设计的数据结构中做了这些明确的条目。 我们还明确地将每个辅助功能与它所附属的主要特征联系起来。利用这种设计表现形式，我们可以在创建设计时通过交互式流程轻松监控可制造性的某些限制。例如，为了避免产品中的下沉孔，凸台壁的厚度必须在0.05和0.375英寸之间，并且也不得大于其连接壁厚度的0.6倍。以下简单的函数访问数据结构并执行对boss的评估： 虽然我们尚未评估CIM系统所有可能需求的特征原始数据结构，但它似乎适用于多种用途。它包含有关影响可制造性的数量的明确信息，并在需要时生成详细的几何信息（例如，用于图形输出）并不困难。我们目前正在研究注塑成型的高级数据结构的功效。如果我们使用这个更高级别的结构来设计前面描述的容器，那么设计者首先从主菜单中选择“cup”或“vessel”，然后通过适当的命令来改进或专门化该类型的一般实例系统。我们将这种抽象特征称为“宏观特征”，因为这是我们的铸造设计项目中采用的方法，所以在下一节中对它们进行更详细的描述。 5 示例3：表示铸造设计的宏观的特征铸造被用作制造过程的原因之一是它可以生产非常复杂的部分。因此，铸造是测试设计方法和CIM数据结构的绝佳方法。在我们与