水果分级机器人设计（下载送CAD图纸）

买文档附赠CAD图纸，领取加Q号197216396或11970985PAGE\*ROMANPAGE\*ROMAN水果分级机器人设计摘要关键词：分级、控制、特征参数、传感器AbstractAtpresent,mostfruitgradinginChinaisdonemanually,onlyafewofthemaremachinegrading,whichleadstolowsortingArtificialclassificationnotonlyincreasesthemiddlelinkoffruitproduction,increasesthecostoffruitproduction,butalsoisnotconducivetothemaintenanceoffreshfruitquality.Accordingtotheabovesituation,thedesignofapplegradingrobot,thesystemcannotonlyachieveautomaticgradingofappleafterharvest,butalsoimprovelaborproductivity,reducelaborintensityofworkers,andensurethefreshqualityoffruit.Thegradingrobotconsistsofsensor,feedingsystem,conveyingsystem,sortingsystem,airpump,motorandcontrolsystem.ThefeedingmechanismandtheconveyingmechanismaredrivenbytheThesensorextractsthecharacteristicparametersofapple,andthencontrolsthesortingsystemtocompletetheclassification.Applegradingrobotadoptsfull-automaticcontrol,withsimplestructureandeasyoperation.CangreatlyimproveproductionKeywords:grading，Control，sensor，characteristicparameterPAGE\*ROMANPAGE\*ROMAN目录11.1选题研究意义11.2国内外水果分级流程机械化发展概况2 1.2.12 1.2.23 1.2.331.3本论文拟研究内容4第二章苹果分级系统总体方案的拟定52.1总体结构52.2上料机构设计52.3分级分拣系统设计52.4控制系统设计62.5本章小结6第三章机械系统的设计计算73.1上料系统设计7 3.1.17 3.1.210 3.1.3123.2二级传送结构设计14 3.2.114 3.2.216 3.2.316 3.2.4163.3带传动设计18 3.3.118 3.3.219 3.3.319 3.3.4193.4分级执行分拣系统203.5本章小结20第四章控制系统的设计214.1控制系统21 4.1.1PLC21 4.1.2PLC22 4.1.3224.2传感器原理234.3控制系统流程234.4PLC254.5本章小结26第五章经济性分析275.1经济实用性分析275.2经济成本分析27买文档附赠CAD图纸，领取加Q号197216396或119709855.3本章小结27第六章结论与展望296.1结论296.2展望30致谢32参考文献32PAGEPAGE1.1选题研究意义（例如果汁、果酱、做出果酒等，减少瓜果我国作为农业大国，在国家大力倡导脱贫攻坚的今天，经济作物的生产、加工、销售是拉动农村经济发展，带动农村脱贫致富的一个重要途径。根据国家统计局公布的近十年（2010-2019年）中国水果年产总量和苹果年产量统计结果，可以得出以下结论：第一、我国水果年产量十分巨大且总产量呈现逐年递增的趋势，水果年产量从201020095.37201927400.84万吨，其中仅苹果年产量就从3164.91万吨增加到了4242.54万吨[1]。第二、尽管我国瓜果产量很大，但我国瓜果分拣工作主要还是依靠工人工完成，不仅劳动量巨大、工作繁杂，而且人工在进行分拣时易受个人主观因素影响，不同人工和分拣的标准和分拣的效率存在着较大差异。我国现在工业农业发展正处在转型期发展正处在转型期。我国苹果主要产区集中在河南、山东、安徽一代。这些产区的水果分拣方式还处在大量依赖人力工作的状态。从果树种植、水果农药喷洒、果园管理、成品采摘再到最后水果的分级、分拣、包装这一系列流程中都需要大量劳动力参与，所以这些地区在每年的采摘期都会有大量劳动力缺口。所以采用水果分级技术可以大幅度解放劳动力，提高生产效率，缩短水果从采摘到分级销售的时间，保持水果的新鲜程度，提高竞争率提高水果分拣的质量。这在当前以机械式分拣为主要分拣技术的国内，具有很高的经济和社会价值。而从宏观上来说能够改善瓜果采摘期产区的劳动力结构[2]。1.2国内外水果分级流程机械化发展概况1.2.1国外研究现状国外对于瓜果分级研究主要是欧美发达国家进行的，由于欧美国家最先完成工业化，具有时间优势。为了提高水果的经济价值，采摘的水果都要经过仔细的清洗、分级、包装后才能投放到市场进行销售。例如在美国的超市内购买水果，很少见到类似于国内一大堆水果由顾客自己挑选，都是由包装盒保鲜膜包装成一定重量的商品进行售卖。跟据这种需求，国外一些农用机械研究厂商很早就对水果品质的自动检测进行了大量的研究。而美国作为世界上最大的农产品出口国，它的水果自CCD相机采集苹PC80Rehkugler[4]Throop就提出采用黑白摄像机采集图像，然后根据水果图像灰度值缺陷对果实品质进行检测。然而，由于摄像机采集的果实图像是一果实曲面图像，图像的灰度值由中心呈递减趋势向周围扩散，再加上噪声影响，使得摄像机采集的瓜果灰度值图像受很多因素干扰，不能仅使用一种技术来进行缺陷检测，因而检测的误差较大、精确度比较低。目前主要再水果的颜色、形状、大小、含糖量几个维度进行分级。图像采集的工具是灰度摄像机及近红外线摄像机。首先对采集到的瓜果灰度图像进行了阴影校正、边缘检测等一系列技术算法处理，然后求取水果表面损伤面积（灰度和色度闲值、区域増长法0.56，建立了水果表皮颜色在数据上的表达关系[5]Mmer采用近红外技术对柚子和蜜梧的糖度进行了研究，从而实现了对水果含糖量的检测方法[6]。1.2.2国内研究现状相较于国外，我国的对于瓜果采摘后分级分拣研究起步较晚，且主要针对水果外在品质进行检测研究，而对其内部品质的研究起步更晚，有成果的研究寥寥无几。对于水果主要通过机器视觉技术测量水果尺寸[7]；通过求摄像机捕获的内切圆面积占水果图像面积的比例，利用数学工具、采用图像形态学方法确定等级；通过分析对不同水果着色等级，处理各颜色分布的分形维数特征参数，来实现水果颜色分级的研究[8]。1.2.3国内外研究进展分析从水果分级机器人被提出到现在这短短的几十年时间里，对水果分级机器人的各种研究进展迅速，各种功能日渐齐全，可靠性、安全性和稳定性也显著提升。但从总体上还看，它的研究还有很长的路要走，还有很多实际问题有待解决。尤其是其经济性是否能被瓜果产业从业者接受，从而产生经济效益，实现农用机器人研究的最终目的。国家＂十二五＂规划中，加大了对农业装备实现机械化、自动化、智能化的支持力度。目前我国制造业到了转型期，要从过去的劳动密集型，转换为技术密集型。而农业方面；农业智能化，农业装备自动化将成为我国农业转型的重点。随着我国共业发展，在数字化，智能化，大数据、5G等一些新兴技术加持下，农业装备自动化，也必将在未来的生产体系中起着至关重要的作用。在未来，随着新技术的发展研究，新技术应用到农业装备上，其自动化智能化程度将会越来越高，农业机械化、自动化和智能化相互促进发展，将把农业这一人类最古老的产业带入一个全新的阶段。1.3本论文拟研究内容控制的分级solidworks三维建模软件对机构进行整体建模，并校核强度，验证安全性。第一章为全文的绪论部分，介绍了本次毕业设计的研究背景和研究意义分析了第二章为水果分级机器人的总体机构方案设计。主要在分析了水果机器人的工PLC控制的优缺点，按照分级所PLC控制系统的设计，画出接线图和梯形图。２.１总体结构本课题的设计任务是以苹果作为分级对象。苹果外形近似圆形，果皮表面光滑，果实较坚硬，所以输送系统采用带传送驱动输送链驱动双锥滚子输送苹果。2.2上料机构设计

图2-1水果分级机器人机构简图传送部分采用二级结构，料口杂乱的苹果经过上料机构在传送过程中形成有一定间隔的整齐排列。苹果从送料口，通过第一级上料机构传送、滑落到第二级传送双锥棍子上，实现有规律间距的整齐排列。参考一般苹果实际尺寸，假设待检测苹15cm2cm计算[9]3个苹果推算，双锥滚子输送机构输送链的最大线速度为(0.15∗3+0.02∗2+0.03=0.52𝑚/𝑠 （2-1）V=0.5m/s2.3分级分拣系统设计分级系统采用气动分级，最大程度保护苹果表面品质。根据水果分级执行机构的原理和要完成的动作要求，分级装置的喷气分级单元要和双锥滚子上个体苹果位置一一对应。具体分级动作通过气泵阀门，由气泵阀门开关打开吹动苹果完成分级动作。苹果实现精准、快速、不损害品质分级的关键是气泵阀门开关要快速准确。苹果由上料系统送至传感器部分，有传感器采集苹果特征参数，经过加权评级处理，确定苹果等级，通过传动链条链接辊轮。当带有等级信息的苹果输送到卸料口时，处理器触发位置的气泵阀门开关，由气泵压缩的气体推动苹果到卸料口中，完成分级目的。为了在分级过程中最小程度的减少苹果的损伤，该机构的上料系统和传送分机系统采用清洁和干净的驱动和执行部件。尤其是在段时间内对苹果较大载荷接触的分拣动作，参考几种已有的设计方案，综合评估后选择气动分拣能最大限度的保证8000个/小时（2.2个/s，对执行机构的可靠性，使用寿命要求较高[10]。所以在保证实现分级功能的前提下降低成本，选择直流驱动，相较于交流电磁铁，其在频繁动作下工作可靠性好，动作平稳等特点。2.4控制系统设计采用PLC控制苹果分级，详见第四章。2.5本章小结本章论述了苹果分级机器人的总体设计方案，并对设计过程中遇到的问题提出可行的解决方案。机械系统采用两级输送来实现苹果自动排列和传送；传感器识别苹果的指标参数；由PLC控制气泵阀门吹动苹果完成分级。分级分拣系统中采用PLC控制。在设计之初我也遇到很多困难，例如不知道如何将苹果有规律间隔的排列，最后不能将每个苹果等级信息与分拣机构们一一对应。为了能够让苹果逐个的落入第二级传送系统的圆锥滚子上，在第一级的上料系统和第二级传送系统上增加了挡板，苹果倒入上料机构后，苹果收到后面苹果的挤压推动会顺着挡板方向，在挡板的侧压力和后方苹果的推动之下，最后排成一列，落到圆锥滚子上。为了能够让苹果有规律的逐个经过传感器，我们设计了第一级上料系统，能够让苹果按照一定的速度和间隔，有秩序的逐个通过传感器和分级区域，从而实现水果分级。第三章机械系统的设计计算3.1上料系统设计上料体统采用输送链传送苹果。链传动有以下优点；⑴链传动同时兼有带传动和啮合传动的些特点。⑵与摩擦型带传动相比,链传动不会发生弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确,传动效率稍高；链条不需要很大的张紧力，作用于轴上的压力较小；链传动还能在高温、多尘、油污等工况较为恶劣的环境下工作。⑶链传动的制造与安装精度要求较低，成本低；对工作环境要求不高；中心距大而结构轻便;作为挠性件传动具有定的缓冲和减振能力。缺点：链传动只能用于平行轴间同向回转的传动；不宜使用在高速、载荷变化很大和急速反向的传动中。由于上料系统需要的传动速度小，链传动的缺点对上料机构基本没有影响[11]。链可分为传动链、输送链和起重链。上料使用输送链输送苹果。输送链主要适用于块状，球状等体积适中，外形较为规则的物品输送，体积较小，外形不规则的物品需放在托盘上或周转箱才能使用输送链。输送链能够输送单件重量很大的物体，有较大冲击载荷承受能力。按驱动方式可分为无动力滚筒线和动力滚筒线，按布置形式可分为转弯滚筒线、倾斜输送滚筒线和水平输送滚筒线。由于苹果是一定刚性的独立小件物品，这里上料机构采用输送链结构[12]。上料系统传动带驱动输送链传送苹果。设计要求：①输送量要求：本设计的分级对象为苹果，要求输送量不小于n=8000个/h；d150mmg=300g/个；输送链速度选择：上料机构用水平式输送链，根据双锥滚子最大线速度要求，处取输送链速为：v=3m/s3.1.1上料系统输送链设计(1)输送链张力计算公式[13]：公式（3-1）中

图3-1上料机构电机传动图𝐹=+++(3-1)𝑞0―――输送链及其附件单位长度重量𝑞𝑚―――所输送物料在单位长度上的重量𝑓𝑚―――所输送物料的滑动或者滚动摩擦系数𝑓0―――链条的滑动或者滚动摩擦系数𝐹𝑓―――附加阻力表3-1不同材料链条滑动摩擦力系数表材料摩擦油润滑油的钢——钢0.330.20铸铁之间0.500.40钢——青铜——0.15钢——硬木0.350.25根据表中代入数据得：输送链张力𝐹=(0.82∗0.20+2∗0.5)1+1.1∗0.8∗0.2∗1+2=4.924kN(2)链条的计算载荷公式式子中𝐾𝑣————速度系数𝐾𝑤————工作情况系数(3)工况系数计算公式

=(3-2)=(3-3)表3-2工况系数K的取值𝐾1𝐾2𝐾3𝐾4不经常1经常 1.2稳定 1中等冲击1.2较干净和室温中1有灰尘1.2露天 1.48-10时 124时 1.2带入数据得工况系数：𝐾𝑤=1.2∗1.2∗1.2∗1=1.728带入数据得：(4)选择链条计算输送链所需功率

𝐹𝑐=4.924∗1.728∗1.01=224kN本输送链采取水平式：𝑃=1.1𝐹𝑉⁄6000=1.1∗4.924∗1800∗0.5⁄6000=2.45kW根据教材《机械设计》P177页，输送链选择16A表3-3链条16A具体参数链号节距p排距d滚子外经d1内链节内宽b1销轴直径d2内链板高度h2极限拉伸载荷𝐹𝑄16A25.4029.2915.8815.757.9424.1355.6(a代入数据得a=490mm计算小轮包角（1）由《机械设计》3𝑃式中d——轴的直径，mm；P——轴传动的功率。kW；N——轴的转速，r/min；C——由需用扭转切应力确定的叙述根据《机械设计》P203表9.4选轴的材料为45钢C=110

𝑑≥𝐶√𝑛

(3-14)根据前面计算 P=0.5412kW，n=22r/min（2）设计计算；d≥24.67mm圆整后取80mm（3）轴的结构设计根据轴的配合和使用的要求确定轴的各段直径和长度[14]。轴右端与带传动的带𝐿1=37mm𝐷1=40mm，为了保证轴端挡圈只压在小皮带轮上，且要与上料系统的机架配合，故该段的长度应比L1略长一些，现取𝐿2=20mm𝐷2=30mm（4）求轴上的载荷

图3-3上料机传动轴根据上述计算轴的受力作出轴的载荷简图。图3-4轴的载荷分析图（5）校核轴的强度在进行轴的校核时，一般只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。本设计中传动轴单向旋转，应力方式为脉动循环变应力，根据《机械设计基础》P25114.3a=0.645钢，调质处理，由《机械设计》表15-1的轴的强度校核公式：𝑀2+（𝑎𝑇2𝜎𝑐𝑎=√12

1）𝑊2

(3-15)式中W=𝜋𝑑3

𝜎𝑐𝑎=18.07Mpa计算输送链张力根据公式3-1代入数据得F=（0.82*0.2+2*0.5）*3.5+1.1*0.8*0.2*3.5+2=6.69kN链条的计算载荷根据公式3-2式子和根据公式3-3代入数据得𝐹𝑐=11.68kN选择链条计算输送链所需功率，因为采用水平式输送链𝑃=1.1𝐹𝑉⁄6000P=1.16.6910000.5⁄6000=0.6kW

(3-17)表3-4输送链参数链号节距p排距滚子外经d1内链节内宽b1销轴直径d2内链板高度h2极限拉伸载荷𝐹𝑄12A19.0522.7811.9112.575.9618.1031.3P17712A。驱动滚子所需链条根据实际需要选用𝐿𝑝=176a=3240mm。由V=0.5m/s和12A链号，查机械设计图9.16可知采用滴油润滑。图3-7双锥滚子输送链轮因为传送链只驱动双锥滚子转动，不起承载作用。链条载荷=11.68作用到双锥棍子转轴上。• 3.3带传动设计• 3.3.1带的设计确定设计功率3-7P815.7选工况系数带入数据得=1.1*0.6=3kW选取带型根据机械设计教材P71表5.2选用C型带确定带轮的基准直径。根据机械设计表5.8 选小带轮直径为𝑑𝑑1=200mm传动比i=1.2故大带轮直径𝑑𝑑2=240mm计算带轮转速根据工况需要，上料系统和分拣系统传动带带速相同即V=0.5m/s根据公式3-8带入数据得𝑛1=220r/minV带长度和中心距根据公式3-9初步确定中心距𝑎0=800根据根据公式3-10代入数据得𝐿𝑑=296mm由机械设计表5.2选V带基准长度为𝐿𝑑=1100mma根据公式代入数据得a=614mm 根据实际情况选用a=277mm计算小轮包角带入数据得𝛼=12.6°V带根数

=160°−𝑑𝑑2−𝑑𝑑1∗10.3 (3-18)𝑎5.4V带所能传递的功率为z=1计算初拉力因为传动比为1所以𝛼1=180°V带根数由机械设计表5.4查取单根V带所能传递的功率为𝑃0=0.83kW，大于0.495kW所以需要带得根数为z=1计算初拉力保持适当的初拉力是带传动正常工作的首要条件。初拉力不足会出现打滑；初拉力过大将增大轴和轴承上的压力，并降低带的寿命。单根普通V带合适的初拉力计算公式𝐹=500𝑃𝑑

20 𝑧𝑣(

)+𝑚𝑣

(3-12)式中𝑝𝑑计算功率，kW；z为V带根数；v为V带速度，m/s；𝑘𝑎为保教修正系数，取1；m为V带单位长度质量，由《机械设计基础》表13.1差得m=0.1kg/m代入数据得𝐹0=880N计算作用在轴上的压力𝐹𝑄代入数据得 𝐹𝑄=1760N

=

cos𝛽2

(3-13)带轮设计，根据V选型数据设计匹配带轮• 3.1.3上料系统传动轴设计（1）由《机械设计》3𝑃式中d——轴的直径，mm；P——轴传动的功率。kW；N——轴的转速，r/min；C——由需用扭转切应力确定的叙述根据《机械设计》P203表9.4选轴的材料为45钢C=110

𝑑≥𝐶√𝑛

(3-14)根据前面计算 P=0.5412kW，n=22r/min（2）设计计算；d≥24.67mm圆整后取80mm（3）轴的结构设计根据轴的配合和使用的要求确定轴的各段直径和长度[14]。轴右端与带传动的带𝐿1=37mm𝐷1=40mm，为了保证轴端挡圈只压在小皮带轮上，且要与上料系统的机架配合，故该段的长度应比L1略长一些，现取𝐿2=20mm𝐷2=30mm（4）求轴上的载荷

图3-3上料机传动轴根据上述计算轴的受力作出轴的载荷简图。图3-4轴的载荷分析图（5）校核轴的强度在进行轴的校核时，一般只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。本设计中传动轴单向旋转，应力方式为脉动循环变应力，根据《机械设计基础》P25114.3a=0.645钢，调质处理，由《机械设计》表15-1的轴的强度校核公式：𝑀2+（𝑎𝑇2𝜎𝑐𝑎=√12

1）𝑊2

(3-15)式中W=𝜋𝑑3

𝜎𝑐𝑎=18.07Mpa由《机械设计》查得45钢𝜎𝑐𝑎−1=60MPa。因为𝜎𝑐𝑎<【𝜎−1】故设计的轴安全• 3.2二级传送结构设计• 3.2.1双子滚子结构设计苹果经上料机构按照一定距离规律排列后输送至二级传送机构，二级机构由带传动驱动输送链，输送链驱动双锥棍子完成水果输送。对于滚子设计要参照人手工分拣时人手与苹果接触结构形式。手部抓取苹果最重要的指标之一就是双指捏合稳定性。据查的研究表明：手操作过程中的抓握稳定性主要受物体重量，指尖与物体表面之间的相对曲率和摩擦力；食指拇指抓捏物体时两个手指与物体接触点之间的距离的影响。设计的双锥滚子在滚动过程中应尽报整与苹果的接触在一个合适的范围内（接触小，摩擦力过小，无法做到转动过程中是苹果反转运输；接触过大，摩擦力就越大，可能对苹果表皮总成损伤。手指关节的姿势，肌肉力和握力根据物体的宽度具有显着变化证明了当人手举起具有不同表面曲率的物体时，表面曲率对抓握力调节的影响可忽略不计，而它却影响了防止摩擦打滑所需的最小抓握力。Goodwin[15]提出当两个指尖在握持物体时围绕垂直于握持表面的轴线承受切线扭矩时，被握持物体的表面曲率会影响握力调节，而切向扭矩会强烈影响握持稳定性所需的法向力。所抓物体表面材料的光滑性影响了提供足够的防滑安全裕度所需的抓地力响应，因此确保稳定的抓地力，人类可以将两个相加学到的物体动力学内部模型。当用精确的抓握力抓握物体时，到达和举升运动很大程度上是独立的。证明了抓握稳定性的控制要求抓握力和负载力之间的平衡要适合于接触表面的特性。如果在指间和抓握表面之间的接触的压力中心与抓握表面的中心之间存在位置可变性，则两个指尖的负载力调制将补偿位置可变性，以确保稳定的抓握。图3-5根据模拟手部抓握苹果动作模拟设计双锥滚子将苹果近似为一个均质的椭球体，经过上料系统完成规律间隔排列之后应平稳地支撑在两个相邻的圆锥滚子上，链条驱动双锥滚子旋转，从而使苹果在双锥滚子上有规律间隔规律传输。图3-6苹果与滚子的接触状态图相邻双锥滚子间距S=135mm双锥滚子承载部分直径r1=50mm• 3.2.2双子滚子输送量计算双锥滚子在单位时间内输送的苹果数量。𝑁=60𝑞𝑣 (3-16)公式中：N输送量，件/小时q输送单位长度内的件数，件/米v输送速度，m/min代入数据得：N=60*6*30=10800件/小时• 3.2.3输送链的输送速度因为双锥滚子由传动链驱动旋转，而输送链根据设计要求取值。输送速度是决定说过机器人分选速度的主要依据。所输送物品性质，装卸方法，造成的负载，分级分拣需要完成的动作等都影响输送速度。取输送链速为：v=0.5m/s• 3.2.4输送链链条设计计算输送链张力根据公式3-1代入数据得F=（0.82*0.2+2*0.5）*3.5+1.1*0.8*0.2*3.5+2=6.69kN链条的计算载荷根据公式3-2式子和根据公式3-3代入数据得𝐹𝑐=11.68kN选择链条计算输送链所需功率，因为采用水平式输送链𝑃=1.1𝐹𝑉⁄6000P=1.16.6910000.5⁄6000=0.6kW

(3-17)表3-4输送链参数链号节距p排距滚子外经d1内链节内宽b1销轴直径d2内链板高度h2极限拉伸载荷𝐹𝑄12A19.0522.7811.9112.575.9618.1031.3P17712A。驱动滚子所需链条根据实际需要选用𝐿𝑝=176a=3240mm。由V=0.5m/s和12A链号，查机械设计图9.16可知采用滴油润滑。图3-7双锥滚子输送链轮因为传送链只驱动双锥滚子转动，不起承载作用。链条载荷=11.68作用到双锥棍子转轴上。• 3.3带传动设计• 3.3.1带的设计确定设计功率3-7P815.7选工况系数带入数据得=1.1*0.6=3kW选取带型根据机械设计教材P71表5.2选用C型带确定带轮的基准直径。根据机械设计表5.8 选小带轮直径为𝑑𝑑1=200mm传动比i=1.2故大带轮直径𝑑𝑑2=240mm计算带轮转速根据工况需要，上料系统和分拣系统传动带带速相同即V=0.5m/s根据公式3-8带入数据得𝑛1=220r/minV带长度和中心距根据公式3-9初步确定中心距𝑎0=800根据根据公式3-10代入数据得𝐿𝑑=296mm由机械设计表5.2选V带基准长度为𝐿𝑑=1100mma根据公式代入数据得a=614mm 根据实际情况选用a=277mm计算小轮包角带入数据得𝛼=12.6°V带根数

=160°−𝑑𝑑2−𝑑𝑑1∗10.3 (3-18)𝑎5.4V带所能传递的功率为z=1计算初拉力由机械设计表5.5差得m=0.8kg/m根据公式3-12代入数据得𝐹0=110N计算作用在轴上的压力根据公式3-13代入数据得𝐹𝑄=220N• 3.3.2计算所需功率𝑃总=+(19)其中𝑃𝑑1V带驱动上料机构正常工作所需要的功率𝑃𝑑2V带驱动滚子运输所需要的功率代入数据得𝑃总=0.5412+0.66=6.2012kW由于传送带和链条之间都有效率损失η，电动机所需功率𝑃总𝑃=𝜂总0.99；V98带入数据得

(20)P=

=2.5kW• 3.3.3总传动比计算

0.99∗0.97∗0.99𝑖总

=𝑛𝑚𝑛滚子

(21)式中𝑛𝑚为电动机输出转速，𝑛滚子为传动轴转速代入数据得

• 3.3.4电机的选型

𝑖减速器

𝑖总=𝑖传动带

=30=251.2由以上数据，选择三相异步电动机的型号YE2100L1-42.2KW选用同步转速1500r/min，额定转速1440r/min选用转速比包括25的二级减速器。BWD1.2-23.4分级执行分拣系统苹果分级系统是靠气泵阀门开关来实现的[16]。图3-8气动式水果卸料装置工作过程：气体喷嘴正对分级卸料通道，当由富集等级参数的水果经过该等级对应的气体喷嘴时，pc控制PLC的形成脉冲信号控制气体喷嘴的阀门开关，使气体喷嘴瞬间喷气，推动苹果进入对应的等级区域。考虑到距离过近，各等级分拣执行机构的气体喷嘴产生的气流可能会互相干1178mm；838mm；第四级为达不到销售等级的废果。3.5本章小结本章主要对机械结构部分进行设计。着重介绍对非标零件双锥滚子的设计思路，设计灵感来源于人手抓握苹果动作，分析手在抓握体积大小不同的苹果时的变化情况，模拟出需要完成相同动作的双锥滚子。整体结构分为两级，按照以前学习过程中设计方法步骤然逐步的设计计算每部分结构中的零件。从设计、选型到强度验算，确定各结构的尺寸参数，完成水果分级机器人的机械结构部分。第四章控制系统的设计控制系统设计思路：传感器—PC信息处理—PLC—电磁开关4.1控制系统PLCPLCCPU、存储器、输入和输出模块、电源模块、I/O扩展接口、外设I/O接口和编程器等部分组成。PLCCPUPLCPLC的工作方式为周期性循环扫描工作。具体执行过程为CPU对用户写入或PC传输的程序作周期循环扫描，CPU会从第一条指令开始，按照先后顺序的逐条执行用户程序，直到程序结束，完成程序后又返回第一条指令，重新开始新的一轮扫描。在每次扫描过程中，PLC还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作，进行周而复始的周期循环工作。4.1.1PLC的特点（1）控制系统构成简单，通用性强PLC的最大优点之一是输入/输出功能模块齐全，能具体根据不同的输入信号(如直流或交流、开关量、数字量或模拟量、电压或电流等)，都有工业器件(如按钮、开关、传感电流变送器、电机启动器或控制阀等)和相应的模板直接连接，并通过总线与CPU主板连接进行处理。（2）抗外界干扰能力强，有很高的的可靠性。FPLC30万小时，这是一般微机控制无法做到的，PLC集成度高，再加上相应的保护电路及自诊断功能，提高了系统的可靠性（3）编程简单、使用维护方便PLCPLC时间内排除故障，维护十分方便。4.1.2PLC的选择PLCPLCCPM1A（欧姆龙公司产品、（三菱公司产品、S7-200系列产品。PLCPLC的型号（同一功能下的低价格、输出方式（根据负载PLC、I/O模块、电源模块（PLCPLC控制系统的可靠性。一般可选用失真小的电源或隔离变压器。使用直流电源时，应综合考虑全波桥式整流电源、特殊功能模块、通信组网能力等方面。PLC4.1.3梯形图的设计PLC梯形图设计注意事项：1.对需要实行的控制目的进行分析，熟悉被控制设备的工艺过程和机械设备动作。2.PLCPLC要实现的功能确定它们在梯形图中的输入输出位置。PLC（1）有关参数确定输入/输出点数（I/O点数）PLC型号的重要依据。要根据实际情况流出适当余量（I/O10％～1525％左右留出余量）（2）系统软硬件选择。扩展方式选择（Profibus-DPI/O等。PLC的联网（PLC与计算机联网、PLC相互间联网）（3）输出点类型的选用。PLC（有触点，晶体管输出和晶闸管输出（无触点PLCPLC优先使用对于不频繁通电的负载控制；而对于频繁通电的负载，为了确保其可靠性应采用无触点开关输出，选用晶体管或晶闸管输出。4.2传感器原理根据苹果分级的体积、重量表皮颜色、含糖量多个维度的分级要求，采用机器视觉技术检测苹果外部品质，对图像背景分割、苹果尺寸检测、颜色和缺陷进行特征参数提取和处理[17]；使用近红外传感器将苹果含糖量与果实反射光谱建立数学练习。使用近红外传感器将苹果含糖量与果实反射光谱建立数学联系。最后将所研究的检测方法运用在本文所研究的苹果分级设备上[18]。三个维度参数数据采集后传送PCPLC，PLC型号的CCD面阵工业相机4.3控制系统流程

图4-1MV-EM120M/C面阵相机具体分级控制流程如图所示具体分级流程叙述如下[20]：

图4-2控制流程图首先检查控制系统连线是否正常连接，相机是否与PC机连接，串口PLCPCPLC。PLC780ｍｍ为第一个分级气体喷嘴，数据寄存器的数据经处理器判断为第一级时，PLC控制第一级1.6s0.2s，将等级信息为第一级的苹果卸料2040mmPC判断为第二级时，PLC4.1s0.2s，将等级信息2960mm处为第三级气体喷嘴，数据寄存器的数据经处理器判断为第一级时，PLC控制第三季气体喷嘴电磁阀门延时5.9s通电，通电时间0.2s，将等级信息为第三级的苹果卸料到第三级区域。而不属于第一二三的苹果则经双锥滚子一直输送到末端区域，成为四级苹果。综上三级苹果和不为前三级的第四级果实完成任务的四级分拣要求。4.4PLC梯形图和端子分配图图4-3PLC端子分配图图4-4控制系统PLC梯形图4.5本章小结PLC的PLCPLC的精确控制。最后所完成的控制系统能够完成对于苹果的四级分级。再根据设计的控制系统完成梯形图。第五章经济性分析5.1经济实用性分析本文所设计的水果分级机器人主要实现农产品现代化的生产。其优点在于降低人工成本、解放劳动力、增加企业和果农收入，实现从设备研发到设备投入生产，从机械设备厂商到果农减少成本，从果商到消费者的多赢局面。同时提高水果分级精度，利于制定产业化标准。由于其机械结构简单，稳定性好，适用范围广。虽然我国农业机械设备相较于发达国家基本没有差距，但普及率，使用范围差距较大。尤其是瓜果产能一大部分集中在个体种植户手中。规模化程度较低，小农导致生产成本居高不下。目前我国农业处于改革阶段，瓜果生产趋向承包，集体化发展，机械生产有很大使用前景。5.2经济成本分析本文设计的水果机器人结构简单，大部分零部件都可购买，以下为价格表。表5-1相关零部件价格零部件型号价格（元）生产厂商电动机YE2100L1-42.2KW740甬航五金减速器BWD1.2-2360浙江边科机械制造有限公司工业相机MV-EM120M/C1500陕西维视智造有限公司气泵S3-580W528易路安PLCFX2N-4AD-TC379三菱50005年，相较于人工劳作大大节省成本。5.3本章小结本章总结分析水果分级机器人目前在国内的使用前景，以及受生产方式影响导致规模化的自动化生产规模过小的情况。并根据设局需要的零部件和非标件估算生产成本。为后续工作做好基础。第六章结论与展望6.1结论我国作为农产品生产大国，随着人民生活条件的提高，对于瓜果的农产品的需求也越来越大。我国的农产品经济作物从生产到销售的整个生产流程还大量依靠人工劳作。虽然我国在大米、小麦、玉米、大豆等农产品方面已经有比较多的机械化、自动化研究成果，也有很大的使用占比。但我国在瓜果经济作物等有较高市场价值、经济价值的农作物分拣工作还是采用人工分拣。不仅效率低、强度大、占用大量劳动力，而且由于人分拣时受主观因素影响，造成分级时没有统一标准，也降低了苹果的市场竞争力。因此本文设计的，对于苹果实现无损分级的苹果分级机器人，具有十分突出的现实意义。本设计主要进行以下工作：⑴根据苹果分级需要完成的分级要求，分别按照机械部分和电器控制部分拟定总体设计方案。仔细分析苹果分级所需要的技术动作、分级逻辑；将分级按照上料和输送分级一体化２个系统完成。确定总的设计方案。⑵根据总的设计方案，对每个方案内的各个零件进行具体设计。上料系统由传送带传送动力带动输送链运动，从而输送苹果；V带的选择、传动轴的设计、链条链轮的选型设计；为了更好的是苹果呈有规律的间隔排列，整个输送部分采用由宽到窄的设计。而输送分拣系统采用传动带传递动力，传动轴将动力传送给输送链，输送链带动双锥滚子转动，从而完成苹果的输送。为了更好的运输苹果，减少苹果损失，对双锥滚子进行配适于苹果的设计。分级系统在设计之初也考虑了其他方案，例如采用拨片推动苹果卸料，一个苹果对于一个托盘来进行分级等方案，但这些方案都有各自缺陷（拨片在快速推动苹果时，可能时苹果表皮受损；如果速度较慢的推动，分级效率就会底下。而用托盘分级的话无法完成单位时间按内的分级要求，对比之下采用气动分级最适合本次设计要求。⑶完成控制部分设计具体设计，由于要对重量，体积，表皮颜色，含糖量４个维度分成４级，所以要用到机器视觉技术，近红外摄像机，灰度摄像机，对苹果的维度参数进行技术提取，然后将数据处理计算出所属等级，将数据串口通信传输至PLC，由PLC控制电磁阀关闭、控制气路通断，气流吹动苹果。⑷将各系统完成后，验证系统可行性，对有问题的部分进行优化。6.２展望我国的瓜果分级机械与欧美国家相比还有一定差距，国内分级设备主要依赖进口，且国内没有较大的水果收购批发供应商，不能做到在行业内实现资源整合，规划发展方向，在果实分拣行业基本没有什么资金投入。主要是我国之前的发展进程还未走到全农业的高度机械化，但今非昔比，我国成为世界上工业门类最强，工业体量最大的国家，已经完成了低端产业积累，正在向高端产业转型，实现农业机械化、自动化、智能化就是重要方向之一。所以以后我国在农业机械设备方面肯定会有相当的资源（资金、人才）投入。形成良好的产业环境。目前国内的分级设备主要采用机械分级法，该方法只能分级一些果皮较为紧实的瓜果，干果。且分级维度主要根据体积，质量进行分级。鲜果在使用机械分级时比较容易损伤。虽然国内对果品自动分级的