毕业设计（论文）-鲜莲子去芯机的设计

PAGEPAGEI论文题目鲜莲子去芯机的设计摘要莲子去芯是莲子制作过程中重要的一环，由于新鲜莲子去芯机械化设备的缺乏和人工费用的不断增加，制约着莲子产业的发展，因此设计一台全自动的新鲜莲子去芯机的设计与研究很有意义。本论文设计的鲜莲子去芯机原理上模仿人工去芯的动作和方式把机器设计成三个功能模块，分别是定向送料模块，排序换向模块和夹紧去芯模块。定向送料模块利用链传动和送料槽模实现莲子的定量送料、利用一个筛料筒对莲子的大小进行分级，利用定向机构实现莲子的定向输送。排序换向模块是利用工业相机对莲子的头部和尾部进行识别，然后控制装置根据识别的信息控制步进电机驱动排序轮对莲子进行排序。莲子经过分别掉入换向管和正向管，掉入换向管的莲子通过槽轮机构和换向轮实现换向。夹紧去芯模块是通过由曲柄、连杆、滑块的组合而成机构实现夹紧与去芯的顺序动作。本论文完成了从原理方案设计到结构设计最后到运动仿真的整个设计过程。本设计的不足在于机器的传动和整体结构较为复杂，制造成本较高，稳定性较差。如要投入生产还有进一步修改和完善。关键词：莲子去芯；结构设计；运动仿真；全套图纸加V信153893706或扣3346389411

FreshlotusseedstothecoremachinedesignAbstractLotusseedcoringisanimportantpartintheprocessoflotusseedproduction.Thelackoffreshlotusseedcoringmechanizationequipmentandtheincreasinglaborcostsrestrictthedevelopmentoflotusseedindustry.Therefore,thedesignandresearchofafullyautomaticfreshlotusseedcoringmachineisofgreatsignificance.Thefreshlotusseedcoringmachinedesignedinthispaperimitatestheactionandwayofmanualcoringinprinciple.Themachineisdesignedintothreefunctionalmodules:directionalfeedingmodule,sequencingreversingmoduleandclampingcoringmodule.Directionalfeedingmodulerealizesthequantitativefeedingoflotusseedsbychaindriveandfeedingtroughmould,classifiesthesizeoflotusseedsbyasievecylinder,andrealizesthedirectionaltransmissionoflotusseedsbydirectionalmechanism.Thesortingandreversingmoduleusesindustrialcamerastoidentifytheheadandtailoflotusseeds,andthenthecontroldevicecontrolsthestepmotortodrivethesortingwheeltosortthelotusseedsaccordingtotheidentifiedinformation.Thelotusseedfallsintothereversingtubeandtheforwardtuberespectively,andthelotusseedfallsintothereversingtuberealizesthereversingthroughthegroovewheelmechanismandthereversingwheel.Theclampingandcoringmoduleiscomposedofcrank,connectingrodandslidertorealizethesequentialactionofclampingandcoring.Thispapercompletesthewholedesignprocessfromtheprincipleschemedesigntothestructuredesignandfinallytothemotionsimulation.Theshortcomingofthisdesignisthatthetransmissionandoverallstructureofthemachinearecomplex,themanufacturingcostishighandthestabilityispoor.Ifitistobeputintoproduction,furthermodificationandimprovementareneeded.Keywords:lotusseedcoringstructuraldesignmotionsimulationPAGEPAGEIII目录TOC\o"1-2"\h\u14054第一章绪论 1261891.1课题研究背景和意义 191051.2国内外去芯去核机的研究状况 1209421.3莲子去芯的难点及解决方案 3316571.4本设计的主要内容 427730第二章鲜莲子去芯机的原理方案设计 5276112.1整体设计思路 5256352.2定向送料模块的原理方案设计 552002.3排序换向模块的原理方案设计 6326832.4夹紧去芯模块的原理方案设计 8136062.5传动系统方案设计 1011391第三章鲜莲子去芯机的结构设计 12173513.1电机的选型 12306933.2定向送料模块的结构设计 15224923.3排序换向模块的结构设计 24175233.4夹紧去芯模块的结构设计 3153563.5轴的设计及计算 3628085第四章整机的装配和运动仿真 4176594.1主要零件的三维建模 41209944.2机器的装配 45190124.3运动仿真和动画 4715327第五章总结 4820508参考文献 4912200致谢 50PAGEPAGE50第一章绪论1.1课题研究背景和意义莲子全国各地都种植有，品种很多，市场需求量大。比如江西广昌县，每年种植白莲10万亩左右，是中国白莲种植面积最广的地方。广昌的白莲，在历史上享有“贡莲”的美称。莲子一般在八九月份收获，一个莲农一天大概可以摘四袋莲蓬，采摘的莲蓬需要进行脱粒，然后剥壳去皮，用水浸泡2个小时后还要对其进行去芯，去芯之后还要烘干，工序繁琐。在农业机械化的推动下，相继出现了一系列的机器比如莲蓬采摘机，莲子脱粒机等。但是新鲜莲子去芯的过程难以实现机械化莲子去芯，所以长期以来都是手工进行：用一根铁签（见图1-1）把莲芯从尾部顶出。后来有了一种半自动的去芯机：需要人工把莲子尾部对准去芯口轻轻按压，去芯装置内部的感应器感应后，气泵运动出气，将莲芯吹出。至于全自动的鲜莲子去芯机目前应用的很少，很大程度还处于学术研究阶段。这是由于新鲜莲子的物理特性决定的。莲子的大小不一致，去壳脱皮后，莲子的尾部是球形的，头部是尖形的。而且在新鲜莲子在去芯的过程中也很容易擦伤和破损。再加上莲子芯尺寸较小，因此在通芯的过程中对精度的要求比较严格。去芯刀具稍微跑偏，就可能导致莲子去芯不完全，甚至破损，影响了莲子的口味和卖相。因此对鲜莲子去芯机进行研究和设计很有难度但也很有意义。图1-1人工去芯1.2国内外去芯去核机的研究状况江西农业大学靡旺[1]设计了一台新鲜莲子去芯机（见图1-2）。机器的去芯原理是用高速的钻头把莲心钻碎，利用气缸实现钻头的往复运动。莲子的定位原理是把莲子置于利用三个同方向旋转的滚轮中间，莲子跟随滚轮一起旋转从而实现定位。通过三个相同的弹簧使三个滚轮挤压莲子的力是一样的。这样就可以保证莲子位于三个滚轮中间，正对与去芯刀具。机器具体的工作过程为：用一个凸轮和一根控制杆控制上滚轮的抬升和复位。用另外一个凸轮和控制杆控制下滚轮的下降与复位。复位是通过复位弹簧实现的。当上滚轮抬升的时候，料斗里面的莲子通过导料槽滚入三个滚轮中间，滚轮复位莲子被定心后，高速旋转的钻头做线性往复运动实现去芯。去芯结束后，下滚轮下降莲子掉入收集装置。其中自动送料是利用槽轮实现的，槽轮每转一圈输送一颗莲子到导料槽。去芯动作的控制是通过一个凸轮和行程开关实现。并且通过三个凸轮叠在一起，利用相位差控制单个莲子进料、加紧定位、莲子去芯、排料的顺序动作。图1-2利用钻头去芯的鲜莲子去芯机江西农业大学裴圣华[2]设计一台全自动莲子通芯机(见图1-3)。机器的传动原理是电机通过带传动把动力传递到主轴上，主轴上有凸轮和锥齿轮，凸轮把动力传递给去芯刀具，锥齿轮把动力通过槽轮机构传递给送料轮盘。机器主要分为三个部分，第一个部分为送料装置，通过槽轮机构带动送料盘进行间歇运动，送轮盘上设计有四个大小槽，槽轮机构每运动一次就从料斗中掉入槽内的一颗莲子送到去芯工位实现送料。第二部分为定位装置，莲子在去芯工位的机架上设计了一个凹模，去芯刀具上也设计了一个凹模并通过弹簧连接在去芯导杆上。在凸轮的作用下刀具上的凹模与机架上的凹模相合从而夹紧莲子，然后去芯刀具才开始去芯。第三部分为去芯装置，通过凸轮机构使去芯刀具左右运动。并且把去芯刀具设计成空心刀具，一方面增加了刀具的切削能力，一方面在刀具的另一端连接有高压空气，当去芯动作结束的瞬间，高压气体把刀具内部的莲子芯吹出。图1-3利用空心刀具去芯的鲜莲子去芯机1.3莲子去芯的难点及解决方案1.3.1莲子去芯的设计难点定位困难，由于莲子和莲子芯尺寸都比较小难以实现精确的定位，若去芯的时候对心不准则会导致，去芯不完全，即影响了莲子的口味也得不到完整的莲子。夹紧困难，一方面是由于新鲜莲子比较嫩，能够承受的压力比较小，因此在夹紧莲子的过程中很难保证不会损伤莲子。另一方面是因为莲子的大小不一，外形为椭球形，夹紧之后难以保证莲子的位置精度。1.3.2现有的机器存在的问题单颗送料，单刀去芯，效率低。去芯效果不好，使用机器去芯的莲子卖相差。用高速旋转的钻头去芯，得不到完整的莲子芯。使用空心刀具容易把莲子挤裂，且刀具容易折断或者堵塞。1.3.3解决方案使用铁签为去芯刀具，并对之进行设计使之更适合机械去芯。通过设计定向送料装置，让莲子有序排列。通过设计排序装置和换向装置，使莲子以尾部对象刀具，以满足去芯机对莲子的方位要求。采用多刀去芯的方式，一次最多可以加工6个莲子，以提高去芯效率。通过曲柄滑块机构和双滑块机构进行设计实现推料、夹紧、去芯、排料的全自动过程。1.4本设计的主要内容了解鲜莲子去芯机设计的背景和意义；查阅研究这一类型机器的工作原理；分析这类机器的设计难点和已有设计的不足并提出解决方案；确定设计的主要内容；对机器进行原理方案设计；对各模块进行结构设计；基于solidworks的三维建模、装配和运动仿真；

鲜莲子去芯机的原理方案设计2.1整体设计思路本设计的整体思路是将采摘的新鲜莲藕进行清洗切块磨浆的动作和顺序。首先把莲藕清洗磨浆的动作分解成详细的几个步骤或动作，然后对莲藕清洗磨浆的每一个步骤使用机构实现的方法。莲藕清洗磨浆是这样进行的：步骤1，输送：左手从盘中拿来一颗莲子；步骤2，识别莲子的方向：是不是尾部对准刀具？（设莲子有灰斑和芽缝的一头为的头部，另一头为尾部。）如果答案为“不是”，则进行步骤3再进行步骤4，如果答案为“是”则直接进行步骤4；步骤3，换向：将莲子掉头；步骤4，夹紧去芯：左手夹紧莲子，右手用铁签从莲子的尾部把莲芯推出；步骤5，排料：用手抵住莲子仁，拔出去芯刀具，把莲仁放到盘中。本设计模仿人工去芯的几个步骤把机器设计成三个模块：定向送料装置，排序换向装置和夹紧去芯装置。下面对三个模块的原理方案进行设计。2.2定向送料模块的原理方案设计2.2.1定向送料模块的功能莲子去芯之后为椭球形，定向送料模块的作用就是让这些莲子的长轴方向一致。很多机器让莲子长轴方向一致之后就开始去芯了，而我设计的这台机器多了一个中间操作，即对莲子进行排序和换向。所以在本设计中定向送料模块的作用是让莲子的方位符合排序换向模块的需求。2.2.2定向方式的确定莲子常见的定向方式有两种：滚轮定向和凹模定向。滚轮定向即用两个或者三个滚轮带动莲子跟随滚轮一起滚动从此实现莲子的定向。在干莲子去芯机上常用这种定向方式。凹模定向即根据莲子的尺寸设计数排凹模，这个凹模只允许莲子竖直方向进入，通过筛动机构让凹模上方的莲子掉入凹模中即可实现莲子的定向。这种定向方式常见于红枣去核。本设计在莲子定向的问题上另辟蹊径，采用漏斗和弹簧管组成的定向装置定向莲子。如图2-1所示，一个圆柱形的物件落入漏斗，在重力的作用下，圆柱体物件沿着光滑的漏斗壁滑下，并进入弹簧管。通过这个简单的定向装置所有圆柱体轴向一致。考虑到莲子去壳脱皮后的形状是椭球形（见图2-2），与圆柱体相似，并且还比圆柱体更圆滑，更容易从漏斗滑到弹簧管中。但是考虑到莲子的大小不一，在对莲子进行定向前需要设计一个装置对莲子的大小进行分级。这样根据每一级莲子的大小参数设计一个专门的漏斗和弹簧管，莲子就能比较顺利地完成定向。同时考虑到会有多个莲子同时进入漏斗，如果在漏斗上增加一个震动装置同时控制莲子掉入漏斗的数量则可以避免莲子因为相互挤压产生的摩擦力导致输料不畅。图2-1定向装置图图2-2去壳脱皮后的新鲜莲子2.3排序换向模块的原理方案设计2.3.1排序换向模块的功能排序：对头部朝上的莲子和尾部朝上莲进行分类。换向：对头部朝上的莲子进行掉头。排序换向的目的是为了让莲子位置符合夹紧去芯模块正常工作的要求。2.3.2排序装置的原理对莲子进行排序的灵感来自于一个乐高GBC中一个比较有名的模块：快速小球排序模块。如图2-3所示，两种颜色不同的球从中间滑道滚下，滑道最下面有一个EV3光电传感器能够快速识别两种不同的小球，中间的横梁上挂着一个机械手，它能够根据识别结果把不同颜色的小球放到不同的左右两个滑道，从而完成对GBC小球的排序。根据莲子头部为灰色且有芽缝的特点，对莲子的头部识别的方案有两种，对这两种方案进行比较和分析如表2-1所示。表2-1排序装置方案分析方案方案1方案2颜色传感器工业相机识别的地方莲子头部的颜色莲子头部的芽缝优点成本低，容易控制控制精度高；缺点受环境的光照强度影响，识别精度不高。成本高，控制程序复杂本机器通过对莲子的头部识别从而得到莲子的位置状况信息，把此信息通过控制系统产生控制信号控制步进电机，通过排序机构与步进电机的和联合实现对莲子的排序。由于排序的速度比较快，对控制精度要求较高，综合各项因素本设计最终采用工业相机识别的方式。图2-3乐高GBC快速小球排序模块2.3.3排序装置的运动方案设计排序机构运动方案简图如图2-4所示，莲子通过定向送料机构进入排序轮2的判别孔位4，判别孔位4下面是工业相机，与莲子之间隔着一块玻璃，工业相机把图片信息传递给计算机，计算机对相机的信息进行处理控制步进电机进行相应的转动，设莲子尾部朝上为正向，若莲子处于正向则步进电机驱动排序轮逆时针旋转60度到正向孔位，莲子掉入正向管。若莲子处于反向，则步进电机顺时针转动60度到反向孔位，莲子进入换向装置进行换向。图2-4排序装置简图1.安装板2.排序轮3.正向孔位4.判别孔位5.反向孔位2.3.4换向装置的原理如图2-5所示为莲子换向的原理图，头部朝上的莲子从入口进入换向轮的换向孔，当换向轮旋转180°的时候莲子也旋转180°实现换向，换向好的莲子从出口6进入下一个操作环节。图2-5换向原理图2.3.5换向装置的运动方案设计运动形式的分析由于莲子进入换向孔需要一定的时间，因此换向装置的运动形式为间歇运动。机构的选型能实现间歇运动的机构有槽轮机构、棘轮机构、凸轮式间歇运动机构等。综合考虑各项因素选择槽轮机构最终运动方案。2.4夹紧去芯模块的原理方案设计2.4.1夹紧去芯模块的功能将管道中的莲子推送至去芯工位；夹紧莲子同时使莲子的中心对准刀尖；实现莲芯与莲肉的分离；把莲肉从去芯工位移出至收集装置。2.4.2夹紧去芯装置的运动方案设计运动形式的分析（1）去芯机构需要的运动形式：往复直线运动。实现方式：利用传动件的旋转运动转化为往复直线运动。（2）夹紧机构需要的运动形式：往复直线运动。实现方式：利用去芯的往复直线运动转化为夹紧所需要的往复直线运动。机构的选型对夹紧去芯装置进行机构选型如表2-2所示：

表2-2夹紧去芯装置机构选型机构机构选型123去芯机构A凸轮机构丝杆螺母机构曲柄滑块机构夹紧机构B移动凸轮机构双滑块机构总方案数N=3×2=6种，经过比较两个方案比较合适，对这两个表进行分析如表2-3所示：表2-3夹紧去芯装置方案分析方案方案1方案2A3+B1A3+B2原理上的差别用移动凸轮机构实现夹紧的动作用双滑块机构实现夹紧的动作优点控制精度高，可实现任意运动规律结构简单缺点制作成本高可实现的运动规律有限考虑到加工成本和设计的简便性选择方案2为最终方案。方案1的运动示意图如图2-6所示，曲柄2，连杆3，滑块4构成对心曲柄滑块机构。曲柄2的逆时针旋转推动滑块4往左移动时，固定在滑块4上的去芯刀具5、滑块1都向左移动，去芯的动作得到实现。当滑块1向左移动时，固定在滑块1上的移动凸轮6向左移动移动，在滚子7以及滑块10的导向作用下，固定在滑块10上的移动凹模向上运动，与固定在滑块9上的移动凹模也向上运动与固定凹模相合，实现莲子的夹紧动作。图2-6夹紧去芯装置运动方案11.滑块2.曲柄3.连杆4.滑块5.去芯刀具6.移动凸轮7.滚子8.移动凹模9.固定凹模10.滑块方案2的运动示意图如图2-7所示，去芯动作的实现与方案1相同。夹紧动作的实现是当滑块1向左移动时，滑块9向上运动，固定在滑块9上的移动凹模8也向上运动与固定凹模相合，实现莲子的夹紧动作。图2-7夹紧去芯装置运动方案21.滑块2.曲柄3.连杆4.滑块5.去芯刀具6.连杆7.移动凹模8.固定凹模9.滑块2.5传动系统方案设计本机器的机构运动简图如图2-8所示：本机器使用了两组同步带传动，两组链传动，两组齿轮传动，一个槽轮机构，一个对心曲柄滑块机构，一个双滑块机构。机器的工作原理为：电机1通过联轴器2连接轴5，轴5连接两个带轮即带轮3和带轮6。带轮3将把动力传递给去芯装置和换向装置，带轮6把将把动力传递给送料筛料装置。带轮6通过皮带8连接带轮7，带轮7通过轴10连接链轮9，链轮9带动链轮上的运送槽模把莲子连续的运到筛料筒16。链轮12上的动力通过轴12、齿轮13、齿轮14、轴15传递给筛料筒16，筛料筒旋转对莲子进行分级。筛料筒把莲子按大小分成三个等级，分别掉入三个漏斗，漏斗通过弹簧管与排序轮连接，配合工业相机和步进电机实现排序。带轮3通过皮带4连接带轮25，带轮25通过轴24连接齿轮23，齿轮22与23啮合，齿轮22带动曲柄轮26旋转。曲柄轮26、杆27和滑块28组成对心曲柄滑块机构把旋转运动转化为往复直线运动实现莲子的去芯动作。同时齿轮22把动力通过轴18把动力传递给链轮17，链轮17通过链条与链轮19连接，链轮19通过轴19把动力传递给槽轮21，槽轮机构把旋转运动转化为间歇运动，并通过轴20把运动传递给排序轮，从而实现排序动作。图2-8机构运动简图1.减速电机2.联轴器3.主动皮带轮4.皮带5.轴6.带轮7.从动皮带轮8.皮带9.主动链轮10.轴11.从动链轮12.轴13.主动齿轮14.从动齿轮15.轴16.筛料筒17.主动链轮18.轴19.从动链轮20.轴21.槽轮机构22.从动齿轮23.主动齿轮24.轴25.主动带轮26.曲柄轮27.连杆28.滑块29.去芯刀具

第三章鲜莲子去芯机的结构设计3.1电机的选型电动机是机器的动力装置。本设计需要用到5个电动机，一个减速电机，三个步进电机，一个普通电机。减速电机作为主要动力源用于驱动送料机构、筛料机构、换向机构、去芯机构。步进电机则配合工业相机及控制程序实现排序机构的排序。普通电机则驱动震动装置。减速电机是由减速器和电机组合而成的。相对于普通电机而言它的设计更简约，结构更紧凑，成本较低，环境适应能力强。步进电机通过脉冲信号进行驱动可以实现对运动的精确控制。3.1.1电动机功率的选择选择功率需要对负载进行计算，根据传动方案主要的负载有：送料装置的负载、筛料装置的负载，去芯装置的负载，传动系统的负载。送料装置的负载参考相类似的机器，取链轮阻力为3000N。链轮的转矩为：链传动需要的功率为：筛料装置的负载筛料装置的负载计算公式：（3-1）其中：D为滚筒半径为0.27m；n为送料筒的转速，为48r/min；为传动效率，取0.6~0.7；为筛料筒的质量；送料筒内莲子的质量。通过solidworks的质量属性功能测量得筛料筒的体积。筛料筒采用铝合金材料，密度为。则.大概估计送料筒内的莲子重量，根据式3-1代入数据得：去芯装置的负载去芯装置每次最多可以加工6个莲子，取阻力大概为1200N，则去芯轮盘的转矩为：根据传动系统的设计有两个链传动，两个齿轮传动，两个带传动，设传动系统损耗的功率为则总功率为根据计算结果选择减速电机型号和部分参数如下表所示：表3-1减速电动机的部分参数型号额定功率kW转速r/min重量kgYTC1701.110255本设计的排序换向模块需要用到三个步进电机部分参数如下表所示：表3-2步进电机的部分参数表型号步距角deg额定电流A静力距N.m重量kg103H5461.80.80.30.24本设计的定向送料模块的震动装置需要用到一个普通电机部分参数如下表所示：表3-3标准电机的部分参数型号额定功率W转速r/min静力距N.m电流ANX45AA2430000.31.93.1.2传动装置的传动比设计去芯装置生产效率为每分钟40次去芯，减速电机的转速为n=102所以去芯装置与电机之间的传动比为。去芯装置一次去芯动作能对6颗莲子进行去芯，此送料装置需要每分钟送来个莲子即可。设链轮每转一圈送到筛料机构的莲子有5个，链轮的转速为。则电机与送料机构之间的传动比。圆整后取。3.1.3传动装置的参数计算传动比的计算如图3-1所示为传动系统各轴示意图。设轴1到轴2的、轴2到轴3、轴3到轴4，轴1到轴7，轴7到轴5，轴5到轴6的传动比为：，,,,,；各轴转速转速计算公式：设轴1，轴2，轴3，轴4，轴5，轴6，轴7的转速为，，，，，，；根据传动比和电机的转速得出各轴的转速为：r/min，r/min，r/min，r/min，r/min，r/min，r/min各轴之间的效率查阅机械设计课程设计[7]表12-6得个传动和摩擦副的效率如表3-4所示：表3-4传动和摩擦副的效率种类V带传动低速齿轮传动链传动滚动轴承联轴器效率电机与轴1之间的效率轴1与轴2之间的效率轴2与轴3之间的效率轴3与轴4之间的效率轴1与轴7之间的效率轴7与轴5之间的效率轴5与轴6之间的效率各轴功率同理得：，，，，，。各轴转矩同理得：,,,,,。图3-1传动系统各轴示意图3.2定向送料模块的结构设计3.2.1送料槽模的尺寸设计送料槽模的作用限制莲子送料的速度，如果不对送料的速度进行控制，莲子就会因为去芯机构不能及时去芯而堆积在漏斗里和送料管里，使得机器无法正常运行。具体的尺寸设计根据前文，送料装置需要每分钟送料的数量为颗莲子，电机与送料装置之间的传动比。把送料槽模设计的直径设计成比1个莲子的直径略大。广昌莲肉直径为，莲肉的长度为[1]。槽模的直径应该比莲子略大，取为20mm，槽模的长度比莲子略大取24mm。另外送料槽模安装在链条上，因此它的尺寸与链条的有关，具体尺寸如图3-2所示：图3-2送料槽模主要尺寸3.2.2筛料筒的尺寸设计筛料筒的作用送料装置送来的莲子大小不一，如果莲子的直径比运输管道的孔径小太多则定向装置起不到定向的作用，若莲子的直径运输管道的孔径大，则会堵死运输管道。这两种情况都会导致莲子不能够成功运送到排序装置、换向装置以及去芯装置。筛料筒的工作原理送料装置送来的莲子在导料槽的作用下筛料筒的左侧进入，小的莲子先被筛出，大的莲子由于重力和筛料筒旋转运动向筛料筒的右侧滑动直至筛出。筛料筒的结构设计筛料筒由筛料左盘、筛料右盘、筛料管三种零部件组成。莲子从筛料左盘进入，两盘之间有34根直径为8mm圆柱杆，由于莲肉的直径尺寸在，因此把最左端的间距设计为12.3mm，最右段的间距设为18.76mm。筛料左盘和筛料右盘的具体尺寸如图3-3和图3-4所示。图3-3筛料左盘图3-4筛料右盘3.2.3漏斗的尺寸设计漏斗是定向输送装置的关键零件之一，配合弹簧管和震动装置完成莲子的定向。本机器设计了三个漏斗安装在漏斗安装板上，它们之间的间隔为160mm，三个漏斗的上部分的尺寸是根据筛料筒的尺寸大小设计的，筛料筒最大直径为306mm，因此漏斗上部分尺寸设计为300mm。下面的漏斗出口的直径是根据莲子的尺寸而设计的，分别为14mm，17mm，20mm。详细尺寸见图3-5。图3-5漏斗3.2.4同步带传动的选型此处的同步带传动主要作用是把电机的动力传递给送料装置和筛料装置。根据上文得出的数据：电机的功率，转速为，送料机构消耗的功率为，筛料装置消耗的功率为，轴1与轴2之间的传动比。则同步带传动传递的功率为：。同步带传动的传动比为，假设每天工作10个小时。确定计算功率查表3-5查得为工况系数，则计算功率。表3-5工作情况系数确定带型查图3-6得带型为H，查表3-6得.选取小带轮齿数算出大带轮齿数查表3-7得小齿轮最小的齿数为14，所以取小带轮齿数，则大带轮齿数。图3-6同步带选型图表3-6带型部分参数表带型MXLXXLXLLHXH节距2.0323.1755.0809.52512.70022.225表3-7小带轮最小齿数表小带轮转速n1(r/min)带型XLLHXHXXH<9001012142222带轮的节圆直径小带轮的节圆直径为：=大带轮的节圆直径为：带速的验算，带速合适。初定轴间间距轴间距范围：代入数据得，现在选取轴间间距为=358.86mm。同步带带长及其齿数确定=()==1064.31mm则同步带上的齿数实际节线长度实际轴间距为：选择带宽选择标准带宽为mm。计算作用在轴上的力作用在轴上的力==1846N3.2.5链传动的选型链传动的作用是实现莲子的送料，并且把动力通过齿轮传动传递给筛料装置。初始条件P=0.48kW，主动链轮转速，从动链轮转速。链轮的齿数和设计功率取小链轮齿数，大链轮齿数为。由机械设计[6]表9-6查得工况系数，由机械设计[6]图9-13得主动链轮齿数系数，单排链，则计算功率为Pca=KAKZP=1.1×1.53×0.48kW=0.81kW.链条各项参数根据，主动链轮和，查机械设计[6]图9-11，链条型号为12A.为了让送料槽模能够安装在链条上，将链条型号改为16A,查机械设计[6]表9-1得链条的节距为。由取。则相应的链长节数为：取链长节数，则最大中心距为：链速和润滑方式链速：由和链号，查机械设计[6]图9-14可知应采用油池润滑或油盘飞溅润滑。计算压轴力有效圆周力为链轮水平布置时的压轴力系数，则压轴力为图3-7送料链轮的主要尺寸参数3.2.6齿轮传动的设计初始条件此处齿轮传动连接的是送料装置和筛料装置。齿轮传递的功率为筛料装置工作所需要的功率传递的转矩为T1=9.55×106P/n1=9.55×0.12/51=22.469小齿轮的转速为；中心距根据安装空间确定为176.14mm；传动比。齿轮的一些参数选择(1)模数：考虑到此处齿轮传动传递的负载不大，模数选择为m=3；(2)齿轮类型：圆柱直齿轮；(3)精度：7级；(4)材料：都为45号钢3.变位系数的确定大、小齿轮分度圆直径，中心距，传动比公式如下：（3-2）（3-3）将，，代入公式3-2和3-3联立得：，，圆整后得：，。实际中心距啮合角 齿数和，变位系数和：中心距变动系数齿顶高降低系数由机械设计[6]图10-21b得：大齿轮的变位系数x2=-0.281,小齿轮的变位系数x1=0,总变位系数X=-0.281。4.其它尺寸参数的计算表3-9齿轮传动计算结果尺寸项目与计算公式计算结果小齿轮大齿轮分度圆直径mmmm齿顶圆直径mmmm齿根圆直径mmmm齿顶高mmmm齿根高mmmm大小齿轮的详细结构尺寸参数见图3-8和图3-9。图3-9筛料小齿轮的主要尺寸参数图3-8筛料大齿轮的主要尺寸参数5.校核为了提高校核的效率，使用齿轮校核程序对齿轮进行校核，如图3-10所示输入相关数据，然后点击计算，最后显示结果为通过，因此该设计有效。图3-10齿轮强度校核程序3.3排序换向模块的结构设计3.3.1排序换向模块整体结构设计根据第二章的原理方案设计，对排序换向模块进行整体机构设计。如图3-11所示，排序换向模块主要由排序轮5、排序轮安装板6、工业相机、步进电机10、步进电机9、换向轮11、换向轮套13、从动槽轮12、主动拨轮14、正向管15等零部件组成。莲子从漏斗1到弹簧管2，然后到排序轮5，通过工业相机10的识别和步进电机9的正反转莲子进入正向管15或者换向轮11。主动拨轮14旋转两圈，从动槽轮12旋转半圈，换向轮与从动槽轮安装在通一根轴上，也跟着旋转半圈，莲子实现换向，通过换向轮套13上的管道进入夹紧去芯模块。图3-11排序换向模块整体结构设计图1.漏斗2.漏斗安装板3.弹簧管4.震动弹簧5.排序轮6.排序轮安装板7.普通电机8.震动轮9.步进电机10.工业相机11.换向轮12.从动槽轮13.换向轮套14.主动拨轮15正向管3.3.1排序轮的尺寸设计排序排序轮一共有三个，每个排序轮上有6个相同的排序孔。三个排序轮的排序孔是根据筛料筒分级的情况设计，它们的尺寸分别为14mm，17mm，20mm。如图3-12所示为排序孔尺寸为20mm的排序轮。图3-12换向轮尺寸图3.3.2换向轮尺寸设计在莲子去芯机中换向轮总共有三个，每个换向轮的尺寸基本相同，唯一的差别就是换向孔的尺寸，分别为14mm，17mm，20mm。如图3-13所示的换向轮，换向孔的尺寸为20mm，数量为4。图3-13换向轮尺寸图3.3.3槽轮机构的尺寸设计槽轮机构由从动槽轮（图3-14a），和主动拨轮（图3-14b）组成。槽轮机构的主要尺寸设计参数有：转速，槽数Z=4，中心距L=100mm，圆柱拨销直径d=9.8mm，槽齿宽b=10mm，孔直径D=20mm，这些尺寸或参数为已知的或者是根据换向轮的尺寸和机构以及考虑到安装情况进行设定的。其余尺寸需要通过计算获得：槽轮转角拨轮圆销中心轨迹直径R1mm槽轮外径R2≈143.44mm槽轮深度锁止弧半径从动槽轮（b）主动拨轮（c）槽轮机构装配图图3-14槽轮机构3.3.4同步带传动的选型此处的同步带传动，作用是把动力传递给去芯装置和换向装置。由于此处同步带的选型与上文同步带的选型过程相同，为了避免多余的部分以及节约篇幅。因而简要列出设计过程中的关键数据和计算结果如表3-10所示：表3-10同步带传动选型过程记录表1、初始条件传动功率P=0.277kW小带轮转速=102r/min大带轮转速=75r/min传动比i=1.362、选定带型工况系数=1.5设计功率=0.4155kW带型：H齿形梯形齿选定带节距=12.7mm3、带轮的尺寸参数小带轮齿数=18大带轮齿数=24小带轮基准直径=72.77mm大带轮基准直径=97.02mm4、轴间距的确定带速=0.39m/s初定轴间距=330.27mm所需带长=927.69mm标准节线长=990.6mm实际轴间距=361.72mm节线上的齿数=785、包角、带宽小带轮包角=180带宽=38.1mm6、计算作用在轴上的力作用在轴上的力Fq=1065N带轮的详细结构尺寸参数如图3-15和图3-16所示。图3-15小带轮图3-16去芯换向大带轮3.3.6链传动的选型此处链传动的作用是把动力传递给换向装置，而换向装置消耗的功率很少，所以估计传递功率为P=0.277kW。由于此处链传动与上文链传动的选型的设计过程相同，为了避免多余的部分以及节约篇幅。因而简要列出设计过程中的关键数据和计算结果如表3-11所示：

表3-11链传动选型过程记录表1、初始条件传动功率P=0.277kW主动轴转速n1=40r/min从动轴转速n2=40r/min传动比i=12、链轮齿数及设计功率小链轮齿数z1=27大链轮齿数z2=27工况系数KA=1.1小轮齿数系数KZ=0.91设计功率Pb=0.28kW3、链条各项参数链号10A链条节距=15.875a031p链长节数=61实际链长节数Lp=60最大中心距4、莲速和润滑方式链速v=0.29m/s滴油润滑5、计算圆周力及轴上拉力有效圆周力F=955.17N作用于轴上的拉力=1208.29N

3.4夹紧去芯模块的结构设计3.4.1整体结构设计夹紧去芯模块的功能要求：送料：把移动槽模中的莲子推送到去芯工位。夹紧定位：满足去芯刀具对莲子去芯时的定心精度要求，保证去芯过程的稳定。去芯：去芯刀具能够快速刺破莲肉，能够完整的把莲芯和莲肉分离。排料：实现莲肉从槽模中移出以方便下一个莲子的去芯。该模块的整体结构设计图如图3-17所示，固定凹模8焊接在该去芯刀具安装板上1。移动滑块12、去芯刀具5与该安装板之间形成滑动连接，移动凹模安装板2与去芯刀具安装板1之间形成的是滑动连接，移动凹模9焊接在移动凹模安装板上。档钩3通过螺栓连接固定在固定凹模8上。挡块4与去芯刀具5之间形成的是滑动连接。复位弹簧6安装在去芯刀具5和挡块4之间。当去芯刀具5进行往左下方运动进行去芯动作时，在复位弹簧6的作用下挡块4相对于去芯刀具往右上方向运动，直到不能运动位置。当去芯刀具去芯完毕后，刀具往右上方向运动，莲子肉在摩擦力的作用下跟随去芯刀具一起运动，运动一定距离，在档钩3的阻挡下，挡块4停止运动，去芯刀具5继续往右上方向运动，这样就形成了一个把莲子从刀具上拔下来的效果。连杆7为曲柄滑块机构的连杆，与去芯刀具之间形成转动副。固定滑块10通过紧定螺钉固定在去芯刀具5上。固定连杆11连接着固定滑块10和移动滑块12。移动连杆13一端与移动滑块形成铰链连接另一端与移动凹模安装板2形成铰链连接。当去芯刀具往下运动的时候，移动滑块13也往下运动，通过移动连杆13把运动传递给移动凹模安装板2，使之往左运动，这样固定凹模8与移动凹模9相合实现夹紧与放松。(b)图3-17夹紧去芯装置整体结构设计图1.去芯刀具安装板2.移动凹模安装板3.档钩4.挡块5.去芯刀具6.复位弹簧7.连杆8.固定凹模9.移动凹模10.固定滑块11.固定连杆12.移动滑块13.移动连杆3.4.2去芯刀具的尺寸设计去芯刀具尺寸参数如图3-22所示，刀具共有6个刀头。参阅参考文献[2]中的统计数据，莲子的长度为，莲子芯的直径为。因此设计刀头的长度为35mm，刀尖的直径为3mm合适。另外把刀尖的形状做成凹坑形，一方面切削能力会增强，另一方面在去芯的过程中莲子芯容易进入凹坑，提高了莲子定位的容错范围。图3-18去芯装置尺寸参数3.4.3曲柄滑块机构的尺寸设计为了简化设计过程本设计采用的是对心曲柄连杆机构。对心曲柄连杆机构主要的零部件有：偏心轮、连杆、去芯刀具。设偏心轮的半径为，连杆的长度为。初始条件如图3-34所示，偏心轮的安装位置已经固定与安装板的垂直距离为d=385mm。去芯刀具的行程设为x=65mm。确定偏心轮的半径计算公式：（3-5）得。确定连杆的长度连杆的长度L是根据去芯刀具刀尖的最低位置决定的。设刀尖处于最低位置时与去芯刀具下底面的距离。已知刀尖与连杆与去芯刀具铰链中心的中心距离。计算公式为：（3-6）代入数据得L=301mm。图3-19曲柄滑块机构3.4.4连杆滑块机构的尺寸设计1.连杆滑块机构的功能与组成连杆滑块机构的作用是把去芯刀具的往复运动转化为夹紧装置的往复运动。如图3-45所示连杆滑块机构由固定滑块、固定连杆、移动滑块、移动连杆、移动凹模安装板组成。2.连杆滑块机构的各零部件的位置关系设偏心轮旋转角度为，去芯刀具下降的距离为d，去芯刀具刀尖与去芯刀具上表面的距离为，固定凹模与移动凹模之间的距离为。它们之间关系见表3-12。3.主要零部件的尺寸设计固定连杆的长度L1和移动连杆的长度L2设计要求是当各零部件之间的位置关系为图3-20所示状态时，移动连杆为水平状态，刀具距离去芯刀具安装板上表面的距离为19mm（一个莲子的长度）。通过试验的方法得L1=60.5mm，L2=47mm。表3-12夹紧去芯机构主要零部件位置关系表θd(mm)d1(mm)d2(mm)0°062.529.21112.62°43.5190180°65-2.55.2247.38°43.5190360°062.529.21(a)(b)图3-20连杆滑块机构位置A(a)(b)图3-21连杆滑块机构位置B(a)(b)图3-22连杆滑块机构位置C3.4.5齿轮传动的设计此处的齿轮传动的主要作用是去芯装置的偏心轮提供动力和转速。由于此处齿轮传动的计算过程与3.2.6齿轮传动的相同，为了避免多余的部分以及节约篇幅。因而简要列出设计过程中的关键数据和计算结果如表3-12所示：

表3-12齿轮传动设计过程记录表1、初始条件传递功率传递转矩小齿轮转速传动比中心距2、模数、压力角、材料、热处理、精度的选择与3.2.6同3、变位系数的确定小齿轮的齿数大齿轮的齿数实际中心距标准中心距小齿轮变位系数大齿轮变位系数总变位系数4、齿轮的主要尺寸参数计算结果尺寸项目小齿轮大齿轮分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿顶高齿根高齿全高3.5轴的设计及计算3.5.1装配方案轴1的作用是把电机的动力传递给两个同步小带轮。轴上装配的零件有：联轴器、滚动轴承、套筒、同步带轮。装配方案如图3-23所示。图3-23轴1上各零件的装配方案3.5.2材料的选择选用45#钢，进行调质处理。3.5.3轴1的尺寸设计确定最小轴径由第三章的计算可知轴1的工作功率，转速查阅机械设计[6]表15-3得，根据机械设计[6]公式15-1得轴的直径：因为有三个键槽所以将轴径增大15%则确定轴各段直径和长度（1）1-2轴段安装联轴器，联轴器的型号为CC-90，标准孔径为28mm，长度为37mm。所以取，。（2）2-3轴段的左侧轴肩定位联轴器，取，。（3）3-4轴段、7-8轴段安装滚动轴承，型号为深沟球轴承6007，查阅机械设计课程设计[7]表15-2得其标准尺寸为：。故取，，。（4）4-5轴段，安装两个相同大小的同步小带轮，孔径大小相等为38mm，带轮宽度为38.81mm，中间用套筒相隔，中间的套筒长度为10mm，此轴段应该略短于，所以取，。（5）5-6轴段为轴环，左侧定位带轮。根据轴径查机械设计[6]表15-2得；R=1.6,所以取h=4，轴环直径为，轴环宽度，取。图3-24轴1的基本尺寸3.5.4键的选择平键的作用对轴上的联轴器和带轮进行周向定位。平键的尺寸根据各轴段的轴径查机械设计[6]表6-1得：联轴器的平键的截面尺寸为，长度为31。带轮1和2的平键的截面尺寸为，长度分别为32和35。图3-25轴1的三维装配图3.5.5轴的校核受力分析已知两个小带轮作用在轴上的力分别为Fq1=1065N，Fq2=1846N两个滚动轴承对轴的支反力分别为：弯矩的计算扭矩的计算受力、弯矩、扭矩图画出受力、弯矩、扭矩图如图3-26所示图3-26轴1受力、弯矩、扭矩图按弯扭合成应力校核轴的强度有图3-26知，C处弯矩最大，为危险截面。已知，。根据机械设计[6]式15-5，并取，.查机械设计[6]表13-1得.<因此轴安全，校核完毕。

第四章整机的装配和运动仿真4.1主要零件的三维建模4.1.1定向送料模块的三维建模图4-1料斗图4-2送料槽模图4-3链条和送料槽模的装配图4-4导料槽图4-5筛料筒图4-6漏斗图4-7弹簧管图4-8漏斗安装板图4-9震动轮图4-10筛料小齿轮图4-11筛料大齿轮4.1.2排