毕业设计（论文）-基于PLC控制的木耳采摘机设计

--基于PLC控制的木耳采摘机设计摘要在当前阶段，木耳采摘存在诸多挑战。传统的人工采摘方式耗时耗力，效率低下，且容易造成采摘过程中的损伤和浪费，导致采摘效果参差不齐，木耳采摘的质量难以保证。由于木耳形态复杂，生长环境多变，人工采摘难以适应不同的采摘需求，导致采摘过程不可控制性增加，造成木耳资源的浪费和采摘成本的提高。针对以上背景，我设计了一款智能化木耳采摘机。该采摘机具有木耳搬运、木耳菌棒旋转夹紧和木耳剥离等功能。利用三维软件对木耳采摘机进行了三维建模，并完成了主要零部件的计算和二维工程图的输出。通过对PLC控制系统的设计优化，实现了智能化采摘，提高了采摘效率和质量。木耳采摘机的出现将极大地改善木耳采摘行业的现状。首先，它能够大大提高采摘效率，减少人力成本，实现自动化生产，解放劳动力。其次，采摘机的智能化设计和优化控制系统能够保证采摘的一致性和质量，减少了采摘过程中的损伤和浪费，提高了木耳产品的市场竞争力。此外，木耳采摘机的推广应用还将促进木耳产业的发展，推动农业现代化进程，为农民增加收入，促进了农村经济的繁荣和可持续发展。关键词木耳；采摘；PLC；木耳采摘机；DesignofControlSystemforAuriculariaauriculaPickingMachineBasedonPLCControlAbstractAtthecurrentstage,therearemanychallengesinAuriculariaauriculaharvesting.Thetraditionalmanualpickingmethodistime-consuming,labor-intensive,inefficient,andpronetodamageandwasteduringthepickingprocess,resultinginunevenpickingresultsanddifficultyinensuringthequalityofAuriculariaauriculapicking.DuetothecomplexmorphologyanddiversegrowthenvironmentofAuriculariaauricula,manualharvestingisdifficulttoadapttodifferentharvestingneeds,resultinginincreaseduncontrollabilityoftheharvestingprocess,wasteofAuriculariaauricularesources,andincreasedharvestingcosts.Inresponsetotheabovebackground,Ihavedesignedanintelligentearpickingmachine.Thispickingmachinehasfunctionssuchasearhandling,earmushroomrodrotationandclamping,andearpeeling.Weused3Dsoftwaretocreatea3Dmodelofthefungusharvestingmachine,andcompletedthecalculationofthemaincomponentsandtheoutputof2Dengineeringdrawings.ByoptimizingthedesignofthePLCcontrolsystem,intelligentharvestinghasbeenachieved,improvingharvestingefficiencyandquality.Theemergenceofearpickingmachineswillgreatlyimprovethecurrentsituationoftheearpickingindustry.Firstly,itcangreatlyimprovepickingefficiency,reducelaborcosts,achieveautomatedproduction,andliberatelabor.Secondly,theintelligentdesignandoptimizationcontrolsystemofthepickingmachinecanensureconsistencyandqualityofpicking,reducedamageandwasteduringthepickingprocess,andimprovethemarketcompetitivenessofAuriculariaauriculaproducts.Inaddition,thepromotionandapplicationofearpickingmachineswillalsopromotethedevelopmentoftheearindustry,promotethemodernizationofagriculture,increaseincomeforfarmers,andpromotetheprosperityandsustainabledevelopmentofruraleconomy.KeywordsAuriculariaauricula;Picking;PLC;Auriculariaauriculapickingmachine;目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII7325第1章绪论 1112351.1基于PLC控制的木耳采摘机的背景与意义 134411.1.1基于PLC控制的木耳采摘机设计研究背景 1183861.1.2基于PLC控制的木耳采摘机研究目的 251181.1.3基于PLC控制的木耳采摘机研究意义 2133771.2基于PLC控制的木耳采摘机国内外研究现状 384681.2.1国外研究现状 376661.2.2国内研究现状 463361.3研究主要内容与方法 625040第2章基于PLC控制的木耳采摘机方案设计 7289652.1基于PLC控制的木耳采摘机初始设计参数 7324542.2基于PLC控制的木耳采摘机功能性分析 7290412.3基于PLC控制的木耳采摘机方案对比 870322.4木耳采摘机机械方案简图以及工作原理 9228452.4.1木耳采摘机的方案简图绘制 9262602.4.2木耳采摘机的工作原理 10153742.5基于PLC控制的木耳采摘机控制系统方案设计 1037952.5.1木耳采摘机控制系统对比 10311962.5.2木耳采摘机控制流程图 10143102.6本章小结 1117605第3章木耳采摘机主要零部件计算 12153293.1木耳采摘机菌棒输送机构计算 12259393.1.1木耳采摘机菌棒输送电机计算 12176323.1.2木耳采摘机菌棒输送机构滚筒轴结构计算 13148473.2木耳采摘机菌棒采摘机构 17268773.2.1木耳采摘机菌棒采摘机电机计算 1750893.2.2木耳采摘机菌棒采摘机采摘刀片设计 187203.2.3木耳采摘机菌棒采摘机采摘气缸计算 19249903.3木耳采摘机平移升降机构 2048793.3.1木耳采摘机菌棒平移电机计算 20253723.3.2木耳采摘机菌棒平移电机计算 2271753.4本章小结 2211780第4章木耳采摘机控制设计 2393624.1控制系统方案设计 23214804.2PLC选用 23320844.3木耳采摘机控制系统流程图 24188114.4木耳采摘机主电路设计 24326894.5木耳采摘机硬件清单 25289904.6I/O口分配表 26295644.7PLC外部接线图 26280974.8本章小结 2810980第5章xxxxx 2989155.1木耳采摘机顺序功能图 29213635.2木耳采摘机程序设计 30176645.3木耳采摘机程序仿真 33163835.4本章小结 364670结论 3731551致谢 3825779参考文献 39绪论基于PLC控制的木耳采摘机的背景与意义基于PLC控制的木耳采摘机设计研究背景黑木耳是我国独有的珍贵食用菌种，营养价值丰富，每100克泡黑木耳蕴含约21千卡的能量，相较之下，同等重量的干黑木耳则提供大约205千卡的能量。黑木耳是一种营养丰富的食用菌，它的肉质细腻，口感脆嫩，内含对人体有益的成分，如蛋白质、脂肪、粗多糖、植物性胶质、各类维生素、膳食纤维以及丰富的矿物质等。黑木耳中的植物胶质和矿物质成分具备出色的吸附能力，能在消化系统中捕获并移除杂质，助力身体清毒素。同时，它所富含的铁质是补血良品，对于预防和治疗缺铁性贫血症大有裨益。此外，木耳中的膳食纤维有助于食物的消化吸收，促进肠胃蠕动，有效预防便秘，并可作为辅助手段帮助控制体重。木耳多糖是木耳中的重要成分，它能够增强机体的免疫功能，有助于预防心脑血管疾病，并在一定程度上抵御癌症的发生。综上所述，黑木耳不仅美味可口，还具备健康益处，是一种值得推崇的天然食材。既可食用又具药用价值，有助于减少心脏病和中风等心血管疾病的发生。这种食用菌特别适合生长在凉爽和遮的环境中，所以在中国、日本、泰国等北半球温带国家较为普遍。全球的黑木耳产业主要集中在亚洲太平洋地区，尤其是中国、日本、韩国、越南等国家。我国位于北温带，气候温和、降水充沛，是全球黑木耳的主要产地，主要分布在东北三省、河南、湖北、山东、陕西、浙江、福建和等省份。随着人们对黑木耳生活习惯的了解，我国黑木耳的生产经历了野生、原木砍花、段木接种和代料栽培四个发展阶段[1-2]。图1-1黑木耳示例基于PLC控制的木耳采摘机研究目的木耳采摘机的研究旨在解放劳动力、提高采摘效率和改善木耳采摘的质量。传统的木耳采摘过程通常需要大量的人力投入，劳动强度大且效率低下。由于木耳生长环境复杂、采摘过程细致，传统的人工采摘容易出现误伤、漏采和采摘不干净等问题，影响了木耳采摘的质量和产量。因此，研发一种能够自动完成木耳采摘任务的机械设备，成为提高木耳采摘效率、降低采摘成本以及保障采摘质量的迫切需求。图1-2菌棒木耳人工采摘可以实现对木耳采摘过程的自动化和智能化，从而减少对人力的依赖，降低劳动强度，解放劳动力，提高工作效率。木耳采摘机的引入可以大幅减少人工采摘的时间和成本，提高采摘效率，从而为木耳种植者节约成本，提高经济效益。木耳采摘机的研究还可以提高木耳采摘的质量和产量。机械化采摘可以减少人为因素对采摘质量的影响，提高采摘的准确性和一致性，减少采摘过程中的损伤和浪费，保证木耳的完整性和新鲜度。因此，研究木耳采摘机不仅可以提高木耳的采摘效率和质量，还能够促进木耳产业的健康发展，为木耳种植者和相关从业人员提供更加稳定和可持续的收入来源。基于PLC控制的木耳采摘机研究意义技术革新推动了黑木耳早期加工的自动化，但木耳成品的收获依旧依赖人工，辅以半机械化操作，这一方式效率不高且劳动力投入大。目前，人工培养的黑木耳菌棒养殖，其叶片宽广、质地紧实、生长状况佳、产量亦较高。然而，木耳成熟后必须迅速采收，这对生产者提出了挑战，因为传统的人工采既耗时又费力并增加了成本。通常需临时雇佣工人，这不仅人员难以控制，且若工人未能如期到岗，将导致采收延误，进而影响产量和经济收益。气候条件对木耳至关重要，尤其是雨季，而采收后必须立即晾干以防腐坏，由于采摘周期短，延迟采收将导致经济损失。此外，木耳采收集中，且需频繁，随着产业的扩大，目前的技术中，自动采摘设备体积庞大、结构复杂，不适合在种植区直接使用。将已成熟木耳段搬运至外部采摘再搬运回来，不仅增加了搬运工作，且在搬运过程中可能会损伤木耳，降低品质。因此，种植者迫切需要一种高效、快速的机械化采摘解决方案。采用PLC控制的黑木耳机，可以减轻工人劳动负担，降低生产成本，提高工作满意度，确保产品质量，并能实现快速、高效的机械化采收，促进可持续发展。如图1.1和图1.2为我国普遍使用的木耳采摘机的示意图和实物[3-6]。基于PLC控制的木耳采摘机国内外研究现状国外研究现状在在国际范围内，木耳自动化采摘技术已经历了早期的探索并取得了一定进展。研究表明，实施自动化采摘有利于提升木耳产业的生产效率并减少成本。在木耳采摘机的研究领域，日本处于前端地位。他们成功研制出一种结合机器视觉系统的采摘机，该设备通过图像分析算法来辨识的形状、尺寸和颜色，实现了自动化的采摘过程。这样的技术不仅提高了采摘速度，还确保了木耳的品质不受影响。韩国的研究团队则开发了一种结合机器视觉与深度学习技术的木耳采摘机。这款采摘机通过识别木耳的纹理特征来进行精准采摘。实验数据表明，这款采摘机在效率和精准度方面表现出色。在欧洲，研究人员专注于采摘机的智能化与人性化设计。他们开发出一种能自动调节采摘速度和力量的木耳采摘机，该机器能够依据木耳的大小和硬度来自动调整参数设置，有效减少了木耳在采摘过程中的破损率。在对比我国的情况时，可以观察到国际上黑木耳产业的发展步伐较为缓馒，目前尚未看到成熟的研究成果转化成木耳采摘设备。在国外的研究中，黑木耳的成分是研究的热点，但在后期的采摘环节，尤其是采摘机械的设计方面，相关的研究文献极为稀少[7].T.Burks.F设计了自动化振动式木耳采摘机，其工作原理：该采摘机利用振动装置，通过振动木耳栽培床或树干，使成熟的木耳果体从木质底部松动并掉落到收集容器中。结构组成：主要由振动装置、支撑结构、收集容器和控制系统组成。振动装置通过电机或气动装置产生振动力，支撑结构用于支撑和固定振动装置，收集容器用于接收采摘下来的木耳果体，控制系统用于控制振动频率和强度。优缺点：优点：自动化程度高，采摘效率较高，减少了人力劳动，避免了采摘过程中的损伤和浪费。缺点：可能会对木耳床或树干造成一定程度的损伤，需要精细调节振动力度以避免对植株造成影响。[8]图1-3振动式木耳采摘RonBerenstein设计了机械臂式木耳采摘机，其工作原理：该采摘机利用机械臂系统，配备夹持装置，将成熟的木耳果体夹持并收集到容器中。结构组成：主要由机械臂系统、夹持装置、运动控制系统和电源系统组成。机械臂系统负责定位和移动，夹持装置负责夹持木耳果体，运动控制系统控制机械臂的运动轨迹和速度，电源系统提供能源。优缺点：优点：精准定位、高效快速、对植株影响小，适用于不同形态的木耳栽培方式。缺点：机械臂式采摘机成本较高，需要复杂的控制系统，维护和保养成本较大。[9]图1-4机械臂木耳采摘国内研究现状中国的木耳采摘机研发始于1980年代，早期研究聚焦于机械结构的设计。通过不断优化采摘机械结构，研发出了能适应不同木耳生长环境的采摘机。目前，各种木耳的专用采摘机械结构已得到广泛开发。作为木耳采摘机的核心，采摘控制系统负责精准操控采摘过程。中国的研究者已经利用单片机、PLC控制器等成功开发出了先进的木耳采摘机控制系统。这些系统能够精确调节采摘速度和力度等关键参数，大幅提升了木耳的品质。在我国经济快速发展的背景下，农业产业正在经历转型升级。作为中国特色的农产品之一，木耳的市场需求不断上升。但是，由于传统的木耳采摘方法已无法市场的步伐，木耳采摘机械的开发前景广阔。迟庆凯创新设计了一款便携式黑木耳采摘装置。这款装置操作简便，人工即可推动。操作时，工作人员将培养好的菌棒由上方投入至装置料口，随后通过环形夹持装置对菌棒进行校正定位。启动采摘功能后，菌棒在底座驱动下开始旋转，装置内置的振荡切割刀片在机架固定下，实现对成熟黑木耳的采摘。[10]图1-5便携式黑木耳采摘装置在2020年，夏长富创新地开发了一种离心式采摘木耳的机器。该机器的核心结构包括支架、稳定的托盘、驱动电机以及一个活动的滚筒。托盘被坚固地装置在支架之上，滚筒则置于托盘边缘并具备旋转功能。驱动电机配备了一个旋转的输出轴，并且在滚筒底部安装了一个与输出轴相连的转盘。将木耳生长棒稳妥地放置后，滚筒的旋转通过高速旋转执行采摘任务。这款木耳采摘装置设计精巧，易于转移，可直接在栽培区域使用，极大地提高了采摘的效率。此外，它由电池供电，不用连接电源线。尽管如此，设备在物料排出过程中，其压料装置仍需人工操作，这限制了其完全自动化作业的实现。图1-6离心式黑木耳采摘装置李精敏创新设计了一种便携式黑木耳采摘装置，适用于地栽和吊袋两种栽培模式。该装置运用吸气风扇产生负压，借助柔韧的风道将黑木耳吸入收集容器。操作过程中，操作人员需握住柔性管道，并将管道口对准木耳的侧面。通过调整限位钢丝的长短，可以控制采摘的黑木耳的大小，实现选择性采摘较大的木耳，保留较小木耳的目的。[11-16]总体来看，我国在木耳采摘机的研发上已经取得了明显的进步，并展现出良好的发展潜力。尽管如此，木耳采摘机的研究与实际应用仍遭遇一些难题，包括机械结构的进一步优化、控制系统的可靠性提高以及自动化水平的全面提升等。鉴于此，未来工作应当加大对木耳采摘机研究与创新的力度，以我国木耳产业向现代化转型。[14-16]研究主要内容与方法研究对象：基于PLC控制的木耳采摘机设计研究内容：阐述课题背景，对国内外相关研究现状进行总结和分析；根据主要技术指标，在分析国内外研究现状基础上制定总体设计方案，并阐明方案制定依据；对PLC控制的木耳采摘机进行机械结构设计；完成PLC控制的木耳采摘机运动设计、零部件的具体结构设计；（1）针对木耳采摘机机械手进行设计；（2）针对升降机构进行设计；（3）针对平移机构进行设计；（4）针对旋转提机构进行设计；4：完成基于PLC控制的木耳采摘机三维建模，采用Solidowrks软件进行整体三维建模。5：完成总体结构设计和主要零件图（累计A0图纸不少于1张），完成论文初稿，并准备中期答辩；6：控制系统设计（硬件设计：主要元器件选型、系统电气原理图和外部接线图设计；软件设计：掌握相关软件和编写程序）；7：完成控制系统的仿真/调试。基于PLC控制的木耳采摘机方案设计基于PLC控制的木耳采摘机初始设计参数初始设计参数对于木耳采摘机的重要性不可忽视。这些参数涉及到机械结构、动力系统、传动装置等方面，直接影响着采摘机的稳定性、可靠性和效率。合理的设计参数能够确保采摘机在作业过程中具备足够的承载能力和抗干扰能力，从而保证采摘过程稳定顺畅，避免因机械结构或动力系统不足而引发的故障或损坏，提高采摘机的使用寿命和工作效率。表2-1初步参数配置菌棒直径菌棒厚度托盘转速工作效率合格率110mm0.7-1.0mm300r/min300棒/h90%基于PLC控制的木耳采摘机功能性分析木耳采摘机的功能性分析包括木耳分离、搬运和夹紧等关键功能。首先，木耳分离功能确保将木耳果体从菌棒上分离，完成采摘过程。这个功能的有效实现能够提高采摘效率，减少误伤和漏采的情况发生。其次，木耳搬运功能负责将菌棒从待采摘位置移动到采摘位置中，保证了木耳的顺利采摘流程顺利以及木耳采摘机流程行的准确。最后，木耳旋转夹紧功能用于稳固地夹持木耳菌棒，配合分离刀片，通过加紧固定，旋转切除木耳。这些功能相互配合，使得木耳采摘机能够高效、精确地完成采摘任务，提高了采摘效率，减少了人力成本，同时保证了采摘质量和木耳的完整性。图2-1离心式黑木耳采摘装置基于PLC控制的木耳采摘机方案对比本节内容针对木耳搬运功能升降机构进行方案对比：螺杆升降机构：螺杆升降机构利用螺杆与螺母之间的螺旋运动来实现升降功能。通常，螺杆作为驱动元件，通过旋转带动螺母进行升降运动。这种机构结构简单、稳定，可以承受较大的载荷。图2-1滚珠丝杠升降机构液压升降机构：液压升降机构利用液体的压力传递来实现升降功能。通常由液压缸、液压泵、液压阀等组件组成。液压升降机构具有升降速度快、精度高、可调性好等优点，适用于各种载荷和工作环境。图2-2液压升降机构齿条齿轮升降机构：齿条齿轮升降机构采用齿条与齿轮之间的啮合传动来实现升降功能。通常，电机通过齿轮带动齿条进行升降运动。这种机构具有结构简单、运行平稳、传动效率高等特点，广泛应用于工业和民用领域中的升降设备中。图2-3齿轮齿条升降机构综上所述：针对与三种升降机构，进行对比，齿轮升降机构运行过程中会存在一定的噪音，其负载力属于轻型负载力，液压升降机构是采用液压缸进行升降运动，液压缸须配有液压站，其成本价格高，安装空间大，无法满足我设计的小型木耳采摘机，而螺杆升降机构，负载力大，传动精度高，噪音小，成本低，制造方便，符合与木耳采摘机的结构特征。木耳采摘机机械方案简图以及工作原理木耳采摘机的方案简图绘制CAD绘制的方案简图对木耳采摘机的初期设计起着重要的指导作用。通过简图，可以直观地展现木耳采摘机的整体结构、各个部件的布局和连接方式，以及关键部件的功能和作用。CAD绘制的方案简图还可以作为设计方案的有效沟通工具，方便与团队成员和相关人员进行交流和讨论，促进设计方案的不断完善和优化。1.机架2.电机23.电机14.丝杠传动副15.菌棒罩6.菌棒7.出料口8.气缸29.三爪机械手10.刮刀11.气缸312.接料槽图2-4木耳采摘机整机方案简图木耳采摘机的工作原理机械手平移机构运动，机械手9运动到待采摘位置，升降电机3启动，机械手9下落，气缸8缩回，机械手夹紧菌棒，升降机构启动，机械手带动菌棒升起，平移机构运动到点为2，升降机构下降，机械手松开，木耳采摘机通过机械手9将物料袋放入采摘机机架指定位置后，电机3旋转带动丝杠传动副运动4机械夹手9上升，底部夹紧装置启动，夹紧菌棒6，电机2带动菌棒旋转，气缸11伸缩，切割刀片接触菌棒，剔除木耳，实现采摘过程，木耳清除后，电机2停止运动，气缸11缩回，卸掉菌棒完成采摘过程。基于PLC控制的木耳采摘机控制系统方案设计木耳采摘机控制系统对比1.单片机控制系统单片机控制系统具有简单、灵活、成本低等优点。由于单片机本身集成了处理器、存储器和输入输出接口等功能，能够实现复杂的控制任务，并且易于编程和调试。此外，单片机的体积小、功耗低，适用于各种场景和应用环境。然而，单片机控制系统也存在一些缺点，如处理能力有限、扩展性较差、难以进行实时控制等问题，特别是对于一些需要高性能和复杂算法的应用场合，单片机可能无法满足要求，需要考虑其他控制方案。2.PLC控制系统PLC控制系统的优点在于其稳定性高、可靠性强，适用于工业环境中的长期运行。此外，PLC系统易于维护和管理，具有较强的抗干扰能力。然而，PLC系统的成本较高，且编程和配置相对复杂，需要专业技术人员进行操作和维护。同时，PLC系统的扩展性有限，对于某些复杂的控制任务可能不够灵活。综上所述，单片机控制系统稳定性低，无法进行复杂性运算，但是其成本价格低，而PLC控制系统稳定性高、可靠性强，易于维护等优点，作为木耳采摘机的结构来说，需要一款稳定、易于维护的控制系统，所以选取PLC作为木耳采摘机的控制系统。木耳采摘机控制流程图木耳采摘机控制系统流程图是对木耳采摘机控制系统运动方案的初次拟定，是方便后期针对控制系统程序编辑的主要技术文件。图2-5控制系统流程图本章小结本章通过对木耳采摘机的初始参数指定、功能性分析、方案简图绘制、工作原理叙述，完成木耳采摘机基于PLC控制系统流程图的绘制，完成初期木耳采摘机的设计初稿工作，为后续计算、绘图、程序编辑打好基础。木耳采摘机主要零部件计算木耳采摘机输送机构是采用电机带动主动端滚筒，滚筒通过与皮带产生的摩擦力进行物料输送，输送带上有固定座，固定座具有固定刺，菌棒可以通过人工插入到输送带上，由输送带把其运送带固定位置，通过机械手夹取菌棒，放到采摘机结构中进行木耳采摘工作。木耳采摘机菌棒输送机构计算木耳采摘机菌棒输送电机计算1.已知木耳菌棒重量为3Kg,菌棒运行速度为0.5mm/s,输送带长度为1500mm,菌棒直径为110mm,可以摆放13个菌棒，其负载总质量为：（3-1）2.已知菌棒直径为110mm，计算输送带宽度，菌棒单边预留15mm：（3-2）4）计算输送带负载张力；（3-3）5）常用的输送带一般有1层、2层、3层组成，第一层由底层橡胶、钢丝绳增强结构、PVC材质组成，这是三层输送带的组成，两层输送带有橡胶材质内含钢丝绳增强结构，一层输送带结构由橡胶组成，在计算输送带的最大张力需要选取TC输送带层数常数完成最大负载张力的计算.一层常数TC取值为1.5,二层常数TC取值为3，三层TC常数取值为4.5，本次负载过轻有需要一定的刚度所以选取2层输送带作为输送带的皮带，具体计算式如下：（3-5）6）根据系数计算最大张力，系数取值为输送带的张力系数（3-6）7）计算输送带最大张力所得出的容许应力值（3-7）根据《机械设计手册》选取大于最大容许应力的皮带，查询相关皮带，选取型号为SHBLLG型号输送带，其最大容许应力为8N.mm，符合输送带最大容许应力值8）初定选取主动端滚筒，直径为48毫米的AC150-WD6行滚筒9）初定输送带中心距，由于输送带整体长度为3163mm,所以输送带中心距应小于整体长度设计，初定中心距为1500mm.10）计算输送带长度（3-8）实际中心距计算（3-9）（3-10）12）计算电动滚筒输出转速（3-11）13）计算负载扭矩（3-12）计算电机功率（3-13）查询电机手册，选取输送带功率为0.6Kw,扭矩要求28.44N.m，初定型号YE3-132M-4，电机功率为0.6Kw,扭矩为30N.m，符合输送带所需数据，满足其动力要求。木耳采摘机菌棒输送机构滚筒轴结构计算1.已知输送带转轴，其在工作工程中电机输出功率为0.6Kw,电机转速为201.6r/min,机械传动效率为：（3-19）2.在旋转过程中作用在轴上的作用力。（3-20）（3-21）（3-22）3.计算旋转滚筒轴的最小直径。选取轴的材料为Q235钢，调质处理。查询《机械设计手册》表15-3，取，于是得：（3-23）4.轴的结构设计。图3-2旋转滚筒轴结构5.针对旋转滚筒轴的工作状况进行分析，计算轴的总弯矩图：表3-3轴的总弯矩载荷水平面垂直面支反力弯矩总弯矩扭矩图3-4轴分析简图结构图6.校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力：（3-24）前已选定轴的材料为Q235钢，调质处理，查询文献表15-1查得。因此，，故安全。8.精确校核轴的疲劳强度。（1）截面IV左侧。抗弯截面系数： （3-25）抗扭截面系数： （3-26）截面IV左侧的弯矩：（3-27）截面IV上的扭矩：（3-28）截面上的弯曲应力：（3-29）截面上的扭转切应力：（3-30）轴的材料为45钢，调质处理。查询《机械设计手册》表15-1查得，，。截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按文献附表3-2查取。因，，经插值后可查得：，又由文献附图3-1可得轴的材料的敏性系数为：，故有效应力集中系数按式（附3-4）为：（3-31）（3-32）由文献附图3-2得尺寸系数；由《机械设计手册》附图3-3得扭转尺寸系数。轴按磨削加工，由《机械设计手册》附图3-4得表面质量系数为：轴未经表面强化处理，即，查询《机械设计手册》按式（3-12）及式（3-16）得综合系数为：（3-33）（3-34）又由查询《机械设计手册》得碳钢的特性系数为：φό=0.1~0.2，取φό=0.1，取于是，计算安全系数值，按《机械设计手册》（15-6）（15-8）则得：（3-35）（3-36）（3-37）故可知其安全。（2）截面IV右侧。抗弯截面系数W按文献表15-4中的公式计算：（3-38）抗扭截面系数 （3-39）弯矩M及弯曲应力为：（3-40）（3-41）扭矩及扭转切应力为：（3-42）（3-43）过盈配合处的，由《机械设计手册》附表3-8用插值法求出，并取，于是得：，（3-44）轴按磨削加工，由《机械设计手册》附图3-4得表面质量系数为：（3-45）故得综合系数为：（3-46）（3-47）所以轴在截面IV右侧的安全系数为：（3-48）（3-49）（3-50）故该轴的截面IV右侧的强度也是足够的。因无大的瞬间过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。木耳采摘机菌棒采摘机构木耳采摘机菌棒采摘机电机计算1.计算木耳采摘转盘转动惯量（3-27）2.采摘转盘角速度计算（3-28）3.采摘转盘角加速度计算（3-29）4.采摘转盘扭矩计算（3-30）5.折算电机扭矩，由于电机转速为1500r/min，最终输出转速为360r/min,所以减速机减速比为1:4.16；（3-31）6.折算电机功率（3-32）根据计算公式所得，电机选取0.1Kw伺服电机，电机输出扭矩要求2.89N·m，根据计算要求选取80ST-M01330，并配有行星齿轮减速机。木耳采摘机菌棒采摘机采摘刀片设计木耳采摘机的采摘刀片通常是一种特殊设计的刀具，用于快速而有效地收集木耳。这些刀片通常由优质的钢材制成，具有锋利的刀刃，能够轻松地切割木耳的茎部，同时保持木耳的完整性和质量。采摘刀片的设计要考虑到木耳的生长环境和特性，以确保采摘过程不会对木耳造成损伤。通常，采摘刀片会配备在采摘机的工作部件上，如转动的刀盘或刀轮上，通过机械运动实现木耳的采摘和收集，下面对木耳采摘机刀片尺寸进行设计：根据已知条件设计刀具，已知刀具长度为150mm，刀具宽度为208mm，菌棒直径为110mm，刀具通过气缸推动带动带锯旋转需要与菌棒距离5毫米，其距离通过传感器进行控制，接触式传感器随时控制刀具与菌棒之间的距离，来应对外不标准的菌棒，刀片厚度为6mm，刀具接触菌棒与菌棒距离为5mm，刀具摆动角度为14.21度，刀具槽距离刀片转轴中心为19mm，气缸行程为60mm，刀具槽口距离转轴中心为19mm，通过SW,槽口尺寸为34mm。图3-5刀片尺寸设计木耳采摘机菌棒采摘机采摘气缸计算气缸是一种将压缩空气的能量转化为机械能的装置，常用于气动系统中执行直线往复运动。气缸的基本结构包括缸筒、活塞、活塞杆和密封装置。压缩空气通过进气口进入缸筒内，推动活塞产生运动，从而驱动机械装置完成各种作业任务。气缸广泛应用于工业自动化、机械制造、运输设备和机器人等领域。图3-6气缸气缸的工作原理基于压缩空气的压力差。当压缩空气进入气缸的一侧时，活塞在气压作用下沿缸筒内壁移动，推动活塞杆进行直线运动。通过控制进排气口的开闭，压缩空气可以交替进入缸筒的两端，使活塞实现往复运动。气缸的运动方向和速度可以通过调节气压和流量进行控制，从而满足不同的工作需求。气缸具有许多优点。首先，气缸的动作迅速、反应灵敏，能够快速完成启动和停止操作，提高系统的工作效率。其次，气缸的结构简单、维护方便，不需要复杂的润滑系统，适用于各种工作环境。气缸还具有较高的安全性，因为使用的是压缩空气，避免了液压系统中可能出现的泄漏和污染问题。此外，气缸能够提供较大的推力和拉力，适应多种负载需求。计算气缸所带动负载，气缸行程为60mm，刀片重量为1.6Kg,负载重力计算（3-48）计算气缸运行速度判断安全系数（3-49）计算气缸最小直径（3-50）由上式公式转换所得（3-51）根据计算结果选取行程为60mm，气缸推杆直径为12mm的气缸，其型号为ADA20-60型气缸作为木耳采摘机的动力源。木耳采摘机平移升降机构木耳采摘机菌棒平移电机计算丝杆通过联轴器直接连接，传动比为1:1,最大移动速度为0.1m/s,根据结构设计横向移动距离为500mm，轴承座安装距离为690mm，单边预留95mm间距。（3-52）丝杠带动负载为M总（3-53）丝杠带动负载为M总（3-54）m1为平移机构质量m2为菌棒质量；无负载导向面阻力位15N。1.去路加速时：（3-55）2.去路等速时：（3-56）3.去路减速时:（3-57）4.返程加速时:（3-58）5.返程等速时：（3-59）6.返程减速时：（3-60）计算滚珠丝杠导程（3-61）丝杠直径计算（3-62）以导程为10mm为例，参考导程以及丝杠直径标准表，导程为10mm，丝杠直径为24的符合设计要求。木耳采摘机菌棒平移电机计算丝杠模组选取为步进电机作为其传动结构的主要动力输出，所以本节针对步进电机进行选型计算；导向面摩擦阻力（3-63）计算滚珠丝杠驱动扭矩（3-51）计算加速转矩（3-64）计算所需扭矩（3-65）通过计算查询电机样册，选取步进电机，其型号为雷赛57HS09步进电机满足丝杠模组扭矩要求。本章小结本章通过输送电机的计算，完成输送带的设计，并针对输送带滚筒轴进行计算校核，完成木耳采摘机机构采摘刀片的设计，完成气缸的选取，并对平移机构进行选型计算，完成本章内容书写。木耳采摘机控制设计控制系统方案设计木耳采摘机方案设计，采用西门子PLC作为控制器，系统主要输入器件有按钮、光电式检测开关、距离探针，主要执行器件有步进电动机、气缸。系统启动后，原料输送带将菌包输送到待抓取位，机械手下降抓取，将菌包搬运到木耳切取托盘，然后切取机构开始动作，使用气缸控制切刀的下压深度，用模拟量输出的距离探针实时检测距离，由此控制切刀的动作，一个菌包上的木耳切取完成后，机械手将菌包抓取、提升，移动到废弃框上方然后释放，释放完成后机械手回到原料待抓取位待命。PLC选用从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。根据功能来选大中小档的PLC，整体性的PLC对于用户来说选择余地比较小，基本输入输出点数确定了，PLC品牌确定了，PLC型号也就确定了；模块型的PLC由于提供多种扩展模块，对于用户来说就可以灵活根据输入输出点数合理搭配选择。经过整理，本系统的输入信号有12个，输出信号有10个，考虑一定的输入输出接口余量，本系统选用ST40型PLC。该款PLC从性能上和IO数量上都完全满足我们的控制需要。4-1ST40PLC控制模块木耳采摘机控制系统流程图4-2木耳采摘机控制系统流程图木耳采摘机主电路设计通过对控制系统的组成进行分析，本系统主回路主要控制：左右平移电机，垂直方向的升降电机，输送带电机，托盘电机。以上电机的控制见下图：4-3主电路图14-4主电路图2木耳采摘机硬件清单根据木耳采摘机控制电路功能所需求电气元件硬件，进行整理输出硬件清单：4-1表硬件清单硬件清单序号名称型号数量备注1主断路器iC65N-3P32A12断路器iC65N-3P10A13断路器iC65N-1P10A14断路器iC65N-DC1P6A45工业电源NDR-240-2416步进驱动器DM542J37伺服/步进控制板DSC-1E38中继RXM2LB2BD24VDC+底座59PLC200SMARTST40110模拟量模块AE04111接触器LC1D09BLC112启动按钮XB2BA31C113停止按钮XB2BA42C114急停开关XB2BS542C115距离传感器GTS11-2514-20MA16运行指示XB2BVM4LC1I/O口分配表根据所选用的200SMART-ST40PLC基于木耳采摘机控制系统所要求的I/O接口分配如表：4-2表PLC输入点分配表输入启动按钮I0.0停止按钮I0.1急停开关I0.2菌包到位传感器I0.3水平原料抓取位I0.4水平废料丢弃位I0.5水平木耳采摘位I0.6垂直高位I0.7垂直原料抓取位I1.0垂直托盘上方抓取位I1.1机械手夹紧I1.2机械手松开I1.3距离探针AIW164-3表PLC输出点分配表输出运行指示Q0.0上料输送带Q0.1机械手左行Q0.2机械手右行Q0.3机械手上行Q0.4机械手下行Q0.5机械手抓取Q0.6托盘旋转Q0.7切刀伸出Q1.0切刀缩回Q1.1PLC外部接线图梳理所有的输入信号和输出信号后，根据ST30PLC的外部接线要求，我们给PLC提供一个24v电源，输入采用共阴极解法，输出采用24V输出。传感器选型统一为PNP，常开型输出。4-5PLC外部接线图4-6距离探针接线图本章小结本章通过对PLC控制系统方案设计、PLC选用、PLC控制系统流程图设计、主电路设计、主电路采购清单、I/O接口分配、外部接线图。xxxxx木耳采摘机顺序功能图5-1PLC顺序功能图木耳采摘机程序设计1.使用STEP7-MicroWINSMART软件创建一个木耳采摘机项目。2.将PLC组态我们所选择的ST40系列，组态一个4路的模拟量输入模块EMAE04，并设置PLC为上电运行3.系统启动程序，首次扫描为1时，置位M0.0,M0.0接通后按下启动按钮，进入第一步。4.在第一步，运行指示输出为1，上料输送带同时启动，等到菌包到位传感器触发时，输送带停止。5.机械手下降，下降到位后执行夹爪夹紧动作，夹紧到位反馈后进入下一步。6.机械手提升，提升到高位后，向右运行，走到木耳采摘的位置停止，进入下一步。7.机械手下降，将菌包插到固定底座上，然后松开夹爪，松开到位后进入下一步。8.机械手提起到高位，然后切刀开始下压切取木耳，同时托盘旋转动作，10S后进入下一步。9.木耳切除完成，机械手下降，然后夹紧，夹紧检测为1后进入下一步。10.机械手提升到高位，然后向左运行，走到菌包回收框的上方停止，然后松开夹爪，菌包掉到框里，进入下一步。11.机械手继续左行，走到原料抓取位置，一个流程结束，置位M0.1，开始一个新的流程。12.探针是4-20MA信号输入到PLC的模拟量采集模块，用S_ITR指令将5530-27648的值转换成工程值0-25MM。13.切刀气缸的单独控制程序，当切木耳状态时，切刀下压，并判断距离，距离过近，切刀后退，距离过远，切刀下压，保证切除效果。14急停和停机时复位所有的输出点，从Q0.0开始，复位10个位木耳采摘机程序仿真1.将STEP7-MicroWINSMART软件写好的控制程序导出，用S7-200仿真软件打开，启动PLC，可以看到此时程序开始运行。2.系统启动程序，首次扫描为1时，置位M0.0,M0.0接通后按下启动按钮，进入第一步。3.在第一步，运行指示输出为1，上料输送带同时启动，等到菌包到位传感器触发时，输送带停止。4.机械手下降，下降到位后执行夹爪夹紧动作，夹紧到位反馈后进入下一步。5.机械手提升，提升到高位后，向右运行，走到木耳采摘的位置停止，进入下一步。6.机械手下降，将菌包插到固定底座上，然后松开夹爪，松开到位后进入下一步。7.木耳切除完成，机械手下降，然后夹紧，夹紧检测为1后进入下一步。8.机械手提升到高位，然后向左运行，走到菌包回收框的上方停止，然后松开夹爪，菌包掉到框里，进入下一步。9.机械手继续左行，走到原料抓取位置，一个流程结束，置位M0.1，开始一个新的流程。10.探针是4-20MA信号输入到PLC的模拟量采集模块，用S_ITR指令将5530-27648的值转换成工程值0-25MM。11.切刀气缸的单独控制程序，当切木耳状态时，切刀下压，并判断距离，距离过近，切刀后退，距离过远，切刀下压，保证切除效果。12.急停和停机时复位所有的输出点，从Q0.0开始，复位10个位本章小结本章通过对PLC控制系统PLC梯形图、以及s7-200软件仿真，完成木耳采摘机控制部分设计，最终仿真结果是程序可以满足控制要求、实现了控制功能。结论本论文通过查询大量相关资料，整合了木耳采摘机的研究背景，并对木耳采摘机的研究现状进行了全面分析。当前，国内外在木耳采摘机的研究方向上主要集中在提高采摘效率、减少人工劳动和优化机械结构等方面。通过对比国内外研究现状，我们确定了木耳采摘机的研究方向，即在保持高效采摘的前提下，进一步优化机械结构和控制系统，以适应不同环境下的木耳采摘需求。1.在确定木耳采摘机的研究参数和机械结构方面，我们详细分析了木耳采摘机的主要组成部分，包括采摘机构、输送机构和平移升降机构。通过对各个组成部分的功能和设计要求进行比较，我们绘制了机械简图，并确定了适合的控制系统方案。该方案不仅满足了木耳采摘机的基本功能需求，还在机械设计和控制策略上进行了优化，以提高整体性能。2.在具体的零部件计算中，我们重点完成了木耳采摘机输送机构的计算，包括输送机构滚筒轴、采摘机构电机和平移升降机构的设计与计算。通过详细的计算和分析，我们确保了各个部件的结构强度和工作可靠性，保证了木耳采摘机在不同工况下的稳定运行。同时，我们还对各个部件的选型进行了优化，确保整个系统的协调运转。3.在控制方案系统设计中，我们选择了PLC作为木耳采摘机的核心控制器，并设计了主电路、元器件选型和I/O口分配。通过详细的PLC外部接线图和PLC程序设计，我们完成了STEP-7-200程序和STEP7-MicroWINSMART的编写与仿真。经过多次测试和调整，控制系统达到了预期效果，确保了木耳采摘机的高效、稳定运行。综上所述，通过对木耳采摘机的研究和设计，我们成功地优化了其机械结构和控制系统，提高了采摘效率和可靠性。未来的研究将进一步关注在复杂环境下的适应性和智能化控制，以进一步提升木耳采摘机的应用前景和市场竞争力。致谢