毕业设计（论文）-菠萝削皮机结构设计

中文摘要中文摘要绪论1.1课题研究意义科技的进步和人们生活水平的提高，越来越多的便民器具出现在市面上。菠萝是人们生活中喜爱的水果之一，其富含多种营养元素，有利于身体健康。在一个方面菠萝的味道甜中带酸能开胃，在另外一个方面也具有非常好的药用价值。菠萝含用大量的果糖，葡萄糖，维生素A、B、C,磷，柠檬酸和蛋白酶，具有解暑止渴、消食止泻之功，因此夏季进食能够起到非常好的健康调节作用。另外近年来科学的不断发达，有众多的研究证据表明通过食用菠萝，摄取的维生素能够很好的预防癌症，如果能够合理的补充适量的菠萝，能够提高自身的抵抗能力，改善人体健康，提高人平均寿命。然而菠萝却又一层厚厚的不规则的表皮，为了能够更好的吃到他的果肉，必须先去掉这层菠萝表皮，才能享受这种美味。然而，过去由于生产量不大，人人往往通过手工的方式去掉果皮，该方式生产效率极低，削皮花费时间过长，因此，本文设计了一款菠萝削皮机，采用电机驱动的方式，配合固定移动刀具，实现菠萝削皮；其具有方便、安全、高效、环保的特点，能够快速进行菠萝削皮，操作简便，适合水果门店及家用场合，具有非常重要的工程实际意义。1.2菠萝削皮现状1.2.1人工手动削皮菠萝的传统削皮方法是手工使用削皮工具完成，该方法主要用于家庭生活中。常用的削皮工具有菜刀和菠萝凹槽挖孔刀。使用菜刀削皮时,需要人为控制力度,容易造成切削不均匀现象,造成果肉的浪费。此外,菜刀无法直接完成菠萝的去果眼操作,这给人们的食用带来了一定的困难。田朋华发明的“菠萝凹槽挖.孔刀”属于专用的手动菠萝削皮装置,既可完成菠萝的削皮操作,也可完成去果眼操作。装置的操作方法简单,使用方便,只要手动操作合理，即可使果皮的切削厚度均匀,减少果肉的浪费。但是装置在去果眼时,操作一次只能去除一个果眼,使用时需要多次重复,费时费力。田中强发明的一种“菠萝水果刀”,操作者只要手动将刀具旋入菠萝内部，即可完成菠萝的削皮和果壳分离操作。但是该装置大小形状是固定的,只能完成固定大小菠萝的削皮,对于较大或较小的菠萝,会出现切削浪费或削皮不完全的现象。通过上述分析,菠萝的手动削皮装置结构单一、工作效率低、劳动强度大,不能适应我国菠萝加工产业的快速发展。人工手动削皮如图1-1所示。图1-1人工手动削皮1.2.2手动机械削皮呼格吉乐、高敏等发明的“菠萝削皮装置”(图1-2)。该装置的特点是:采用机械式机构实现菠萝的削皮操作,削皮效率高,并能减少果肉的浪费。使用时,先将菠萝放置在滑块上,由固定棒对其固定。手动摇动手柄，会驱动切割机构.上下移动,利用切割机构上的刀片实现对菠萝的切割。刀片设置为弧形,并由弹簧相连接,可以保证刀片与菠萝的接触紧密，同时也可利用弹簧的变形使刀片适应不同大小的菠萝[8-9]。该装置实现了菠萝削皮过程的机械化操作,但是却无法实现削皮过程中的自动化,依然需要操作者手动驱动装置实现削皮。该装置结构简单,制造成本低,并且经过多次改进后适应性较强,市场前景较广阔,但是装置的自动化程度有待于进一步提高。F1g.1上ineapplepeelingdevice1.手柄；2.转轴；3.本体；4.金属网；5.横杆；6.齿条7.滑片；8.支柱；9.凹槽；10.固定棒；11.凸起；12.滑块；13.刀片图1-2手动机械削皮装置1.2.3电机驱动机械削皮张铁涛发明的“菠萝削皮机”(图1-3)。该装置的具体工作原理是:先手动移动滑动座,将菠萝固定在插杆上，菠萝的另一端由支撑爪进行支撑,以便于将菠萝牢.固稳定地固定。装置在进行削皮作业时,由第二电机带动菠萝旋转,移动座在第一电机的带动下左右水平移动,刀座可在第--弹簧的外力作用下使刀片与菠萝的外表皮配合,随着菠萝的旋转以及刀片的移动,可完成削皮操作[12]。该装置利用电机驱动实现了菠萝的自动旋转和刀片的往复移动,机械化和自动化程度较.高,并且通过调整弹簧可以实现不同大小菠萝的固定和削皮工作。但是进行不同大小菠萝削皮操作时,会出现削皮厚度不均的现象,第--弹簧没有专门的调节预紧力机构,有待于后期加以改进。1.滑动座；2.第二弹簧；3.支撑架；4.第二电机；5.右支撑板；6.第一电机；7.插杆；8.刀片；9.刀座；10.第一弹簧11.螺孔；12.导向孔；13.移动座；14.导向杆；15.丝杆16.支撑抓；17.左支撑板；18.底座图1-3电机驱动机械削皮1.3菠萝削皮机发展趋势未来菠萝削皮机的发展,应以提高装置的自动化程度、削皮效率、稳定性和安全性为前提,做到技术先进、结构巧妙和经济合理等。同时也应该朝着以下方面发展。1)提高菠萝削皮系统的稳定性及运动的平稳性，保证装置在削皮过程中按照规定的运动精度和运动位移进行工作,同时还须保证各个动作的协调性。2)研制结构简单、制造容易、成本低且易于在中小型企业和个体零售商之间推广应用、以及家庭使用的菠萝削皮装置。3)研制的大中型装置应能保证生产效率高、能耗.少及功能强大。并能够同时完成菠萝和削皮.去刺和去果眼等操作,并提高装置的自动化和智能化水平。4)未来的装置的研发应与菠萝的削皮和加工工艺相结合,同时应能考虑果品和果汁的收集装置,减少资源的浪费和环境的污染。5)未来的装置在研发设计时应能留有发展的余地,需要改进时不至于造成全机的废弃。1.4主要内容本设计主要是对菠萝削皮机的整体装置设计和计算进行分析探讨，对主要机械结构部分进行设计和计算。完成刮雨器的设计图纸和相关的装配技术要求。对菠萝削皮机进行建模仿真。即用三维软件对设计的菠萝削皮机进行三维建模，并进行虚拟装配，验证理论模型设计正确性和设计图纸的正确性。本文主要内容如下所示：(1)菠萝削皮机总体结构方案的确定；(2)设计前各项参数的确定；(3)驱动元件、刀具的选择；(4)菠萝削皮机主要部件的详细设计；(5)各主要零部件强度的校核；(6)绘制主要部件的零件图；(7)绘制菠萝削皮机的装配图。

13422菠萝削皮机总体方案设计2.1削皮工作流程一般人工手动削皮的工作流程是：（1）利用削皮刀具将菠萝外皮自上而下削除；（2）利用专用水果刀沿斜线把菠萝眼剔除；（3）将菠萝头部叶子削除并将尾部多余部分削除。人工手动削皮工作繁琐点在第二步：去除菠萝眼，需要频繁重复此工作。本文设计的菠萝削皮机对工艺流程进行了调整：（1）将菠萝头部叶子削除并将尾部多余部分削除；（2）菠萝外皮削除和菠萝眼剔除同伺服行。这样，在保证菠萝削皮质量的同时，提高了菠萝削皮工作效率，并且能够实现自动化。2.2整体方案设计设计菠萝削皮机整体方案如图2-1所示。可以将菠萝削皮机分成三个部分：旋转机构、削刀机构、抓取机构和切刀机构。旋转机构主要由旋转电机1、联轴器2、对顶气缸7组成；削刀机构主要由削皮刀具9、刀具调整气缸10、电机11组成；抓取机构主要由横移装置4、气缸5、抓取装置6组成；切刀机构主要由切刀3、夹紧气缸8组成。1、旋转电机；2、联轴器；3、切刀；4、横移装置；5、气缸；6、抓取装置；7、对顶气缸；8、夹紧气缸；9、削皮刀具；10、刀具调整气缸；11、电机图2-1菠萝削皮机整体方案2.3削皮机工作原理将待削皮菠萝放入夹紧位置，在夹紧气缸8的作用下，驱动夹紧机构将菠萝夹紧，切刀3与抓取装置为磁性连接方式，当气缸5向下运动，驱动切刀3先下动作，将菠萝头部叶片和尾部多余部分切除；气缸5继续向下运动，限位弹簧阻止切刀3继续向下动作，抓取装置6抓住菠萝，在横移装置带动下，整体向右移动至削皮区，对顶气缸7动作，向左顶住菠萝，装置装置6在气缸5带动向上提升，旋转电机1工作，动力经过联轴器2带动菠萝旋转，刀具调整气缸10动作，将削皮刀具9与菠萝接触，电机11工作，经过丝杠机构驱动削皮刀具9和刀具调整气缸10部分整体向右移动，完成菠萝削皮。其中，在削皮刀具9向右移动过程中，刀具调整气缸10实时动作，从而削皮刀具9保持固定切深。2.4技术参数拟定拟定菠萝削皮机技术参数如下所示：加工能力：300--500个/小时；效果：一次去除果皮和果眼；削皮厚度：2--6毫米(可调)；削果眼深度：5--7毫米(可调)；菠萝外形：粗、细、高、矮、畸形均可。2.5气动技术随着工业机械化和自动化的发展，气动技术越来越广泛的应用于各个领域中，尤其是结构简单，价格低廉的气动装置已得到了广泛的应用，在工业企业自动化中具有非常重要的地位。气动技术作为流体传动与控制技术的一个重要分支具有独特的优点：1、以空气为工作介质，容易取得；用后的空气排到大气中，处理方便；2、空气的粘度很小，流动过程中能量损失也很小，节能、高效，适用于集中供应和远距离输送；3、气动动作反应快，维护简单，工作介质清洁，不存在介质变质及补充等问题；4、工作环境适应性好，特别适合在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、震动等恶劣环境下工作，外泄露不污染环境，在食品、轻功、纺织、印刷、精密检测等环境中采用最为适宜；5、成本低，过载能自动保护。2.6伺服电机随着科技的发展，人们对于产品的精度要求也逐步提高，特别是在半导体、生物医学、精密仪器等领域。目前工业上大多采用伺服电机运动系统，系统所采用的伺服电机的步距角最小为0.36°（相当于电机转动一圈需要1000个脉冲），不仅精度较低，而且存在失步的可能，导致系统无法适应高精度生产的场合。而伺服电机具有精度高、高速性好、抗过载能力强、运行稳定无失步现象、响应速度快、发热低、噪音小等优点，但目前的伺服电机控制多采用专用的NC数控系统，控制系统复杂、成本高，难以与使用PLC作为主控制器的生产线进行有效对接，使得这类伺服控制系统无法取得较高的经济效益。本文使用PLC作为控制器的伺服电机运动系统能有效解决以上问题，系统可在提高系统性能稳定性和生产效率的同时，降低生产成本、提高效益。

205383菠萝削皮机结构设计计算3.1旋转机构电机选择该电机主要克服菠萝旋转时的惯性转矩，而根据该部分设计的机构知旋转惯性力矩，是电机设计需要考虑的主要对象。（1）加在电机转轴上的惯性转矩Tep的计算其最大的等效负载转矩为快速启动时电机转轴所承受的负载，则=计算快速起动时旋转部件折算到电机转轴上的最大加速转矩：式中：——对应最快移动速度的电机最高转速，其单位为r/min；——伺服电机由静止到加速至最高转速所需的时间，其单位为s。菠萝削皮工作时，转速不宜过大和过小，过大容易造成菠萝由于惯性转矩过大，造成菠萝脱离废除，存在安全隐患；转速过下导致削皮效率不高。综合考虑电机的转速最高速度为。假设该伺服电机由静止到加速至最高转速所用时间为=0.4s，总效率。则计算得：T（2）伺服电机最大静转矩的选定及电机的初选当输入电压降低时，伺服电机的驱动电源受电网电压影响较大，其输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至可能堵转。因此，选择伺服电机时，需要考虑安全系数。本工作环境可取安全系数K=4，计算出伺服电机的最大静转矩应满足：Tjmax初步选择的伺服电机型号为SGMAV-04AA6C，查《系统设计课程设计指导书》表4-5得该型号电机的最大静转矩为。可见，所选的电机满足（3-4）式的使用要求。（4）所选用伺服电机的性能校核1）最快转动电机输出转矩校核给定工作台最快空载移动速度，其伺服角为可求出电机对应的运行频率。由图3.4查得，此频率运行的电机输出转矩，大于，满足其使用要求。2）最快旋转时电机运行频率校核电机运行最高频率为。查书《系统设计课程设计指导书》表4-5可知130BYG2502伺服电机的极限运行频率为1500Hz，则没有超出限度。3）伺服电机的起动频率计算从上可以知道，，当电机转轴不带任何负载时的最高起动频率为。则可求出伺服电机克服惯性负载的起动频率：则要想保证伺服电机起动时保证不失步，任何时候的起动频率都要求必须小于138Hz。要使起动频率选得更低，可以采用软件升降频，其通常只有100Hz。从上面一系列计算可知，旋转机构采用SGMAV-04AA6C伺服电机，可以完全满足设计使用要求。图3-1SGMAV-04AA6C伺服电机的运行矩频特性3.2削刀机构滚珠丝杆螺母副计算削刀机构中的移动部分可以选用同样规格的滚珠丝杆螺母副，如图3-2所示。图3-2滚珠丝杆螺母副（1）丝杆螺母的最大工作载荷Fm的计算当削刀机构以最大速度运行时，其工作载荷不大于F=15N。已知移动部件总重量估计不大于G=20N，同样可以与z轴一样按矩形导轨进行计算，可选K=1.1，μ=0.05。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KF+（2）滚动丝杆螺母副的最大动载荷FQ的计算削刀机构工作时的最快进给速度同样可达到为v=100mm/s，丝杠导程同样可选Ph=5mm，则丝杠寿命系数同样为L0=2700（单位为：106r）。则可求得最大动载荷：（3）型号选择根据计算出的最大动载荷，为了保证其刚度，选择直径比较大的丝杆，可以选择轴相同的济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的FFC50-200型滚珠丝杠副，其额定动载荷为15307N，远远大于FQ，满足要求。（4）所选丝杆螺母副传动效率η的计算从上可知公称导程，直径，代入公式，计算得丝杠螺旋升角为。将导轨摩擦角和丝杠螺旋升角，代入计算公式，计算可得其传动效率为.（5）滚动丝杆螺母刚度的验算1）削刀机构上端采用一对面对面组配的推力角接触球轴承来固定丝杠上端，下端则采用一对面对面组配推力角接触球轴承，外加一个推力球轴承，上、下支承的中心距离计算出约为；钢的弹性模量可查得为ES＝2.1×105Mpa；查书《系统设计课程设计指导书》表3-31，可知该丝杆丝杠底径，直径，据此可以计算出丝杠截面积为2）可以根据计算公式,求得单圈滚珠数；滚珠的圈数×列数为4×2，则可计算出得滚珠总数量。当丝杠预紧时，可计算出轴向预紧力为，由书《系统设计课程设计指导书》式（3-27）计算出滚珠与螺纹滚道间的接触变形量为。3）以上算出的和可以代入，求得丝杠总变形量。由书《系统设计课程设计指导书》表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在时，行程偏差可允许达到65μm，则可见所选丝杆刚度足够。3.3抓取机构气动抓取机构是采用气动元件做为抓取机构组成结构的能够代替人工上下料的机械设备。通常的气动抓取机构都具备气动手指缸或者气动旋转缸等对应抓取机构指的气动元件，这些也是最基本的自动化配件。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制机构的信息对执行机构发出指令，必要时可对抓取机构的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制机构，并与设定的位置进行比较，然后通过控制机构进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。3.3.1基本要求为了使抓取机构的通用性更强，把抓取机构的手部结构设计成可更换结构，当工件是圆柱形式时，使用夹持式手部；如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构。本次设计采用的是夹持式手部结构。对夹持式手部的基本要求（1）具有足够的夹紧力；在确定手指的夹紧力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。（2）手指间应具有一定的开闭角；两手指张开和闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。（3）保证工件准确定位；在设计的过程中总会出现些许偏差，所以在选用配合的时候都采用IT8级，能满足工件的定位。（4）具有足够的强度和刚度；手部的材料通常采用强度和刚度都要同时能满足抓取物件的大小，但同时也考虑到是气压传动，力比较小，所以不会采用钢材类等。（5）考虑被抓工件的形状要求。3.3.2气动夹持抓取机构结构设计根据本设计夹持式抓取机构的夹持对象，根据菠萝的形状，利用单作用式气压缸。此种结构较为简单，制造方便，如图3-3所示。图3-1气动夹持抓取机构4.2.3气动夹持抓取机构计算（1）夹持力计算一般来说夹持对工件的夹紧力可按下式计算：式中：——安全系数，有抓取机构的工艺及设计要求确定，通常在1.2~2.0，故取1.5；——工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工件情况系数，=1+a/g=1+[(200/100-0)/10]/10=1.02，故取1；——方位系数，根据手指与工件形状以及工件位置不同进行选定，，摩擦系数，故取3。——被抓取的工件的重量Kg所以。（2）驱动力计算根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：实际驱动力：传动的效率，，。N所以夹持竖档时所需夹紧气缸的驱动力为80N。（3）气压缸直径计算本此设计气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力。其公式为：式中：——活塞杆上的推力，N——弹簧反作用力，N——气缸工作时的总阻力，N——气缸工作压力，Pa。弹簧反作用力计算如下：式中：——弹簧刚度，N/m——弹簧预压缩量，m——活塞行程，m——弹簧钢丝直径，m——弹簧平均直径，m——弹簧外径，m——弹簧有效圈数，——弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，故：由以上分析得单向作用气缸的直径:代入有关数据，可得：Cf=3677.46(/m)Ft=220.6(N)D=39.08(mm)查《机械设计手册（气压传动）》表22-1-20，得D=40mm由[2]d/D=0.3~0.5，可得活塞杆直径：d=(0.3~0.5)D=12~20mm故取活塞杆直径d=18mm校核，按公式：化简得其中，则：=1.2218所以满足活塞杆设计要求。

4菠萝削皮机三维建模对于菠萝削皮机的一些重要部分的零部件进行设计，设计这些零部件时候应该遵守模具设计的要求，同时也要考虑到与其他零部件的搭配使用和功能问题[10]。也对另一部分的尺寸要求和搭配进行设计[11]。这样便于优化菠萝削皮机的结构和减少成本。4.1SolidWorks软件介绍本次设计中所建立的三维模型是基于SolidWorks软件平台完成的，利用软件完成了菠萝削皮机的整体结构以及零部件建模和整机虚拟样机的制作。随着科技的不断发展，计算机绘图技术得到了非常广泛的应用，尤其是在各类非标机械领域，几乎任何的产品设计相关的部分都会用到三维和二维绘图软件。三维制图的普及，可以在很大程度上帮助设计师和其他人员更加直观的理解和认识所设计的产品。但是，真正最大的优势在于，三维软件的应用，可以设计师在虚拟的平台中，搭建自己所设计的产品虚拟样机，完全和真是的产品一样，可以非常直观的了解到零部件之间是否存在干涉、不同零件之间的间隙等等，让设计师在设计之初就能全面的了解到整机情况。本文所运用的绘图软件是基于达索系统下的SolidWorks软件内进行的，SolidWorks建模的优势在于，它是一款全参数化的设计软件，可以通过一系列的关系、参数定义将设计尺寸相互关联，通过仅仅几个少数的关键尺寸即可驱动整机尺寸的改变，大大降低修改效率，而且能大范围的降低传统修改尺寸带来的漏尺寸的问题，提高工作效率，这项技术在很多厂家都已被成熟应用。4.2旋转机构模型旋转机构模型如图4-1所示。图4-1旋转机构模型4.3削刀机构模型削刀机构模型如图4-2所示。图4-2削刀机构模型4.4抓取机构模型抓取机构模型如图4-3所示。图4-3抓取机构模型4.5切刀机构模型切刀机构模型如图4-4所示。图4-4切刀机构模型4.6菠萝削皮机模型菠萝削皮机模型如图4-5所示。图4-5菠萝削皮机模型

结论科技的进步和人们生活水平的提高，越来越多的便民器具出现在市面上。菠萝是人们生活中喜爱的水果之一，其富含多种营养元素，有利于身体健康。目前，菠萝的削皮方式大部分是采用人工手动削皮，同时削皮过程对技术要求比较高，削皮效率低，在一定程度上增加了劳动强度。因此，本文设计了一款菠萝削皮机，采用电机驱动的方式，配合固定移动刀具，实现菠萝削皮；其具有方便、安全、高效、环保的特点，能够快速进行菠萝削皮，操作简便，适合水果门店及家用场合。本文主要完成工作如下所示：(1)设计并确定了菠萝削皮机总体结构方案，对其工作原理进行了详细阐述，拟定了削皮机的基础技术参数；(2)对菠萝削皮机主要结构部分进行了相关的设计计算，包括旋转机构、削刀机构、抓取机构和切刀机构，对机构中的各主要零部件进行了设计计算、选型、强度校核等；(3)基于SolidWorks软件平台完成了菠萝削皮机模型建立。参考文献参考文献参考文献[1]龚晓茜,王国强,张佳喜,刘化君.双刀式哈密瓜自动削皮机的设计与试验[J].农机化研究,2022,44(06):176-181.DOI:10.13427/ki.njyi.2022.06.030.[2]龚晓茜,王国强,刘化君.双刀型哈密瓜削皮机的改进与回归试验[J].中国农机化学报,2021,42(08):115-120.DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2021.08.16.[3]孙德泉,李彩霞,房渤涛,周正飞,葛兴宴,何永琪,贾孝磊.一款新型菠萝去皮机设计[J].中国科技信息,2021(13):36-37.[4]PondiPiusEddy,NwigboSolomonChuka,ObendeEziekelOmeiza,OlisakweHenryChukwuemeka,ChikeluOkechukwuPeter,AzakaOnyemazuwaAndrew.DynamicAnalysisofFatigueLifePredictionontheShaftsofaModernCassavaPeelingMachineforSafeandEconomicUse[J].JournalofEngineeringResearchandReports,2021.[5]MadhankumarS,SuryakumarH,SabarishR,SureshM,UmmerFarookA.FabricationofPineapplePeelingMachineUsingPneumaticSolenoidValve[J].IOPConferenceSeries:MaterialsScienceandEngineering,2021,1059(1).[6]AdemolaOlagokeAfolabi,MuhammadLawalAttanda.DevelopmentandPerformanceEvaluationofIrishPotatoPeelingMachine[J].JournalofEngineeringResearchandReports,2020.[7]任工昌,张博文,张譍之.QFD与TRIZ在菠萝去皮机设计中的应用[J].包装工程,2020,41(07):157-163.DOI:10.19554/ki.1001-3563.2020.07.022.[8]徐正,江勇,史俊杰,毛华萍,王海明.小型菠萝去皮机的设计[J].科技视界,2019(36):17-18.DOI:10.19694/ki.issn2095