全自動蘋果去皮機的設計與仿真論文

陜西科技大學碩士學位論文全自動蘋果去皮機的設計與仿真姓名：張建寧申請學位級別：碩士專業(yè)：機械制造及其自動化指導教師：陳海峰20090501全自動蘋果去皮機的設計與仿真摘要隨著我國水果罐頭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及世界其他國家水果罐頭消費的增長，我國水果罐頭產(chǎn)品出口的發(fā)展面臨著良好的機遇。盡管高新技術在我國果品加工業(yè)得到了逐步應用，加工裝備水平也得到了明顯提高，但由于缺乏具有自主知識產(chǎn)權的核心關鍵技術與關鍵制造技術，造成了我國果品加工業(yè)總體加工技術與加工裝備制造技術水平偏低。目前罐頭加工領域存在的最大問題就是加工過程中自動化、連續(xù)化程度低，對先進技術的消化能力差。去皮設備大都停留在半自動程度，靠人工將蘋果逐個插到固定針上，不僅生產(chǎn)效率低，而且容易造成工傷事故；因此設計開發(fā)一種全自動蘋果去皮機能有效的解決加工過程自動化及連續(xù)化水平低的問題，對其它果品加工同樣適用。設計的主要內容包括：(1)整機方案確定：包括插果機構、削皮機構、切塊機構、卸載機構、圓盤插針組件以及機架。(2)供料部分設計：供料裝置給出了概念性設計以及控制實現(xiàn)方案；供料裝置采用振動輸送方式對蘋果進行輸送，通過傳感器及計算機圖像識別軟件對蘋果的放置情況進行識別，并通過氣缸驅動的方式將未達到放置要求的蘋果進行剔除。(3)插果機構設計：插果機構安裝于去皮機圓盤上方的機架上，與蘋果供料裝置銜接，通過插果機構壓板及托板的協(xié)同運動可以把蘋果置插于蘋果插針上，插果機構采用氣缸作為驅動元件，因氣缸以潔凈的空氣作為介質，故可滿足食品加工的衛(wèi)生要求。并可實現(xiàn)無人看守的自動供料及插果動作，保證了去皮工序的自動化。(4)削皮機構設計：去皮機上各個部件都在可編程序控制器以及運動控制器控制下協(xié)同運動。削皮機構以運動控制器作為控制元件，以實現(xiàn)精確的削皮軌跡控制。(5)運動仿真及關鍵部分有限元分析：本文將所設計的蘋果去皮機在ProEngineer中建立三維模型，并且對此機構的運動進行仿真，從而對整個機器工作過程進行詳細演示以及對機器各個部件進行干涉分析；本文還利用有限元分析軟件ANSYS對部分零件進行了結構分析和優(yōu)化設計，通過對零件的有限元分析得出了零件設計的最優(yōu)方案，從而為機器生產(chǎn)效率的提高打下基礎。關鍵詞：全自動蘋果去皮機，自動供料，ProE，ANSYS，有限元分析，運動仿真，插果機構DE SIGN AND SIMULATI ON oF THEFULL AUTOM隨LTIC APPLE PEELINGMACHINEABSTRACTAlong with the developing of our countryS canned fruit industry and theincreasing of other countrys consumers to it，our countryS canned fruit exportdeveloping is facing a good opportunityAlthough hi曲and new technology iscoming into use in our countryS fruit process industry,and the level of theprocessing equipment has been improved obviously,but for the lack of the corekey technology and key manufacturing method provided with independentintellectual property rights our countryS general processing technology of fruitprocessing industry and the manufacturing engineering of the processingequipment is on the low sideAt present the most problem in the fruit processingfield are a low degree of automation and continuation and a low possibility ofassimilating advanced technologyPeeling equipments mostly rest on the degreeof automaticmanual，depending on manual work to insert apple to the fixationpinsNot only production efficiency is low but also it is easy to lead to industrialaccidentTherefore designing and developing a kind of full automatic applepeeling machine Can effectively solve the problem of low level of processingautomation and continuationAt the same time it is also applicable for other fruitprocessingThe content of the design mostly includes the following aspects(1)Complete machine blue printS confirmingFruitinsert framework，peeling framework，cutting framework，uninstalling framework，disk-pinsubassembly and main frame are included(2)Design of the feeding partAn idea design and a blue print of controlsystem is providedFeed installation feeds apples by means of quiver,andidentifies the placement instance of apples using sensor and computer imageidentify software，and eliminates the apples that miss the need of placement viacylinder(3)Design of the fruitinsert frameworkFruitinsert framework iS installedon the frame upper of the peeling machine disk，connecting the apple feedingsystemThrough the synergy movement of the pressing plate and bearing plate ofthe fruitinsert framework it can make apples sticked on the contact pinFruit-insert framework uses cylinder as driven element，which uses clean air asmedium，SO it can satisfy the needs for hygiene of food processingThe fullautomatic apple peeling machine and its fruitinsert framework can realizeautomatic feeding and fruitinsert，and assure automation of the peeling offworking procedure(4)Design of the peeling frameworkEach part of the peeling machinecooperates with each other and moves under the control of PLC and motioncontrollerPeeling machine uses the motion controller as control element in orderto realize exact paring contrail contr01(5)Motion simulation and finite element analysis of the key partThreedimensional model of the apple peeling machine is created in ProEngineer andthe ffameworkS movement iS simulated in order to demonstrate the wholemachineS working process detail and to do the interference analysis of the partsof this machineStructural analysis and optimum design to some parts are doneusing the finite element analysis software ANSYSThrough the finite elementanalysis to the part the optimal decision of the part design is got，thereby itmakes a good foundation for the increasing of the machineS productionefficiencyKEY WORDS：full automatic apple peeling machine，automatic feeding system，Pr扼，黜NSYS，the finite element analysis，motion simulation，fruitinsertmechanismIV全自動蘋果去皮機的設計與仿真原創(chuàng)性聲明及關于學位論文使用授權的聲明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律責任由本人承擔。論文作者簽名： 主絲縐 El 期： 2QQ，2生查旦關于學位論文使用授權的聲明本人完全了解陜西科技大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留或向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權陜西科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文和匯編本學位論文。同時授權中國科學技術信息研究所將本學位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡向社會公眾提供信息服務。(保密論文在解密后應遵守此規(guī)定)論文作者簽名：蹲導師簽名：全臼動蘋果去皮機的設計與仿真1緒論11本課題研究的背景和意義隨著我蘋果的產(chǎn)量大大增加，蘋果加工業(yè)也有了一定的發(fā)展，但是，我國的節(jié)果加工在總體上還遠遠落后于蘋果生產(chǎn)的發(fā)展。由于各級政府的重視，蘋果種植業(yè)發(fā)展很快。隨著蘋果種植技術的推廣普及以及優(yōu)良蘋果品種的培育和引進。種植面積不斷擴大，蘋果總產(chǎn)量逐年提高。蘋果是戎國第一大水果，也是我國1I大優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品之一，目前我國的蘋果產(chǎn)量居世界第1位，占世界總產(chǎn)量的50h!右。我國有著豐富的蘋果資源，據(jù)2005年調查統(tǒng)計，我國年產(chǎn)量已達2500萬噸，但主要用于鮮食，蘋果加工率極低，由于缺乏先進的果品加工機械，不能及時加工處理，導致每年約25的水果腐爛變質，經(jīng)濟損失數(shù)以億計，因此蘋果加工是我國蘋果資源合理利用的重要課題。蘋果通過加工既可以解決蘋果鮮銷市場賣果難的問鹿，同時又可以實現(xiàn)加工增值。在蘋果加工產(chǎn)品諸如蘋果罐頭及蘋果干等21的加工工藝中，去皮是必不可少的一道工序，蘋果經(jīng)過去皮工序去除表皮上殘留的農(nóng)藥、污漬等。蘋果去皮方法有：手工去皮、半機械及機械去皮、蒸汽去皮和堿液去皮等OI。目前在蘋果加工行業(yè)中廣泛使用的蘋果去皮機均為半自動，即由人工上果，機器自動去皮。為保證去皮的順利進行，必須為每臺去皮機配備人員，用手將蘋果插在蘋果削皮工位處。如圖1-1，為某蘋果加工廠家的去皮機械工作現(xiàn)場，須由人工將蘋果放于平板上的凹槽內，再由機器自動去皮。顯然由圖1-1蘋果去皮加工現(xiàn)場FiglI The 5ceneofapple peelingoff人工上果費時、費力、勞動強度大，而且容易產(chǎn)生差錯乃至事故。因此蘋果加工中的去皮設備自動化程度低成為了蘋果加工業(yè)發(fā)展的一個制約因素。為解決上述技術的不足而提供一種降低勞動強度、提高勞動效率和降低事故率，故而研究開發(fā)一種自動化程度高、陜西科技大學碩士學位論文功能性強的蘋果去皮機械。12蘋果去皮機的發(fā)展與現(xiàn)狀當前蘋果去皮機大體分為如下幾類：(1)單果手動削皮機，如圖1-2所示。其插針冒內有用于插蘋果的插針，機器不用時插針冒用于保護作用，防止扎傷。使用時將蘋果插與插針上，手搖搖柄，插針帶動蘋果轉動同時將蘋果向右推進，其仿形刀具在彈簧的作用下緊壓于蘋果表皮，蘋果一邊轉動，一邊削皮。該機用于個人及家庭使用，由于其削皮速度極慢，勞動強度高，不宜生產(chǎn)使用：霉。、17一1 洲 、冒l(fā)_】搖柄2插針冒3仿形刀圈】一2第一類去皮機外觀圖FigIlAppearanceofthefirst sonofpeelingoffmachine(2)多果自動去皮機，如圖13所示。首先由人工將蘋果以蘋果梗垂直于水平面的方向放置于蘋果槽內，氣缸推桿伸出帶動升降板及其上的電動機、插針等一同向下移動，直到將蘋果插于插針，之后氣缸推桿回縮，將蘋果提升至月帔刀高度，電動機帶動插針、蘋果一起旋轉，直到完成蘋果削皮工作，最后由人工將蘋果卸下。該類去皮機每臺機器至少一人、甚至兩人負責放果和卸果，該機之勞動強度屬三類去皮機中最大者，生產(chǎn)效率較低H。1氣缸2升降板3電動機4插針5削皮刀6蘋果槽囤10第二類去皮機示意圖FiKI-3 The second 50rofpeel offraachine(3)單果自動去皮機，其工作原理如圖卜4所示。該類去皮機的轉盤上設有數(shù)個蘋避全自動蘋果去皮機的設計與仿真果轉動插針，均勻分布于圓盤的圓周之內。首先由人工將蘋果插于蘋果插針，圓盤轉動一定角度，蘋果被送于去皮工位，完成去皮工作，圓盤再轉動一定角度，蘋果完成切片工作，圓盤繼續(xù)轉動，蘋果被送于去核工位，蘋果核在該工位被除去，至此完成一個工作循環(huán)。此類去皮機較(1)去皮速度快，但其仍然依靠人工上果，生產(chǎn)速度多由人工的熟練程度決定；圖l-4第三類去皮機原理圖Figl-4 Principle chart ofthe third sort ofpeel offmachine第三類去皮機是目前企業(yè)所用比較流行的機種，其產(chǎn)品有6GY-300型蘋果削皮、挖核、制瓣柵s】。該機主要由箱體、中間座、送進機構、走刀機構和夾具、液壓及機械傳動機構等組成。其外形結構見圖15所示。該機在90年代初期可以說是一臺自動化程度較高，加工質量較好的設備，它可以在一條主軸線上完成削皮、挖核和制瓣三道工序。10 9 8 7 6 5 41油箱2中問座3箱體4走刀驅動齒條5果叉6走刀機構7扎釘8夾具驅動桿9夾具組合10夕箱體11轉軸圖15 6GY-300型蘋果削皮、挖核、制瓣機Figl-5 6GY-300 apple peel、dig pit、make petal machine陜西科技大學碩士學位論文削皮采用仿形機構，削皮刀的走刀軌跡為一固定的局部圓弧，刀具具有足夠的浮動量，用以彌補固定圓弧軌跡與果實外形的差異，從而保證了對同一品種的多數(shù)果實的均勻削皮。制瓣采用固定刀座，當削皮結束后，機械手夾果離開果叉，推向破瓣刀，根據(jù)要求將果實破為兩瓣或四瓣。該機的挖核亦采用仿形機構，挖核刀固定在轉軸上并與破瓣刀在同一平面，在破瓣刀切瓣的過程同時進入果內挖核，為了保證果實在加工中處于正確位置，而且果形大小不受影響，該機采用了彈簧加壓的機械手可靠地夾持果實和完成上果動作。隨著控制技術以及傳感器技術的日新月異，實現(xiàn)該功能完全不必采用如此繁雜的機械傳動系統(tǒng)，而是利用市場已有的各種控制電機，傳感器以及傳動零、組件來完成該種機械的功能。這樣既省去了一大筆傳統(tǒng)傳動機械的維護費用又大大提高了機械的工作效率，使得生產(chǎn)企業(yè)的成本降低的同時又節(jié)約了勞動力，可謂一舉多得。13本課題研究的內容本課題主要研究蘋果去皮系統(tǒng)中的蘋果去皮部分，參考6GY-300型去皮機，設計出用于蘋果去皮、切瓣、去核的蘋果去皮機，并給出各執(zhí)行部件的選型計算以及關鍵工作部件的結構分析，具體可有如下幾個方面：(1)去皮機的結構、功能設計；包括去皮機工作方式的選擇，供料機構的設計和控制實現(xiàn)，主軸、圓盤的設計，主軸腔的設計，插果機構的設計，削皮機構的設計，切塊機構的設計。(2)主要執(zhí)行元件的選型；包括圓盤主軸伺服電動機的選擇，插果機構的導柱彈簧的選擇，插果機構執(zhí)行元件氣缸的選擇。(3)整機的仿真及干涉分析；利用ProE軟件對整機進行了虛擬裝配，運動仿真和干涉分析，并保存動畫，可以更好的了解去皮機的工作過程。(4)插果機構關鍵部件壓板的有限元分析與優(yōu)化設計。利用有限元分析軟件ANSYS具體分析了壓板在工作過程中的受力情況，對壓板的初始設計提出不足之處并給出相應改進方案，通過對壓板的優(yōu)化設計得到較理想的尺寸，最后給出改進后的壓板的受力情況。14本章小結本章由當前我國蘋果加工行業(yè)中蘋果去皮加工的發(fā)展狀況引出了研究設計蘋果去皮機的意義，并詳細介紹了蘋果去皮機的發(fā)展狀況，最后給出了本課題的主要研究內容。4全自動蘋果去皮機的設計與仿真2蘋果去皮機結構設計本章首先提出蘋果去皮供料方案，為去皮工序做好準備，并對該方案的具體實施過程作了詳盡說明，I繼而針對過去蘋果去皮機的不足，提出改進方案，最后給出本設計課題的關鍵部分蘋果去皮機的設計。21蘋果輸送裝置及PLC程序設計211輸送裝置總體設計單果自動去皮機一般采用圓盤式供果方式，即圓盤圓周上等距分布若干蘋果插針，圓盤間歇轉動，以將插于插針上的蘋果送至去皮工位。本課題供料系統(tǒng)參考單果圓盤式自動去皮機的工作原理，旨在實現(xiàn)無人工全自動上果，應完成如下任務：(1)將絕大多數(shù)蘋果以蘋果中心軸豎直方向放置，以便于插果機構順利將蘋果沿軸線方向插于蘋果插針上，以利于后續(xù)去核工序順利進行。(2)自動剔除蘋果果梗非垂直于水平面【6】的蘋果，使其重新回到料倉。(3)自動將蘋果沿軸線方向插于蘋果插針上。供料系統(tǒng)總體結構如圖2一l所示，振動裝置與蘋果料倉銜接并以一定頻率和方向振動以將蘋果送上慢速輸送帶20，兩側擋板的距離只能允許蘋果以單列通過，蘋果在通過10蘋果擋板氣缸；11數(shù)碼攝像裝置；12固定架；13推出汽缸；14輸送帶滾輪；15輸送帶驅動電機；16側擋板；17震動裝置；18埸0除蘋果出口；19輸送帶(快)：20輸送帶(慢)圖2-1供料機構示意圖(上：主視圖；-F：俯視圖)Fi921 Sketch map of the feeding material mechanism(up：main viewDown：bow view)慢速輸送帶滑上快速輸送帶后各蘋果間保持一定距離向前輸送，在到達固定架中央時，蘋果擋板氣缸10推桿處于伸出狀態(tài)，此處的光電傳感器【7】發(fā)出信號，經(jīng)PLC程序計算并發(fā)出命令，各傳送帶停止傳送，數(shù)碼攝像裝置拍下該蘋果的俯視圖像并經(jīng)計算機視覺信息處理系統(tǒng)【8】判斷處理，如蘋果果梗垂直于水平面，則蘋果擋板氣缸10推桿回縮，以使陜兩科技大學碩十學位論文該蘋果通過，各傳送帶恢復傳送；如蘋果果梗非垂直于水平面，則推出氣缸13推桿伸出以將該蘋果推出回到蘋果料倉重新接受選擇，同時各傳送帶恢復傳送。根據(jù)蘋果傳送裝置工藝要求：在固定架12與支架4處判斷有無蘋果均使用光傳感器。在蘋果經(jīng)過時，光傳感器開關量發(fā)生改變。在固定架12處要求：兩傳送帶停止傳送，數(shù)碼攝像裝置攝取蘋果圖像以進行后續(xù)處理。在支架4處要求：對心氣缸推桿伸出并迅速縮回，隨即下壓氣缸推桿伸出。傳送裝置工藝流程圖如圖22所示。蘋果 ；輿桶千蘋渠於 lT、JI叫J -1、Jq上 4“”、針供娶寡戊，J L振動裝置下壓氣缸推桿伸，出，停留一定時間慢速傳送帶 縮回V快速傳送帶對心氣缸推桿伸-一1 人 出，瞬間縮回一炱H遮乞住磚皿N攝像裝置攝取圖 ：像，慢、快輸送帶停止1 支 人I l 擋板氣缸回縮，停舊氣缸刪申出k絮囂子怨冽鬻言留一定時間，伸出，慢、快傳送帶l l 輸送圖2-2傳送裝置工藝流程圖Fi922 Work flow chart of transmission equipment212 PLC控制系統(tǒng)方案根據(jù)工藝要求，各氣缸均為雙作用氣缸，氣缸活塞上均裝有永久磁環(huán)pI，利用直接安裝在缸筒上的電子舌簧式或磁電式磁性開關來檢測氣缸活塞位置，使氣缸行程位置檢測方便、結構緊湊?？刂葡到y(tǒng)中共有24個I0點，其中17個輸入點，7個輸出點。6全自動蘋果去皮機的設計與仿真輸入量分別是：推出氣缸磁性開關SQl、SQ2，擋板氣缸磁性開關SQ3、SQ4，計算機圖像信息處理后輸出開關信號SQ5、三個對心氣缸磁性開關SQ6、SQ7、SQ8、SQ9、SQl0、SQll，下壓氣缸磁性開關SQl2、SQl3；輸出量分別是：攝像開關Yvl，推出氣缸控制Yv2，擋板氣缸控制Yv3，對心氣缸控制YV4、YV5、YV6，下壓氣缸控制w7。此系統(tǒng)有三個執(zhí)行電機分別為：震動裝置電機M1，慢、快速傳送帶電機M2、M3，綜合多方面Ool考慮，我們選用三菱FX2N型號的PLC，其IO地址分配如表21所示。PLC外部接線可按照表21完成接線，其具體的編程見參考文獻11表2-1 PLC IO地址分配表Tab21 Distribute table of PLC IO address22去皮機機身機構設計221蘋果去皮機的設計方案去皮機設計的目的是使輸送裝置輸送到去皮機的蘋果能夠實現(xiàn)去皮、切塊、自動卸載，并且此一系列功能均可在無人看守的情形下實現(xiàn)。根據(jù)去皮機欲實現(xiàn)的功能，并參考過去去皮機的結構，初步設計方案為：(1)機器為四工位、圓盤式結構。四工位分別實現(xiàn)功能：插果、削皮、切瓣、除核；圓盤式結構有利于實現(xiàn)循環(huán)工作；圓盤上四個工位分別有一組插針，蘋果插于其上(2)圓盤主軸采取伺服電動機驅動，轉動方向為逆時針(3)插果工位、切瓣工位以及除核工位均為氣缸驅動(4)去皮工位采用插補機構，此機構將按照數(shù)碼攝像裝置攝取的蘋果側面圖像經(jīng)計算機處理得到的蘋果側面曲線數(shù)控加工代碼來完成蘋果的削皮陜兩科技大學碩士學位論文整個去皮機是充分利用電機控制、傳感器、氣壓傳動等先進技術的光機電一體化機械裝置。這里所說的機身機構設計是指不包括輸送裝置的去皮機部分。接下來將具體設計去皮機每個工位及主軸、機架等。222主軸、圓盤設計圖2-3主軸、圓盤及電機連接圖Fi92-3 Connect drawing ofthe principal axis、the disk and the motor如圖23所示，設計一個圓盤，將四個工位的蘋果插針以相隔90。布置于圓盤四周，同時考慮在插果、切瓣時圓盤邊緣所受壓力對于圓盤中軸的力矩較大，故采用加四個加強筋板的結構。圓盤套于軸上，軸端用圓螺母固定?？紤]削皮、切塊、卸載后的工序順利進行，可在圓盤上裝四塊斜面板，以使蘋果皮、蘋果塊、蘋果核順利滑下圓盤；機架的設計亦應使削皮工位產(chǎn)生的蘋果皮、切塊工位產(chǎn)生的蘋果塊、卸載工位產(chǎn)生的蘋果核能夠順利滑向各自的收集區(qū)域以防止堆積過多使機械難于運行。主軸間歇旋轉運動的實現(xiàn)：主軸旋轉運動設計為伺服電動機+減速器傳動，減速器軸與聯(lián)軸器及主軸與聯(lián)軸器均以平鍵連接，電動機與聯(lián)軸器采用成套產(chǎn)品。減速箱采用直角型可有效減小機器的總高度，增加機器的平穩(wěn)性及節(jié)省空間。主軸旋轉運動傳動結構示意圖如圖23所示。為實現(xiàn)主軸的間歇轉動，主軸的驅動控制采用閉環(huán)控制，即步進電機由步進電機驅動器驅動，圓盤邊緣分布若干觸頭，以觸發(fā)機架設置的接觸傳感器，從而對伺服電機實現(xiàn)啟動、停止動作。減速器是一種動力傳動機構，利用齒輪速度轉換器，將馬達的回轉數(shù)減速到所要的回轉數(shù)，并得到較大轉矩。其主要作用在于：降速同時提高輸出扭矩，扭矩輸出比例為電機輸出扭矩乘以減速比，但不能超出減速器額定扭矩；降速同時降低了負載的慣量，慣量的減少為減速比的平方。223主軸腔設計方案一：主軸腔上下口均采用軸承蓋方式。此方案中主軸、圓盤及圓盤附屬的所有零件的重量均由下軸承蓋的固定螺栓來承載，螺栓承受軸向拉力較大，容易產(chǎn)生變形。方案二：主軸腔上口采用軸承蓋方式，下部121蓋采用與主軸腔一體的方式，此方案全自動蘋果去皮機的設計與仿真可解決方案一中螺栓承受軸向力過大的問題，但整個主軸腔的加工會比較困難，并且軸承安裝困難。1上軸承蓋2下軸承蓋3螺栓4軸承襯套圖2_4主軸腔結構圖Fi醇-4 Cavity principal axis sketch map綜合比較二種方案，采用第一種方案。因為螺栓所承受的載荷主要為圓盤及其附屬零件的重量以及插蘋果、切塊的下壓力，這些力都不是很大，故選用直徑稍大的螺栓來固定軸承蓋。最后確定方案主軸腔的結構圖如圖2-4所示。分析主軸受力可知，在主軸工作過程中，主軸承受軸向、徑向力均較大，故下部軸承采用成對使用的圓錐棍子軸承，一是起到對軸起到軸向定位的作用，二是能夠承受較大的軸向力和徑向力。而上部軸承采用深溝球軸承，只承受剩余的徑向力。主軸兩端一端固定，一端游動，能夠更好地適應軸的適當變形。1平臺，2托板導柱，3蘋果壓板，4支架，5下壓氣缸，6彈簧，7對心氣缸及其推果緩沖裝置，8蘋果托板，9對心氣缸固定板圖25插果機構示意圖(左：主視圖。右：俯視圖)Fi醇5 Sketch map of Fruitinsert Mechanism(Left：main viewRight：bow view)224插果機構設計及其與供料裝置的銜接工作過程插果機構所需實現(xiàn)的功能為將輸送帶輸送過來的蘋果以對中的位置插上圓盤上的插針。據(jù)此，可設計其機構示意圖如圖25所示。為便于觀察，主視圖中省略了對心氣缸及其推果緩沖裝置，俯視圖中省略了支架及其附帶的其他零件。以下結合實例說明插果機構工作原理。蘋果對心氣缸及其緩沖裝置7設有三個，以相互夾角120。分布于平臺四周，蘋果9陜pq科技大學碩十學位論文被送上蘋果托板8后三個蘋果對心氣缸推干丁同時伸出并縮回，此時蘋果托板8正下方的蘋果插針將與蘋果的軸線對齊，下壓氣缸5的推桿下壓。帶動蘋果壓扳3向下移動，在3向F移動井和蘋果接觸之前蘋果托板8在彈簧6的作用F并不向F移動，3和節(jié)果接觸后，蘋果托板8、蘋果、蘋果壓扳3與氣缸推桿一起向下移動，此動作將蘋果插于節(jié)果插針上，此時自動蘋果去皮機的節(jié)糶插針所在的吲盤克服蘋果與蘋果托板、節(jié)果壓板之間的摩擦力轉動，蘋果移出節(jié)糶托板之后氣缸攤桿丌始向上移動并保證蘋果托板不與下一蘋果插針干涉，回歸原位。蘋果托板8向上移動直到其上表面與平臺l的上表面平齊。具體工作方式如圖2-6所示。a)輸進至一bj對，t c)插果d)四盤轉動 e)壓板歸位、圓盤轉過90 6圖2qi插果工作過程Fl醇一6 Fruitinsertingworkingprocess由于在蘋果托板和蘋果壓板上開有與蘋果插針運動軌跡相重合的弧形缺口，故在節(jié)果壓板壓下時，節(jié)果插針所在的圓盤可順利轉動。裝于節(jié)果對心氣缸推桿E的緩沖裝置可保證推桿對節(jié)果不造成機械損傷I”一?？紤]用三個氣缸來實現(xiàn)蘋果的對心有如下缺點：(1)浪費執(zhí)行元件；(2)占用空間大，使機器體積加大；可考慮采用2個氣缸米實現(xiàn)節(jié)果的對心為使節(jié)果對中順利實現(xiàn)粟用v形推板，蘋果經(jīng)v形推板的作用自動與氣缸中心線對齊，同時緩沖裝置輔助將蘋果推往對葉位置。確定方案后插果機構堤訃圖如圖27所示。圖中彈簧與緩沖裝置求畫出。馬占一一曩-全自動蘋果去皮機的設計與仿真圖27插果機構設計圖Fi醇-7 Fruit insert framework drawing225削皮機構設計a機構設計插果機構是使削皮刀沿蘋果縱向截面弧線運動的機構，此機構包括兩個導軌，分別可使刀具沿橫向和縱向運動，其控制方式為使用兩軸運動控制器控制步進電機。通過數(shù)碼攝像裝置攝取的蘋果側面曲線經(jīng)圖像處理軟件得到的蘋果側面曲線以及運動控制器所帶的軟件可準確對蘋果進行削皮加工。這種裝置的優(yōu)點是該裝置所加工的蘋果不必提前進行分級，各種形狀及大小的蘋果均可經(jīng)該裝置進行削皮。削皮機構如圖28所示。橫、豎向運動導軌均采用平行導柱兩根，在橫向導柱上設圖2-8削皮機構圖Fi928 picture of the husk framework有兩個滑塊，上導軌架固定于兩滑塊上，兩滑塊之間的距離須適當，一使兩滑塊在導柱上有足夠的移動距離以完成對蘋果的削皮動作，二是滿足上導軌架的固定要求，并且上導軌不會受力過大而過度變形。其中一個滑塊上設有絲杠螺母，利用絲杠副進行傳動，絲杠由伺服電動機驅動，在兩滑塊分別運動到各自的極限位置處時，均有限位開關防止運動過量，絲杠和電機以彈性聯(lián)軸器連接。同樣在豎向導柱上設有刀具座，該刀具座同樣可在兩導柱上滑動，當?shù)毒咦瑒拥絻蓸O限位置時有限位開關防止運動過量。刀具座上設計一圓筒，用于固定刀具，刀具插入圓筒中，圓筒的螺栓孔用于旋入一顆固定刀具用的螺釘。橫、豎兩個導軌的驅動電機均固定于方形支架上，中間的方形空間可容納聯(lián)陜兩科技大學碩七學位論文軸器。b滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)1)滾珠絲杠螺母副的特點螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉運動轉變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和力。而螺旋傳動按其螺旋副的摩擦性質不同可分為滑動螺旋(滑動摩擦)、滾動螺旋(滾動摩擦)和靜壓摩擦(流體摩擦)?；瑒勇菪Y構簡單，便于制造，易于自鎖，但其主要缺點是摩擦阻力大，傳動效率低(一般為30-40)，磨損快，傳動精度低等1131。因為所設計的削皮機構為比較精密的自動控制系統(tǒng)，故采用滾動螺旋傳動。滾動螺旋傳動具有傳動效率高、起動力矩小、傳動靈敏平穩(wěn)、工作壽命長等優(yōu)點【13】。2)滾珠絲杠副的精度選擇【H】滾珠絲杠螺母副按其使用范圍及要求分為7個精度等級。1級精度最高，其余依次逐級遞減。數(shù)控機床和精密機械可選用2、3級精度。對此削皮機構可選用2、3級精度。3)滾珠絲杠的支承【14J滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，而徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。其兩端支承的配置情況分為一端固定一端自由、兩端固定和一端固定一端浮動，如圖2-9所示。圖2-9滾珠絲杠的支承配置Fi929 Supporting configure of ballscrew圖(a)所示是一端固定一端自由的支承形式。其特點是結構簡單，軸向剛度低，適用于短絲杠及垂直布置絲杠，一般用于數(shù)控機床的調整環(huán)節(jié)和升降臺式數(shù)控銑床的垂直坐標軸。圖(b)所示是一端固定一端浮動的支承形式，絲杠軸向剛度與(a)形式相同，絲杠受熱后有膨脹伸長的余地，需保證螺母與兩支承同軸。這種形式的配置結構較復雜，工藝較困難，適用于較長絲杠或臥式絲杠。全自動蘋果去皮機的設計與仿真圖(c)所示是兩端固定的支承形式，絲杠的軸向剛度約為一端固定形式的4倍，可預拉伸，這樣既可對滾珠絲杠施加預緊力，又可使絲杠受熱變形得到補償，保持恒定預緊力，但結構工藝都較復雜，適用于長絲杠。對于豎向絲杠，采取一端固定一端自由的支承形式，橫向絲杠采取一端固定一端浮動的支承形式。4)滾珠絲杠螺母副的選擇步驟【14】(1)計算最大的工作載荷；(2)計算最大動載荷，對于靜態(tài)或低速運轉的滾珠絲杠，還需考慮最大靜載荷是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷；(3)驗算剛度；(4)壓桿穩(wěn)定性核算。因為此削皮機構的最大工作載荷較小，故省略此選擇步驟，直接選擇適當尺寸的滾珠絲杠螺母副即可。226切塊機構和卸載機構設計切塊機構、卸載機構均利用導向氣缸或者滑動導軌組成直線運動機構來完成各自功能。切塊刀設計為如圖210中所示結構，八片刀片放射型分布于大小圓環(huán)中間，刀具垂圖210切塊機構Fi薛1 0 Cutting framework圖2-11卸栽機構Fi921 1 Uninstall framework直于蘋果軸線運動可將蘋果切為八塊，中間的圓形刀刃將蘋果核切下留在蘋果插針上。卸載機構如圖21l所示，卸載托板上開有圓形槽，導向氣缸伸出可將蘋果插針座上的蘋陜西科技人手碩十學位論文果托板含入槽中，卸載氣缸推桿伸出便將蘋果核卸載。227機架及整體設計在機器(或儀器)中支承或容納零、部件的零件稱為機架。機架的設計應滿足以下要求：(1)機架的重量輕，材料選擇合適，成本低。(2)結構合理，便于制造。(3)結構應使機架上的零部件安裝、調整、修理和更換都方便。(4)結構設計合理，工藝性好，還應使機架本身的內應力小，由溫度變化引起的變形應力小。(5)抗振性能好。(6)耐腐蝕，使機架結構在服務期限內盡量減少修理。(7)有導軌的機架要求導軌面受力合理，耐磨性良好。由以上要求，初步選定機架材料為45角鋼，考慮全自動蘋果去皮機四工位應處于圓盤四周，以順利實現(xiàn)蘋果插針在四個工位的循環(huán)。機架采用平臺式結構，圓盤主軸固定于平臺中央并穿過平臺與下方的電動機相連接。插果機構是連接去皮機以及輸送裝置的部件，須滿足既與輸送帶相銜接，以順利完成蘋果從輸送帶到插果機構的傳送，還要使插果機構能夠將蘋果順利插于插針上，而且不能干涉插針的順利隨圓盤轉動。周此在平臺上設置一高于圓盤的小機架。機架的設計傲先通過載荷的校核然后選擇合適的材料，對于本機器，工作載荷較小，因此不需要載荷的校核。攝后確定整機的設計圖如圖212所示：圖2-1 2全自動蘋果去皮機整體結構圖Fi92-120verall structure drawingofthefull automatic apple peelingmachine全自動蘋果去皮機的設計與仿真3傳動機構設計計算本蘋果去皮機的主要驅動元件包括主軸伺服電動機、插果機構的下壓氣缸。主軸圓盤和削皮機構由伺服電動機驅動：插果機構、切塊機構以及卸載機構均由氣缸驅動。另外插果機構導柱上的螺旋壓縮彈簧的正確選擇也對插果機構的正常工作有重要作用。31圓盤主軸伺服電動機的選型311伺服電動機及其特點【15】伺服電動機又叫執(zhí)行電動機，或叫控制電動機。在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是一個執(zhí)行元件，它的作用是把信號(控制電壓或相位)變換成機械位移，也就是把接收到的電信號變?yōu)殡姍C的一定轉速或角位移。其容量一般在01IOOW，常用的是30W以下。伺服電動機可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。直流伺服電動機輸出功率較大，一般可達幾百瓦：交流伺服電動機輸出功率較小，一般為幾十瓦。a交流伺服電動機交流伺服電動機定子的構造基本上與電容分相式單相異步電動機相似，如圖31所示。其定子上裝有兩個位置互差90。的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓ug黜。向Uf上；另一個是控制繞組L，聯(lián)接控制信號電壓Ue。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。交流伺服電動機的轉子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調速范圍、線性的機械特性，無“自轉現(xiàn)象和快速響應的性能，它與普通電動機相比，應具有轉子電阻大和轉動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉子結構有兩種形式：一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉子，為了減小轉子的轉動慣量，轉子做得細長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子，杯壁很薄，僅0203mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉子內放置固定的內定子，如圖32所示。空心杯形轉子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩(wěn)，因此被廣泛采用。交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉子靜止不動。當有控制電壓時，定子內便產(chǎn)生一個旋轉磁場，轉子沿旋轉磁場的方向旋轉，陜曲科技人學頌十學位論文在負載恒定的情況下，電動機的轉速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉。圖3-2空心杯形轉子伺服電動機結構圖F193-2 Structure chartofthe aircore rotors servomotor交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似但前者的轉子電阻比后者大得多，所以伺服電動機與單機異步電動機相比，有三個顯著特點：1)起動轉矩大2)運行范圍較寬3)無自轉現(xiàn)象b直流伺服電動機直流伺服電動機的結構和一般直流電動機一樣，只是為了減小轉動慣量而做得細長一些。它的勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立電源供電。也有永磁式的，印磁極是永久磁鐵。通常采用電樞控制，就是勵磁電壓f一定，建立的磁通量m也是定值，而將控制電壓Ue加在電樞上，其接線圈如罔3-3所示。西臣圖3-3直流伺服電動機接線圖Fi93-3 wiring diagram ofDC servomotor直流伺服電動機的機構特性(n-“，(T1)和直流他勵電動機樣，用下式表示：n_UeKE mRaKE KT o T (3-1)圖3-4是直流伺服電動機在不同控制電壓下(Uc為額定控制電壓)的機械特性曲線。由圖可見：在定負載轉矩下，當磁通不變時，如果升高電樞電壓，電機的轉速就升高：反之，降低電樞電壓，轉速就下降：當Uc-0時，電動機立即停轉。要電動機反轉，-可改變電機電壓的極性。匿蘑全自動蘋果去皮機的設計與仿真圖3-4直流伺服電動機在不同控制電壓下(uc為額定控制電壓)的機械特性曲線Fi93-4 Mechanical property curve of DC servomomr under different control voltages(Uc is ratingcontrol voltages)交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：(1)無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低(2)定子繞組散熱比較方便(3)慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性(4)適應于高速大力矩工作狀態(tài)(5)同功率下有較小的體積和重量因此可選用交流伺服電動機作為主軸驅動電機。312伺服電動機的設計計算【6】圖3-5圓盤驅動計算Fi93-5 Disk drive calculation伺服電動機的負載有外力負載、摩擦負載和慣性負載，所以伺服電動機必須克服這些負載才能作正常的進給驅動。圓盤采用鋁合金材料，其他組件均按45鋼計算，各自的密度按如下計算：P鋁合金=2929cm，p45鋼=7859c一a驅動方式伺服電動機驅動方式有螺桿、齒條與小齒輪、定時皮帶、滾子進給、旋轉體等。由陜西科技大學碩+學位論文圖35可知該伺服電機以旋轉體方式驅動主軸組件。首先計算圓盤、插針組件及主軸的飛輪矩GD2GDl2：三98127103001064 82135(NITl2)叫=981Gp2=98109105252=25(Nmz)對于G廈，由于主軸半徑相對圓盤半徑非常小，值較小)。GD2=刪+4叫=135+4 X 25235(Nmz)再計算各部分重量(32)(33)故其飛輪矩可忽略不計(經(jīng)計算數(shù)(3-4)Gl=Dr (3-5)=(n4)X 062 X 001 X 27103+(O3004)005 X O00527103307kgG2=091kg (3-6)G3=(兀0012005+x0022 X 006+兀00252 X O16+7t0022 X 004+n0。0152 X 0075)X78103 (37)396kg所以，ZG=307+09 14+396=3 83kg (3-8)計算驅動慣性盤旋轉及軸承摩擦功率eml=等芋=等焉銣舢w 9，只。：01047 u_L1047G 療 (310)匕2=0 療 (3_lO)=01047X0005X383X981004X 15012W驅動功率Pm=Pml+Pm2=4402W (31 1)b作運轉模式圖運轉模式圖如圖3-6所示：18全自動蘋果去皮機的設計與仿真圓盤角速度oo=(x2)s，圓盤每次運轉ls，即忙1s。從運轉模式圖可得： Ta=Tb=Tr3=13sc求換算到電機軸上的轉矩， GD2 n1=375 t=：021Nm轉黧枷馓柚，圖3-6運轉模式圖Fi夠-6 Operating mode chart(312)d求換算到電機軸上的負荷慣性(JL)，：GD2 (313)I，=一 j?！?9O6(kgms2)e電機的選定表3-1 MSMD5AZPIU型電機參數(shù)表Table3-1 List ofMSMD5AZPIU type electric machine parameters系列 MSMD額定輸出功率適配驅動器型號外形分類額定轉矩(Nm)最大轉矩(Nm)額定轉速最高轉速(rpm)無制動器有制動器環(huán)境要求50WMADDTl205A型024048300050000025X 104kgm30027X 104kgm3溫度：工作0-55C，保存20-8012；工作保存、90R1-I(無結露)；海拔、16些燮：2mm(317)V 540因此取d=2mm滿足靜強度要求2)確定彈簧圈數(shù) ：焉GflLd4：亟：坐堡嬰娑：8619(3-1F8)=一=三竺L=一=萏Oly X J8FD3 8矗戤D3 8101223取支撐圈數(shù)n 7=2，則彈簧總圈數(shù)為n+n=8619+21 1 (319)3)彈簧的剛度k全自動蘋果去皮機的設計與仿真由公式計算可得：七：壘：坐2Nmm (320)k51彈簧的實際剛度則由下式計算：七：一F：!蘭!璺三：184 Nram (321)A 8103X1133插果機構執(zhí)行元件氣缸的選型91氣動執(zhí)行元件是將系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力能轉換為機械能的能量轉換裝置，主要包括氣缸和氣馬達兩大類。氣缸主要利用壓縮空氣的壓力實現(xiàn)直線往復運動，特殊氣缸也可實現(xiàn)相對轉動。331氣缸的分類及特點氣缸的種類及其分類方法比較多，按壓縮空氣壓力對活塞作用的方式，可分為單作用氣缸和雙作用氣缸；按氣缸的結構特征，可分為活塞缸、柱塞缸、膜片缸及擺動缸等；按安裝方式不同，還可分為腳座式、法蘭式、耳環(huán)式和耳軸式氣缸等；此外，按氣缸的功能應用還可分為普通氣缸和特殊氣缸等。普通氣缸是指常用活塞缸或柱塞缸等，用于安裝、功能或動作等無特殊要求的場合。a結構普通氣缸主要由缸體、前端蓋、后端蓋、活塞、活塞桿等組成，兩端蓋上設有進、排氣口，通常在端蓋內設有緩沖機構。為了防止活塞桿伸出、縮進時漏氣或外部灰塵帶入缸內，在前端蓋處內孔與活塞桿之間加設了防塵圈和密封圈。在前端蓋內孔處安裝了由耐磨材料制成的導向套，以減少活塞與端蓋之間產(chǎn)生磨損，延長氣缸的使用壽命，并保證