檳榔切割去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)與建模

會(huì)計(jì)學(xué)1檳榔切割去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)與建模機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering第一章緒論1.1檳榔簡介及生產(chǎn)加工現(xiàn)狀

檳榔果呈圓錐形或扁圓球形，高1.5～3.5厘米，基部直徑1.5～3厘米。表面淡黃棕色，具稍凹下的網(wǎng)狀溝紋質(zhì)堅(jiān)實(shí)，不易破碎，斷面可見棕色種皮與白色胚乳相間的大理石樣花紋。在中國內(nèi)地，海南雖是檳榔產(chǎn)地，但其檳榔干果主要銷往湘潭、株洲、衡陽、益陽等地，近十幾年來，隨著湖南檳榔文化的興起與發(fā)展，湖南已然成為檳榔最大銷售地。從2003年至2005年，湖南檳榔加工產(chǎn)值以年均25%的速度增長，2005年湖南檳榔加工行業(yè)銷售產(chǎn)值突破24億元，市場占有率達(dá)85%以上。2005年湖南檳榔加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)值35億元。2007年湖南檳榔加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)值達(dá)40～50億元。第1頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering檳榔簡介及生產(chǎn)加工現(xiàn)狀

據(jù)湖南省檳榔協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2005年全省正規(guī)檳榔加工企業(yè)1000多家，從業(yè)人員30萬人，實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)值35億元。至目前為止，湘潭市檳榔產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值突破50個(gè)億，成為極具影響力和舉足輕重的食品龍頭產(chǎn)業(yè)。但是檳榔成品的制作加工依舊以傳統(tǒng)的手工加工為主，自動(dòng)化程度相對(duì)低下，在人為因素情況下嚴(yán)重影響了檳榔生產(chǎn)加工的效率和質(zhì)量，而且對(duì)于長期從事檳榔加工的職業(yè)人員，在生產(chǎn)作業(yè)過程中因裸手操作，手部皮膚經(jīng)常接觸檳榔煙果和鹵水，并涉及一些去核等機(jī)械操作，這將對(duì)手部接觸皮膚造成一定損害。第2頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering1.2檳榔加工的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

在國外，檳榔產(chǎn)地十分重視種植業(yè)的發(fā)展和檳榔綜合加工技術(shù)的研究。印度和泰國對(duì)食用檳榔綜合加工技術(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)研究。1999年以后，印度食用檳榔加工業(yè)發(fā)展迅速。目前國內(nèi)已成立多家檳榔加工企業(yè)，主要集中在卡納塔克邦。專業(yè)技術(shù)和設(shè)備公司生產(chǎn)并提供檳榔脫果機(jī)、鍋爐、干燥機(jī)等加工配套設(shè)備。泰國制造的一種檳榔干制設(shè)備，類似于風(fēng)速儀，它可以準(zhǔn)確地將風(fēng)溫、風(fēng)速分別控制在0～150°C和0．2～1．5m／s。我國的檳榔加工除在半成品制造及后續(xù)保質(zhì)期過程有較大改進(jìn)外，其食用檳榔由半成品到成品的加工過程也有大量的設(shè)計(jì)研究。其中檳榔加工設(shè)備的實(shí)用新型專利就有第3頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering檳榔加工的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

十多項(xiàng)，包括楊支剛的“自動(dòng)給料檳榔三開切片機(jī)”、張三進(jìn)的“手持式檳榔切割機(jī)構(gòu)及其改良”、劉鐵軍的“檳榔自動(dòng)剖切機(jī)”、吳瑛的“檳榔加工機(jī)”、林雙慶的“多層式立體檳榔篩選機(jī)”、文繼烈的“檳榔切片機(jī)”以及胡斌的“全自動(dòng)檳榔加工設(shè)備”等。但由于各種原因，專利項(xiàng)目實(shí)際投入開發(fā)應(yīng)用的較少，因而目前食用檳榔的主要加工流程仍以手工為主。第4頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering1.3檳榔加工設(shè)備的研究思路

本課題針對(duì)目前檳榔手工加工中存在的質(zhì)量、效率及對(duì)職業(yè)加工人員的皮膚損傷問題，對(duì)檳榔篩選、送料、切割及去核過程進(jìn)行全面分析，結(jié)合目前檳榔加工的實(shí)際情況，研究設(shè)計(jì)出一套檳榔篩選、送料、切割及去核的設(shè)備，使檳榔實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)加工，以提高檳榔加工效率。在設(shè)計(jì)中，為減少電機(jī)的數(shù)量，縮小設(shè)備的占用體積，我們采用齒輪齒條傳動(dòng)與凸輪機(jī)構(gòu)聯(lián)合起來，實(shí)現(xiàn)切刀的上下移動(dòng)和去核刀的前后運(yùn)動(dòng)。此外，在檳榔切割過程中，采用必要的定心對(duì)中機(jī)構(gòu)，避免檳榔切割后兩邊不勻，從而保證檳榔加工的質(zhì)量。本課題總體研究共分位機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣控制兩部分，但考慮到畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間有限，并征得指導(dǎo)老師準(zhǔn)許，其設(shè)第5頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering檳榔加工設(shè)備的研究思路

計(jì)內(nèi)容及報(bào)告說明均以能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)為主。主要工作內(nèi)容包括以下三個(gè)方面：其一，對(duì)檳榔關(guān)鍵部位尺寸進(jìn)行測量，建立檳榔尺寸數(shù)據(jù)庫，利用Pro/E進(jìn)行檳榔實(shí)體的參數(shù)化建模；其二，對(duì)檳榔的加工流程進(jìn)行分析，擬定正確的傳動(dòng)路線方案，設(shè)計(jì)出實(shí)用的夾緊裝置及加工設(shè)備，繪制出完整的二維裝配草圖；其三，利用Pro/E建立所有零部件的三維實(shí)體模型，并裝配成組件圖，分析零件裝配過程中的合理性。第6頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering第二章檳榔參數(shù)化建模2.1檳榔尺寸數(shù)據(jù)采集

由于檳榔干果個(gè)體幾何外形并不規(guī)則且尺寸的變化范圍較大，而欲使檳榔切開均勻，則必須保證檳榔夾緊機(jī)構(gòu)中檳榔外形槽模型的準(zhǔn)確性。因而需對(duì)檳榔關(guān)鍵部位的尺寸進(jìn)行測量，并選取大小不同的多組檳榔數(shù)據(jù)建立檳榔尺寸數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行分組，而后作近似處理，再利用Pro/E進(jìn)行檳榔的參數(shù)化建模，為了使得到的數(shù)據(jù)具有客觀性，我們隨機(jī)提取了一袋檳榔（共約190個(gè)）對(duì)基部直徑和徑向長度進(jìn)行測量。

第7頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering2.2檳榔尺寸數(shù)據(jù)分析

檳榔的篩選機(jī)構(gòu)為三層式立體振動(dòng)篩分機(jī)，其中經(jīng)過第三次篩分的為不能加工的檳榔殘?jiān)士捎糜诩庸さ臋壚茖?shí)際可分為三組。且在振動(dòng)篩分過程中，能從篩網(wǎng)中濾過的檳榔必須滿足其最大基部直徑小于篩網(wǎng)的寬度，因而在1～7組基部直徑中，我們采取第4組（其基部直徑最大）數(shù)據(jù)進(jìn)行分組。從三組表中得知，第一組數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量為53個(gè)，占樣本容量的27.9%；第二組數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量為119個(gè)，占樣本容量的62.6%；第三組數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量為18個(gè)，占樣本容量的9.5%。我們不妨選取第二組數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，并綜合分析各個(gè)位置的基部直徑大小，再結(jié)合數(shù)學(xué)方法，便可求出一些對(duì)建模有意義的表征參數(shù)。檳榔參數(shù)化建模第8頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering

在第二組數(shù)據(jù)中，其樣本容量檳榔參數(shù)化建模個(gè)，再由公式，則求得檳榔各個(gè)標(biāo)注位置的基部直徑的平均值如下表所示：位置樣本12345678平均值0.851.351.591.971.691.551.005.18

表1第二組數(shù)據(jù)樣本平均值（單位：CM）

檳榔基部直徑標(biāo)注位置圖第9頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering2.3建立檳榔模型三維模型的一般建模過程如下圖所示。檳榔參數(shù)化建模圖1Pro/E零件建模一般過程第10頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering檳榔參數(shù)化建模首先，我們引進(jìn)相關(guān)的參變量，并將參變量賦予表中對(duì)應(yīng)的平均值以及一些符合實(shí)際的參數(shù)；其次，建立相互關(guān)聯(lián)的表達(dá)式；再次，利用旋轉(zhuǎn)、剪切、倒圓角、著色等指令畫出檳榔的三維實(shí)體如圖2所示。檳榔參數(shù)化建模

圖2參數(shù)化檳榔實(shí)體圖第11頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering第三章檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)3.1檳榔加工流程分析

檳榔工藝加工流程如下所示。

圖3檳榔工藝加工流程圖第12頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering檳榔機(jī)械加工分析

觀察檳榔工藝加工流程圖不難得出，真正影響檳榔加工效率和不容易保證加工質(zhì)量的加工步驟為檳榔切割與去核。而考慮到食用檳榔的大小均勻及檳榔核的再度利用，因而保證檳榔對(duì)中切開具有重大的實(shí)際意義。本課題以檳榔切割與去核為主要研究對(duì)象，在保證檳榔對(duì)中切開的同時(shí)，還應(yīng)使所設(shè)計(jì)的加工設(shè)備占用體積盡可能小、所用驅(qū)動(dòng)盡可能少、加工效率盡可能高以及加工成本盡可能低。

檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)第13頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering3.2設(shè)計(jì)思路3.2.1對(duì)中機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)定心、對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)的說明及類型

按定位-夾緊元件等速移動(dòng)原理來實(shí)現(xiàn)定心對(duì)中夾緊此類定心夾緊機(jī)構(gòu)包括以下四種：螺旋式定心夾緊機(jī)構(gòu)（如圖4-a）；偏心式對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)（如圖4-b）；斜面定心夾緊機(jī)構(gòu)（如圖4-c）；杠桿定心夾緊機(jī)構(gòu)（如圖4-d）。按定位-夾緊元件均勻彈性變形原理來實(shí)現(xiàn)定心夾緊檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)第14頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)第15頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering定心對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)的確定從輸送帶上的檳榔落下后，檳榔隨即被檳榔壓塊壓緊，而檳榔被壓緊需靠檳榔兩壓塊的相對(duì)移動(dòng)來保證。由此，可按定位-夾緊元件等速移動(dòng)原理來實(shí)現(xiàn)定心對(duì)中夾緊，而在圖4所示的四種夾緊機(jī)構(gòu)中，螺旋式定心夾緊機(jī)構(gòu)不但具有設(shè)計(jì)簡單，自鎖性好，制造方便等優(yōu)點(diǎn)，而且，利用左右不同的正、反向螺旋能很好地保證定心對(duì)中的準(zhǔn)確性；再者，檳榔切開后去核動(dòng)作的繼續(xù)進(jìn)行，需要確保檳榔壓塊分離后仍使檳榔固定在壓塊上，我們?cè)O(shè)想用檳榔插針緊固切開后檳榔，則插針的移動(dòng)需靠針板的移動(dòng)來保證。而插針的時(shí)間與位置要求相檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)第16頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering

當(dāng)嚴(yán)格，且插針亦需確保對(duì)中要求，這些在螺旋式定心對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)中很容易得到保證。只需在螺桿兩邊增加兩段螺紋來控制針板的移動(dòng)：左右螺紋旋向相反，保證插針與拔針的同時(shí)性；同一邊兩段螺紋螺距不等，保證檳榔壓塊與針板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。綜上分析，選取圖4（a）所示的螺旋式定心夾緊機(jī)構(gòu)為檳榔加工設(shè)備夾緊檳榔時(shí)的對(duì)中機(jī)構(gòu)。檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)第17頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering3.2.2基于對(duì)中機(jī)構(gòu)傳動(dòng)路線分析經(jīng)過分析，擬定傳動(dòng)路線圖如下所示：

檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)第18頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering3.2.3設(shè)計(jì)符合傳動(dòng)路線的機(jī)械方案

通過上述傳動(dòng)路線的分析，結(jié)合夾具設(shè)計(jì)基本要求及零件的裝配原理，現(xiàn)擬定符合傳動(dòng)路線的機(jī)械方案簡圖如下所示。檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)第19頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering其動(dòng)作特點(diǎn)主要有五種：（1）插針；（2）切割；（3）去核；（4）拔針；（5）回位。檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)3.2.4切刀及去核刀的結(jié)構(gòu)及安裝位置設(shè)計(jì)分析檳榔進(jìn)行切割及去核的動(dòng)作特點(diǎn)確定實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置第20頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)3.2.5控制切刀上下運(yùn)動(dòng)的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪選型（本文通過分析選擇移動(dòng)凸輪）凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇（本文選擇將基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合以提高性能，其停、推、回、停運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用擺線-等速-簡諧-多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線實(shí)現(xiàn)）通過設(shè)計(jì)計(jì)算繪制凸輪輪廓曲線

圖7控制切刀運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)凸輪輪廓曲線圖第21頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)3.2.6控制去核刀前后運(yùn)動(dòng)的溝槽凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)計(jì)算，得出溝槽凸輪輪廓曲線如下圖所示。

圖8控制去核刀運(yùn)動(dòng)的溝槽凸輪輪廓曲線圖3.2.7齒輪齒條傳動(dòng)設(shè)計(jì)

第22頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering第四章零部件三維實(shí)體模型的建立

基于第三章對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)及齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算，在滿足傳動(dòng)路線的條件下，以Pro/E軟件為載體，建立了實(shí)現(xiàn)檳榔切割與去核機(jī)構(gòu)的所有零部件的三維實(shí)體模型。主要零部件建模圖4.1底座圖4.3傳動(dòng)螺桿圖4.2壓塊第23頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering零部件三維實(shí)體模型的建立圖4.4滑塊圖4.5針板圖4.6支承平臺(tái)圖4.7齒條圖4.8齒輪軸第24頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering零部件三維實(shí)體模型的建立圖4.9去核刀圖4.10箱蓋圖4.12軸承閉端蓋其他零部件建模圖4.11軸承

圖4.13軸承開端蓋

圖4.14底座底板圖4.15叉形零件

圖4.16緊定螺桿第25頁/共30頁機(jī)械工程學(xué)院SchoolofMechanicalEngineering零部件三維實(shí)體模型的建立零部件組裝在Proe/E的裝配過程中，如果零部件過多，可考慮分步裝配。對(duì)于本設(shè)備，可依據(jù)其實(shí)現(xiàn)的功能原理分五條主線分步裝配，再將分步組件圖總裝。其一，底座為支撐及定位部件，為基體，可視為第一條裝配主線（裝配見圖4.17）；其二，傳動(dòng)螺桿為傳動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)插針、拔針、檳榔夾緊松開功能，可視為第二條裝配主線（裝配見圖4.18）；其三，切刀刀架實(shí)現(xiàn)檳榔的切割功能，可視為第三條裝配主線（裝配見圖4.19）；其四，齒輪軸作為主動(dòng)部件，控制齒條的前后移動(dòng)，可視