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

1、檳榔切割、去核自動(dòng)化加工檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)與建模設(shè)備的設(shè)計(jì)與建模 報(bào) 告 人： 何 奇 指導(dǎo)老師：周友行 教授博學(xué)篤行 盛德日新主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 檳榔參數(shù)化建模檳榔參數(shù)化建模第三章第三章 檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì) 第四章第四章 零部件三維實(shí)體模型的建立零部件三維實(shí)體模型的建立第五章第五章 小結(jié)與展望小結(jié)與展望第六章第六章 致謝致謝第一章第一章 緒論緒論1.1 檳榔簡(jiǎn)介及生產(chǎn)加工現(xiàn)狀檳榔簡(jiǎn)介及生產(chǎn)加工現(xiàn)狀 檳榔果呈圓錐形或扁圓球形，高1.53.5厘米，基部直徑1.53厘米。表面淡黃棕色，具稍凹下的網(wǎng)

2、狀溝紋質(zhì)堅(jiān)實(shí)，不易破碎，斷面可見(jiàn)棕色種皮與白色胚乳相間的大理石樣花紋。在中國(guó)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(yáng)、益陽(yáng)等地，近十幾年來(lái)，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(zhǎng)，2005年湖南檳榔加工行業(yè)銷售產(chǎn)值突破24億元，市場(chǎng)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)4050億元。檳榔簡(jiǎn)介及生產(chǎn)加工現(xiàn)狀檳榔簡(jiǎn)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(wàn)人，實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)

3、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(zhǎng)期從事檳榔加工的職業(yè)人員，在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)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。 1.2 檳榔加工的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r檳榔加工的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 在國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)已成

4、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(guó)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0150C和0215 ms。 我國(guó)的檳榔加工除在半成品制造及后續(xù)保質(zhì)期過(guò)程有較大改進(jìn)外，其食用檳榔由半成品到成品的加工過(guò)程也有大量的設(shè)計(jì)研究。其中檳榔加工設(shè)備的實(shí)用新型專利就有檳榔加工的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀檳榔加工的國(guó)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(kāi)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

5、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(kāi)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。1.3 檳榔加工設(shè)備的研究思路檳榔加工設(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(wèn)題，對(duì)檳榔篩選、送料、切割及去核過(guò)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(lái)，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(guò)程中，采用必要的定心對(duì)

6、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)檳榔加工設(shè)備的研究思路檳榔加工設(shè)備的研究思路 計(jì)內(nèi)容及報(bào)告說(shuō)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(cè)量，建立檳榔尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)，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(guò)程中的合理性。第二章第二章

7、檳榔參數(shù)化建模檳榔參數(shù)化建模2.1 檳榔尺寸數(shù)據(jù)采集檳榔尺寸數(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(kāi)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(cè)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(kù)，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(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。 2.2 檳榔尺寸數(shù)據(jù)分析檳榔尺寸數(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(guò)第三次篩分的為不能加工的檳榔殘?jiān)?，故可用于加工的檳榔?shí)際可分

8、為三組。且在振動(dòng)篩分過(guò)程中，能從篩網(wǎng)中濾過(guò)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17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)化建模檳榔參數(shù)化建模 在第二組數(shù)據(jù)中，其樣本容量檳榔參數(shù)化建模檳榔參數(shù)化建模119n 個(gè)，再由公式11niiDDn，則求得檳榔各個(gè)標(biāo)注位

9、置的基部直徑的平均值如下表所示： 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2.3 建立檳榔模型建立檳榔模型 三維模型的一般建模過(guò)程如下圖所示。檳榔參數(shù)化建模檳榔參數(shù)化建模圖1 Pro/E零件建模一般過(guò)程 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)化建模檳榔參數(shù)化建模 圖2 參數(shù)化檳榔實(shí)體圖第三章第三章 檳榔切割、去核自動(dòng)化加檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)工設(shè)備的設(shè)計(jì)3.1 檳榔加工流程分析檳榔加工流程

10、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 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(kāi)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(kāi)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)檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)3.2 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路3.2.1 對(duì)中機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)中機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)u 定心、對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)的說(shuō)明及類型定心、對(duì)中

11、夾緊機(jī)構(gòu)的說(shuō)明及類型 按定位-夾緊元件等速移動(dòng)原理來(lái)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：l 螺旋式定心夾緊機(jī)構(gòu)（如圖4-a）；l 偏心式對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)（如圖4-b）；l 斜面定心夾緊機(jī)構(gòu)（如圖4-c）；l 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(lái)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)檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì) 定心對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)的確定定心對(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(lái)保證。由此，可按定位-夾緊元件等速

12、移動(dòng)原理來(lái)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(jiǎn)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(kāi)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(kāi)后檳榔，則插針的移動(dòng)需靠針板的移動(dòng)來(lái)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)檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì) 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(lái)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

13、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)檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)3.2.2 基于對(duì)中機(jī)構(gòu)傳動(dòng)路線分析基于對(duì)中機(jī)構(gòu)傳動(dòng)路線分析 經(jīng)過(guò)分析，擬定傳動(dòng)路線圖如下所示：經(jīng)過(guò)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)檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)3.2.3 設(shè)計(jì)符合傳動(dòng)路線的機(jī)械方案設(shè)計(jì)符合傳動(dòng)路線的機(jī)械方案 通過(guò)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(jiǎn)圖如下所示。 檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的

14、設(shè)計(jì)檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì) 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)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)切刀及去核刀的結(jié)構(gòu)及安裝位置設(shè)計(jì)u 分析檳榔進(jìn)行切割及去核的動(dòng)作特點(diǎn) u 確定實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)u 實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)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)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(guò)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

15、、推、回、停運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用擺線-等速-簡(jiǎn)諧-多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線實(shí)現(xiàn) ） 通過(guò)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 檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的設(shè)計(jì)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)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(guò)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)齒輪齒條傳動(dòng)設(shè)計(jì) 第四章第四章 零部件三維實(shí)體模型的建立零部件三維實(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

16、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 壓塊零部件三維實(shí)體模型的建立零部件三維實(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 齒輪軸零部件三維實(shí)體模型的建立零部件三維實(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(kāi)端蓋 圖4.14 底座底板圖4.15 叉形零件 圖4.16 緊定螺桿零部件三維實(shí)體模型的建立零部件三維實(shí)體模型的建立 零部件組裝 在Proe/E的裝配過(guò)程中，如果零部件過(guò)多，可考慮分步裝配。對(duì)于本設(shè)備，可依據(jù)

17、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(jiàn)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(kāi)功能，可視為第二條裝配主線（裝配見(jiàn)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(jiàn)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)，可視為第四條裝配主線（裝配見(jiàn)圖4.20）；零部件三維實(shí)體模型的建立零部件三維實(shí)體模型的建立 其五，支撐平臺(tái)上裝有齒條，齒條上鉸接去核刀控制去核動(dòng)作的進(jìn)行，可視為第五條裝配主線（裝配見(jiàn)圖4.21）。 圖4.21 支承平臺(tái)裝配 圖4.17

18、 底座裝配 圖4.18 傳動(dòng)螺桿裝配 圖4.19 刀架裝配 圖4.20 齒輪軸裝配零部件三維實(shí)體模型的建立零部件三維實(shí)體模型的建立 總裝 分步裝配成以上五個(gè)主體后，再以底座為基體（總裝圖中設(shè)為缺?。瑢⑵溆嗨膫€(gè)組件依次裝配起來(lái)，然后將其余標(biāo)準(zhǔn)件（如螺釘、螺母等）按裝配關(guān)系裝入，即可得到檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備的總裝圖。 圖4.22 檳榔切割、去核自動(dòng)化加工設(shè)備第五章第五章 小結(jié)與展望小結(jié)與展望u 小結(jié)小結(jié) 建立了檳榔尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)，分組分析，并對(duì)檳榔實(shí)體進(jìn)行參數(shù)化建模； 對(duì)檳榔的加工流程進(jìn)行分析，著重考慮了切割與去核這兩大加工工序； 擬定了正確的傳動(dòng)路線，確定了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的三大主體機(jī)構(gòu)，即螺旋對(duì)中定心夾緊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并對(duì)三大機(jī)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)切割與去核功能進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)； 依據(jù)設(shè)計(jì)思路對(duì)零部件的功能作用再一次進(jìn)行闡述，利用Pro/E建立了三維實(shí)體模型，并將所有零部件進(jìn)行總裝分析。 小結(jié)與展望小結(jié)與展望u 不足不足 本文僅是對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)部分進(jìn)行闡述與介紹，其電氣控制部分還有待進(jìn)一步分析研究。 由于時(shí)間有限，我們還來(lái)不及