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蘋果自動(dòng)去皮機(jī)
摘要
現(xiàn)階段我國蘋果的生產(chǎn)相對(duì)較好，但是在加工方面和西方國家相比就有相當(dāng)大的差距，在加工自動(dòng)化方面更是落后。我國現(xiàn)在水果罐頭行業(yè)的發(fā)展相對(duì)比較樂觀，并且消費(fèi)者對(duì)水果罐頭的需求越來越大。水果罐頭需求大，當(dāng)然少不了蘋果罐頭，但我國現(xiàn)有的蘋果去皮設(shè)備中存在著不少問題，比如大型設(shè)備體積龐大，加工過程蘋果容易受污染，且不適合小型企業(yè)加工，另外有一部分設(shè)備需要靠人工將蘋果逐個(gè)插到固定針上，這樣很容易造成工人受傷事故。
本文設(shè)計(jì)的蘋果自動(dòng)去皮機(jī)主要適用于小型蘋果罐頭加工企業(yè)，不再需要人工將蘋果逐個(gè)插到固定針上，而是采用自動(dòng)檢測系統(tǒng)，通過氣缸將蘋果插到固定針上。有手靠近蘋果托盤是機(jī)器將不動(dòng)作，這樣就減少了不必要的人員事故。本設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括蘋果自動(dòng)去皮機(jī)總體設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、零件尺寸設(shè)計(jì)及計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)件的選擇、重要部分強(qiáng)度校核等。并且還繪制了所需零件的所有CAD圖和PROE整裝圖。
關(guān)鍵詞：水果罐頭，蘋果自動(dòng)去皮機(jī)，設(shè)計(jì)
Abstract
At the present stage, apple production in China is relatively good. But there is still a considerable gap in the aspect of processing compared with western countries, especially more backward in terms of process automation. In our country the development of canned fruit industry is recently boom recently, at the same time the demand for canned fruit is growing with more and more consumers loving them. Canned fruit is in great demand, so it is canned apple. However, there are still many troubles in our existing apple peeling devices, such as the large volume of large scale equipment, apple being vulnerable to pollution in the process procedure, as well as unsuitable for small business processing. Another drawback is that some devices depend on artificial to insert apple one by one into fixing pins, which is easy to cause injury accidents.
Apple peeling machine automatically in this artical is mainly targeted at small apple canned food processing enterprises. Instead of depending on artificial to insert apples one by one into fixing pins, the design brings to automatic test system and apples are inserted into fixing pins through the cylinder. We can find out one advantage is that the machine doesn’t work if workers’ hands close to apple tray so as to reduce the unnecessary accidents and improve the security. The design mainly includes the overall design of automatic apple peeling machine, detailing design, the design and calculation of component size, the choice of the standard component, and the intensity check to important part. What’s more, all CDA chart and PROE diagram of all necessary components are drawed well.
Keywords: canned fruit, apple automatic peeling machine, design
II
目錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 本設(shè)計(jì)研究的目的與意義 1
1.2 現(xiàn)階段國內(nèi)蘋果去皮方式 1
1.3 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)的研究狀況及存在問題 2
1.3.1 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)的研究狀況 2
1.3.2 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)存在問題 2
1.4 本設(shè)計(jì)研究內(nèi)容、方法及方向 3
1.4.1 本設(shè)計(jì)研究內(nèi)容 3
1.4.2 本設(shè)計(jì)采用的方法 3
1.4.3 本設(shè)計(jì)未來發(fā)展方向 3
2 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)方案確定 4
2.2 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)組成 4
2.2.1 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)工作原理 4
2.2.2 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)結(jié)構(gòu)組成 4
2.3 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)工作流程 4
3 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)確定 6
3.1 送料機(jī)構(gòu)的確定 6
3.1.1 送料機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 6
3.1.2 送料機(jī)構(gòu)組件的確定 6
3.2 工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 8
3.2.1 直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì) 9
3.2.2 直齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì) 12
3.3 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)去皮及蘋果固定裝置 19
3.3.1 刀架的設(shè)計(jì) 19
3.3.2 刀片的設(shè)計(jì) 19
3.3.2 蘋果固定裝置 20
4電機(jī)的選擇 21
4.1 確定電機(jī)類型 21
4.2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 21
5 軸設(shè)計(jì)校核及軸承的選擇 25
5.1 短軸的設(shè)計(jì) 25
5.2 短軸的校核 26
5.3 軸承的選擇 29
6 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)仿真圖 30
結(jié)束語 31
參考文獻(xiàn) 32
致 謝 33
1 緒論
1.1 本設(shè)計(jì)研究的目的與意義
由于水果罐頭行業(yè)發(fā)展快速，且水果罐頭行業(yè)發(fā)展前景相對(duì)較樂觀，故不少小型水果罐頭企業(yè)如雨后春筍般出現(xiàn)，企業(yè)要加工過罐頭首要問題就是加工設(shè)備，對(duì)生產(chǎn)蘋果罐頭的企業(yè)而言，蘋果自動(dòng)去皮設(shè)備是重中之重，相對(duì)大型罐頭企業(yè)應(yīng)用的大型流水線型的生產(chǎn)方式，對(duì)小型加工企業(yè)并不適合，因此廣大加工廠家就迫切需要有一種小型蘋果自動(dòng)去皮設(shè)備的出現(xiàn)，且該設(shè)備生產(chǎn)效率要高，安全性高。本設(shè)計(jì)就是響應(yīng)廣大廠家的要求，設(shè)計(jì)出能夠很好適用于小型罐頭加工企業(yè)。該設(shè)計(jì)產(chǎn)品還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）能自動(dòng)檢測員工是否在手放于蘋果固定針下，能防止員工誤操作造成人工事故；2）該產(chǎn)品生產(chǎn)效率高，將蘋果果肉損耗減少到最低；3）該產(chǎn)品還能對(duì)其他水果去皮，如梨。該產(chǎn)品的出現(xiàn)對(duì)小型水果罐頭加工過廠家有著很大的幫助，對(duì)國內(nèi)整個(gè)水果罐頭行業(yè)的發(fā)展有個(gè)積極的推到作用。
1.2 現(xiàn)階段國內(nèi)蘋果去皮方式
1）手工去皮
手工去皮有以下優(yōu)點(diǎn):蘋果去皮徹底；果肉損耗小。但是手工去皮有不少缺點(diǎn)，如去皮效率低、人工去皮成本高、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此手工去皮的方法并不適合于企業(yè)加工。
圖1-1 手搖去皮機(jī)
2）半機(jī)械去皮
半機(jī)械去皮又可以分成兩類：一是手搖式去皮機(jī)，二是機(jī)械帶動(dòng)式去皮機(jī).
(1)手搖式去皮機(jī)特點(diǎn)：
由人工將水果（如蘋果、梨子等）插在不銹鋼制的三叉上，插時(shí)花蒂對(duì)準(zhǔn)中心線。搖動(dòng)手柄使主齒輪傳動(dòng)，并傳動(dòng)三叉齒輪而使果實(shí)一起動(dòng)。主動(dòng)輪另一端的傘齒輪傳動(dòng)去皮傘齒輪而使果實(shí)去皮。去皮結(jié)束后，手動(dòng)將蘋果拔掉。該種方式去皮效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合于生產(chǎn)使用，但適合于普通家庭及個(gè)人使用。
(2)機(jī)械帶動(dòng)式去皮機(jī)特點(diǎn)：
機(jī)械帶動(dòng)式去皮機(jī)與手搖去皮最大的區(qū)別在于動(dòng)力來源。加工方式與手搖式相同，這種方式相對(duì)于手搖式效率有所提高，但仍然不適合于生產(chǎn)使用。
1.3 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)的研究狀況及存在問題
1.3.1 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)的研究狀況
現(xiàn)階段國內(nèi)外蘋果自動(dòng)去皮機(jī)送果方式分為單果和多果。
(1)單果自動(dòng)去皮機(jī)
該種蘋果自動(dòng)去皮機(jī)一次只能加工一個(gè)蘋果，首先人工在蘋果放置于蘋果托盤上，由托盤自動(dòng)將蘋果置于插針上，再完成去皮的過程。該蘋果去皮機(jī)體積小，移動(dòng)方便，而且加工效率較高。該種去皮方式是目前企業(yè)比較流行的去皮機(jī)種，特別是在小型企業(yè)中占一大部分份額。
(2)多果自動(dòng)去皮機(jī)
多果自動(dòng)去皮機(jī)工作原理是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(nèi)，氣缸推桿伸出帶動(dòng)升降板及其上的電動(dòng)機(jī)、插針等一同向下移動(dòng)，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(dòng)機(jī)帶動(dòng)插針、蘋果一起旋轉(zhuǎn)，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(jī)每臺(tái)機(jī)器至少一人、甚至兩人負(fù)責(zé)放果和卸果，該去皮機(jī)效率相對(duì)來說不高，在目前的罐頭行業(yè)中使用也較少。
1.3.2 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)存在問題
不同種類的去皮機(jī)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，同樣都存在或多或少的問題，如人搖去皮機(jī)，操作人員的體力勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率很低；電機(jī)帶動(dòng)的去皮機(jī)則減少了操作人員的體力勞動(dòng)，但是在操作過程中在安裝蘋果時(shí)存在安全隱患，如果操作不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致人身事故；多果自動(dòng)去皮機(jī)則在效率上比之前的都要高，但操作機(jī)器時(shí)需要多個(gè)人員，成本高。上述自動(dòng)去皮機(jī)想要提高生產(chǎn)效率就要加強(qiáng)操作者的熟練程度，對(duì)新手來說是一較大的挑戰(zhàn)。
1.4 本設(shè)計(jì)研究內(nèi)容、方法及方向
1.4.1 本設(shè)計(jì)研究內(nèi)容
本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是既安全又高效的蘋果自動(dòng)去皮機(jī)，其中主要部分是蘋果去皮。該機(jī)器還包括切瓣和去核功能。本論文的主要思路為蘋果自動(dòng)去皮機(jī)整機(jī)分析設(shè)計(jì)、各部分機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算、主要部件的強(qiáng)度校核和干涉實(shí)驗(yàn)等。
1.4.2 本設(shè)計(jì)采用的方法
經(jīng)過查閱目前蘋果自動(dòng)去皮機(jī)的相關(guān)資料，互聯(lián)網(wǎng)查看蘋果去皮機(jī)工作視頻，綜合比較各種蘋果去皮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，廠家對(duì)產(chǎn)品的要求，類比之后設(shè)計(jì)了該蘋果自動(dòng)去皮機(jī)。
1.4.3 本設(shè)計(jì)未來發(fā)展方向
因本設(shè)計(jì)集合了目前不同種類蘋果自動(dòng)去皮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但仍然會(huì)有局限性，如不適合大型企業(yè)加工，不是采用全自動(dòng)方式而是需要人工放果。該去皮機(jī)的發(fā)展方向是提高生產(chǎn)效率，盡量減輕人工勞動(dòng)量，提高蘋果果肉損失率。
2 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)總體方案設(shè)計(jì)
2.1 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)方案確定
經(jīng)過比較市場上現(xiàn)有的蘋果去皮設(shè)備，還有該設(shè)計(jì)去皮機(jī)主要用途，確定設(shè)計(jì)一款小型的蘋果自動(dòng)去皮機(jī)。市場上大型的生產(chǎn)設(shè)備就是一整天生產(chǎn)線，從蘋果的挑選，然后洗滌，再去皮去核，這種大型的設(shè)備可以減少人工，降低工人勞動(dòng)量，但是這種不適合于小型企業(yè)的發(fā)展，因設(shè)備成本高，管理生產(chǎn)線對(duì)員工要求也高，還有就是設(shè)備需要維修時(shí)維修費(fèi)用高。另外目前市場上也有小型的蘋果去皮設(shè)備，機(jī)器可以完成去皮和去核兩個(gè)過程的工作。這種設(shè)備能滿足一般小型企業(yè)的生產(chǎn)要求，且價(jià)格也在小型企業(yè)的接受范圍之內(nèi)。
本文設(shè)計(jì)的就是適合于小型企業(yè)的蘋果自動(dòng)去皮機(jī)。采用PLC及步進(jìn)電機(jī)控制整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的間歇運(yùn)動(dòng)，插果則采用氣缸，另外該去皮機(jī)能夠檢測是否有蘋果置于托盤上，和操作人的手是否離開工作臺(tái)，只有蘋果托盤上有蘋果且操作員手離開托盤設(shè)備才工作，這樣能夠很好確保操作員的人身安全，降低生產(chǎn)事故。
2.2 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)組成
2.2.1 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)工作原理
首先操作員將挑選并洗滌好的蘋果置于氣缸軸上的托盤上，傳感器檢測到信號(hào)后傳給PLC控制中心，同時(shí)還有個(gè)紅外檢測操作員手的設(shè)備，當(dāng)檢測到人手離開時(shí)，該信號(hào)也會(huì)傳給控制中心，控制中心的接到兩信號(hào)之后，大約1s后氣缸動(dòng)作，將蘋果插入蘋果固定架上，之后步進(jìn)電機(jī)工作，蘋果固定架上電機(jī)工作，完成整個(gè)去皮過程，下一個(gè)工作周期開始，新的蘋果插入蘋果固定架時(shí)，之前一個(gè)蘋果在同樣氣缸的工作下完成切瓣、去核工作。就完成了一個(gè)蘋果從去皮到切半的過程。
2.2.2 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)結(jié)構(gòu)組成
該蘋果自動(dòng)去皮機(jī)主要包括送料裝置氣缸和蘋果托盤；去皮裝置刀架、刀片及轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪；蘋果旋轉(zhuǎn)裝置小型電機(jī)；動(dòng)力裝置步進(jìn)電機(jī)。另外附屬裝置轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)及軸承。
2.3 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)工作流程
整個(gè)設(shè)備的正確運(yùn)行是在控制中心PLC程序的控制下完成的，程序指令控制著設(shè)備的每一步操作，其工作流程圖如下：
圖2-1 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)工作流程圖
3 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)確定
3.1 送料機(jī)構(gòu)的確定
3.1.1 送料機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)方式的送料方式是人工將蘋果插入蘋果固定針上，然后在轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)一定的位置，再進(jìn)行去皮操作。傳統(tǒng)方式效率低且蘋果不容易插入固定針上，操作時(shí)需要操作員使用較大力氣，這樣操作人員體力勞動(dòng)強(qiáng)度就較大。本設(shè)計(jì)的送料方式則采用氣壓裝置，氣壓頂桿上有一個(gè)蘋果托盤，操作員只需要將蘋果置于托盤中即可。托盤中裝有光電傳感器，能檢測到托盤中是否放置蘋果。沒有則氣缸不會(huì)工作。另外再托盤的正上方裝有紅外檢測裝置，能夠檢測操作人員的手是否離開托盤，從而可以防止人身事故的發(fā)生，提高了產(chǎn)品的安全性。設(shè)計(jì)簡圖如下：
蘋果托盤
氣缸
圖3-1 送料裝置簡圖
3.1.2 送料機(jī)構(gòu)組件的確定
1) 確定氣缸型號(hào)
圖3-2 氣缸型號(hào)代碼
圖3-3 氣缸規(guī)格
圖3-4 氣缸行程
選擇氣缸主要參數(shù)是行程，因?yàn)橐獙⑻O果送往一定的高度，初步確定氣缸型號(hào)為，該氣缸帶有感應(yīng)磁石，可以用霍爾傳感器來控制氣缸行程。從而更好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。
2） 氣缸的控制
設(shè)計(jì)中沒有對(duì)氣缸其他設(shè)備進(jìn)行確定，如氣壓泵，管道等。本設(shè)計(jì)中的蘋果自動(dòng)去皮機(jī)氣缸控制采用PLC來控制與氣缸連接的雙電磁鐵直動(dòng)式換向閥，PLC通過采集光電傳感器和紅外檢測裝置的信號(hào)來控制氣缸的整個(gè)工作。另外通過霍爾傳感器來反饋氣缸動(dòng)作桿的位置，從而能夠準(zhǔn)確的將蘋果送至工作臺(tái)上的蘋果固定針上。
圖3-5 雙電磁鐵直動(dòng)式換向閥
3） 蘋果托盤
蘋果托盤的形狀類似于生活中小孩子吃飯用的不銹鋼碗，在也有不同的是在托盤底部有一個(gè)短小的鋼針用來固定蘋果，防止蘋果在氣缸上升的過程中掉落或者側(cè)翻。大概形狀如下：
圖3-6 蘋果托盤
該托盤采用不銹鋼制作而成，底部通過焊接頂桿與氣缸頂桿相連，從而實(shí)現(xiàn)托盤的上下運(yùn)動(dòng)，完成將蘋果送至固定針上的動(dòng)作。
3.2 工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，一是工作臺(tái)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，二是刀架固定桿的轉(zhuǎn)動(dòng)。且刀架固定桿轉(zhuǎn)動(dòng)比較特殊，兩個(gè)刀架固定桿位置對(duì)稱，但是運(yùn)動(dòng)方向卻相反，因此采用直齒圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)則采用直齒圓柱齒輪。
3.2.1 直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)
直齒錐齒輪加工多為刨齒，不宜采用硬齒面。材料選用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為241HB~286HB，取平均硬度為260HB。
計(jì)算步驟如下（查圖、表均來自于《機(jī)械設(shè)計(jì)》第四版 邱宣懷主編）：
1）齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
齒數(shù)z
取z=24，
由表12.6得精度等級(jí)
選精度為8級(jí)精度
查表12.9得使用壽命
=1.0
查圖12.9得動(dòng)載系數(shù)
=1.1
齒間載荷分配系數(shù)
（表12.19）
（式12.6）
(式12.10)
齒向載荷分布系數(shù)，查表12.20及注3得
載荷系數(shù)
查表12.12得彈性系數(shù),查圖12.16得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù),查圖12.17c得接觸疲勞極限，查表12.14得接觸最小安全系數(shù)為：
設(shè)計(jì)時(shí)不考慮機(jī)器壽命因素得接觸壽命系數(shù)
許用接觸應(yīng)力
（式12.11）
齒輪大端分度圓直徑，取齒寬系數(shù)
2） 確定傳動(dòng)主要尺寸
大端模數(shù)
查《機(jī)械原理》第七版附表5-6 錐齒輪模數(shù)（摘自GB12368-90）取
實(shí)際大端分度圓直徑為
錐距
齒寬
取
3） 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
查圖12.30得齒形系數(shù)，查圖12.31得應(yīng)力修正系數(shù)得
重合度系數(shù)
（式12.18）
齒間載荷分配系數(shù)
載荷系數(shù)
查圖12.33c得彎曲疲勞極限，查表12.14得彎曲最小安全系數(shù)，不考慮壽命因素得彎曲壽命系數(shù)，查圖12.25得尺寸系數(shù)為：
許用彎曲應(yīng)力
（式12.19）
驗(yàn)算
因此該齒輪滿足強(qiáng)度要求。
傳動(dòng)方式如圖
圖3-7 錐齒輪傳動(dòng)
3.2.2 直齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì)
因傳動(dòng)尺寸無嚴(yán)格限制，無嚴(yán)重過載，固小齒輪選用材料為，調(diào)質(zhì)處理，硬度為241HB~286HB，平均取為260HB，大齒輪選用材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為229HB~286HB，平均取為240HB。計(jì)算步驟如下（查表、圖來自于《機(jī)械設(shè)計(jì)》第四版 邱宣懷主編）：
1) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
1.初步計(jì)算
查表12.13得齒寬系數(shù)
查圖12.17c得接觸疲勞強(qiáng)度
初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力
查表12.16取
初步計(jì)算的小齒輪直徑
（式12.14）
取
初步齒寬
取
2. 校核計(jì)算
查表12.6得精度等級(jí)
選8級(jí)精度
齒數(shù)和模數(shù)
初步齒數(shù)
查（《機(jī)械原理》第七版 鄭文緯 吳克堅(jiān) 主編）附表5-6 錐齒輪模數(shù)（摘自GB12368-90）得，則
查表12.9得使用系數(shù)，查圖12.9得動(dòng)載系數(shù)
齒間載荷分配系數(shù)
由表12.10，先求
（式12.6）
（式12.10）
查表12.11得齒向載荷分布系數(shù)
載荷系數(shù)
查表12.12得彈性系數(shù)，查圖12.16得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù),接觸最小安全系數(shù)
接觸壽命系數(shù)
許用接觸應(yīng)力
驗(yàn)算
（式12.8）
計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。
3. 確定傳動(dòng)主要尺寸
實(shí)際分度圓直徑，因模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，齒輪已重新確定，但并未圓整，故分度圓直徑不會(huì)改變，即
中心距
齒寬
取
2） 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
重合度系數(shù)
齒間載荷分配系數(shù)
查圖12.14得齒向載荷分布系數(shù)
載荷系數(shù)
查圖12.21得齒形系數(shù)，查圖12.22應(yīng)力修正系數(shù)，查圖12.23c彎曲疲勞極限，查表12.14彎曲最小安全系數(shù)
彎曲壽命系數(shù)
尺寸系數(shù)
許用彎曲應(yīng)力
驗(yàn)算
(式12.16)
經(jīng)驗(yàn)算強(qiáng)度合格。
傳動(dòng)方式如圖：
圖3-8 直齒輪傳動(dòng)
3.3 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)去皮及蘋果固定裝置
3.3.1 刀架的設(shè)計(jì)
蘋果自動(dòng)去皮機(jī)刀架工作時(shí)主要是自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，其次還有跟著工作臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。蘋果固定在固定針上時(shí)，蘋果以較快的速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)刀架上的刀片貼著蘋果，這樣就達(dá)到了去皮的效果。刀架在去皮的過程中還有上下運(yùn)動(dòng)的一個(gè)過程，這樣才能保證將蘋果的皮去干凈，如果刀架不能隨著蘋果的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)的話，那只會(huì)在一個(gè)部位進(jìn)行切削。這樣就達(dá)不到去皮的作用。
每將一個(gè)去皮后，刀架的位置都是在蘋果的底部位置，因此需要用彈簧來將刀架復(fù)位才能進(jìn)行下一次的蘋果去皮。刀架在運(yùn)動(dòng)時(shí)不能與蘋果托盤及蘋果固定針發(fā)生干涉現(xiàn)象，另外也不能與蘋果切瓣、去核裝置發(fā)生干涉現(xiàn)象，需要調(diào)節(jié)安裝在刀架上的兩個(gè)彈簧，從而達(dá)到比較理想的效果。刀架的效果圖如下：
圖3-9 刀架位置簡圖
刀架會(huì)隨著蘋果的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下擺動(dòng)，因此設(shè)計(jì)了可以調(diào)節(jié)的裝置，并配上彈簧。彈簧能夠是刀片離開蘋果時(shí)能恢復(fù)初始位置，且保持穩(wěn)定。
3.3.2 刀片的設(shè)計(jì)
刀片在蘋果去皮過程中有著非常重要的作用，且刀片角度對(duì)蘋果去皮效果相當(dāng)明顯。刀片角度不合適時(shí)，會(huì)切掉很大部分的蘋果果肉，這樣就浪費(fèi)原材料。刀片固定在刀架上，角度能夠調(diào)節(jié)，合適的角度需要在實(shí)驗(yàn)中得到。在給蘋果去皮的過程中，不斷的調(diào)節(jié)刀片角度，知道去皮效果達(dá)到理想值時(shí)固定刀片。
一般蘋果首先需要經(jīng)過粗略的挑選，因?yàn)橛行┨O果形狀不適合固定角度刀片的切削，去皮時(shí)刀片對(duì)蘋果大小要求不高，主要是形狀要規(guī)則，不能有大的凸起或者凹陷。
刀片的形狀跟平常家用的手動(dòng)去皮器具相同，平常家用的去皮器是依靠人來掌握去皮的厚度，速度也是由操作人控制，熟練的人很快就能將蘋果削好，且切皮完整。該蘋果自動(dòng)去皮機(jī)要達(dá)到的效果是切皮完整且厚度均勻。
圖3-10 家用去皮工具
3.3.2 蘋果固定裝置
蘋果由氣缸送至蘋果固定針上，然后在電機(jī)的帶動(dòng)下，蘋果以一定速度旋轉(zhuǎn)，刀片貼緊蘋果，通過相互運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到去皮的作用。
固定針需要在旋轉(zhuǎn)時(shí)提供一定的摩擦力，防止不能使蘋果轉(zhuǎn)動(dòng)的情況發(fā)生。因此在設(shè)計(jì)時(shí)在蘋果固定針周圍刻一些花紋，用來增加蘋果與固定針之間的作用力。固定針簡圖如下：
圖3-11 蘋果固定針簡圖
4 電機(jī)的選擇
4.1 確定電機(jī)類型
電機(jī)是整個(gè)設(shè)備的動(dòng)力來源，該蘋果自動(dòng)去皮機(jī)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)直接由電機(jī)控制，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)包括間歇運(yùn)動(dòng)，連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)，還有停止。因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)慣性，停止慣性要求非常高。而且電機(jī)的運(yùn)動(dòng)要容易控制。由于本蘋果自動(dòng)去皮機(jī)采用PLC進(jìn)行控制，所以電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
圖4-1 步進(jìn)電機(jī)
4.2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
1）步進(jìn)電機(jī)基本參數(shù)
(1) 電機(jī)固有步距角
(2) 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)
(3) 轉(zhuǎn)矩
2） 確定蘋果自動(dòng)去皮機(jī)工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
經(jīng)過查閱相關(guān)資料后確定工作臺(tái)電機(jī)選用110系列電機(jī)，110系列電機(jī)參數(shù)如下：
表4-1 110系列步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
110系列電機(jī)
絕緣電阻: 500VDC 100MW Min
軸向間隙: 0.1~0.3mm
徑向跳動(dòng): 0.02mm Max
溫 升: 65K Max
絕緣強(qiáng)度: 550V 50Hz 1Minute
環(huán)境溫度: -20°C~+55°C
絕緣等級(jí): B
型號(hào)
步距角(°)
保持轉(zhuǎn)矩
(Nm)
靜態(tài)相電流(A)
相電阻 (W)
相電感 (mH)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(g.cm.s2)
重量(Kg)
110BH2A100-504
1.8
12.7
5.0
0.95
15
5500
5.0
110BH2A150-654
21
6.5
1.15
18.9
11000
8.4
110BH2A165-604
26
6.0
0.65
14
13000
9.5
110BH2A200-654
30
6.5
1.7
22.5
16200
11.7
型號(hào)
長度:L
110BH2A100-504
100mm
110BH2A150-654
150mm
110BH2A165-604
165mm
110BH2A200-654
200mm
選用110系列電機(jī)中110BH2A200-654這一型號(hào)電機(jī)，該電機(jī)步距角1.8°，保持轉(zhuǎn)矩30NM。長度L為150mm.
3） 確定蘋果去皮旋轉(zhuǎn)電機(jī)
蘋果在固定針上隨著工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，自身也會(huì)快速的旋轉(zhuǎn)。速度比工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度快好幾倍，但是也要能夠及時(shí)停止，工作。因此對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要求也較高。最終也確定選用步進(jìn)電機(jī)。由于蘋果轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要的力比較小，所以對(duì)步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩要求相對(duì)較低。查閱步進(jìn)電機(jī)手冊(cè)確定選用以下系列電機(jī)。
表4-2 57系列步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
57系列電機(jī)
絕緣電阻: 500VDC 100MW Min
軸向間隙: 0.1~0.3mm
徑向跳動(dòng): 0.02mm Max
溫 升: 65K Max
絕緣強(qiáng)度: 550V 50Hz 1Minute
環(huán)境溫度: -20°C~+55°C
絕緣等級(jí): B
型號(hào)
步距角(°)
保持轉(zhuǎn)矩
(Nm)
靜態(tài)相電流(A)
相電阻 (W)
相電感 (mH)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(g.cm.s2)
重量(Kg)
57BH2A41-148
1.8
0.5
1.4
1.4
1.4
135
0.4
57BH2A56-288
1
2.8
0.75
1.2
300
0.7
57BH2A76-288
1.47
2.8
1
2.1
480
1.0
57BH2A76-304
2
3
1.3
5.0
480
1.0
單位：mm
L: 57BH2A41-148=41
L: 57BH2A56-288=56
L: 57BH2A76-288=76
L: 57BH2A76-304=76
確定選用型號(hào)為57BH2A76-304的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為1.8°，保持轉(zhuǎn)矩2NM，機(jī)身長度L為76mm.
5 軸設(shè)計(jì)校核及軸承的選擇
5.1 短軸的設(shè)計(jì)
1） 短軸最小直徑的確定
選取軸的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），查資料得：
軸的最小直徑
材料相關(guān)系數(shù)
表16.2 軸強(qiáng)度計(jì)算公式的系數(shù)
軸的材料
Q235，20
Q255，Q275，35
45
40Cr,38SiMnMo等
12
15
20
25
30
35
40
45
52
160
148
135
125
118
112
106
102
98
資料來源：《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第四版） 邱宣懷 主編
求得輸入軸的最小直徑
考慮軸要開鍵槽所以
2） 短軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采用以下軸上零件的裝配方案：
由于該軸最左端安裝刀架，因此設(shè)計(jì)了的螺紋，便于固定刀架。
安裝齒輪處的軸段的直徑
齒輪采用軸肩和螺栓進(jìn)行定位。
圓錐齒輪的周向定位采用平鍵連接，由《機(jī)械制圖（第五版）》附錄附表15和附表16查得平鍵截面：
鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為24mm，同時(shí)為保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的尺寸公差為。
取軸端倒角為
5.2 短軸的校核
1)軸受力圖
2)水平面（xy平面）受力圖
3)水平彎矩圖
4)垂直（xz平面）受力圖
5)垂直面彎矩圖
6)合成彎矩圖
7) 轉(zhuǎn)矩圖
8) 當(dāng)量彎矩圖
9) 軸強(qiáng)度校核
=
=
故軸安全。
5.3 軸承的選擇
1)短軸上軸承的選擇
因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力，但由于此錐齒輪轉(zhuǎn)速很慢，所以軸向力可以忽略，主要就是徑向力，故選用深溝球軸承，參照工作要求并根據(jù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版）附錄 常用滾動(dòng)軸承尺寸和主要性能參數(shù)》附錄表18.1 深溝球軸承 GB/T 276中初步選取軸承代號(hào)6304，其尺寸為，采用軸肩進(jìn)行軸向定位，取中間一段軸直徑。
2） 長軸上軸承的選擇
由于工作筒全部有安裝在長軸上一個(gè)軸承承擔(dān)，所以該軸承承受的軸向力較大，深溝球軸承雖然可以承受小部分的軸向力，但是考慮壽命及經(jīng)濟(jì)因素，確定使用推力球軸承，該種軸承只能受單向軸向載荷。由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版）附錄 常用滾動(dòng)軸承尺寸和主要性能參數(shù)》附錄表18.5 推力球軸承 GB/T 1\292確定選用軸承代號(hào)為7204C，其尺寸為。
6 蘋果自動(dòng)去皮機(jī)仿真圖
圖6-1
圖6-2
結(jié)束語
經(jīng)過一個(gè)多月的設(shè)計(jì)和查閱相關(guān)資料，終于完成了蘋果自動(dòng)去皮機(jī)的設(shè)計(jì)。從畢業(yè)選題開始到最終確定畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，到開始方案設(shè)計(jì)，再到設(shè)計(jì)文章的完成，每一步都是自己對(duì)未知事物的探索和挑戰(zhàn)。在大學(xué)期間能獨(dú)立完成一個(gè)這么大的項(xiàng)目，對(duì)自己也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)過程中，查閱了大學(xué)期間專業(yè)課書籍，對(duì)大學(xué)所學(xué)的知識(shí)專業(yè)知識(shí)從頭到尾重新整理了一遍。另外在設(shè)計(jì)過程中也查閱了機(jī)械手冊(cè)及其他手冊(cè)，學(xué)會(huì)了如何利用身邊的工具書進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。雖然設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)了一些小問題，但是在老師和同學(xué)的幫助下，很多問題都迎刃而解。
經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我受益頗多，我感受到要做好一件事就要真正的用心，只有自己用心之做了，不管結(jié)果怎么樣，在做的過程中才是自己真正增長知識(shí)的過程，只有經(jīng)歷這樣的過程自己才能夠真正的成長。相信這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我以后的工作及人生會(huì)有很大的幫助，使我終身受益。
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致 謝
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書、裝配圖及其PROE立體圖的完成，首先要感謝我的指導(dǎo)老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)裝配圖及其說明書編制過程中，給予了精心的指導(dǎo)，并講解了各項(xiàng)專業(yè)要領(lǐng)，提出了寶貴的專業(yè)意見，蘋果自動(dòng)去皮機(jī)設(shè)計(jì)過程中，也要感謝曾經(jīng)的科任教師，是他們的之前的精心指導(dǎo)和教學(xué)才使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠按期完成，另外還要感謝同學(xué)的無私幫助。同時(shí)要感謝百忙之中參加畢業(yè)答辯的評(píng)審老師。祝老師們身體健康、事事順利，同學(xué)們前程似錦。謝謝。
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