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本科畢業(yè)論文（設(shè)計）完成情況登記表
姓 名
性 別
男
學(xué) 號
學(xué) 院
工學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級
機(jī)制092
論文（設(shè)計）題目
蘋果去皮機(jī)機(jī)械設(shè)計
論文（設(shè)計）完成提交時間
2013年5月15日
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指導(dǎo)教師（簽名）：
時 間：
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蘋果去皮機(jī)
指導(dǎo)老師：
摘要：分析了我國水果罐頭的行業(yè)的現(xiàn)狀，根據(jù)行業(yè)弊端提出行業(yè)加工領(lǐng)域的機(jī)械化、連續(xù)化程度的重要性。本設(shè)計內(nèi)容主要包括蘋果去皮機(jī)的總體設(shè)計、內(nèi)部傳動設(shè)計以及傳動部分的計算、校核和部分標(biāo)準(zhǔn)件的選擇等，描述了機(jī)器的工作原理。本設(shè)計在手搖式蘋果去皮機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了蘋果去皮的自動化。
關(guān)鍵字：蘋果去皮機(jī)；齒輪傳動；設(shè)計
0前言
隨著我國水果罐頭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及世界其他國家對水果罐頭越來越多的需求，我國水果罐頭出口的發(fā)展面臨著良好的機(jī)遇。我國果品罐頭產(chǎn)品在國際市場上占據(jù)絕對優(yōu)勢和一定的市場份額【1】。盡管高新技術(shù)在我國果品加工業(yè)得到了逐步應(yīng)用，加工裝備水平也得到了明顯提高，但是由于缺乏有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)與管家制造技術(shù)，造成了我國果品加工業(yè)總體與加工裝備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(jìn)技術(shù)的掌握、使用、引進(jìn)、消化能力差。以蘋果罐頭為例：目前蘋果罐頭加工的主要工序仍要停留在人工操作水平上，機(jī)械化水平極低，這將在很大程度上限制生產(chǎn)效率及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
相比于蘋果生產(chǎn)，我國蘋果加工業(yè)整體能力薄弱，發(fā)展明顯弱勢，機(jī)械自動化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方國家【1】。蘋果削皮是罐頭加工企業(yè)所必須的工藝流程，目前去皮設(shè)備大多都停留在手動去皮程度，靠人工轉(zhuǎn)動手柄、手動將蘋果逐個插到固定針上或者手工持刀去皮，不僅生產(chǎn)效率低，費(fèi)時、費(fèi)力、勞動強(qiáng)度大，而且很容易造成工傷事故；因此設(shè)計開發(fā)一種自動化蘋果去皮能有效地解決加工過程自動化及連續(xù)化水平低的問題，降低勞動強(qiáng)度和事故率，對其他果品加工也同樣適用。
1．蘋果去皮機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景
1.1蘋果去皮機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
據(jù)調(diào)查，當(dāng)前蘋果去皮機(jī)大體可以分為以下幾種【2】：
1.1.1手工去皮
手工去皮的優(yōu)點(diǎn)是細(xì)致，去皮徹底，損耗小。缺點(diǎn)是速度慢、功效低、成本高。對于生產(chǎn)量較大的情況下，手工去皮是無法適應(yīng)的【2】。
1.1.2半機(jī)械去皮
半機(jī)械去皮是借助于機(jī)具將果品固定在一個位置上，并使其轉(zhuǎn)動，然后用刀將皮削去。常見的機(jī)具有兩種：
（1）手搖去皮機(jī) 該機(jī)主要應(yīng)用于蘋果、梨子、柿子的去皮。其工作原里是：將果實(shí)插在不銹鋼制的三叉上，插時花蒂對準(zhǔn)中心線。搖動手柄使主齒輪傳動，并傳動三叉齒輪而使果實(shí)一起動。主動輪另一端的傘齒輪傳動去皮傘齒輪而使果實(shí)去皮。去皮結(jié)束后，手動將蘋果拔掉。該機(jī)的生產(chǎn)效率隨操作者的熟練程度而定。
（2）手動去皮機(jī) 上面介紹的手搖去皮機(jī)其動力是靠人。手動去皮機(jī)其動力是電機(jī)，將果品的花芯對準(zhǔn)中心線并插在不銹鋼的三叉上，叉由電機(jī)來傳動，在果品的另一端加頂針，然后手持去皮刀隨果品弧度去皮，削皮結(jié)束后放開頂針，用手拔掉果品。該機(jī)的生產(chǎn)效率、去皮厚度及均勻程度隨操作者的熟練程度而定。
1.2蘋果去皮機(jī)應(yīng)用展望
目前，還有很大部分企業(yè)在蘋果加工方面均采用手搖式蘋果去皮機(jī)。該機(jī)械結(jié)構(gòu)小巧，方便實(shí)用，并且容易制造加工。但隨著人們生活水平的提高，很多人不愿意直接動手操作機(jī)械，希望能有一些電動控制工具，以節(jié)省人力。傳統(tǒng)的蘋果去皮機(jī)，不論是生產(chǎn)效率還是生產(chǎn)質(zhì)量，根本不能滿足使用要求，急切需要能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制的蘋果去皮機(jī)。所以本系統(tǒng)設(shè)計將針對傳統(tǒng)蘋果去皮機(jī)的一些缺陷，提出優(yōu)化的改進(jìn)，在動力源方面采用電動機(jī)和齒輪傳動，實(shí)現(xiàn)利用機(jī)電技術(shù)控制的蘋果去皮機(jī)設(shè)計，以滿足各企業(yè)對蘋果生產(chǎn)制作的要求，增強(qiáng)蘋果類食品開發(fā)國內(nèi)外市場的潛力和實(shí)力【3】。
2. 去皮機(jī)設(shè)計
2.1去皮機(jī)整體工藝
一般蘋果罐頭的生產(chǎn)工藝為【4】 ：蘋果挑選->洗滌->去皮、清洗->切半、控芯->真空浸漬->瀝水->烘烤->裝罐->排氣、密封->殺菌、冷卻->貼標(biāo)貯藏。
本論文主要討論去皮工藝自動化過程，整個去皮經(jīng)過的裝置為：儲料倉->傾斜式輸送帶->行星撥輪機(jī)構(gòu)->機(jī)械手上料裝置->去皮機(jī)構(gòu)。
蘋果在向上傾斜式輸送帶上輸送：蘋果的形狀特征（畸形蘋果除外）決定蘋果只有上下兩面可以在傾斜輸送帶上停留，蘋果由儲料倉進(jìn)去輸送帶的時候，若蘋果側(cè)面垂直于輸送帶則蘋果滾落。輸送帶的傾角可根據(jù)簡單實(shí)驗(yàn)測試得到，決定傾角的條件為：蘋果上下面垂直于輸送帶時可順利運(yùn)輸，其他情況則蘋果滾落。
行星撥輪機(jī)構(gòu)是典型的整理及輸送裝置，在這里主要用來將蘋果按一定時間間隔送至機(jī)械手抓取蘋果工位。
2.2去皮機(jī)的設(shè)計
為提高生產(chǎn)效率并使成本增幅盡量減小，采用結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械手自動上料，雙向轉(zhuǎn)盤完成蘋果上料、削皮工位轉(zhuǎn)換。根據(jù)加工品形狀特征，蘋果削皮采用蘋果自轉(zhuǎn)仿形道具徑向移動的方式。
2.2.1去皮機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理
其中供料機(jī)械手采用三爪氣缸式 可自動對心將蘋果對中地插在插針6上。各爪內(nèi)側(cè)采用三角形槽面可靠地夾取蘋果防止脫落。
機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示氣缸推桿的運(yùn)動決定手爪的運(yùn)動規(guī)律，滑桿3與手爪4形成滑動幅當(dāng)推桿做伸運(yùn)動時，滑桿上滑，手爪張開蘋果脫離；縮運(yùn)動時，手爪閉合，抓取蘋果。
去皮機(jī)主要由供料機(jī)械手、蘋果工位轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)臺、刀具驅(qū)動裝置三個主要部分組成， 如圖2所示 去皮機(jī)工作的前提是為其提供一供料裝置，該供料裝置應(yīng)使蘋果均以蘋果梗向上或向下的狀態(tài)停在固定位置，以供機(jī)械手夾取蘋果。去皮機(jī)工作流程圖如圖3所示 機(jī)械臂、轉(zhuǎn)臺、插針以及搖臂的旋轉(zhuǎn)均采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動傳動；系統(tǒng)采用齒輪傳動；卸載托圈在導(dǎo)軌上的滑動采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，利用絲杠將電動機(jī)旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化為托圈的直線運(yùn)動。該機(jī)中各運(yùn)動部件的極限及關(guān)鍵位置均設(shè)置限位開關(guān)，用以控制各運(yùn)動部件在關(guān)鍵位置的啟動與停止。
2.2.2去皮仿形道具設(shè)計
該刀具設(shè)計圖如圖4所示。為便于觀察，將其外部構(gòu)件半剖并設(shè)為透明顯示。其刀刃采用鋸齒狀設(shè)計，使其容易切穿果皮；其外部構(gòu)件保證其刀刃切入深度保持在一定限度內(nèi)，防止過分削皮乃至浪費(fèi)了果肉部分。其刀具座上以及刀具上均有卡槽，可用卡環(huán)將刀片固定于刀座上。而刀座插入外部構(gòu)件的圓形孔內(nèi)，并以螺絲固定，刀具的外部構(gòu)件尾部設(shè)有方形孔此方形孔用以仿形刀電磁鐵銜鐵的插入并固定。切削蘋果時，以彈簧繃緊刀具貼于蘋果表面達(dá)到仿形加工的目的；非切削時電磁鐵通電將銜鐵吸起，仿形刀具可參考家用水果削皮機(jī)的刀具，并在尺寸 外部構(gòu)件及刀具形狀上有所改進(jìn)。該刀具結(jié)構(gòu)簡單巧妙，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
2.2.3系統(tǒng)的實(shí)用性分析
機(jī)械手擁有較大的操作空間和高度的運(yùn)動冗余性，具有廣闊的應(yīng)用前景。很多大型制造業(yè)使用的機(jī)械手產(chǎn)品多來自于日本和歐美的一些制造業(yè)大國。這些企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械手價格高昂，國內(nèi)的大多數(shù)中小型企業(yè)難以承擔(dān)，目前我國的加工制造業(yè)還基本處于半自動化狀態(tài)本設(shè)計研制的機(jī)械手經(jīng)濟(jì)實(shí)用，結(jié)構(gòu)簡單，對中精度較高，非常適合中小型加工企業(yè)，另外它的動作由氣缸驅(qū)動，氣缸又由相應(yīng)的電磁閥控制，控制系統(tǒng)使用，可使整體體積小、可靠性高、故障率低、動作精度高，對于質(zhì)量較小的水果，也可以直接采用手抓氣缸進(jìn)行抓取選用時應(yīng)綜合考慮成本及產(chǎn)品特征。
該設(shè)計只是針對蘋果去皮工藝設(shè)計的工位結(jié)構(gòu)，若考慮后續(xù)的切塊過程，可在轉(zhuǎn)臺上增加2個工位 轉(zhuǎn)臺每次旋轉(zhuǎn)900第1工位:蘋果插針；第2工位:方向加工去皮；第3工位:切塊；第4工位：蘋果核剝離。其轉(zhuǎn)動角度完全可以通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，該部分具有很大的靈活性。
3總結(jié)
通過對蘋果去皮機(jī)工作原理的精確分析以及各部件的理論設(shè)計，確定了全自動蘋果去皮機(jī)的整體設(shè)計方案 首次將蘋果去皮機(jī)推向全自動無人監(jiān)管形式，更好地提高了生產(chǎn)效率避免了工傷事故的發(fā)生，從某種程度上緩解了企業(yè)的研發(fā)及創(chuàng)新能力薄弱，技術(shù)落后的現(xiàn)狀【5】。
4.參考文獻(xiàn)
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[2] 孔繁霽. 利用CAPP技術(shù)提高企業(yè)的工藝管理水平 [J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2003
[3] 范志新. 液晶器件工藝基礎(chǔ)[M]. 北京:郵電大學(xué)出版社, 2000.
[4] 張啟運(yùn). 釬焊手冊[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1999.
[5] 王文斌. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.
- 5 -
蘋果自動去皮機(jī)
摘要
現(xiàn)階段我國蘋果的生產(chǎn)相對較好，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)展相對比較樂觀，并且消費(fèi)者對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插到固定針上，這樣很容易造成工人受傷事故。
本文設(shè)計的蘋果自動去皮機(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插到固定針上，而是采用自動檢測系統(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)器將不動作，這樣就減少了不必要的人員事故。本設(shè)計內(nèi)容主要包括蘋果自動去皮機(jī)總體設(shè)計、零件設(shè)計、零件尺寸設(shè)計及計算、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，蘋果自動去皮機(jī)，設(shè)計
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 蘋果自動去皮機(jī)的研究狀況及存在問題 2
1.3.1 蘋果自動去皮機(jī)的研究狀況 2
1.3.2 蘋果自動去皮機(jī)存在問題 2
1.4 本設(shè)計研究內(nèi)容、方法及方向 3
1.4.1 本設(shè)計研究內(nèi)容 3
1.4.2 本設(shè)計采用的方法 3
1.4.3 本設(shè)計未來發(fā)展方向 3
2 蘋果自動去皮機(jī)總體方案設(shè)計 4
2.1 蘋果自動去皮機(jī)方案確定 4
2.2 蘋果自動去皮機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)組成 4
2.2.1 蘋果自動去皮機(jī)工作原理 4
2.2.2 蘋果自動去皮機(jī)結(jié)構(gòu)組成 4
2.3 蘋果自動去皮機(jī)工作流程 4
3 蘋果自動去皮機(jī)運(yùn)動機(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 6
3.1.2 送料機(jī)構(gòu)組件的確定 6
3.2 工作臺轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的確定 8
3.2.1 直齒圓錐齒輪的設(shè)計 9
3.2.2 直齒圓柱齒輪的設(shè)計 12
3.3 蘋果自動去皮機(jī)去皮及蘋果固定裝置 19
3.3.1 刀架的設(shè)計 19
3.3.2 刀片的設(shè)計 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)計校核及軸承的選擇 25
5.1 短軸的設(shè)計 25
5.2 短軸的校核 26
5.3 軸承的選擇 29
6 蘋果自動去皮機(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，對生產(chǎn)蘋果罐頭的企業(yè)而言，蘋果自動去皮設(shè)備是重中之重，相對大型罐頭企業(yè)應(yīng)用的大型流水線型的生產(chǎn)方式，對小型加工企業(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)計就是響應(yīng)廣大廠家的要求，設(shè)計出能夠很好適用于小型罐頭加工企業(yè)。該設(shè)計產(chǎn)品還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）能自動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)品還能對其他水果去皮，如梨。該產(chǎn)品的出現(xiàn)對小型水果罐頭加工過廠家有著很大的幫助，對國內(nèi)整個水果罐頭行業(yè)的發(fā)展有個積極的推到作用。
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，插時花蒂對準(zhǔn)中心線。搖動手柄使主齒輪傳動，并傳動三叉齒輪而使果實(shí)一起動。主動輪另一端的傘齒輪傳動去皮傘齒輪而使果實(shí)去皮。去皮結(jié)束后，手動將蘋果拔掉。該種方式去皮效率低，勞動強(qiáng)度大，不適合于生產(chǎn)使用，但適合于普通家庭及個人使用。
(2)機(jī)械帶動式去皮機(jī)特點(diǎn)：
機(jī)械帶動式去皮機(jī)與手搖去皮最大的區(qū)別在于動力來源。加工方式與手搖式相同，這種方式相對于手搖式效率有所提高，但仍然不適合于生產(chǎn)使用。
1.3 蘋果自動去皮機(jī)的研究狀況及存在問題
1.3.1 蘋果自動去皮機(jī)的研究狀況
現(xiàn)階段國內(nèi)外蘋果自動去皮機(jī)送果方式分為單果和多果。
(1)單果自動去皮機(jī)
該種蘋果自動去皮機(jī)一次只能加工一個蘋果，首先人工在蘋果放置于蘋果托盤上，由托盤自動將蘋果置于插針上，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)多果自動去皮機(jī)
多果自動去皮機(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)，氣缸推桿伸出帶動升降板及其上的電動機(jī)、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(jī)帶動插針、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強(qiáng)度大，效率很低；電機(jī)帶動的去皮機(jī)則減少了操作人員的體力勞動，但是在操作過程中在安裝蘋果時存在安全隱患，如果操作不當(dāng)則會導(dǎo)致人身事故；多果自動去皮機(jī)則在效率上比之前的都要高，但操作機(jī)器時需要多個人員，成本高。上述自動去皮機(jī)想要提高生產(chǎn)效率就要加強(qiáng)操作者的熟練程度，對新手來說是一較大的挑戰(zhàn)。
1.4 本設(shè)計研究內(nèi)容、方法及方向
1.4.1 本設(shè)計研究內(nèi)容
本設(shè)計研究的主要內(nèi)容是既安全又高效的蘋果自動去皮機(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去皮機(jī)整機(jī)分析設(shè)計、各部分機(jī)構(gòu)的設(shè)計及計算、主要部件的強(qiáng)度校核和干涉實(shí)驗(yàn)等。
1.4.2 本設(shè)計采用的方法
經(jīng)過查閱目前蘋果自動去皮機(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)，廠家對產(chǎn)品的要求，類比之后設(shè)計了該蘋果自動去皮機(jī)。
1.4.3 本設(shè)計未來發(fā)展方向
因本設(shè)計集合了目前不同種類蘋果自動去皮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但仍然會有局限性，如不適合大型企業(yè)加工，不是采用全自動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，盡量減輕人工勞動量，提高蘋果果肉損失率。
2 蘋果自動去皮機(jī)總體方案設(shè)計
2.1 蘋果自動去皮機(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)計去皮機(jī)主要用途，確定設(shè)計一款小型的蘋果自動去皮機(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)線對員工要求也高，還有就是設(shè)備需要維修時維修費(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，且價格也在小型企業(yè)的接受范圍之內(nèi)。
本文設(shè)計的就是適合于小型企業(yè)的蘋果自動去皮機(jī)。采用PLC及步進(jìn)電機(jī)控制整個轉(zhuǎn)臺的間歇運(yùn)動，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，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 蘋果自動去皮機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)組成
2.2.1 蘋果自動去皮機(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，傳感器檢測到信號后傳給PLC控制中心，同時還有個紅外檢測操作員手的設(shè)備，當(dāng)檢測到人手離開時，該信號也會傳給控制中心，控制中心的接到兩信號之后，大約1s后氣缸動作，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，完成整個去皮過程，下一個工作周期開始，新的蘋果插入蘋果固定架時，之前一個蘋果在同樣氣缸的工作下完成切瓣、去核工作。就完成了一個蘋果從去皮到切半的過程。
2.2.2 蘋果自動去皮機(jī)結(jié)構(gòu)組成
該蘋果自動去皮機(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)動齒輪；蘋果旋轉(zhuǎn)裝置小型電機(jī)；動力裝置步進(jìn)電機(jī)。另外附屬裝置轉(zhuǎn)動平臺及軸承。
2.3 蘋果自動去皮機(jī)工作流程
整個設(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 蘋果自動去皮機(jī)工作流程圖
3 蘋果自動去皮機(jī)運(yùn)動機(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
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)盤帶動下轉(zhuǎn)動一定的位置，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，操作時需要操作員使用較大力氣，這樣操作人員體力勞動強(qiáng)度就較大。本設(shè)計的送料方式則采用氣壓裝置，氣壓頂桿上有一個蘋果托盤，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
圖3-2 氣缸型號代碼
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)自動化控制。
2） 氣缸的控制
設(shè)計中沒有對氣缸其他設(shè)備進(jìn)行確定，如氣壓泵，管道等。本設(shè)計中的蘋果自動去皮機(jī)氣缸控制采用PLC來控制與氣缸連接的雙電磁鐵直動式換向閥，PLC通過采集光電傳感器和紅外檢測裝置的信號來控制氣缸的整個工作。另外通過霍爾傳感器來反饋氣缸動作桿的位置，從而能夠準(zhǔn)確的將蘋果送至工作臺上的蘋果固定針上。
圖3-5 雙電磁鐵直動式換向閥
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，完成將蘋果送至固定針上的動作。
3.2 工作臺轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的確定
工作臺轉(zhuǎn)動時有兩個運(yùn)動，一是工作臺自身的轉(zhuǎn)動，二是刀架固定桿的轉(zhuǎn)動。且刀架固定桿轉(zhuǎn)動比較特殊，兩個刀架固定桿位置對稱，但是運(yùn)動方向卻相反，因此采用直齒圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動，工作臺的轉(zhuǎn)動則采用直齒圓柱齒輪。
3.2.1 直齒圓錐齒輪的設(shè)計
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。
計算步驟如下（查圖、表均來自于《機(jī)械設(shè)計》第四版 邱宣懷主編）：
1）齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算
齒數(shù)z
取z=24，
由表12.6得精度等級
選精度為8級精度
查表12.9得使用壽命
=1.0
查圖12.9得動載系數(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)計時不考慮機(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。
傳動方式如圖
圖3-7 錐齒輪傳動
3.2.2 直齒圓柱齒輪的設(shè)計
因傳動尺寸無嚴(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。計算步驟如下（查表、圖來自于《機(jī)械設(shè)計》第四版 邱宣懷主編）：
1) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算
1.初步計算
查表12.13得齒寬系數(shù)
查圖12.17c得接觸疲勞強(qiáng)度
初步計算的許用接觸應(yīng)力
查表12.16取
初步計算的小齒輪直徑
（式12.14）
取
初步齒寬
取
2. 校核計算
查表12.6得精度等級
選8級精度
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 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. 確定傳動主要尺寸
實(shí)際分度圓直徑，因模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)時，齒輪已重新確定，但并未圓整，故分度圓直徑不會改變，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。
傳動方式如圖：
圖3-8 直齒輪傳動
3.3 蘋果自動去皮機(jī)去皮及蘋果固定裝置
3.3.1 刀架的設(shè)計
蘋果自動去皮機(jī)刀架工作時主要是自身的轉(zhuǎn)動，其次還有跟著工作臺一起轉(zhuǎn)動。蘋果固定在固定針上時，蘋果以較快的速度旋轉(zhuǎn)，此時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)動的一個過程，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)動而上下運(yùn)動的話，那只會在一個部位進(jìn)行切削。這樣就達(dá)不到去皮的作用。
每將一個去皮后，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)動時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
刀架會隨著蘋果的轉(zhuǎn)動而上下擺動，因此設(shè)計了可以調(diào)節(jié)的裝置，并配上彈簧。彈簧能夠是刀片離開蘋果時能恢復(fù)初始位置，且保持穩(wěn)定。
3.3.2 刀片的設(shè)計
刀片在蘋果去皮過程中有著非常重要的作用，且刀片角度對蘋果去皮效果相當(dāng)明顯。刀片角度不合適時，會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，去皮時刀片對蘋果大小要求不高，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)的帶動下，蘋果以一定速度旋轉(zhuǎn)，刀片貼緊蘋果，通過相互運(yùn)動，從而達(dá)到去皮的作用。
固定針需要在旋轉(zhuǎn)時提供一定的摩擦力，防止不能使蘋果轉(zhuǎn)動的情況發(fā)生。因此在設(shè)計時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)是整個設(shè)備的動力來源，該蘋果自動去皮機(jī)工作臺的運(yùn)動直接由電機(jī)控制，工作臺運(yùn)動包括間歇運(yùn)動，連續(xù)圓周運(yùn)動，還有停止。因此對電動機(jī)的啟動慣性，停止慣性要求非常高。而且電機(jī)的運(yùn)動要容易控制。由于本蘋果自動去皮機(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)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。
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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，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） 確定蘋果自動去皮機(jī)工作臺步進(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: 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: B
型號
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
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旋轉(zhuǎn)時，自身也會快速的旋轉(zhuǎn)。速度比工作臺的轉(zhuǎn)動速度快好幾倍，但是也要能夠及時停止，工作。因此對電機(jī)的運(yùn)動狀態(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)動時需要的力比較小，所以對步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩要求相對較低。查閱步進(jìn)電機(jī)手冊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: 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: B
型號
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)計校核及軸承的選擇
5.1 短軸的設(shè)計
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》（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
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，同時為保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；滾動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（第四版）附錄 常用滾動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（第四版）附錄 常用滾動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確定選用軸承代號為7204C，其尺寸為。
6 蘋果自動去皮機(jī)仿真圖
圖6-1
圖6-2
結(jié)束語
經(jīng)過一個多月的設(shè)計和查閱相關(guān)資料，終于完成了蘋果自動去皮機(jī)的設(shè)計。從畢業(yè)選題開始到最終確定畢業(yè)設(shè)計題目，到開始方案設(shè)計，再到設(shè)計文章的完成，每一步都是自己對未知事物的探索和挑戰(zhàn)。在大學(xué)期間能獨(dú)立完成一個這么大的項目，對自己也是一個很大的挑戰(zhàn)，設(shè)計過程中，查閱了大學(xué)期間專業(yè)課書籍，對大學(xué)所學(xué)的知識專業(yè)知識從頭到尾重新整理了一遍。另外在設(shè)計過程中也查閱了機(jī)械手冊及其他手冊，學(xué)會了如何利用身邊的工具書進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的選擇。雖然設(shè)計過程中出現(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)計對我以后的工作及人生會有很大的幫助，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)，并講解了各項專業(yè)要領(lǐng)，提出了寶貴的專業(yè)意見，蘋果自動去皮機(jī)設(shè)計過程中，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)計能夠按期完成，另外還要感謝同學(xué)的無私幫助。同時要感謝百忙之中參加畢業(yè)答辯的評審老師。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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