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2.5链节的设计24
2.6托盘的设计24
2.7轴的设计25
2.8轴上零件的定位25
2.9轴的各段直径和长度的确定26
2.10轴的校核26
第三章香梨智能分级智能部分设计28
3.1空气泵28
3.2电磁阀28
3.3负压吸盘28
总结30
致谢32
参考文献33
第一章绪论
1.1关于水果分级的意义
对于新疆南疆周边地区是香梨的生产地,也是集中产区。
自被列入振兴南疆经济的优势产品后,有了迅猛发展,到1999年底种植面积已近30万亩,产量达10万吨。
目前香梨生产大多集中在国营农场和生产建设兵团的农垦团场,其中沙依东园艺场生产规模最大,库尔楚园艺场、兵团28团、29团、30团的种植面积也已具相当规模。
近年来随着农业结构调整步伐加快,香梨面积迅速扩大,特别是巴州40万亩香梨基地建设的逐步实施,必将有力地促进香梨产业的发展。
因此,发展香梨产业是有无穷的潜力的,所以说,研究出香梨分级不是不可缺少的,对于香梨产业的发展是有很大的帮助。
1.2香梨分级的标准与国内外的对比[17]
(1)总体规模偏小。
香梨生产的自然周期长,这使得鲜果上市周期相对较长。
虽经二十多年发展,目前面积、产量规模仍然偏小,同内地一些省区林果业的产业化发展相比差距很大。
(2)优质果品率低。
香梨作为中高档鲜食水果,生产产量不能反映其市场占有率,特别是要进入国内、国际市场,产品优质非常重要。
香梨按重量来衡量优质率(重量≥100克),近些年据有关部门统计,只占70%左右,影响整体效益。
(3)生产技术水平不高。
目前,除了少数农场生产技术较为先进外,广大农户的生产技术水平还很落后。
特别是出口香梨,农民在病虫害防治方面,还存在很多问题,严重影响了香梨出口。
另外,从世界果品发展趋势来看,香梨生产在育种、品种更新换代、矮化密植、绿色果品生产等方面,同世界发达国家相比,差距很大,这必将影响香梨产业进一步发展。
(4)国内知名度还不大。
香梨作为世界级一流品质的果品,目前主要市场仅局限于国内几个大城市及东南亚、港澳地区,内地许多人根本不了解香梨为何物。
特别是近些年出现的香梨大量积压,笔者认为并不是香梨生产总量过大,而是宣传不够及市场销售范围过窄造成的。
(5)传统管理体制制约严重。
近些年巴州虽然成立了以香梨为发展重点的库尔勒香梨股份有限公司和农二师新疆冠农果茸股份有限公司,但就整个巴州地区来看,目前香梨生产仍没有走出宏观经济“二元”结构的制约。
一方面,香梨生产是两大主体,国营农场、农垦团场与乡村农户,双方的生产技术水平差异很大;
另一方面,国内销售大多由一些公司和个体户购售,外贸出口分别由各级外贸公司销售。
由于香梨是鲜食果品,没有稳定的贮运销售网络,中间环节多,利益增值很大,但总体经济效益不高。
销售经营者大多都是短期行为,不愿投资仓贮、运输等基础设施建设,更不可能将资金投入香梨基地的建设、生产技术的推广和科研开发等工作。
(6)深加工产品开发程度低。
香梨除主要作为鲜食果品销售外,还可加工成果汁、果脯、罐头、梨膏糖等产品。
在香梨的深加工方面,库尔勒市早期曾生产过香梨汁、罐头,因质量、销售等方面的原因,最后都停产了。
其他深加工产品几乎没有,大量的香梨等外品被浪费。
从产业化的发展方向看,就是要大力发展产品深加工。
对于香梨深加工,我们有很大的潜力可挖,应该引起高度重视。
(7)名优产品保护不够。
巴州香梨生产者在生产经营中也发现香梨品牌的重要性,为此专门成立了巴州香梨协会,申请了“库尔勒香梨”证明商标,并获得了国家商标局的正式批准。
但由于生产者处于生产的初级阶段,经济实力不够,也就不可能有更多的资金投入到香梨品牌的宣传和保护中去。
盗用库尔勒证明商标已相当严重,假冒香梨出口,也曾发生过,对香梨品牌造成极坏影响,这不能不引起我们的关注。
1.3香梨分级的方法
(1)通过检测香梨的大小、形状、重量等方法,这些都是普通的分级方法,在检测的过程中,易发生香梨的破损和损失,传统的分级方式,存在很大的弊端。
(2)通过水果表面颜色的分级方法.将完成图像分割的水果图像转换为HIS颜色模型,提取其H分量的面积加权直方图并对其进行了主成分分析。
1.4香梨分级存在的问题
(1)分级过程中,分选设备和水果连续接触碰撞,容易产生较多的机械损伤;
(2)水果分级精度较低,并且等级差别不能设置过小,否则容易产生误操作;
(3)机械误差影响分级结果,很容易出现混等混级现象;
(4)对水果质地要求较高,分级等级要求高,普通的分级机械装备对果皮较厚的水果,如橘子应用效果较好,而对于梨等果皮较薄的水果须谨慎使用。
不能保证水果分级过后的完好无损。
1.5论文主要研究的内容
根据目前香梨分级机构存在的问题和不足,及其分级过程中分级方法的不恰当,提出本文研究目标为研制出能够进行智能检测的香梨分级装置,并以香梨的有无损伤,果梗的完好程度作为分级标准,实现香梨的自动分级,按照此方法分级,保证了香梨在传统分级过程的相互摩擦及其与机架、分级装置的相互碰撞。
这大大的减少了香梨在分级过程的损失。
而且香梨形状对分级结果精度影响较小,便于推广应用,本论文研究重点为香梨智能分级生产线的机械系统设计;
水果托盘和自动分级结构设计及其参数优化,香梨智能采集的研究与设计,实现香梨的外观准确采集和处理。
最终实现香梨分级。
主要研究内容如下:
(1)智能香梨分级机的机械系统设计。
智能香梨分级机的机械系统的设计包括生产线机架、传动系统等设计和研制。
绘制出香梨分级机构零部件的三维机构图,并装配完成香梨分级机构的整体三维模型,并且绘制出香梨分级检测的CAD图纸。
(2)托盘的结构设计与优化。
设计托盘结构与检测装置的配合,与图像采集装置的相一致,托盘的固定在两条传送链之间,保证了在传送过程的稳定,在生产线工作的过程不发生干涉,保证托盘可以正常运作,不与检测装置和传送链发生干涉,并绘制托盘的三维视图,与支架相连接,并使用CAD绘制图纸。
(3)智能检测模块的设计。
智能检测的设计组要包括传感器的选择,摄像机的选择,空气泵的选择,以及螺栓的选择绘制出托盘的三视图和CAD图纸。
(4)香梨智能分级检测关键的零件校核。
在整个的生产线中,其中。
对决定生产线可行性影响较大的输送链轮主轴进行强度校核,生产线的整个机架台的强度校核,对传送链轮进行校核,分析受力,扭矩,应力是否集中,为以后的生产加工提供理论依据,
(5)智能香梨分级机构的采集设计。
根据功能要求和总体设计,选择合适的单片机以及外围电路,设计采集信号的处理电路,运用C语言编程,进行图像采集。
最后得到数据进行分析,把信号报告给自动分级机构,然后进行分级。
(6)利用图像处理软件设计出数据采集系统上位机,实现采集模块与上位机之间的数据通讯,并对采集到的香梨表面数据进行数据处理,得到香梨等级并显示。
本论文拟解决的关键问题是香梨分选机机械系统设计与研制;
托盘机构的设计;
智能检测装置模块的设计;
香梨分级机关键零部件强度校核以及表面分析分析;
采集系统设计。
1.6本章小结
在本章中简要介绍了国内外香梨分选研究现状和应用现状,阐述了香梨分选的重要意义,介绍了目前我国称分机机的研究进展情况和存在的主要问题,根据目前的存在问题,提出本文的研究目标和研究内容
第二章香梨智能分级的工作原理及其机械部分设计
2.1水果分选机总体结构和工作原理
本论文设计的智能香梨分选机主要由机械系统、图像采集系统、自动分级系统、等级控制装置等部分组成,分选对象为重量不大于500g,横径不大于100mm的梨。
生产线输送链条设计运行速度为0.5m/s。
2.1.1水果分选机总体结构
本文设计的智能香梨水果分选机总体结构图如图2-1所示,机械系统的主要组成部分有生产线支架、传动系统、水果托盘机构和智能香梨检测箱。
机械系统为整条生产线的运动提供动力,完成托盘机构与香梨的输送;
为其它零部件的安装提供支承,是上表面检测箱和负压检测箱的安装基础。
生产线支架是水果分选机其他所有的部件的安装基础,智能分选系统、传动系统以及香梨检测分级箱安装在生产线支架上;
传动系统主要组成部分有由电动机、齿轮减速器、动力输出链轮、从动链轮和输送链条装置,托盘结构直接与输送链条使用螺钉固定,随输送链条的运动而运动,输送链条竖直放置,与地面垂直,,保证了输送链条的水平和平稳性,为智能检测的准确测量打好基础。
智能检测组成部分主要包括上表面检测箱、负压检测箱及其螺钉螺栓,
智能检测装置直接固定于生产线支架上;
水果托盘机构直接安装在的输送链条上,当香梨通过上表面检测装置,可以对香梨的上表面进行上表面分析,然后,通过负压检测装置,将项链吸附起来,然后进行下表面检测,从而实现水果的单排单个排列,托盘机构与香梨接触的部分是塑料制成,可以最大限度的减少托盘对水果的机械损伤;
香梨的智能检测箱与负压检测箱的装置配合,可以完成香梨的整体检测,从而完成对香梨的整个表面检测,达到分级检测的效果。
图2-1智能香梨分级机样机总体结构图
智能检测系统主要由摄像机、穹顶光源和光照箱组成,主要负责在香梨在智能检测装置下连续采集输送线上香梨的动态图像,并传送给图像处理系统;
主要包括上表面的检测和下表面饿检测。
通过对香梨的表面完好程度对香梨进行分级。
2.1.2水果分选机工作原理
智能香梨分级机构在工作过程中,在电动机的驱动下输送链条带动承载香梨的托盘机构循环运动,香梨的上料采用人工放置,主要原因是因为香梨的表皮很薄,易发生破损,实现了水果的上料和单排单个排列,实现每个托盘中承载一个水果;
当托盘运行到上表面检测箱的时候,单个水果完成上表面的检测;
当托盘运行到负压检测箱的时候,完成水果图像的自动采集,由图像处理判别系统逐一判别水果的等级;
当带有等级信息的水果与托盘机构运动到相应的分级带时候,自动分级装置在控制器的控制下使卸料电动机通电,托盘沿自动分级滑轨板滑动,托盘发生运动,水果离开托盘进入水果分级带,最终实现水果的自动分级。
2.2香梨分级机构生产线支架设计
水果分选机机械系统整体安装示意图如图2-2所示,沿着水果输送方向,水果分选机生产线依次布置为放置部分、上表面检测装置、负压检测装置(下表面检测装置)、自动分级装置和水果带等,生产线的长度可以根据实际需要进行调整,只需要选配适合节数的输送链条和生产线支架,本文设计生产线为设计样机,分级卸料部分总长度为3m。
图2-2智能香梨分级生产线机械系统安装示意图
2.2.1生产线支架的设计
香梨分级机生产线支架的作用为其他附件提供安装和支撑。
生产线的整体主要尺寸为3000mm×
1000mm×
500mm,为了便于生产安装和调整生产线长度,可以将生产线支架分成多段安装来设计,每段长度为3000mm,如果需要更长的生产线可以增加生产线支架的段数。
这里主要显示一段的示意图,当生产线到达安装位置后通过螺栓联接各段生产线支架,形成完整的生产线支架。
图2-3
2.2.2电动机支架设计
电动机支架机构,主要尺寸为40mm×
40mm×
5mm的方形管,功能是固定电动机和保证机构强度,与生产线支架采用螺栓紧固联接和焊接,既保证机构的可拆卸性,又保证了机械机构的强度。
电动机支架上有活动范围,可以用以移动电动机位置从而实现调节链轮的张紧程度的功能。
生产线支架结构示意图如图2-3所示,主要尺寸为3000mm×
500mm,根据机构和强度要求选用方钢管(40mm×
5mm,GB/Y9787-1988)型钢直接焊接而成。
在方形钢管上加工出孔,用于固定水果分选机的其他部件;
能保证生产线的强度。
2.3传动系统设计
机械传动系统是将若干种机械结构根据需要组合,组成一个机械传动系统,主要功能是实现减速运动方式的改变,实现执行机构完成预定运动的功能,并且实现原动机输出的功率和扭矩传递到执行机构,完成预期运动和传动动力。
在本文机械传动系统中主要实现输送链条能实现循环运动,并且为安装于输送链条上的托盘机构循环运动提供动力。
2.3.1确定传动方案
与其它传动方式相比,链条传动有如下的优点:
1)不存在弹性滑动和打滑现象,传动比准确;
2)传动效率较高,效率能达到0.95~0.98;
3)机构尺寸比较紧凑;
4)由于不需要很大的张紧力,因而施加于链轮轴上的载荷较小;
5)可以再温度较高及灰尘较大的环境下工作;
6)安装精度比较低,成本较小,尤其在远距离传动中,有着齿轮传动
无法具备的简单和轻便。
根据香梨生产线长距离传输的功能要求和工作环境要求,以及结合链传动的优点,因而确定传动系统的传动方案为链传动。
传动系统一般为三级传动:
1)电动机主轴与减速器输入轴之间;
2)减速器的输入轴和输出轴之间;
3)减速器的动力输出轴与工作主轴之间。
2.3.2电动机的选择
(1)计算生产线运行的所需功率
传动装置的总效率:
(2-1)
上式:
——链条的传动效率,取
=0.96
——滚子轴承的传动效率,取
=0.99
——齿轮减速器的传动效率,取
=0.90
因此总的传动效率:
=0.96×
0.96×
0.99×
0.90=0.85
电动机所需要的功率:
p=FV/
(2-2)
根据实际情况:
链条工作拉力F约为800N,取F=800N;
链条速度V为0.3m/s~0.8m/s,取最大值V=0.5m/s;
故而电动机所需要的功率为:
p=FV/
=800×
0.5/0.85=470w
(2)根据生产线运行所需功率和生产线使用场所环境和成本考虑,选用Y90S-6型三相异步电动机,电动机功率为0.75kW,转速1000r/min
2.3.3减速器的选择
齿轮减速器具有传动比大,传动效率高,结构比较紧凑,相对体积较小,重量轻,运转平稳,噪声低,价格便宜的优点,一般用于中、小功率,价格便宜,具有很广的应用范围。
在本论文设计中,生产线应用于工业环境中,要求减速器结构紧凑、运转平稳和噪声低,因此本设计中选用齿轮减速器,电动机和减速器卧式安装。
2.4链传动设计
链传动是利用链条为中间挠性元件的啮合传动,主要由主动轮、链条和从动轮组成,在两个或多个链轮之间用链条作为传动件,运动和动力依靠链轮轮齿和链节的啮合来传递。
在本设计中包括减速器输出轴与动力轴之间和生产线输送链轮之间两个链条传动。
2.4.1减速器输出轴与动力轴之间的链传动设计
已知传动功率P为0.75kW,主动轮速度为36r/min,从动轮转速为30r/min,主动轮机械特性运转平稳,从动轮机械特性运转平稳,传动类型为倾斜传动。
(1)选择链条
根据国家标准GB1243-1997《机械设计基础》,传动用滚子链和链轮主要应用于动力传动。
在本文所设计的香梨分级生产线减速器与动力主轴之间的链传动选用滚子链A型,滚子链用于传递动力和运动。
链条和链轮齿各部分尺寸的大小由链节距的大小所决定,链条、轮齿各部分尺寸和链条与链轮的承载能力随着节距的增大而增大,但是传动速度的冲击、不均匀性、振动、噪声和多边形效应等缺点都会加剧,因而在设计时,在满足承载要求的情况下,应选择较小节距的单排链。
根据查阅资料和计算,选用12A(GB/T1243-1997)型短节距传动用精密滚子链,链条具体参数如表2-1所示。
[10]
表2-1链条结构参数(GBT1243-1997)
链号
节距
滚子直径
内链板内节宽度
内链节外宽
外链节内宽
销轴全宽
销轴直径
链板通过高度
内链板高度
抗拉载荷
12A
12.07
7.95
12.57
17.75
17.81
26.9
5.96
18.34
18.08
31.1
备注:
以上长度单位为:
mm,载荷单位为:
KN。
(2)动力输出链轮和从动链轮齿数
和
传动比
。
根据生产线尺寸要求和功能要求,动力输出链轮的传动功率为P=0.75kW,主动机的运动平稳,从动机运行平稳,主动轮速度
为36r/min,从动轮转速
为30r/min,动力输出链轮齿数
为25,从动链轮齿数
为30,中心距可以调节,可以定期张紧。
传动比
计算:
1.2(2-3)
0.75kw(2-4)
设计功率计算:
其中:
—链排数系数,经查取1;
—工况系数,经查取1;
—主动链轮齿数系数,经查取1;
(3)中心距的确定
根据确定的链条型号得到链条节距p=12.07mm,传动比i12=1.2,主动链轮齿数Z1为25,节距12.07mm,最小中心距a0min计算:
a0min=0.2Z1(i12+1)p=0.2×
25×
(1.2+1)p=11p(2-5)
a0小,虽然结构紧凑,但是a0太小,传动链条总长较短,每一节链条单位时间内啮合次数较多,就会加剧链的磨损和疲劳;
a0过大,虽然提高了承载能力,但是也会增加横向振动。
一般a0=(30~50)p,
a0max=80p,本设计中有托板支撑,因此在选用a0max=80p。
(4)链长节数X的计算[15][16]
(2-6)
(5)链条长度L计算:
L=XP/1000=186×
12.07/1000=2.3m
链速v计算:
(2-7)
理论中心距a计算:
(2-8)
经过计算的a=mm
实际中心距a'
(6)圆周力和作用于轴上的拉力计算
有效圆周力F计算:
(2-9)
(7)作用在轴上的拉力FQ计算:
FQ=(1.2~1.3)F,取FQ=1.3F(2-10)
FQ=1.3×
694=902N
2.4.1生产线之间的链传动设计
根据生产线尺寸要求和功能要求,已知传动功率P为0.75kW,主动轮速度为36r/min,从动轮转速为36r/min,主动轮机械特性运转平稳,从动轮机械特性运转平稳,传动类型为倾斜传动。
根据查阅资料和计算,选用20A(GB/T1243-1997)型短节距传动用精密滚子链,链条具体参数如表2-1所示。
表2-1链条结构参数(GBT1243-1997)
20A
37.05
19.05
9.53
18.90
30.00
88.50
为36r/min,动力输出链轮齿数
为40,从动链轮齿数
为40,中心距可以调节,可以定期张紧。
由公式(2-4)得;
1
0.75kw
——主动链轮齿数系数,经查取1;
根据确定的链条型号得到链条节距p=37.75mm,传动比i12=1,主动链轮齿数Z1为25,节距37.75mm,最小中心距a0min计算:
(1+1)p=10p
a0max=80p.
(4)链长节数X的计算,有公式(2-5)得:
L=XP/1000=200×
31.75/1000≈6m
有公式(2-7)得链速v计算:
由公式(2-8)理论中心距a计算:
由公式(2-9)有效圆周力F计算:
FQ=(1.2~1.3)F,取FQ=1.3F
1500=1950N
2.5链节的设计
链条用于传动动力,按照结构的不同,主要分为滚子链和齿轮链,本文采用滚子链,主要包括内链板、外链节、销轴、套筒和滚子,这里主要对外链节进行改造,对其安装了凸台,主要作用是与托盘连接,起到传输过程中的稳定作用和固定作用。
图2-4
2.6托盘的设计
托盘的设计主要包括两部分,一部分是托盘的底座部分,其作用主要是固定的作用,与双链相连接,保证香梨在运输的过程中,稳定平稳,第二部分是托盘部分,其形状是梨形,能够保证香梨在运输的过程中保证一定的姿态,不会发生反转,一定程度上保证了检测的准确性,提高检测的高效、准确、稳定。
具体图如下所示
图2-5
2.7轴的设计[1]
轴的结构设计就是使得轴的各部分具有合理的形状和尺寸。
其主要要求是:
1)轴应便于加工,轴上零件要易于装拆(制造安装要求);
2)轴和轴上零件要有准确的工作位置(定位);
3)各零件
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