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自动化甘蔗削皮装置的研制毕业设计论文

学校代码：

10255

学号：

*******

自动化甘蔗削皮装置的研制

DESIGNANDSTUDYOFTHEAUTOMATIVE

SUGARCANEPEELINGDEVICE

作者姓名：

专业名称：

机械工程

导师名称：

答辩日期：

2015年5月

东华大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：

我恪守学术道德，崇尚严谨学风。

所呈交的

学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的

成果。

除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其

他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。

论文为本

人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律

结果由本人承担。

学位论文作者签名：

日期：

年月日

东华大学学位论文版权使用授权书

学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。

本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密

，在___年解密后适用本版权书。

本学位论文属于

不保密

。

学位论文作者签名：

指导教师签名：

日期：

年月日日期：

年月日

自动化甘蔗削皮装置的研制

摘要

自动甘蔗削皮装置是一种可以实现甘蔗削皮的设备和机器。

目前，

无论在甘蔗相关的食品加工领域还是民众对甘蔗的日常消费中，甘蔗

的削皮仍旧以手工方式为主。

手工对甘蔗削皮效率不高而且容易划伤

手，因此在一定程度上阻碍了甘蔗相关产业的发展。

首先，在总结与分析现存甘蔗削皮机优缺点的基础上并结合甘蔗

皮层的切削特性，创新的设计出了甘蔗削皮装置的切削机构、夹持机

构和整机框架结构。

其次，在对各机构进行运动学分析的基础上使用有限元分析软件

ANSYSWorkbench对切削刀架的装配结构和切削运动机构做静力学

仿真来模拟切削过程中结构处于受力和力矩最大状态下的应力和变

形情况，从而验证装配和零部件是否满足设计要求。

再次，在对甘蔗削皮装置的控制系统功能需求分析和方案论证的

基础上，设计了控制系统的硬件和软件部分，包括设计电气原理图、

电气元件的计算选型、PLCI/O元件分配及其接线图，之后编制了PLC

的控制程序。

最后，在前三章的设计和分析基础上制作了自动化甘蔗削皮装置

的实物样机，并对样机进行试运行和调试，最终顺利实现对甘蔗的削

皮功能。

关键词:

甘蔗削皮，机构设计，仿真分析，样机制作

DESIGNANDSTUDYOFTHEAUTOMATIVE

SUGARCANEPEELINGDEVICE

Abstract

Sugarcanepeelingdeviceisakindofequipmentormachinewhichcanrealizesugarcanepeeling.Atpresent,bothinthefieldofsugarcanerelatedfoodprocessingandpeople’ssumptionofsugarcaneindaily,sugarcanepeelisstilldominatedbymanualapproach.Theefficiencyofmanualonsugarcanepeelingisnothighandhandsareesaytobecut,sotoacertainextent,hinderedthedevelopmentofthesugarcaneindustry.

Firstofall,thispaperinnovativelydesignedakindofcuttingmechanismofsugarcanepeelingdevice,clampingdeviceandthewholeframestructureonthebasisofsummarizingandanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofexistingsugarcanepeelingmachineandcuttingcharacteristicsofsugarcanecortex.

Second,astoverifytheassemblyandpartswhethermeetthedesignrequirements,finiteelementanalysissoftwareANSYSWorkbenchwasusedtodostaticssimulationtosimulatethestructureintheprocessofcuttingforceandmomentinthelargeststateofstressanddeformationsituationoftheassemblystructureandcuttingmechanism’scuttingtoolafterkinematicsanalysisonthebasisofwascarriedoutontheinstitutions.

Third,thispaperdesignedpartofhardwareandsoftwareofthecontrolsystem,afterdoingthefunctionalrequirementsforthesugarcanepeelingdevicecontrolsystemonthebasisofanalysisandschemecomparison,includingdesignelectricalschematicdiagram,thecalculationofelectricalcomponentsselection,PLCI/OcomponentsdistributionanditsdiagramandtheestablishmentofthePLCcontrolprogram.

Finally,makephysicalprototypeoftheautomationofsugarcanepeelingdeviceanddotestanddebugbeforesmoothrealizingofsugarcanepeelingfunction,onthebasisofthedesignandanalysisofthefirstthreechapters.

WangShuguang（MechanicalEngineering）

SupervisedbyHongboShan

Keywords:

sugarcanepeeling，mechanismdesign，simulationanalysis，prototypeproduce.

摘要1

Abstract1

第1章绪论1

1.1本课题的选题背景及意义1

1.2国内外研究现状及发展动态1

1.2.1甘蔗力学性能的研究现状1

1.2.2甘蔗切削机理研究现状4

1.2.3切削装置的研究现状5

1.2.4第一代样机目前存在的问题6

1.3本文主要研究内容7

1.4本章小结8

第2章样机总体方案设计9

2.1样机总体设计9

2.2切削机构设计10

2.2.1切削机构的方案设计10

2.2.2切削机构的运动机构设计10

2.2.3运动机构的具体结构设计11

2.2.4切削机构刀架的设计12

2.3夹持机构设计14

2.3.1夹持机构方案设计14

2.3.2夹持机构的结构设计15

2.4整机机构布局与框架设计16

2.4.1整体机构布局16

2.4.2框架结构设计17

2.5本章小结18

第3章样机的仿真分析19

3.1切削刀架结构的仿真分析19

3.1.1有限元静力分析理论基础19

3.1.2有限元仿真分析20

3.2切削运动机构的结构分析24

3.3框架支撑结构的模态分析28

3.3.1本章小结32

第4章样机控制系统设计33

4.1控制系统方案设计33

4.1.1控制系统的设计要求33

4.1.2控制系统的方案论证34

4.2控制系统硬件设计及实现34

4.2.1电气原理图的设计34

4.2.2电器元件的配置与统计36

4.2.3控制系统电器元件的选择36

4.2.4PLC机型的选择37

4.2.5PLCI/O元件分配38

4.2.6PLC接线图绘制39

4.3控制系统软件设计40

4.3.1PLC程序设计步骤及方法40

4.3.2控制系统流程图的设计41

4.3.3PLC梯形图程序的编制42

4.4本章小结43

第5章样机的安装及调试45

5.1样机的试制与安装45

5.1.1整机结构的安装45

5.1.2键零部件加工与装配45

5.1.3电气元件的安装与接线50

5.2样机的试运行与调试51

5.3本章小结52

第6章总结与展望53

6.1课题研究工作总结53

6.2本文局限与展望53

参考文献55

攻读硕士学位期间的研究成果58

致谢59

自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论

第1章绪论

1.1本课题的选题背景及意义

我国拥有很大的甘蔗市场。

在南方，甘蔗是广泛种植的经济作物，并且我国白糖的生产约有80%左右都是以甘蔗为原料，同时甘蔗汁多、味美、甘甜、营养丰富，深受人们的喜爱。

现代医学研究表明，甘蔗中含有大量的蔗糖果糖葡萄糖等糖分，极易被人体吸收利用，还含有铁钙磷锰锌等人体必需的微量元素，常食甘蔗可滋补养血清热生津滋养润燥[1][2]。

此外甘蔗中含有大量纤维，反复咀嚼能够清除口腔及牙缝中的污垢，从而提高牙齿的抗龋能力。

然而吃甘蔗削皮却是长期困扰人们的一大难题。

由于甘蔗表面比较坚硬，如果直接食用容易划伤口舌等部位，甚至将牙齿崩落。

人工削皮后食用是用刀具手工对甘蔗进行削皮，但人工削皮费时费力，而且容易划伤手。

目前，在甘蔗汁生产工序中的削皮工序大多由人工完成，效率不高，若采用一种能够对甘蔗高效削皮的机器，将会大大提高生产效率，降低生产成本。

因此，对甘蔗削皮机械进行研究在一定程度上改变甘蔗的食用方法和食用安全性具有积极作用。

目前已有一些实现切削功能的甘蔗去皮机的出现，但是去皮效果不太理想，自动化程度不高，噪音比较大，而且切削后的甘蔗皮处理不当会制造出垃圾。

这些都注定了甘蔗去皮机无法在高档的餐厅和商场出现。

基于此，一种自动化程度比较高，切削效果好，振动噪声少，体积小，而且经济又实用的甘蔗削皮装置值得深入研究和设计。

1.2国内外研究现状及发展动态

1.2.1甘蔗力学性能的研究现状

甘蔗是各向异性、非匀质、非线性的材料。

研究甘蔗茎秆的力学性能对于研

究甘蔗的切削过程以及切削刀具的设计具有重要意义。

同时甘蔗茎秆物理力学特性是建立甘蔗茎秆材料模型和茎秆在各种荷载下本构关系的基础[6][7]。

对于甘蔗切削原理的研究可为甘蔗去皮机械的研制奠定基础，目前对于甘蔗力学性能的研究主要集中在如下实验。

1.2.1.1甘蔗在弯曲载荷下的破坏实验弯曲性能对于甘蔗茎秆在切削过程具有重要影响。

通过检测甘蔗茎秆的弯曲

1

自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论

模量和抗弯强度，之后观察甘蔗的破坏形式，并进行相应分析。

同一株甘蔗的不同部位有着不同的力学性能。

中部、尾部和基部达到最大弯

曲应力时,观察到的甘蔗弯曲破坏形式主要有以下4种（图1-1a、b、c、d）[9][11]。

a.中性层裂纹b.横向断裂

c．底部纵向裂纹d.不规则裂纹

e.靠近节处横向断裂f.不规则断裂

图1-1弯曲破坏形式

1）中性层处产生裂纹（图1-1a）圆形截面梁在弯曲荷载下,最大剪应力位于中性层处,沿试样长度方向产生

中性层裂纹。

再进一步施加荷载时,中性层被剪开。

2）靠近节处产生横向断裂（图1-1b）

在弯曲荷载下,当采用图1-2所示的加载方式,靠近甘蔗节处的最大弯曲部位首先达到破坏极限从而产生断裂。

3）甘蔗茎底部轴向产生裂纹（图1-1c）和中性层裂纹不同的是在弯曲过程中在底部产生轴向裂纹。

这应该是由于甘

蔗芯部产生较大塑性变形后造成对甘蔗表皮被挤压的关系。

4）甘蔗茎节部附近产生不规则形状的裂纹（图1-1d）这是上述几种情况的综合表现,也反映了甘蔗茎材料的复杂性。

1.2.1.2甘蔗茎秆在压缩载荷下的实验[10]

01-2是甘蔗受压缩载荷时的载荷-时间曲线。

由图可以看出，试样在压缩

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自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论

荷载下随着实验529B增加逐步达到破坏极限。

01-2压缩载荷-时间曲线

01-3是甘蔗茎在压缩载荷下的破坏形式。

当蔗皮产生扭曲时，因蔗芯限制蔗皮向芯部方向弯曲，蔗皮向外弯曲，蔗皮产生纵向裂纹并与蔗芯分离。

01-3压缩载荷下的破坏形式

1.2.1.2甘蔗皮与甘蔗芯在拉伸载荷下的实验

01-4a、1-4b分别是蔗皮径向、轴向的破坏形式，图1-5a、1-5b是蔗芯轴向径向的破坏形式[11]。

a.蔗皮径向破坏形式b.蔗皮轴向破坏形

图1-4蔗皮破坏形式

3

自动化甘蔗削皮装置的研制

第1章绪论

a蔗芯轴向破坏形式

b蔗芯径向破坏形式

01-5蔗芯破坏形式

1.2.1甘蔗切削机理研究现状

对于甘蔗切削原理的研究，目前主要运用实验的方法或者通过实验作为验证建立有限元模型后运用显示动力学的方法来研究切削过程的机理。

1.2.2.1甘蔗茎秆横向切割机理对于横向切割机理的研究主要应用于甘蔗收获机的切削过程。

甘蔗收获机在

工作过程中存在甘蔗割茬不整齐、切割损失较大等缺陷，这些将会严重影响甘蔗收获机的使用和推广。

为此，根据目前国内外对甘蔗茎秆力学性能、切割刀具以及切削理论等方面的研究，提出了一种结合甘蔗茎秆材料特点和其力学特性来研究甘蔗的切割机理的方法，将会更具有科学性。

建立三维甘蔗切割器系统动力学可视化仿真模型，利用ANSYS/LS-DYNA

求解器进行仿真求解，其切割仿真过程及切割力时间历程如图1-6所示[12][13]。

图1-6甘蔗切割器系统动力学仿真

通过仿真与实验结果可以得出如下结论：

1）通过采用刀具对甘蔗茎秆的冲击物理试验表明，把甘蔗作为各向同性的

材料模型进行建模以及建立的切割器系统动力学模型适用于甘蔗茎秆切割力的

仿真研究。

2）最大的切割力随着刀具的刃角增大呈现抛物线的变化趋势，刀具的刃角

约为19°时切割力达最小值；最大的切割力随着刀具的切割角度的增大而减小。

3）最大剪应力随刀具的刃口角度增大而增大，随刀盘的倾角和切割速度的增大而减小；小的刀片刃角与小的切割角组合最大剪应力最小。

小的刀具刃口倾

斜角度与小的切割角以及大的切割速度有助于减少甘蔗茎秆的切割破头率。

4）刀片刃角α＝17.5°，切割角β=27.73°，刀盘倾角γ＝28°，切割速度V

＝16m/s时，最佳切割力为266.9N，可靠性为95%的最佳切割力范围235.82～

297.98N[13]。

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自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论

1.2.2.2甘蔗茎秆纵向切割机理甘蔗皮层的削皮受力变化研究是甘蔗削皮机械研制的理论基础。

目前国内外

研究重点主要集中在甘蔗茎秆的力学特性方面研究，甘蔗相关机械的研究重点主要集中在甘蔗茎秆的切割机械的研制[14]。

对于甘蔗皮层受力变化研究并不多见，而且也只是简单的实验，所以对于这部分的详细深入研究还是空白。

不同刀片刃口在切削甘蔗皮时，刀片受力实验结果如图1-7所示[15][16]：

图1-7甘蔗节间试样去皮时的位移－载荷变化

1）不同切削刀具的刃口倾斜角度对甘蔗节间削皮的实验结果为，随着切削刀具刃口角度的增加，削皮过程所需要的载荷逐渐增加，这表明切削刀具在对甘蔗节间削皮时所遇阻力逐渐增大。

不同的刀具刃口倾斜角度在甘蔗茎秆的下段节间进行削皮时阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。

2）不同切削刀具的刃口倾斜角度对甘蔗节点削皮的实验结果为，随着切削刀具刃口角度的增加，削皮过程所需要的载荷逐渐增加，这表明切削刀具在对甘蔗节间削皮时所遇阻力逐渐增大。

不同的刀具刃口倾斜角度在甘蔗茎秆的下段节中进行削皮时阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。

3）由于甘蔗茎秆各部位的纤维排列不同，对节间和节点处削皮时，刀具刃口倾斜角度越小，使甘蔗皮剥离的作用力越小。

1.2.3切削装置的研究现状

根据切削方式的不同，切削装置可以分为纵向切削方式的切削装置、仿形切削方式的切削装置、螺旋切削方式的切削装置。

1）纵向切削方式的切削装置[19][20]纵向切削装置是仿照人手工切削方式而设计的一种切削装置，此装置设置多

个切削机架，按照沿甘蔗移动方向依次设置。

切削刀架通过环形均匀排布在机架上，刀架与甘蔗形成一定夹角，并且前后布置的切削刀架根据一个固定的夹角相互错开布置。

此装置对甘蔗的12个方向进行切削，切削后的甘蔗截面呈12边形。

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自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论

2）仿形切削方式的切削装置[21][22]仿形切削方式是把刀具做成与甘蔗外形相似的圆弧铣刀，对甘蔗表皮进行切

削。

仿形铣刀由基轴和沿基轴轴向均匀分布的三块刀头组成，每块刀头的刀刃呈90°的弧线，使得刀刃能铣刀更多的甘蔗皮。

3）螺旋切削方式的切削装置[23][24]螺旋切削方式的切削装置是一种采用刀具对甘蔗进行切削的同时刀具围绕

甘蔗圆周转动，从而实现甘蔗去皮的目的。

螺旋切削装置的传动原理为，电机通过减速后带动切削主轴旋转，切削主轴带动轴套转动，丝盘上的端面螺纹在与其相连接的轴套带动下转动，之后带动与丝盘啮合的进给齿轮转动，齿轮在弹簧作用下压在甘蔗上，从而带动甘蔗进入切削系统。

在进行切削时，刀具转动的同时，机架会绕切削筒圆周转动，从而实现甘蔗的切削。

1.2.4第一代样机目前存在的问题

1）切削装置存在的问题如图1-8所示为第一代样机切削装置的三维模型，此切削装置采用直线切削

方式，但刀具太少没能形成一个封闭的切削区域，所以对于一根甘蔗要采用多次切削才能完成。

同时刀具所围成的轴线位置距离滑轨偏远容易导致刀架卡死。

此外由于此装置没有引入运动检测和控制部分，所以刀架切削运动和进给运动之间长久的协调性无法保障。

图1-8第一代样机切削装置

2）机身结构存在的问题如图1-9所示为第一代样机整机的三维模型，由于样机的重心位置偏高而且

支撑架比较薄弱所以在样机实际运行过程中会引起比较大的晃动，并且伴随有比

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自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论

较大的噪音。

图1-9第一代样机整机模型

3）进给装置存在的问题进给装置采用的是上下一对橡胶轮来同时实现夹紧和进给功能。

但是橡胶轮

和甘蔗茎秆是线接触，只有通过比较大的夹紧力才能够获得足够大的摩擦力从而实现甘蔗的切削夹紧，但是过大的夹紧力又比较容易压破甘蔗茎秆。

此外因为没有自动检测装置及累积误差的原因导致切削和进给运动之间无法长久保持较好的同步协调性。

1.3本文主要研究内容

本文在总结与分析现存甘蔗削皮机及东华大学第一代甘蔗削皮机样机的基础上，创新的设计出了一种自动化甘蔗削皮装置，并设计样机的控制系统，最后制作实物样机并对其进行调试使其满足预计设计目标。

本文章节安排：

第一章绪论。

主要对甘蔗去皮装置的研究现状，存在问题和发展动态进行了

综述，并根据国内外的论文文献、专利和市场上已投入使用的产品进行总结，分析了它们的优缺点并提出自己的研究思路。

介绍了本课题的选题背景和主要研究内容。

第二章样机总体方案设计。

在总结与分析现存甘蔗削皮机优缺点的基础上，

对样机进行方案设计并创新的设计出了一种具有自适应甘蔗茎秆走向的甘蔗切

削机构、带有自锁夹紧功能的夹紧装置和整机框架结构。

第三章样机仿真分析。

利用SolidWorks的运动分析功能进行机构的运动仿

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自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论

真和使用ANSYSWorkbench对机身结构做静力和动力仿真来验证设计是否合理，并在此基础上对结构做优化改进。

第四章样机控制系统设计。

首先对样机的控制系统进行功能需求分析及方案论证，设计控制电气原理图，然后选择合适的PLC机型及电器元件，并设计PLC输入输出接线图，最后编制PLC控制程序。

第五章样机的安装与调试。

主要内容为根据设计的结构尺寸对样机关键零部件进行加工，整机的装配，控制电路接线及对样机的运行状况进行评估找出运行过程中存在的问题然后进行调试直到满足设计的预定目标。

第六章结论和展望。

为作者对本课题所做的工作进行总结和展望。

1.4本章小结

本章首先对本课题的选题背景及意义进行了介绍，然后对甘蔗的力学性能、甘蔗茎秆的切削机理研究现状及目前存在的切削装置进行了概述。

最后对东华大学第一代甘蔗削皮机样机的研究情况进行了分析，找出了切削装置在运行过程中存在的缺陷，如切削装置没有良好的自适应性，进给装置存在传动累积误差等。

因此要实现对甘蔗良好的切削功能，需要在第一代样机研究基础上，重新对甘蔗削皮机进行创新设计，本文将对本课题进行详细阐述。

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自动化甘蔗削皮装置的研制第2章样机总体方案设计

第2章样机总体方案设计

2.1样机总体设计

根据甘蔗的力学性能和甘蔗皮层的切削特性，并在总结与分析现存甘蔗切削设备优缺点的基础上，创新性的设计了此甘蔗切削装置。

并使用Solidworks建模软件，根据自上而下的建模方法建立了整机的样机模型，如图2-1a、2-1b所示。

a.样机整机俯视示意图

b.样机整机左视示意图

1-主电机2-夹紧装置3-刀架4-夹紧机构电机

5-支撑框架6-传感器支架7-切削机构8-控制柜支架

图2-1样机整机结构示意图

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自动化甘蔗削皮装置的研制第2章样机总体方案设计

2.2切削机构设计

2.2.1切削机构的方案设计

对于甘蔗削皮机