水果自動分揀機(jī)的設(shè)計
摘 要
進(jìn)入21世紀(jì)，科技與時代的快速更新，純機(jī)械化已經(jīng)被每個行業(yè)不同程度的掌握，而面臨淘汰的則是人工操作的半機(jī)械化。隨著人們的生活水平的提高，對于吃水果，人們現(xiàn)在更傾向于去超市買質(zhì)量好的水果，那么如何將質(zhì)量好的水果與質(zhì)量一般的水果區(qū)分出來，這需要很多的勞動力。為了解決這一情況，設(shè)計研發(fā)出一款水果自動分揀機(jī)就顯得很有必要。
我所設(shè)計的水果分揀機(jī)就是利用控制電路，傳動機(jī)構(gòu)，圖像的處理為一體的新一代設(shè)備。該機(jī)器主要包括采集圖像以及水果分揀兩部分。圖像采集部分是通過光電傳感器感應(yīng)到有蘋果通過，攝像頭拍攝圖片，通過軟件分析出蘋果的大小尺寸，將結(jié)果以信號的方式傳遞到控制部分。控制部分做出相應(yīng)的反應(yīng)，PLC控制空壓機(jī)以及對應(yīng)的氣泵噴嘴工作。我所設(shè)計的是蘋果大小分揀機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，而且可以實現(xiàn)分揀過程全自動化，大大的提高了生產(chǎn)效率，而且自動化部分全部采用的是當(dāng)前行業(yè)里比較先進(jìn)的部分，所以機(jī)構(gòu)工作的精度也有很大程度的保證。
關(guān)鍵字：分揀；自動化；圖像處理；氣動；
Design of fruit automatic sorting machine
Abstract
In the 21st century, with the rapid renewal of science and technology and The Times, pure mechanization has been mastered to varying degrees by every industry, while the semi-mechanization of manual operation is facing elimination. With the improvement of people's standard of living, for to eat fruit, people are more inclined to go to the supermarket to buy good quality fruit, so how to distinguish good quality fruit and general quality of fruit, it needs a lot of Labour. In order to solve this problem, it is necessary to design and develop an automatic fruit sorting machine.
The fruit sorting machine I designed is a new generation of equipment integrating control circuit, transmission mechanism and image processing. The machine mainly consists of two parts: image collection and fruit sorting. Image acquisition part is through the photoelectric sensor sensing by apple, camera images, the size of an apple through the software analysis, the results in the form of the signal to the control part. The control section responds accordingly. PLC controls the air compressor and the corresponding air pump nozzle. I sorting mechanism is designed by apple size, simple structure, and can realize automatic sorting process, greatly improve the production efficiency, and automation parts are all made of the current industry in the advanced part, so the precision of the work has a greater degree of assurance.
Keywords： sorting; Automation; Image processing; Pneumatic;
III
目 錄
第一章 緒論 1
1.1 研究的目的及意義 1
1．2 研究特色與創(chuàng)新 2
第二章 概述 3
2．1 蘋果分揀氣動裝置原理簡介 3
2．2 傳輸分級機(jī)構(gòu)工作原理 3
2．3 設(shè)計要求 4
第三章 進(jìn)料機(jī)構(gòu)設(shè)計 6
3．1 進(jìn)料機(jī)架的設(shè)計 6
3．1．1 加工工藝的選擇 6
3．1．2材料的選擇 6
3．1．3進(jìn)料機(jī)架結(jié)構(gòu) 6
3．2進(jìn)料槽的設(shè)計 6
3．2．1 加工工藝的選擇 6
3．2．2 材料的選擇 6
3．2．3 進(jìn)料槽的結(jié)構(gòu) 7
3．3 進(jìn)料篩選機(jī)構(gòu)設(shè)計 7
3．3．1 方案的確定 7
3．3．2篩選機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) 7
3．3．3 振動電機(jī)的選擇 8
3．4 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計 8
3．5振動機(jī)架 9
第四章 參數(shù)的計算以及電機(jī)選擇 10
第五章 傳動部分的計算和設(shè)計 12
5.1 設(shè)計鏈條和鏈輪 12
5.1.1 設(shè)計鏈輪 12
5.1.2 設(shè)計鏈條 13
III
5.3 軸的設(shè)計及校核 16
5.3.1設(shè)計主動軸 16
5.3.2設(shè)計從動軸 19
5.4 同步帶和同步帶輪設(shè)計 20
5.4.1選擇同步帶 20
5.4.2 設(shè)計帶輪 21
5.5 設(shè)計軸承 22
5.6 滾動軸承潤滑與密封方式選擇 22
第六章 檢測控制部分的設(shè)計 23
6.1 檢測器件的選擇 23
6.1.1 傳感器的選擇 23
6.1.2 視覺系統(tǒng)的選擇 24
6.2 控制部分的設(shè)計 24
第七章 安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計 25
7.1機(jī)架設(shè)計 25
7.1.1機(jī)架材料選擇 25
7.1.2 連接方式 25
第八章 結(jié)論 26
致 謝 27
參考文獻(xiàn) 28
附錄A
附錄B
IV
第一章 緒論
1.1 研究的目的及意義
我國地大物博，其中，蘋果的生產(chǎn)總量躍居世界前列。改革開放之后，我國受國際市場經(jīng)濟(jì)的影響，水果開始走向國際化。但是，由于對蘋果產(chǎn)后處理的科技水平比較低，對于國際市場的競爭力還是有所欠缺。糧食是生命的本錢，目前，國外許多研究機(jī)構(gòu)還是將研究重點放在農(nóng)產(chǎn)品的檢測上。國內(nèi)在蘋果的檢測還僅僅局限于表面品質(zhì)的檢測，但是國外已經(jīng)開始對蘋果內(nèi)部的無損品質(zhì)檢測的技術(shù)開始研究并且投入使用。所以，由于科技力量的欠缺，盡管我國蘋果的生產(chǎn)總量很大，但是不能保證外銷的蘋果的質(zhì)量保證，在國際市場上的競爭力尚不足。在我國，由于人口眾多，科技力量匱乏，蘋果的分揀目前大部分還是由人工完成，生產(chǎn)率低，精度不夠，成本較高，不能保證內(nèi)外品質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。所以，根據(jù)這一情況，研究開發(fā)出一款蘋果自動分揀機(jī)是應(yīng)對國情的必要項目。市場經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)地位要求了我們提供的產(chǎn)品質(zhì)量必須得到保證，只有這樣才能在市場經(jīng)濟(jì)的大潮下有一個棲身之地，我國果農(nóng)的辛苦勞動的成果才能得到最大化的利益。
隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人民日益提高的生活水平，對于水果的質(zhì)量要求也隨之愈高，水果售前的分揀處理顯得更加重要，而且，水果采摘后為了保持新鮮性，采后工作必須效率與質(zhì)量并行。因此，機(jī)械化作業(yè)在工作中不可或缺。高端商品和低端商品的區(qū)別最直接的體現(xiàn)就在于質(zhì)量的好壞，因此優(yōu)質(zhì)的蘋果一定是比一般的蘋果價格要高的，所以我們要對蘋果進(jìn)行采后處理。蘋果處理一共包含四個必要環(huán)節(jié)。第一環(huán)節(jié)就是區(qū)分開優(yōu)質(zhì)蘋果與一般蘋果，俗稱挑選，剔除品相不好，有缺陷的蘋果，保留優(yōu)質(zhì)的蘋果進(jìn)行下一步的包裝和運輸。第一環(huán)節(jié)由于涉及到多個標(biāo)準(zhǔn)，情況判斷相對比較復(fù)雜，運用機(jī)器很難實現(xiàn)完美的挑選，所以目前在大部分國家，這一環(huán)節(jié)還是依靠手工挑選。清洗環(huán)節(jié)必須嚴(yán)格按照蘋果清洗的標(biāo)準(zhǔn)，使用相應(yīng)的清洗工具進(jìn)行表面清洗，去除污漬及農(nóng)藥殘留，使蘋果達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，提高優(yōu)質(zhì)蘋果的價值。打蠟是指在蘋果表面涂抹一層均勻透明的薄膜，不僅可以有效抑制水分散失，保留蘋果內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)，還可以防止病菌蟲害的侵蝕，不易腐爛，有效延長保質(zhì)期。分級包裝是蘋果商品化的一個重要環(huán)節(jié)，通過分級可以將優(yōu)劣的蘋果分開包裝，使包裝出來的蘋果標(biāo)準(zhǔn)化，有利于運輸以及不同價格的分開出售，最大化經(jīng)濟(jì)效益。
1．2 研究特色與創(chuàng)新
回顧一下水果分揀機(jī)的發(fā)展歷史，起初人們是利用手工分揀蘋果，這有很多的弊端，比如分揀過程中受人為主觀的限制，分揀的質(zhì)量得不到全面的保證，而且勞動力需求比較大，勞動成本高，勞動的效率也很低。
蘋果分揀機(jī)在輸送蘋果的同時，由于傳送帶是勻速運動，蘋果在上面是時刻處于相對靜止的狀態(tài)，這就便于攝像頭對每一個蘋果進(jìn)行全方位的檢測，沒有遺漏，而且機(jī)器檢測要比人工分揀效率高很多。
這里不得不提到機(jī)器視覺技術(shù)，隨著科技的發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，機(jī)器視覺技術(shù)開始被廣泛運用，其時效性與準(zhǔn)確性滿足了很多行業(yè)的工作需求。機(jī)器視覺技術(shù)就是利用攝像頭對產(chǎn)品進(jìn)行檢測分析，并將檢測的圖像結(jié)果以信號的方式傳遞到控制部分，由控制部分做出分析反應(yīng)，并將分析的結(jié)果以信號的形式傳遞到下一部分，做出相應(yīng)的反應(yīng)。
提到創(chuàng)新，我覺得當(dāng)前無論國內(nèi)還是國外，在這一領(lǐng)域投入的研究還不足，所以對這一方面進(jìn)行研究，能夠設(shè)計出獨有的一款機(jī)器，這就是一種創(chuàng)新。 本設(shè)計中的創(chuàng)新之處在于利用了當(dāng)前較為先進(jìn)的光電對射傳感器以及機(jī)器視覺技術(shù)，可以實時對蘋果進(jìn)行檢測，效率比較高，滿足了生產(chǎn)需要。另外，我所涉及的機(jī)構(gòu)框架簡單，而且可以實現(xiàn)脫離人工，進(jìn)行全自動化工作，降低了生產(chǎn)成本。
第二章 概述
2．1 蘋果分揀氣動裝置原理簡介
蘋果分揀氣動裝置主要由以下幾個部分組成：機(jī)架、驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及水果傳送機(jī)構(gòu)。水果傳送機(jī)構(gòu)又分為攝像頭采集圖像機(jī)構(gòu)和水果分級機(jī)構(gòu)，水果經(jīng)過攝像頭的識別，采集信號，然后經(jīng)過控制部分將信號水果分級機(jī)構(gòu)，水果分級機(jī)構(gòu)裝在機(jī)架的一邊，水果分級機(jī)構(gòu)又裝有一個或多個氣動件，氣動件主要包括存儲氣罐和控制機(jī)構(gòu)，在存儲氣罐的端口裝有氣泵噴嘴，并且受控制機(jī)構(gòu)控制，攝像頭采集到水果的圖像信號之后，通過控制機(jī)構(gòu)輸入，控制機(jī)構(gòu)接收到信號，控制氣泵噴嘴噴氣，將對應(yīng)的水果吹送到相應(yīng)的位置完成動作。該機(jī)構(gòu)設(shè)計較為簡單，且有效的提高了生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了自動化分揀的目的，所以其便利性值得推廣以及應(yīng)用。
2．2 傳輸分級機(jī)構(gòu)工作原理
此機(jī)構(gòu)設(shè)計的初衷是對蘋果的大小進(jìn)行分揀，同樣是通過氣動傳動進(jìn)行。該機(jī)構(gòu)主要組成部分包含：進(jìn)料槽、機(jī)架、兩側(cè)的套筒傳送鏈、雙錐式滾子、雙側(cè)鏈輪、軸承、軸承套、同步帶和同步帶輪以及電動機(jī)組成。
該裝置放置在橫式傳動機(jī)構(gòu)中，第一步，蘋果通過進(jìn)料槽進(jìn)入滾子上，使蘋果在滾子上一個接一個按順序滾動。鏈條的驅(qū)動速度是恒定的。動力系統(tǒng)通過同步帶傳動鏈輪傳動由傳動軸套以固定速度驅(qū)動，蘋果從滾子轉(zhuǎn)到第一個出口，空壓機(jī)和泵根據(jù)需要從滾輪上噴射出的蘋果來達(dá)到分類要求。蘋果的下一個級別以同樣的方式傳輸?shù)匠隹诘牡诙?。剩下的第三階段是在機(jī)械裝置的末端直接進(jìn)入出口。整個過程有條不紊的進(jìn)行，將蘋果精確的分入到三個等級出口處。然后實現(xiàn)設(shè)計的最初目標(biāo)。
圖1為總裝圖
圖1 總裝圖
一套完整的蘋果分揀機(jī)構(gòu)包括五個部分，如圖2：
圖2 機(jī)構(gòu)框架圖
2．3 設(shè)計要求
該機(jī)構(gòu)可以自動進(jìn)行蘋果的進(jìn)料和出料，也就是說，蘋果能夠在這一裝置一個一個進(jìn)料，在輸送機(jī)構(gòu)上進(jìn)行攝像頭檢測然后從相應(yīng)的出料槽出來。
做這項設(shè)計之前，根據(jù)準(zhǔn)備的材料把我的設(shè)計的內(nèi)容分成了如下幾個部分。第一部分，設(shè)計初期。在這一期間，我需要明確此項設(shè)計的用途以及意義，通過翻閱文獻(xiàn)以及資料，確定好整體機(jī)構(gòu)的模型以及工作原理，勾畫出初期的思路，以便于下面工作的進(jìn)展。其次，通過網(wǎng)絡(luò)搜索相應(yīng)的產(chǎn)品以及去本地的機(jī)械廠參觀，結(jié)合目前市面上的水果分揀機(jī)，設(shè)計出一款集簡便和實用為一體的機(jī)構(gòu)。這一階段的最后還要研究一下蘋果的一些參數(shù)，以便我接下來的設(shè)計能夠順利進(jìn)行。第二部分，畫框架圖，通過第一階段的準(zhǔn)備，利用自己所學(xué)知識，畫出框架草圖，確定自己的最終方案。第三部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算然后選擇合適的零部件，此階段時間最長，工作內(nèi)容也比較多。通過計算，確定出機(jī)構(gòu)以及的零件的尺寸，再根據(jù)要求，選出哪些是標(biāo)準(zhǔn)件。第四部分，根據(jù)上一階段的計算，以及選材，畫出裝配圖和零件圖，由于我使用CAD畫的圖，所以并沒有將其轉(zhuǎn)換成三維模型。第五部分，就是根據(jù)前面所有的材料，編寫說明書，并且不斷改進(jìn)設(shè)計中不足的地方。
第三章 進(jìn)料機(jī)構(gòu)設(shè)計
3．1 進(jìn)料機(jī)架的設(shè)計
3．1．1 加工工藝的選擇
我選擇鑄造，是因為鑄造在機(jī)械廠里用的多，技術(shù)成熟，做出來的東西效果好。鑄造技術(shù)可以讓你自行選擇鑄件的材料，不限制你鑄件的體積大小以及它的重量,生產(chǎn)成本低,但鑄造過程,過程復(fù)雜,鑄造一個組織疏松、縮孔、氣孔等，這些缺陷可以降低鑄件的韌性，此外，鑄造的工作環(huán)境與其他相比比較差。
其次，對于零件之間的連接，我選擇了焊接，眾所周知，在制造機(jī)器的時候，或多或少的都會利用到焊接這項技術(shù)，焊接作為一項應(yīng)用性很高的技術(shù)，其自身的優(yōu)點也是我考慮的方面，就比如連接性強(qiáng)，穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)問題。
3．1．2 材料的選擇
為了使焊接后，焊接處不易出現(xiàn)裂縫，氣泡等缺陷，且具有良好的力學(xué)性能，所選材料必須具備較好的焊接性。并且，目前市場中用的最多最普遍的就是鋼。所以，工作臺和底座采用30號鋼，支撐處和加強(qiáng)筋采用45號鋼。
3．1．3 進(jìn)料機(jī)架結(jié)構(gòu)
進(jìn)料機(jī)架主要包括：底座、支撐和加強(qiáng)筋三大組成部分。底座留有六個螺孔，所以底座和機(jī)架之間通過地腳螺栓進(jìn)行安裝連接。由于整個機(jī)架裝備了振動電機(jī)，所以機(jī)架的穩(wěn)定性尤其重要，兩個縱向的支撐擁有兩個加強(qiáng)筋，每個橫向的支撐擁有一個加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋依照上面的選擇采用45號鋼。
3．2 進(jìn)料槽的設(shè)計
3．2．1 加工工藝的選擇
在選擇加工工藝的時候，我同時也考慮了彎曲這個工藝方法，但是結(jié)合了所學(xué)到的彎曲的優(yōu)缺點以及我的機(jī)構(gòu)制作中選擇的材料性能，我在一部分機(jī)構(gòu)設(shè)計中采用了彎曲，具體下面會提到。
考慮到實際應(yīng)用，由于進(jìn)料槽的下面裝備了振動電機(jī)，具備了負(fù)載，所以進(jìn)料槽壁的厚度不宜太薄，所以不適合采用彎曲成形，應(yīng)當(dāng)采用焊接；而出料槽沒有負(fù)載，槽壁偏薄，所以選擇彎曲的方法成形。
3．2．2 材料的選擇
根據(jù)焊接的要求，進(jìn)料槽應(yīng)選取20號鋼，厚2cm的鋼板進(jìn)行焊接；而根據(jù)彎曲的特點，出料槽則選取20號鋼，厚0.5cm的鋼板進(jìn)行彎曲。
3．2．3 進(jìn)料槽的結(jié)構(gòu)
進(jìn)料槽兩側(cè)的擋板與底板之間通過焊接連接，右邊為一個直徑為20cm的大圓盤，擋板的兩側(cè)分別打有三個M10的螺孔，用來安裝螺桿。 結(jié)構(gòu)如圖3
圖3 進(jìn)料槽結(jié)構(gòu)圖
3．3 進(jìn)料篩選機(jī)構(gòu)設(shè)計
3．3．1 方案的確定
蘋果從傳送帶檢測和分級系統(tǒng)，需要實現(xiàn)從多個一起檢測轉(zhuǎn)變?yōu)橹饌€檢測，因此，需要設(shè)計一個裝置能夠使蘋果一個一個進(jìn)入檢測系統(tǒng)。但是由于蘋果傳送過程中容易損壞，所以選擇用斜坡滾入的方式。從批量進(jìn)入篩選機(jī)制到一個接一個，用不同角度開的三扇門實現(xiàn)這一功能。門的開啟角度是可以調(diào)控的，因為上面裝了鉸鏈和螺桿。為了防止這期間蘋果有被卡住的情況發(fā)生，所以加了一個可以適當(dāng)振動的振動電機(jī)。
3．3．2篩選機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
槽通過鉸鏈與擋板進(jìn)行連接，由于擋板都是成對的，所以，每一對擋板之間的距離調(diào)整可以通過調(diào)節(jié)螺桿，根據(jù)實驗可以得出槽的傾斜角度和擋板之間的距離，槽傾斜15度，第一對擋板開口之間的距離約為1.4m，第二對約為1m，第三對約為0.85m。由于擔(dān)心蘋果被卡住，槽的下方安裝了一個振動電機(jī)，這樣就可以保證蘋果能夠一個一個的滾到聚乙烯滾筒上。其示意圖如圖4
圖4 進(jìn)料篩選機(jī)構(gòu)
3．3．3 振動電機(jī)的選擇
本設(shè)計中由于只要小幅度的振動，所以我選擇了一款小型振動電機(jī)，型號為YZO-1.5-2。
（1） 特點：1、結(jié)構(gòu)簡易，質(zhì)量輕，體積很小，便于安裝以及維修；2、頻率穩(wěn)定，產(chǎn)生的噪音小，啟動速度快；3、結(jié)構(gòu)封閉，適用多種工作環(huán)境；4、無級調(diào)整更方便。
（2） 基本參數(shù)：1、環(huán)境溫度：小于等于400°；2、海拔：小于等于1km；3、電壓： 380V；4、頻率： 50HZ；5、接法： Y接法；6、絕緣等級： B級；7、工作方式：連續(xù)工作；8、安裝方式：任意方向。電機(jī)技術(shù)參數(shù)如下表1。
3．4 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計
進(jìn)料支撐結(jié)構(gòu)與機(jī)架之間用一端帶有螺紋的支撐桿（直徑為0.2cm，材料為45號圓柱鋼）進(jìn)行連接，一端與篩選機(jī)構(gòu)焊接，另一端與機(jī)架連接，并且用兩個螺母鎖緊，就是為了使篩選機(jī)構(gòu)的傾斜角度便于調(diào)節(jié)。因為機(jī)構(gòu)上裝有振動電機(jī)，具備一定負(fù)載，所以為了其穩(wěn)定性，選用六根賦有加強(qiáng)筋的支撐桿。其結(jié)構(gòu)如圖5。
表1 技術(shù)參數(shù)表（臥式）
Table 1 technical parameter table (horizontal)
序號
型號
激振力(KN)
功率(KW)
電流(A)
主要結(jié)構(gòu)尺寸(mm)
重量
L
H
A
B
C
D
E
F
H1
Ф
h
M
(KG)
1
YZO-1.5-2
1.5
0.15
0.38
300
203
150
210
124
180
100
70
82
98
30
10
19
圖5 進(jìn)料機(jī)架
3．5振動機(jī)架
因為振動機(jī)架的結(jié)構(gòu)較簡單，經(jīng)過對比，可以直接使用材料為2cm厚的10號鋼板直接進(jìn)行彎曲成形。
第四章 參數(shù)的計算以及電機(jī)選擇
表2 主要技術(shù)參數(shù)
傳輸鏈輪傳輸速率v（m/s)
0.25
機(jī)架長度L（mm)
2210
整體高度H（mm)
1850
鏈輪傳輸功率P(KW)
0.5
（1）電機(jī)選擇
依據(jù)鏈輪的傳輸功率可知整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速都很慢，并且參照以前水果分級機(jī)構(gòu)所選的電機(jī)，大概在20-60之間.所以盡量選擇轉(zhuǎn)速小的電機(jī)，避免使同步帶帶輪尺寸過大而不方便設(shè)計。下表是YCJ系列部分齒輪減速電動機(jī)基本型譜。
表3 電機(jī)參數(shù)
減速機(jī)中心高H/mm
電動機(jī)功率P/KW
輸出轉(zhuǎn)速
n/()
輸出轉(zhuǎn)距
電 動 機(jī)
輸出軸軸徑
機(jī)座號
端蓋序號
極數(shù)
132
0.55
57
86
801
F2
4
52
96
47.5
104
43
115
36
135
所以在這選擇YCJ序列減速機(jī)中心高為13.2cm,輸出轉(zhuǎn)速為43的減速機(jī)。
（2）蘋果參數(shù)
設(shè)計之前可對蘋果分成三個等級，并分別選擇30個蘋果測量出它們的參數(shù)取其平均值。參數(shù)測量數(shù)據(jù)如下表4。
從表中可以看出，蘋果主要物理參數(shù)有兩種。我們需要選擇蘋果的長徑或短徑來進(jìn)行分級。由數(shù)據(jù)可以得出各級的長徑和短徑比都接近1.5，故選長徑或短徑都可以，在這選擇蘋果的短徑作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級。分級如下：第一級：短徑小于4.7cm；第二級：短徑4.7cm到5.5cm之間；第三級：短徑在5.5cm到6.1cm之間。
表4 蘋果參數(shù)
級別類型
測量樣本數(shù)(個）
測量平均長徑
（mm）
測量平均的短徑
(mm)
大
30
84.1
60.3
中
30
70.5
54.4
小
30
60.1
47.0
第五章 傳動部分的計算和設(shè)計
通過設(shè)計方案得知，傳動部分包括主動軸和從動軸、軸承、鏈輪、聚乙烯滾子、軸承套、同步帶、傳動鏈以及同步帶輪。
5.1 設(shè)計鏈條和鏈輪
選擇傳動方式的時候，我對帶傳動和鏈傳動做了對比。但是通過仔細(xì)思考可以知道帶傳動中帶的材料不完全具有彈性，所以在機(jī)器工作中，帶會發(fā)生塑性變化從而使張力變低，進(jìn)而導(dǎo)致帶傳動不能以勻速進(jìn)行。但是在本設(shè)計中，為了保證蘋果分揀的質(zhì)量，傳動過程必須時刻保持勻速，所以我們舍棄帶傳動，選擇了傳動效果更好的鏈傳動。鏈傳動相對于帶傳動的優(yōu)點有很多，對軸的壓力很小，可以在多種惡劣環(huán)境下工作，結(jié)構(gòu)簡單，精度要求低，便于安裝，效率高（η=98%），因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)中。綜合以上，故我們選擇鏈傳動。
傳動鏈主要包括齒形鏈，套筒滾子鏈和套筒鏈三部分。需要注意的是，這三個部分都是標(biāo)準(zhǔn)件。在這個設(shè)計中，兩側(cè)的鏈條中間需裝有滾子，但是標(biāo)準(zhǔn)件的鏈條會使我設(shè)計出來的機(jī)構(gòu)尺寸太大，考慮到盡可能的節(jié)約耗材以及最小化機(jī)構(gòu)的體積。此次設(shè)計我決定放棄標(biāo)準(zhǔn)件，采用定制的鏈條，取前后鏈輪的中心距，鏈條的節(jié)距。
5.1.1 設(shè)計鏈輪
鏈輪齒的齒形必須保證鏈節(jié)之間能夠完美的嚙合，并且為了方便加工，形狀最好盡可能的簡易。
國家標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了鏈輪的最大和最小齒槽形狀。實際的齒槽形狀不小于最小形狀，不大于最大形狀即可，所以鏈輪齒廓曲線的幾何形狀沒有什么約束。我們在此次設(shè)計中采用的齒廓為“一直線三圓弧”。
下面是鏈輪的計算：
經(jīng)計算得傳動速率，速率很低，所以在齒數(shù)的選擇上范圍很大，我取。
齒頂圓直徑
（1）
由（1）式可算出
分度圓直徑
（2）
（2）式代入數(shù)據(jù)得
齒根圓直徑
滾子外徑） （3）
根據(jù)（3）式得
最大齒根距
（4）
由（4）式得
齒側(cè)凸緣直徑
（5）
圖6為鏈輪的結(jié)構(gòu)圖：
圖6 鏈輪結(jié)構(gòu)圖
5.1.2 設(shè)計鏈條
（1）. 通過前面可知，，。鏈節(jié)數(shù)可算出：
（6）
由（6）得。
即鏈條的節(jié)數(shù)為72節(jié)。
（2）. 鏈傳動受力分析：
取鏈傳動效率。忽略傳動中形成的動載荷，，和為作用在鏈上的力，其中為工作拉力，為離心拉力，為懸垂拉力。
通過計算
（7）
由（7）得.
（8）
代入數(shù)據(jù)得
（8）式中，表示單位長度鏈條的質(zhì)量。
（9）
由（9）得
與水平線和中心線的夾角有關(guān)，表示垂度系數(shù)。水平分布時,垂直分布時.由于此處為水平分布。所以。
所以，可以算出鏈的緊邊拉力以及松邊拉力，
即
（3) 鏈條的靜強(qiáng)度校核：
原因：因為鏈條傳動速度為，而鏈傳動速度低時，靜力拉斷為其主要失效形式。
靜強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)滿足下式
（10）
式中取極限小值為，表示單排鏈的極限拉伸載荷.查表在載荷平穩(wěn)的情況下，表示工作情況系數(shù)，所以，,滿足（10）式，所以安全。圖7所示為鏈條的尺寸：
5.2滾子設(shè)計
由于滾子只是作負(fù)載作用，所以技術(shù)要求比較低。但是為了減小蘋果在上面的摩擦力，所以在材料選擇方面，我們還是選擇了摩擦系數(shù)比較小的工程塑料。通過對比，選聚四氟乙烯。查簡明機(jī)械零件設(shè)計手冊表1-13該材料的動摩擦因數(shù)。在與鏈條的配合中可以用過盈配合使其固定在雙側(cè)鏈條的中間[18]。如圖8：
圖7 鏈條的形狀和主要加工尺寸
圖8 滾子簡圖
5.3 軸的設(shè)計及校核
軸作為機(jī)器的關(guān)鍵性零件，設(shè)計軸時，一定要注意合理，要結(jié)合實際情況，它關(guān)系著機(jī)器能否正常運轉(zhuǎn)。如果設(shè)計出現(xiàn)偏差，安裝的零件契合度就會不符合要求，進(jìn)而會影響機(jī)器的工作性能。
在本次設(shè)計中，有前主軸和后軸。他們的結(jié)構(gòu)大小都不太一樣，前主軸要比后軸來的復(fù)雜一些，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力要大一點。碳鋼以及合金鋼是制造軸的主要材料，由于合金鋼相較于碳鋼，價格比較昂貴，而且結(jié)合二者的材料性能，最終軸材料選擇性價比較高的碳鋼。
5.3.1 設(shè)計主動軸
鏈輪，同步帶輪以及軸承都需要靠主動軸連接，所以相對而言，主動軸的結(jié)構(gòu)尺寸必然要比其它的要復(fù)雜一點。
材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。
（11）
由（11）得，其中表示最小許用軸徑，
為電機(jī)功率,為帶傳動效率,為軸材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的系數(shù)，查表得45號鋼的C值為,所以取。
(3)主動軸的彎曲扭轉(zhuǎn)合成校核
1）計算軸承反力
垂直面
水平面
（12）
（13）
由（12）得；由（13）得。
2）計算鏈輪受力：
鏈輪對軸上的壓軸力
（14）
其中為壓軸力系數(shù)，垂直傳動；水平傳動。這里是水平傳動，所以；為有效圓周力。
由（14）得 ，圖10（b）為鏈輪上作用力。
由,鏈輪所受彎矩
（15）
由（15）得.
3）畫轉(zhuǎn)矩圖10（h）
又根據(jù) 得 所以
（16）
由（16）得
4)畫彎矩圖
垂直彎矩圖8（f）。
水平彎矩圖10（d）截面b：
（17）
（18）
由（17）得
由（18）得方向相反。
合成彎矩圖10（g）
（19）
（20）
由（19）得
由（20）得
5) 畫當(dāng)量彎矩圖10（i）
對于截面a、c
（21）
由得（21）得,
對于截面b
（22）
由得（22）得,
6）計算危險截面b處的直徑
（23）
由（23）得，截面雖然有鍵槽的削弱，但是直徑超過了5cm，所以強(qiáng)度滿足要求。
在此次設(shè)計里，考慮到最簡單有效的方法，是通過鍵和鍵槽來實現(xiàn)零件的徑向固定。圖9為主動軸得尺寸結(jié)構(gòu)：
圖9 主動軸的結(jié)構(gòu)和尺寸
5.3.2 設(shè)計從動軸
下圖11為從動軸的結(jié)構(gòu)尺寸：
圖11 從動軸結(jié)構(gòu)和尺寸
圖10 主動軸受力圖及彎扭矩圖
5.4 同步帶和同步帶輪設(shè)計
在本次設(shè)計中，由于要求勻速運動，意味著傳動比要恒定不變，我們采用了表面帶有齒的同步帶以及表面帶有齒槽的帶輪，他們依靠嚙合傳動。
節(jié)距是同步帶傳動的主要參數(shù)。同步帶的標(biāo)準(zhǔn)化型號參照（GB11362-89）。
5.4.1選擇同步帶
根據(jù)帶傳動功率.查簡明機(jī)械零件設(shè)計手冊，選擇H型同步帶。
圖11為帶形狀和尺寸：
圖11 同步帶尺寸和形狀
5.4.2 設(shè)計帶輪
由鏈輪線速率為.得主鏈輪角速度
（24）
由（24）求得
大帶輪的轉(zhuǎn)速
（25）
由（25）得
1. 設(shè)計大帶輪
小帶輪和大帶輪傳動比
（26）
由（26）得，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速,鏈輪轉(zhuǎn)速。
所以大帶輪節(jié)圓直徑
由式 （27）
大帶輪齒數(shù)為。
2. 設(shè)計小帶輪
根據(jù)，可知機(jī)構(gòu)整體轉(zhuǎn)速很小。查簡明機(jī)械零件設(shè)計手冊表7-26小帶輪齒數(shù)選擇為。
查閱H型同步帶尺寸表：小帶輪節(jié)圓直徑，帶輪的節(jié)距。
5.5 設(shè)計軸承
根據(jù)所設(shè)計的機(jī)構(gòu)，軸上裝有鏈輪和帶輪，所以軸承是必不可少的零件，且，所以我選擇了深溝球軸承，查機(jī)械設(shè)計手冊軸承型號為6008，尺寸為、、，故取右邊第一段與左邊第三段的直徑相等，即。
該軸承的優(yōu)點有很多：摩擦系數(shù)小，噪音低：結(jié)構(gòu)簡單便于裝卸：價格低廉：密封性高潤滑效果好。
軸承和軸承座以及軸和軸承的連接形式如下圖12:
圖12 軸承和軸承座以及軸和軸承的連接形式
5.6 滾動軸承潤滑與密封方式選擇
潤滑對于滾動軸承具有重要意義，軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還可以起著散熱，減小接觸應(yīng)力、吸收振動、防止銹蝕等作用。
這里根據(jù)實際工作條件選取脂潤滑:通用鋰基潤滑脂GB/T 7324─1994 。潤滑脂形成的潤滑膜強(qiáng)度高，能承受較大的載荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以維持相當(dāng)長的一段時間。對于不允許潤滑油流失而致污染產(chǎn)品的工業(yè)機(jī)械來說，這種潤滑方式十分適宜。對于密封，我選用了擋圈密封。
第六章 檢測控制部分的設(shè)計
檢測控制部分每個模塊關(guān)系如圖所示：
電源
對射型光電傳感器
CCD視覺檢測
PLC控制模塊
空壓機(jī)
氣泵噴嘴1
氣泵噴嘴2
氣泵噴嘴2
6.1 檢測器件的選擇
6.1.1 傳感器的選擇
在目前的市場上，傳感器的種類有很多，在本次設(shè)計中，根據(jù)機(jī)構(gòu)運行的要求，我選擇了光電傳感器。由于我們要檢測的是蘋果的大小，所以在輸送帶上裝上對射型光電傳感器更直觀迅速。由于對射型光電傳感器的發(fā)光器和收光器之間的距離可以調(diào)控，所以對于被測物體的尺寸沒有很大的限制，同時因為它的響應(yīng)速度比較快，更有利于接下來圖像分析以及蘋果的分級。
6.1.2 視覺系統(tǒng)的選擇
由于蘋果需要逐個檢測然后進(jìn)行分揀，那么捕捉的圖像信息量很大，靠人眼識別可能效率比較低，而且時間長會出現(xiàn)主觀識別錯誤，同時成本也會比較高。為了解決這一情況，同時提高設(shè)計的機(jī)構(gòu)的自動化程度，我采用了機(jī)器識別代替了人眼識別。目前市面上比較常用的就是CCD，該系統(tǒng)的組成包含了照明、攝像頭以及相應(yīng)的處理軟件。原理主要是通過攝像頭拍攝到物體的圖像，軟件將圖像分析過后，處理成數(shù)字信號傳遞到控制部分。
6.2 控制部分的設(shè)計
由于本機(jī)構(gòu)中控制部分比較簡單，PLC只需要根據(jù)CCD傳遞的信號數(shù)據(jù)控制空壓機(jī)的工作，以及氣泵噴嘴的開關(guān)，所以只需要選擇小型PLC。而且一般I/O模塊是PLC價格比重最高的一個部分，結(jié)合實際情況，同時也為了節(jié)約成本，只需要選擇開關(guān)量I/O模塊。綜合考慮，對比了每個品牌PLC的性價比，我選擇的PLC是三菱的FX2N-64MR-001型號。該型號PLC的I/O點數(shù)足夠多，并且留了一定余量I/O點數(shù)以備以后技術(shù)的更新。
PLC根據(jù)檢測系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)做出反應(yīng)，如果檢測的蘋果符合第一等級出口的條件，PLC控制空壓機(jī)工作，同時打開第一個氣泵噴嘴噴氣，將符合條件的蘋果吹離滾輪傳送帶，第二個等級出口依照同樣的原理控制，若沒有符合第一和第一等級出口的，PLC控制空壓機(jī)關(guān)閉，蘋果直接進(jìn)入到第三等級出口。
第七章 安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計
7.1 機(jī)架設(shè)計
機(jī)架做為每個機(jī)器的基本部分，占總機(jī)器質(zhì)量的很大比重。機(jī)架作為機(jī)構(gòu)的載體，是機(jī)器能夠正常運行的保證，因此整個機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，工作精度，以及抗震性能，都和機(jī)架密不可分。而底座又是用來承載機(jī)架，所以，設(shè)計出合理化的機(jī)架和底座也是工作的重點。為了使制造出來的機(jī)器性價比更高，我們需要合理的設(shè)計機(jī)架和底座的尺寸結(jié)構(gòu)。此外，我們還需要考慮這幾個問題：如何節(jié)約材料，減輕機(jī)器的整體質(zhì)量，如何提高機(jī)器的穩(wěn)定性。但是在本次設(shè)計中，由于設(shè)計的機(jī)器工作模式簡單，所以對于的機(jī)架的表面粗糙度以及精度方面要求就顯得不是那么重要。
7.1.1 機(jī)架材料選擇
常用的小型機(jī)器的機(jī)架制造，一般都選擇焊接或者鑄造。綜合多個方面考慮，我選擇鑄造機(jī)架。為了使機(jī)器外表的美觀，以及今后機(jī)器的拆解便利性，我選擇了鋁合金。
如圖13為機(jī)架的橫斷面。
7.1.2 連接方式
如下圖14。
圖 14
圖13
第八章 結(jié)論
四個月來，我查閱了大量資料，咨詢過許多前輩，再結(jié)合了書本的知識完成了這次畢業(yè)設(shè)計。此次畢業(yè)設(shè)計對我來說意義深遠(yuǎn)，它讓我明白了“學(xué)以致用”的重要性。在設(shè)計過程中，也遇到過許多問題，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及尺寸的計算的期間，一度很迷茫，但是通過自己的不懈努力，還是一一化解了這些難題，所以這次設(shè)計也讓我懂得了在面臨困難的時候如何堅持下去。我發(fā)現(xiàn)沉下心去做一件事，最后可能會有意想不到的收獲，雖然設(shè)計過程中，因為信心不足，時間不夠，導(dǎo)致我壓力很大，一度認(rèn)為以自己的能力完不成這份設(shè)計，但是最終我還是堅持了下來。這段經(jīng)歷很難忘，第一次憑著自己完成了一份設(shè)計，從中真的學(xué)到了很多，掌握了很多省時省力的好方法。大學(xué)四年，所學(xué)的內(nèi)容如果不經(jīng)常用到的話，或多或少會有些遺忘，畢業(yè)設(shè)計就好像一根線，幫我把大學(xué)四年所學(xué)到的知識重新捋了一邊，并且串了起來。讓我在今后走向社會工作的時候，不會迷茫，不會手足無措。
我設(shè)計的這款蘋果自動分揀機(jī)，是在保證不損壞蘋果的情況下，讓蘋果滾到由鏈輪傳動的滾子上，然后逐一進(jìn)行圖像采集檢測，檢測結(jié)果以信號傳遞的方式通過控制部分傳遞到氣動部分，利用氣泵噴嘴將蘋果吹到對應(yīng)的出口，從而達(dá)到了分級的目的。雖然這款產(chǎn)品已有先例，但是做為一名還沒有參加工作的學(xué)生而言，能夠獨立自主的完成這項設(shè)計，我覺得還是很有意義。
總結(jié)這次畢業(yè)設(shè)計，我覺得還是有很多不足的地方，比如裝了振動電機(jī)，可能會對整體機(jī)構(gòu)的運行產(chǎn)生影響：機(jī)構(gòu)的整體布局還不是很完善，分揀部分占了太大比重；由于進(jìn)料槽為了不損傷蘋果，我選擇的使斜坡滾入的方法，也就導(dǎo)致了進(jìn)料部分高度偏高，不利于進(jìn)料。
致 謝
在做這項設(shè)計的時候，說到最想感謝的就是我的老師汪幫富老師，汪老師為人隨和，工作認(rèn)真，是一位難得的好老師，他經(jīng)常仔細(xì)查看我的工作進(jìn)度，并會在一些關(guān)鍵問題上提出一些寶貴的建議供我參考，在設(shè)計過程中，遇到的一些疑問，汪老師也會跟我認(rèn)真耐心的講解。同時，在我設(shè)計初期比較迷茫無從下手的時候，汪老師給我推薦了一些文獻(xiàn)和資料供我參考，使得我的設(shè)計有了方向，大大節(jié)省了時間和精力。比如有一次，有一個問題一直困擾著我，向汪老師請教，老師在深夜查資料及時的給我回復(fù)，并且還給我認(rèn)真的講解，我很慶幸有汪老師擔(dān)任我的畢業(yè)設(shè)計老師。在做設(shè)計的時候，汪老師一直給我加油打氣，讓我不要緊張，我在心里很感激他?？梢哉f，汪老師就是我此次設(shè)計的引路人，因為有了汪老師的悉心幫助，我的設(shè)計才能按質(zhì)按量的完成。
參 考 文 獻(xiàn)
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