平台式定向荷藕切片机设计及试验研究-切片机整机结构设计含16张CAD图
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平台式定向荷藕切片机设计及试验切片机整机结构设计及试验研究摘要荷藕是一种多孔质蔬菜,水分多,淀粉含量高,形状又不规则,其肉质即嫩又脆,因而给其装夹、机械化切片作业带来了一定困难,论文针对我国荷藕机械化切片技术落后,主要停留在人工切片这一现状,进行了荷藕物料特性的研究,在分析了国内外食品切片加工技术基础上,结合其物料特性,设计了一种新型莲藕切片机,并对该机进行性能试验及优化。本文对于荷藕的几何形状和尺寸进行统计和分析,包括荷藕节长和节径的分布范围,藕节不同部位的节径差值大小,以及对藕片的粘性等的计算。同时还介绍了荷藕切片技术的研究现状及存在的问题初步探讨了曲柄滑块式荷藕切片机的整体结构对荷藕切片中存在的物料夹持问题粘刀问题和藕片破碎问题提出相应的解决措施。 关键词:荷藕;切片;几何形状;粘刀;破碎 ABSTRACT The lotus root is a kind of vegetable with hollow inside, containing high rate of water and starch. Because the lotus root quality is tender as well as frail and the shapeIs irregular, there will be lots of difficulties while being cut into slices and the slice ofLotus root being sticked on the blade.In allusion to the present condition of the low lotus root mechanization slice technique,mainly,staying around the artificial to cut into slices in our country, the lotus root material characteristic was investigated in this paper.And a new kind of lotus roots slice machine was designed at the foundation of analyzing the domestic and international food slice processing technology, combining its material characteristic, and the function of the machine was tested and optimized. In this paper, for the lotus root geometry and size of the statistics and analysis, including lotus root length and diameter distribution of the scope of section track different parts of the margin size, as well as the viscosity, such as calculations. At the same time, also introduced Lotus Roots Research slicing and problems of the initial type of slider-crank machine lotus root slices Lotus Roots slice of the overall structure of the materials that exist in the issue of holding a knife and sticky issues corresponding broken solution.KEY WORDS: Lotus rhizome; Slice; Geometry form; Sticks the knife; Broken目录摘要2第一章 绪 论41.1 引言41.2 国内外研究现状51.3 主要的设计内容8第二章 荷藕切片机的设计92.1荷藕几何形状分析与研究92.1.1形状特征分析102.1.2. 鲜藕各部分尺寸分析112.1.3不同部位的尺寸差异132.1.4藕片的粘附力142.2荷藕切片机的介绍142.2.1切片机的工作原理152.2.2切片机的结构参数152.2.3刀片的运动行程162.2.4新型切藕机的特点16第三章 传动机构的虚拟建模173.1虚拟样机建模的定义及特点173.2传动机构的三维建模183.3本章小结24第四章 总结与展望254.1总结254.2展望25致谢27参考文献28第一章 绪 论1.1 引言荷藕 , 又 名芙集、芙蓉、荷藕,是一种多年生宿根水生草本植物,是我国极重要的水生蔬菜。荷藕既是一种蔬菜,又兼有水果的特性,集营养和保健于一体,是一种药食同源食品。荷藕是市场供应的主要水生菜类,据测定藕中含碳水化合物20%、蛋白质1%,脂肪0.1% 、粗纤维0.5%,同时含有丰富的钙、磷、铁等矿物质,以及胡萝卜素、VB1,VB2 VC等维生素。通过加工调制成糖腌藕片、速冻藕片、热炒、冷拌藕丝、炸藕盒、糯米灌肠等,均为群众喜食的可口佳肴.我国是荷藕生产大国,具有悠久的种植历史,荷藕产量、加工量、出口量均居世界前列。据调查,我国大多数藕食品加工出口企业生产的藕片主要以人工切片为主,如江苏宝应、金湖等产藕地区的食品加工企业。人工切片劳动强度大,功效低,工人切片时一手直接抓取荷藕,一手使用木质推板推动荷藕至切割刀片,既不安全又不卫生。近年来,我国对荷藕切片技术也开展了一些研究,但进展不大,所研制的荷藕切片机始终没能得到推广,究其原因是对荷藕的切削加工性能还缺乏了解。在切削藕片时普遍存在装夹困难、表面易压溃、藕片易粘刀和破碎等问题,这就要求荷藕切片机械既要有好的力学切削特性,又要有较强的装夹适应能力,以保证较低的破碎率和较高的生产效率,以满足实际生产需要。因此,研制新型荷藕切片机械,解决荷藕切片的实际问题己成为当务之急.图1-1为手工切片图。1-1 手工切片1.2 国内外研究现状目前,食品切片技术在某些产品上已经很成熟,如用于冻肉切片的旋转圆盘式切片装置,在国内市场上可以见到的适用于大规模生产的人参切片机、马铃薯切片机、洋葱切片机、黄姜切片机等。由于人参、马铃薯、黄姜这些食品形状很不规则,又要求一定的表面质量,所以不宜用夹具夹持。通常的做法是利用离心切削法进行切削,这样即可以保证其表面的完好,又可以提高切削率,但离心切片方式不适应藕瓜类蔬菜。藕瓜类的蔬菜偏软,同时还有一定的粘附性,采用离心式的切法,可能导致藕瓜类蔬菜破碎,粘附刀片等现象。近年来,为了满足我国藕制半成品国内消费和对外出口的需求,降低人工切片劳动强度,我国科研单位和企业针对荷藕切片加工技术难题,也开展了对荷藕切片机的研究和开发:1) 湖北农学院陈义厚、邹必昌研制了一种盘式砍切型荷藕切片机,如图1.1所示。该机的工作原理为:把荷藕放在竖直的导向管内,底部由挡板顶住,在导向筒底部和挡板之间装有旋转托盘,托盘上沿径向安装若干把切片刀,切片刀随托盘旋转横向切割荷藕,切出的藕片被刀片底面后部的藕片刷推到落料槽内。该机的优点是切割速度快,生产率高,缺点是破碎率较高,粘刀藕片难清理。分析其原因是由于切片刀随托盘旋转以一定的速度砍切荷藕,而刀片各点的切削速度又不一致,易造成薄藕片破碎,其次因藕片刷推力有限,造成粘刀藕片清理不干净,从而影响后续切藕。本机采用皮带轮传动,易于安装及检修,更换零件,结构简单、操作方便、使用安全可靠;该机制造技术要求和制造成本低,标准零部件多,一般中小型机械厂家均可自制;该机调节厚度装置,可根据需要调节荷藕切片的厚度;该机实现自动化控制和操作,可以大大减轻劳动强度。1.皮带轮;2.电机;3.调节螺栓;4.挡板;5.刀片安装盘;6.导筒;7.荷藕;8.主轴;9.皮带图1.1 盘式荷藕切片机2)机械工业食品装备设计研究所李树君针对砍切型荷藕切片机碎片率高的现象,研制了一种滑切型荷藕切片机,并对其运动参数进行了研究,如图1.2所示。其工作原理为: 荷藕在定向进给机构中沿与刀片成40o角的方向进给,圆盘刀既做上下垂直运动,又做水平面内的旋转运动,由于刀片沿一定斜角逐渐切削荷藕,因此有效地降低了碎片率,但此种切削方式加工出的藕片是斜薄片,有一定的局限性。其次由于刀盘的高速旋转,与藕片产生急剧摩擦,摩擦使藕的淀粉大量渗出,降低了产品的质量。1. 圆盘切刀 2. 荷藕图1.2.滑切型荷藕切片机3)国内实用新型专利95235217.6公开了一种藕瓜切片机,该机的切削原理是利用水平切刀盘的旋转,将进料筒内的藕瓜切成片状,其工作原理类似于湖北农学院陈义厚、邹必昌研制的盘式荷藕切片机。这种实用新型公开了一种中空类瓜果如藕瓜切片机,该机包括机架,机架上设有电机,电机通过传动装置与主轴连接,主轴垂直布置,主轴上端部水平地设有切刀盘,切刀盘上安装有切刀,主轴上端部与切刀盘皆于切箱内,切箱内有出料筒及刮料板,切箱上部的盖板上设有进料筒。这种实用新型适于中空类瓜果的切片,加工时具有效率高、质量好,加工的藕片无咬边、破碎、楔形、厚薄不均等现象。 4) 美国的urschelcc研究院研制的translicer2000如图所示,其原理是采用输送带,将荷藕按照一定的速度向前推进,然后圆轮刀片按照一定的转速旋转,从而通过调整送料的速度以及圆轮的转速,来调节切片的厚度。translicer2500带式送料切片机 1.3 主要的设计内容本文针对原有曲柄滑块式荷藕切片机存在振动大,切削平整度不理想、有斜边及藕片退料结构复杂等问题,进行了研究和探讨,通过进一步优化设计,改进了原有样机结构,提高了切片机的工作稳定性与切削质量,解决了藕片退料问题。1)原有的曲柄滑块式的连杆在与装有刀片的滑块进行连接后,对于连接点的要求比较高,因为当电机转动时,连接点的不同,可能会引起刀片的上翘,从而会导致藕片的厚度不一致。所以必须解决这个问题。2)由于藕片上有气孔,同时藕具有粘性,所以藕片极容易粘附在刀片上,所以怎么退料这个问题也要解决,选择尽量简单的结构,来达到想要的效果。3)尝试三维建模,对样机有个大概的了解。第二章 荷藕切片机的设计2.1荷藕几何形状分析与研究准确测定荷藕的几何形状特征,对正确制定加工工艺、选择合理的加工方法及确定加工设备的结构参数都有着密切的关系。因此在进行加工设备的设计和试验前,有必要首先测定荷藕的几何形状特征。本试验对江苏省金湖县产荷藕进行了几何形状特征的统计与分析,收获后第二天测试。2.1.1形状特征分析荷藕一般有三节,分为第一节(首节)、第二节和第三节,每一节分为前端、中间和后端,各部分名称划分如图。荷藕纵断面呈多孔的扁圆状,经统计与分析后发现,一般有811个边孔,中间部分有一个心孔,靠近表皮的圆周部分有614个细孔,如图所示,心孔与边孔之间的距离S的分布范围为15mm30mm,边孔到表皮的距离K的分布范围为4mm10mm。藕片各部分名称 藕片的形状2.1.2. 鲜藕各部分尺寸分析荷藕的几何尺寸是正确选择加工设备和确定其结构尺寸的主要依据。对荷藕的测试主要包括:节长、直径、质量。从大量鲜藕中随机抽取100节荷藕进行测量。测量节长,从根毛着生处水平切一刀,切去两端的根梢,量取剩余的纯藕长度,以mm表示;测量节径,量取藕节部最宽处。对荷藕以个体质量等级不同分类所得节长、纵断面直径(节径)、平均重量见表加工荷藕外形尺寸均值表样品节长(mm)节径(mm)平均重量(Kg)1.0以上224781.031.00.5191600.750.5以下160520.35平均192630.71测量结果显示,节长、节径呈同步增长的关系,藕节越粗,节径越大,对应的质量也越大。荷藕个体之间的差异大小、荷藕两端和中间的直径差异对加工设备的设计和利用率都有很大影响,测量时,应以节来划分,分别对第一节、第二节、第三节进行测试。对第一节的节径进行测量,节径在30mm80mm之间,分为6个等分,每等分10mm,统计每一等分个体数占总个体数的百分率,其节径最大值分布分别见表、图。第一节节径(最大值)分布表 节径()40以下40505060607070808090所占百分比()3.79.219.241.523.13.3 第一节节径分布第二节节径在60mm110mm之间,分为6个等分,每等分10mm,统计每一等分个体数占总个体数的百分率,其节径最大值分别见表和图。第二节节径(最大值)分布表节径(mm)60以下60707080809090100100110所占百分比()5.211.518.531.223.510.1 第二节直径分布第三节节径在40mm90mm之间,分为6个等分,每等分10mm,统计每一等分个体数占总个体数的百分率,其节径最大值分别见表和图。第三节节径(最大值)分布表节径(mm)40以下40505060607070808090所占百分比()3.317.824.234.312.18.3 第三节节径分布从图中所示结果可以看出节径基本分布在40mm80mm之间,其个体总数占总个体数比例大约是90%左右,但从整体上看,分布较为分散,考虑切片加工装置适应不同尺寸的荷藕,切片前须对荷藕进行切断处理。2.1.3不同部位的尺寸差异中间和两端的节径差异对荷藕在切削时的跳动有影响,所以重点测试了荷藕中间的节径尺寸以及和两端的差值,测试时去掉两端的根头和根须,所得尺寸见表 第一节尺寸统计名称中间节径均值(mm)与前端差值 (mm)与后端差值 (mm)结果55.812.124.511.221.3第一节比较长,后端到中间的节宽变化比较大,中间到前端的节径变化比较平缓,第一节节径比较小,藕孔稀疏粗大,是切片时产生碎片较多的部分 第二节尺寸统计名称中间节径均值(mm)与前端差值 (mm)与后端差值 (mm)结果75.46.110.55.212.3第二节是整根荷藕中最粗的部分,两端和中间的直径差异不大,节径变化比较平缓,在物料导筒内被切削时被切端的偏移量比较小,边孔到表皮的距离比较大,是切片时碎片率最低的部分。 第三节尺寸统计名称中间直径均值(mm)与前端差值范围(mm)与后端差值范围(mm)结果65.613.125.59.821.9第三节节长较小,两端和中间的直径的差值比较大,两端节径基本相等,在物料导筒内被切削时易偏移,边孔到表皮的距离较大,切片的碎片率较低。从表中可以看出,中间段的节径大致分布在50mm80mm 之间,与两端的差值分布在10mm25mm之间,根据这一数据,可以推算出,荷藕在物料导筒内被切削时,被切削端产生的最大偏移距离在5mm12.5mm之间。2.1.4藕片的粘附力荷藕被切片时,切出的藕片易乳附在切片刀上,需要采用一种清理落料装置,设计清理落料装置要用到藕片的豁附力,所以设计了藕片粘附力测试试验。试验物料为金湖产白荷藕,含水率为86%,采挖后第二天测试,荷藕的节径为60mm-80mm.试验装置为微控电子万能试验机。 分析藕片和切片刀的猫附力,形成的机理为:藕片和切片刀接触的部位,由于水和淀粉的原因,形成封闭的薄膜,在大气压力的作用下,藕片和刀片粘附在一起。所得数据如表序号12345678910粘附力(N)0.310.320.340.420.360.450.410.380.420.36序号11121314151617181920粘附力(N)0.410.430.420.350.340.450.500.360.430.46从表中可以看出,藕片和刀片之间的粘附力在0.3-0.5N之间,变化不大,其平均值是0.38N。2.2荷藕切片机的介绍综合以上的荷藕的几何形状,粘附力等,开展荷藕切片机的设计,机构的确定,参数的确定,由于没有设计的经验,所以在已经针对盘式切片机旋转切片存在破碎率高、粘刀藕片难清理的缺点,吸收人工切片工作原理基础上设计出的一种对心曲柄滑块式荷藕切片机上进行改进。2.2.1切片机的工作原理如图1.3所示,切片机结构简图,主要由曲柄1、连杆2、滑轨3、滑块4、连轴5 、轴连接件6、底板7、刀片8、导筒9,滑块10,导轨11,挡块12、支撑板13,台架14,台面15等组成。切片机工作原理为:首先按照直径对荷藕进行分选,切片机设有四个不同直径的物料导筒,将荷藕按照直径大小分别放入对应筒径的物料导筒中。电动机带动曲柄滑块机构运动,水平安装在底板上的切片刀开始对荷藕进行往复切削。荷藕放入物料导筒内,一次可以叠放几段荷藕,依靠上部荷藕的自重和压块压住下部的荷藕,使其下表面抵在物料挡板上。切削行程末了,切出的藕片会由于底板的前进,与挡板相碰撞,从而使藕片调入落料筒里,从而来完成整个切藕的动作。曲柄1、连杆2、滑轨3、滑块4、连轴5 、轴连接件6、底板7、刀片8、导筒9,滑块10,导轨11,挡块12、支撑板13,台架14,台面152.2.2切片机的结构参数荷藕切片机设计参数的确定,第一、根据莲藕的直径分布情况,选荷藕的直径为100mm,进而确定莲藕切片机的切削机构的行程至少为200mm,从而选定曲柄的半径为125mm;第二、根据机构最小传动角的要求,确定了机构连杆的长度为440mm;此外在切片机上还设计了小块的垫板来调节切的藕片的厚度,同时还有四个不同直径莲藕物料导桶,以满足藕片切片的要求。2.2.3刀片的运动行程下面对刀片的运动行程进行简略说明:切片刀开始切片前刀刃距离莲藕大约50。之所以预留50的距离,是因为切片时需要一定的速度,当刀片由起始位置开始滑动时,其速度由零开始慢慢增加,当到达切割位置时,刀片的速度已经达到了所要求的切片速度。设计刀片的纵向长度为237mm,由于刀片置于底板上,因此,实际刀片与藕片接触的长度为200mm,50mm的缓冲距离在底板上故能满足切藕需要。对于最大直径为100的莲藕,完全满足落料要求。2.2.4新型切藕机的特点在此之前,学长们也设计了曲柄滑块机构的切藕机,因此我是在老师的指导下对其进行了结构优化,同时尝试着改变机构的安装位置,来设计另一种切藕机。主要是解决由于作用点不同,引起刀片上翘,从而致使藕片厚度不均匀的问题,我采用了一个导向滑块滑轨来保证曲柄带着的连杆在水平方向上的运动是水平的,没有垂直方向上的误差。将轴的一端用螺母、垫片与滑块连接,同时另一端用轴连接件与另一根轴垂直连接,而底板是用两个U形耳板连接到轴上,同时保证耳板的轴线与轴的轴线垂直,底板面与与滑块连接的轴的轴线平行。刀片就固定在底板上,随着底板,在曲柄运动时往复运动,从而达到切片的效果。而在底板的上会有四个落料孔,切下的藕片在挡块的作用下,从落料空中落下。最终完成整个切片的流程。以下是曲柄式切片机的几个特点: 切片机在原理上采用了曲柄滑块机构,从藕片切削试验中得出:曲柄滑块切片机基本上解决了圆盘型切片机所带来的藕片易破碎,破碎率高的问题。 在物料导桶的设计上,首先对荷藕的尺寸外形进行了统计与分析,得到了荷藕的外形特征和尺寸分布范围,根据尺寸分布范围和密度,设计了多个直径不同的导筒,从而满足了不同直径的荷藕装夹要求。 新型莲藕切片机采用了挡块退料装置,让藕片在具有一定的速度的情况下,与挡板发生相撞,从而使藕片与刀片发生滑移,在设计时,再到刀片上会有细小的气孔,当藕片滑倒气孔位置时,藕片与刀片间的粘附力会由于接触面积的减小而减小,同时由于气孔,在藕片的上部会有大气的气压,最终让藕片遇到片分离,基本上解决了目前普遍存在的粘刀藕片难清理问题。这中新型的曲柄滑块式切藕机仍然有许多不足之处:1)当曲柄转速为8090r/min的工作转速时,样机的台面振动大,切片机运行不稳定,莲藕的切片质量得不到保证。2)该机型的有些组成部分用的是粗加工-焊接,因此,其结构的机密程度就会降低,会导致藕片的厚薄度不一样,平整度不高,斜边现象。3)用的挡块装置,由于底板行程的原因,挡板会很长,但由于是与藕片接触,其厚度不够,因此对于材料的要求会特别的高。第三章 传动机构的虚拟建模3.1虚拟样机建模的定义及特点虚拟样机中的所谓“虚拟”,是相对于实际的物理样机而言的,体现了样机的数字化。虚拟样机技术就是不必建造物理样机,设计师直接利用计算机技术建立产品整机的数字模型,通过仿真分析并以图形显示该模型在真实工程条件下的运动特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。虚拟样机技术是一门综合学科的技术,该技术以CAD和仿真技术为核心,加以三维计算机图形技术和用户界面技术,将传统松散关系的零部件设计和分析(例如零件CAD和有限元分析)集成在一起,提供一个全系统研究产品性能的方法。在整个设计过程中都可反馈信息,指导设计,迅速获取产品最优解。虚拟样机是一种计算机模型,它能够反映实际产品的特性,包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术设计师可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性,并根据仿真结果精化和优化系统。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术(如零部件的CAD和有限元分析)集成在一起,提供一个全新的研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断的指导设计,保证产品寻优过程的顺利进行。虚拟样机的设计方法具有以下特点:1. 新的研发模式。2. 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。3. 实现动态联盟的重要手段。3.2传动机构的三维建模现在以滑块为例1.选定一个基准面。2.在选定的基准面上,将零件沿轴向上的轮廓图画出来,然后进行拉伸。3.再选定一个基准面,将滑块上的耳形板拉伸出来4.在耳板的中心面上向两边拉伸一个能覆盖耳板的长方形,最后去除材料。最后得出滑块。现在以导向滑轨为例1.选定一个基准面2.在选定的基准面上,将零件沿轴向上的轮廓图画出来,然后进行拉伸。3.采用阵列,将4个螺纹孔在滑轨上表现出来。从而整个导向滑轨的结构就基本体现出来了。最后简单了解下传动机构的装配1.先调入第一个零件-曲柄2.调入与曲柄连接的连接件,同时对其与曲柄的关系位置进行约束。3.下一步,调入连杆,加上约束条件,使其与上一步的连接件很好的配合。4.下一步,调入导向滑轨滑块,限制约束条件。5.按照每次的步骤,把相应的零件依次按照约束条件装配,则传动部分的装配图如下图3.3本章小结该章只是对切片机的一个传动机构,进行了三维的建模,由于本人的知识的缺憾,以及对软件认识的不深,所以只是简单的三维建模,希望在以后的工作中能得到锻炼和提高。第四章 总结与展望4.1总结这次毕业设计是我们从一个大学生走向机械工程师重要的一个考验。我们经历了最初的选题、开题到计算、绘图直到完成设计。其间,我们要去查找资料,接受老师的指导,还要与同学交流,反复修改图纸,每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。 通过这次设计,我了解了切片机的用途及工作原理,熟悉了产品的设计步骤,锻炼了设计实践能力,培养了自己独立设计能力。这次的毕业设计是对我机械专业知识和基础知识的一次检验和巩固,同时也是走向工作岗位前的一次热身。通过这次毕业设计,我收获很多。1)学会了查找相关标准。在毕业设计过程中,每个零件的数据都不是凭空想象的,都是要有根据的,从螺母螺栓等标准件的查找,到零件的整体尺寸,最后再到整体装配的尺寸。2)学会了对各种数据进行分析,从中找出对自己设计有用的信息,发现其中的问题,最终才能更好的解决问题。3)绘图能力提高了。通过大量的图纸绘制,使自己的绘图能力上了一个新的台阶。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。1缺乏综合应用专业知识的能力。对待一个问题老是只想的一个方面的问题,比如一个连接件,考虑到了强度要求,体积要求,就是没有想到其成本和加工过程。2对材料方面的知识欠缺。不了解材料,确定一个零件的材料需要查好多资料才能确定。4.2展望近年来,随着中国加入了世贸组织,人们对于蔬菜的需求越来越大,但是像荷藕这类的蔬菜,没有很好的蔬菜机械对其进行加工。所以像荷藕切片机切片机这种机械将来会有很大的市场。这次实践是对自己大学四年所学的一次大检阅,使我明白自己知识还很浅薄,虽然马上要毕业了,但是自己的求学之路还很长,以后更应该在工作中学习,努力使自己 成为一个对社会有所贡献的人,为中国机械行业添上自己的微薄之力。致谢在毕业设中我的导师,农机研究院的胡建平教授对我认真指导,虽然在毕业设计过程中,我出去实习了一个月,可是导师并没有怪我,相反的,每周都会对我的设计工作进行检查,帮我一起解决在设计工作中遇到的问题,在老师的带领下,我学到了很多的知识,在此对他表示感谢。感谢舍友刘万兵、沈元锡、蒋林等在生活和学习过程中给予的帮助;感谢孙卫兵、王荣荣等同学在课题研究过程中给予的启发与帮助。另外,本文研究工作能够得以完成还得到了许多老师和同学们的帮助,在此一并向他们表示衷心的感谢!参考文献1 南京农业大学主编. 农业机械学M.中国农业出版社. 1996,32 北京农业工程大学.农业机械学M.第二版.北京:农业出版社,1996.3 李瑞涛,方泥,张文明.虚拟样机技术的概念及应用J.机电一体化,2000,12(5):17-194 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Theory, 1991,26(3): 337-38424 自人朴.21世纪初叶我国农业机械化发展展望J.中国农机化,2000,(5):8-1125 何亚银.基于虚拟样机仿真的机构动平衡研究D. 西北工业大学,2006第 29 页 共 29 页 荷藕切片机整机设计与切片试验研究前言:我国是莲藕生产大国,具有悠久的莲藕种植历史,莲藕产量、加工量、出口量均居世界前列。随着我国加入WTO,莲藕制品的出口量也大幅增长。日本、韩国、新加坡以及美国等国家纷纷从我国进口大量的水煮藕、脱水藕片等产品,但是根据调查,我国大多数的莲藕食品加工出口企业所生产的藕片主要以人工切片为主,这种生产方式劳动强度大、功效低,难以满足实际生产的需要,因此莲藕切片机的研制具有重要的现实意义。关键词:莲藕、切片、机械国内现状:目前,食品切片技术在某些产品上已经很成熟,如用于冻肉切片的旋转圆盘式切片装置,在国内市场上可以见到的适用于大规模生产的人参切片机、马铃薯切片机、洋葱切片机、黄姜切片机等。由于人参、马铃薯、黄姜这些食品形状很不规则,又要求一定的表面质量,所以不宜用夹具夹持。通常的做法是利用离心切削法进行切削,这样即可以保证其表面的完好,又可以提高切削率,但离心切片方式不适应藕瓜类蔬菜。近年来,为了满足我国藕制半成品国内消费和对外出口的需求,降低人工切片劳动强度,我国科研单位和企业针对莲藕切片加工技术难题,也开展了对莲藕切片机的研究和开发:1) 湖北农学院陈义厚、邹必昌研制了一种盘式砍切型莲藕切片机,该机的工作原理为:把莲藕放在竖直的导向管内,底部由挡板顶住,在导向筒底部和挡板之间装有旋转托盘,托盘上沿径向安装若干把切片刀,切片刀随托盘旋转横向切割莲藕,切出的藕片被刀片底面后部的藕片刷推到落料槽内12。该机的优点是切割速度快,生产率高,缺点是破碎率较高,粘刀藕片难清理。分析其原因是由于切片刀随托盘旋转以一定的速度砍切莲藕,而刀片各点的切削速度又不一致,易造成薄藕片破碎,其次因藕片刷推力有限,造成粘刀藕片清理不干净,从而影响后续切藕。2)机械工业食品装备设计研究所李树君针对砍切型莲藕切片机碎片率高的现象,研制了一种滑切型莲藕切片机,并对其运动参数进行了研究。其工作原理为: 莲藕在定向进给机构中沿与刀片成40o角的方向进给,圆盘刀既做上下垂直运动,又做水平面内的旋转运动,由于刀片沿一定斜角逐渐切削莲藕,因此有效地降低了碎片率,但此种切削方式加工出的藕片是斜薄片,有一定的局限性。其次由于刀盘的高速旋转,与藕片产生急剧摩擦,摩擦使藕的淀粉大量渗出,降低了产品的质量。3)国内实用新型专利95235217.6公开了一种藕瓜切片机,该机的切削原理是利用水平切刀盘的旋转,将进料筒内的藕瓜切成片状,其工作原理类似于湖北农学院陈义厚、邹必昌研制的盘式莲藕切片机。从现有资料分析,国内外对莲藕切片技术的研究还非常少,目前所研制的莲藕切片机主要以盘式切片机为主,切割方式有滑切、砍切。另据市场调查了解,我国出口到日本、南韩的藕片厚度只有210mm,现有的荷藕切片机实际使用后均无功而返,究其原因是:莲藕是多孔质蔬菜,含水率高,切片易粘刀,其次鲜藕既嫩又脆,每段藕的长度、宽度、形状各不相同,即使是同一段藕不同部位的宽度、形状也有区别,因而给其装夹、机械化切片作业带来了一定难度。因此,国内外(包括荷藕食品消费大国日本、韩国)目前生产的莲藕食品仍是以人工切片为主。设计要点通过对资料及设计任务要求的分析发现该课题有以下几个关键技术需要解决,才能完成设计。要点一:提高切片机的切片质量。由于莲藕这种材料的特殊性,所以在切片过程中,藕片易碎。故得对结构进行优化来提高切片的质量要点二: 减小切片机机构中的不平衡惯性力,提高切片机的工作稳定性。要点三:解决切片机退料装置复杂的问题。切藕时因为藕片有粘性,故藕片可能会粘附在刀片上,所以必须设计出一种装置来进行退料。其他问题:设计的任务要求应对产品进行市场调研,对产品的结构利用软件进行计算机绘图,包括整机装配图及零件图数张,此外还要考虑到产品的经济性。结语通过对荷藕切片机的设计研究,了解到了当前荷藕切片机的发展以及前景,对荷藕切片机械的设计有了基本的概念和思路,为自己以后的设计工作提供一定的基础。参考文献:1 南京农业大学主编. 农业机械学M.中国农业出版社. 1996,32 北京农业工程大学.农业机械学M.第二版.北京:农业出版社,1996.3 李瑞涛,方泥,张文明.虚拟样机技术的概念及应用J.机电一体化,2000,12(5):17-194 祖旭,黄洪钟,张旭.虚拟样机技术及其发展J.农业机械学报,2004,35(2):168-1715 张建平,胡建平无骨肉制品切割分块机的设计及试制J山东农机,2003 6 李昌满 ,刘福文, 王彦 离心式人参切片机设计研究J农机与食品机械 ,1996,(6):22257 黄桂琴, 瞿越 ,莫秀玲 人参切片机设计研究J吉林农业大学学报,1996, 18(3):90933 滚轴丝杆系统的运动学优化D. Mundo,机械系,大学的卡拉布里亚, 87036(政务司司长) ,意大利H.S. Yan,机械工程学系,国立成功大学,台南70101 ,中华民国摘要:本篇文章提出了一种方法来对传动机构进行运动学优化,过去常常通过非圆形的齿轮进行机械系统的控制来完成运动的输出。通过调查研究,本文将运用滚轴丝杆系统进行机械系统的控制来完成运动的输出。设计的目标函数是通过设计一对变半径的齿轮作为输入机构,从而使得螺杆的加速度峰值最小。为了去进行机构的优化问题,滚轴丝杆系统的运动学参数需要借助于无量纲的运动学方程来分析。遗传算法也被运用来进行目标函数的优化,并且在设计方法中添加了惩罚函数。最优机制的运动学分析发现了在恒定速度上带有恒定螺距螺杆的螺丝加速度有37 削减峰值。运动学仿真就是用来验证该方法的。关键词:滚珠丝杠传动;运动学优化;遗传算法;数控齿轮1. 引言在业界追求高生产力和高品质敦促着研究者去探讨有效的机制设计方法,以提高机器自动操作性能。提高输出运动特性的传统方法是假设输入速度恒定,并建议重新设计和制造不同的机制,更好的运动或动态表演。其中一个例子是Mills etal提出的柔性凸轮机构的优化设计。处理问题的不同办法就是积极控制机制的输入速度,设计了一个可变输入/输出驾驶系统。1956年,Rothbart 建议使用一种withworth快速回报机制,以提供一个凸轮可变输入速度,从而减少凸轮尺寸,压力角。后来,特萨和马修为分析变量投入高速凸轮从动机制导出运动方程。 变速装置的快速发展及伺服控制系统表明了,研究者应该设计伺服一体化机制,其特点是输入速度由计算机控制。 1994年,Chew and Plan用dcservo电机减少残余振动高速机电在机器的残余振动,而Yanetal发现了依靠凸轮的速度曲线的运动学特征。此外,他们提出了通过开发设计方法优化电脑控制和输入速度来主动控制凸轮机构的理论。1990年, kochev提出了在平面连接老化处积极平衡摇矩和扭矩波动,而最近Yaoetal研究了动态变速平面机制。作为一个平均数运动优化,尽管有广泛的文献关于可变输入速度函数,很少研究重点应用这一技术的滚珠丝杠传动。这种机制,基本形成了由滚珠丝杠连锁带动滑块曲柄系统,是用在几个工业应用。其中一个例子是用于纺织机械的螺杆传动机构。由于改善了凯恩斯-马泰行为,可变螺距螺丝常用于商业应用。 1993年,Yan and Liu提出了设计和制造可变螺距,导致了螺钉啮合圆柱的组成。他们还提出了三次多项式关系直线位移滑块和旋转螺丝。最近,Liu etal用一个伺服曲柄滑块机构积极控制输入速度,以降低峰值加速度的螺丝。本文介绍的工作目标是优化输出运动滚珠丝杠透射外,设计一个驱动机制,来基本形成了一个滑块曲柄驱动系统有一对非圆齿轮。然后提出联合机制,其中输入是不断旋转的速度驾驶数控齿轮,螺丝是被迫迁往最优运动。纯机械控制螺杆是基于运动学合成的可变螺距半径线,起始于最优输入/输出关系。自从一个灵活的控制不需要这种应用,一个便宜而有效的一双数控齿轮可取代各类计算机控制伺服。为了设计一个最佳的驱动机制,非维运动方程被导出了。然后确定设计约束作为刑罚功能插入的目标函数,而优化问题,是通过进化理论解决的。遗传算法被广泛使用于涉及全局优化问题。主要优点进化技术简单,在执行程序的数值及其很低的成本计算。此外,深层知识的数学特征搜索空间是不需要的。一旦数控齿轮的优化设计出来,虚拟样机联合机制和运动学仿真将会用来验证所提出的控制策略。2. 运动方程滚珠丝杠传动基本由两个合并机制形成:滚珠丝杠的联系通过曲柄滑块机构带动。曲柄旋转是机械系统的输入,而往复旋转螺杆是输出。图1机制是由五个部分组成:连杆1是基座,连杆2、 3、4,分别担负曲轴,连杆和滑块的驱动机制,连杆5是螺丝杠。因次运动方程可以通过考虑两个基本机制来推导,如图2所示图2(a) ,表达出了曲柄滑块机构的位置方程有以下几方面:上式中,r2、 r3分别为曲柄和连杆的长度, 2、 3分别为曲柄和连杆及r2、 r3杆与X轴之间的夹角。 联合(1)和(2) ,位移s的滑块,可确定为 (3)当曲柄旋转角度为角度时,所用的时间为机构运动的半个周期,滑块运动了2r2.的距离,则可以根据关系式定义出下面几个表达式:(4),(5),(6)联合(4)和(6),并把结果带入(3),得出,位移s的滑块,可确定为(7)这儿把 r3/2r2.定义为R3。分别对公式(7)对变量T进行微分,分别得到了滑块的速度、加速度、和加加速度的表达式:(8),(9),(10)参考 2(b) ,并假设螺丝杆斜度P为常数,输出旋转为(11)从而螺丝杆的旋转可以进一步的表达为:(12)因此,自旋转恒定螺距螺杆是沿着滑块的位移,螺钉和滑块量纲运动方程都是一样的。螺杆的速度、加速度、和加加速度的表达式(8) -(10)因次运动方程表明运动学恒螺距螺杆球变速器,根据最优运动规律的h(t)可迫使曲柄按照要求的角度来旋转。在以后有优化策略将被实施以设计一个最优控制功能。一旦非维运动特性的优化螺杆决定,但实际运动曲线可以由以下几个关系来确定(8)-(10)(13),(14),(15),(16)在这儿 , v, a ,j分别为滑块的角位移,速度,加速度,加加速度3. 优化控制方案最优控制螺杆运动要求目标函数和一套给出的设计规则。一旦优化问题被制定出来了,遗传算法将用来减低成本函数。刑罚方法确保最优解满足设计规则。3.1制定优化问题优化问题的主要目标是设计一个旋转速度功能曲柄以积极控制螺旋运动,并尽量在滑块前进冲程中减少其峰值加速度,使得在工作期惯性载荷问题可以减少。然而,无论是螺钉和曲柄运动特性应履行一套运动学要求和一般设计规则。螺杆速度和加速度变化曲线必须连续,其值必须满足要求。 因此,曲柄旋转速度x(t)必须至少有一个二阶可微函数是从输出(7) -(10)得到的。如果曲柄旋转的h(t)被选择作为一种控制功能,在第四或高阶多项式表达可以界定,然后在下列形式: (17)根据减少其峰值加速度为目标函数,设计变量为a0, . . ., aN已经确定出来了,下面根据要求来确定约束条件,并且约束条件必须满足公式(6)的要求:(18),(19)根据公式(17)(19),约束条件为:(20),(21)为了完成制定的优化问题,成本函数必须界定。主要目的是为了减少螺丝的加速度峰值。然而,优化控制功能,必须履行下列设计规则: 1.一个典型的曲柄旋转不断改变方向。因此,时间导控功能不能改变迹象。不丧失普遍性,在这项工作中曲柄速度将保持正的。2.第二次导控功能必须温和,因为非圆齿轮将用来提供有变速功能的曲柄和将决定不规则线间距的角度的突然变化值。在设计的要求的基础上,价值函数能够被定义为(22)当有一个或更多的变化,周期p用来惩罚控制功能时,根据不同的优化策略,权值w1和w2可以调整。处罚方法保证了设计的实现,因为任何一套行不通的设计参数比一个容许的解决方案会有更大的价值。明显的,如果下式成立,那么公式(22)中的惩罚函数应该被置为0.3.2 优化方法 为了解决在上一节基础上制定的优化问题,一种改进的方法被使用了。一种改进的遗传算法,如图3所示。第一步设计开始的数目,形成Np对个体。每个组成有一套设计容许的变量值。因此,一般每个个体是解决优化问题的一个可能,可以作为真实数字形式的一个载体。其中n是一些独立设计变量进化优化方案使得那些满足要求的优化结果被保留了下来。这些要求的优化结果经历了一套遗传操作,以使得在以后的运算中能够继续保留下来。这个过程称为自然选择。再生产的第一步是复制过的Np对个体的选择,其遗传信息将合并产生新的Np对个体。因此,个体规模是保持恒定的。可以基于不同的概率分布,包括均匀分布来挑选个别复制。标准化几何排序选择方法用于这项工作的算法中。每个个体按照他们的特点不同,不被选到的可能性 ,按下列表达(24)Pb是一个恒量,是与选择最佳个体的概率成正比的, r是个体的一个排列。排列1是最佳个体, Np是最差的一个选择。因此,进行筛选的过程中,成本函数中的每个个体必须评估以保证最后选择的是最好的。一旦两个体X1和X2被选定复制,遗传操作(交叉)会产生一个新的个体X1,其基因是来自原有X1和X2的一些特点。在这项工作中的新的个体所创造的手段启发式交叉操作如下:(25)而rn是一个实数,随机选取范围 0,1 根据精密计划,新个体中有比在他之前的两个组合更加优越才会进入下一选择。否则新个体将会被拒绝,X1和X2之间的最佳染色体会被保留。 复制的最后一步是突变,变更新个体的部分遗传信息。突变是必要的,以防止算法收敛趋近当地的最低条件,是、而且突变需带有概率 PM 2 0,1一起进行 。在这项工作中非均匀突变也是要利用的。个体基因的突变是按下列计划随意改变的:(26)ri是范围 0,1 内的随机数 ; ui 和 li是基因边界上和下界的;f(g)是一个函数,定义如下:(27)其中rn2范围 0,1 内的一个随机数,b是形状变化参数,G是循环次数; Gmax是最高迭代次数。 序列健身评价,选择个人复制,交叉和变异是迭代,根据该图3所示,直到人数最多的几代人出现或实现低成本。3.3 优化控制函数在开始进行程序的迭代之前,遗传参数必须初始化。开始个体数目的选择应该建立数字化设计变量的基础之上。 在应用中存在着被选为控制功能的第七次多项式函数。因此,根据均衡方程式 (17),(20)和(21) , 6个设计变量必须运用进化理论。开始的个体数目是 60个。设置Pb = 0.5, PM =0.1,Gmax=100和b=0.85 ,最佳个体数目被认定为如下(28)优化控制功能,即因次曲柄旋转由平衡方程(17)-(21)和最佳个人基因所决定,就是:如图4所示,从优化的过程中得出了曲柄的位移,速度,加速度和加加速度曲线,由 OPT(T)和其对时间的导数方程式 (7)-(10)得出 ,螺丝杆的最佳曲线量纲角位移,速度,加速度和加加速度的曲线。在如图5中,进行了辊轴丝杠为变速度的输入进行了优化,并将这些曲线与辊轴丝杠为恒定速度的输入相比。当以一个变量投入高速传输时,机构的动力学特点和文献Liu 12得出的结果基本上是一致的。在表1中,总结出来了在不同的结构参数组合下,得到了螺杆的位移、速度、加速度、及加加速度曲线,在表1中并对不同的结构参数组合曲线的峰值进行了比较。目标函数优化的主要是问题,如公式3所示 ,降低峰值加速度的螺丝。从表1中可以看出,辊轴丝杠为变速度的输入与辊轴丝杠为恒定速度的输入相比,螺丝加速度的峰值减小了36.9%,而当使用伺服控制机械系统时,螺丝加速度的峰值减小了19.4%。而使用上面的两种方法时,螺杆的速度、加加速度与原来的比较都有所减小,因此上面提出的机构的优化方法得到了证明。为了去评价本文所提出的优化算法的性能,优化目标函数,在图6中,找出了快速收敛至近最优解,最快的收敛算法和最好的接近目标函数的算法被找到了,并且在经过了仅仅68步迭代运算以后,函数值与目标函数值达到了98.9%。最终的结果被得到了在100步迭代的时候。因此,该算法能做出6000份合适的不同解决办法的评价,因为个体数是60。计算算法的时间,在AMD Athlon XP 3000上执行的,是54.32s。变机构的效果也经过了上面优化算法的几次检测,尽管在优化过程中,开始的各个值选择不同,但是,最后的解决方法基本上都是类似。因此,开始提出的目标函数能够得到很好摆脱当地的最低条件。 fig 64.驱动机制的设计为了使得曲柄旋转按照上面最优化的方案来运动,如图4所示,一对非圆齿轮可以用来代替更昂贵的电脑控制伺服系统。在此应用中,事实上,运用一对非圆齿轮这种具体的机械控制螺杆运动学是有效的,因为灵活的控制系统,在这里是不需要的。 设计一对非圆齿轮是基于输入/输出关系的要求。在这个应用中,持续的旋转速度假定为传动齿轮的转速,而从动齿轮,必须按照优化曲柄运动规律所决定的来运动,如公式(29)。此外,虽然机械控制螺旋运动在前一段行程的冲击中是必要的,但是,利用非圆齿轮在后一段行程的冲击设计中也是需要的。因为不包括具体的要求,履行连续性传输的唯一条件,曲柄后段行程的设计中,可以用多项式表达,如下:(30)a0到a7必须依靠下面的几个表达式定义:(31),(32),(33),(34)一旦曲柄的两个行程被定义了,变量齿轮的函数表达式如下:(35)Xout是从动齿轮角速度,Xin = 1是传动齿轮输入速度的量纲恒速。图7显示可变齿轮比规定了具体控制任务以及与此相关的应用程序。注意到,在结果(31)中,齿轮比的传动比为一。 fig 7 fig 8综合的螺杆线斜度能够按照以下的公式定义: (36),(37)其中(T)= T是传动齿轮的因次旋转,R1和R2是从动齿轮的可变半径,D是轴心之间的距离,其轴线如图8所示。结合公式(36)及(37),在应用中,D设置为100毫米,可变螺距半径在图9(a)进行了合成的。设计过程的最后一步,是齿廓。在本文的数学模型中,齿廓是基于以下微分方程19 : (38)d是传动齿轮旋转的角速度,dy是位移值,即组成相应的接触点沿位移线的位移,是一个压力角,沿各剖面保持恒定。为了产生第一个配对的齿轮副,当前接触点的坐标值必须由公式(38)计算得出 ,从任意一个齿形的交点开始。基于两个matrices旋转矩阵,角度和h()包含在内进行坐标变换,然后进行操作,获得两个不同点,从当前的接触点,进行对共轭分布。当下列情形之一发生时,这个综合的优化过程将停止下来,:径向轮齿的尺寸超过既定的增值;距离目前联络点和齿轮中心固定。最后条件,实际上意味着削弱。这个数值程序,然后将这个数值程序运用到每一个轮齿上,下面已知直径螺距和齿轮数的基础上,对第一个啮合点进行修改。压力角也进行了一定的修改,使该夹角压力线与螺距曲线的正常线保持恒定。显然,对不同齿轮设计时,两啮合齿要假设同一压力角。在如图9(a)中所示,假设齿数nZ = 35,平均值压力角等于20,在图9(b)中产生了齿轮.5.虚拟样机及运动仿真虚拟运动学分析是对模型进行运动仿真,以验证提出的优化方法。列图10中所示 ,一个结合机制的三维模型,是借助计算机辅助软件,PTC- ProEngineer 造出的。虚拟滚珠丝杠传动列的规格在表2中列出了。结合机制的运动学是通过相同软件的机制模块模拟的。驱动齿轮轴提供一个恒速驱动,而从动齿轮根据最优运动规律转动,由公式(29)及(30)中确定。滚珠丝杠传动的曲柄是根据运动学曲线图4被迫运动。用两个旋转接头连接杆和曲柄以及杆和滑块,而后者则是用一个圆柱副连接螺杆。第三旋转副把螺杆与地面的框架连接在一起。为了再现滚珠丝杠传动的运动学,使关系得以确立,根据公式(11)中,螺杆旋转和滑块线性位移(螺杆联合),两者的关系需要设立。在对虚拟样机的运动学仿真时,测量了螺丝杆的运动学特征。结果如图11 ,如图所示,对没有进行优化时的螺杆恒定输入和优化后的机构进行了运动学特性的比较。螺杆加速度曲线不断输入速度配置显示峰值4693.4 rad/s2 ,而最高值3002.3 rad/s2已计算出作为最优机制。因此,运动学仿真证实了最优控制的结果,从而验证方法的有效性。6.结论本篇文章提出了一种方法来对滚轴丝杆传动机构进行运动学优化,优化控制的方法已经被应用了,即通过设计一对变半径的齿轮来作为输入机构来进行了机械系统的控制来完成运动的输出。首先,通过对机构的运动学分析,得到了一些无量纲的运动学方程,通过机构的优化来使得螺杆的加速度峰值减小,当机构的加速度峰值减小了,则机构在工作行程中的机构运动的惯性力也就减小了,工作也就更稳定了。运动学分析,要求对双方,即输入和输出机制,进行分析和考虑,同时还要运用到界定的控制功能和实施优化程序中去。进化理论一直作为一种全局优化技术用来运行遗传算法,同时用处罚法来进行程序的优化,这样就使得优化法变为了一个可行的解决办法。提出控制方法的最后一步,是在最优解的基础上,设计出一对非圆齿轮。通过分析结合机制的运动学,提出的最优控制策略表明其能有效地改善输出运动特性。在不断的投入高速螺旋传输中,螺丝加速度峰值减小了36.9%,最终的结果也通过机构的运动学仿真得到了证实。由于通过简单的组合机构而达到了很好的效果,作者认为本文提出的这种最优控制方法,对于设计和制造工业涉及机械螺杆传动机构,特别是重载应用,是一个重大的贡献。
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