果蔬三维切丁机切丁部件的研究与设计含NX三维及11张CAD图带开题
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切丁机综述摘要 切丁机是一种食品机械,本文主要描述切丁机的发展背景,切丁机的原理,目前具有产品的种类以及切丁机的发展前景。关键词:发展背景 原理 种类 发展前景。前言:随着食品加工工业化发展的深入,食品机械也取得了很大的进步,其种类、功能以及适用范围都在迅速扩大,使得食品机械在机械制造业中占据着愈来愈来越重要的地位。食品机械对我国的食品行业发展,起到了十分关键的作用,尤其是随着对外开放的深入,不断有先进的食品机械被引入并发挥重要的作用。近年来,切丁切机在我国食品加工业中就得到极为广泛的应用。切丁机发展背景。切丁是常用的一种蔬菜加工方法,需要小量菜丁完全可以用手工来切丁,比如在家庭里,但如果需要大量菜丁时(比如饭店、城乡加工厂以及城市食品加工厂)手工切丁就比较费时,而且速度比较慢,因此需要一个机器来解决这种问题,这种机器就是切丁机。切丁机是种多功能食品加工机械,相对于人工切割而言,切丁切机有着无可替代的优势,整个加工过程实现了卫生、安全、高效、尺寸精确的特点,因此大大提高了生产效率(在相同时间下,切丁机相当于25人的劳动量),产品的形状和外观也得到极大的改善,且避免了人手的污染,延长产品货架期,最终提高了产品的质量和销量。目前有两维和三维的切丁机,两维切丁机可将适合片状原料和体积较小的原料一次性切丁,因而使用的范围比较小;三维切丁机可直接把果蔬加工成片状、条状和丁状,可加工产品有胡萝卜、马铃薯、洋葱、青红椒、水果等薯球根类。随着社会的发展,三维切丁机将会取代两维切丁机,成为果蔬加工的首选机器。切丁机基本原理。三维切丁机是由底座、园盘壳体、进料斗、推进器、切片刀、圆盘切丝刀体、横切断刀体、丁料出口、电机、传动系统和电器控制系统组成。当物料被放进滚筒时,电机带动滚筒高速旋转,利用离心力使物料紧贴滚筒内侧,再借助切片刀将物料切成片状,然后经过园盘切丝刀切成条状,并将被切物送入横切断刀口,由横切断刀盘切成所需要丁块。调节切片刀的位置可得到不同切片的厚度,更换不同尺寸圆盘切丝刀和横切断刀可切出不同的宽度和长度。切丁机具体安装结构:电机设置在切丁机外壳内部的机架上,由控制箱控制,与减速传动机构连接,并且通过传动机构将动力转送到推进器、圆盘刀总成、条刀总成、梳齿总成;圆盘刀总成、条刀总成、梳齿总成各自通过其中心轴转动的支撑在机架上,梳齿总成位于切片刀出口下方,其槽沟与圆盘刀刀片配合;条刀总成位于圆盘刀出口下方。当物料被片刀切成片状后落到梳齿总成上,并在其上被圆盘刀总成切成条状,条状物料顺着梳齿往下落,在下落得过程中又被旋转地条刀总成切成丁状。产品种类。目前切丁机的种类有国产的(仿Urschel)、德国的HOLAC、日本的EMURA、美国的Urschel、比利时FAM Flexifam。每种类型都各自有自己的特点。国产的(仿Urschel):不锈钢材质欠佳,产量高,转速快,截切规格佳但刀片易破,安装简单且相对安全,耐用略差;德国的(HOLAC):运行稳定,安全,无机械故障,最主要的是刀具材质锋利耐用性价比高。日本的(EMURA):不锈钢材质好,产量低,转速慢,截切规格欠佳,易堵,安装时偏繁琐且略带危险性,精巧、人性化高,使用上较安全;美国的(Urschel):不锈钢材质好,产量高,转速快,截切规格佳,安装简单且相对安全,耐用;比利时(FAM Flexifam):跟美国切丁机差不多,不过调节切片厚度比美国的方便。根据中国食品加工工业的实际情况,德国特莱富机械公司也研发了一系列特另适用于中国市场的切割设备,其中TREIFBison-CE型切丁机是崭新的产品,适用于中国市场,其性能优异、价格经济。该切丁机是一台功率强大的半自动切丁机,其最大产量达到每小时3000千克,可精确切出具体尺寸的肉类、香肠、果蔬、 火腿和奶酪, 还可以切割炖牛肉用的牛肉块或拌沙拉用的牛肉条。此外, 配置有宽大的切割槽(容积为120120500毫米),能添装大量大尺寸的产品,免除预先切割的处理置;至于侧面的预压装置,则能确保所有产品保持良好的形状,除方便于切割槽的填料之外,侧面预压装置还可针对不同的产品,实现最佳的产品预压。该机型另一个特点,是配有新型坚固压紧部件的切割栅快速拆装系统(DHS),能保证快速便捷地更换切割栅或将之拆下清洗,切割栅上的刀片坚固耐用,切割效果佳。其独特的动态液压驱动系统在使用过程中可防止机器零部件过热,节省能源,也确保切割槽内的产品能均匀地向前推进。同时还可选配许多有用的附件,其中包括多叶切断刀以加大生产能力,可选配切片刀盘及擦丝盘用于对预冻肉切薄片或水果和蔬菜的擦丝及切片。切丁机具有广阔的适用范围,拥有无限的市场前景和商机。可以考虑研制成家庭型、集体型、超市加工型和专用型等类型从而满足不同人群炊事需要。如果将切丁机与去皮机、洗菜机等配套安装,可组成“方便蔬菜”流水线,是食堂和企业等适应现代生活节奏的方便时尚的原材料加工工具。同时可以把切丁机当做初级粉碎机使用,如能把蔬果垃圾集中处理为饲料。国外已经有家庭使用切丁机处理蔬果垃圾。参考文献:1沈再春. 农产品加工机械与设备M. 北京:中国农业出版社,1999. 45- 48.2郭祥超.果品加工与设备M.北京:农业出版社,1988.3沈国舫. 农产品加工与科技创新(一)J.农村实用工程技术,2002 (1) :26271.4 赵镭. 国际食品工业的发展趋势和方向J. 中外食品,2002 (7) :34351.5 叶兴乾.果品蔬菜加工工艺学M.北京: 中国农业出版社, 2002: 2-42.6 周会玲.鲜切果蔬的加工与保鲜技术 J .食品科学,2001(8) : 82831.7 牛广财, 孟宪军, 周丽萍.我国果蔬加工的现状及发展前景J,食品科技, 2003,(2):61-65.8慢光.切片与切丁食品与农业数据分析B,食品科技,2007,(3) 切丁机调研2009年3月23号,本人同李铭、万家阳两个人到兴化市李工蔬菜机械有限公司进行果蔬切丁机的调研,此次调研的目的是了解切丁机的原理、能切出丁的尺寸、在国内发展状况和是否有好的改进方案。兴化市李工蔬菜机械有限公司生产的切丁机型号为LG-350,是一种三维果蔬切丁机,该三维切丁机吸收国外先进技术结合国内迫切需求改进设计而成。推进器叶轮直径由300改为500,切料有效出口宽度较同类型切丁机大,转速提高,产量和质量均有明显的改善。该切丁机适用于食品行业,切割胡萝卜、土豆、薯类青椒和零下五度左右的草莓、桃、菠萝等薯球根类物料的片形、条丝形、丁块形状产品,也可用于部分肉类产品加工。其技术参数:产量为10003000kg/h; 动力为4KW的Y112M-4电机;净重300kg;长宽高=110011001600mm。三维切丁机原理。切丁机由进料斗、推进器、切片刀、圆盘刀总成、梳齿总成、条刀总成、电机、传动系统和控制系统组成。原料从进料斗进入到旋转地推进器中,产品在离心力的作用下紧贴外内侧,伴随推进器叶片通过条刀,并沿着切片刀从外壳前方可调的门移动出来,切片的厚度由门末端切片刀刃的开口间距决定。切片借助切片导件落入旋转地进料滚筒上,进料滚筒和相对转动的辅进料轴,将切片送至圆盘刀轴,产品在此被切成长条,接着直接移至旋转地条刀,被切成立方块,长方块或其他预设尺寸。根据刀具组合可切厚度不等的正方块形、长方条形。切割尺寸。卸去圆盘刀总成、辅进料总成和条刀总成,调整外壳门的开度,可切1.611mm片型。装上所有切刀的装置,可以切:333、3.53.53.5、444、555、666、777、888、101010丁形,亦可切 33(1.6-11)、3.53.5(1.6-11)、44(1.6-11)、55(1.6-11)、66(1.6-11)、77(1.6-11)、88(1.6-11)、1010(1.6-11) ,以及长19、25、30或自由长的丝条形,也可组合切厚10mm以内的所需方块。根据刀具组合可切厚度不等的正方块形、长方条形,条长可为15 、20、25、30或自由长。卸去条刀总成,物料可切成自由长的丝条。三维切丁机在国内的发展现状。目前三维果蔬切丁机在国内有好多生产厂家,特别是江苏一带。由于加工效率比较高,个体、饭店、城乡加工厂以及城市食品加工厂都普遍使用这种机器。切丁机近几年在食品机械市场上发展得比较快,价格也很有吸引力,在小批量生产或物料腐蚀性不是太大的情况下,国内的切丁机完全可以胜任。切丁机一些地方的改进。切丁机能切片、丝和丁,但要是光切片或丝,得把圆盘刀总成或横切刀总成卸下,操作繁琐又不安全,因此我们可以考虑将圆盘刀体或横切断刀体做成连在机架上的活动式结构,当不需要切丝或切丁时,可将这两个刀体分别移到安全的位置并将其固定,当需要切丁时,将两刀体移到原位跟机架配合,从而不用每次都得将圆盘刀体或横切断刀体卸下,操作简单安全。 果蔬三维切丁机切丁部件的研究与设计Analysising and designing the crosscut knives construction of three section dicing Fruit and vegetable machine学院名称: 专业班级: 学生姓名: 指导教师姓名: 20XX年6月果蔬三维切丁机切丁部件研究与设计摘要 本文主要对三维果蔬切丁机条刀机构进行设计,研究条刀切丁机构中刀盘转速、直径大小,以及条刀与切丁颗粒大小、切丁断面平整度之间的关系,寻找现有切丁机难以切出高质量大丁的主要原因,通过理论分析切丁机构参数,优化机构中传动比,使切出来的丁的断面比较平整,符合市场客户的需求。关键词:条刀 切丁 断面分析 Analysising and designing the crosscut knives construction of three section dicing Fruit and vegetable machineAbstract The article mainly designing the crosscut knives construction research the relationship between cutter heads rotational speed, diameter size,as well as knives in knives construction and dices size, cross-section, looking for the main reason that why cuber can not cut high-quality big dices. Through theoretical analysis the parameter of crosscut knives construction , and pramete the constructiondrive , so that i can cutl dices better dices,and accord with customer needs.Key words:crosscut knives cutting dices Cross-section analysis目 录第一章 切丁机的介绍51.1 切丁机发展背景51.2切丁机原理51.3三维果蔬切丁机可加工的食品以及能切出丁的尺寸81.4我国切丁机的发展现状以及各国切丁机的对比81.5 切丁机研究的目的和意义9第二章 切丁机条刀机构设计分析102.1 条刀形状的设计112.2 条刀角度的分析122.3 刀架结构的设计12第三章 丁断面及长度分析143.1丁断面分析143.1.1 断面形成原理143.1.2 丁断面方程的推导143.2 丁长度分析16第四章 条刀结构设计194.1 结构设计软件的使用及介绍194.2 条刀总成零件设计194.3 条刀总成传动零件设计214.4 总装配工程图23结论24致谢25参考文献26引 言果蔬是人生活中必不可少的营养丰富的食品之一,可为人体提供必需的维生素、矿物质、膳食纤维等有益于人体健康的功能成分。随着人们生活水平的不断提高,生活节奏加快,对食用方便、营养丰富、经过加工的精细果蔬的需求越来越大,对产品的品质要求越来越高。近年来,在我国大中城市的超市、食品加工厂及快餐行业中出现一种新式的食用方便、快捷、有营养的果蔬加工产品,即切割果蔬。切割果蔬作为一种新兴食品工业产品正在国内兴起,由于其具有自然、新鲜、卫生和方便的特点,正日益受消费者的喜爱。目前使用比较广泛的切割果蔬机器是三维果蔬切丁机,现有国产三维切丁机在完成切片、切丝后,利用旋转条刀切出大丁时,因刀具安装角度、刀盘直径、切削速度与送料速度不协调,最后切出的大丁断面普遍存在弧形断面的缺陷,为此需要分析不同果蔬切丁规格与各执行部件运动参数的匹配问题,通过优化设计及样机试验,进行参数优化,解决大丁断面弧形问题,提高果蔬加工质量。第一章 切丁机的介绍1.1 切丁机发展背景随着新的农业生产模式和新技术的发展与应用,农业机械化将成为农业生产加工的主力军。果蔬切丁机作为农业机械的重要类型,具有很大的发展潜力。我国是一个农业大国,虽然农业人口众多,但随着工业化进程的不断加速,可以预计农业劳动力将逐步向社会其它产业转移,实际上进入21 世纪后,我们将面临着比世界任何国家都要严重的人口老化的问题,农业劳动力不足的问题将逐步变为现实。综上,可以预计,在21 世纪提高农业工程的自动化水平将成为我国农业科技领域的一个重要研究热点,用于农产品生产加工方面的各类机械作为自动化设备,也将得到推广应用。切割果蔬(又名半处理果蔬、轻度加工果蔬或鲜切果蔬),是对新鲜果蔬进行分级整理、清洗切分、保鲜包装、贮藏等程序处理,并使产品保持生鲜状态的制品。据统计,到2000年,美国的切割果蔬销售量已占果蔬销售总量的25%,并且在逐年增长。我国自20世纪90年代进行切割果蔬的商业化生产以来,全国各地均建立了蔬菜配送中心,为发展切割果蔬产业提供了有利条件。然而,果蔬由于切割造成的机械损伤会导致一系列不利于贮藏的生理生化反应发生,如呼吸代谢加剧、酶促和非酶促反应活化、营养物质外渗或流失、微生物活动活跃以及切割表面木质化等。上述变化均可导致切割果蔬失去新鲜的特征。目前切割果蔬的原料主要锁定在胡萝卜、马铃薯、生菜、洋葱、甘蓝、苹果、桃、菠萝等品种上。切丁是常用的一种蔬菜加工方法,需要小量菜丁完全可以用手工来切丁,比如在家庭里,但如果需要大量菜丁时(比如饭店、城乡加工厂以及城市食品加工厂)手工切丁就比较费时,而且速度比较慢,因此需要一个机器来解决这种问题,这种机器就是切丁机。切丁机是种多功能食品加工机械,相对于人工切割而言,切丁机有着无可替代的优势,整个加工过程实现了卫生、安全、高效、尺寸精确的特点,因此大大提高了生产效率(在相同时间下,切丁机相当于25人的劳动量),产品的形状和外观也得到极大的改善,且避免了人手的污染,缩短产品货架期,最终提高了产品的质量和销量。1.2切丁机的原理传统的切丁方法是用手工对切片后的果蔬制品进行纵向和横向的切割,工作效率低、劳动强度大,因此该方法不适应于现代的大规模化生产。目前切丁机的原理可分为三种,一种是栅格切丁,一种是两维切丁,还有另外一种是三维切丁。下面分别介绍每种方式的原理。栅格切丁原理。这种切丁机的切刀为固定形式栅形切刀盘,切刀盘的正上方设有压盘。栅形切刀盘是由垂直交叉设置的纵向刀和横向刀组成,纵向刀和横向刀形成方形的栅格。如图1所示,将物料放到栅形切刀盘上,压盘垂直下压,压板将切刀盘上的果蔬垂直压入栅形切刀盘,果蔬被切割成固定规格的规整丁块。所需的切丁规格大小由送入的片状果蔬厚度和栅形刀盘的大小确定。这种形式切丁方法优点在于机器结构简单,切出的丁规格形状和截面质量比较好;缺点是原材料必须是片状或已经切成片状的,只能切丁,具有一定得局限性,而且要切不同尺寸丁时更换刀具比较麻烦。图1栅格切丁原理示意图两维切丁原理。两维切丁机采用模仿人工切割动作的两维切削方式,即利用机械刀片来实现果蔬制品的横向和纵向的切割。如图2所示,片状物料被送到横向切刀下面时,被横切刀切成丝状,然后丝状被送到纵向切刀下面,被切成丁状。这种加工方式虽然比人工切割工作效率有了较大提高,但在加工过程中不能实现连续送料、连续切削,而且需对切割果蔬进行夹持,从而影响了加工效率和适应能力,不能满足蔬菜食品的大规模生产要求。图2两维切丁原理示意图三维切丁原理。进入20世纪90年代,随着蔬菜生产规模的不断扩大,切割果蔬的商业化生产显得十分迫切,随着离心切片技术的成熟,国外一些先进的果蔬鲜切机械逐渐抛弃了纯粹模仿人工切屑动作的二维切削方式,而是普遍采用了离心切片、盘形刀或栅形刀切丝、然后条刀切丁的三维切割加工工艺,其加工效率明显提高。三维果蔬切丁机是目前比较流行的果蔬切割机器。这种三维果蔬切丁机主要由推进器、切片刀、圆盘刀总成和条刀总成组成,如图3所示。当物料被放进推进器中时,电机带动叶轮高速旋转,利用离心力使物料紧贴推进器内侧,再借助切片刀将物料切成片状,然后经过园盘刀总成将片状切成条状,并条状物料送到条刀总成刀口,由条刀总成切成所需要丁块。调节切片刀的位置可得到不同切片的厚度,更换不同尺寸圆盘刀总成和条刀总成可切出不同的宽度和长度。这种切丁机可以单独切片、丝,当只需要切片时,可将圆盘刀总成和条刀总成卸掉;同理,当需要切丝时,将条刀成卸掉就行,从而达到一机多用、一机多能的效果。图3三维切丁原理1.3三维果蔬切丁机可加工的食品以及能切出丁的尺寸三维果蔬切丁机可加工的食品有胡萝卜、马铃薯、洋葱、草莓、茄子、梨、菠萝、黄瓜、青红椒等各类水果及薯球根类物料。能切出丁的尺寸为333、3.53.53.5、444、555、666、777、888、101010丁形,亦可切 33(1.6-11)、3.53.5(1.6-11)、44(1.6-11)、55(1.6-11)、66(1.6-11)、77(1.6-11)、88(1.6-11)、1010(1.6-11) ,以及长19、25、30或自由长的丝条形,也可组合切厚10mm以内的所需方块。根据刀具组合可切厚度不等的正方块形、长方条形,条长可为15 、20、25、30或自由长。卸去条刀总成,物料可切成自由长的丝条。1.4 我国切丁机的发展现状及各国切丁机的对比我国切丁机在国外先进的果蔬三维切丁机基础上,通过自主研制开发,研制出了一种采用旋转推进器送料,离心切削法切片,切片借助辅进料机构连续不断地送入圆盘格栅刀切成条状,梳齿机构进行梳齿清理,最后由由条刀将果蔬切割成立方块、长方块或其他预设尺寸,该方法改变了传统的输送带输送造成的输送效率低下、设备结构庞大,以及产品在切割过程易发生滞留阻料、降低生产效率的缺点。该技术已申请发明专利,并已公告,专利号:200720041189.4。另外,我国专利02282036.1公布了一种芦荟切丁机,其工作原理是:剥皮后的芦荟肉可以在输送带的带动下连续进料,而设置有若干同轴转动刀片的纵向切刀可以把芦荟肉切成与输送带行走方向平行的条状,再经过周向设置有若干横向刀片的横向切刀,便可以实现用机械连续化工业生产芦荟丁的目的。我国专利03271657.5也公布了一种三维切丁机截切刀机构,其结构包括截切刀、截切刀轴,蜂窝轮,截切刀轴齿轮,其原理是截切刀在参与截切刀体共转的同时,也在进行自转,在共同转动时,刀体中心轴与其上的偏心凸轮固定不动,使截切定向,所以在切菜时,刀刃口固定向下,使被切菜成为方块丁。该机构能够生产尺寸均匀的食品,切片、条和质量高的丁块,适用于切割各种软质水果和脆质的根茎蔬菜,且下脚料少。我国专利还公布了一种果蔬切丁机,专利号200620160119.6,该果蔬切丁机采用固定刀盘、间歇送料和下压切丁结构,实现了工业化连续切丁作业,有效提高了切丁的规整度和产量。目前切丁机的种类有国产的仿美国Urschel切丁机、德国的HOLAC、日本的EMURA、美国的Urschel、比利时FAM Flexifam。每种类型都各自有自己的特点。国产的(仿Urschel):结构复杂,不锈钢材质欠佳,产量高,转速快,截切规格佳但刀片易破,耐用略差,规格范围窄(难以切出10mm以上大丁)、出料不流畅;德国的(HOLAC):运行稳定,安全,无机械故障,最主要的是刀具材质锋利耐用性价比高。日本的(EMURA):不锈钢材质好,产量低,转速慢,截切规格欠佳,易堵,安装时偏繁琐且略带危险性,精巧、人性化高,使用上较安全;美国的(Urschel):不锈钢材质好,产量高,转速快,截切规格佳,安装简单且相对安全,耐用;比利时(FAM Flexifam):跟美国切丁机差不多,不过调节切片厚度比美国的方便。1.5 切丁机研究的目的和意义切割果蔬作为一种新兴食品工业产品正在国内兴起,由于其具有自然、新鲜、卫生和方便等特点,正日益受到消费者喜爱。切割果蔬,可开袋即食或直接烹调,可广泛应用于快餐业、宾馆、饭店、单位食堂或零售,节省时间,减少果蔬在运输与垃圾处理中的费用,符合无公害、高效、优质、环保等食品行业的发展要求。切割果蔬不但可拓宽果蔬原料的应用范围,实现果蔬的综合利用,又具有潜在的经济效益和广阔的国内外市场发展空间。另外在诸多的农产品加工制成品中,有相当规模的产品是以切加工工艺技术为核心或以切加工工艺技术的应用为前提的。例如各种净菜、切制品、方便食品的生产技术中,切加工工艺技术是极为重要的核心生产环节之一,农产品的各种物理提取和萃取生产技术中,切加工工艺技术是极为重要的前处理生产环节。因此,对农产品的鲜切加工关键技术及装备研究开发,提高制成品的合格率,是农产品深加工高效、优质发展的基础。由于我国在果蔬鲜切加工技术与装备研究起步晚,基础研究非常薄弱,因此对果蔬鲜切加工核心技术还没有真正掌握,加工质量、工作效率仍达不到国外先进水平,从而造成先进的果蔬切割机械被国外产品垄断,淘汰、落后的果蔬切割机械相互恶性竞争,使我国果蔬食品加工企业承担了高额的设备购置成本和使用成本。因此国内加工业的技术创新能力、产品质量及安全管理的提高将直接关系到我国果蔬加工业在世界加工业中的实力地位,更直接关系到我国“三农”问题的解决程度。这项工作对于提高我国农业生产附加值和农业效益,提供社会就业,推进农村小城镇建设,具有重要而深远的意义。第二章 切丁机条刀机构设计分析2.1 条刀形状的设计根据三维切丁机的原理可知,丁的形成是由旋转地条刀总成切割丝状物料得来的。现在设计两种旋转切割方案,如下图4所示,方案一为左图,方案二为右图。对于方案一,其优点在于刀具的结构比较简单;缺点是装刀的时候必须挨把刀用螺钉固定下来,卸多把刀时又得松开好多螺钉,一般切丁机都有几十把的刀具,装刀和卸刀的麻烦程度可想而知,操作起来费时费力。而对于方案二,刀具结构也比较简单,装刀的时候直接把刀插到刀槽中,然后在两头用两个端盖将所有的刀子夹紧就行,卸多把刀的时候把一边的端盖拿掉,将刀子拔出就行,操作比较简单。因此我们选择第二种切割方案,条刀的截面形状如图4右图所示。为了能够很好的将刀具固定在刀架上,在条刀的两侧分别开V形槽,如图5所示。图4 切丁方案图图5 条刀形状2.2 条刀角度的分析 条刀角度可分为两种情况,如图5所示,一种是90,另一种是90。现在假设条状物料静止不动,旋转地条刀总成对其进行切割。当90时,在整个刀具切割物料过程中刀尖点水平位置始终比刀背面A水平位置低,因此会造成到背面A挤压上截面,影响截面的切割质量。当90时,切割物料过程中刀尖点水平位置一直比刀背面A水平位置高,不会有以上情况出现。由此可见,若条状物料再往下有一定速度的话刀具角度就更不能选90了,所以应该使刀具的角度大于90度。图5 条刀角度的对比条刀角度的具体数值。由以上分析得刀具角度应该是大于90度比较好,至于大于90度那个角度最好,这个得根据切割实验得到。在此,我们参照美国Urschel牌切丁机条刀的角度,根据对其测绘的结果,得出=120。2.3 刀架结构的设计根据以上步骤2.1中方案的选择,刀架的截面形状就是图4中右图去掉刀具后的图形,如下图6为刀架的轴向视图,两侧V形槽作用是跟刀子上的V形槽对齐,方便将刀具固定在刀架上。图6 刀架结构示意图第三章 丁断面及长度分析3.1 丁断面分析切丁机是利用旋转地刀具对有一定速度条状物料进行切丁,因此丁的断面不是一个平整的截面,而是一个有一定圆弧度或不太规则的断面。对于小丁而言,由于其断面比较小,所以看不出截面的不平整性,可近似认为是一个没有斜度或弧度的平面。但对于比较大的丁来说,断面的不平整现象就很明显。对丁断面进行分析研究,找出与影响断面不平整性的有关因素,有助于改善切出丁的质量。 3.1.1 断面的形成原理图6 切丁示意图1如图6所示,R为条刀刀尖点运动轨迹半径,O为轨迹圆心点,AC为刀尖点的一段圆弧轨迹,A为刀尖切入物料的点,C为切出点。条状物料有一定得速度v1向前匀速移动。当刀尖点经过时间t后从A点运动到B点时,条状物料也向前移动s距离,此时物料上与B同在以水平线上的的D点将运动到B点,被刀尖切到。这样,将D点的轨迹求出来,最后得出的曲线就是丁断面曲线AE。3.1.2 丁断面方程的推导D点的x方向坐标为B点的坐标减去DB的距离S, y方向的坐标与B点一样。首先先求出B点的坐标来,对B点进行速度分析。刀尖点做匀速圆周运动,则B点的速度为轨迹的切线方向,且值恒定不变,设为其大小为V,B点在x轴和y轴的分速度分别为VxB=VcosB,VyB=VsinB设刀尖点从A点到B点所用的时间为t,从而可以得到B点的坐标为xB=VxBt=VcosBt, yB=VyBt=VsinBt经过时间t后D点往前移S距离,则S=V1t, D点的坐标为xD=xB-S=( VcosB-V1)t, yD=yB=VsinBt B等于减去刀尖从A点到B点转过的角度,设刀尖点角速度为,B=-tD点轨迹方程可表示为 xD=( VcosB-V1)tyD=VsinBt B=-t (3-1)由求出的D点方程(3-1)可看出当VcosB-V10时,即B点水平方向速度大于条状物料速度时,D点轨迹是一条位于y轴右边的曲线 ;当VcosB-V1=0时,D点的轨迹上个点跟y轴很接近,近似于一条竖直向下的线。当VcosB-V10时,D点轨迹为一条位于y轴左边的曲线;以此,要想切出理想的丁断面,必须满足条件VcosB=V1 (3-2) 式(3-2)中V1的确定。V1为条状物料往前移动的速度,由前面三维切丁机原理图可知,推进器利用离心力使物料被切成片,切出片的速度即推进器的线速度,虽然物料片跟切刀片存在摩擦力而使片的速度减小,但物料片在被切成条状的过程中被圆盘刀往下带动,其速度又有一定得增大,在此我们可近似认为减小的速度跟增大的速度互相抵消,因此,条状物料的速度V1即为推进器的线速度。式(3-2)中V=R(为条刀总成角速度),V1=R11(R1为推进器半径,1推进器角速度),式(3-2)就变成RR1cosB=1 (3-3)公式中1为推进器同条刀总成的传动比,在切丁过程中半径比RR1不变,转动比1也不可能改变, B在整个切丁过程中变化比较小,可以近似的认为 B为一个固定值,来保证传动比是固定的,在此取B=,如图7所示图7,切丁示意图2式(3-3)变成RR1cos=1 (3-4)从这个公式可以看出,丁断面平整度跟刀尖轨迹半径及其圆心位置、叶轮直径和推进器跟条刀总成传动比有关。在机构尺寸已经确定的情况下,要优化丁断面形状,则只能改变推进器跟条刀总成传动比。本课题跟泰州科技攻关项目有关,要求推进器半径R1=200mm,根据在UG中对切丁机的虚拟装配,量得条刀刀尖轨迹半径R=124mm,刀尖轨迹圆心到切片刀垂直距离OG为40mm(图7示),带入公式(3-4)得转动比为1=0.2才能切出比较理想的丁断面。 3.2 丁长度的计算如前所述,丁的厚度可通过调整切片刀的位置来确定,丁的宽度可通过改变圆盘刀之间的间距来改变,而丁的长度跟条刀的数目、叶轮转速和条刀轴转速有关。如图8所示,片状物料被切成条状后有一定的速度沿切片刀往下走,设其速度为v1,然后被条刀切割成丁,设条状物料被相邻两把条刀切到的时间间隔为t,则丁的长度s=v1t。图8 切丁长度示意图下面为具体的推算过程。(1) 设条刀总成上有x把条刀,则每相临两把刀间隔角度为360x度,即2x弧度。当相临两把刀转到同一位置时,其时间间隔为t=2x。(2) 根据前面的分析可知,条状物料的速度即为推进器的线速度,所以v1=1R1。(3)丁的长度s=v1t=1r12x=2R1x1。 (3-5)(4)更换不同刀具数量可得到不同长度尺寸的丁,已知叶轮半径为200mm,由3.1.2节得叶轮转速与条刀轴转速之比1=0.2,下表1为条刀数量与丁长度之间的关系。表1条刀数量与丁长度之间的关系丁长度/mm条刀数量丁长度/mm条刀数量38414183.572151746216165501715642181473619138312112928231110252510112228912213181319自由长第四章 条刀结构设计4.1 结构设计工具的选用及介绍选用UG软件进行实体的结构设计。UGNX是UnigraphicsSolutions公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件,在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用,在CAD/CAE/CAM领域中处于领先地位。它集零件设计、大型组件设计、钣金设计、造型设计、模具开发、数控加工、运动分析、有限元分析、数据库管理等功能于一身,具有参数化设计,特征驱动,单一数据库等特点,大大加快了产品开发速度。本设计使用的NX4.0版本,其功能较以前的版本有了很大的提高,而且操作界面也更为好用,可以大大提高技术人员的工作效率。4.2 条刀总成零件的设计条刀的实体建模。根据前面2.1节条刀形状设计结果来建模,首先先绘制条刀截面形状,然后将其拉伸一定长度,最后再在条刀两侧切两个V形槽以便固定在刀架上。其三维图如图9所示。图9 条刀刀架的实体建模。光有一把一把刀具还不够,还要有刀架带动它们进行旋转。刀架建模步骤:首先画出一个截面,对这个截面进行旋转,得到一个回转的实体,对该实体进行拉伸切割,得出一个一个刀座,再对刀座进行拉伸切割,将刀槽做出来,最后在刀架两侧面分别打5个螺纹孔,其作用是可以通过螺栓将端盖固定到刀架上,从而将刀具固定住;再在刀架内环打三个光孔,其作用是用来传动。刀架实体如图12所示图10 刀架端盖的建模。端盖的作用是将刀具固定在到座上。端盖是一个圆形体,故可通过旋转工具来建模,先绘制其截面形状,然后进行旋转,端盖一侧凸出的V字形是用来跟条刀两头凹进去的V槽配合,以便把刀子固定在刀架上。如图13示。图13 端盖条刀总成的装配。通过对每个零件的配对、对齐和距离,得出条刀总成结构的装配图,如图15所示。图14 条刀总成4.3 条刀总成传动零件设计传动轴的设计。根据条刀总成的结构特点,所设计的轴上应该有螺纹孔,从而可以将螺栓把轴跟条刀总成连起来,通过螺栓传动。轴的结构设计如图15所示。图14 条刀轴大套筒的设计。套筒是用来固定轴承的,根据轴承的外径大小来确定其内孔的直径,其另外一个作用是将调刀成固定在机架上。其机构建模也比较简单,就是一个回转的实体。如图15所示。图15 大套筒小套筒的设计。小套筒的作用是将动力从带轮传到条刀轴上的,也是个回转体,如图16所示,带轮跟小套筒凸出来的圆柱面配合,用螺栓将它们连在一起,带轮通过螺栓将动力传带小套筒上,小套筒又通过键槽将动力传递给轴。图16 小套筒在UG中将个零件进行装配,得到条刀整个装配机构如图17所示。图19 条刀机构总装配图4.4 总装配图工程图生产中主要以二维图为主,通过二维图才能知道零件时怎么转配的,立体只能大概看看整体是什么样的,图20是总装配图的CAD工程图。图20 总装图结 论本文主要对三维果蔬切丁机的条刀部分进行结构设计,研究三维切丁机切出丁的断面形状,通过计算分析,得出要切出理想断面的条件RR1cos=1,当各个参数满足这个式子时,切出来的丁的截面形状比较理想;由这个公式可以看出,丁断面平整度跟条刀总成直径、条刀总成轴心位置、叶轮半径和叶轮跟条刀总成传动比这些参数有关系。除此之外,本文还推倒出丁长度的计算公式,即s=2R1x1,丁长度跟推进器和条刀总成的转动比有关,跟刀具的数量有关,改变不同的刀具数量,就可以得到不同长度尺寸的丁。致 谢本论文是在朱导师、杨导师及孙导师精心的指导、细致的安排和全力支持下完成的.在整个论文的研究阶段,三位导师都倾注了大量的精力,给予了许多关键性的指导和帮助。在此,学生衷心感谢导师们给予的无私的关怀与精心的指导。另外还要感谢我的同学给予的帮助与支持。值此论文完成之际,谨向给予本人关心、支持和帮助的所有个人表示最诚挚的谢意。参考文献:1章军.多功能蔬菜加工机的研制粮油加工与食品机械.2003 N0.4 P40-412张绍英.果蔬加工机械的发展战略.食品与机械2005.4 P1-33 李昌满、刘福文、王彦.离心式人参切片机设计研究成.农机与食品机械1996 No.6 P22-234 吴锦铸.切分蔬菜保鲜工艺研究J食品与发酵工业2000 Vo1.26 No.4 P33-365陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南.西安电子科技大学出版社,2007.P31-386濮良贵、纪明刚.机械设计.8版.北京:高等教育出版社,20067陈铁鸣.新编机械设计课程设计图册.高等教育出版社,20038甘永立.几何量公差与检测.7版.上海科学技术出版社,20059画法几何及机械制图.西北工业大学工程制图研究室,199810王之栋、王大康.机械设计综合课程设计.机械工业出版社,200727 虚拟技术在设计和制造过程中的应用收稿: 2005年6月27日/接受: 2006年1月30 /网上公布: 2006年4月19 .斯普林格伦敦有限公司2006年摘要:在没有任何身体运动时将人带到不同的环境和人工创造相互作用的环境已经不是什么新鲜技术。科学家和工程师在过去50年已经奉献自己的精力将其逐步发展起来 。然而,大多数技术在过去十年已经取得进展,毋庸置疑,幸好有高效率的计算机和小型化的传感器元件。如今,虚拟现实技术已经成功地应用在不同的领域,如远程医疗,机器人或电视领域。伴随这些成功而来的问题是我们是否已经准备好将它应用于工业设计和制造过程。由于缺乏评论关于这个技术是否能连同CAD / CAM一起快速发展,因此在过去十年里,这个问题一直是开展这项虚拟研究的主要动机。关键词:虚拟环境.虚拟样机.虚拟现实.1, 简介虚拟现实适用于众多的技术,因为含糊不清的性质,这个词的概念在研究界里并没有得到科学家们充分的接受1,2。不过一个关于虚拟现实的定义已被广泛接受,这个定义来自于Shuterland的众所周知的终极显示3:虚拟现实是一个可显示所有感官信息的系统,这个系统与真实世界相等或比真实世界分辨率更大,它能够实现在一个自然的方式,但用户不能说的人工世界并不真实。一个人感到他或她参与这个人工世界,有必要去操控他感觉到的信息,这个对坏境的理解就是所谓的虚拟环境(VE,这坏境是由计算机设计和创建的,而不是真实的物理环境)。在摄影或电视领域, 虚拟现实技术的应用使观众相信现实世界是一种人为的,但虚构的角色只能在这个新的互动世界。相反,在远程医疗或机器人的工业设计流程或同样其他进程,进行互动的能力VE比可视的场合更重要。本文分析了在过去十年中虚拟现实在CAD/CAM中取得的技术进步, 其中一些最重要的发展如图1所示 。图1,虚拟现实技术的发展2 虚拟现实应用的CAD/CAM其他技术系统,如电视行业,可包括在虚拟现实的定义内。但是,正如 13 解释,任何其他虚拟现实技术系统与可视化界面是相互作用的。虚拟技术存在的意义是为用户提供身体上的幻想,从而有机会对其进行修改。21存在虚拟现实必须给用户参与模拟环境的感觉。根据13给出的解释,虚拟现实的意义在与使用户感觉他的身体离开实际进入到虚拟的环境世界里。一些作者区分沉浸跟到场的区别,虽然两者是有联系的。塔尔曼14定义沉浸就是虚拟现实用户认为他或她的虚拟环境是真实的。类似通过图灵机定义人工智能,如果用户不能够确定哪些是现实和哪一个是虚拟,那么那个由计算机建立的环境就是虚拟的。一旦友好的虚拟环境被完善,用户将能够执行操作并进行互动,这样将会使所做的项目变得更加完善,使用户在虚拟环境下更舒适。2.2相互作用 目前用户通过硬件设备在虚拟环境下进行交互行动。在15的方式与虚拟环境相互作用定义如下:物理控制:按钮, 操纵杆,传动部分等,它们可以提高感官知觉,并且对工作要求的准确度非常有用,但他们很难使用,而且得使用头戴式显示器。虚拟控制:任何硬件设备可以作为一个虚拟控制的实施,以实现更大的灵活性。 然而,它们却意味着丧失触觉反馈从而使与虚拟物体互动变得困难。直接用户交互:用手去交互,同时注意到姿态的确定,眼睛的方向等。他们需要通过硬件设备来感知身体知觉(图2所示)。图2,用户直接跟虚拟现实交互的例子3 虚拟现实系统的应用程序虚拟现实系统可以适用于任何计算机应用程序。它们是特别适用于:临场感。虚拟不仅允许在三维世界里互动,还可以运用于遥远的现实世界中,计算机将它们组合起来形成虚拟世界2。在下一个图片用户互动只能用一只手(见图3)。图3,用一只手来代表虚拟用户运算。远程控制机器可以通过其虚拟环境进行实现。在不久的将来,机器人不会具有足够的智力自己行动,他们有必要进行在我运算。虚拟现实可以为这些行动提供最合适的界面,并给机器人提供反馈意见2。此功能已经成功地用于机器人工程和医学(图4)。数据浏览器。数据建模在有大量数据的环境中是很有用的,例如在科学研究中,它显示了一些重要的细节,并允许科学家将重点放在最相关的数据上14。增强现实感。虚拟现实从现实世界中获得信息并且取代现实世界。一个现实世界就这样被虚拟世界取代16,17(图5)。图4,虚拟现实在医学中获得很多认可 图5,模拟器大大地改善虚拟现实技术虚拟雕塑。这种方式是通过改善用户的触觉反馈与三维表面进行交互。 它可以使三维物体在虚拟的环境中跟现实的一样18 。虚拟装配。通过这一过程,虚拟原型可以在虚拟环境互相作用。现代CAD系统允许物体在其里面组装,但他们的缺点是得使用基于鼠标和键盘的接口。虚拟装配可以为几个操作者提供一个合作的环境19 。虚拟样机。在大型项目设计时做出决定通常是最难,因为他们很大可能会影响最后的设计阶段,价格和产品本身。尽快形成产品原型是生产周期中最重要的目标,因为它可以使团队进行优化设计,以消除缺陷。使用太多的物理原型会使成本变得昂贵,而且它们需要更长的时间才能做出来,并限制团队工作。触觉反馈的基础是这些虚拟样机,在虚拟环境需要自然的互动才能获得与真正产品功能和性能相同的原型。在虚拟样机里可以对所有相关功能的产品进行调查,评价和改善20 。在某些情况下,实际的原型可以再虚拟环境中检查(见图6)。图6,虚拟检查一个洞穴环境3.1 CAD/CAM的发展第一个CAD系统是二维绘图系统。它们以传统的绘图方式为基础。其主要优点是速度快。它们使用自动标注技术图纸符号和复制组合几何要素的方法,这样可以节省好多时间。在未来的发展中CAD将改善七十年代初引进的3D布线模型。物体的形状将被描绘成一套三维空间的边缘 ,它提供一个统一的物体模式而不是几个不完全的部分。事实上,计算机可以自动根据使用者所选择的点和线产生图片。这是目前布线画图的优点。许多CAD布线系统允许其表面跟模型基础上的边缘有关联, 这就允许使用可疑的现实表面(非均匀有理B样条,NURBS曲线) 。未来的新产品是很难仿制,它结合了布线的优点,模拟并正确使用表面,在布线模型里面,它包括相关信息的表面和曲线,同时也包含拓扑信息,这些因素是相互关联的。大部分的信息是自动生成,并自动检查系统,系统可以自动计算数量,质量和转动惯量。模型显示是用来研究的形状和外观。它的目的不仅是产生是一个显示的模式,而且还有该产品实际信息。这些模型在不同的用户(营销部, 购买者,管理者,开发人员,工程师等)中发挥关键作用。外观也是一个重要的有吸引力的因素。原型按照不同的方式可分为:物理原型。传统上,材料是从最初的各模块通过各种加工得到的。这一过程是一个木材,泥土,泡沫或金属的物理原型加工过程,虽然它不一定拥有相同的属性。虚拟原型。计算原型在虚拟环境里一般可理解为电脑设计的模型。这可以很方便的模拟产品功能,无需制造产品。这样,VP可视为另一种方式建模。根据原型的种类,它可以分为两组:(1)快速:快速原型根据计算机模型的三个层面初步建立,成为一个数字档案,该档案被称为STL格式。以后通过计算机程序分析STL文件,以控制快速成型机产生一个样机模型。(2)缓慢:这种形式的建模是缓慢的,不像前面的方法。结果进程是在同一时间内把虚拟原型做出来, 这能够边建模边检查和修改,直到最后满意的产品模型出来为止。为什么虚拟现实被认为比计算机辅助设计过程有用,原因是三维CAD的一些缺陷。计算机辅助设计设备限制互动式检查和不能直接操纵模型。这些系统使时间和想象力浪费在孤立的设计问题上。更重要的是不支持团队合作,使得人们很难在不同的地方分享信息。在22,虚拟现实在三维工程系统中的好处是可以用商业设备创建数字原型,也就是用户可以直接和直观的操纵虚拟样品。3.2原型使用虚拟现实技术在生产过程可分为三个阶段: 设计,制造和生产。设计阶段的第一步是制定制造过程详细的说明书。这个说明书就是产品生产的过程。开始设计与创作过程中,操纵的是模糊的概念,直到全面设计方案的出现。 根据13,方案设计得通过大量原型不同方面的比较,例如对使用,制造或维修的评估,每个互动都会改变原有设计。图7显示的是一个虚拟操作过程的一个女人是鞋楦。图7,虚拟装置在cad中改善设计的质量自动化设计的一个关键方面是尽可能以设计资料为基础,用计算机来辅助制造。CAM系统是用于自动化生产过程,包括时间的安排和进程,控制机器设备。为了弥补CAD和CAM系统一些不足地方,必须尽可能使用数据库中模型设计生产过程的资料。在23中,模型被定义为一个抽象的或一个具有真实性的代表东西,这个东西可以有许多不同形状。按照传统的说法,计算机的设计过程就是将产品说明书制成产品和程序。CAD系统不仅允许计算机创建图片,还可以产生其他大多数的几何类型,也就是CAD系统能产生不同类型的模式。机械产品周期的复杂性在于旧产品的数据能否适用于新一代的各种型号类似的产品,以供其不同活动过程的使用。这些模型可以以第一设计阶段为基础,但可以得到足够的良好反应。设计的输出必须包括产品详细的几何描述。3.2.1快速成型制造过程中使用RP添加切割原始模型,使其层层被切断,直到得到跟最初的设计物理模型非常相似为止。根据24,RP有助于视觉检查快速生产的原型,并对其进行评估和形状分析,加快完成新产品的开发。在工业领域,虚拟现实使用显示器进行审查,至少在设计过程的第一阶段中不需要物理原型。通常的经典设计最终成为计算机中的原型,这将能够与客户进行分析,再重新设计等。不管怎样,虚拟环境让这些审查变成现实,因而物理原型可以先不用做出来。事实上在20中强调物理原型并不是不被考虑在内,虽然它在设计周期没有很早被使用。尽管有很多优点,但事实上RP系统跟它的理想模式相差很远:这一过程有许多问题影响到原型准确性和质量。在计算过程中RP受到很多参数的影响,选择合适的参数结合它们是不容易的。原型的制作取决于其质量的要求:准确,及时建立和制造效率。生产高品质的原型需要大量的经验。这个过程是基于测试和错误, 而且成本很高浪费时间。根据RP的使用过程,一些次要的任务如剩余材料的提取,被要求在RP过程完成后才能进行。这些模式的准确性受到RP过程后运算的影响,特别是它们被手工操作时。一旦物理模型已建成,如果问题出现在形状上,例如,一个新的原型不得不从其他一种材料上创建出来,那么它是很难或根本不可能被修改。虽然物理原型被认为可以减少设计误差,但不同的开发团队不能互相共享他们的知识;他们必须在原型上不断工作并且经常如此反复(图8 )。图8,在虚拟环境中,性能试验需要现昂贵的成本3.2.2虚拟样机VP可以减少RP的短处,它采用了数字模型称为虚拟原型(而不是物理原型)在计算环境中测试和评估产品具体特点或生产过程。虚拟样机(VP)是虚拟现实应用在CAD/CAM的过程。这些应用包括雕塑和实际产品的开发,利用虚拟现实技术可以很容易地获得制造模式。在25指出:虚拟原型或数字原型是在计算机中仿真物理产品。从这可以看出,虚拟原型或数字原型可以逼真地分析和测试产品有关的方面,如设计过程,制造,服务和回收,就如同分析一个物理模型一样。创建和测试一个虚拟原型被称为虚拟样机(VP)。模拟系统虽然开始应用于工业, 但是物理原型还是经常被使用,其原因在于它们真实的存在。物理原型在概念设计和产品介绍中特别重要:他们可以被触摸,处理和操纵,以便检查是否能正常工作。根据20,VP是一项能够建立一个数字模型,在这个模型中能够跟现实一样对产品进行直观的介绍,并可以直接操纵的技术。在26中,VP技术所带来的好处如下:大大减少了开发时间,由于不需要昂贵的物理原型,制造成本大大的减少。能够使虚拟原型跟设计同步进行。它也有助于建立一个环境以供工程师们在不同地方进行对话。 可以尽可能地使用设计期间不同地理位置成员们设计出的原型;对于一个非常复杂的原型时,不用使用物理原型。 设计,制造和规划产品过程中的错误可以很快地被发现,这样降低了一些工作地重复。一旦VP过程完成后,该模型可直接用于有形建筑,也可以发送给客户听听他们的意见。由于数字模型是最在经常在VP中使用,原型质量可以很好地被改善,并且成本被降低到最小。4 结论CAD工具不利于创新过程,因为其界面和功能都不能适应该过程,新的一代数字原型工具仍不能充分适应基于数据建模的传统CAD系统。目前的设备已证明在2D中的有用性,但该应用过程比较缓慢,并且不充分地辨认3D的执行任务。另一个CAD的问题是它们在视觉和触觉方面上不能为用户提供反馈意见。这些问题迫使用户花费更多的时间思考如何在同样的时间里获得他希望在一个虚拟环境中想要的。CAD必须进行几项改进30,这样在VE中设计的模型才能为制造过程提供高质量的保证。其中一个当前制约VP技术发展的因素是缺乏用来做数据交换的不同工具21。 在一体化的设计过程中,分析和仿真工具必须得到改善。用户的健康问题。在长期使用虚拟现实系统后,这个问题将不得不进行更深入的研究。 虽然它们不是这些系统的决定因素,但它们的研究将有助于避免消极次要影响。参考文献:1. 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