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1、槟榔切割、去核自动化加工设备的设计与建模,报 告 人：何 奇 指导老师：周友行 教授,博学笃行 盛德日新,机械工程学院School of Mechanical Engineering,机械工程学院School of Mechanical Engineering,主要内容：第一章 绪论第二章 槟榔参数化建模第三章 槟榔切割、去核自动化加工设备的设计 第四章 零部件三维实体模型的建立第五章 小结与展望第六章 致谢,机械工程学院School of Mechanical Engineering,第一章 绪论,1.1 槟榔简介及生产加工现状 槟榔果呈圆锥形或扁圆球形，高1.53.5厘米，基部直径1.53
2、厘米。表面淡黄棕色，具稍凹下的网状沟纹质坚实，不易破碎，断面可见棕色种皮与白色胚乳相间的大理石样花纹。在中国内地，海南虽是槟榔产地，但其槟榔干果主要销往湘潭、株洲、衡阳、益阳等地，近十几年来，随着湖南槟榔文化的兴起与发展，湖南已然成为槟榔最大销售地。从2003年至2005年，湖南槟榔加工产值以年均25%的速度增长，2005年湖南槟榔加工行业销售产值突破24亿元，市场占有率达85%以上。2005年湖南槟榔加工行业实现工业产值35亿元。2007年湖南槟榔加工行业实现工业产值达4050亿元。,机械工程学院School of Mechanical Engineering,槟榔简介及生产加工现状,据湖南
3、省槟榔协会统计，2005年全省正规槟榔加工企业1000多家，从业人员30万人，实现工业产值35亿元。至目前为止，湘潭市槟榔产业年产值突破50个亿，成为极具影响力和举足轻重的食品龙头产业。但是槟榔成品的制作加工依旧以传统的手工加工为主，自动化程度相对低下，在人为因素情况下严重影响了槟榔生产加工的效率和质量，而且对于长期从事槟榔加工的职业人员，在生产作业过程中因裸手操作，手部皮肤经常接触槟榔烟果和卤水，并涉及一些去核等机械操作，这将对手部接触皮肤造成一定损害。,机械工程学院School of Mechanical Engineering,1.2 槟榔加工的国内外发展状况 在国外，槟榔产地十分重视种
4、植业的发展和槟榔综合加工技术的研究。印度和泰国对食用槟榔综合加工技术进行了较系统研究。1999年以后，印度食用槟榔加工业发展迅速。目前国内已成立多家槟榔加工企业，主要集中在卡纳塔克邦。专业技术和设备公司生产并提供槟榔脱果机、锅炉、干燥机等加工配套设备。泰国制造的一种槟榔干制设备，类似于风速仪，它可以准确地将风温、风速分别控制在0150C和0215 ms。我国的槟榔加工除在半成品制造及后续保质期过程有较大改进外，其食用槟榔由半成品到成品的加工过程也有大量的设计研究。其中槟榔加工设备的实用新型专利就有,机械工程学院School of Mechanical Engineering,槟榔加工的国内外发
5、展现状,十多项，包括杨支刚的“自动给料槟榔三开切片机”、张三进的“手持式槟榔切割机构及其改良”、刘铁军的“槟榔自动剖切机”、吴瑛的“槟榔加工机”、林双庆的“多层式立体槟榔筛选机”、文继烈的“槟榔切片机”以及胡斌的“全自动槟榔加工设备”等。但由于各种原因，专利项目实际投入开发应用的较少，因而目前食用槟榔的主要加工流程仍以手工为主。,机械工程学院School of Mechanical Engineering,1.3 槟榔加工设备的研究思路 本课题针对目前槟榔手工加工中存在的质量、效率及对职业加工人员的皮肤损伤问题，对槟榔筛选、送料、切割及去核过程进行全面分析，结合目前槟榔加工的实际情况，研究设计
6、出一套槟榔筛选、送料、切割及去核的设备，使槟榔实现自动化生产加工，以提高槟榔加工效率。在设计中，为减少电机的数量，缩小设备的占用体积，我们采用齿轮齿条传动与凸轮机构联合起来，实现切刀的上下移动和去核刀的前后运动。此外，在槟榔切割过程中，采用必要的定心对中机构，避免槟榔切割后两边不匀，从而保证槟榔加工的质量。本课题总体研究共分位机械设计和电气控制两部分，但考虑到毕业设计时间有限，并征得指导老师准许，其设,机械工程学院School of Mechanical Engineering,槟榔加工设备的研究思路,计内容及报告说明均以能实现运动的传动设计为主。主要工作内容包括以下三个方面：其一，对槟榔关键
7、部位尺寸进行测量，建立槟榔尺寸数据库，利用Pro/E进行槟榔实体的参数化建模；其二，对槟榔的加工流程进行分析，拟定正确的传动路线方案，设计出实用的夹紧装置及加工设备，绘制出完整的二维装配草图；其三，利用Pro/E建立所有零部件的三维实体模型，并装配成组件图，分析零件装配过程中的合理性。,机械工程学院School of Mechanical Engineering,第二章 槟榔参数化建模,2.1 槟榔尺寸数据采集 由于槟榔干果个体几何外形并不规则且尺寸的变化范围较大，而欲使槟榔切开均匀，则必须保证槟榔夹紧机构中槟榔外形槽模型的准确性。因而需对槟榔关键部位的尺寸进行测量，并选取大小不同的多组槟榔数
8、据建立槟榔尺寸数据库，应用统计学原理进行分组，而后作近似处理，再利用Pro/E进行槟榔的参数化建模，为了使得到的数据具有客观性，我们随机提取了一袋槟榔（共约190个）对基部直径和径向长度进行测量。,机械工程学院School of Mechanical Engineering,2.2 槟榔尺寸数据分析 槟榔的筛选机构为三层式立体振动筛分机，其中经过第三次筛分的为不能加工的槟榔残渣，故可用于加工的槟榔实际可分为三组。且在振动筛分过程中，能从筛网中滤过的槟榔必须满足其最大基部直径小于筛网的宽度，因而在17组基部直径中，我们采取第4组（其基部直径最大）数据进行分组。从三组表中得知，第一组数据的样本数量
9、为53个，占样本容量的27.9%；第二组数据的样本数量为119个，占样本容量的62.6%；第三组数据的样本数量为18个，占样本容量的9.5%。我们不妨选取第二组数据作为研究对象，并综合分析各个位置的基部直径大小，再结合数学方法，便可求出一些对建模有意义的表征参数。,槟榔参数化建模,机械工程学院School of Mechanical Engineering,在第二组数据中，其样本容量,槟榔参数化建模,个，再由,公式,，则求得槟榔各个标注位置的基部直径的,平均值如下表所示：,表1 第二组数据样本平均值（单位：CM）,槟榔基部直径标注位置图,机械工程学院School of Mechanical E
10、ngineering,2.3 建立槟榔模型三维模型的一般建模过程如下图所示。,槟榔参数化建模,图1 Pro/E零件建模一般过程,机械工程学院School of Mechanical Engineering,槟榔参数化建模 首先，我们引进相关的参变量，并将参变量赋予表中对应的平均值以及一些符合实际的参数；其次，建立相互关联的表达式；再次，利用旋转、剪切、倒圆角、着色等指令画出槟榔的三维实体如图2所示。,槟榔参数化建模,图2 参数化槟榔实体图,机械工程学院School of Mechanical Engineering,第三章 槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,3.1 槟榔加工流程分析 槟榔工艺
11、加工流程如下所示。,图3 槟榔工艺加工流程图,机械工程学院School of Mechanical Engineering,槟榔机械加工分析 观察槟榔工艺加工流程图不难得出，真正影响槟榔加工效率和不容易保证加工质量的加工步骤为槟榔切割与去核。而考虑到食用槟榔的大小均匀及槟榔核的再度利用，因而保证槟榔对中切开具有重大的实际意义。本课题以槟榔切割与去核为主要研究对象，在保证槟榔对中切开的同时，还应使所设计的加工设备占用体积尽可能小、所用驱动尽可能少、加工效率尽可能高以及加工成本尽可能低。,槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,机械工程学院School of Mechanical Engineerin
12、g,3.2 设计思路3.2.1 对中机构设计定心、对中夹紧机构的说明及类型 按定位-夹紧元件等速移动原理来实现定心对中夹紧 此类定心夹紧机构包括以下四种：螺旋式定心夹紧机构（如图4-a）；偏心式对中夹紧机构（如图4-b）；斜面定心夹紧机构（如图4-c）；杠杆定心夹紧机构（如图4-d）。按定位-夹紧元件均匀弹性变形原理来实现定心夹紧,槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,机械工程学院School of Mechanical Engineering,槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,机械工程学院School of Mechanical Engineering,定心对中夹紧机构的确定 从输送带上的槟
13、榔落下后，槟榔随即被槟榔压块压紧，而槟榔被压紧需靠槟榔两压块的相对移动来保证。由此，可按定位-夹紧元件等速移动原理来实现定心对中夹紧，而在图4所示的四种夹紧机构中，螺旋式定心夹紧机构不但具有设计简单，自锁性好，制造方便等优点，而且，利用左右不同的正、反向螺旋能很好地保证定心对中的准确性；再者，槟榔切开后去核动作的继续进行，需要确保槟榔压块分离后仍使槟榔固定在压块上，我们设想用槟榔插针紧固切开后槟榔，则插针的移动需靠针板的移动来保证。而插针的时间与位置要求相,槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,机械工程学院School of Mechanical Engineering,当严格，且插针亦需确保对
14、中要求，这些在螺旋式定心对中夹紧机构中很容易得到保证。只需在螺杆两边增加 两段螺纹来控制针板的移动：左右螺纹旋向相反，保证插针与拔针的同时性；同一边两段螺纹螺距不等，保证槟榔压块与针板的相对运动。综上分析，选取图4（a）所示的螺旋式定心夹紧机构为槟榔加工设备夹紧槟榔时的对中机构。,槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,机械工程学院School of Mechanical Engineering,3.2.2 基于对中机构传动路线分析 经过分析，拟定传动路线图如下所示：,槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,机械工程学院School of Mechanical Engineering,3.2.3 设计
15、符合传动路线的机械方案 通过上述传动路线的分析，结合夹具设计基本要求及零件的装配原理，现拟定符合传动路线的机械方案简图如下所示。,槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,机械工程学院School of Mechanical Engineering,其动作特点主要有五种：（1）插针；（2）切割；（3）去核；（4）拔针；（5）回位。,槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,3.2.4 切刀及去核刀的结构及安装位置设计 分析槟榔进行切割及去核的动作特点 确定实现动作的传动机构 实现动作的传动机构的布置,机械工程学院School of Mechanical Engineering,槟榔切割、去核自动化加工设备
16、的设计,3.2.5 控制切刀上下运动的凸轮机构设计 凸轮选型（本文通过分析选择移动凸轮）凸轮运动规律选择（本文选择将基本运动规律组合以提高性能，其停、推、回、停运动规律可用摆线-等速-简谐-多项式运动规律曲线实现）通过设计计算绘制凸轮轮廓曲线,图7 控制切刀运动的移动凸轮轮廓曲线图,机械工程学院School of Mechanical Engineering,槟榔切割、去核自动化加工设备的设计,3.2.6 控制去核刀前后运动的沟槽凸轮机构设计 通过设计计算，得出沟槽凸轮轮廓曲线如下图所示。,图8 控制去核刀运动的沟槽凸轮轮廓曲线图,3.2.7 齿轮齿条传动设计,机械工程学院School of
17、Mechanical Engineering,第四章 零部件三维实体模型的建立,基于第三章对中夹紧机构、凸轮机构及齿轮齿条的设计计算，在满足传动路线的条件下，以Pro/E软件为载体，建立了实现槟榔切割与去核机构的所有零部件的三维实体模型。主要零部件建模,图4.1 底座,图4.3 传动螺杆,图4.2 压块,机械工程学院School of Mechanical Engineering,零部件三维实体模型的建立,图4.4 滑块,图4.5 针板,图4.6 支承平台,图4.7 齿条,图4.8 齿轮轴,机械工程学院School of Mechanical Engineering,零部件三维实体模型的建立,
18、图4.9 去核刀,图4.10 箱盖,图4.12 轴承闭端盖,其他零部件建模,图4.11 轴承,图4.13 轴承开端盖,图4.14 底座底板,图4.15 叉形零件,图4.16 紧定螺杆,机械工程学院School of Mechanical Engineering,零部件三维实体模型的建立,零部件组装 在Proe/E的装配过程中，如果零部件过多，可考虑分步装配。对于本设备，可依据其实现的功能原理分五条主线分步装配，再将分步组件图总装。其一，底座为支撑及定位部件，为基体，可视为第一条装配主线（装配见图4.17）；其二，传动螺杆为传动部件，实现插针、拔针、槟榔夹紧松开功能，可视为第二条装配主线（装配见
19、图4.18）；其三，切刀刀架实现槟榔的切割功能，可视为第三条装配主线（装配见图4.19）；其四，齿轮轴作为主动部件，控制齿条的前后移动，可视为第四条装配主线（装配见图4.20）；,机械工程学院School of Mechanical Engineering,零部件三维实体模型的建立,其五，支撑平台上装有齿条，齿条上铰接去核刀控制去核动作的进行，可视为第五条装配主线（装配见图4.21）。,图4.21 支承平台装配,图4.17 底座装配,图4.18 传动螺杆装配,图4.19 刀架装配,图4.20 齿轮轴装配,机械工程学院School of Mechanical Engineering,零部件三维实
20、体模型的建立,总装 分步装配成以上五个主体后，再以底座为基体（总装图中设为缺省），将其余四个组件依次装配起来，然后将其余标准件（如螺钉、螺母等）按装配关系装入，即可得到槟榔切割、去核自动化加工设备的总装图。,图4.22 槟榔切割、去核自动化加工设备,机械工程学院School of Mechanical Engineering,第五章 小结与展望,小结建立了槟榔尺寸数据库，分组分析，并对槟榔实体进行参数化建模；对槟榔的加工流程进行分析，着重考虑了切割与去核这两大加工工序；拟定了正确的传动路线，确定了实现传动的三大主体机构，即螺旋对中定心夹紧机构、凸轮机构以及齿轮齿条传动机构，并对三大机构如何实现
21、切割与去核功能进行分析与设计；依据设计思路对零部件的功能作用再一次进行阐述，利用Pro/E建立了三维实体模型，并将所有零部件进行总装分析。,机械工程学院School of Mechanical Engineering,小结与展望,不足本文仅是对机械设计部分进行阐述与介绍，其电气控制部分还有待进一步分析研究。由于时间有限，我们还来不及对设备和主要零部件进行动力学和有限元分析，其受力方面的合理性也还有待进一步优化与改进。由于本设备零部件较多，且基于PRO/E进行设计与改进，故建模部分花的时间占绝大部分，许多二维图细节来不及修改，还望各位专家见谅！,机械工程学院School of Mechanica
22、l Engineering,小结与展望,展望 展望今后，我们还需做到以下几个方面：其一，对设备和薄弱零部件进行动力学和有限元分析，进一步优化改进其结构；其二，将电气控制部分补充完整（包括电机选型，电机与齿轮、电机与传动螺杆的一级减速装置设计等）；其三，综合分析考虑其效率问题，看能否继续在效率方面进行优化设计；其四，将槟榔筛选、送料机构与切割、去核设备进行整合，并实现将去核后的槟榔掉入送料机构的槟榔池中；其五，在条件允许的情况下，制造实体设备，并在实际制造与装配中对整套设备进行改进。,机械工程学院School of Mechanical Engineering,第六章 致谢,首先，特别感谢我的导师周友行教授以及211室的全体师兄们，是他们的悉心指导，耐心教育，我才得以解决许多百思不得其解的问题，尤其是许多论文的细节。所有这些，都让我内心深处感激不尽！其次，感谢莅临指导的各位专家教授，欢迎提出宝贵的建议和意见！再次向各位表示感谢！,
