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大米分級下料裝置及其整體結構設計
本 科 畢 業(yè) 設 計
題目： 大米分級下料裝置及其整體結構設計
摘 要
本設計的設備是基于機器視覺技術的品質檢測系統(tǒng)的大米分級裝置，分別對下料裝置和整體結構進行了改進設計。下料裝置從整個設備中獨立出來，并改進設計成了具有一定的可調性，針對于多種物料的送料料斗，使物料能一粒一粒依次地落至輸送帶上。整臺設備的動力是由220V、420W交流低速電動機所驅動，且是利用計算機視覺檢測系統(tǒng)，模擬人的視覺功能，檢測大米的圖像信息，然后進行分析和處理，并通過計算機程序對PLC發(fā)出指令，操縱氣閥的啟閉，最終把大米分離成六個等級，從不同的出料口中輸出。
關鍵詞：大米分級 品質檢測 下料裝置 整體結構設計 機器視覺技術
Classification Of Rice Under The Device And
Its Overall Structural Design
Abstract: The design of the equipment is based on the quality of machine vision technology detection system of rice classification devices, respectively, cutting devices and improved the overall design layout. Device under the devices from the whole independent and to improve the design has become a certain adjustable for a variety of materials in the feed hopper, so that materials can be an order to drop to a conveyor belt on. Driving force for the entire piece of equipment is 220V, 420W AC low-speed motor-driven and detected by use of computer vision systems, simulation of human visual function, detection of image information of rice, and then the analysis and processing, and through a computer program to give directions to the PLC , the gate control valve, and ultimately into the merits of the grade separation of rice from different feed the mouth of the output.
Key words: rice classification quality determination cutting device the overall structure design machine vision technology
目 錄
1 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 大米概況及其質量等級標準[1] 1
1.3 基于MVT的大米品質檢測的發(fā)展概況及研究現(xiàn)狀[2] 3
1.3.1 國外對大米檢測的研究 4
1.3.2 國內大米檢測研究現(xiàn)狀 4
1.3.3 稻米檢測裝置的研究簡況 5
1.3.4 存在的問題 5
2 總體設計 7
2.1 工作原理 7
2.2 設備的組成 7
2.3 改進前的工作原理圖 8
3 各零部件的設計和計算 9
3.1 輸送帶的設計 9
3.1.1 輸送帶的速度估算 9
3.1.2 輸送帶的材料選擇與結構設計 9
3.2 電動機的選擇[3][4] 9
3.2.1 電動機的功率計算 9
3.2.2 電動機轉速n的確定 10
3.2.3 電動機的類型結構及型號的選擇 10
3.3 聯(lián)軸器的選擇[6] 11
3.4 軸的設計及校核[3] 12
3.4.1 主動軸軸端直徑的確定 12
3.4.2 軸的結構設計 12
3.4.3 軸的校核（按許用彎曲應力校核） 12
3.5 鍵的選擇 15
3.6 軸承及軸承座的選擇 15
3.7 傳動滾筒的設計 16
3.8 總體支架及外觀設計 16
4 下料裝置的設計 19
4.1 振動電機的選擇 19
4.2 彈簧的設計及計算[4] 20
4.2.1 彈簧的端部結構選擇 20
4.2.2 彈簧的設計計算 20
4.3 料斗的設計 23
4.4 下料裝置的總體設計 24
5 整體外觀設計 25
6 總 結 26
6.1 全文總結 26
6.2 創(chuàng)新點 26
參考文獻 27
致 謝 28
1 緒 論
1.1 前言
民以食為天。大米是一種非常特殊的商品，一日三餐誰也離不開它。自古就從來沒人忽視過大米的質量，用質量重于泰山來形容，一點也不過分。隨著食品貯藏加工業(yè)的發(fā)展以及人們生活水平提高，人們對大米的需求從吃飽到吃好，從吃好到吃得健康和營養(yǎng)了。大米的質量優(yōu)劣將直接影響到人們的健康安全，因此受到各級質量技術監(jiān)督部門的高度重視和人們的關注。
然而中國目前由于整體大米加工水平不高，在實際生產(chǎn)和加工過程中仍存在著許多質量問題及其解決的技術問題（如：如何去除大米中的異色粒和有色雜質，保證大米的純度；如何來分出大米中的碎米以及檢測出大米的裂紋，提高大米的整米率等等）。由于這些問題的存在，因而大大降低了大米在市場上的經(jīng)濟價值。這些問題都有待于盡快解決，而且將大米按品質或轉化產(chǎn)品的不同分級后流向市場出售必成為今后的發(fā)展趨勢之一。因此人們便能在等量的情況下獲得更高的經(jīng)濟效益。目前我國稻谷產(chǎn)后加工技術還處于薄弱環(huán)節(jié)，較之國外差距較大。傳統(tǒng)的檢測方法以人工檢測為主，主觀性強，精確度低，可重復性差，嚴重制約和影響了國家“優(yōu)質大米標準”在實際生產(chǎn)中發(fā)揮其應有的作用，不僅造成了生物資源的巨大浪費，同時也挫傷了農(nóng)民的生產(chǎn)積極性。而具有該功能的進口儀器則大多價格昂貴，不適宜在我國推廣應用。隨著人們生活水平的提高、糧食消費結構及方式的改變和科技進步，稻谷優(yōu)質品種的開發(fā)，產(chǎn)后的精、深加工，已成為發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及國民經(jīng)濟的主要內容之一，如能引進和借鑒國內外的先進技術設備和經(jīng)驗，搞好這一社會經(jīng)濟工程，既可以增加經(jīng)濟效益，同時具有良好的社會效益。稻谷精深加工前景十分廣闊。為此，基于計算機系統(tǒng)檢測的大米分級機設備的研發(fā)和創(chuàng)新改進就緊迫的向我國設計技術人員提出挑戰(zhàn)。
這次畢業(yè)設計課題就是迎合了這種需求。通過查閱眾多參考文獻，我們終于初步改進設計了一套基于計算機視覺檢測系統(tǒng)的優(yōu)質大米分級裝置。整臺設備的動力是由220V ，500W 交流低速電動機驅動的，且該設備的技術核心主要是利用計算機視覺系統(tǒng)，模擬人的視覺功能，檢測大米的圖像信息，然后模擬人的大腦進行識別，通過對所檢測到的大米圖像信息進行處理后，計算機立即對可編程控制器發(fā)出指令，進而通過可編程控制器（PLC）對氣閥的直接操縱控制，最終把大米的分離成六個等級。
1.2 大米概況及其質量等級標準[1]
大米是水稻的種子，稻谷經(jīng)脫殼、去糠等工藝加工后得到的最終產(chǎn)品。大米的產(chǎn)地分布很廣，產(chǎn)量也很大，而其中的90％又集中在亞洲地區(qū)。我國和東南亞各國是大米的主產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)量我國居世界第一，達到1.8億噸，占世界總產(chǎn)量的1/3；其次是印度、印度尼西亞、孟加拉、泰國、越南、緬甸、菲律賓和日本等國。大米年世界總產(chǎn)量約5億噸；年貿(mào)易量約2000萬噸，大米的出口國主要是泰國（約500萬噸）、印度（約400萬噸）和美國（約300萬噸），其次是越南和緬甸。大米的進口國較多，達100多個，但進口量都不大，年進口量超過100萬噸的國家有：巴西、印尼、伊朗和中國，其次是古巴、法國、德國、印度、俄羅斯等國。
在我國，自建國以來，大米一直是主要的出口商品，60年代初平均年出口量為660萬噸，65年至71年增至1360萬噸，72、73兩年年平均出口量達到創(chuàng)記錄的2300多萬噸；80年代以來，由于人民生活提高和飲食結構發(fā)生變化，導致大米消費大增，年出口量逐步下降，并首次于88年，進口了31萬噸大米，至1995年，中國大米的出口量減至5萬噸，而進口卻猛增到165萬噸，使我國由大米的凈出口國變成凈進口國。96年至97年，由于國內大米豐收，我國才又恢復出口。
糙米的形態(tài)與稻粒相似，多為橢圓形或細長形；表面光滑，具有蠟狀光澤，正常糙米呈乳黃色，也有的呈白色、黃色、半透明黃白色等，少數(shù)為紅色或紫黑色；糙米表面有五條縱向溝紋，其中背部正中的一條叫背溝，這些溝紋的深淺，決定著成品大米的出米率，因為碾米就是要碾去糙米表面的皮層，而縱溝內的皮則很難全部碾去，溝紋越深，越難碾，出米率越低。目前鑒別大米的精度，就是以米粒表面及溝紋內留存皮層的多少來鑒定的。我國稻谷產(chǎn)區(qū)廣、產(chǎn)量大、品種多，所以其分類方法也不盡一致。根據(jù)國家標準，大米按稻谷的粒形和粒質分為三類：
（１）秈米：用秈型非糯性稻谷制成的米。米粒一般呈長橢圓形或細長型，按其粒質和稻谷的收獲季節(jié)分為以下兩種：
１）早秈米：腹白較大，硬質粒較少；
２）晚秈米：腹白較小，硬質粒較多。
（２）粳米：用粳型非糯性稻谷制成的米，米粒一般呈橢圓形，按其粒質和稻谷的收獲季節(jié)分為以下兩種：
１）早粳米：腹白較大，硬質粒少；
２）晚粳米：腹白較小，硬質粒多。
概念解釋：大米腹白―指粳性大米的角質胚乳在腹部或米心部位出現(xiàn)的乳白色不透明現(xiàn)象，也叫心白。這種大米，米粒結構疏松，硬度低，加工時易出碎米，品質較差。腹白明顯的米粒俗稱白堊粒。
表1―2―1各等級大米質量標準
等級
特等
標準一等
標準二等
標準三等
加工精度
從略
從略
從略
從略
不完善粒%
3.0
4.0
6.0
8.0
最大限度雜質
總量%
早秈、晚秈、早粳、秈糯、粳糯
0.25
0.30
0.40
0.45
晚粳
0.20
0.25
0.30
0.35
其中糠粉%
0.15
0.20
0.20
0.25
礦物質%
0.02
0.02
0.02
0.02
帶殼稗粒粒/g
早秈、晚秈、早粳、秈糯、粳糯
20
50
70
90
晚粳
10
20
30
40
稻谷粒粒/g
早秈、晚粳、秈糯
8
12
16
20
晚秈、早粳、粳糯
4
6
8
10
碎米%
總量%
早秈、秈糯
35
晚秈、粳糯、早粳
30
晚粳
15
其中小碎米%
早秈、秈糯
2.5
晚秈、早粳、粳糯
2.0
晚粳
1.5
水分%
早秈、秈糯
14.0
早粳、粳糯
14.5
晚秈
14～14.5
晚粳
14.5～15.5
色澤、氣味
正常
(注：各類大米中的黃粒米限度為2.0%。)
1.3 基于MVT的大米品質檢測的發(fā)展概況及研究現(xiàn)狀[2]
機器視覺技術(Machine Vision Technology ,簡稱MV T) 是以圖像處理技術為核心,用計算機技術實現(xiàn)人的視覺功能,用人工智能技術、信息處理技術對圖像進行分析,以獲得研究對象所需的信息。傳統(tǒng)大米檢測多采用抽樣方法,人工測量和目測,步驟繁瑣,速度慢,勞動強度大,且檢測結果主觀性強,一致性差。隨著計算機性價比的不斷提高,機器視覺檢測技術的應用正在推廣,尤其在農(nóng)產(chǎn)品品質檢測領域有著廣闊的應用前景。和人工檢測技術相比,機器視覺檢測技術具有速度快、精度高、重復性好等優(yōu)點,利用機器視覺分級代替人工檢測,是自動化分級發(fā)展的必然趨勢 。
1.3.1 國外對大米檢測的研究
機器視覺技術起源于20 世紀60 年代,進入70 年代,在理論和應用上都得到了長足的發(fā)展 。在應用于谷物外觀品質檢測方面,國外的研究成果很多,由于不同國家的飲食結構不同,歐美國家對小麥和玉米的研究較多,對稻米的研究較少,少數(shù)亞洲國家如日本、泰國、韓國對稻米的研究較多。
從20 世紀80 年代開始,國外學者開始把MV T應用于大米識別和分級的研究中。國外目前的研究主要分為兩種: ①對大米加工精度檢測。②對大米質量檢測和分級。日本大學森島博教授從1983 年開始對機器識別大米質量和分級進行廣泛的研究。研究了同品種大米中整粒、碎粒、異色粒、有裂痕粒的識別和分級方法,以及不同品種大米的識別方法,并形成了一整套理論體系 。2000 年Wan Y N 等運用范圍估計( range selection) 、神經(jīng)網(wǎng)絡、hybrid 算法3 種在線分類方法對大米質量進行檢測。在線分類最高記錄是1 200 粒/ min ,準確率91 %。
1.3.2 國內大米檢測研究現(xiàn)狀
我國學者從20 世紀90 年代開始運用MV T 對大米品質進行檢測。我國大米的品質特征分為外觀品質、加工品質、食用品質(即蒸煮和營養(yǎng)品質) 及儲藏品質。應用MV T 對大米品質檢測主要集中在外觀品質、加工品質、食用品質,應用最多的是外觀品質和加工品
（1）基于MV T 的大米外觀品質檢測：
外觀品質檢測參數(shù)主要有外形輪廓、堊白、黃粒米、粒型。大米樣品圖像獲取一般采用掃描儀或數(shù)碼照相機,根據(jù)傳統(tǒng)抽樣方法取100 粒樣品進行靜態(tài)圖像采集,背景采用黑色。1） 外形輪廓檢測：包曉敏分別用Robert s 算子、Sobel 算子、Prewit t 算子、模塊匹配法和快速模糊邊緣檢測法對大米輪廓進行邊緣檢測,通過對大米圖像的分割實驗,驗證了快速模糊邊緣檢測最有效。劉光蓉用掃描儀獲取大米圖像,通過改進的直方圖均衡化算法對大米圖像增強,利用八領域分析法提取大米輪。2） 堊白檢測：堊白是衡量大米品質的重要參數(shù)之一,通常用堊白度、堊白粒率、堊白大小等描述大米堊白狀況。其中堊白度是優(yōu)質稻米4 個定級指標之一,因此近年來,對大米堊白檢測較多。3） 黃粒米檢測：黃粒米是評定稻米等級的一個重要指標。尚艷芬根據(jù)RGB 色度學原理分析了黃粒米色度。凌云等選用HIS 模型中的H 分量進行黃粒米檢測。孫明等則采用面向彩色處理的HSV 模型。4） 粒型檢測：粒型即大米米粒長寬之比。我國稻米標準中對此要求很少, 只在優(yōu)質秈稻米分級中提出粒型218 。國內學者也是近幾年才開始這方面的研究。侯彩云計算粒型方法為:計算大米輪廓中距離最大的兩個點的距離作為米粒長度d1 ,求出粒長所在直線方程A x + B y + C = 0 。凌云研究了一種基于極坐標的粒型檢測方法,將米粒近似為橢圓形,粒長、粒寬分別為橢圓長、短軸長度,這樣可以簡單快速計算區(qū)域的長短軸大小,實現(xiàn)粒型的檢測。
（2） 基于MV T 的大米加工品質檢測
目前采用MV T 對大米加工品質的檢測研究主要在加工精度、整精米率兩個方面。1） 加工精度檢測：我國GB1354 —86《大米》標準中是按加工精度對大米分級,可見對大米加工精度檢測的重要性。傳統(tǒng)檢測主要是通過直接比較和染色法進行感官評價。許俐等 通過計算機圖像處理技術與色度學理論相結合,采用日本MG 染色法,研究染色后大米的胚乳、皮層及胚芽所呈現(xiàn)的不同顏色特征和區(qū)分方法,通過計算胚乳面積占樣本總面積的百分比來得到加工精度。目前利用機器視覺對大米加工精度的檢測需要對大米進行染色處理,離檢測自動化還有一段距離。而國外學者在1994 年就利用大米灰度值來測定加工精度,實現(xiàn)了大米加工精度的無損檢測。2） 整精米率檢測：整精米率是GB1350—1999《稻米》標準中新增的評價指標之一,目前對該方面的研究較少。尚艷芬等開發(fā)了一個整精米識別系統(tǒng),可自動識別整精米和碎米。
1.3.3 稻米檢測裝置的研究簡況
在谷物檢測裝置的研究方面,國外起步較早,目前已有商品化儀器,如瑞典Foss 公司的1625 型自動化谷物品質分析儀,日本株式會Kett 科學研究所的米谷粒判別器。但這些儀器價格昂貴,很難在國內推廣。在我國眾多學者研究專門實現(xiàn)一種大米品質參數(shù)檢測的基礎上,有些學者開始研究可實現(xiàn)多種品質參數(shù)檢測為一體的軟件系統(tǒng)和硬件裝置。如侯彩云 開發(fā)出一套計算機圖像處理系統(tǒng)軟件RQES110 ,專門用于優(yōu)質稻米分級指標整精米率、堊白粒率、堊白度、粒型等參數(shù),系統(tǒng)采用掃描儀獲取圖像,使用VC+ + 610 為開發(fā)工具。張巧杰在此基礎上研究了一套稻谷品質快速檢測裝置,不但實現(xiàn)了大米外觀品質(堊白度、堊白粒率) 的檢測,還實現(xiàn)了大米營養(yǎng)品質(直鏈淀粉含量) 檢測。本裝置采用激光光源進行大米直鏈淀粉含量檢測,精度達+ 1 % ,采用CCD 攝像機對堊白度、堊白粒率檢測,精度分別為+ 1 %、+ 2 %。目前國內這些檢測裝置離商業(yè)化還有一段距離。
1.3.4 存在的問題
MVT 在稻谷品質檢測中的應用時間不長,要達到生產(chǎn)自動化,實現(xiàn)在線檢測,還需要解決很多問題,主要表現(xiàn)在: ①在已有的大米品質檢測中,大多屬于靜態(tài)檢測系統(tǒng),雖然目前已有準動態(tài)系統(tǒng),可實現(xiàn)樣品的自動進樣和分級功能,但圖像采集時谷物與攝像機仍保持相對靜止,實際采集的還是靜態(tài)圖像。生產(chǎn)過程中采集到的圖像應該是動態(tài)的多個大米圖像,增加了處理和分析的復雜性,目前還沒解決從快速運動農(nóng)產(chǎn)品中提取有效圖像信息并對其校正的技術問題; ②已有的檢測算法對大米擺放方向要求比較高,實際大米擺放是隨機的,檢測算法不能受米粒擺放方向影響。已有算法不能滿足要求,限制了實用性。③目前圖像處理多采用灰度圖像,某些參數(shù)可能無法識別,建議今后嘗試彩色圖像、多頻圖像處理進行特征識別。
2 總體設計
這次所設計的設備總長約3000mm,總高1530mm,總寬930mm.總體看來，該設備具有快速、準確、高效、可操作性強等特點。
2.1 工作原理
工作時把大米裝入料斗中，開動電動機，使?jié)L筒及輸送帶在電動機的驅動下運轉，從而把大米輸送到圖像視覺檢測裝置系統(tǒng)中，通過計算機對所檢測到的大米圖像處理，并向可編程控制器發(fā)出指令，操縱氣閥的及時開啟與閉合。當檢測到不同等級大米時，就開啟相關氣閥通氣，依靠氣流對大米的沖擊力，將該粒大米從相關出料口中出料；然而大部分大米通過時，則關閉氣閥，讓大米隨輸送帶運輸至一等品出料口中出料，從而將大米分級。其原理示意圖如2-1-1所示：
2.2 設備的組成
(1) 輸送帶——在該設備中起到拽引和連續(xù)不斷輸送大米的作用,其材料采用乙丙黑色橡膠材料。
(2) 驅動裝置——是該設備中動力輸送部分，由安裝在支架上的調速電動機和連軸器組成。
(3) 傳動滾筒——是該設備中動力傳遞的主要部件，輸送帶借其與滾筒之間的摩擦力而運行。
(5) 裝料斗——用來裝載大米，使大米能連續(xù)不斷地掉落在橡膠輸送帶上，同時該裝置上還具有調節(jié)機構，能夠控制大米往橡膠輸送帶上掉落的流量，且可以針對比大米體積稍大的其他物料的輸送。
(6) 大米圖像信息檢測裝置——這是該設備的技術核心，大米在該裝置中被檢測，其所采集到的生物圖像信息在計算機中被處理分析。
(7) 大米等級分離裝置——此設備中設計了兩個大米輸出端口，在計算機的控制操縱下最終把大米分成六個等級（通過計算機對所采集到的大米圖像信息進行處理并發(fā)出控制信號，控制氣閥的及時開啟與閉合，從而把大米分成了六個等級級別）。
2.3 改進前的工作原理圖
圖2-3-1 改進前原理示意圖
3 各零部件的設計和計算
3.1 輸送帶的設計
3.1.1 輸送帶的速度估算
由于輸送帶是用來輸送大米供計算機檢測。若檢測系統(tǒng)每秒能檢測六行左右的大米，則可估算出輸送帶的速度V：
V = 行距 * 行數(shù) = 0.25*6 = 0.15 m/s
帶的輸送量Q:
Q = 6 * 3600 = 21600 粒/s
3.1.2 輸送帶的材料選擇與結構設計
經(jīng)查閱[3]，并根據(jù)實際工作環(huán)境，選用乙丙橡膠（Epm）材料。其特點為：密度小、成本低、耐化學穩(wěn)定性好、耐臭氧、耐老化性能優(yōu)異、耐熱溫度高達150℃。其橫截面尺寸如圖3-1-1所示：（寬為280mm，厚為4mm）
圖3-1-1 輸送帶的截面示意圖
輸送帶的長度L的估算：
L = D + 2a = 3.14x300 + 2x2000 = 4942 mm,約為5米；
其中： D —— 滾筒直徑，設計值為300 mm
a —— 兩軸中心距，設計值為2000 mm
3.2 電動機的選擇[3][4]
3.2.1 電動機的功率計算
（1） 驅動裝置的總效率
其中： —— 聯(lián)軸器效率，取值為0.97
—— 帶座軸承效率，取值為0.98
—— 輸送帶的傳動效率，取值為0.95
—— 滾筒的傳動效率，取值為0.98
代入數(shù)據(jù)得 = 0.885
（2） 電動機額定功率的確定
由 得
其中： —— 電動機的實際輸出功率，Kw；
F —— 橡膠輸送帶的運行阻力，估算為2000 N；
V —— 輸送帶的速度，m/s；
代入數(shù)據(jù)得
再由 ，其中k由[3]查得并取值為1.2，則
0.408 kw
3.2.2 電動機轉速n的確定
根據(jù)設計要求及實際，其中的滾筒半徑R設計為150mm，則
n = = 9.55 r/min
3.2.3 電動機的類型結構及型號的選擇
電動機的類型和結構形式要根據(jù)電源、工作條件(溫度、空間、尺寸等)和載荷的特點來選擇。在此設計中的機械設備要求電動機具有良好的啟動性能，同時也能夠頻繁啟動和停止，且具有轉動慣量小和過載能力大的特點，最主要的是電動機能以低轉速大轉矩來直接驅動設備。
經(jīng)查閱資料[5],YDS系列低速電動機是一種基于Y系列電機和諧波齒輪傳動技術的機電一體化產(chǎn)品，它突破了傳統(tǒng)的電機加減速機的傳動模式，能以低轉速大轉矩直接驅動要求低轉速的機械。它的輸出轉速通常為100r/min以下，最低可達到1.2r/min，因此不需減速機便可直接驅動設備運行。其電機的體積相當于同類型普通電機，由于它的輸出軸要承受較大的扭矩，通常其直徑比較粗（相似于普通電機的輸出軸直徑）。
標準電動機的容量由額定功率表示，所選用的電動機的額定功率應等有或稍大于工作要求的功率。容量小于工作要求，則不能保證工作的機械正常地進行工作，同時還會使電機長期過載，發(fā)熱大而過早損壞。當然電機容量也不能過大，過大則會增加成本，并由于效率和功率因數(shù)低而造成浪費。
綜合上述要求及計算結果，最終選用了YDS系列低速電機的YDS-90型號，且安裝形式為B3型，如圖3-2-1所示：
圖3-2-1 YDS-90型電機
其中性能參數(shù)為：
額定轉速：11 r/min ; 額定轉矩： 260 N m ；
額定輸出功率：0.42 Kw ； 額定電流： 1.3 A。
安裝尺寸如圖3-2-2所示：
圖3-2-2 電機安裝尺寸圖
3.3 聯(lián)軸器的選擇[6]
聯(lián)軸器的規(guī)格根據(jù)負荷情況、計算轉矩、軸端直徑和工作轉速來選擇。由電機的轉速乘工況系數(shù)及輸出軸端直徑參數(shù)可以選用剛性套筒聯(lián)軸器Ⅱ型，標記為；
GTⅡ聯(lián)軸器 GB/T 5843
3.4 軸的設計及校核[3]
3.4.1 主動軸軸端直徑的確定
由于該設計中的主動軸是與電動機通過聯(lián)軸器直接相連，則可按照電機的輸出端軸徑或聯(lián)軸器的允許直徑系列[6]來確定，因此可取其直徑為35 mm。
3.4.2 軸的結構設計
因該軸主要承受轉矩，從強度方面及實際工作條件來考慮，應選用圓截面。選擇軸的材料為40Cr,經(jīng)調質處理，其結構采用階梯軸，有助于軸上定位可靠、拆裝方便。為了不過分削弱軸的疲勞強度，截面變化不要太大，且過渡圓角不宜過小。另外軸上的鍵槽的方向應相互一致。其結構如圖3-4-1所示：
圖3-4-1 主動軸結構示意圖
3.4.3 軸的校核（按許用彎曲應力校核）
(1)對軸的簡單受力分析
簡化過程：將軸承對軸的支撐反力簡化為集中力通過軸承載荷作用于軸上。通過對軸零件的作用力分析，軸受到得力包括軸承的支撐反力、輸送帶及滾筒所施加的力、電動機通過聯(lián)軸器產(chǎn)生的轉矩，如圖3-4-2所示：
（2） 計算水平面上的剪切力和彎矩，畫出剪切圖、彎矩圖，并找出危險截面[7]
剪切力： F= F =1000 N ; F = 2000 N
F點彎矩： M = 205 = 205 Nm
剪切圖及彎矩圖如下：
（3）計算豎直平面上的剪切力和彎矩，畫出剪切圖、彎矩圖，并找出危險截面[7]
剪切力： F= F =1732 N ; F = 3464 N
F點彎矩： M= 205 = 355 Nm
剪切圖及彎矩圖如下：
（4） 計算轉矩
T = 9550
根據(jù)轉矩產(chǎn)生應力的循環(huán)特征差異而定的應力校正系數(shù)a取0.3，則
T = 0.3T= 102 Nm
(5) 校核軸的強度
從圖中知F截面為危險截面，根據(jù)第四強度理論的強度條件，其中查表11.4[4]知[，查表11.5[4]知 W = ，則F截面的當量彎曲應力
= 65.5 MP
所以軸的結構和尺寸均符合要求。
(由于從動軸和主動軸結構一樣，除了左端起65mm不要外，則該軸也符合要求)
3.5 鍵的選擇
軸與傳動滾筒、軸與聯(lián)軸器的連接均采用普通平鍵連接。
（1）根據(jù)軸徑d=35mm,查手冊[6]標準，選用普通平鍵A型截面尺寸為108鍵，長度為40mm，材料為40Cr。
（2）根據(jù)軸徑d=40mm,查手冊[6]標準，選用普通平鍵A型截面尺寸為128鍵，長度為20mm，材料為40Cr。
3.6 軸承及軸承座的選擇
經(jīng)查閱網(wǎng)上資源[8]，選用帶立式座頂絲外球面軸承，它常采用于采礦、冶金、紡織、輸送機械等，適用于要求設備及零部件簡單的場合，具有一定調心性、易于安裝、具有雙重結構的密封裝置，可以在惡劣的環(huán)境下工作。結構形式多樣、通用性和互換性好。根據(jù)軸徑選用UCP207型號，其外觀如圖3-6-1所示：
圖 3-6-1 帶立式座頂絲外球面軸承
其性能參數(shù)及安裝尺寸如圖3-6-2所示：
圖3-6-2 UCP207的性能及安裝尺寸
3.7 傳動滾筒的設計
根據(jù)需要，兩個滾筒均采用Q235板材焊接而成，結構簡單，成本較低，易于加工，具體結構如圖3-7-1所示：
圖3-7-1 滾筒結構圖
3.8 總體支架及外觀設計
設計的支架是一個聯(lián)接件，其材料選用60方柱鋁型材[9],結構及截面形狀如圖3-8-1所示：
圖3-8-1 60方柱鋁型材
起聯(lián)接和固定的附件如圖3-8-2所示：
圖3-8-2 固定聯(lián)接件
該支架主要用來承受上面各個零部件的重量以及安裝電動機及各零部件，其總長為2430mm，總高為1530mm，總寬為870mm，其總體結構如圖3-8-3所示：
圖3-8-3 支架結構圖
外觀設計（融合了光照箱），其材料選用不銹鋼薄皮板，其效果如圖3-8-4所示：
圖3-8-4 外觀效果
4 下料裝置的設計
4.1 振動電機的選擇
振動主要是用于減少料斗中的物料堆積在一起，特別是出料口小時，更需要增加振動，以防堵塞出料口。與此同時，使物料處于運動狀態(tài)，便于勝利地往出料口中送料。在此料斗中的物料重量約為0~5Kg左右，因此我們選擇MVE系列微型振動電機[10],該系列電機具有重量輕、體積小、激振力調整方便、絕緣等級和防護等級高、使用壽命長等特點。外觀如圖4-1-1所示：
圖4-1-1 MVE系列微型振動電機
由于該設備工作電壓為220V，因此選擇220（單相）MVE4型號微型振動電機，其技術數(shù)據(jù)和安裝外形尺寸如圖4-1-2所示：
圖4-1-2 技術數(shù)據(jù)、安裝及外形尺寸
4.2 彈簧的設計及計算[4]
4.2.1 彈簧的端部結構選擇
由于設計要求端圈與彈簧軸線的垂直性要好，且與支撐座的接觸要好，有較高的工作穩(wěn)定性，再根據(jù)工作要求，則選用冷卷壓縮彈簧Y 型，兩端圈并緊并磨平，支撐圈數(shù)n = 1~2.5,用于乘受載荷較大，要求各圈受力分析均勻及d0.5mm。
4.2.2 彈簧的設計計算
據(jù)工作情況，要求彈簧中徑D，啟動時彈簧受力，最大工作載荷，工作行程h=30mm,年作用次數(shù)大于次。
（1） 材料選擇
根據(jù)工作情況屬Ⅰ類載荷，材料選用65Mn的C級，由表12.4查得[]=340MP，由表12.2查得G=79。
（2） 求簧絲直徑d及彈簧內徑D、外徑D
由已知D=25mm，由式（12.11）求得
查圖12.7，得旋繞比 C=9.7
d,查手冊[6]取d = 3mm
實際旋繞比 C
（3） 求有效圈數(shù)及
按式（12.6）計算彈簧剛度
由式（12.7）知
彈簧實際剛度
端部形式為型，則總圈數(shù)
（4） 計算彈簧的變形量
工作載荷F的變形量
最大工作載荷F的變形量
則
對于Ⅰ類彈簧極限載荷
極限變形量
（5） 計算彈簧的其它尺寸（按表12.9計算）
節(jié)距
則
自由高度
則實際節(jié)距
工作高度
極限工作高度
壓并高度
螺旋角
滿足
展開長度
（6） 驗算
a) 穩(wěn)定性（借鑒[4]12.3.4節(jié)）
高徑比
且
說明穩(wěn)定性不是很好，則需在結構上采取措施，加裝導桿或導套。在此裝置中考慮實際而采用加裝導桿，長度為50mm，以增強其穩(wěn)定性。
b) 疲勞強度
由式（12.9）知
由表12.8查得彈簧材料的脈動疲勞極限 根據(jù)d = 3mm，查表12.3得，則
其中許用安全系數(shù)[S][4]在彈簧設計計算和材料的機械性能數(shù)據(jù)精確性高時，取[S] = 1.3~1.7；精確性低時取[S] = 1.8~2。
故疲勞強度滿足要求，通過。
（7） 壓縮彈簧工作圖
如圖4-2-1所示
圖4-2-1 壓縮彈簧工作圖
4.3 料斗的設計
根據(jù)工作要求及設計要求，料斗的出料口應具有一定的可變性，即其寬度和高度均由一定的調節(jié)范圍，以適應多種物料的檢測分級。由于在檢測大米時，要求米粒一粒一粒依次送至輸送帶上，則落料口較小，很容易堵塞，在此除了安裝了微型振動電機外，還在接近出料處設計了一段圓弧。以控制近口處只留有一粒米的空間，而其它米粒在振動及圓弧的作用下，會退居圓弧以外，達到防堵的作用。材料選用不銹鋼。再由平時關注及老師指點，其外觀結構設計如圖4-3-1所示：
圖4-3-1 料斗
4.4 下料裝置的總體設計
查閱資料并參照輸送檢測整體設備，將該下料裝置的結構設計成如圖4-4-1所示：
圖4-4-1 下料總體裝置
5 整體外觀設計
如圖5-1所示：（除去電動機及計算機檢測系統(tǒng)的外設）
圖5-1 整體外觀圖
6 總 結
6.1 全文總結
這次畢業(yè)設計讓我達到了深化理論、學以致用、理論與實踐結合的目的，給了我初步體現(xiàn)設計能力的機會，也反映了大學四年基礎及專業(yè)知識的學習情況。鑒于本人的知識水平和實踐經(jīng)驗所限，并在設計過程中考慮的問題不全面，所以設計出來的裝置必然存在著一些不足之處，結構上也有需要改正的地方，敬請各位老師批評指正。
為了完成此項設計任務，我系統(tǒng)的回顧了大學四年所學的相關專業(yè)知識?？沼鄷r間就在考慮些有關設計的實際問題，由于我的設計偏向于機械設計，對他的詳細學習使我對機械設計基礎部分有了更深一步的了解。在設計過程中，我哦深感基礎知識、實踐經(jīng)驗及設計思路的重要性，特別是設計步驟間地關聯(lián)性及所需的嚴謹性。設計過程中查看了很多資料來形成自己的設計思路，并且提升了搜索相關資料的能力和效率，特別是運用《機械設計手冊》的能力，讓我更深刻地理解了理論聯(lián)系實際的重要性。
通過這次設計我受益匪淺，了解了有關設計的程序和規(guī)范，并懂得了作為設計技術人員應具備的素質和能力及精神。鞏固了所學知識，提升了CAD、PRO/E等畫圖軟件的應用能力，和實踐、設計能力，拓寬了視野，為將來的學習和進一步的研究打下了基礎，積累了一定的經(jīng)驗。
6.2 創(chuàng)新點
（1）在設計選材方面，通過網(wǎng)上資源，獲得了許多價格較低且有利得型材和附件，并對其有效地利用，使該設備的出產(chǎn)效率大大提高，且體重更輕。
（2）料斗的設計中，通過對出料口的寬度和高度加以有一定范圍的調節(jié)設計，使該設備的使用范圍擴大。只需更改檢測系統(tǒng)中的有關程序，便能分別實現(xiàn)對大米、稻谷、鈕扣、大豆、小麥、開心果及其他一些重量較輕、高寬度在該料斗可調范圍內的物料進行類似的分級處理。
（3）單獨的光照箱體被整合在了整個設備箱體內，使攝像頭等附件安裝更簡單，也使整臺設備在外觀上更緊湊、更具整齊性，防護上更有利于防塵。
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