多功能蔬菜切片機設計

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The purpose multifunction vegetable slicer innovative design is based on a design requirements, designed to complete certain actions slicer, complete the design theory of the program. The basic structure of the fruit and vegetable slicer manual analysis clearly primarily designed multifunction key technologies vegetable slicer, the feeding means is a stepping main transmission mechanism and the design principle of the specific slice, and the slice thickness can be controllability adjust the design. Finally, the use of UG software manual slicer of fruits and vegetables for three-dimensional modeling, simulation motion simulation, carried out animation process and generate assembly plans and the Ministry of wear and some important parts diagram. This paper focuses on the design of multi-purpose vegetable slicer explained.Keyword：Slicer; Cam; gear; stepping feeding; drive; transmission; thickness adjustment.第一章 概述1.1食品機械與設備主要包括的內(nèi)容食品機械與設備的內(nèi)容主要包括：輸送機械與設備、清洗和原料預處理機械與設備、攪拌及均質機械與設備、原料及半成品的熱處理機械與設備、真空濃縮設備、干燥機械與設備、排氣及殺菌機械與設備等。1.2市場上已出現(xiàn)的切片機1.2.1、制漿造紙行業(yè)：一般形式有刀盤式切片機，鼓式切片機，螺旋切片機等。刀盤式切片機由刀盤、機殼、喂料槽以及傳動裝置等部分組成。沉重的刀盤還起到飛輪的作用，穩(wěn)定切片過程。刀片沿盤面輻射狀安裝，并突出mm左右，原木通過溜槽喂入轉盤的一側，刀片與原木軸線成一定角度進行切片，處理量為290m3SUB/h,通常情況下木片長度24mm,刀盤直徑3360mm,刀盤轉速249rpm,刀盤上安裝有16只刀片,由臺馬達帶動，總功率為4315kw,馬達速度為25rps。1.2.2、制作細胞或組織切片行業(yè)：用于光學顯微鏡的有旋轉式和滑走式切片機。用于電子顯微鏡的有超薄切片機，使用玻璃刀或鉆石刀制作超薄切片。材料的裝置有機械推進式和熱膨脹式。用于冷凍切片法的有冷凍切片機、低溫恒溫器、冷凍超薄切片機。用于徒手切片的有圓筒切片機。1.2.3、肉片加工行業(yè)：羊肉、肥牛切片機：該款切片機的刀片采用了進口合金鋼材料，可適應高速度、大批次肉片的加工；肉片厚薄自動可調，并與進料機構精巧配合，使之可根據(jù)所需肉片厚度自動控制推進速度；工作平臺完全由尼龍板制做，可防止肉卷融化，既高檔又保證了衛(wèi)生要求。尤其值得一提的是，從該切片機出來的成品肉片可自然成細卷，而且無需解凍立即包裝，非常方便。1.2.4、蔬果加工行業(yè)：多功能切絲切片機，由重力棒、進料筒、轉盤、切刀、切絲刀、機架、底座、軸、支撐輪，動力裝置等組成，切刀和切絲刀安裝在轉盤上，轉盤在動力裝置作用下做旋轉運動，轉盤上的切刀和切絲刀將原料切割成片或絲，主要用于土豆、蘿卜、芥菜、瓜果、酸菜、白菜，肉類的片、絲加工，具有結構簡單、使用安全、操作方便、加工效率高等優(yōu)點，適合于個人經(jīng)商使用。1.3切片機使用要求1.3.1、肉片、蔬果加工行業(yè)1.切片機只能用于切適于本切片機切片范圍的物體。2.使用前在斷電情況下清理刀片和工作臺。 3.接通電源、試機，確定能夠設備正常工作后關機待用。 4.若冷凍原料切片之前要解凍（去掉原料上的冰層）。 5.使用過程中嚴禁用手和其他工具接觸圓盤和刀片。 6.放好原料調節(jié)好出片厚度，開機、推動離合器。 7.推送原料時不宜用力過猛。 8.關機、拔掉電源線，出片尺度掉到零點，徹底清理機器整體，嚴禁用水沖刷機體。 9.每周檢查機油一次，油標低于規(guī)定尺度及時加油。1.4本設計研究內(nèi)容1.4.1、目標根據(jù)要求，設計一個能夠實現(xiàn)切片厚度均勻且能調整切片厚度，安全可靠，提高工作效率，適合各種瓜果類蔬菜的自動切片機的合理方案，并運用三維軟件建立該機器的模型，實現(xiàn)運動仿真。1.4.2、多功能蔬菜切片機的設計要求1、 要確保機械的切實可行性；2、要貼近生活，做到在生活中切切實實用得到，有必要用；3、要貼近一些時代主題，盡量做到低能高效；4、能夠提高工作的效率；5、 要確保機械的安全性，設計要符合人體工程學；6、 可以調節(jié)切片的厚度，從而實現(xiàn)切塊，切丁等目的；1.4.3 多功能蔬菜切片機應滿足的基本要求 多功能蔬菜切片機應滿足的要求有以下幾個方面： 1、具有預定功能的要求 所設計制造的多功能蔬菜切片機必須實現(xiàn)預定的解決生產(chǎn)或生活問題的功能，這是機器設計的最基本出發(fā)點。為使所設計的機器具有預定功能，合理選擇機器的工作原理是最重要的。顯然，預定實現(xiàn)的功能不同，設計的要求也不同。 2、經(jīng)濟性要求 機器的經(jīng)濟性是一個綜合指標，在切片機的設計、制造、使用、銷售、維修、管理等各個環(huán)節(jié)均有所體現(xiàn)。總之，經(jīng)濟性要求就是在滿足功能要求的前提下使解救人質機的總費用最低。 3、安全性要求 在多功能蔬菜切片機的設計階段就必須對機器的使用安全予以足夠的重視。簡單地講，安全就是指多功能蔬菜切片機本身的工作安全及使用者的安全，特別是使用者手的安全。因此，要采用各種各樣的防護措施，使運行時刀具不會與人體直接接觸。 4、可靠性要求 簡單地講，可靠性就是多功能蔬菜切片機在使用中性能的穩(wěn)定性，它是多功能蔬菜切片機的一個重要質量指標?？煽啃运皆礁撸f明機器在使用過程中發(fā)生故障的概率越小，能正常工作的時間就越長。 5、操作使用方便的要求 多功能蔬菜切片機是一種給生活帶來方便的機械產(chǎn)品。在設計多功能蔬菜切片機時必須注意操作時要輕便省力；操作機構要適應人的生理條件；多功能蔬菜切片機的噪聲要??；防止污染等。此外，對有些機器還有一些特殊要求，如建筑機械要便于拆裝和搬運、交通機械要重量輕等。設計多功能蔬菜切片機時，在滿足基本要求的前提下還要滿足這些特殊要求，以提高機器的使用性能和保證機器的工作質量。 第二章 切片機原理方案構思和擬定2.1 方案的構思根據(jù)多功能蔬菜切片機的設計目標和要求，首先要考慮刀片的運動方式，以及采用何種機構帶動刀片運動。采用何種傳動裝置使蔬菜傳遞到刀具下完成切片工作，最主要的是如何通過一個力帶動兩個機構同時運動。以及如何控制切片的厚度，如何讓切片順利排出機器，如何限制被切物的大范圍移動所導致的無法正確切片。綜合考慮，經(jīng)過研究出兩種切片方式為備選切片方式：方案一：采用周轉式切片方式，這種切片方式通過刀具的圓周循環(huán)運動，進行切片，但是這種方式要求提供比較大的力矩給刀片，刀具的接頭部位，要設計的剛度要求高。優(yōu)點是結構簡單，易于拆裝和維護。方案二：采用雙曲柄滑塊機構，這種切片方式切削力度比較均勻，是實現(xiàn)刀具的往復運動，但是結構較為復雜，不利于拆裝和維護。最后通過綜合考慮，選定方式一，設定結構圖如2-1所示：圖2-1 周轉式切片方案示意圖2.2 方案的設計進料槽方案的設計，首先根據(jù)蔬菜的形狀大小，設計進料槽，進料槽必須滿足大多數(shù)蔬菜的進料方式，且不會出現(xiàn)卡死的情況，因此設計成v型進料槽是比較合理的。由于蔬菜處于加工位置時，要限制住蔬菜的自由度，因此，專門設計了一個刀槽，這樣，切菜的時候就不會出現(xiàn)蔬菜翻轉的現(xiàn)象。切菜方案的設計，采用240mm的刀長，能滿足大多數(shù)蔬菜的切菜能力，且刀柄部位加強，以防止斷刀，刀柄用螺釘緊固在刀盤上，四個螺釘，限制刀具的位置。2.2.1進料裝置本機構采用自動可調節(jié)的自動進料方式，如圖2-2所示，它主要由以下零部件構成：圖2-2 驅動裝置示意圖1、凸輪和機械開關：凸輪是安裝于輸出軸端的，他的作用是相當于計數(shù)的作用，和機械開關配合，當?shù)毒叩牡段惶幱诜乔邢魑恢脮r凸輪頂起，機械開關接通，并把電信號送入plc中。2、Plc：從機械開關接收信號，經(jīng)過處理，把輸出信號傳入步進電機，控制步進電機的轉角；同時對輸出信號計數(shù)，當一個周期完成，輸出回轉信號，使齒條回位。3、步進電機：是進料機構的動力源，輸出軸接小齒輪。4、電機安裝板：用來安裝步進電機。5、小齒輪和齒條機構：把齒輪的旋轉運動轉化成齒條的直線運動。6、V型滑塊機構：和入料槽配合，把料往前頂。2.2.2傳動裝置1帶傳動帶傳動是一種應用很廣泛的機械傳動。帶傳動由主動輪、從動輪和適度張緊在兩輪上的封閉環(huán)形傳動帶組成。它是利用傳動帶作為中間的撓性件，依靠傳動帶與帶輪之間的摩擦力來傳遞運動的，主動軸的動力通過撓性傳動帶傳遞給從動軸。其優(yōu)點是：（1）能緩和載荷沖擊；（2）運行平穩(wěn)無噪聲；（3）制造和安裝精度不像嚙合傳動那樣嚴格；（4）過載時將引起帶在帶輪上打滑，因而可防止其他零件的損壞；（5）可增加帶長以適應中心距較大的工作條件；其缺點是：（1）有彈性滑動，使傳動效率降低并且不能保持準確的傳動比；（2）傳遞同樣大的圓周力時，輪廓尺寸和軸上的壓力都比嚙合傳動大；（3）帶的壽命較短。2鏈傳動鏈傳動是由閉合的撓性環(huán)形鏈條和主、從動鏈輪所組成的，鏈輪是有特殊齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力。鏈傳動是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動。其優(yōu)點是：與帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，能保持準確的平均傳動比，作用于軸上的徑向壓力較?。辉谕瑯邮褂脳l件下，鏈傳動的結構較為緊湊。鏈傳動能在高溫及油污惡劣環(huán)境中工作。與齒輪傳動相比，鏈傳動較易安裝，成本較低；在遠距離傳動時，其結構要比齒輪傳動輕便得多。其缺點是：在兩平行軸間只能用于同向回轉的傳動；運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比；不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動中應用。3齒輪傳動齒輪傳動是現(xiàn)代機械中廣泛應用的一種傳動形式，它主要用來傳遞空間任意兩軸之間的運動和動力，并可改變轉動速度和傳動方向。其優(yōu)點是：齒輪傳動和其他形式的機械傳動相比較，傳遞的功率和圓周速度范圍大，傳動效率高，能保證恒定的傳動比，工作平穩(wěn)、安全可靠且使用壽命長，結構緊湊。其缺點是：制造和安裝精度要求高，因而成本也較高，并且不宜用于軸間距離較大的傳動。4蝸桿傳動蝸桿傳動用來傳遞空間兩交錯軸之間的運動與動力。它由蝸桿與蝸輪組成，一般蝸桿主動，蝸輪從動，作減速運動。在少數(shù)機械中，蝸輪主動蝸桿從動，作減速運動。其優(yōu)點是：（1）傳動比較大，結構緊湊；（2）傳動平穩(wěn)噪聲低；（3）可具自鎖性其缺點是：因為蝸桿蝸輪在嚙合處有較大的相對滑動，因而磨損大，發(fā)熱量大，效率低。為減少蝸桿傳動嚙合處的摩擦和磨損，控制發(fā)熱和防止膠合，蝸輪常采用青銅材料制造，因而成本增高。通過對帶傳動，鏈傳動，齒輪傳動和蝸桿傳動工作方式和優(yōu)缺點的比較以及本課題的設計要求，選取帶傳動和齒輪傳動。如圖2-3所示。 圖2-3 傳動機構示意圖2.2.3電機的選型根據(jù)設計要求，要求刀具每分鐘切片300次，根據(jù)此要求及其傳動比得：總的傳動比：I=I1*I2=32.14選定電機型號為Y80M2-4，其額定功率為0.75kw，經(jīng)核算，能夠滿足設計要求，此電機的額定轉速為2880r/min。核算：電機轉速q=2880r/min， 總傳動比I=32.14, 刀具切片q1=1440/32.14*2=45*2=90次/min大致能夠滿足設計要求。2.2.4帶傳動設計本機器采用兩級帶傳動設計，每級帶傳動比一定：1、第一級帶傳動： D1=50； D2=150;傳動比i1=D2/D1=150/50=3中心距a1=287小帶輪包角為：142大于120，滿足帶傳動要求。2、第一級帶傳動： D1=50； D2=150;傳動比i2=D2/D1=150/50=3中心距a1=221小帶輪包角為：135大于120，滿足帶傳動要求。帶傳動總傳動比I1=i1*i2=3*3=92.2.5齒輪傳動設計 采用圓柱直齒輪傳動，為了保證齒輪齒面強度，選定齒輪模數(shù)m=4。小齒輪齒數(shù)：z1=14； 小齒輪分度圓直徑d1=14*4=56。大齒輪齒數(shù)：z2=50； 大齒輪分度圓直徑d2=50*4=200.傳動比I2=z2/z1=3.572.2.6 機架的設計按照自下而上的建模方法，把所有的功能部件設計布局完成以后，再依據(jù)各部件的安裝位置，設計出機架，要求能夠平穩(wěn)的支持整個機器運行。如圖2-4所示。 圖2-4機架的設計 第三章 動力傳動部件的校核31 齒輪的計算和校核3.1.1 齒輪材料處理工藝及制造工藝的選定 齒輪選用的材料均為40Cr,調質處理，硬度約為HBS 262293試驗齒輪齒面疲勞極限如下：=650 =220 齒輪的加工為插齒，精度為7級。3.1.2 確定各主要參數(shù) 由于屬于低速傳動，采用齒形角=，直齒輪傳動，精度為6級，為提高承載能力，采用直齒輪傳動。3.1.3 傳動比由于對轉速沒有太嚴格的要求，只需實現(xiàn)傳動，故取i=13.1.4 齒輪模數(shù)m模數(shù)m由強度計算或結構設計確定 （3.1）式中， 綜合系數(shù)，齒輪為7級精度等級沖擊取=1.62.6，8級精度等級中等沖擊取=2.53.9，沖擊較大、或不變位時取較大值。 主動輪的齒形系數(shù) 主動輪的傳動轉矩 （3.2） 額定功率， 齒輪轉數(shù)（一般為第一級即電機轉數(shù)）， 實驗齒輪的彎曲疲勞極限，按MQ級中等質量要求選取 齒寬系數(shù)，齒寬b與小齒輪分度圓直徑的比值。將數(shù)代入(4.2)得: 則 取圓整 =2.53.1.5 齒輪接觸疲勞強度計算齒輪分度圓直徑，由下邊公式 （3.2）式中，齒寬系數(shù) 查表，考慮傳遞功率不是很大=0.28齒輪齒數(shù) 取=28齒數(shù)比 =1齒輪轉矩 =1.96載荷系數(shù) 使用系數(shù)，查表取=1動載系數(shù)，查表取=1.2齒間載荷系數(shù)，由表取1.1齒間載荷分布系數(shù)，查表取1.1載荷系數(shù) =11.21.11.1=1.45材料彈性系數(shù) 查表取=189.8節(jié)點區(qū)域系數(shù) 查圖取 =2.5重合度系數(shù) 由推薦值0.850.92 ，則=0.87將數(shù)帶入（4.2）得： = =27.5 齒輪模數(shù) =27.5/28=1，取=2.5齒輪輪分度圓直徑 =2.528=70 標準中心距 =2.5（28+28）/2=70 齒寬 =0.2870=19.6 圓整為20 3.1.6 齒輪強度校核）齒面接觸疲勞強度計算接觸應力 = （3.3）由公式（4.3）得齒面接觸應力的基本值： = =2.36189.80.751 =567.85 式中,端面內(nèi)分度圓上的名義切向力，取 =2000 N b工作齒寬， 取b =20 齒輪分度圓直徑，取 =70 u齒數(shù)比，u =/ =28/28 =1 節(jié)點區(qū)域系數(shù)，取 =2.36 =0，查相關圖，取 =2.21 彈性系數(shù)，查表取 =189.8 重合度系數(shù)，查圖取 =0.75 螺旋角系數(shù)，直齒 =0，取 =1，由公式（4.3）得接觸應力： = = 567.85 = 775.79 式中， 使用系數(shù)，中等沖擊，查表 取 =1.25 動載系數(shù)，6級精度，查表 取 =1.01 計算接觸強度的齒向載荷分布系數(shù)，取 =1.12 計算接觸強度的齒間載荷分布系數(shù)，取 =1 計算接觸強度的行星輪間載荷不均衡系數(shù),查表取 =1.2 計算齒面接觸應力的基本值，許用接觸應力 = （3.4） 式中，試驗齒輪的接觸疲勞極限，取 =1400 ； 計算接觸強度的最小安全系數(shù)，取 =1.25； 計算接觸強度的壽命系數(shù)，取 =1.03；潤滑油系數(shù)，取 =1.06；工作硬化系數(shù)， =1.1；速度系數(shù)，取 =0.90；粗糙度系數(shù)，取 =0.95；尺寸系數(shù)，取 =1；則 = =1160.5 故 =20.64mm初選內(nèi)徑為d=10mm 因為=0.5 所以D=30mm。3.2.2 軸的校核計算軸的校核計算首先做出軸的計算簡圖，彎矩圖，扭矩圖，然后進行軸的強度校核即可。由于本空心軸是水平放置，靠它傳遞扭矩，少量的彎矩可忽略不計，故只需對其扭矩進行校核便可?？招妮S所受扭矩圖如圖3.1所示。圖3.1 空心軸扭矩圖扭轉切應力計算公式： （3.10）式中， -截面的剪切應力 T截面處得扭矩 -危險截面的抗扭截面系數(shù)對于空心軸： 查表得到45號鋼=0.3675 =55000 h3.4.2 轉盤處單向推力球軸承的壽命的校核此單向軸承推力球軸承其主要參數(shù)為: d =12 D =26 B =9 Cr =10.2同理由于該軸承只是承受軸向力，所以P = =150 N =360 r/min由公式（4.13）可得： = =59.4 h =55000 h由以上的計算可知，各軸承的壽命符合要求。其他幾對軸承承受的力相對較小，肯定滿足壽命的要求，校核省略。第4章 基于UG的實體設計概述4.1 UG實體設計概述UG實體設計是由北京北航海爾軟件有限公司通過國際合作研發(fā)的具有國際先進水平的三維設計軟件，它使實體設計跨越了傳統(tǒng)參數(shù)化造型在復雜性方面受到的限制，不論是經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員，還是剛接觸CAXA實體設計的初學者，CAXA實體設計都能提供便利的操作。其采用鼠標拖放式全真三維操作環(huán)境，具有無可比擬的運行速度、靈活性和強大功能，使設計更快，并獲得更高的交互性能，真正使得實體設計做到了簡單易用。采用UG實體設計軟件進行設計具有以下優(yōu)點： 第一，UG實體設計采用工程應用的特征（如孔、槽、螺紋、圓角、倒角等）作為構造零件的基本單元，改變了傳統(tǒng)二維CAD以幾何設計為主的方式，使設計過程更加直觀，設計人員可以將更多的精力用在創(chuàng)造性的產(chǎn)品構思上，提高了設計效率。第二，三維裝配設計使設計人員可以準確進行結構和曲面復雜的部件設計。通過施加約束與配合關系，采用拖放方式操作，使得零件裝配就像搭積木一樣方便，對裝配、子裝配的零件、裝配特征、約束及輔助視圖以記錄樹形式進行管理，可以完成裝配件爆炸、剖切、干涉檢查、運動仿真、最小間隙計算、零件列表等活動，避免了需要試制樣機再驗證更改完善設計的周期過長、勞動強度高等弊端。第三， UG實體設計能自動處理從相片真實感到線框的渲染風格。設計環(huán)境下集成的真實紋理、貼圖和表面凸痕效果可用于體現(xiàn)諸如螺紋和隔柵等設計細節(jié)?？缮删哂邢嗥鎸嵏械膱D象和生成任意數(shù)量的平行光、點光源或聚光光源；其特殊效果包括霧化效果和膠體效果。同時智能動畫提供了復雜的關鍵幀動畫功能，包括三維動畫軌跡編輯和渲染效果圖以 GIF 和 AVI 文件的形式輸出，非常適合做設計作品的模擬演示及與他人的直接溝通。正是UG實體設計的以上眾多優(yōu)點，本次畢業(yè)設計選擇了它。參考文獻1濮良貴，紀名剛. 機械設計M. 北京:高等教育出版社，2002.2胡宗武等. 非標準機械設備設計手冊M. 北京:機械工業(yè)出版社，2005.3趙 勻，武傳宇，胡旭東，等.農(nóng)業(yè)機器人的研究進展及存在的問題J.農(nóng)業(yè)工程學報, 2003,19(1):20-244何 平,金明河,劉 宏,等.機器人多指靈巧手基關節(jié)力矩位置控制系統(tǒng)的研究J.機器人.2002,24(4):314-318.5蔡自興. 機器人學M.北京: 清華大學出版社,2000.9.6盧江舟,熊有倫,趙東波.多指手抓取操作的仿真J.系統(tǒng)仿真學報,1997,9(2)；76-827楊 洋，陸 震，張啟先。多指靈巧手考慮漸近穩(wěn)定性的優(yōu)抓持規(guī)劃J.航空學報,1996,17(3):324-329.8陳偉海.滿征.于守謙.王田苗.CHEN Wei-hai.MAN Zheng.YU Shou-qiani.WANG Tian-miao 線驅動模塊化七自由度機器人軌跡跟蹤控制 -機器人2007,29(4).9吳宗澤、羅圣國，機械設計課程設計手冊（第三版）， 北京高等教育出版社，2006.5 417010王國慶，李大寨，錢夕康等新型三指靈巧機械手的研究機械工程學報，1997(3)：71-75頁11張建國PumaRAL手系統(tǒng)的研制機器人情報報，1989(3)：7-10頁致謝本設計和課題的研究工作實在尊敬的指導老師趙又紅副教授的親切關懷下完成的。趙老師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、高度的責任心以及嚴于律己、待人誠懇的思想品德深深影響著我，這不僅是我順利完成了此項設計，而且也將成為使我受益終生的寶貴財富。幾個月的時間里，從課題的選定、資料的收集、方案的擬定、課題的具體設計到設計說明書的審定改進，李老師都給與了極大的幫助，傾注了大量的心血。通過這次的畢業(yè)設計，學生不僅開拓了思路、擴大了視野、豐富了知識面，還初步掌握了處理具體實踐問題的科學方法，為學生今后發(fā)展打下了堅實的基礎。在設計的完成過程中，還得到了劉濤、羅建等同學不懈的支持與幫助，在此對他們表示衷心的感謝。感謝這將近四年來在我身邊曾經(jīng)幫助和關心過我的人們。同時也感謝在學習和生活中給予我無私關懷的各位老師。- 24 -