打瓜挖瓤机设计开题报告

本科毕业论文（设计）开题报告题目：打瓜挖瓤机设计

选题的背景、意义据《本草纲目》记载“籽瓜性味甘”、“籽瓜而入心胃脾，内有解心脾胃热，止消温”[1],是一种兼顾营养价值和药用价值的作物。打瓜中含有丰富的不饱和脂肪酸、果胶、众多微量元素、氨基酸丰富的维生素、多糖[11]。具有增强免疫力、抗衰老等功效，适宜高血脂、糖尿病病人实用[12]。打瓜及其副产物加工利用也有着广阔的前景打瓜化妆品的研发、打瓜果脯的开发、打瓜汁饮料、果胶的提取、果醋的加工[3]。目前我国打瓜加工产业仍以取籽加工为主，对打瓜副产物的综合利用研究不够深入。受国内加工水平所限制，打瓜种植农户以及收购方在生产过程中只利用打瓜的打瓜籽，而对打瓜瓤，打瓜汁，打瓜皮的利用率非常低。每年打瓜成熟收获时，打瓜种植户以及收购方为了获取打瓜籽，会产生大量的打瓜汁、打瓜皮、打瓜瓤，但又不能有效的处理和利用，导致大量的打瓜汁、打瓜皮、打瓜瓤遗弃在田间。这不仅仅是一种巨大资源浪费，而且如果不能及时清理田野间的废弃物，打瓜汁、皮、瓤就会腐烂，继而招引苍蝇蚊虫，滋生大量有害的微生物造成更严重的环境污染。但是如果能有效的分离、收集、处理加工利用打瓜汁、皮、瓤就能变废为宝，提高打瓜的经济价值，丰富打瓜的食品种类。打瓜挖瓤机这一机器较好的实现了打瓜皮与打瓜瓤的分离，且经过这一步挖瓤工序，接下来的取籽过程就能实现打瓜汁、打瓜瓤、打瓜籽的分离，从根源上解决了打瓜加工过程中打瓜瓤、汁、皮废弃的问题。而且打瓜挖瓤机代替了原本人工挖瓤的工序，提高了生产效率。打瓜挖瓤机对于提高社会效益、经济效益和环境效益均具有深远的意义[13]。黄晓鹏[2]等研究挖瓤刀挖瓤效果影响因素。他们认为影响挖瓤刀挖瓤效果的因素为挖瓤刀转速、挖瓤刀类型、挖瓤刀安装角度以及三者之间的交互效应。经实验论证挖瓤刀类型对挖瓤效果影响最大，其中半圆形挖瓤刀挖瓤效果最佳，且在挖瓤刀安装角度为15°、挖瓤刀转速为240r/min时挖瓤效果最佳。雷金鸣[4]等借助EDM软件模拟分析挖瓤刀挖瓤的工作过程，得出瓜瓤沿着挖瓤刀作离心运动，且切向加速度分布在高速区域内，能量损耗沿着中心轴从内向外逐渐减少，瓜瓤平均速率呈降低趋势。该规律有利于打瓜挖瓤机挖瓤刀的优化。宋庆阳[5]等设计的挖瓤刀升降机构，采用矩形循环图法进行运动协调设计使升降机构配合整机运动并设计挖瓤刀升降机构，最终得出以平底式直动从动件盘形凸轮机构与改进的杠杆放大装置结合，能满足挖瓤刀升降机构的运动要求。同长虹[6]等设计的插瓜架转位机构，经实验得到四槽轮机构的动力特性远优于三槽轮机构，但槽轮转速不宜过高，还指出插瓜架数量越多，效率越高，但挖瓤时间越紧张。最终得出选择2圆销一4槽轮机构作为籽瓜挖瓤机的插瓜架转位机构，结构简单，转位精度准确，传动平稳，没有过大的载荷。丁赛飞[7]等利用ANSYS软件对槽轮机构进行了有限元模态分析。结果表明：随着阶数的增加，槽轮机构的振型变化趋势为由槽轮机构左右部分的前后摆动转变为槽轮机构整体的扭转摆动和弯曲摆动，固有频率先缓缓增加,随后逐渐趋于平稳，最后快速上升,其所对应的最大振幅先上升再缓慢降低；前6阶固有频率较大，所以不会引起不必要的共振。该结论可为籽瓜挖瓤机的槽轮机构结构优化和改进提供理论依据。相比于黄晓鹏插瓜架转位机构会损害瓜皮，打瓜利用率低、工作过程中容脱落[17]。真空吸盘式转位机构就显得优秀许多。郑成昊[8]等籽瓜挖瓤机真空吸盘式转位机构的设计，相比于以往针盘式的插瓜架，避免打瓜皮的破损，提高打瓜的利用率；提高了半瓜在挖瓤过程中的稳定性，减少工作过程中打瓜的脱落率。指出真空吸盘的垂直提升力与吸盘直径、吸持面积有关。还提供了真空发生器及光电开关的设计。国外Agrawal等人发明了一种受生物启发的软吞咽抓握器，具有通用的适应性抓握功能[9]。一种以血虫为灵感的软抓握器，用于通用抓握，可与可分离模块结合，以扩大其抓握范围。这种软抓握器可以包围整个物体或目标物体的一部分，以便自我适应性抓握。它集成了大多数传统刚性抓手、软抓握器、吸盘和干扰抓手的能力，可抓住各种不同表面形状、几何尺寸和刚度的物体。为了增强抓手的能力，在抓手上增加了一个可拆卸模块，一个是真空吸盘，用于处理表面光滑的物体。通过实验，该软抓握器抓笔、平纸巾、袋装牛奶和手机的成功率都是100%。抓一把厚度为2毫米的钥匙和生鸡蛋的成功率分别为90%和95%，在成功率上有着出色的表现。如果将这一软抓握器取代插瓜架将有效避免瓜皮的破损。DaeHwanMoon1·SeogYoungHan使用双向FSI分析的单阀真空吸盘的形状优化[10]。DaeHwanMoon1·SeogYoungHan等人开发了薄膜与其周围气流之间的双向流体-结构相互作用（FSI）分析，以模拟单真空吸盘上多孔陶瓷中的薄膜吸附。接下来，该团队优化了薄膜的气流速度，以便在最短的时间内实现多孔陶瓷样品的最快吸附。最后，使用最佳气流速度轮廓优化了真空吸盘形状优化后的真空吸盘可防止薄膜起皱，与传统多阀真空吸盘相比，检测时间缩短了66%。模拟和实验结果之间的误差在2.5%以内。该优化可以使得打瓜挖瓤机中真空吸盘更快速吸取半瓜，在使用寿命上也有了显著提升。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题本课题研究的打瓜挖瓤机设计，用来避免打瓜副产品资源的浪费，以及提高人工挖瓤的效率，研究的基本内容如下：通过查阅资料初步确定打瓜挖瓤机的整体结构。打瓜挖瓤机主要由上瓜机构、插瓜架（真空吸盘）转位机构、挖瓤刀升降机构、传动系统四大部分组成。明确打瓜挖瓤机的具体工作流程：导轨上的打瓜传至上瓜机构处，电动机提供的动力由传动系统传至上瓜机构，上瓜机构完成送瓜动作将打瓜运送到真空吸盘式转位机构，送瓜过程中固定的切刀将打瓜切成两个半瓜。光电开关开启，真空发生器工作，真空吸盘吸取两个半瓜，电动机提供的动力由传动系统传至转位机构，转位机构将半瓜传送至挖瓤刀升降机构下方。电动机提供的动力由传动系统传至挖瓤刀升降机构，升降机构下移，挖瓤刀挖瓤。转位装置将瓜皮、瓜瓤送入分离导轨，进入后续的分离装置。打瓜挖瓤机上瓜机构、真空吸盘、真空发生装置、光电开关、槽轮转位机构、挖瓤刀、升降机构的原理、设计、solidworks三维零件图的设计。整机电路图的设计。拟主要解决的问题：打瓜取籽过程中打瓜皮、瓤、汁浪费的问题，以及人工挖瓤效率过低，提高打瓜挖瓤的工作效率。三、研究的方法与技术路线、研究难点，预期达到的目标研究方法第一阶段进行文献的采集，阅读有关打瓜挖瓤机设计相关文献，明确打瓜挖瓤机工作流程以及各机构组成。确定总体方案，进行各个机构的设计（上瓜机构、真空吸盘式转位机构、挖瓤刀升降机构、瓜瓤分离装置)，传动系统设计、具体参数的确定确保整机协调运动的准确性，三维模型的绘制，以及整机装配图的绘制。技术路线3.1打瓜挖瓤机总体设计：打瓜挖瓤的工作可分为4个过程:上瓜并将打瓜切为两个半瓜、真空吸盘式吸取半瓜转动到挖瓤位置、挖刀旋转实现挖瓤、瓜瓤与瓜皮分离。打瓜挖瓤机分为四大机构：分别为上瓜机构、真空吸盘式转位机构、挖瓤刀架升降机构和瓤皮分离装置。图1为打瓜挖瓤机整机结结构简图。1.电动机2.挖刀升降架组件3.挖刀轴4.小带轮5.大带轮6.电动机7.挖刀组件8.槽轮拨盘9.槽轮10.打瓜托架组件11.送瓜凸轮12.送瓜杠杆13.滑套14.机架15.真空吸盘式转位机构图SEQ图\*ARABIC1打瓜挖瓤机整机结构简图其中挖刀的旋转挖瓤由电动机驱动，为独立驱动装置。而上瓜机构、真空吸盘式转位机构、刀架升降机构属于集中驱动传动系统。为保证打瓜挖瓤机四大执行机构协调配合以及机构运作的先后顺序，采用表1所示的直角坐标式循环图法进行运动协调设计。这使得四大执行机构的运动呈周期性变化每隔一定的时间，四大执行机构先后完成一次运动，为一个工作循环。并且确保了执行构件的动作按时序要求相互协调，能正常工作。根据表1所示的直角坐标式循环图法，该打瓜挖瓤机能在四秒内完成两个半瓜的挖瓤预计一小时可以完成900各打瓜的挖瓤工序。相比与钟逸岩[14]设计的打瓜挖瓤机，设备的体积过大、传动效率较低不符合生产要求，本设计的打瓜挖瓤机体积小，传动效率高。表SEQ表\*ARABIC1直角坐标式循环上瓜机构的设计应满足将打瓜从导轨运送至真空吸盘转位机构处、上瓜机构和真空吸盘式转位机构协调动作这两个基本要求。另根据总体设计要求中直角坐标式运动循环，槽轮转动一周的过程中需要上瓜2次，上瓜机构采用改进摆动凸轮机构，其中杠杆传动对升程应放大一定的倍数。真空吸盘越多，挖瓤机的工作效率就越高，但挖瓤时间也越紧张，根据打瓜的外形轮廓尺寸并结合打瓜挖瓤操作所需的时间等其他因素，本设计选择两个真空吸盘互成180°布置。真空吸盘式转位机构的功能是转动真空吸盘，在转位机构转动时由两个真空吸盘同时夹持打瓜，然后切刀将打瓜切成两个半瓜，将切完的半瓜转位到垂直位置后停留2s以便挖刀完成挖瓤操作，进行瓜瓤分离。与其他机构相比槽轮机构具有转位准确可靠的优点、结构简单。因此，选择采用2圆销一4槽轮机构对挖瓤过程的分析可知，完成挖瓤刀架升降的传动机构应该满足以下几点要求：刀架能实现上下往复直线运动；挖瓤刀刀架升降装置必须与打瓜挖瓤机中其他机构的运动时间和动作协调；刀架在最高位和最低位均有一定时间的停歇，即具有确定时间的双停程；上、下行程和停程的总时间受工作效率及总传动装置的制约，转位机构转一周，升降机构完成两次升降。为此，挖瓤刀升降机构选取平底式直动从动件盘形凸轮机构与改进的杠杆传动结合实现上述功能。3.2上瓜机构设计：上瓜机构采用改进摆动凸轮机构，其中杠杆传动对升程应大一定的倍数。上瓜机构由打瓜托盘架组件、送瓜凸轮、送瓜杠杆、滑套、机架组成，具体结构简图见图1中零件10、11、12、13、14所示。所述的送瓜机构中，当送瓜凸轮转过推程角(0

～

90°)时,从动件打瓜托盘架组件以简谱运动推动瓜上升一定距离（杠杆传动升程乘放大倍数）,完成送瓜过程,当送股瓜凸轮经过回程角（90°～

180°）时，从动件以简谐运动返回初始点，送股瓜转过180°~

360°时,从动件静止不动（近停程）。3.32圆销一4槽轮机构设计：按照表2流程设计，参照本设计的打瓜挖瓤机总体设计要求，计算、选定槽轮机构的具体参数表SEQ表\*ARABIC2槽轮机构的设计计算槽轮机构的运动分析和动力学分析(1)拨盘的角速度和角位移：(2)槽轮角位移、角速度和角加速度3.4真空吸盘装置设计：（1）真空吸盘通过接管与真空发生器接通,然后与待吸取的打瓜接触,启动真空发生器，使真空吸盘内产生负气压，吸取打瓜,开始搬送打瓜。当待打瓜挖瓤工序完成搬送至分离导轨时，真空吸盘开始平稳充气,吸盘内的气压开始由负变成零，真空吸盘开始脱离打瓜皮，打瓜皮掉落至导轨，运往回收装置。一般为了避免物料的表面被划伤,最好选择丁腈橡胶或硅橡胶制成的带有波纹管吸盘,其具有较大的扯断力,因而广泛应用于各种吸持装置。为了确保真空吸盘能正常吸取打瓜,应该考虑一定的安全系数N，且安全系数N应满足公式（1）图2为真空发生器的结构示意图,由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管、负压腔、和接收管等组成,有供气口、排气口和真空口,当供气压力高于阈值时,喷管射出的超声速射流。由于气体的粘性,高速射流卷吸走负压腔内的气体,使该腔形成很低的真空度,在真空口A处粘结真空吸盘,靠真空压力和吸盘吸取物体。1.拉瓦尔喷管2.负压腔3.接收管4.排气口图SEQ图\*ARABIC2真空发生器结构示意图光电开关：光电开关工作原理及工作示意如图3所示图SEQ图\*ARABIC3光电开关工作原理图及工作示意图3.5挖瓤刀架机构设计：挖瓤刀架升降机构选取平底式直动从动件盘形凸轮机构与改进的杠杆传动结合实现上述功能。挖瓤刀架升降机构工作原理，当平底式盘形凸轮转过推程角(0~72°)时，从动件以简谐运动推动挖瓤刀架上升，完成挖瓤刀架上升行程；当平底式盘形凸轮转过远停程角(72°

~

117°

)时，挖瓤刀架停在最高点不动；当平底式盘形凸轮转过回程角(117°

~

180°

)时挖瓤刀架以简谐运动返回初始点；当凸轮转过180°

~

360°时，挖瓤刀架从动件静止在最低点不动(近停程)；完成挖瓤操作[15]。其中平底式盘形凸轮设计（1）确定凸轮转速：拨轮转速是槽轮转速的两倍（2）确定从动件各运动过程对应的凸轮转角：计算近停程、推程、远停程、回程时间。根据上述时间分别计算对应凸轮转角（3）基圆半径的选择：计算刀架行程、确定杠杆放大比、计算从动件行程、查取基圆半径/从动件行程、计算基圆半径。3.6挖瓤刀设计：挖瓤刀主要以主要由挖瓤刀架、刀刃、刀柄、固定刀刃的螺栓组成[16]。现在有很多挖瓤刀专利。挖瓤刀转速位240r/min、挖瓤刀类型为半圆形、挖瓤刀安装角度为15°研究难点：1整机的协调动作，保持各机构的同步协调，需要根据工作过程中的运动要求，制定打瓜挖瓤机的运动循环。2上瓜机构只知道该采用什么机构，具体参数设计，很多文献中并未提到，需要另找文献进行设计。3真空吸盘式转位机构中真空吸盘的设计，需要根据打瓜大小设计，真空发生装置所需要产生的吸力大小。4打瓜切成半瓜产生的打瓜汁是否会影响真空吸盘吸取打瓜，是否会造成打瓜脱落，影响打瓜挖瓤机挖瓤。5真空发生器应该产生多少的负压，才能成功吸取打瓜，并保持较高的成功率。6真空吸盘的直径以及真空吸盘吸持面积的选取会对真空吸盘吸力产生极大的影响。7个别打瓜体积过大、过小，形状奇怪，真空吸盘无法吸取。预期达到的目标能完成打瓜挖瓤机的挖瓤流程——导轨上的打瓜传至上瓜机构处，电动机提供的动力由传动系统传至上瓜机构，上瓜机构完成送瓜动作将打瓜运送到真空吸盘式转位机构，送瓜过程中固定的切刀将打瓜切成两个半瓜。光电开关开启，真空发生器工作，真空吸盘吸取两个半瓜，电动机提供的动力由传动系统传至转位机构，转位机构将半瓜传送至挖瓤刀升降机构下方。电动机提供的动力由传动系统传至挖瓤刀升降机构，升降机构下移，挖瓤刀挖瓤。转位装置将瓜皮、瓜瓤送入分离导轨，进入后续的分离装置。能实现挖瓤工序。各执行机构的运动呈现周期性变化，每隔一定时间，其执行机构顺序完成一次运动，完成一个工作循环。各执行构件的动作按时序要求相互协调，才能正常工作。能完成表1所示的直角坐标式循环图法，打瓜挖瓤机能在四秒内完成两个半瓜的挖瓤预计一小时可以完成900各打瓜的挖瓤工序。实现真空吸盘吸取打瓜成功率98%以上。瓜瓤挖净率达到95%以上，并能实现瓜皮回收在利用。四、论文详细工作进度和安排第七学期第13周完成打瓜挖瓤机中上瓜机构设计第七学期第14周完成打瓜挖瓤机中真空吸盘式转位机构设计第七学期第15周完成打瓜挖瓤机中挖瓤刀升降机构设计第七学期第16周完成打瓜挖瓤机外购件选型设计、总体设计第七学期第17周至18周绘制打瓜挖瓤机中各机构零件图以及整机装配图第七学期第19周完成毕业设计说明书初稿，通过导师审查；第八学期第1周至第8周毕业实习；第八学期第9周至第11周修改毕业设计图纸和论文，形成终稿；第八学期第12周根据指导意见修改毕业设计直至通过指导老师的审查，并在毕业设计系统里提交定稿；第八学期第13周制作答辩PPT，准备毕业设计答辩；第八学期第14周完成毕业设计答辩。五、参考文献：[1]赵多勇,李应彪,翟金兰,姚洪波.籽瓜系列产品的开发现状与存在问题[J].北方园艺,2008(04):100-102.[2]黄晓鹏,同长虹,万芳新.籽瓜挖瓤机设计与试验[J].农业机械学报,2011,42(1):90-94.DOI:10.3969/j.issn.1000-1298.2011.01.020.[3]王旭辉,王卉,山其米克,再吐尼古丽·库尔班,叶凯,涂振东.我国籽瓜的开发现状与研究进展[J].北方园艺,2018(06):149-153.[4]雷金鸣,王立春,冯朝刚.基于EDEM的挖瓤刀仿真分析[J].机械研究与应用,2019,32(4):86-88+99.[5]宋庆阳,同长虹,黄晓鹏.籽瓜挖瓤机刀架升降装置的设计[J].甘肃农业大学学报,2010,45(3):136-139.[6]同长虹,孟刚,李俊文,等.籽瓜挖瓤机中插瓜架的转位机构设计[J].机械研究与应用,2008,21(4):84-86.DOI:10.3969/j.issn.1007-4414.2008.04.035.[7]丁赛飞,熊世磊,王启慧,许家源,黄晓鹏.籽瓜挖瓤机槽轮机构的有限元模态分析[J].机械研究与应用,2020,33(4):74-76.[8]郑成昊,同长虹,周佳仪,杨栋,黄晓鹏.籽瓜挖瓤机真空吸盘式转位机构的设计[J].机械研究与应用,2019,32(1):108-110+113.[9]SuiD,ZhuY,ZhaoS,WangT,AgrawalSK,ZhangH,ZhaoJ.ABioinspiredSoftSwallowingGripperforUniversalAdaptableGrasping.SoftRobot.2020Dec3.doi:10.1089/soro.2019.0106.Epubaheadofprint.PMID:33275516.[10]Moon,DH.,Han,SY.ShapeOptimizationforaSingleValveVacuumChuckUsingTwo-WayFSIAn