【水果自动套袋装置设计9000字（论文）】

水果自动套袋装置设计摘要20世纪90年代以来，水果套袋技术在我国逐步推广。实践证明，果实套袋技术能有效地提高果实生产质量。随着水果套袋技术在越来越多地区的应用，套袋的劳动量和劳动强度也得到了显著提高。套袋机已成为果园机械研究的热点之一。虽然对水果套袋机械的研究还处于起步阶段，但机械化套袋将逐渐取代目前的人工操作是必然的。对水果套袋机关键技术的研究将有助于开发新型水果套袋机，在分析水果套袋机功能需求的基础上，应用图论拓扑理论，设计了套袋机核心工作模块密封机构的结构和配置；建立了密封机构的四个优化指标和功能；然后用VB编制了密封机构的运动学仿真与优化软件；利用虚拟样机对密封机构进行了建模和仿真；结合物理样机实验，验证了密封机构设计的正确性。关键词：零件；设计计算；校核；性能目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 2第一章概论 61.1课题背景以及意义 61.2国内外发展现状 61.2.1国内发展现状 61.2.2国外发展现状 71.3总结 8第二章设计方案 102.1主要设计内容 102.2总体设计方案 102.2.1整体设计方案 102.2.2工作原理 102.3套袋机的主要参数介绍 102.4方案三维结构图 11第三章整体机构设计 123.1送袋机构设计 123.3.1送袋机构的分类 123.3.2挤出机构的设计 123.3.3轴承的选型 133.2挤出机滚花轴的设计 133.2.1轴的设计原则 133.2.2轴的最小直径确定 143.2.3轴的校核 143.3同步带的选型 143.3.1同步带分类 143.3.2同步带带类型 153.3.3确定带轮直径 153.3.4确定中心距 153.3.5确定带数 163.3.6传动比计算 163.4开袋机构的设计 163.4.1选择传动类型 163.4.2强度轴的最小直径 173.4.3自粘圆柱棒的设计 173.5封袋机构的设计 173.5.1加热结构选择 183.6袋子固定机构的设计 19第四章相关续航能力计算 204.1电机选用 204.2电池类型选择 214.1.1锂电池总容量计算 214.2.2续航计算 224.2.3电池仓设计 224.3整体三维 23总结 24参考文献 26概论1.1课题背景以及意义水果产量居我国种植业粮菜第一位。是我国农村经济发展的支柱产业之一，也是增加农民就业和收入的重要途径之一。在许多地区，它已成为农村经济的支柱产业。我国水果资源丰富，其中苹果产量居世界第一，柑橘、梨、桃等水果产量居世界第一。虽然我国水果的种植面积、产量和消费量较过去有了很大的提高，但仍远远不能满足市场对水果的需求。从“量”的角度看，我国水果市场具有很大的发展潜力和空间，居民对新鲜水果和果汁的消费明显低于世界平均水平。在“品质”方面，随着人们生活水平的提高和健康意识的增强，追求优质、健康、无污染的水果逐渐成为时代潮流。无论是国内还是国际市场，消费者都对鲜果的品质提出了更高的要求。它不仅要求内部质量好，外观美观，而且要求无污染。这种日益高端的消费需求使得优质高档水果不仅价格低廉、市场好、经济效益高，而且具有国际竞争力。我国优质果率不到总产量的10%，达到出口标准的优质果率不到5%。当前，积极开展水果市场“质量攻势”，是解决我国水果产业发展瓶颈、迎接市场挑战、提高果农收入的最有效途径之一。由于我国水果生产质量不高，消费者对鲜果质量的要求也越来越高，业内普遍认为实施水果包装可以有效解决这一问题。1.2国内外发展现状1.2.1国内发展现状20世纪70年代初，日本、韩国、美国等国首次将水果套袋技术应用于果园生产。到目前为止，国际上对这项技术仍在不断地探索和研究。现代水果套袋技术在我国只有20多年的生产历史。然而，经过果农的不断尝试和果园科技工作者的大胆改进和创新，套袋技术取得了很大进步。目前生产中常用的水果袋有两种：塑料薄膜袋和纸袋。根据水果袋的不同用途，套袋技术分为塑料薄膜套袋技术和纸袋套袋技术。20世纪90年代以来，国内水果产销持续增长。为了提高水果的品质和效益，许多地方开始采用坐果技术。在研究和推广塑料薄膜套袋技术方面，广大果农和果园科技工作者做出了巨大贡献，苹果成为塑料薄膜套袋技术的先驱。由于我国水果生产质量不高，消费者对鲜果质量的要求也越来越高，业内普遍认为实施水果包装可以有效解决这一问题。为了防止苹果腐烂，巴县农民较早地进行了苹果地膜套袋试验。当时使用的是市场上销售的普通塑料袋，但套袋后，果实锈病、煤炭污染更加严重，还出现了积水、开裂、果面粗糙等新问题。随后，一些果农在用微膜袋包装红星、红富士等苹果时，将袋底的一角切掉或在袋上打个洞，逐渐找出塑料薄膜套袋的要点。它们利用塑料薄膜袋对果实进行保护，成功地避开了8月份的虫害高峰期，使果实表面光洁、色泽好，因此受到越来越多的关注。为了防止害虫的发生，国内一些果农开始采用旧报纸套袋。随后，为了防止水果锈病，一些水果产区开始大规模使用纸袋进行水果栽培，并取得了良好的效果。20世纪90年代以来，水果市场的竞争日趋激烈。消费者对水果的品质要求越来越高。市场也需要美观无公害的水果，因此水果包装技术在国内不断兴起。果皮技术是果园生产中不可缺少的技术，也是果园科技研究的热点之一。由于水果套袋技术在越来越多的领域得到应用，其劳动量和劳动强度都有很大的提高，这已成为制约水果套袋技术应用的障碍之一。1.2.2国外发展现状国外对制袋机的研究较少。日本、美国等科技大国正在研制大型多功能智能机器人，而装袋只是其功能之一。由于人口少，劳动力短缺，日本的农机研究领先于中国。日本冈山大学农学院研制的多功能葡萄架栽培采摘机器人[50-10]。葡萄套袋完成后，更换末端执行器即可完成疏果、修剪、喷洒等功能。机械手安装在自行式小车上，机械手末端是可更换的执行机构和视觉传感器。由机械手和弹簧完成支撑袋动作。由于美国的农场规模大，劳动力少，很难像中国那样用大袋打害虫、提高销量。由于其技术先进，在脐橙、苹果等水果上喷涂一层类似白色涂层的可降解液膜，减少水果上的晒伤和病斑。液膜喷涂方便、高效。在美国的农场里经常使用。为了提高水果品质，美国农场采用宽行距、低密度种植，最新的苹果种植采用V型架栽，透光率和透气性达到规定要求。建立了智能水肥物化灌溉系统，农民可根据实际情况随时调整施肥方案。此外，美国完善的水果加工销售网络不仅保证了果农的合理收入，而且增强了美国水果在国际市场上的影响力。国外对制袋机的研究较少。日本、美国等科技大国正在研制大型多功能智能机器人，而装袋只是其功能之一。由于人口少，劳动力短缺，日本的农机研究领先于中国。日本冈山大学农学院研制的多功能葡萄架栽培采摘机器人[50-10]。葡萄套袋完成后，更换末端执行器即可完成疏果、修剪、喷洒等功能。机械手安装在自行式小车上，机械手末端是可更换的执行机构和视觉传感器。由机械手和弹簧完成支撑袋动作。由于美国的农场规模大，劳动力少，很难像中国那样用大袋打害虫、提高销量。由于其技术先进，在脐橙、苹果等水果上喷涂一层类似白色涂层的可降解液膜，减少水果上的晒伤和病斑。液膜喷涂方便、高效。在美国的农场里经常使用。为了提高水果品质，美国农场采用宽行距、低密度种植，最新的苹果种植采用V型架栽，透光率和透气性达到规定要求。建立了智能水肥物化灌溉系统，农民可根据实际情况随时调整施肥方案。此外，美国完善的水果加工销售网络不仅保证了果农的合理收入，而且增强了美国水果在国际市场上的影响力。1.3总结第二个小结：受手工包工作量大、劳动力严重短缺的影响，手工包日均成本可达3000包，每包成本约4分钱。为了大规模推广，制袋机的速度必须至少是手动制袋机的两倍。同时，袋的成本也不能太高（个别袋机专用）。在中国，果农首先要考虑的是成本，不仅是生产成本，还有包装成本。目前，封口技术是制约制袋机发展的主要问题。普通工人装袋虽然费时费力，但封口牢固，基本满足封口要求。套袋机经常出现封口松、果柄烫伤等现象。它还需要人工检查，而且套袋作业时间增加，对果袋的效率影响很大，增加了使用成本。另外，由于幼果的高度、大小和密度不同，在封袋机上很难实现高效率。由于机械结构技术成熟，可以加大对密封机理的研究，重点开发适合幼果的密封装置，重点解决果柄上的套袋问题。尽最大努力确保密封完成，不会损坏水果。第二个小结：受手工包工作量大、劳动力严重短缺的影响，手工包日均成本可达3000包，每包成本约4分钱。为了大规模推广，制袋机的速度必须至少是手动制袋机的两倍。同时，袋的成本也不能太高（个别袋机专用）。在中国，果农首先要考虑的是成本，不仅是生产成本，还有包装成本。目前，封口技术是制约制袋机发展的主要问题。普通工人装袋虽然费时费力，但封口牢固，基本满足封口要求。套袋机经常出现封口松、果柄烫伤等现象。它还需要人工检查，而且套袋作业时间增加，对果袋的效率影响很大，增加了使用成本。另外，由于幼果的高度、大小和密度不同，在封袋机上很难实现高效率。由于机械结构技术成熟，可以加大对密封机理的研究，重点开发适合幼果的密封装置，重点解决果柄上的套袋问题。尽最大努力确保密封完成，不会损坏水果。设计方案2.1主要设计内容(1)实现便携功能(2)实现价格成本低(3)设计套袋机袋子的传送机构(4)设计套袋机的开袋机构(5)设计套袋机的封袋机构设计2.2总体设计方案2.2.1整体设计方案整体的设计方案为：从头到尾的设计顺序是先设计套袋机的送带机构/开袋机构/封袋机构等。其中送袋机构需要保证袋子的输送距离，开袋机构需要有效的开袋，封袋机构需要包装袋子的有效密封性。2.2.2工作原理第一步：送袋机构工作，通过同步带结构，把电机的里传送到挤出轮上，挤出轮工作，把袋子输送出去，第二部，通过电机控制开袋机构，开袋机构配有活动板，上面有自粘式胶棒，通过电机控制活动板开合，把自粘式的胶棒，粘在袋子上，然后活动板打开，袋子打开，第三步，套好幼果后，按下开关，封袋机构运作，通过电机控制活动板，两侧活动板配有加热片，加热袋子，起到封口作用。然后重复以上的动作持续工作。2.3套袋机的主要参数介绍外形尺寸参数（长/宽/高）mm：435mm*267mm*220mm电动机动力参数：5（W）传动方式参数：带传动开袋间距参数：139（mm）杆子长度：2000mm2.4方案三维结构图整体机构设计3.1送袋机构设计3.3.1送袋机构的分类一般来说，输送机构分为：带式结构输送/链条输送/机械手输送/挤出输送。（1）传送带结构包括：1、输送能力大，可连续不间断地输送物料，也可在运输过程中不停车装卸，不因空载而中断运输。在起动和制动不频繁的情况下，可采用高速运行。其运输设备的连续高速运输能力无法与之相比。二是结构简单。带式输送机也可按一定的线路范围设置和输送物料，动作单一，结构紧凑，重量轻，成本低，负荷均匀，速度稳定，耗电量变化小。在同等条件下，带式输送机的功率需求一般较小。三是长途运输。多台单机串联不仅可以增加单机的长度，而且可以增加输电线路的距离。（2）链传动的优点：输送带是由链条驱动的，通常小轴由链条驱动，然后带动皮带运转。网带由连杆滚动，左右网条成两条线与大网条连接，大网条穿过小轴，小轴的两端穿过链孔，从而达到链条驱动网带的目的。链条传动平稳，传动扭矩小。网带表面光滑，通孔均匀，标准链传动，运转平稳，无跑偏，承载力强，拉伸性能好，易于清洗和维护。（3）机器人传动的优点：机械臂传动具有精度高、速度快等优点，但其造价昂贵、结构庞大。（4）挤压运输的优点：挤压输送具有体积小、结构简单、制造方便、价格低廉等优点。3.3.2挤出机构的设计本次设计的挤出立构为滚筒式基础机构的结构，带有滚花的形状，可以有效的防止袋子在挤出的过程中出现打滑的情况。整体的结构尺寸为：直径14mm高度39.5mm和30mm两种，结构形状如图3-1滚花轮外形图所示。图3-1滚花轮外形图3.3.3轴承的选型（1）轴承的分类这轴承可分为：滑动轴承/关节轴承/滚动轴承//深沟球轴承//角接触球轴承/调心球轴承/推力球轴承/双向推力角接触球轴承/推力滚子轴承/滚针轴承/外球面球轴承/调心球轴承/法兰轴承/带座/组合轴承/直线轴承（2）确定轴承类型本次设计所设计的轴直径为：5mm，所以选择nsk-686zz类型的轴承，轴承的尺寸规格为：6mm*13*5。如图3-2轴承所示：图3-2轴承3.2挤出机滚花轴的设计3.2.1轴的设计原则设计轴的时时候需要考虑轴的使用情况，以及轴上的零件安装情况，主要考虑轴的基金结构性能，材料选择以及轴的强度/刚度。而轴的设计要求是：设计的轴需要保证轴的强度刚度，只要达到要求才能防止轴在使用过程中断裂变形，而且轴加工方便，装配也方便。3.2.2轴的最小直径确定据查参考文献[19]公式（15-2）初步确定轴的最小直径，选取轴的材料为45钢，调质处理。轴的扭转强度条件为：式中：—扭转切应力，单位为MPa；T—轴所受的扭矩，N·mm；WT—轴的抗扭截面系数，mm3；d—计算截面处的直径，单位为mm；—许用扭转切应力，单位为MPa；由上式可得轴的直径其中P=5w，n=4000r/min。可以知晓轴的最小直径需大于4.4mm。3.2.3轴的校核(1)计算扭矩已知主轴输出功率为P=5w，传动轴转速n=4000r/min根据参考文献[23]公式（3.1）外力偶距的计算公式，=5.6N.M3.3同步带的选型3.3.1同步带分类传动带可分为三角带、同步带(齿形带、时规带)、平带(片基带、龙带)、农用机带、高速防油带、圆形带、扁形带、塔带(广角带)、变速带、摩托车变速带、V型带、平行带、多沟带、六角带、活络带、牵引带、汽车带等。SPA,SPB,SPc,SPz三种高速防油三角带主要型号有：SPA,SPB,SPC,SPz,3V,5V,8V等。高速防油V带。一般三角带：主要型号有：A(13*8),B(17*11),C(22*14),D(32*20),Y(6*4),Z(10*6),K,M,o,5(5*3),8(8*5),20(20*12.5)。齿形三角带的主要型号有：AX,BX,CX,DX,YX,ZX,8X,XPA,XPB,XPC,XPZ,3vx,5vx,8VX等。三联三角带：A,B,C,D,SPA,SPB,SPC,SPZ,3V,5v,8v,3VX,5VX,8VX,8VX。3.3.2同步带带类型已知Pca=5W*n1，从参考文献[19]《机械设计》的这本书中的图8-10选取齿形带3.3.3确定带轮直径（一）根据参考文献[19]公式（8-20），初定中心距a08（二）计算相应的带长Ld0L查参考文献[19]表8-2，选择带的基准长度Ld3.3.4确定中心距式中：KaP0—单根普通V带的基本额定功率取0.31∆P0—单根普通V带额定功率的增量取0.03；KL则：z=0.963.3.5确定带数我们一般都知道V带轮中轮缘、轮辐组成，其实还有轮毂。（1）实心式轮。（2）腹板式轮。（3）孔板式轮。其中椭圆轮辐皮带轮是各类同步带的经典结构，应根据同步带轮辐结构加以区分。根据不同的直径（同步滑轮基准），需要注意传动效率和制造成本是否能满足要求。我们需要根据实际情况选择不同的结构类型。一般来说，当直径为实心时，D为滑轮的根轴直径，还有一种情况。所以这个设计使用了两个同步带3.3.6传动比计算假设动力源的行走速度为3.6km/h。通过单位换算为1m/s，行走轮的直径为420mm，通过公式计算动力源的转速为：式中：v—行走轮的行驶速度d—行走轮的直径经计算得N=3500r/m根据设计的要求，传动轴直径的转速需要相等，所以动力源与挤出机构的传动比为1：1.2。3.4开袋机构的设计3.4.1选择传动类型本次设计开袋机构时，选取了丝杆电机配合直线光轴的结构类型，因为开袋机构的活动板中心点偏离过大，所以采用的这种结构形式的传动类型，可以保证传送的稳定性以及整体的结构强度。而且在活动板上固定了开袋机构的自粘式圆柱棒，此自粘式圆柱棒作为消耗品可以进行跟换的。3.4.2强度轴的最小直径据查参考文献[19]公式（15-2）初步确定轴的最小直径，选取轴的材料为45钢，调质处理。轴的扭转强度条件为：式中：—扭转切应力，单位为MPa；T—轴所受的扭矩，N·mm；WT—轴的抗扭截面系数，mm3；d—计算截面处的直径，单位为mm；—许用扭转切应力，单位为MPa；由上式可得轴的直径其中P=5w，n=3000r/min。可以知晓轴的最小直径需大于7.23mm。故选取轴的直径为8mm.3.4.3自粘圆柱棒的设计在考虑到自粘圆柱棒作为消耗品需要定期跟换，所以设计的时候采用的式在自粘式的圆柱棒上设计粘贴3M胶作为消耗品，自粘胶片需要设计相应的尺寸，来符合本次的设计。本次设计的为：直径25mm的3M胶。3.5封袋机构的设计本次设计封袋机构时，选取了丝杆电机配合直线光轴的结构类型，因为封袋机构的活动板中心点偏离过大，所以采用的这种结构形式的传动类型，可以保证传送的稳定性以及整体的结构强度。而且在活动板上固定了封袋机构的加热棒机构，来起到封袋作用。3.5.1加热结构选择市场上的封口机主要有三种：手动、全自动和半自动。其特点如下。手工包装机是一种需要人工操作才能封口的机器。它的工作效果会受到操作者的影响。手动包装机在手动操作时，由于压力不均，密封部分会产生偏移，密封量差，质量难以保证。包装好的食品在运输过程中可能受到挤压而泄漏。半自动封口机的效果比手动封口机要突出得多，特别是在产品封口效果、机器操作性、封口速度等方面，半自动封口机的体积相对较小，由于这些优点，在食品、食品、食品、食品等诸多领域得到了广泛的应用，但半自动封口机仍依靠人工操作。自动封口机完全不需要人工操作，依靠预先设定的指令连续工作。因为全自动封口机完全是机械操作，可以保证包装的受力均匀，所以封口性能非常好，无论是在封口性能、包装速度，还是封口质量上，全自动封口机都非常适合这种结构。设计结果如图3-3所示。图3-3封袋机构3.6袋子固定机构的设计本次设计的袋子采用的是桶类的结构，袋子为一卷的结构，所以在使用的时候就需要有个固定的地方，所以本次所设计的袋子固定结构如图3-4袋子固定装置所示：图3-4袋子固定装置相关续航能力计算4.1电机选用根据总合和考虑情况下以及实际调查情况下，设备的使用环境一般为农场以及果园，而且根据国家政策或者使用经济性来说，电是采用12-36v的电压的（或者电瓶是用逆变器转换成72v的），所以电机基本就选用12v供电就行，从设备本身来说，他主要就是用来提供封袋机的动力的，不需要多大的扭力以及动力，所以选择的电机一般常见的12V电机就行了。根据设计要求以及相关技术要求，本次设计主要选择的是以NEMA17电机作为本次设计的动力源，而42系列的电机具有的优点为以下几点：防尘/防杂物/实用性广。产生的噪音小/震动小电机体积小适合各种场所使用。效率高。可长时间运行，不易损坏。安装以及维修保养方便。这款电机通常使用在这小型的这一类设备上的比较多，所以综合考虑，本次设计就采用42系列的电动机作为封袋机的动力源。查找相关的参考文献《机械设计课程设计手册》表中的12-16，本次的设计选择42系列的步进电机他的型号是：NEMA17-42。NEMA17-42技术的具体参数如表3-1所示，因为根据设计要求中主轴转速需要达到4000r/min，而且查找相关文献中记载同步带轮传动的最佳传动比为1-2。在根据技术性能要求来说，主要选择一款不低于所需额定功率的电动机就行，所以本次设计采用NEMA17-42的小概率电动机，这样就可以满足设计的要求。电机如图9-9所示表3-1型号NEMA17-42电压12V功率5W同步转速4000r/min频率50HZ效率68%功率因数0.12外形尺寸42*42*42电动机的安装方式螺丝孔固定图3-9电机图片4.2电池类型选择18650是锂离子电池的鼻祖--日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号,其中18表示直径为18mm,65表示长度为65mm,0表示为圆柱形电池。本次选取的为18650锂电池，容量为6800ha，每组3节3.7V，一共3组，已知电机功率为5W4.1.1锂电池总容量计算每组锂电池容量为W=VxA3.7Vx20400=75.48（W）其中电机供电为48V，也就是说需要4组4528.8W锂电池串联，根据串联的定律，电压相加，容量不变的原则，本次设计的供电系统电压为12V75.48W,A=W/100754.8/5=15(A)4.2.2续航计算续航里程=电瓶的供电能力(电压x容量)+电机功率(W)*时速。轮椅续行里程与电池电压、电流有关系,还和电机类型、额定功率、输出效率、负荷量等有关系。按12V15A电池5W电机计算,续行里程等于=12/(5W/12V/15A)*80%*5小时/小时5小时。也就是说,如果在正常条件下使用的话,电机效率可达80%,那么,可以续行5小时左右。如图3-11所示锂电池组图3-11锂电池组4.2.3电池仓设计设计3组锂电池的电池仓在下背包里面，电池我外壳采用ABS塑料注塑而成，然后螺丝拧紧外壳，ABS电池仓外壳，采用背包，背在身上就行4.3整体三维总结通过本次的毕业设计，使我能够对大学四年的书本知识有了更进一步的了解与学习，对于所需资料的查询与合理的应用有了更加深入地体会，本次进行的便携式幼果自动包装机毕设设计让我明白了书本上的知识需要结合实际才是对自身学习的验证，只读书不进行实际操作那就只是纸上谈兵。同时，我也对自动化技术的应用有了更深刻的认识，自动化技术广泛应用于人们的日常生活与生产活动，通过自动化技术能够极大地减轻人们的工作负担，提高生产效率，规范生产流程，极大地促进生产资源的进一步开发利用，使我们的物质生活水平不断提高。本次设计主要实现了以下功能：1、可以实现袋子自动进行输送的功能，不再需要人工装袋。2、可以实现袋子的打开功能，不在需要人工打开。3、可以实现袋子的封袋功能，不需要人工封袋。本次的设计大大地提高了生产的效率,工人的安全以及幼果的打包速度也得到了不同程度地提升，相应的保障能够让使用者得到心理上的一种放心，降低了中小农厂企业的成本，提高了企业利润。对于本次的设计中还带有相应的不足，