开题报告-脐橙分级机结构设计

课题名称脐橙分级机机构设计学生姓名学号学院年级专业指导教师2021年11月24日一、课题的来源、目的、意义（包括应用前景）、国内外现状及水平1.1课题来源脐橙营养丰富,口味甘甜,是典型的药食两用水果。我国是脐橙种植大国,种植面积和产量均位居世界前列。我国90%以上的脐橙果实用于鲜食,对其进行分级可提高柑橘附加价值,这一消费结构推动了脐橙分级向着自动化的方向发展。目前,我国主要的脐橙种植者是个体农户,受限于分级设备的大型化,不能适用于脐橙现场分级和转场作业的分级需求,分级方式仍以人工手动分级为主;另外很多小型农户主要以人工分选为主,人工分选不准确性和分级作弊等问题会影响分选品质保证。根据现代农业的要求,水果将逐步实现产地分级,以便快速分类处理,分级机械能实现自动分级,为后续包装做好准备。1.2课题目的、意义（包括应用前景）我国是脐橙种植大国，随着人们对于脐橙的需求越来越大，促成了脐橙产业的形成，市场对于高精度的脐橙分级机的需求也越来越大，急需设计出精度效率较高的脐橙分级机，从而提高脐橙产品的的竞争力，开拓国外市场，增加果农的收益。脐橙的产后商品化处理有多个步骤，分级是其中关键的环节，分级技术国外已经较为成熟，最近几年在国内发生了较大的变化，但与其它环节如清洗、打蜡、包装等环节相比，还处于落后状态，许多方面处于理论研究状态，未能实际应用：分级是脐橙进入流通的第一个环节，具有很重要的作用，脐橙在生长发育过程中受到外界多种因素的影响，因此检测脐橙的外部或内部品质是一个比较复杂的分析过程，对脐橙进行快速、准确的分级，对于提高脐橙的附加值有着关键的意义。分级的标准主要有外部品质和内部品质两个指标，外部品质主要是大小、颜色、形状、表面缺陷等参数，内部品质主要是糖度、酸度、坚实度等参数。国外早在上世纪80年代就开始了水果分级的研究，上世纪90年代后已经实现了应用。尽管如此，由于国外的设备较为昂贵，因此国内很少有购买此类设备的例子。因此研制出价格低廉的脐橙分机装置在国内市场上具有很大的前途。国内的研究相对较为落后，目前国内的分级技术较为成熟的是在脐橙的外部品质分级方面，而对于消费者最重要的内部品质方面的研究近几年也发展很快。发展出能同时检测脐橙内部和外部品质的水果分级装置的意义是显而易见的。1.3国内外现状及水平1.3.1国外分级机构的发展现状依照CCD相机，应用计算机分析等技术条件对每一个水果进行检测，同时得到客观的结论在分级，这是国外应用较早的技术手段。机器的视觉技术在农产品内部品质的探测的应用，正成为国内外竞相研究热门课题。现在的一些光学的检测手段正在应用到水果的品质检验当中去，这些检测技术连同信息的处理技术正在为水果的检测提供便捷。人工神经网络技术是模仿生物大脑结构和功能而构成的信息处理技术，在机器视觉系统中应用可以提高品质识别的智能性。德国发明的分级机机构，其分级的精度是非常高的，并且其紧凑的结构的设计，可以有效地减少果实损伤的几率，其核心技术是应用了一种先进的测量仪器，并且此种机构把水果的商品化的工艺缩短了近一半的时间。美国Autoline公司的水果分级设备在世界上处于领先地位，其产品已经系列化(5个型号)，能够按照重量、颜色、形状分级，传送通道可以多达9道，出口可达60个，每道的最高传送速率为12个/秒，其传输系统可以容纳不同尺寸的水果，其视觉系统采用两架单色相机，能计算出水果的三维尺寸。西班牙Aleixos使用多光谱相机检测相橘，图像在两块DSR中并行运算，颜色识别正确率达94%,由于损伤处和正常处的热辐射不同，用热红外线图像对损伤的判别准确率达100%，实验证明，在损伤后30-180s时，擦伤处和正常处至少有1-20度温差，但热红外线图像必须在环境温度变化下才可以检测。ltaly-001-A型分级机是一种先进的分级机构，能够按照果实的大小进行很好的分类处理，其核心的部件就是一条传送带，其上面有很多的孔，其网眼中的孔径是无级变化的，网眼在最左边时，孔径最小，传送带向右运行时，网眼孔径也就随之增大，到达最右边时，孔径最大。当传送带从下端向回运行时，网眼孔又由大变小。就是说，传送带上的网眼孔径就像照相机的快门那样，随着传送带的运行方向不同，可以由小变大或由大变小。果实最先落在传送带左边时，小的果实漏下来，随着传送带的向右运行，大的果实开始落下，这样就将果实由小到大进行了多级分级。美国Kavdir等使用神经网络算法对相橘进行分级，把缺陷和物理特征作为神经网络分类器的输入参数，对橙子，袖子分级的准确率为98.5%，利用ANN的泛化功能，对橙子的彩色RGB图像，结合颜色和果形分析，获得鲁棒性，实时性的分类结果。日本三菱电器公司研制的水果成熟度分级机，是利用传感器综合测出梨的表面颜色、对特定光的透光率、形状和大小，并与事先贮存在计算机中的优良梨的数据进行对比，推算出成熟度和含糖量，但是大小分级是其基础。1.3.2国内分级机构的发展现状我国是世界水果生产消费大国，但还不是水果加工强国。水果的品质还难以完全满足国内外消费者的要求，水果市场主要还在国内。随着我国加入WTO，水果生产销售面临着激烈的全球市场竞争，因此必须尽快提升我国水果种植和加工的水平，缩短与国外的差距。近几十年来，我国的水果加工水平提高缓慢，主要是我国的水果机械加工技术水平落后造成的。20世纪50年代以前，我国几乎没有食品机械工业，更不用说水果加工。水果的生产加工主要以手工操作为主，基本属于传统作坊生产方式。仅在沿海一些大城市有少量工业化生产方式的水果加工厂，所用设备几乎是国外设备。进入20世纪50～70年代，水果加工业及水果机械行业得到一定的发展，全国各地新建了一大批水果加工工厂。但这样依然没有从根本上改变水果加工落后的面貌，这些加工厂尚处于半机械半手工的生产方式，机械加工仅用于一些主要的工序中，而其他生产工序仍沿用传统的手工操作方式。到了20世纪80年代以后，水果工业发展迅速。这得益于80年代以后的改革开放政策。随着外资的引入，出现很多独资、合资等形式的外商水果加工企业。这些企业在将先进的水果生产技术引进国内的同时，也将大量先进的水果机械带入国内。再加上社会对水果加工质量、品种、数量要求的不断提高，极大地推进了我国水果工业以及水果机械制造业的发展。通过消化吸收国外先进的水果机械技术，使我国的水果机械工业的发展水平得到很大提高。20世纪80年代中期，我国水果工业实现了机械化和自动化。进入20世纪90年代以后，又进行了新一轮的技术改造工程。在这一轮的技术改造工程中，许多水果加工厂对设备进行了更新换代，或直接引进全套的国外先进设备，或采用国内厂家消化吸收生产出的新型机械设备。经过两轮的技术改造工程，极大推进了我国水果机械工业的发展，水果机械工业现已形成门类齐全、品种配套的产业，已经为机械工业中的重要产业之一。分级技术在我国大体可分为引进、消化、吸收三个阶段，80年代以前是主要以引进为主，国内的分级技术的研究几乎为零；随着技术的进步，我国制造业逐步发展成熟，同时国内开始意识到了分级机构在农业生产中的重要性，逐步的引进国外的生产设备，同时国内的一些机构或者企业开始学习研究国外的技术，经过具体的测绘分析，对于分级技术的认识有了一个飞跃的发展，90年代以后，根据市场对分级机构性能的要求的提高看，于此同时国内对于此种技术的研究已经积累了相当的经验，开发出了许多自主知识产权的产品。但尽管如此，与发达国家相比，中国目前在分级领域仍然存在大型设备不足、工艺控制技术落后、磨耗和单位产品能耗偏高、特殊粒形的生产工艺和设备落后等问题。在近几十年水果分级研究中，我们已经积累了足够经验，并且可以说硕果累累，许多产品性能指标已经赶超国外很多产品。水果分级机器人的研究成功，将有利于改变国产水果和农产品的外观质量较差，同一批产品中良莠不齐，混等混级等现状。若以我国苹果产量的50%(约3000万吨)通过自动分级处理来说，每公斤大概可以增值0.2元，那么总量即能够增值6亿元。可想而知，这对提高我国水果的品质，增强参与国际竞争的能力，并大大降低工人的劳动强度，具有重要的理论意义和实际意义，并能创造巨大的经济效益和社会效益。1.4参考文献[1]杨松夏,陆华忠,吕恩利,许锦锋.球形水果机械式大小分级技术研究现状[J].农机化研究,2012,34(08):235-239.[2]翟步金,徐惠荣,王剑平.自由托盘输送水果分级执行机构仿真优化分析[J].江苏大学学报(自然科学版),2016,37(01):49-54.[3]任杰,李婷婷.基于PLC的水果大小连续分级设备设计[J].机械工程与自动化,2015(06):100-101.[4]吕怡秋,杨叶.我国果园机械采摘与分级研究进展[J].农村实用技术,2020(10):107-108.[5]周雪青,张晓文,邹岚,解新创.水果自动检测分级设备的研究现状和展望[J].农业技术与装备,2013(02):9-11.[6]杨再雄,吴恋,左建,王柳,张麒.基于人工智能的农产水果分级检测技术综述[J].科技创新与应用,2021,11(22):41-43.[7]田有文,吴伟,卢时铅,邓寒冰.深度学习在水果品质检测与分级分类中的应用[J].食品科学,2021,42(19):260-270.[8]王利平,陈恒,王团部.基于红外热波无损伤检测技术的水果分级研究[J].激光杂志,2018,39(07):59-62.[9]乔陆,陈静.基于SOPC水果分级检测系统研究[J].食品与机械,2016,32(08):95-97+201.[10]陈斌.浅谈水果品质智能化实时检测和分级系统[J].南方农机,2018,49(09):81.[11]周丽琴.便携式电动水果采摘分级装置的设计[J].农业科技与装备,2018(02):15-16+20.[12]高珏,殷蓉,朱培逸,陈飞.LabVIEW在球形水果分级中的应用[J].中国农机化学报,2014,35(06):180-182.[12]江平.Pro/ENGINEER帮助水果分级卸料装置优化设计[J].CAD/CAM与制造业信息化,2009(11):70-71.[13]张志龙.基于计算机视觉的水果分级方法研究[D].贵州财经大学,2020.[14]王干.车载式脐橙采后分级设备的研究[D].江苏大学,2018.[15]王宇杰.基于机器视觉的水果分级系统设计[J].包装工程,2021,42(03):235-239.DOI:10.19554/ki.1001-3563.2021.03.033.[16]李承龙,鲁明丽.基于边缘检测技术的果品分级方法研究[J].常熟理工学院学报,2018,32(02):78-82.DOI:10.16101/32-1749/z.2018.02.017.[17]谢静.基于计算机视觉的苹果自动分级方法研究[D].安徽农业大学,2011.[18]DiKangetal.DesignandAnalysisofFruitGradingMachine[J].InternationalCoreJournalofEngineering,2020,6(4):13-17.[19]S.MangarajandRKPajnoo.DesignandDevelopmentofaHighCapacityMultiFruitGraderforCommercialApplications[J].AgriculturalEngineeringToday,2019,43(1):11-19.[20]XiaoRongZhou.MechanismStudyontheGradingofthe5BF-3FruitsGradingMachine[J].AdvancedMaterialsResearch,2012,1700(490-495):233-237.

二、课题研究的主要内容、研究方法或工程技术方案和准备采取的措施2.1课题研究的主要内容1）脐橙分级机机构方案设计；2）脐橙分级机机构结构设计；3）分级机构设计计算和结构优化。2.2研究方法或工程技术方案（1）锥辊式分级机构锥辊式分级装置采用的是一对相对转动的锥形辊，如图，橙子在两锥形棍的带动下不停地上升和下落，同时，橙子在重力和上端橙子对其侧向挤压力的共同作用下沿锥形向下移动，直至两锥形的间隙大于橙子的直径时，橙子通过间隙落下。（2）圆孔筛分级机构图2.2是圆孔筛分级原理图，该圆孔筛与水平线的夹角为

a。筛孔由右往左逐渐变大，橙子在重力和离心力的共同作用下沿筛壁下滑并通过合适的孔口落下。该圆孔筛的转速范围为：（3）栅条滚筒式分级机构如图所示，筛分部分由三段滚筒组成，每段滚筒的栅条间隙不同，第一级到第三级栅条的间隙逐渐增大。橙子在筛筒内轴向随着滚筒一起做圆周运动；轴与橙子具有弹性而且筛筒与水平面有一定的夹角所以作曲线或直线运动。当橙子到达筛筒时，厚度尺寸小的橙子在离心力的作用下从第一级被分离出来，厚度尺寸大的橙子在滚筒的带动下运动到下一级继续筛选，如此重复直到第四级橙子从侧面分出为止。2.3核心问题及准备采取的措施前两种方案都存在着一些缺陷，比如说锥辊式的分级效果不好，因为：果实大量喂入时，上层的橙子无法及时地与下层橙子进行交换，造成前一级橙子在后一级甚至后几级才被分离出去，出现分级混杂、混级率增大现象。由于大多橙子是椭圆形的，这些橙子在下滑的时候，会因为下滚姿态的不同而在不同的位置下落，从而造成分级误差。圆孔筛式也存在着一个致命的缺点：在机构工作过程中，如果放入太多的橙子，就很有可能把筛孔堵塞，导致工作效率低下。栅条滚筒式的相对而言工作效果会好很多，虽然也会因为橙子形状的问题使分级出现误差，但其结构简单工作效率高，实用价值远高于前两种方案。三、现有基础和具备的条件3.1现有基础主要具备分级机构的机械结构设计，例如滚筒结构，锥辊设计；理论力学的基础知识掌握和了解；伺服系统设计，例如电动机的设计选型；CAD、solidworks等软件的使用技巧。3.2具备的条件1