菠萝削皮机设计.docx
《菠萝削皮机设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《菠萝削皮机设计.docx（40页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
编码
2017-JXSJ
专业代码
080202-193
本科毕业设计
菠萝削皮机设计
学院
机械工程学院
专业
机械设计制造及其自动化
学号
4113010533
学生姓名
薛帅
指导教师
孟华
提交日期
2017年5月10日
诚信承诺书
本人郑重承诺和声明:
我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,此毕业设计中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。
毕业设计作者签名：
年月日
摘要
本设计一种小型菠萝削皮机，由电动机为动力源，采用正-停-反控制电路以实现菠萝削皮。
本机器使用齿轮减速机构，丝杠和刀具等切削部件，同时设计了一个方便上料的卡盘作为菠萝夹具，而且该卡盘可以有一定的退让效果，能使刀具绕过难以切削的部分。
本设计计算、校核了轴的各项数据，计算了齿轮的各项参数，设计了控制电路，绘制出了整机的装配图。
本设计目的为：
在“一果一上料”间歇工作前提下，实现菠萝削皮的机械化，代替小批量加工者手动劳动，操作简便，实用性强，可以很好的提高生产效率。
关键词：
菠萝削皮;齿轮传动;丝杠;电气控制;间歇工作
Abstract
Thisisthedesignofasmallpineapplepeelingmachine,themainsourceofpowercomesfromthemotor.Itusesarunandstoprelaycircuittoefficientlypeelpineapples.Themachineworksbyusingcuttingtoolsthatarepoweredbythegearstoswiftlypeelpineapples.Themachineisalsodesignedtohaveamechanismthatfeedsinchunksofpineappletomaketheprocessworkadequately.Thecuttingtoolcanalsoprovidemoreadvancedmaneuversthatcouldmakehardercutseasilyaccessible.Thepineapplepeelingmachineworksbycalculatingthedataofpineapple.Itusessmartcameratechnologytocalculatethepineapple’ssize,shape,andtheaxisofhowthepineapplesarebeingplacedin.That’snotallaboutthismachine,thismachinecanbeusedonmanytypesoffruits.Thedesignofthismachineistohelpbygreatlyloweringtheneedofmanuallabor.Thismachineiseasytooperate,itwouldalsobeverycostefficient,andwouldgreatlyimproveproductionefficiency.
Keywords:
Pineapplepeeling;geardrive;screw;electricalcontrol;intermittentwork
目录
1引言 1
2.菠萝削皮机的研究现状 2
2.1手动去皮 2
2.2机械加工去皮 3
3.菠萝去皮机的设计与校核 6
3.1菠萝的各项数据 6
3.2菠萝削皮机的方案确定 6
3.3刀具设计 7
3.4计算与校核 7
3.4.1螺旋副 7
3.4.2传动系统 12
3.4.3电动机功率计算和电机选择 14
3.4.4齿轮设计校核 14
3.4.5联轴器的选用 21
3.4.6轴的设计计算 22
3.4.7轴承的校核 28
4.电气控制原理阐述和电气原理图 30
结论 31
心得体会 错误!
未定义书签。
致谢 33
参考资料 34
III
商丘工学院本科毕业设计
1引言
菠萝在生活中为人们所喜爱，不仅因为它外形独特味道甜美，更因为它富含A、B、C等多种维生素，还有钙、磷、菠萝酶等多种对人体有益的成分。
中医认为，菠萝可以健胃、去热、解暑、加快酒精代谢。
而现代医学也证明了适量食用菠萝对高血压、肾炎患者有益。
菠萝有这么多的优点，却需要削皮食用或加工，而菠萝的外皮构成比较复杂，除了硬质表皮包裹，在表面还均匀分布有深深的果眼，在日常生活中，人们已经习惯手动削皮，一般在削皮过程中，需要用特制的V型刀具沿着果眼的分布螺旋线来运动以去除果眼，或者先用削皮刀削去果皮，再用特制刀具去除果眼，而随着人们生活水平的提高，这种低效率的加工方式已经逐渐不被接纳。
大型加工厂如罐头厂果脯厂有专用的菠萝加工流水线，占地面积大设备造价高昂，不适合小批量加工者使用，但手动去皮也很难满足饭店、酒店、零售商快速去皮的加工需要。
因此，设计一台能快速安全削皮且方便搬运的小型菠萝削皮机，对市场而言，意义重大。
2.菠萝削皮机的研究现状
近年来，我国菠萝种植和加工业都取
得显著成果，物流运输的发展，也为菠萝的运输销售保驾护航，更有优良产品早已远销海外，然而菠萝加工过程中使用的机器研究进展却无法与连年增长的菠萝产量与加工量相匹配，以下将列举日常生活中经常采用的菠萝加工方式。
2.1手动去皮
手工去皮主要是利用各种去皮刀来进行加工，图2.1中的V型刀使用时是沿着菠萝果眼分布的螺旋线走刀，挖出一道沟槽，将果眼和连带的果肉一起挖掉，可以一次性去除果皮和毛眼但是加工用时长、效率低，稍不注意就会划伤手，安全性很差。
图2.2中的刀具是用来去除果眼的，使用时，使用者只需将刀具尖端插入菠萝果眼位置，捏紧向外拉即可将果眼去除，缺点是需要逐个动作，每次只能去除一个果眼。
图2.3中为水果削皮刀，不仅仅用于菠萝削皮，还可以用于其他薄皮水果的削皮，该刀具无法单一使用，一般都要配合2.1和2.2中的V型刀或者去果眼刀。
图2.4中快速去皮刀使用时只需将菠萝顶端削平，再将削皮刀按照逆时针方向旋入菠萝，待切削到恰当的时候向外拉就能将切削好的果肉带出，这种加工方式对菠萝果肉的切削并不充分，浪费很大。
除此之外，还有很多手动加工单个菠萝的方式和工具，都摆脱不了安全性不高、原料利用率不高、效率低、卫生条件差的缺陷。
图2.1V型去皮刀及去皮后菠萝
图2.2菠萝去钉刀图2.3水果削皮刀
图2.4旋转快速去皮刀及去皮后菠萝
2.2机械加工去皮
由于手工加工方式耗时长、浪费人力、卫生条件差，现有市场又发展快速，对加工的效率和可靠性要求都越来越高，而且在城市生活中，年轻的父母们都很想从繁重的家务中解脱出来，所以各种去皮机应运而生，以下将列举市场上已有的机械设备，并阐述加工方式。
图2.5中电动菠萝去皮机，一果一上料，人工上料取料，加工速度在15s/个，加工时，工人手动将待加工产品横向放置在机器中部的空间中，开动机器后，机器自动夹紧原料，刀具贴近原料进行切削，该机器还兼具通芯功能，然而设备较大，不宜安放，不适合小型加工者采用，并且小型加工场景中常用的加工速度要求为100个/小时，如果采用本机器，那么多余的生产力将浪费，不符合改善生产力、提高生产效率的设计目标。
图2.6中全自动菠萝去皮通芯生产线，只需管理者在上料口上料，机器会有传送带自动运输原料至加工位置，加工位置有4或5个旋转工位，可以实现不间断加工，处理能力为80个/分钟，加工效率极高，除了去皮通芯，还兼具碎皮、清洗等功能，这种全自动菠萝生产线，机器庞大，占地面积大，耗能高，适合大加工厂使用，对小批量加工者来说造价昂贵且不利于安放，故不采用此方案。
图2.7中小型立式菠萝削皮机，加工者只需将原料立式放置在加工的爪盘上，开动机器后机器自动压紧原料，刀具运动至原料附近进行切削，切削完毕需要人工下料，该设备便于搬运，耗能小，加工效率基本满足小批量加工的要求，但是可改进空间也很大，可以使机器更小更方便，本设计课题也从这方面着手，设计一台方便加工、挪运的小型菠萝削皮机。
图2.5电动菠萝去皮机
图2.6全自动菠萝去皮通芯产线
图2.7立式电动菠萝去皮机
3.菠萝去皮机的设计与校核
3.1菠萝的各项数据
图3.1菠萝果眼分布
如图3.1所示，菠萝果眼为螺旋线分布，分布螺旋与水平面夹角范围为40°-60°,分布条数为7-13条，每条螺旋线所占圆周的比例为3/5，而菠萝的高度H与直径D的比例关系一般为H/D=1.5，菠萝高度范围在160毫米至280毫米之间。
3.2菠萝削皮机的方案确定
本方案设计的小型菠萝去皮机，以电动机作为动力源，链转动或皮带传动、齿轮传动结合作为传动系统，仿行刀具作为切削工具，丝杠和菠萝装夹部分通过齿轮传动作为刀具运动的动力，用多用夹具来固定原料，需要手工上下料。
其中仿行刀具后端与丝杠螺母部分相连，以这种方式来实现加工时刀具的上下运动，切削刀具的仿行运动来源于刀具的刀杆，刀杆采用弹性材料，这样在加工原料时，刀具就会根据原料的外形自动调整，减少加工时原材料的浪费。
切削时因为螺纹丝杠副上丝杠螺母的运动带动刀具，只要切削时的速度选用得当，去皮刀就会沿着菠萝上果眼分布的螺旋线来切削，最大限度的利用原料，在两者运动到上限或下限时，需要按动按钮使电机往初始旋转方向的相反方向旋转，以便完整的为菠萝削皮、去毛眼。
原料的装夹部分，可以设计一个多用夹具，初步方案是使用一个有插齿的圆形转盘来作为原料加工时的放置位置，且该装置由两部分组成，上下部分都带有插齿，上半部分为可以上下活动的弹性机构，以达到自动夹紧的目的，并且两部分都需要在加工时可以旋转。
使用本机器时，上料过程，需要人工将菠萝两端削平，提起菠萝夹具的上半部分，再插在插齿上，上半部分会在松开时自动压紧菠萝，削皮刀具的位置应处于最上端或最下端，切削时放置菠萝的转盘旋转运动，带动与其相连的螺纹丝杠，丝杠转动又带动（推动）丝杠螺母上下运动，连带的刀具也会运动，在菠萝旋转的同时刀具上下运动在菠萝上留下的轨迹即为一条螺旋线，这种加工方式可以最大程度的减少果肉的浪费。
3.3刀具设计
首先确定菠萝削皮机所用削皮刀具的样式：
刀具后端和螺纹丝杠螺母相连，以便于让螺母运动带动刀具运动，切削部分与丝杠螺母连接可以使用弹性金属材料，这样在进行切削时，X轴方向上的作用力推动刀具左右摇摆，而中段连接部分的弹性材料使刀杆形变维持在一定范围内，这也是刀具等仿行能力的来源。
如下图所示
图3.2切削刀具
3.4计算与校核
3.4.1螺旋副
削皮机工作时，丝杠螺母在丝杠上运动带动刀具上下运动，刀具位置在菠萝一侧，刀具只做上下运动，菠萝旋转时即可完成切削。
因为是小型机械，对于加工精度并无太大要求，选择滚珠丝杠代价高昂，没有必要，因此选择结构简单成本低廉加工方便的螺纹丝杠作为切削部分的组成。
螺杆的螺纹类型有梯形、矩形、锯齿形等，在此选用常用的梯形螺纹，梯形螺纹的牙型为等腰梯形，牙型角30°，其内外螺纹以锥面贴近不易松动，与其它牙形相比虽然传动效率不占优势，但是易于制造，牙根强度很高，工艺性好，比其它类型的螺纹更耐磨，是一种非常常用的传动螺纹。
1.螺旋传动材料的选择
螺旋传动的常用螺杆材料有Q235、Q275、45、50、42Cr、65Mn、T1、18CrMnTi等，考虑到本机械工作场景腐蚀性较低，受力不大，转速较低，兼具加工工艺性，故选择45钢作为螺杆材料。
螺母材料常用的有ZCu10P1、ZCuA19Mn2等，这两种材料适用于一般传动，在此选择ZCuA19Mn2作为螺母材料。
45钢屈服强度σs≥355MPa，抗拉强度σb≥600MPa,抗剪强度为178MPa（剪切力=178×D22π，单位为N），螺母材料ZCuA19Mn2的许用压强P=15MPa。
2.螺杆相关的计算
刀具的切削宽度为10mm，意为菠萝转过一周，刀具的移动距离应为10mm，而螺杆旋转一圈刀具移动一个螺距的距离。
根据耐磨性计算数据初步确定螺纹中径，φ的值查机械设计手册表12-1-4得剖分式螺母的取值范围为2.5~3.5，故在此取φ=2.5，故螺母所受力F=刀具重量和螺母重量之和=40N，由公式
d2≥0.8FφP（3·1）
代入数值可得
d2≥0.8FφP=0.8402.5×15≈2.6mm
按照螺杆抗压强度数据选择螺纹内径。
根据莫尔强度理论，其强度条件为
σca=σ2+3τ2=1AF2+34Td12≤σ（3·2）
因为对于中尺寸或小尺寸的螺杆，可认为τ≈0.5σ，故
σca=F2+34Td12=1.3σ=1.3QA≤σ=σSS（3·3）
由上文计算数据所示
A=πd124mm（3·4）
d2----------------------螺纹中径
σca---------------------复合应力，包含拉伸和扭转应力
τ------------------------常数值
F----------------------作用于丝杠上的力
A----------------------螺纹段危险截面积
S----------------------螺杆稳定性安全系数
传力螺旋S=3.5~5.0，传导螺旋S=2.5~4.0，调整螺旋（精密或水平螺杆）S>4，所以在此取值S=5，所以螺杆螺纹小径：
d2≥4×1.3SQπσS=4×1.3×5×4003.14×300≈3.32mm（3·5）
3.丝杠各项数据的确定
综上所述，比较两种计算结果，本课题应以抗压强度所计算的结果为准选择大、中、小径，查机械设计手册5-22页GB/T5796.3-2005选择，螺纹小径d3=20.5mm，螺纹中径d2=23.5mm，螺纹大径D4=26.5mm，螺纹公称直径d=26mm，螺纹线数n=1，螺距p=5mm。
4.校核该螺旋副自锁能力
图3.3螺旋副受力示意图
如图3.4所示，传力螺旋需要确保自锁性，以避免事故发生。
在此我选择的螺杆材料为45钢，螺母材料为青铜，由机械设计手册表12-1-7得两者的摩擦系数f=0.08~0.10，此处选取f=0.09。
且梯形螺纹的牙型角为
α=30°，β=α2=15°
螺杆自锁条件：
ψ<ρv
ψ=arctannp/πd2=arctan63.14×23.5=3.904°（3·6）
ρv=arctanfv=arctanμv=5.1428°（3·7）
ψ--------------------螺纹升角
ρv--------------------螺纹的当量摩擦角
μv------------------螺杆的当量摩擦系数
因此满足自锁要求。
5.螺杆各部分长度确定
表3.1丝杆螺距表[11]
标准规格（mm）
M45
M48
M52
M56
M64
螺距
4.54
54
54
5.54
64
表3.2丝杆公称直径表[11]
螺距
3
4
5
6
8
公称直径
10-60
16-80
22-100
30-100
32-100
表3.3丝杆的余程[11]
螺距P
2
3
4
5
6
余程Le（mm）
10
12
16
20
24
因为螺距P=5mm，螺纹总长度Ls，余程为Le
Ls=Lu+2Le（3·8）
查表3.1表3.2表3.3中各数据可得P=5mm时，余程为20mm。
因为单个菠萝高度在160mm-280mm，所以工作长度Lu为320mm较合适，则：
Ls=320mm+40mm=360mm
图3.4丝杠余程与螺纹总长示意
6.螺纹强度校核
因为螺母材料为青铜，查机械设计手册表12-1-10取τp=30MPa，σbp=40MPa，b=0.65p=0.65×5=3.25mm，D4=d+2ac≈d=26.5mm，查表12-1-4得剪切强度:
τ=FπD4bn=4003.14×26.5×3.25×80=1.26MPa（3·9）
τ--------------剪切强度
F--------------螺母承受的力
D4--------------螺纹中径
弯曲应力[11]：
σb=3FH1πD4b2n=3×400×2.53.14×28×3.252×80=2.907MPa（3·10）
σb-------------螺母螺纹所承受的弯曲应力
H1[11]-------------常数
结果τ≤τ’p、σb=σbp，且因为螺杆材料强度远大于螺母材料强度，所以只校核螺母即可，螺纹强度足够。
7.螺杆的稳定性计算
表3.4螺杆稳定性系数[11]
螺杆端部结构
μ
μ1
两端固定
0.5
（如一端为不完全固定时为0.6）
4.730
一端固定，一端铰支
0.7
3.927
两端铰支
1
3.142
一端固定，一端自由
2
1.875
采用滑动支承时，若令l0为支承长度，d0为支承直径，则当l0/d0<1.5时，认为是铰支；l0/d0=1.5~3时，是不完全固定；l0/d0>3时，是固定端。
采用滚动支承是，当只有径向约束是，是铰支；当径向和轴向都有约束时，是固定端。
螺杆危险面惯性半径
i=d14=5.625mm（3·11）
螺杆两端固定，根据表3.4可得μ=0.5μ1=4.730
螺杆柔度：
因为螺杆材料为45钢，由表3.5可得
a=461MPa，b=0.2568MPa，λ=μ1i=102.85
因
λ≥λ1
所以采用欧拉公式求实际稳定性系数SC：
Fc=π3Ed3464μ12=1927KN（3·12）
SC=FCF=19270.5=3854>S=3.5~5.0
满足稳定性要求。
因为螺杆的一端要连接齿轮，另一端要连接轴承，为便于选择零件和加工，螺杆和齿轮连接段加工成∅=20mm。
查机械设计基础表14-1选择齿轮连接端的键为A型键b×h=6×6。
表3.5材料直线公式系数[11]
材料
（σb、σa的单位为N/cm2）
a
b
λ1
λ2
N∙cm-2
Q235
σb≥37200σb=23500
30400
112
105
61
优质碳钢σb≥47100σa=30600
46100
256.8
100
60
硅钢
σb≥51000σa=35300
57800
374.4
100
60
铬钼钢
98070
529.6
≥55
铸铁
33220
145.4
硬铝
37300
215
≥50
松木
3870
19
≥59
3.4.2传动系统
作为小型机械，可选的传动方式很多，比如齿轮传动带传动链传动等，为了保证传动平稳，本人决定以齿轮传动作为传动系统的主要组成，齿轮传动的传动速度和功率可调节性大，传动平稳且效率高，和螺旋副组成刀具传动的部分非常合适，装配和更换零件都极为方便，所需空间比带传动、链传动少，平稳性也比其它传动方式好，能够在削皮机的制造、使用、维修过程中发挥重要作用。
因为菠萝最高为280mm，为了保证课题要求的100个/小时的切削速度，单个菠萝的切削时长不能超过36s，则丝杠螺母的运动速度为：
280mm36s=7.78mm/s
取整数值运动速度为8mm/s，螺距P=5mm，所以在切削时，螺杆的转速为96r/min，因为刀具的切削部分宽度为10mm，那么刀具每运动10mm，菠萝至少要旋转一圈，所以可以算出菠萝装夹部分旋转一周的时间不得多于10÷8=1.25s，即转速至少为48r/min。
在此我选择角接触球轴承作为菠萝夹具的所用轴承，因为该处转速低，角接触球轴承也可以少量承受轴向力，并且摩擦阻力小、转动效率高、成本低。
螺杆和菠萝装夹部分的传动比：
i=9648=2
此处传动比数据意为，按照菠萝果眼分布的螺旋线切削果眼，丝杠转速和原料装夹处的转速比为2。
该机械运行时，菠萝夹具的旋转轴会有较大的运行静阻力，这个运行阻力可以近似的等于
摩擦的总阻力。
运行静阻力Pm[11]。
Pm=2βG0K+μ2Dc（3·13）
G0----------------菠萝+旋转轴重量前文计算得出为400N
K-----------------滚动摩擦系数，K=0.04
μ-----------------轴承摩擦系数μ=0.02
β------------------附加阻力系数，β=2
Pm=2×2×400×（0.04+0.02×0.022）0.15=1130N
发动机和主动轴的动力传输采用联轴器，减速器和菠萝装夹部分、菠萝装夹部分和螺杆之间都为齿轮传动，并且因为传动需要在一个平面内，所以应该选择圆柱形齿轮。
传动原理图如下：
图3.5齿轮传动装配关系
各传动部分效率查机械设计基础表2-4得：
联轴器
η1=0.99
开式圆柱齿轮传动
η2=0.94-0.96,此处取0.95
传动系统总效率：
η=η1η2=0.99×0.95=0.9405
3.4.3电动机功率计算和电机选择
求实际输入总功率Nc
Nc=PmV1000η（3·14）
Nc=1130×11000×0.9405≈1.063KW
所需的最小电机功率
Pd=Ncη=1.063KW0.9405=1.13KW（3·15）
表3.6Y型异步电动机数据摘录[11]
型号
功率
（kW）
马力（hp）
电流（A）
转速（r/min）
效率η（%）
功率因数（cosφ）
堵转转矩
额定转矩
堵转电流
额定电流
Y90S-6
0.75
1
2.2
910
72.5
0.70
2.0
6.8
Y90L-6
1.1
1.5
3.2
910
73.5
0.72
2.0
6.9
Y100L-6
1.5
2
4.0
940
77.5
0.74
2.0
5.5
Y112M-6
2.
升级会员 