壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說明書,均可直接下載獲得文件，所見所得，電腦查看更方便。Q 197216396 或 11970985
滾軸絲桿系統(tǒng)的運動學(xué)優(yōu)化
D. Mundo，機械系，大學(xué)的卡拉布里亞， 87036（政務(wù)司司長） ，意大利
H.S. Yan，機械工程學(xué)系，國立成功大學(xué)，臺南70101 ，中華民國
摘要：本篇文章提出了一種方法來對傳動機構(gòu)進行運動學(xué)優(yōu)化，過去常常通過非圓形的齒輪進行機械系統(tǒng)的控制來完成運動的輸出。通過調(diào)查研究，本文將運用滾軸絲桿系統(tǒng)進行機械系統(tǒng)的控制來完成運動的輸出。設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)是通過設(shè)計一對變半徑的齒輪作為輸入機構(gòu)，從而使得螺桿的加速度峰值最小。為了去進行機構(gòu)的優(yōu)化問題，滾軸絲桿系統(tǒng)的運動學(xué)參數(shù)需要借助于無量綱的運動學(xué)方程來分析。遺傳算法也被運用來進行目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，并且在設(shè)計方法中添加了懲罰函數(shù)。
最優(yōu)機制的運動學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了在恒定速度上帶有恒定螺距螺桿的螺絲加速度有37 ％削減峰值。運動學(xué)仿真就是用來驗證該方法的。
關(guān)鍵詞：滾珠絲杠傳動;運動學(xué)優(yōu)化;遺傳算法;數(shù)控齒輪
1. 引言
在業(yè)界追求高生產(chǎn)力和高品質(zhì)敦促著研究者去探討有效的機制設(shè)計方法，以提高機器自動操作性能。
提高輸出運動特性的傳統(tǒng)方法是假設(shè)輸入速度恒定，并建議重新設(shè)計和制造不同的機制，更好的運動或動態(tài)表演。其中一個例子是Mills etal提出的柔性凸輪機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
處理問題的不同辦法就是積極控制機制的輸入速度，設(shè)計了一個可變輸入/輸出駕駛系統(tǒng)。1956年，Rothbart 建議使用一種withworth快速回報機制，以提供一個凸輪可變輸入速度，從而減少凸輪尺寸，壓力角。后來，特薩和馬修為分析變量投入高速凸輪從動機制導(dǎo)出運動方程。
變速裝置的快速發(fā)展及伺服控制系統(tǒng)表明了，研究者應(yīng)該設(shè)計伺服一體化機制，其特點是輸入速度由計算機控制。 1994年，Chew and Plan用dcservo電機減少殘余振動高速機電在機器的殘余振動，而Yanetal發(fā)現(xiàn)了依靠凸輪的速度曲線的運動學(xué)特征。此外，他們提出了通過開發(fā)設(shè)計方法優(yōu)化電腦控制和輸入速度來主動控制凸輪機構(gòu)的理論。
1990年， kochev提出了在平面連接老化處積極平衡搖矩和扭矩波動，而最近Yaoetal研究了動態(tài)變速平面機制。
作為一個平均數(shù)運動優(yōu)化，盡管有廣泛的文獻關(guān)于可變輸入速度函數(shù)，很少研究重點應(yīng)用這一技術(shù)的滾珠絲杠傳動。這種機制，基本形成了由滾珠絲杠連鎖帶動滑塊曲柄系統(tǒng)，是用在幾個工業(yè)應(yīng)用。其中一個例子是用于紡織機械的螺桿傳動機構(gòu)。由于改善了凱恩斯-馬泰行為，可變螺距螺絲常用于商業(yè)應(yīng)用。 1993年，Yan and Liu提出了設(shè)計和制造可變螺距，導(dǎo)致了螺釘嚙合圓柱的組成。他們還提出了三次多項式關(guān)系直線位移滑塊和旋轉(zhuǎn)螺絲。最近，Liu etal用一個伺服曲柄滑塊機構(gòu)積極控制輸入速度，以降低峰值加速度的螺絲。
本文介紹的工作目標(biāo)是優(yōu)化輸出運動滾珠絲杠透射外，設(shè)計一個驅(qū)動機制，來基本形成了一個滑塊曲柄驅(qū)動系統(tǒng)有一對非圓齒輪。然后提出聯(lián)合機制，其中輸入是不斷旋轉(zhuǎn)的速度駕駛數(shù)控齒輪，螺絲是被迫遷往最優(yōu)運動。純機械控制螺桿是基于運動學(xué)合成的可變螺距半徑線，起始于最優(yōu)輸入/輸出關(guān)系。自從一個靈活的控制不需要這種應(yīng)用，一個便宜而有效的一雙數(shù)控齒輪可取代各類計算機控制伺服。
為了設(shè)計一個最佳的驅(qū)動機制，非維運動方程被導(dǎo)出了。然后確定設(shè)計約束作為刑罰功能插入的目標(biāo)函數(shù)，而優(yōu)化問題，是通過進化理論解決的。遺傳算法被廣泛使用于涉及全局優(yōu)化問題。主要優(yōu)點進化技術(shù)簡單，在執(zhí)行程序的數(shù)值及其很低的成本計算。此外，深層知識的數(shù)學(xué)特征搜索空間是不需要的。
一旦數(shù)控齒輪的優(yōu)化設(shè)計出來，虛擬樣機聯(lián)合機制和運動學(xué)仿真將會用來驗證所提出的控制策略。
2. 運動方程
滾珠絲杠傳動基本由兩個合并機制形成：滾珠絲杠的聯(lián)系通過曲柄滑塊機構(gòu)帶動。曲柄旋轉(zhuǎn)是機械系統(tǒng)的輸入，而往復(fù)旋轉(zhuǎn)螺桿是輸出。圖1機制是由五個部分組成：連桿1是基座，連桿2、 3、4，分別擔(dān)負曲軸，連桿和滑塊的驅(qū)動機制，連桿5是螺絲杠。因次運動方程可以通過考慮兩個基本機制來推導(dǎo)，如圖2所示
圖2（a） ，表達出了曲柄滑塊機構(gòu)的位置方程有以下幾方面：
上式中，r2、 r3分別為曲柄和連桿的長度， 2、 3分別為曲柄和連桿及r2、 r3桿與X軸之間的夾角。
聯(lián)合（1）和（2） ，位移s的滑塊，可確定為
（3）
當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)角度為角度時，所用的時間為機構(gòu)運動的半個周期，滑塊運動了2r2.的距離，則可以根據(jù)關(guān)系式定義出下面幾個表達式：
（4），（5），（6）
聯(lián)合（4）和（6），并把結(jié)果帶入（3），得出，位移s的滑塊，可確定為
（7）
這兒把 r3/2r2.定義為R3。
分別對公式（7）對變量T進行微分，分別得到了滑塊的速度、加速度、和加加速度的表達式：（8），（9），（10）
參考 2（b） ，并假設(shè)螺絲桿斜度P為常數(shù)，輸出旋轉(zhuǎn)為
（11）
從而螺絲桿的旋轉(zhuǎn)可以進一步的表達為：
（12）
因此，自旋轉(zhuǎn)恒定螺距螺桿是沿著滑塊的位移，螺釘和滑塊量綱運動方程都是一樣的。螺桿的速度、加速度、和加加速度的表達式（8） -（10）
因次運動方程表明運動學(xué)恒螺距螺桿球變速器，根據(jù)最優(yōu)運動規(guī)律的h（t）可迫使曲柄按照要求的角度來旋轉(zhuǎn)。在以后有優(yōu)化策略將被實施以設(shè)計一個最優(yōu)控制功能。
一旦非維運動特性的優(yōu)化螺桿決定，但實際運動曲線可以由以下幾個關(guān)系來確定（8）-（10）
（13），（14），（15），（16）
在這兒 , v, a ，j分別為滑塊的角位移，速度，加速度，加加速度
3. 優(yōu)化控制方案
最優(yōu)控制螺桿運動要求目標(biāo)函數(shù)和一套給出的設(shè)計規(guī)則。一旦優(yōu)化問題被制定出來了，遺傳算法將用來減低成本函數(shù)。刑罰方法確保最優(yōu)解滿足設(shè)計規(guī)則。
3.1制定優(yōu)化問題
優(yōu)化問題的主要目標(biāo)是設(shè)計一個旋轉(zhuǎn)速度功能曲柄以積極控制螺旋運動，并盡量在滑塊前進沖程中減少其峰值加速度，使得在工作期慣性載荷問題可以減少。然而，無論是螺釘和曲柄運動特性應(yīng)履行一套運動學(xué)要求和一般設(shè)計規(guī)則。螺桿速度和加速度變化曲線必須連續(xù)，其值必須滿足要求。 因此，曲柄旋轉(zhuǎn)速度x（t）必須至少有一個二階可微函數(shù)是從輸出（7） -（10）得到的。如果曲柄旋轉(zhuǎn)的h（t）被選擇作為一種控制功能，在第四或高階多項式表達可以界定，然后在下列形式：
(17)
根據(jù)減少其峰值加速度為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計變量為a0, . . ., aN已經(jīng)確定出來了，下面根據(jù)要求來確定約束條件，并且約束條件必須滿足公式（6）的要求：
(18),(19)
根據(jù)公式(17)–(19)，約束條件為：
(20),(21)
為了完成制定的優(yōu)化問題，成本函數(shù)必須界定。主要目的是為了減少螺絲的加速度峰值。然而，優(yōu)化控制功能，必須履行下列設(shè)計規(guī)則：
1.一個典型的曲柄旋轉(zhuǎn)不斷改變方向。因此，時間導(dǎo)控功能不能改變跡象。不喪失普遍性，在這項工作中曲柄速度將保持正的。
2.第二次導(dǎo)控功能必須溫和，因為非圓齒輪將用來提供有變速功能的曲柄和將決定不規(guī)則線間距的角度的突然變化值。
在設(shè)計的要求的基礎(chǔ)上，價值函數(shù)能夠被定義為
（22）
當(dāng)有一個或更多的變化，周期p用來懲罰控制功能時，根據(jù)不同的優(yōu)化策略，權(quán)值w1和w2可以調(diào)整。處罰方法保證了設(shè)計的實現(xiàn)，因為任何一套行不通的設(shè)計參數(shù)比一個容許的解決方案會有更大的價值。明顯的，如果下式成立，那么公式（22）中的懲罰函數(shù)應(yīng)該被置為0.
3.2 優(yōu)化方法
為了解決在上一節(jié)基礎(chǔ)上制定的優(yōu)化問題，一種改進的方法被使用了。一種改進的遺傳算法，如圖3所示。第一步設(shè)計開始的數(shù)目，形成Np對個體。每個組成有一套設(shè)計容許的變量值。因此，一般每個個體是解決優(yōu)化問題的一個可能，可以作為真實數(shù)字形式的一個載體。
其中n是一些獨立設(shè)計變量
進化優(yōu)化方案使得那些滿足要求的優(yōu)化結(jié)果被保留了下來。這些要求的優(yōu)化結(jié)果經(jīng)歷了一套遺傳操作，以使得在以后的運算中能夠繼續(xù)保留下來。這個過程稱為自然選擇。再生產(chǎn)的第一步是復(fù)制過的Np對個體的選擇，其遺傳信息將合并產(chǎn)生新的Np對個體。
因此，個體規(guī)模是保持恒定的。可以基于不同的概率分布，包括均勻分布來挑選個別復(fù)制。標(biāo)準(zhǔn)化幾何排序選擇方法用于這項工作的算法中。每個個體按照他們的特點不同，不被選到的可能性 ，按下列表達
（24）
Pb是一個恒量，是與選擇最佳個體的概率成正比的， r是個體的一個排列。排列1是最佳個體， Np是最差的一個選擇。因此，進行篩選的過程中，成本函數(shù)中的每個個體必須評估以保證最后選擇的是最好的。
一旦兩個體X1和X2被選定復(fù)制，遺傳操作（交叉）會產(chǎn)生一個新的個體X1，其基因是來自原有X1和X2的一些特點。在這項工作中的新的個體所創(chuàng)造的手段啟發(fā)式交叉操作如下：
（25）
而rn是一個實數(shù),隨機選取范圍[ 0,1 ]
根據(jù)精密計劃，新個體中有比在他之前的兩個組合更加優(yōu)越才會進入下一選擇。否則新個體將會被拒絕，X1和X2之間的最佳染色體會被保留。
復(fù)制的最后一步是突變，變更新個體的部分遺傳信息。突變是必要的，以防止算法收斂趨近當(dāng)?shù)氐淖畹蜅l件，是、而且突變需帶有概率 PM 2 [0,1]一起進行 。在這項工作中非均勻突變也是要利用的。個體基因的突變是按下列計劃隨意改變的：
（26）
ri是范圍[ 0,1 ]內(nèi)的隨機數(shù) ; ui 和 li是基因邊界上和下界的;f（g）是一個函數(shù)，定義如下：
（27）
其中rn2范圍[ 0,1 ]內(nèi)的一個隨機數(shù)，b是形狀變化參數(shù)，G是循環(huán)次數(shù)； Gmax是最高迭代次數(shù)。
序列健身評價，選擇個人復(fù)制，交叉和變異是迭代，根據(jù)該圖3所示，直到人數(shù)最多的幾代人出現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)低成本。
3.3 優(yōu)化控制函數(shù)
在開始進行程序的迭代之前，遺傳參數(shù)必須初始化。開始個體數(shù)目的選擇應(yīng)該建立數(shù)字
化設(shè)計變量的基礎(chǔ)之上。
在應(yīng)用中存在著被選為控制功能的第七次多項式函數(shù)。因此，根據(jù)均衡方程式 （17），（20）和（21） ， 6個設(shè)計變量必須運用進化理論。開始的個體數(shù)目是 60個。設(shè)置Pb = 0.5, PM =0.1,Gmax=100和b=0.85 ，最佳個體數(shù)目被認定為如下
（28）
優(yōu)化控制功能，即因次曲柄旋轉(zhuǎn)由平衡方程（17）-（21）和最佳個人基因所決定，就是：
如圖4所示，從優(yōu)化的過程中得出了曲柄的位移，速度，加速度和加加速度曲線，
由 OPT(T)和其對時間的導(dǎo)數(shù)方程式 （7）-（10）得出 ，螺絲桿的最佳曲線量綱角位移，速度，加速度和加加速度的曲線。
在如圖5中，進行了輥軸絲杠為變速度的輸入進行了優(yōu)化，并將這些曲線與輥軸絲杠為恒定速度的輸入相比。
當(dāng)以一個變量投入高速傳輸時，機構(gòu)的動力學(xué)特點和文獻Liu [12]得出的結(jié)果基本上是一致的。
在表1中，總結(jié)出來了在不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，得到了螺桿的位移、速度、加速度、及加加速度曲線，在表1中并對不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合曲線的峰值進行了比較。
目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的主要是問題，如公式3所示 ，降低峰值加速度的螺絲。從表1中可以看出，輥軸絲杠為變速度的輸入與輥軸絲杠為恒定速度的輸入相比，螺絲加速度的峰值減小了36.9%，而當(dāng)使用伺服控制機械系統(tǒng)時，螺絲加速度的峰值減小了19.4%。而使用上面的兩種方法時，螺桿的速度、加加速度與原來的比較都有所減小，因此上面提出的機構(gòu)的優(yōu)化方法得到了證明。為了去評價本文所提出的優(yōu)化算法的性能，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在圖6中，找出了快速收斂至近最優(yōu)解，最快的收斂算法和最好的接近目標(biāo)函數(shù)的算法被找到了，并且在經(jīng)過了僅僅68步迭代運算以后，函數(shù)值與目標(biāo)函數(shù)值達到了98.9%。最終的結(jié)果被得到了在100步迭代的時候。因此，該算法能做出6000份合適的不同解決辦法的評價，因為個體數(shù)是60。計算算法的時間，在AMD Athlon XP 3000上執(zhí)行的，是54.32s。
變機構(gòu)的效果也經(jīng)過了上面優(yōu)化算法的幾次檢測，盡管在優(yōu)化過程中，開始的各個值選擇不同，但是，最后的解決方法基本上都是類似。因此，開始提出的目標(biāo)函數(shù)能夠得到很好擺脫當(dāng)?shù)氐淖畹蜅l件。
fig 6
4.驅(qū)動機制的設(shè)計
為了使得曲柄旋轉(zhuǎn)按照上面最優(yōu)化的方案來運動，如圖4所示，一對非圓齒輪可以用來代替更昂貴的電腦控制伺服系統(tǒng)。在此應(yīng)用中，事實上，運用一對非圓齒輪這種具體的機械控制螺桿運動學(xué)是有效的，因為靈活的控制系統(tǒng)，在這里是不需要的。
設(shè)計一對非圓齒輪是基于輸入/輸出關(guān)系的要求。在這個應(yīng)用中，持續(xù)的旋轉(zhuǎn)速度假定為傳動齒輪的轉(zhuǎn)速，而從動齒輪，必須按照優(yōu)化曲柄運動規(guī)律所決定的來運動，如公式（29）。此外，雖然機械控制螺旋運動在前一段行程的沖擊中是必要的，但是，利用非圓齒輪在后一段行程的沖擊設(shè)計中也是需要的。因為不包括具體的要求，履行連續(xù)性傳輸?shù)奈ㄒ粭l件，曲柄后段行程的設(shè)計中，可以用多項式表達，如下：
（30）
a0到a7必須依靠下面的幾個表達式定義：
（31），（32），（33），（34）
一旦曲柄的兩個行程被定義了，變量齒輪的函數(shù)表達式如下：
（35）
Xout是從動齒輪角速度，Xin = 1是傳動齒輪輸入速度的量綱恒速。圖7顯示可變齒輪比規(guī)定了具體控制任務(wù)以及與此相關(guān)的應(yīng)用程序。注意到，在結(jié)果（31）中，齒輪比的傳動比為一。
fig 7
fig 8
綜合的螺桿線斜度能夠按照以下的公式定義：
（36），（37）
其中ψ（T）= T是傳動齒輪的因次旋轉(zhuǎn)，R1和R2是從動齒輪的可變半徑，D是軸心之間的距離，其軸線如圖8所示。結(jié)合公式（36）及（37），在應(yīng)用中，D設(shè)置為100毫米，，可變螺距半徑在圖9（a）進行了合成的。設(shè)計過程的最后一步，是齒廓。在本文的數(shù)學(xué)模型中，齒廓是基于以下微分方程[19] ：
（38）
dψ是傳動齒輪旋轉(zhuǎn)的角速度，dy是位移值，即組成相應(yīng)的接觸點沿位移線的位移，α是一個壓力角，沿各剖面保持恒定。
為了產(chǎn)生第一個配對的齒輪副，當(dāng)前接觸點的坐標(biāo)值必須由公式（38）計算得出 ，從任意一個齒形的交點開始。基于兩個matrices旋轉(zhuǎn)矩陣，角度ψ和h（ψ）包含在內(nèi)進行坐標(biāo)變換，然后進行操作，獲得兩個不同點，從當(dāng)前的接觸點，進行對共軛分布。當(dāng)下列情形之一發(fā)生時，這個綜合的優(yōu)化過程將停止下來，：徑向輪齒的尺寸超過既定的增值;距離目前聯(lián)絡(luò)點和齒輪中心固定。最后條件，實際上意味著削弱。
這個數(shù)值程序，然后將這個數(shù)值程序運用到每一個輪齒上，下面已知直徑螺距和齒輪數(shù)的基礎(chǔ)上，對第一個嚙合點進行修改。壓力角也進行了一定的修改，使該夾角壓力線與螺距曲線的正常線保持恒定。顯然，對不同齒輪設(shè)計時，兩嚙合齒要假設(shè)同一壓力角。
在如圖9（a）中所示，假設(shè)齒數(shù)nZ = 35，平均值壓力角等于20°,在圖9（b）中產(chǎn)生了齒輪.
5.虛擬樣機及運動仿真
虛擬運動學(xué)分析是對模型進行運動仿真，以驗證提出的優(yōu)化方法。列圖10中所示 ，一個結(jié)合機制的三維模型，是借助計算機輔助軟件，PTC- ProEngineer 造出的。虛擬滾珠絲杠傳動列的規(guī)格在表2中列出了。
結(jié)合機制的運動學(xué)是通過相同軟件的機制模塊模擬的。驅(qū)動齒輪軸提供一個恒速驅(qū)動，而從動齒輪根據(jù)最優(yōu)運動規(guī)律轉(zhuǎn)動，由公式（29）及（30）中確定。滾珠絲杠傳動的曲柄是根據(jù)運動學(xué)曲線圖4被迫運動。用兩個旋轉(zhuǎn)接頭連接桿和曲柄以及桿和滑塊，而后者則是用一個圓柱副連接螺桿。第三旋轉(zhuǎn)副把螺桿與地面的框架連接在一起。
為了再現(xiàn)滾珠絲杠傳動的運動學(xué)，使關(guān)系得以確立，根據(jù)公式（11）中，螺桿旋轉(zhuǎn)和滑塊線性位移（螺桿聯(lián)合），兩者的關(guān)系需要設(shè)立。
在對虛擬樣機的運動學(xué)仿真時，測量了螺絲桿的運動學(xué)特征。結(jié)果如圖11 ，如圖所示，對沒有進行優(yōu)化時的螺桿恒定輸入和優(yōu)化后的機構(gòu)進行了運動學(xué)特性的比較。
螺桿加速度曲線不斷輸入速度配置顯示峰值4693.4 rad/s2 ，而最高值3002.3 rad/s2已計算出作為最優(yōu)機制。因此，運動學(xué)仿真證實了最優(yōu)控制的結(jié)果，從而驗證方法的有效性。
6.結(jié)論
本篇文章提出了一種方法來對滾軸絲桿傳動機構(gòu)進行運動學(xué)優(yōu)化，優(yōu)化控制的方法已經(jīng)被應(yīng)用了，即通過設(shè)計一對變半徑的齒輪來作為輸入機構(gòu)來進行了機械系統(tǒng)的控制來完成運動的輸出。
首先，通過對機構(gòu)的運動學(xué)分析，得到了一些無量綱的運動學(xué)方程，通過機構(gòu)的優(yōu)化來使得螺桿的加速度峰值減小，當(dāng)機構(gòu)的加速度峰值減小了，則機構(gòu)在工作行程中的機構(gòu)運動的慣性力也就減小了，工作也就更穩(wěn)定了。運動學(xué)分析，要求對雙方，即輸入和輸出機制，進行分析和考慮，同時還要運用到界定的控制功能和實施優(yōu)化程序中去。進化理論一直作為一種全局優(yōu)化技術(shù)用來運行遺傳算法，同時用處罰法來進行程序的優(yōu)化，這樣就使得優(yōu)化法變?yōu)榱艘粋€可行的解決辦法。
提出控制方法的最后一步，是在最優(yōu)解的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一對非圓齒輪。
通過分析結(jié)合機制的運動學(xué)，提出的最優(yōu)控制策略表明其能有效地改善輸出運動特性。在不斷的投入高速螺旋傳輸中，螺絲加速度峰值減小了36.9%，最終的結(jié)果也通過機構(gòu)的運動學(xué)仿真得到了證實。
由于通過簡單的組合機構(gòu)而達到了很好的效果，作者認為本文提出的這種最優(yōu)控制方法，對于設(shè)計和制造工業(yè)涉及機械螺桿傳動機構(gòu)，特別是重載應(yīng)用，是一個重大的貢獻。
摘要
荷藕是一種多孔質(zhì)蔬菜，水分多，淀粉含量高，形狀又不規(guī)則，其肉質(zhì)即嫩又脆，因而給其裝夾、機械化切片作業(yè)帶來了一定困難，論文針對我國荷藕機械化切片技術(shù)落后，主要停留在人工切片這一現(xiàn)狀，進行了荷藕物料特性的研究，
在分析了國內(nèi)外食品切片加工技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合其物料特性，設(shè)計了一種新型蓮
藕切片機，并對該機進行性能試驗及優(yōu)化。
本文對于荷藕的幾何形狀和尺寸進行統(tǒng)計和分析，包括荷藕節(jié)長和節(jié)徑的分布范圍，藕節(jié)不同部位的節(jié)徑差值大小，以及對藕片的粘性等的計算。同時還介紹了荷藕切片技術(shù)的研究現(xiàn)狀及存在的問題初步探討了曲柄滑塊式荷藕切片機的整體結(jié)構(gòu)對荷藕切片中存在的物料夾持問題粘刀問題和藕片破碎問題提出相應(yīng)的解決措施。
關(guān)鍵詞:荷藕；切片；幾何形狀；粘刀；破碎
ABSTRACT
The lotus root is a kind of vegetable with hollow inside, containing high rate of water and starch. Because the lotus root quality is tender as well as frail and the shape
Is irregular, there will be lots of difficulties while being cut into slices and the slice of
Lotus root being sticked on the blade.In allusion to the present condition of the low lotus root mechanization slice technique,mainly，staying around the artificial to cut into slices in our country, the lotus root material characteristic was investigated in this paper.And a new kind of lotus roots slice machine was designed at the foundation of analyzing the domestic and international food slice processing technology, combining its material characteristic, and the function of the machine was tested and optimized.
In this paper, for the lotus root geometry and size of the statistics and analysis, including lotus root length and diameter distribution of the scope of section track different parts of the margin size, as well as the viscosity, such as calculations. At the same time, also introduced Lotus Roots Research slicing and problems of the initial type of slider-crank machine lotus root slices Lotus Roots slice of the overall structure of the materials that exist in the issue of holding a knife and sticky issues corresponding broken solution.
KEY WORDS: Lotus rhizome; Slice; Geometry form; Sticks the knife; Broken
荷藕切片機整機設(shè)計與切片試驗研究
前言：
我國是蓮藕生產(chǎn)大國，具有悠久的蓮藕種植歷史，蓮藕產(chǎn)量、加工量、出口量均居世界前列。隨著我國加入WTO，蓮藕制品的出口量也大幅增長。日本、韓國、新加坡以及美國等國家紛紛從我國進口大量的水煮藕、脫水藕片等產(chǎn)品，但是根據(jù)調(diào)查，我國大多數(shù)的蓮藕食品加工出口企業(yè)所生產(chǎn)的藕片主要以人工切片為主，這種生產(chǎn)方式勞動強度大、功效低，難以滿足實際生產(chǎn)的需要，因此蓮藕切片機的研制具有重要的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞：蓮藕、切片、機械
國內(nèi)現(xiàn)狀：
目前，食品切片技術(shù)在某些產(chǎn)品上已經(jīng)很成熟，如用于凍肉切片的旋轉(zhuǎn)圓盤式切片裝置，在國內(nèi)市場上可以見到的適用于大規(guī)模生產(chǎn)的人參切片機、馬鈴薯切片機、洋蔥切片機、黃姜切片機等。由于人參、馬鈴薯、黃姜這些食品形狀很不規(guī)則，又要求一定的表面質(zhì)量，所以不宜用夾具夾持。通常的做法是利用離心切削法進行切削，這樣即可以保證其表面的完好，又可以提高切削率，但離心切片方式不適應(yīng)藕瓜類蔬菜。
近年來，為了滿足我國藕制半成品國內(nèi)消費和對外出口的需求，降低人工切片勞動強度，我國科研單位和企業(yè)針對蓮藕切片加工技術(shù)難題，也開展了對蓮藕切片機的研究和開發(fā)：
1) 湖北農(nóng)學(xué)院陳義厚、鄒必昌研制了一種盤式砍切型蓮藕切片機，該機的工作原理為：把蓮藕放在豎直的導(dǎo)向管內(nèi)，底部由擋板頂住，在導(dǎo)向筒底部和擋板之間裝有旋轉(zhuǎn)托盤，托盤上沿徑向安裝若干把切片刀，切片刀隨托盤旋轉(zhuǎn)橫向切割蓮藕，切出的藕片被刀片底面后部的藕片刷推到落料槽內(nèi)[12]。該機的優(yōu)點是切割速度快，生產(chǎn)率高，缺點是破碎率較高，粘刀藕片難清理。分析其原因是由于切片刀隨托盤旋轉(zhuǎn)以一定的速度砍切蓮藕，而刀片各點的切削速度又不一致，易造成薄藕片破碎，其次因藕片刷推力有限，造成粘刀藕片清理不干凈，從而影響后續(xù)切藕。
2）機械工業(yè)食品裝備設(shè)計研究所李樹君針對砍切型蓮藕切片機碎片率高的現(xiàn)象，研制了一種滑切型蓮藕切片機，并對其運動參數(shù)進行了研究。其工作原理為: 蓮藕在定向進給機構(gòu)中沿與刀片成40o角的方向進給，圓盤刀既做上下垂直運動，又做水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，由于刀片沿一定斜角逐漸切削蓮藕，因此有效地降低了碎片率，但此種切削方式加工出的藕片是斜薄片，有一定的局限性。其次由于刀盤的高速旋轉(zhuǎn)，與藕片產(chǎn)生急劇摩擦，摩擦使藕的淀粉大量滲出，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量。
3）國內(nèi)實用新型專利95235217.6公開了一種藕瓜切片機，該機的切削原理是利用水平切刀盤的旋轉(zhuǎn)，將進料筒內(nèi)的藕瓜切成片狀，其工作原理類似于湖北農(nóng)學(xué)院陳義厚、鄒必昌研制的盤式蓮藕切片機。
從現(xiàn)有資料分析，國內(nèi)外對蓮藕切片技術(shù)的研究還非常少，目前所研制的蓮藕切片機主要以盤式切片機為主，切割方式有滑切、砍切。另據(jù)市場調(diào)查了解，我國出口到日本、南韓的藕片厚度只有2～10mm，現(xiàn)有的荷藕切片機實際使用后均無功而返，究其原因是：蓮藕是多孔質(zhì)蔬菜，含水率高，切片易粘刀，其次鮮藕既嫩又脆，每段藕的長度、寬度、形狀各不相同，即使是同一段藕不同部位的寬度、形狀也有區(qū)別，因而給其裝夾、機械化切片作業(yè)帶來了一定難度。因此，國內(nèi)外（包括荷藕食品消費大國日本、韓國）目前生產(chǎn)的蓮藕食品仍是以人工切片為主。
設(shè)計要點
通過對資料及設(shè)計任務(wù)要求的分析發(fā)現(xiàn)該課題有以下幾個關(guān)鍵技術(shù)需要解決，才能完成設(shè)計。
要點一：提高切片機的切片質(zhì)量。由于蓮藕這種材料的特殊性，所以在切片過程中，藕片易碎。故得對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化來提高切片的質(zhì)量
要點 二: 減小切片機機構(gòu)中的不平衡慣性力,提高切片機的工作穩(wěn)定性。
要點三：解決切片機退料裝置復(fù)雜的問題。切藕時因為藕片有粘性，故藕片可能會粘附在刀片上，所以必須設(shè)計出一種裝置來進行退料。
其他問題：設(shè)計的任務(wù)要求應(yīng)對產(chǎn)品進行市場調(diào)研，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)利用軟件進行計算機繪圖，包括整機裝配圖及零件圖數(shù)張，此外還要考慮到產(chǎn)品的經(jīng)濟性。
結(jié)語
通過對荷藕切片機的設(shè)計研究，了解到了當(dāng)前荷藕切片機的發(fā)展以及前景，對荷藕切片機械的設(shè)計有了基本的概念和思路，為自己以后的設(shè)計工作提供一定的基礎(chǔ)。
參考文獻：
[1] 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)主編. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M].中國農(nóng)業(yè)出版社. 1996，3
[2] 北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué).農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M].第二版.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1996.
[3] 李瑞濤，方泥，張文明.虛擬樣機技術(shù)的概念及應(yīng)用[J].機電一體化，2000,12(5):17-19
[4] 祖旭，黃洪鐘，張旭.虛擬樣機技術(shù)及其發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2004,35(2):168-171
[5] 張建平，胡建平．無骨肉制品切割分塊機的設(shè)計及試制[J]．山東農(nóng)機，2003
[6] 李昌滿 ，劉福文， 王彥． 離心式人參切片機設(shè)計研究[J]．農(nóng)機與食品機械 ，1996，（6）：22—25
[7] 黃桂琴， 瞿越 ，莫秀玲 ．人參切片機設(shè)計研究[J]．吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996， 18（3）：90—93
3
摘要
荷藕是一種多孔質(zhì)蔬菜，水分多，淀粉含量高，形狀又不規(guī)則，其肉質(zhì)即嫩又脆，因而給其裝夾、機械化切片作業(yè)帶來了一定困難，論文針對我國荷藕機械化切片技術(shù)落后，主要停留在人工切片這一現(xiàn)狀，進行了荷藕物料特性的研究，
在分析了國內(nèi)外食品切片加工技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合其物料特性，設(shè)計了一種新型蓮
藕切片機，并對該機進行性能試驗及優(yōu)化。
本文對于荷藕的幾何形狀和尺寸進行統(tǒng)計和分析，包括荷藕節(jié)長和節(jié)徑的分布范圍，藕節(jié)不同部位的節(jié)徑差值大小，以及對藕片的粘性等的計算。同時還介紹了荷藕切片技術(shù)的研究現(xiàn)狀及存在的問題初步探討了曲柄滑塊式荷藕切片機的整體結(jié)構(gòu)對荷藕切片中存在的物料夾持問題粘刀問題和藕片破碎問題提出相應(yīng)的解決措施。
關(guān)鍵詞:荷藕；切片；幾何形狀；粘刀；破碎
ABSTRACT
The lotus root is a kind of vegetable with hollow inside, containing high rate of water and starch. Because the lotus root quality is tender as well as frail and the shape
Is irregular, there will be lots of difficulties while being cut into slices and the slice of
Lotus root being sticked on the blade.In allusion to the present condition of the low lotus root mechanization slice technique,mainly，staying around the artificial to cut into slices in our country, the lotus root material characteristic was investigated in this paper.And a new kind of lotus roots slice machine was designed at the foundation of analyzing the domestic and international food slice processing technology, combining its material characteristic, and the function of the machine was tested and optimized.
In this paper, for the lotus root geometry and size of the statistics and analysis, including lotus root length and diameter distribution of the scope of section track different parts of the margin size, as well as the viscosity, such as calculations. At the same time, also introduced Lotus Roots Research slicing and problems of the initial type of slider-crank machine lotus root slices Lotus Roots slice of the overall structure of the materials that exist in the issue of holding a knife and sticky issues corresponding broken solution.
KEY WORDS: Lotus rhizome; Slice; Geometry form; Sticks the knife; Broken
目錄
摘要 2
第一章 緒 論 4
1.1 引言 4
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5
1.3 主要的設(shè)計內(nèi)容 8
第二章 荷藕切片機的設(shè)計 9
2.1荷藕幾何形狀分析與研究 9
2.1.1形狀特征分析 10
2.1.2. 鮮藕各部分尺寸分析 11
2.1.3不同部位的尺寸差異 13
2.1.4藕片的粘附力 14
2.2荷藕切片機的介紹 14
2.2.1切片機的工作原理 15
2.2.2切片機的結(jié)構(gòu)參數(shù) 15
2.2.3刀片的運動行程 16
2.2.4新型切藕機的特點 16
第三章 傳動機構(gòu)的虛擬建模 17
3.1虛擬樣機建模的定義及特點 17
3.2傳動機構(gòu)的三維建模 18
3.3本章小結(jié) 24
第四章 總結(jié)與展望 25
4.1總結(jié) 25
4.2展望 25
致謝 27
參考文獻 28
第一章 緒 論
1.1 引言
荷藕 ， 又 名芙集、芙蓉、荷藕，是一種多年生宿根水生草本植物，是我國極重要的水生蔬菜。
荷藕既是一種蔬菜，又兼有水果的特性，集營養(yǎng)和保健于一體，是一種藥食同源食品。荷藕是市場供應(yīng)的主要水生菜類，據(jù)測定藕中含碳水化合物20%、蛋白質(zhì)1%,脂肪0.1% 、粗纖維0.5%，同時含有豐富的鈣、磷、鐵等礦物質(zhì)，以及胡蘿卜素、VB1,VB2 VC等維生素。通過加工調(diào)制成糖腌藕片、速凍藕片、熱炒、冷拌藕絲、炸藕盒、糯米灌腸等，均為群眾喜食的可口佳肴.
我國是荷藕生產(chǎn)大國，具有悠久的種植歷史，荷藕產(chǎn)量、加工量、出口量均
居世界前列。據(jù)調(diào)查，我國大多數(shù)藕食品加工出口企業(yè)生產(chǎn)的藕片主要以人工切
片為主，如江蘇寶應(yīng)、金湖等產(chǎn)藕地區(qū)的食品加工企業(yè)。人工切片勞動強度大，
功效低，工人切片時一手直接抓取荷藕，一手使用木質(zhì)推板推動荷藕至切割刀片，
既不安全又不衛(wèi)生。近年來，我國對荷藕切片技術(shù)也開展了一些研究，但進展不
大，所研制的荷藕切片機始終沒能得到推廣，究其原因是對荷藕的切削加工性能
還缺乏了解。在切削藕片時普遍存在裝夾困難、表面易壓潰、藕片易粘刀和破碎
等問題，這就要求荷藕切片機械既要有好的力學(xué)切削特性，又要有較強的裝夾適
應(yīng)能力，以保證較低的破碎率和較高的生產(chǎn)效率，以滿足實際生產(chǎn)需要。因此，
研制新型荷藕切片機械，解決荷藕切片的實際問題己成為當(dāng)務(wù)之急.圖1-1為手
工切片圖。
1-1 手工切片
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前，食品切片技術(shù)在某些產(chǎn)品上已經(jīng)很成熟，如用于凍肉切片的旋轉(zhuǎn)圓盤式切片裝置，在國內(nèi)市場上可以見到的適用于大規(guī)模生產(chǎn)的人參切片機、馬鈴薯切片機、洋蔥切片機、黃姜切片機等。由于人參、馬鈴薯、黃姜這些食品形狀很不規(guī)則，又要求一定的表面質(zhì)量，所以不宜用夾具夾持。通常的做法是利用離心切削法進行切削，這樣即可以保證其表面的完好，又可以提高切削率，但離心切片方式不適應(yīng)藕瓜類蔬菜。藕瓜類的蔬菜偏軟，同時還有一定的粘附性，采用離心式的切法，可能導(dǎo)致藕瓜類蔬菜破碎，粘附刀片等現(xiàn)象。
近年來，為了滿足我國藕制半成品國內(nèi)消費和對外出口的需求，降低人工切片勞動強度，我國科研單位和企業(yè)針對荷藕切片加工技術(shù)難題，也開展了對荷藕切片機的研究和開發(fā)：
1) 湖北農(nóng)學(xué)院陳義厚、鄒必昌研制了一種盤式砍切型荷藕切片機，如圖1.1所示。該機的工作原理為：把荷藕放在豎直的導(dǎo)向管內(nèi)，底部由擋板頂住，在導(dǎo)向筒底部和擋板之間裝有旋轉(zhuǎn)托盤，托盤上沿徑向安裝若干把切片刀，切片刀隨托盤旋轉(zhuǎn)橫向切割荷藕，切出的藕片被刀片底面后部的藕片刷推到落料槽內(nèi)。該機的優(yōu)點是切割速度快，生產(chǎn)率高，缺點是破碎率較高，粘刀藕片難清理。分析其原因是由于切片刀隨托盤旋轉(zhuǎn)以一定的速度砍切荷藕，而刀片各點的切削速度又不一致，易造成薄藕片破碎，其次因藕片刷推力有限，造成粘刀藕片清理不干凈，從而影響后續(xù)切藕。本機采用皮帶輪傳動，易于安裝及檢修，更換零件，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用安全可靠；該機制造技術(shù)要求和制造成本低，標(biāo)準(zhǔn)零部件多，一般中小型機械廠家均可自制；該機調(diào)節(jié)厚度裝置，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)荷藕切片的厚度；該機實現(xiàn)自動化控制和操作，可以大大減輕勞動強度。
1.皮帶輪;2.電機;3.調(diào)節(jié)螺栓;4.擋板;5.刀片安裝盤;6.導(dǎo)筒;7.荷藕;8.主軸;9.皮帶
圖1.1 盤式荷藕切片機
2）機械工業(yè)食品裝備設(shè)計研究所李樹君針對砍切型荷藕切片機碎片率高的現(xiàn)象，研制了一種滑切型荷藕切片機，并對其運動參數(shù)進行了研究，如圖1.2所示。其工作原理為: 荷藕在定向進給機構(gòu)中沿與刀片成40o角的方向進給，圓盤刀既做上下垂直運動，又做水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，由于刀片沿一定斜角逐漸切削荷藕，因此有效地降低了碎片率，但此種切削方式加工出的藕片是斜薄片，有一定的局限性。其次由于刀盤的高速旋轉(zhuǎn)，與藕片產(chǎn)生急劇摩擦，摩擦使藕的淀粉大量滲出，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量。
1. 圓盤切刀 2. 荷藕
圖1.2.滑切型荷藕切片機
3）國內(nèi)實用新型專利95235217.6公開了一種藕瓜切片機，該機的切削原理是利用水平切刀盤的旋轉(zhuǎn)，將進料筒內(nèi)的藕瓜切成片狀，其工作原理類似于湖北農(nóng)學(xué)院陳義厚、鄒必昌研制的盤式荷藕切片機。這種實用新型公開了一種中空類瓜果如藕瓜切片機，該機包括機架，機架上設(shè)有電機，電機通過傳動裝置與主軸連接，主軸垂直布置，主軸上端部水平地設(shè)有切刀盤，切刀盤上安裝有切刀，主軸上端部與切刀盤皆于切箱內(nèi)，切箱內(nèi)有出料筒及刮料板，切箱上部的蓋板上設(shè)有進料筒。這種實用新型適于中空類瓜果的切片，加工時具有效率高、質(zhì)量好，加工的藕片無咬邊、破碎、楔形、厚薄不均等現(xiàn)象。
4） 美國的urschelcc研究院研制的
translicer2000
如圖所示，其原理是采用輸送帶，將荷藕按照一定的速度向前推進，然后圓輪刀片按照一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而通過調(diào)整送料的速度以及圓輪的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)切片的厚度。
translicer2500帶式送料切片機
1.3 主要的設(shè)計內(nèi)容
本文針對原有曲柄滑塊式荷藕切片機存在振動大，切削平整度不理想、有斜邊及藕片退料結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，進行了研究和探討，通過進一步優(yōu)化設(shè)計，改進了原有樣機結(jié)構(gòu)，提高了切片機的工作穩(wěn)定性與切削質(zhì)量，解決了藕片退料問題。
1）原有的曲柄滑塊式的連桿在與裝有刀片的滑塊進行連接后，對于連接點的要求比較高，因為當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，連接點的不同，可能會引起刀片的上翹，從而會導(dǎo)致藕片的厚度不一致。所以必須解決這個問題。
2）由于藕片上有氣孔，同時藕具有粘性，所以藕片極容易粘附在刀片上，所以怎么退料這個問題也要解決，選擇盡量簡單的結(jié)構(gòu)，來達到想要的效果。
3）嘗試三維建模，對樣機有個大概的了解。
第二章 荷藕切片機的設(shè)計
2.1荷藕幾何形狀分析與研究
準(zhǔn)確測定荷藕的幾何形狀特征，對正確制定加工工藝、選擇合理的加工方法及確定加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)都有著密切的關(guān)系。因此在進行加工設(shè)備的設(shè)計和試驗前，有必要首先測定荷藕的幾何形狀特征。
本試驗對江蘇省金湖縣產(chǎn)荷藕進行了幾何形狀特征的統(tǒng)計與分析，收獲后第二天測試。
2.1.1形狀特征分析
荷藕一般有三節(jié)，分為第一節(jié)（首節(jié)）、第二節(jié)和第三節(jié)，每一節(jié)分為前端、中間和后端，各部分名稱劃分如圖。
荷藕縱斷面呈多孔的扁圓狀，經(jīng)統(tǒng)計與分析后發(fā)現(xiàn)，一般有8～11個邊孔，中間部分有一個心孔，靠近表皮的圓周部分有6～14個細孔，如圖所示，心孔與邊孔之間的距離S的分布范圍為15mm～30mm，邊孔到表皮的距離K的分布范圍為4mm～10mm。
藕片各部分名稱
藕片的形狀
2.1.2. 鮮藕各部分尺寸分析
荷藕的幾何尺寸是正確選擇加工設(shè)備和確定其結(jié)構(gòu)尺寸的主要依據(jù)。對荷藕的測試主要包括：節(jié)長、直徑、質(zhì)量。
從大量鮮藕中隨機抽取100節(jié)荷藕進行測量。測量節(jié)長，從根毛著生處水平切一刀，切去兩端的根梢，量取剩余的純藕長度，以mm表示;測量節(jié)徑，量取藕節(jié)部最寬處。對荷藕以個體質(zhì)量等級不同分類所得節(jié)長、縱斷面直徑（節(jié)徑）、平均重量見表
加工荷藕外形尺寸均值表
樣品
節(jié)長（mm）
節(jié)徑(mm)
平均重量(Kg)
1.0㎏以上
224
78
1.03
1.0～0.5㎏
191
60
0.75
0.5㎏以下
160
52
0.35
平均
192
63
0.71
測量結(jié)果顯示，節(jié)長、節(jié)徑呈同步增長的關(guān)系，藕節(jié)越粗，節(jié)徑越大，對應(yīng)的質(zhì)量也越大。
荷藕個體之間的差異大小、荷藕兩端和中間的直徑差異對加工設(shè)備的設(shè)計和利用率都有很大影響，測量時，應(yīng)以節(jié)來劃分，分別對第一節(jié)、第二節(jié)、第三節(jié)進行測試。
對第一節(jié)的節(jié)徑進行測量，節(jié)徑在30mm～80mm之間，分為6個等分，每等分10mm，統(tǒng)計每一等分個體數(shù)占總個體數(shù)的百分率，其節(jié)徑最大值分布分別見表、圖。
第一節(jié)節(jié)徑（最大值）分布表
節(jié)徑（㎜）
40以下
40～50
50～60
60～70
70～80
80～90
所占百分比（﹪）
3.7
9.2
19.2
41.5
23.1
3.3
第一節(jié)節(jié)徑分布
第二節(jié)節(jié)徑在60mm～110mm之間，分為6個等分，每等分10mm，統(tǒng)計每一等分個體數(shù)占總個體數(shù)的百分率，其節(jié)徑最大值分別見表和圖。
第二節(jié)節(jié)徑（最大值）分布表
節(jié)徑(mm)
60以下
60～70
70～80
80～90
90～100
100～110
所占百分比（﹪）
5.2
11.5
18.5
31.2
23.5
10.1
第二節(jié)直徑分布
第三節(jié)節(jié)徑在40mm～90mm之間，分為6個等分，每等分10mm，統(tǒng)計每一等分個體數(shù)占總個體數(shù)的百分率，其節(jié)徑最大值分別見表和圖。
第三節(jié)節(jié)徑（最大值）分布表
節(jié)徑(mm)
40以下
40～50
50～60
60～70
70～80
80～90
所占百分比（﹪）
3.3
17.8
24.2
34.3
12.1
8.3
第三節(jié)節(jié)徑分布
從圖中所示結(jié)果可以看出節(jié)徑基本分布在40mm～80mm之間，其個體總數(shù)占總個體數(shù)比例大約是90%左右，但從整體上看，分布較為分散，考慮切片加工裝置適應(yīng)不同尺寸的荷藕，切片前須對荷藕進行切斷處理。
2.1.3不同部位的尺寸差異
中間和兩端的節(jié)徑差異對荷藕在切削時的跳動有影響，所以重點測試了荷藕中間的節(jié)徑尺寸以及和兩端的差值，測試時去掉兩端的根頭和根須，所得尺寸見表
第一節(jié)尺寸統(tǒng)計
名稱
中間節(jié)徑均值（mm）
與前端差值 (mm)
與后端差值 (mm)
結(jié)果
55.8
12.1～24.5
11.2～21.3
第一節(jié)比較長，后端到中間的節(jié)寬變化比較大，中間到前端的節(jié)徑變化比較平緩，第一節(jié)節(jié)徑比較小，藕孔稀疏粗大，是切片時產(chǎn)生碎片較多的部分
第二節(jié)尺寸統(tǒng)計
名稱
中間節(jié)徑均值（mm）
與前端差值 (mm)
與后端差值 (mm)
結(jié)果
75.4
6.1～10.5
5.2～12.3
第二節(jié)是整根荷藕中最粗的部分，兩端和中間的直徑差異不大，節(jié)徑變化比較平緩，在物料導(dǎo)筒內(nèi)被切削時被切端的偏移量比較小，邊孔到表皮的距離比較大，是切片時碎片率最低的部分。
第三節(jié)尺寸統(tǒng)計
名稱
中間直徑均值（mm）
與前端差值范圍(mm)
與后端差值范圍(mm)
結(jié)果
65.6
13.1～25.5
9.8～21.9
第三節(jié)節(jié)長較小，兩端和中間的直徑的差值比較大，兩端節(jié)徑基本相等，在物料導(dǎo)筒內(nèi)被切削時易偏移，邊孔到表皮的距離較大，切片的碎片率較低。
從表中可以看出，中間段的節(jié)徑大致分布在50mm～80mm 之間，與兩端的差值分布在10mm～25mm之間，根據(jù)這一數(shù)據(jù)，可以推算出，荷藕在物料導(dǎo)筒內(nèi)被切削時，被切削端產(chǎn)生的最大偏移距離在5mm～12.5mm之間。
2.1.4藕片的粘附力
荷藕被切片時，切出的藕片易乳附在切片刀上，需要采用一種清理落料裝置，
設(shè)計清理落料裝置要用到藕片的豁附力，所以設(shè)計了藕片粘附力測試試驗。試驗
物料為金湖產(chǎn)白荷藕，含水率為86%，采挖后第二天測試，荷藕的節(jié)徑為60mm-
80mm.試驗裝置為微控電子萬能試驗機。
分析藕片和切片刀的貓附力，形成的機理為:藕片和切片刀接觸的部位，由
于水和淀粉的原因，形成封閉的薄膜，在大氣壓力的作用下，藕片和刀片粘附在
一起。所得數(shù)據(jù)如表
序號
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
粘附力（N）
0.31
0.32
0.34
0.42
0.36
0.45
0.41
0.38
0.42
0.36
序號
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
粘附力(N)
0.41
0.43
0.42
0.35
0.34
0.45
0.50
0.36
0.43
0.46
從表中可以看出，藕片和刀片之間的粘附力在0.3-0.5N之間，變化不大，其平均值是0.38N。
2.2荷藕切片機的介紹
綜合以上的荷藕的幾何形狀，粘附力等，開展荷藕切片機的設(shè)計，機構(gòu)的確定，參數(shù)的確定，由于沒有設(shè)計的經(jīng)驗，所以在已經(jīng)針對盤式切片機旋轉(zhuǎn)切片存在破碎率高、粘刀藕片難清理的缺點，吸收人工切片工作原理基礎(chǔ)上設(shè)計出的一種對心曲柄滑塊式荷藕切片機上進行改進。
2.2.1切片機的工作原理
如圖1.3所示，切片機結(jié)構(gòu)簡圖，主要由曲柄1、連桿2、滑軌3、滑塊4、連軸5 、軸連接件6、底板7、刀片8、導(dǎo)筒9，滑塊10，導(dǎo)軌11，擋塊12、支撐板13，臺架14，臺面15等組成。切片機工作原理為：首先按照直徑對荷藕進行分選，切片機設(shè)有四個不同直徑的物料導(dǎo)筒，將荷藕按照直徑大小分別放入對應(yīng)筒徑的物料導(dǎo)筒中。電動機帶動曲柄滑塊機構(gòu)運動，水平安裝在底板上的切片刀開始對荷藕進行往復(fù)切削。荷藕放入物料導(dǎo)筒內(nèi)，一次可以疊放幾段荷藕，依靠上部荷藕的自重和壓塊壓住下部的荷藕，使其下表面抵在物料擋板上。切削行程末了，切出的藕片會由于底板的前進，與擋板相碰撞，從而使藕片調(diào)入落料筒里，從而來完成整個切藕的動作。
曲柄1、連桿2、滑軌3、滑塊4、連軸5 、軸連接件6、底板7、刀片8、導(dǎo)筒9，滑塊10，導(dǎo)軌11，擋塊12、支撐板13，臺架14，臺面15
2.2.2切片機的結(jié)構(gòu)參數(shù)
荷藕切片機設(shè)計參數(shù)的確定，第一、根據(jù)蓮藕的直徑分布情況，選荷藕的直徑為100mm,進而確定蓮藕切片機的切削機構(gòu)的行程至少為200mm，從而選定曲柄的半徑為125mm；第二、根據(jù)機構(gòu)最小傳動角的要求，確定了機構(gòu)連桿的長度為440mm；此外在切片機上還設(shè)計了小塊的墊板來調(diào)節(jié)切的藕片的厚度，同時還有四個不同直徑蓮藕物料導(dǎo)桶，以滿足藕片切片的要求。
2.2.3刀片的運動行程
下面對刀片的運動行程進行簡略說明：切片刀開始切片前刀刃距離蓮藕大約50㎜。之所以預(yù)留50㎜的距離，是因為切片時需要一定的速度，當(dāng)?shù)镀善鹗嘉恢瞄_始滑動時，其速度由零開始慢慢增加，當(dāng)?shù)竭_切割位置時，刀片的速度已經(jīng)達到了所要求的切片速度。設(shè)計刀片的縱向長度為237mm，由于刀片置于底板上，因此，實際刀片與藕片接觸的長度為200mm，50mm的緩沖距離在底板上故能滿足切藕需要。對于最大直徑為100㎜的蓮藕，完全滿足落料要求。
2.2.4新型切藕機的特點
在此之前，學(xué)長們也設(shè)計了曲柄滑塊機構(gòu)的切藕機，因此我是在老師的指導(dǎo)下對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時嘗試著改變機構(gòu)的安裝位置，來設(shè)計另一種切藕機。主要是解決由于作用點不同，引起刀片上翹，從而致使藕片厚度不均勻的問題，我采用了一個導(dǎo)向滑塊滑軌來保證曲柄帶著的連桿在水平方向上的運動是水平的，沒有垂直方向上的誤差。將軸的一端用螺母、墊片與滑塊連接，同時另一端用軸連接件與另一根軸垂直連接，而底板是用兩個U形耳板連接到軸上，同時保證耳板的軸線與軸的軸線垂直,底板面與與滑塊連接的軸的軸線平行。刀片就固定在底板上，隨著底板，在曲柄運動時往復(fù)運動，從而達到切片的效果。而在底板的上會有四個落料孔，切下的藕片在擋塊的作用下，從落料空中落下。最終完成整個切片的流程。
以下是曲柄式切片機的幾個特點：
① 切片機在原理上采用了曲柄滑塊機構(gòu)，從藕片切削試驗中得出：曲柄滑塊切片機基本上解決了圓盤型切片機所帶來的藕片易破碎，破碎率高的問題。
② 在物料導(dǎo)桶的設(shè)計上，首先對荷藕的尺寸外形進行了統(tǒng)計與分析，得到了荷藕的外形特征和尺寸分布范圍，根據(jù)尺寸分布范圍和密度，設(shè)計了多個直徑不同的導(dǎo)筒，從而滿足了不同直徑的荷藕裝夾要求。
③ 新型蓮藕切片機采用了擋塊退料裝置，讓藕片在具有一定的速度的情況下，與擋板發(fā)生相撞，從而使藕片與刀片發(fā)生滑移，在設(shè)計時，再到刀片上會有細小的氣孔，當(dāng)藕片滑倒氣孔位置時，藕片與刀片間的粘附力會由于接觸面積的減小而減小，同時由于氣孔，在藕片的上部會有大氣的氣壓，最終讓藕片遇到片分離，基本上解決了目前普遍存在的粘刀藕片難清理問題。
這中新型的曲柄滑塊式切藕機仍然有許多不足之處：
1）當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為80～90r/min的工作轉(zhuǎn)速時，樣機的臺面振動大，切片機運行不穩(wěn)定，蓮藕的切片質(zhì)量得不到保證。
2)該機型的有些組成部分用的是粗加工-焊接，因此，其結(jié)構(gòu)的機密程度就會降低，會導(dǎo)致藕片的厚薄度不一樣，平整度不高，斜邊現(xiàn)象。
3）用的擋塊裝置，由于底板行程的原因，擋板會很長，但由于是與藕片接觸，其厚度不夠，因此對于材料的要求會特別的高。
第三章 傳動機構(gòu)的虛擬建模
3.1虛擬樣機建模的定義及特點
虛擬樣機中的所謂“虛擬”，是相對于實際的物理樣機而言的，體現(xiàn)了樣機的數(shù)字化。虛擬樣機技術(shù)就是不必建造物理樣機，設(shè)計師直接利用計算機技術(shù)建立產(chǎn)品整機的數(shù)字模型，通過仿真分析并以圖形顯示該模型在真實工程條件下的運動特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。虛擬樣機技術(shù)是一門綜合學(xué)科的技術(shù)，該技術(shù)以CAD和仿真技術(shù)為核心，加以三維計算機圖形技術(shù)和用戶界面技術(shù)，將傳統(tǒng)松散關(guān)系的零部件設(shè)計和分析(例如零件CAD和有限元分析)集成在一起，提供一個全系統(tǒng)研究產(chǎn)品性能的方法。在整個設(shè)計過程中都可反饋信息，指導(dǎo)設(shè)計，迅速獲取產(chǎn)品最優(yōu)解。
虛擬樣機是一種計算機模型，它能夠反映實際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運動學(xué)和動力學(xué)的特性。借助于這項技術(shù)設(shè)計師可以在計算機上建立機械系統(tǒng)的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在真實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)。虛擬樣機技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢，對產(chǎn)品進行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎(chǔ)上，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的設(shè)計方法。
虛擬樣機技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)。該技術(shù)以機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心加上成熟的三維計算機圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù)，將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)(如零部件的CAD和有限元分析)集成在一起，提供一個全新的研發(fā)機械產(chǎn)品的設(shè)計方法。它通過設(shè)計中的反饋信息不斷的指導(dǎo)設(shè)計，保證產(chǎn)品尋優(yōu)過程的順利進行。
虛擬樣機的設(shè)計方法具有以下特點:
1. 新的研發(fā)模式。
2. 更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期、更高的產(chǎn)品質(zhì)量。
3. 實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟的重要手段。
3.2傳動機構(gòu)的三維建模
現(xiàn)在以滑塊為例
1.選定一個基準(zhǔn)面。
2.在選定的基準(zhǔn)面上，將零件沿軸向上的輪廓圖畫出來，然后進行拉伸。
3.再選定一個基準(zhǔn)面，將滑塊上的耳形板拉伸出來
4.在耳板的中心面上向兩邊拉伸一個能覆蓋耳板的長方形，最后去除材料。最后得出滑塊。
現(xiàn)在以導(dǎo)向滑軌為例
1.選定一個基準(zhǔn)面
2.在選定的基準(zhǔn)面上，將零件沿軸向上的輪廓圖畫出來，然后進行拉伸。
3.采用陣列，將4個螺紋孔在滑軌上表現(xiàn)出來。從而整個導(dǎo)向滑軌的結(jié)構(gòu)就基本體現(xiàn)出來了。
最后簡單了解下傳動機構(gòu)的裝配
1.先調(diào)入第一個零件-曲柄
2.調(diào)入與曲柄連接的連接件，同時對其與曲柄的關(guān)系位置進行約束。
3.下一步，調(diào)入連桿，加上約束條件，使其與上一步的連接件很好的配合。
4.下一步，調(diào)入導(dǎo)向滑軌滑塊，限制約束條件。
5.按照每次的步驟，把相應(yīng)的零件依次按照約束條件裝配，則傳動部分的裝配圖如下圖
3.3本章小結(jié)
該章只是對切片機的一個傳動機構(gòu)，進行了三維的建模，由于本人的知識的缺憾，以及對軟件認識的不深，所以只是簡單的三維建模，希望在以后的工作中能得到鍛煉和提高。
第四章 總結(jié)與展望
4.1總結(jié)
這次畢業(yè)設(shè)計是我們從一個大學(xué)生走向機械工程師重要的一個考驗。我們經(jīng)歷了最初的選題、開題到計算、繪圖直到完成設(shè)計。其間，我們要去查找資料，接受老師的指導(dǎo)，還要與同學(xué)交流，反復(fù)修改圖紙，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。
通過這次設(shè)計，我了解了切片機的用途及工作原理，熟悉了產(chǎn)品的設(shè)計步驟，鍛煉了設(shè)計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設(shè)計能力。這次的畢業(yè)設(shè)計是對我機械專業(yè)知識和基礎(chǔ)知識的一次檢驗和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。
通過這次畢業(yè)設(shè)計，我收獲很多。
1）學(xué)會了查找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在畢業(yè)設(shè)計過程中，每個零件的數(shù)據(jù)都不是憑空想象的，都是要有根據(jù)的，從螺母螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件的查找，到零件的整體尺寸，最后再到整體裝配的尺寸。
2）學(xué)會了對各種數(shù)據(jù)進行分析，從中找出對自己設(shè)計有用的信息，發(fā)現(xiàn)其中的問題，最終才能更好的解決問題。
3）繪圖能力提高了。通過大量的圖紙繪制，使自己的繪圖能力上了一個新的臺階。
但是畢業(yè)設(shè)計也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。
1缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力。對待一個問題老是只想的一個方面的問題，比如一個連接件，考慮到了強度要求，體積要求，就是沒有想到其成本和加工過程。
2對材料方面的知識欠缺。不了解材料，確定一個零件的材料需要查好多資料才能確定。
4.2展望
近年來，隨著中國加入了世貿(mào)組織，人們對于蔬菜的需求越來越大，但是像荷藕這類的蔬菜，沒有很好的蔬菜機械對其進行加工。所以像荷藕切片機切片機這種機械將來會有很大的市場。
這次實踐是對自己大學(xué)四年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長，以后更應(yīng)該在工作中學(xué)習(xí)，努力使自己 成為一個對社會有所貢獻的人，為中國機械行業(yè)添上自己的微薄之力。
致謝
在畢業(yè)設(shè)中我的導(dǎo)師，農(nóng)機研究院的胡建平教授對我認真指導(dǎo)，雖然在畢業(yè)設(shè)計過程中，我出去實習(xí)了一個月，可是導(dǎo)師并沒有怪我，相反的，每周都會對我的設(shè)計工作進行檢查，幫我一起解決在設(shè)計工作中遇到的問題，在老師的帶領(lǐng)下，我學(xué)到了很多的知識，在此對他表示感謝。
感謝舍友劉萬兵、沈元錫、蔣林等在生活和學(xué)習(xí)過程中給予的幫助；感謝孫衛(wèi)兵、王榮榮等同學(xué)在課題研究過程中給予的啟發(fā)與幫助。另外，本文研究工作能夠得以完成還得到了許多老師和同學(xué)們的幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝！
參考文獻
[1] 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)主編. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M].中國農(nóng)業(yè)出版社. 1996，3
[2] 北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué).農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M].第二版.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1996.
[3] 李瑞濤，方泥，張文明.虛擬樣機技術(shù)的概念及應(yīng)用[J].機電一體化，2000,12(5):17-19
[4] 祖旭，黃洪鐘，張旭.虛擬樣機技術(shù)及其發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2004,35(2):168-171
[5] 張建平，胡建平．無骨肉制品切割分塊機的設(shè)計及試制[J]．山東農(nóng)機，2003
[6] 李昌滿 ，劉福文， 王彥． 離心式人參切片機設(shè)計研究[J]．農(nóng)機與食品機械 ，1996，（6）：22—25
[7] 黃桂琴， 瞿越 ，莫秀玲 ．人參切片機設(shè)計研究[J]．吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996， 18（3）：90—93
[8] 彭三河． 蓮藕柔性去皮機的研究[J]．長江大學(xué)學(xué)報， 2004
[9] 畢偉. 蓮藕物料特性及切片技術(shù)研究[D]. 江蘇大學(xué)，2006
[10] 邵鄰相.熟制脫水藕片加工工藝的研究[J].食品研究與開發(fā)，1998，20(4):28-30
[11] 朱定和，夏文水.蓮藕食品的加工現(xiàn)狀與發(fā)展[J].食品工業(yè)科技，2002，23(8):99-100
[12] 陳義厚，鄒必昌. 蓮藕切片機的設(shè)計與研究[J]. 湖北農(nóng)學(xué)院學(xué)報，2003（6）：44-46
[13] 畢偉，胡建平. 荷藕切片技術(shù)的研究現(xiàn)狀及新機型設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究，2006（12）：112-114
[14] 楊永才.中國農(nóng)業(yè)機械化面向21世紀(jì)的發(fā)展和對策[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，1999，30(2):129
[15] 王銀芝.農(nóng)用車輛整車振動特性研究[D]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003
[16] 趙志杰.基于虛擬樣機技術(shù)的振動機械動態(tài)仿真研究[D]. 西安建筑工程大學(xué)，2006
[17] 黃茂林，秦偉主編．機械原理[M]．機械工業(yè)出版社出版社，2002
[18] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].第三版.北京:高等教育出版社，1992.
[19] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組。理論力學(xué)[M]。高等教育出版社，1997
[20] 吳宗澤.機械設(shè)計師手冊(上冊) [M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.
[21] 吳宗澤.機械設(shè)計師手冊(下冊) [M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.
[22] Kochev I S. General Method for Active Balancing of Combined Shanking Moment and Torque Fluctuation in Planar Linkages[J]. Mech. Mach. Theory 1990, 25(6): 679-687
[23] Niu ming Qi，E .Penestri .Optimum Balancing of four-bar Linkages A Refined Alkgorithm[J]. Mech. Mach. Theory, 1991，26(3): 337-384
[24] 自人樸.21世紀(jì)初葉我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展展望[J].中國農(nóng)機化，2000，(5):8-11
[25] 何亞銀.基于虛擬樣機仿真的機構(gòu)動平衡研究[D]. 西北工業(yè)大學(xué)，2006
第 29 頁 共 29 頁