苹果分级机设计Word格式.docx
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tray.AndthenthroughtheloadcelltomeasuretheweightoftheapplesthroughthePLC
controlsystemtoachievetheclassificationoffruits.Thistopicistheorganiccombinationof
mechanical,electrical,sensor,signalconversiontechnologyandcomprehensiveapplicationto
thedesignconceptoftheapplegradingmachine,andultimatelyagradingmachine
automation,improvetheefficiencyofapplegradingandquality.
Keywords:
applegrading,conveyor,sensor,solenoidvalve,ProgrammableLogicController
目
录
III
1
绪论------------------------------------------------------------------------------------------------------
1.1
1.2
1.3
1.4
课题来源及目的..........................................................................................................1
课题意义......................................................................................................................1
国内外发展状况..........................................................................................................2
本课题的设计要求......................................................................................................3
-------------------------------------------------------------------------
2
3
苹果分级系统总体设计
2.1机械系统设计..............................................................................................................
2.2电气控制系统设计思路..............................................................................................
2.3小结..............................................................................................................................
输送系统的设计计算----------------------------------------------------------------------------
3.1第一级输送带的设计..................................................................................................
........................................................................................
4
5
6
7
3.2
3.3
3.4
3.5
第二级输送带的设计计算
输送链的设计计算....................................................................................................
输送链的传动机构设计计算....................................................................................
分级执行系统的设计................................................................................................
13
16
23
27
控制系统的设计-----------------------------------------------------------------------------------29
4.1控制系统中PLC的应用..............................................................................................29
4.2传感器原理................................................................................................................31
4.3放大器LM339N............................................................................................................31
4.4PLC控制设计..............................................................................................................33
4.5小结............................................................................................................................36
结论----------------------------------------------------------------------------------------------------37
---------------------------------------------------------------------------------------------
参考文献
致谢-------------------------------------------------------------------------------------------------------
38
39
绪论
选题背景
我国自古以来就是水果生产大国。
水果产业为开辟产业链创造新的途径，同时也
促进农民增收作出了积极贡献。
虽然我国水果产量很大，但是水果采摘后处理落后，
外观质量较差，从而导致了水果的市场竞争力比较弱[1]。
国内水果商品化处理过程中打
蜡和清洁已经比较成熟，但是分级技术还是比较落后。
农产品产地初加工主要包括产
后净化、分类分级、干燥、预冷、储藏、保鲜、包装等环节。
通过积极地科学适用初
加工技术，可以实现“增加供给、稳定价格、拉动内需、促进增长”等一举多效的目
标。
因此需要我们开发出新的果实采摘后的处理技术，提高果实的市场价值。
多年来，由农户和专业合作组织自行完成的比重超过农产品产量的一半，有的品
种甚至高达80%以上。
由于设施简陋、方法原始、工艺落后，导致农产品产后损失严
重，供给波动。
据专家测算，我国粮食、马铃薯、水果、蔬菜的产后损失率分别为7%
至11%、15%至20%、15%至20%和20%至25%，远高于发达国家的平均损失率，折算经济损
失达3000亿元以上，相当于1亿多亩耕地的投入和产出被浪费掉。
农产品初加工的技术
开发可以有效拉动内需。
大量的产后损失严重侵蚀了农业增效、农民增收的基础，也
给农产品的有效供给带来了压力。
特别是产后损失大的农产品主产区，多为我国中西
部经济基础相对薄弱、农民增收困难的地区，解决这个问题显得尤为迫切。
新疆农业
产业化发展局副局长文玉杰说，新疆特色农产品尤其是优质林果产品已经赢得了广大
消费者的认可，市场前景广阔。
但是储藏、保鲜、烘干、分级、包装等产地初加工环
节的滞后，使得农产品产后损失严重，尤其是鲜食果蔬的损失率更高达20%[2]。
随着国
家对技术领域的重视以及一大批项目的启动，这一状况有望得到改善。
课题意义
中国是水果生产大国。
中国人口占全球19%，耕地面积只有全球的9%，以9%的耕地
养活19%的人民，这是长期以来，我们中国农业一直面临的问题。
如何管理日益紧张的
土地资源，如何从政策和体制上突破“三农”——农村、农业、农民的问题，如何推
动资本，改革农业问题，这些都是亟待解决的重大问题。
党中央、国务院对农业发展
给了很大的支持和许多政策[3]。
差不多每年中央的红头文件的一号文件就是农业。
所以
大家对农业给予很大的希望，在这样的背景下，中国农商高峰论坛将开行业之先河，
邀请众多的国际资深学者，以东西方高端对话的形式，共同探讨应该如何加速行业的
健康成长，开启行业发展的新的征程。
但是由中国出口到国外市场的水果，由于在采
摘后处理不完善,缺乏市场竞争力。
而在欧美等发达国家,农产品收获后,都会要经过
良好的分级和包装,具有很强的市场竞争力。
当下,我国农业面临着挑战和机遇,要求
我们紧跟国外先进生产的步伐,
力,增加农民收人的目的。
让水果在采摘后能够及时的通过分级,
提高市场竞争
因此，本文设计一种具有无损自动分级功能的苹果分级机，具有十分突出的现实
意义。
国内外发展状况
国外在最初的果蔬自动分级方法主要是通过相机进行拍照和分析，集合了图像处
[4]
[5]
[6]
[13]
理技术，计算机软件分析技术，无损检测技术，传感器技术等一系列的方法对果蔬的
分级设计方案做贡献，国外目前的状况是，他们对于基于视觉系统的果蔬分拣比较感
兴趣，除了利用信息处理技术以外，他们还积极地利用红外线检验等物理检验的先进
光谱技术来进行水果的无损检测。
国外在利用核磁共振，X射线，热红外线等先进的技术来检测蔬果的成熟度和是
否有损伤，工程师们利用X射线可以识别出水果的核内是否变质，同时利用X射线还可
以计算出苹果的损伤程度。
比如国外的科学家利用单脉冲核磁共振来对梨子进行分
级。
想这样的分级方法不但能够准确的测出梨子的成熟度，还能检测损伤的新旧程
度。
实验表明了，在水果损伤了几分钟之内，擦伤处和正常部位存在很大的温差，热
成像技术能够准确的进行检测。
回到国内，我国的水果自动分级机设计和研究起源于上世纪90年底后期，而且也
是主要集中在水果外在品质检测方面。
由于我国先进技术的限制，我们利用高科技的
成像技术来针对水果的内部品质检测并不多。
因此，我们目前的对水果分级的方法还
是最简单的基于重量和大小的初步分级。
比如本课题是基于重量分级的，原理如下：
我们在分级出口处所对应的导轨上安装可以往复运动的挡板，同时将挡板固定在电磁
铁上，通过PLC电磁铁的动作控制挡板来回移动。
当电磁铁上电时，电磁铁带动挡板
朝远离托盘方向运动，使导轨上出现缺口，托盘中的苹果经过缺口处时，自动掉落到
分级框内。
分级操作过程如下：
苹果经称重传感器称重后，电压比较器控制系统判断
其等级，确定其分级出口。
然后经链输送到其分级出口。
在正常输送过程中，托盘左
端在导轨的挡板作用下保持水平平衡。
当苹果输送到其等级出口时，PLC控制系统就
发出信号使电磁铁上电，控制活动挡板作直线往返运动，使导轨上出现缺口，此时正
好运动到该位置的托盘，此时苹果在重力作用下，托盘会自动倾斜，将苹果滚入相应
分级出口，实现了分级的目的。
我国国内的自动分级设备基本还处于实验室阶段。
我们国家的目前在进行水果
分级的时候，很多时候是买国外的技术和设备，但是我们没有考虑到，国外的技术是
正对他们的大农场的模式来设计和开发的，但是对我们来说，这样的技术并不是合理
的。
同时，我国农业大学的籍保平教授带领的专家学者团队，就中国水果生产的现
状，开发除了一条基于水果视觉分级系统，这套系统可以同时对水果的外部缺陷，颜
色，大小和形状进行检测。
我们在处理数据得时候，利用了数学工具，在水果的大
小、颜色的处理中采取了简单的算法，因此提高了分级速度。
本课题的设计要求
本课题将要完成的主要任务如下：
1、技术要求：
该机可实现苹果自动输送及分级，分级效率大约为8000个/小时，分级4级。
2、学生工作量要求：
完成包括总装配图、部件图、主要零件图在内的图纸不少于2张A0，主要零件图总
图幅不少于一张A1，PLC控制电路原理图1张A1；
设计计算说明书不少于1.5万字；
外
文技术资料翻译不少于2万印刷符号。
本文是涉及苹果分级机的设计。
工作流程如下：
苹果从输入口进入流水线，经过
两级输送带，落入输送链上的托盘里，经过称重传感器称重，判断等级，控制分级执
行装置（通过电磁铁动作）将苹果送入不同的分级出口。
2.1
机械系统设计
在本课题设计中，机械系统包括两部分：
苹果输送系统和分级执行系统。
2.1.1
输送系统
本课题的设计任务是对苹果进行分级。
苹果近似圆形，果实坚硬，表面光滑，所
以输送系统采用带式输送机和带托盘的链式输送机输送，如图2-1所示。
为了能够将送
料口杂乱的苹果在传送过程中形成有一定间隔的整齐排列，传送带采用三级结构。
苹
果从送料口，通过第一级水平传送带、第二级向上倾斜传送带，下落到第三级输送链
上的托盘上。
由于本系统是用于苹果分级，因而根据食品卫生法的要求，选用植物麻纤维做为
传送带的材料，传送带和托盘均喷一层黑色无污染涂料。
传送系统的速度以第三级传
送链为依据。
参考一般苹果实际尺寸，假设待检测瓜果最大直径为15cm，两托盘间距
以2cm计算。
按指标每秒处理分级3个苹果推算，第三级传送链的最大线速度为：
Vmax=（0.15×
3+0.02×
2+0.03）=0.5m/s（2-1）
一级传送带速度以二、三级传送速度为参考。
图2-1
三级输送示意图
2.1.2
分拣执行系统
苹果分拣系统是靠绕轴转动的托盘来实现的，如图2-2所示。
托盘安装在传送链上
支撑杆的支点上，可以绕其支点转动。
本设计在各个分级出口处的导轨上安装可以来
回移动的挡板，挡板固定在电磁铁上，通过电磁铁的动作控制挡板来回移动。
当电磁
铁上电时，电磁铁带动挡板朝远离托盘方向运动，使导轨上出现缺口，托盘中的苹果
经过缺口处时，自动掉落到分级框内。
苹果经称重传感器称重后，电压比较器控制系统判断其等
级，确定其分级出口。
在正常输送过程中，托盘左端在
导轨的挡板作用下保持水平平衡。
当苹果输送到其等级出口时，PLC控制系统就发出
信号使电磁铁上电，控制活动挡板作直线往返运动，使导轨上出现缺口，此时正好运
动到该位置的托盘，在苹果重力作用下，托盘绕其支点转动倾斜，将苹果滚入相应分
级出口，实现了分级的目的。
为了在分级的过程中不污染和损坏苹果，本分级系统采用了比较清洁和卫生的驱
动和执行部件。
因本机要求分级效率大约为8000个/小时，所以执行机构工作频繁，故
本机在保证功能和降低成本的前提下，选择直流电磁铁驱动，其优点是：
在频繁动作
下工作可靠性好，动作平稳，寿命比交流电磁铁长，适用于本系统的工作需要。
导轨
电磁铁
挡板
托盘
图2-2分级执行机构图
2.2
电气控制系统设计
用PLC来控制电磁铁的动作，来实现苹果的分级，见第四章。
2.3
小结
本章讨论了苹果分级系统的总体方案，并对关键问题提出了可行的解决方案。
机
械系统采用两级输送带和一级带托盘的输送链来实现苹果自动排列和传送；
在整个输
送和分级过程中采用PLC控制系统来控制。
在确定方案的开始，我们就遇到了很多问
题，比如说，我们该怎样去设计3级输送，为什么采用3级输送而不是2级输送，最后我
们为了能够让苹果一个一个的落入托盘内，在第一级的输送带上，增加了挡板，上料
后，苹果就会顺着挡板的方向，在挡板的侧压力之下，最后排成一列，落到第二级
内。
为了能够让苹果一个一个的落入第三级的托盘内，我们设计了第二级输送带，能
够让苹果已恒定的速度，有秩序的落入托盘内。
基于上面的考虑，我们选择了3级输送
的方案。
接着就是怎么控制水果分级的问题，首先我们就想到了如何实现分级，我们
通过压力传感器给出的数据，将数据输送到电压比较器中与我们先前通过实验得到的
设置数据进行比较，从而得到苹果的所属范围，告诉系统苹果的分级具体位置。
当苹
果经过该处时，电磁铁动作，托盘脱离轨道，实现了苹果的分级过程。
带宽B，mm
300
400
500
650
800
1000
1200
允许单位
散装
物料
150
150-200
300-400
500-600
500-700
500-800
N/m
成件
物品
机械系统的设计计算
3.1
第一级输送带的设计
第一级传送机构采用QD80轻型固定式输送带，输送机允许的单位长度载荷不得
大于如表3-1规定。
表3-1运输机允许的单位长度载荷
载荷[q]
k——装载系数。
一般取k=0.5-0.9。
原始数据：
1.输送量要求：
本输送装置输送的物料为苹果，输送量最小为n=8000个/h；
2.物料性质：
苹果最大直径d为120mm，单件最大重量q=0.5kg/个；
3.工作的环境：
室外，干燥，清洁；
4.被输送物料特殊要求：
无毒，无尘。
输送带速度选择：
因为输送物品为成件物品，故取带速为：
v=0.5m/s
3.1.1输送带宽度选择
由于输送物品为成件物品，带宽B一般应比被输送物品的横向尺寸大50-100mm。
所以根据表3-1选用带宽B=500mm。
3.1.2输送带能力计算
成件物品的输送能力计算公式：
T+b
式中n——最大输送能力，件/h；
T——物品在输送带上的净空间距，m；
b——沿输送方向的物品长度，m；
11
取：
T=0.01m；
B=0.09m；
k1=0.5；
计算得：
n=
3600⋅0.5
0.01+0.09
⋅0.5=9000个/h；
本设计任务要求8000个/小时
8
所以满足要求。
3.1.3电机的功率计算：
传动滚筒轴功率P0计算公式：
P0=P1+P2+P3+P4=3.6fWv
L+l
+
fQ
L+l0
±
HQ
+P4
（3-2）
式中
kw
367
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