自动化甘蔗削皮装置的研制硕士学位论文.docx
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自动化甘蔗削皮装置的研制硕士学位论文
自动化甘蔗削皮装置的研制
DESIGNANDSTUDYOFTHEAUTOMATIVE
SUGARCANEPEELINGDEVICE
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
自动化甘蔗削皮装置的研制
摘要
自动甘蔗削皮装置是一种可以实现甘蔗削皮的设备和机器。
目前，
无论在甘蔗相关的食品加工领域还是民众对甘蔗的日常消费中，甘蔗
的削皮仍旧以手工方式为主。
手工对甘蔗削皮效率不高而且容易划伤
手，因此在一定程度上阻碍了甘蔗相关产业的发展。
首先，在总结与分析现存甘蔗削皮机优缺点的基础上并结合甘蔗
皮层的切削特性，创新的设计出了甘蔗削皮装置的切削机构、夹持机
构和整机框架结构。
其次，在对各机构进行运动学分析的基础上使用有限元分析软件
ANSYSWorkbench对切削刀架的装配结构和切削运动机构做静力学
仿真来模拟切削过程中结构处于受力和力矩最大状态下的应力和变
形情况，从而验证装配和零部件是否满足设计要求。
再次，在对甘蔗削皮装置的控制系统功能需求分析和方案论证的
基础上，设计了控制系统的硬件和软件部分，包括设计电气原理图、
电气元件的计算选型、PLCI/O元件分配及其接线图，之后编制了PLC
的控制程序。
最后，在前三章的设计和分析基础上制作了自动化甘蔗削皮装置
的实物样机，并对样机进行试运行和调试，最终顺利实现对甘蔗的削
皮功能。
关键词:
甘蔗削皮，机构设计，仿真分析，样机制作
DESIGNANDSTUDYOFTHEAUTOMATIVE
SUGARCANEPEELINGDEVICE
Abstract
Sugarcanepeelingdeviceisakindofequipmentormachinewhichcanrealizesugarcanepeeling.Atpresent,bothinthefieldofsugarcanerelatedfoodprocessingandpeople’ssumptionofsugarcaneindaily,sugarcanepeelisstilldominatedbymanualapproach.Theefficiencyofmanualonsugarcanepeelingisnothighandhandsareesaytobecut,sotoacertainextent,hinderedthedevelopmentofthesugarcaneindustry.
Firstofall,thispaperinnovativelydesignedakindofcuttingmechanismofsugarcanepeelingdevice,clampingdeviceandthewholeframestructureonthebasisofsummarizingandanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofexistingsugarcanepeelingmachineandcuttingcharacteristicsofsugarcanecortex.
Second,astoverifytheassemblyandpartswhethermeetthedesignrequirements,finiteelementanalysissoftwareANSYSWorkbenchwasusedtodostaticssimulationtosimulatethestructureintheprocessofcuttingforceandmomentinthelargeststateofstressanddeformationsituationoftheassemblystructureandcuttingmechanism’scuttingtoolafterkinematicsanalysisonthebasisofwascarriedoutontheinstitutions.
Third,thispaperdesignedpartofhardwareandsoftwareofthecontrolsystem,afterdoingthefunctionalrequirementsforthesugarcanepeelingdevicecontrolsystemonthebasisofanalysisandschemecomparison,includingdesignelectricalschematicdiagram,thecalculationofelectricalcomponentsselection,PLCI/OcomponentsdistributionanditsdiagramandtheestablishmentofthePLCcontrolprogram.
Finally,makephysicalprototypeoftheautomationofsugarcanepeelingdeviceanddotestanddebugbeforesmoothrealizingofsugarcanepeelingfunction,onthebasisofthedesignandanalysisofthefirstthreechapters.
WangShuguang（MechanicalEngineering）
SupervisedbyHongboShan
Keywords:
sugarcanepeeling，mechanismdesign，simulationanalysis，prototypeproduce.
目录
摘要1
Abstract1
第1章绪论1
1.1本课题的选题背景及意义1
1.2国内外研究现状及发展动态1
1.2.1甘蔗力学性能的研究现状1
1.2.2甘蔗切削机理研究现状4
1.2.3切削装置的研究现状5
1.2.4第一代样机目前存在的问题6
1.3本文主要研究内容7
1.4本章小结8
第2章样机总体方案设计9
2.1样机总体设计9
2.2切削机构设计10
2.2.1切削机构的方案设计10
2.2.2切削机构的运动机构设计10
2.2.3运动机构的具体结构设计11
2.2.4切削机构刀架的设计12
2.3夹持机构设计14
2.3.1夹持机构方案设计14
2.3.2夹持机构的结构设计15
2.4整机机构布局与框架设计16
2.4.1整体机构布局16
2.4.2框架结构设计17
2.5本章小结18
第3章样机的仿真分析19
3.1切削刀架结构的仿真分析19
3.1.1有限元静力分析理论基础19
3.1.2有限元仿真分析20
3.2切削运动机构的结构分析24
3.3框架支撑结构的模态分析28
3.3.1本章小结32
第4章样机控制系统设计33
4.1控制系统方案设计33
4.1.1控制系统的设计要求33
4.1.2控制系统的方案论证34
4.2控制系统硬件设计及实现34
4.2.1电气原理图的设计34
4.2.2电器元件的配置与统计36
4.2.3控制系统电器元件的选择36
4.2.4PLC机型的选择37
4.2.5PLCI/O元件分配38
4.2.6PLC接线图绘制39
4.3控制系统软件设计40
4.3.1PLC程序设计步骤及方法40
4.3.2控制系统流程图的设计41
4.3.3PLC梯形图程序的编制42
4.4本章小结43
第5章样机的安装及调试45
5.1样机的试制与安装45
5.1.1整机结构的安装45
5.1.2键零部件加工与装配45
5.1.3电气元件的安装与接线50
5.2样机的试运行与调试51
5.3本章小结52
第6章总结与展望53
6.1课题研究工作总结53
6.2本文局限与展望53
参考文献55
攻读硕士学位期间的研究成果58
致谢59
自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论
第1章绪论
1.1本课题的选题背景及意义
我国拥有很大的甘蔗市场。
在南方，甘蔗是广泛种植的经济作物，并且我国白糖的生产约有80%左右都是以甘蔗为原料，同时甘蔗汁多、味美、甘甜、营养丰富，深受人们的喜爱。
现代医学研究表明，甘蔗中含有大量的蔗糖果糖葡萄糖等糖分，极易被人体吸收利用，还含有铁钙磷锰锌等人体必需的微量元素，常食甘蔗可滋补养血清热生津滋养润燥[1][2]。
此外甘蔗中含有大量纤维，反复咀嚼能够清除口腔及牙缝中的污垢，从而提高牙齿的抗龋能力。
然而吃甘蔗削皮却是长期困扰人们的一大难题。
由于甘蔗表面比较坚硬，如果直接食用容易划伤口舌等部位，甚至将牙齿崩落。
人工削皮后食用是用刀具手工对甘蔗进行削皮，但人工削皮费时费力，而且容易划伤手。
目前，在甘蔗汁生产工序中的削皮工序大多由人工完成，效率不高，若采用一种能够对甘蔗高效削皮的机器，将会大大提高生产效率，降低生产成本。
因此，对甘蔗削皮机械进行研究在一定程度上改变甘蔗的食用方法和食用安全性具有积极作用。
目前已有一些实现切削功能的甘蔗去皮机的出现，但是去皮效果不太理想，自动化程度不高，噪音比较大，而且切削后的甘蔗皮处理不当会制造出垃圾。
这些都注定了甘蔗去皮机无法在高档的餐厅和商场出现。
基于此，一种自动化程度比较高，切削效果好，振动噪声少，体积小，而且经济又实用的甘蔗削皮装置值得深入研究和设计。
1.2国内外研究现状及发展动态
1.2.1甘蔗力学性能的研究现状
甘蔗是各向异性、非匀质、非线性的材料。
研究甘蔗茎秆的力学性能对于研
究甘蔗的切削过程以及切削刀具的设计具有重要意义。
同时甘蔗茎秆物理力学特性是建立甘蔗茎秆材料模型和茎秆在各种荷载下本构关系的基础[6][7]。
对于甘蔗切削原理的研究可为甘蔗去皮机械的研制奠定基础，目前对于甘蔗力学性能的研究主要集中在如下实验。
1.2.1.1甘蔗在弯曲载荷下的破坏实验弯曲性能对于甘蔗茎秆在切削过程具有重要影响。
通过检测甘蔗茎秆的弯曲
1
自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论
模量和抗弯强度，之后观察甘蔗的破坏形式，并进行相应分析。
同一株甘蔗的不同部位有着不同的力学性能。
中部、尾部和基部达到最大弯
曲应力时,观察到的甘蔗弯曲破坏形式主要有以下4种（图1-1a、b、c、d）[9][11]。
a.中性层裂纹b.横向断裂
c．底部纵向裂纹d.不规则裂纹
e.靠近节处横向断裂f.不规则断裂
图1-1弯曲破坏形式
1）中性层处产生裂纹（图1-1a）圆形截面梁在弯曲荷载下,最大剪应力位于中性层处,沿试样长度方向产生
中性层裂纹。
再进一步施加荷载时,中性层被剪开。
2）靠近节处产生横向断裂（图1-1b）
在弯曲荷载下,当采用图1-2所示的加载方式,靠近甘蔗节处的最大弯曲部位首先达到破坏极限从而产生断裂。
3）甘蔗茎底部轴向产生裂纹（图1-1c）和中性层裂纹不同的是在弯曲过程中在底部产生轴向裂纹。
这应该是由于甘
蔗芯部产生较大塑性变形后造成对甘蔗表皮被挤压的关系。
4）甘蔗茎节部附近产生不规则形状的裂纹（图1-1d）这是上述几种情况的综合表现,也反映了甘蔗茎材料的复杂性。
1.2.1.2甘蔗茎秆在压缩载荷下的实验[10]
01-2是甘蔗受压缩载荷时的载荷-时间曲线。
由图可以看出，试样在压缩
2
自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论
荷载下随着实验529B增加逐步达到破坏极限。
01-2压缩载荷-时间曲线
01-3是甘蔗茎在压缩载荷下的破坏形式。
当蔗皮产生扭曲时，因蔗芯限制蔗皮向芯部方向弯曲，蔗皮向外弯曲，蔗皮产生纵向裂纹并与蔗芯分离。
01-3压缩载荷下的破坏形式
1.2.1.2甘蔗皮与甘蔗芯在拉伸载荷下的实验
01-4a、1-4b分别是蔗皮径向、轴向的破坏形式，图1-5a、1-5b是蔗芯轴向径向的破坏形式[11]。
a.蔗皮径向破坏形式b.蔗皮轴向破坏形
图1-4蔗皮破坏形式
3
自动化甘蔗削皮装置的研制
第1章绪论
a蔗芯轴向破坏形式
b蔗芯径向破坏形式
01-5蔗芯破坏形式
1.2.1甘蔗切削机理研究现状
对于甘蔗切削原理的研究，目前主要运用实验的方法或者通过实验作为验证建立有限元模型后运用显示动力学的方法来研究切削过程的机理。
1.2.2.1甘蔗茎秆横向切割机理对于横向切割机理的研究主要应用于甘蔗收获机的切削过程。
甘蔗收获机在
工作过程中存在甘蔗割茬不整齐、切割损失较大等缺陷，这些将会严重影响甘蔗收获机的使用和推广。
为此，根据目前国内外对甘蔗茎秆力学性能、切割刀具以及切削理论等方面的研究，提出了一种结合甘蔗茎秆材料特点和其力学特性来研究甘蔗的切割机理的方法，将会更具有科学性。
建立三维甘蔗切割器系统动力学可视化仿真模型，利用ANSYS/LS-DYNA
求解器进行仿真求解，其切割仿真过程及切割力时间历程如图1-6所示[12][13]。
图1-6甘蔗切割器系统动力学仿真
通过仿真与实验结果可以得出如下结论：
1）通过采用刀具对甘蔗茎秆的冲击物理试验表明，把甘蔗作为各向同性的
材料模型进行建模以及建立的切割器系统动力学模型适用于甘蔗茎秆切割力的
仿真研究。
2）最大的切割力随着刀具的刃角增大呈现抛物线的变化趋势，刀具的刃角
约为19°时切割力达最小值；最大的切割力随着刀具的切割角度的增大而减小。
3）最大剪应力随刀具的刃口角度增大而增大，随刀盘的倾角和切割速度的增大而减小；小的刀片刃角与小的切割角组合最大剪应力最小。
小的刀具刃口倾
斜角度与小的切割角以及大的切割速度有助于减少甘蔗茎秆的切割破头率。
4）刀片刃角α＝17.5°，切割角β=27.73°，刀盘倾角γ＝28°，切割速度V
＝16m/s时，最佳切割力为266.9N，可靠性为95%的最佳切割力范围235.82～
297.98N[13]。
4
自动化甘蔗削皮装置的研制第1章绪论
1.2.2.2甘蔗茎秆纵向切割机理甘蔗皮层的削皮受力变化研究是甘蔗削皮机械研制的理论基础。
目前国内外
研究重点主要集中在甘蔗茎秆的力学特性方面研究，甘蔗相关机械的研究重点主要集中在甘蔗茎秆的切割机械的研制[14]。
对于甘蔗皮层受力变化研究并不多见，而且也只是简单的实验，所以对于这部分的详细深入研究还是空白。
不同刀片刃口在切削甘蔗皮时，刀片受力实验结果如图1-7所示[15][16]：
图1-7甘蔗节间试样去皮时的位移－载荷变化
1）不同切削刀具的刃口倾斜角度对甘蔗节间削皮的实验结果为，随着切削刀具刃口角度的增加，削皮过程所需要的载荷逐渐增加，这表明切削刀具在对甘蔗节间削皮时所遇阻力逐渐增大。
不同的刀具刃口倾斜角度在甘蔗茎秆的下段节间进行削皮时阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。
2）不同切削刀具的刃口倾斜角度对甘蔗节点削皮的实验结果为，随着切削刀具刃口角度的增加，削皮过程所需要的载荷逐渐增加，这表明切削刀具在对甘蔗节间削皮时所遇阻力逐渐增大。
不同的刀具刃口倾斜角度在甘蔗茎秆的下段节中进行削皮时阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。
3）由于甘蔗茎秆各部位的纤维排列不同，对节间和节点处削皮时，刀具刃口倾斜角度越小，使甘蔗皮剥离的作用力越小。
1.2.3切削装置的研究现状
根据切削方式的不同，切削装置可以分为纵向切削方式的切削装置、仿形切削方式的切削装置、螺旋切削方式的切削装置。
1）纵向切削方式的切削装置[19][20]纵向切削装置是仿照人手工切削方式而设计的一
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