本科畢業論文（設計）開題報告題目：打瓜挖瓤機設計

選題的背景、意義據《本草綱目》記載“籽瓜性味甘”、“籽瓜而入心胃脾，內有解心脾胃熱，止消溫”[1],是一種兼顧營養價值和藥用價值的作物。打瓜中含有豐富的不飽和脂肪酸、果膠、眾多微量元素、氨基酸豐富的維生素、多糖[11]。具有增強免疫力、抗衰老等功效，適宜高血脂、糖尿病病人實用[12]。打瓜及其副產物加工利用也有著廣闊的前景打瓜化妝品的研發、打瓜果脯的開發、打瓜汁飲料、果膠的提取、果醋的加工[3]。目前我國打瓜加工產業仍以取籽加工為主，對打瓜副產物的綜合利用研究不夠深入。受國內加工水平所限制，打瓜種植農戶以及收購方在生產過程中只利用打瓜的打瓜籽，而對打瓜瓤，打瓜汁，打瓜皮的利用率非常低。每年打瓜成熟收獲時，打瓜種植戶以及收購方為了獲取打瓜籽，會產生大量的打瓜汁、打瓜皮、打瓜瓤，但又不能有效的處理和利用，導致大量的打瓜汁、打瓜皮、打瓜瓤遺棄在田間。這不僅僅是一種巨大資源浪費，而且如果不能及時清理田野間的廢棄物，打瓜汁、皮、瓤就會腐爛，繼而招引蒼蠅蚊蟲，滋生大量有害的微生物造成更嚴重的環境污染。但是如果能有效的分離、收集、處理加工利用打瓜汁、皮、瓤就能變廢為寶，提高打瓜的經濟價值，豐富打瓜的食品種類。打瓜挖瓤機這一機器較好的實現了打瓜皮與打瓜瓤的分離，且經過這一步挖瓤工序，接下來的取籽過程就能實現打瓜汁、打瓜瓤、打瓜籽的分離，從根源上解決了打瓜加工過程中打瓜瓤、汁、皮廢棄的問題。而且打瓜挖瓤機代替了原本人工挖瓤的工序，提高了生產效率。打瓜挖瓤機對于提高社會效益、經濟效益和環境效益均具有深遠的意義[13]。黃曉鵬[2]等研究挖瓤刀挖瓤效果影響因素。他們認為影響挖瓤刀挖瓤效果的因素為挖瓤刀轉速、挖瓤刀類型、挖瓤刀安裝角度以及三者之間的交互效應。經實驗論證挖瓤刀類型對挖瓤效果影響最大，其中半圓形挖瓤刀挖瓤效果最佳，且在挖瓤刀安裝角度為15°、挖瓤刀轉速為240r/min時挖瓤效果最佳。雷金鳴[4]等借助EDM軟件模擬分析挖瓤刀挖瓤的工作過程，得出瓜瓤沿著挖瓤刀作離心運動，且切向加速度分布在高速區域內，能量損耗沿著中心軸從內向外逐漸減少，瓜瓤平均速率呈降低趨勢。該規律有利于打瓜挖瓤機挖瓤刀的優化。宋慶陽[5]等設計的挖瓤刀升降機構，采用矩形循環圖法進行運動協調設計使升降機構配合整機運動并設計挖瓤刀升降機構，最終得出以平底式直動從動件盤形凸輪機構與改進的杠桿放大裝置結合，能滿足挖瓤刀升降機構的運動要求。同長虹[6]等設計的插瓜架轉位機構，經實驗得到四槽輪機構的動力特性遠優于三槽輪機構，但槽輪轉速不宜過高，還指出插瓜架數量越多，效率越高，但挖瓤時間越緊張。最終得出選擇2圓銷一4槽輪機構作為籽瓜挖瓤機的插瓜架轉位機構，結構簡單，轉位精度準確，傳動平穩，沒有過大的載荷。丁賽飛[7]等利用ANSYS軟件對槽輪機構進行了有限元模態分析。結果表明：隨著階數的增加，槽輪機構的振型變化趨勢為由槽輪機構左右部分的前后擺動轉變為槽輪機構整體的扭轉擺動和彎曲擺動，固有頻率先緩緩增加,隨后逐漸趨于平穩，最后快速上升,其所對應的最大振幅先上升再緩慢降低；前6階固有頻率較大，所以不會引起不必要的共振。該結論可為籽瓜挖瓤機的槽輪機構結構優化和改進提供理論依據。相比于黃曉鵬插瓜架轉位機構會損害瓜皮，打瓜利用率低、工作過程中容脫落[17]。真空吸盤式轉位機構就顯得優秀許多。鄭成昊[8]等籽瓜挖瓤機真空吸盤式轉位機構的設計，相比于以往針盤式的插瓜架，避免打瓜皮的破損，提高打瓜的利用率；提高了半瓜在挖瓤過程中的穩定性，減少工作過程中打瓜的脫落率。指出真空吸盤的垂直提升力與吸盤直徑、吸持面積有關。還提供了真空發生器及光電開關的設計。國外Agrawal等人發明了一種受生物啟發的軟吞咽抓握器，具有通用的適應性抓握功能[9]。一種以血蟲為靈感的軟抓握器，用于通用抓握，可與可分離模塊結合，以擴大其抓握范圍。這種軟抓握器可以包圍整個物體或目標物體的一部分，以便自我適應性抓握。它集成了大多數傳統剛性抓手、軟抓握器、吸盤和干擾抓手的能力，可抓住各種不同表面形狀、幾何尺寸和剛度的物體。為了增強抓手的能力，在抓手上增加了一個可拆卸模塊，一個是真空吸盤，用于處理表面光滑的物體。通過實驗，該軟抓握器抓筆、平紙巾、袋裝牛奶和手機的成功率都是100%。抓一把厚度為2毫米的鑰匙和生雞蛋的成功率分別為90%和95%，在成功率上有著出色的表現。如果將這一軟抓握器取代插瓜架將有效避免瓜皮的破損。DaeHwanMoon1·SeogYoungHan使用雙向FSI分析的單閥真空吸盤的形狀優化[10]。DaeHwanMoon1·SeogYoungHan等人開發了薄膜與其周圍氣流之間的雙向流體-結構相互作用（FSI）分析，以模擬單真空吸盤上多孔陶瓷中的薄膜吸附。接下來，該團隊優化了薄膜的氣流速度，以便在最短的時間內實現多孔陶瓷樣品的最快吸附。最后，使用最佳氣流速度輪廓優化了真空吸盤形狀優化后的真空吸盤可防止薄膜起皺，與傳統多閥真空吸盤相比，檢測時間縮短了66%。模擬和實驗結果之間的誤差在2.5%以內。該優化可以使得打瓜挖瓤機中真空吸盤更快速吸取半瓜，在使用壽命上也有了顯著提升。二、研究的基本內容與擬解決的主要問題本課題研究的打瓜挖瓤機設計，用來避免打瓜副產品資源的浪費，以及提高人工挖瓤的效率，研究的基本內容如下：通過查閱資料初步確定打瓜挖瓤機的整體結構。打瓜挖瓤機主要由上瓜機構、插瓜架（真空吸盤）轉位機構、挖瓤刀升降機構、傳動系統四大部分組成。明確打瓜挖瓤機的具體工作流程：導軌上的打瓜傳至上瓜機構處，電動機提供的動力由傳動系統傳至上瓜機構，上瓜機構完成送瓜動作將打瓜運送到真空吸盤式轉位機構，送瓜過程中固定的切刀將打瓜切成兩個半瓜。光電開關開啟，真空發生器工作，真空吸盤吸取兩個半瓜，電動機提供的動力由傳動系統傳至轉位機構，轉位機構將半瓜傳送至挖瓤刀升降機構下方。電動機提供的動力由傳動系統傳至挖瓤刀升降機構，升降機構下移，挖瓤刀挖瓤。轉位裝置將瓜皮、瓜瓤送入分離導軌，進入后續的分離裝置。打瓜挖瓤機上瓜機構、真空吸盤、真空發生裝置、光電開關、槽輪轉位機構、挖瓤刀、升降機構的原理、設計、solidworks三維零件圖的設計。整機電路圖的設計。擬主要解決的問題：打瓜取籽過程中打瓜皮、瓤、汁浪費的問題，以及人工挖瓤效率過低，提高打瓜挖瓤的工作效率。三、研究的方法與技術路線、研究難點，預期達到的目標研究方法第一階段進行文獻的采集，閱讀有關打瓜挖瓤機設計相關文獻，明確打瓜挖瓤機工作流程以及各機構組成。確定總體方案，進行各個機構的設計（上瓜機構、真空吸盤式轉位機構、挖瓤刀升降機構、瓜瓤分離裝置)，傳動系統設計、具體參數的確定確保整機協調運動的準確性，三維模型的繪制，以及整機裝配圖的繪制。技術路線3.1打瓜挖瓤機總體設計：打瓜挖瓤的工作可分為4個過程:上瓜并將打瓜切為兩個半瓜、真空吸盤式吸取半瓜轉動到挖瓤位置、挖刀旋轉實現挖瓤、瓜瓤與瓜皮分離。打瓜挖瓤機分為四大機構：分別為上瓜機構、真空吸盤式轉位機構、挖瓤刀架升降機構和瓤皮分離裝置。圖1為打瓜挖瓤機整機結結構簡圖。1.電動機2.挖刀升降架組件3.挖刀軸4.小帶輪5.大帶輪6.電動機7.挖刀組件8.槽輪撥盤9.槽輪10.打瓜托架組件11.送瓜凸輪12.送瓜杠桿13.滑套14.機架15.真空吸盤式轉位機構圖SEQ圖\*ARABIC1打瓜挖瓤機整機結構簡圖其中挖刀的旋轉挖瓤由電動機驅動，為獨立驅動裝置。而上瓜機構、真空吸盤式轉位機構、刀架升降機構屬于集中驅動傳動系統。為保證打瓜挖瓤機四大執行機構協調配合以及機構運作的先后順序，采用表1所示的直角坐標式循環圖法進行運動協調設計。這使得四大執行機構的運動呈周期性變化每隔一定的時間，四大執行機構先后完成一次運動，為一個工作循環。并且確保了執行構件的動作按時序要求相互協調，能正常工作。根據表1所示的直角坐標式循環圖法，該打瓜挖瓤機能在四秒內完成兩個半瓜的挖瓤預計一小時可以完成900各打瓜的挖瓤工序。相比與鐘逸巖[14]設計的打瓜挖瓤機，設備的體積過大、傳動效率較低不符合生產要求，本設計的打瓜挖瓤機體積小，傳動效率高。表SEQ表\*ARABIC1直角坐標式循環上瓜機構的設計應滿足將打瓜從導軌運送至真空吸盤轉位機構處、上瓜機構和真空吸盤式轉位機構協調動作這兩個基本要求。另根據總體設計要求中直角坐標式運動循環，槽輪轉動一周的過程中需要上瓜2次，上瓜機構采用改進擺動凸輪機構，其中杠桿傳動對升程應放大一定的倍數。真空吸盤越多，挖瓤機的工作效率就越高，但挖瓤時間也越緊張，根據打瓜的外形輪廓尺寸并結合打瓜挖瓤操作所需的時間等其他因素，本設計選擇兩個真空吸盤互成180°布置。真空吸盤式轉位機構的功能是轉動真空吸盤，在轉位機構轉動時由兩個真空吸盤同時夾持打瓜，然后切刀將打瓜切成兩個半瓜，將切完的半瓜轉位到垂直位置后停留2s以便挖刀完成挖瓤操作，進行瓜瓤分離。與其他機構相比槽輪機構具有轉位準確可靠的優點、結構簡單。因此，選擇采用2圓銷一4槽輪機構對挖瓤過程的分析可知，完成挖瓤刀架升降的傳動機構應該滿足以下幾點要求：刀架能實現上下往復直線運動；挖瓤刀刀架升降裝置必須與打瓜挖瓤機中其他機構的運動時間和動作協調；刀架在最高位和最低位均有一定時間的停歇，即具有確定時間的雙停程；上、下行程和停程的總時間受工作效率及總傳動裝置的制約，轉位機構轉一周，升降機構完成兩次升降。為此，挖瓤刀升降機構選取平底式直動從動件盤形凸輪機構與改進的杠桿傳動結合實現上述功能。3.2上瓜機構設計：上瓜機構采用改進擺動凸輪機構，其中杠桿傳動對升程應大一定的倍數。上瓜機構由打瓜托盤架組件、送瓜凸輪、送瓜杠桿、滑套、機架組成，具體結構簡圖見圖1中零件10、11、12、13、14所示。所述的送瓜機構中，當送瓜凸輪轉過推程角(0

～

90°)時,從動件打瓜托盤架組件以簡譜運動推動瓜上升一定距離（杠桿傳動升程乘放大倍數）,完成送瓜過程,當送股瓜凸輪經過回程角（90°～

180°）時，從動件以簡諧運動返回初始點，送股瓜轉過180°~

360°時,從動件靜止不動（近停程）。3.32圓銷一4槽輪機構設計：按照表2流程設計，參照本設計的打瓜挖瓤機總體設計要求，計算、選定槽輪機構的具體參數表SEQ表\*ARABIC2槽輪機構的設計計算槽輪機構的運動分析和動力學分析(1)撥盤的角速度和角位移：(2)槽輪角位移、角速度和角加速度3.4真空吸盤裝置設計：（1）真空吸盤通過接管與真空發生器接通,然后與待吸取的打瓜接觸,啟動真空發生器，使真空吸盤內產生負氣壓，吸取打瓜,開始搬送打瓜。當待打瓜挖瓤工序完成搬送至分離導軌時，真空吸盤開始平穩充氣,吸盤內的氣壓開始由負變成零，真空吸盤開始脫離打瓜皮，打瓜皮掉落至導軌，運往回收裝置。一般為了避免物料的表面被劃傷,最好選擇丁腈橡膠或硅橡膠制成的帶有波紋管吸盤,其具有較大的扯斷力,因而廣泛應用于各種吸持裝置。為了確保真空吸盤能正常吸取打瓜,應該考慮一定的安全系數N，且安全系數N應滿足公式（1）圖2為真空發生器的結構示意圖,由先收縮后擴張的拉瓦爾噴管、負壓腔、和接收管等組成,有供氣口、排氣口和真空口,當供氣壓力高于閾值時,噴管射出的超聲速射流。由于氣體的粘性,高速射流卷吸走負壓腔內的氣體,使該腔形成很低的真空度,在真空口A處粘結真空吸盤,靠真空壓力和吸盤吸取物體。1.拉瓦爾噴管2.負壓腔3.接收管4.排氣口圖SEQ圖\*ARABIC2真空發生器結構示意圖光電開關：光電開關工作原理及工作示意如圖3所示圖SEQ圖\*ARABIC3光電開關工作原理圖及工作示意圖3.5挖瓤刀架機構設計：挖瓤刀架升降機構選取平底式直動從動件盤形凸輪機構與改進的杠桿傳動結合實現上述功能。挖瓤刀架升降機構工作原理，當平底式盤形凸輪轉過推程角(0~72°)時，從動件以簡諧運動推動挖瓤刀架上升，完成挖瓤刀架上升行程；當平底式盤形凸輪轉過遠停程角(72°

~

117°

)時，挖瓤刀架停在最高點不動；當平底式盤形凸輪轉過回程角(117°

~

180°

)時挖瓤刀架以簡諧運動返回初始點；當凸輪轉過180°

~

360°時，挖瓤刀架從動件靜止在最低點不動(近停程)；完成挖瓤操作[15]。其中平底式盤形凸輪設計（1）確定凸輪轉速：撥輪轉速是槽輪轉速的兩倍（2）確定從動件各運動過程對應的凸輪轉角：計算近停程、推程、遠停程、回程時間。根據上述時間分別計算對應凸輪轉角（3）基圓半徑的選擇：計算刀架行程、確定杠桿放大比、計算從動件行程、查取基圓半徑/從動件行程、計算基圓半徑。3.6挖瓤刀設計：挖瓤刀主要以主要由挖瓤刀架、刀刃、刀柄、固定刀刃的螺栓組成[16]。現在有很多挖瓤刀專利。挖瓤刀轉速位240r/min、挖瓤刀類型為半圓形、挖瓤刀安裝角度為15°研究難點：1整機的協調動作，保持各機構的同步協調，需要根據工作過程中的運動要求，制定打瓜挖瓤機的運動循環。2上瓜機構只知道該采用什么機構，具體參數設計，很多文獻中并未提到，需要另找文獻進行設計。3真空吸盤式轉位機構中真空吸盤的設計，需要根據打瓜大小設計，真空發生裝置所需要產生的吸力大小。4打瓜切成半瓜產生的打瓜汁是否會影響真空吸盤吸取打瓜，是否會造成打瓜脫落，影響打瓜挖瓤機挖瓤。5真空發生器應該產生多少的負壓，才能成功吸取打瓜，并保持較高的成功率。6真空吸盤的直徑以及真空吸盤吸持面積的選取會對真空吸盤吸力產生極大的影響。7個別打瓜體積過大、過小，形狀奇怪，真空吸盤無法吸取。預期達到的目標能完成打瓜挖瓤機的挖瓤流程——導軌上的打瓜傳至上瓜機構處，電動機提供的動力由傳動系統傳至上瓜機構，上瓜機構完成送瓜動作將打瓜運送到真空吸盤式轉位機構，送瓜過程中固定的切刀將打瓜切成兩個半瓜。光電開關開啟，真空發生器工作，真空吸盤吸取兩個半瓜，電動機提供的動力由傳動系統傳至轉位機構，轉位機構將半瓜傳送至挖瓤刀升降機構下方。電動機提供的動力由傳動系統傳至挖瓤刀升降機構，升降機構下移，挖瓤刀挖瓤。轉位裝置將瓜皮、瓜瓤送入分離導軌，進入后續的分離裝置。能實現挖瓤工序。各執行機構的運動呈現周期性變化，每隔一定時間，其執行機構順序完成一次運動，完成一個工作循環。各執行構件的動作按時序要求相互協調，才能正常工作。能完成表1所示的直角坐標式循環圖法，打瓜挖瓤機能在四秒內完成兩個半瓜的挖瓤預計一小時可以完成900各打瓜的挖瓤工序。實現真空吸盤吸取打瓜成功率98%以上。瓜瓤挖凈率達到95%以上，并能實現瓜皮回收在利用。四、論文詳細工作進度和安排第七學期第13周完成打瓜挖瓤機中上瓜機構設計第七學期第14周完成打瓜挖瓤機中真空吸盤式轉位機構設計第七學期第15周完成打瓜挖瓤機中挖瓤刀升降機構設計第七學期第16周完成打瓜挖瓤機外購件選型設計、總體設計第七學期第17周至18周繪制打瓜挖瓤機中各機構零件圖以及整機裝配圖第七學期第19周完成畢業設計說明書初稿，通過導師審查；第八學期第1周至第8周畢業實習；第八學期第9周至第11周修改畢業設計圖紙和論文，形成終稿；第八學期第12周根據指導意見修改畢業設計直至通過指導老師的審查，并在畢業設計系統里提交定稿；第八學期第13周制作答辯PPT，準備畢業設計答辯；第八學期第14周完成畢業設計答辯。五、參考文獻：[1]趙多勇,李應彪,翟金蘭,姚洪波.籽瓜系列產品的開發現狀與存在問題[J].北方園藝,2008(04):100-102.[2]黃曉鵬,同長虹,萬芳新.籽瓜挖瓤機設計與試驗[J].農業機械學報,2011,42(1):90-94.DOI:10.3969/j.issn.1000-1298.2011.01.020.[3]王旭輝,王卉,山其米克,再吐尼古麗·庫爾班,葉凱,涂振東.我國籽瓜的開發現狀與研究進展[J].北方園藝,2018(06):149-153.[4]雷金鳴,王立春,馮朝剛.基于EDEM的挖瓤刀仿真分析[J].機械研究與應用,2019,32(4):86-88+99.[5]宋慶陽,同長虹,黃曉鵬.籽瓜挖瓤機刀架升降裝置的設計[J].甘肅農業大學學報,2010,45(3):136-139.[6]同長虹,孟剛,李俊文,等.籽瓜挖瓤機中插瓜架的轉位機構設計[J].機械研究與應用,2008,21(4):84-86.DOI:10.3969/j.issn.1007-4414.2008.04.035.[7]丁賽飛,熊世磊,王啟慧,許家源,黃曉鵬.籽瓜挖瓤機槽輪機構的有限元模態分析[J].機械研究與應用,2020,33(4):74-76.[8]鄭成昊,同長虹,周佳儀,楊棟,黃曉鵬.籽瓜挖瓤機真空吸盤式轉位機構的設計[J].機械研究與應用,2019,32(1):108-110+113.[9]SuiD,ZhuY,ZhaoS,WangT,AgrawalSK,ZhangH,ZhaoJ.ABioinspiredSoftSwallowingGripperforUniversalAdaptableGrasping.SoftRobot.2020Dec3.doi:10.1089/soro.2019.0106.Epubaheadofprint.PMID:33275516.[10]Moon,DH.,Han,SY.ShapeOptimizationforaSingleValveVacuumChuckUsingTwo-WayFSIAn