自动化甘蔗削皮装置的研制-硕士论文

学校代码：10255 学号：2130724 自动化甘蔗自动化甘蔗削削皮装置的研制皮装置的研制 DESIGN AND STUDY OF THE AUTOMATIVE SUGARCANE PEELING DEVICE 作者姓名： 王曙光 专业名称： 机械工程 导师名称： 单鸿波 答辩日期： 2015 年 5 月 东华大学学位论文原创性声明东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明本人郑重声明：我恪守学术道德我恪守学术道德，崇尚严谨学风崇尚严谨学风。所呈交的所呈交的 学位论文学位论文，是本人在导师的指导下是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的独立进行研究工作所取得的 成果成果。 除文中已明确注明和引用的内容外除文中已明确注明和引用的内容外， 本论文不包含任何其本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。 论文为本论文为本 人亲自撰写人亲自撰写， 我对所写的内容负责我对所写的内容负责， 并完全意识到本声明的法律并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担结果由本人承担。 学位论文作者签名学位论文作者签名： 日期日期： 年年 月月 日日 东华大学学位论文版权使用授权书东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留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使用学位论文的规定， 同同 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， 允允 许论文被查阅或借阅许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或本人授权东华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部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印可以采用影印、 缩印或扫描等复缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密 ，在在_年解密后适用本版权书年解密后适用本版权书。 本学位论文属于本学位论文属于 不保密不保密 。 学位论文作者签名学位论文作者签名： 指导教师签名指导教师签名： 日期日期： 年年 月月 日日 日期日期： 年年 月月 日日 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 ANSYS Workbench 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、 PLC I/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 DESIGN AND STUDY OF THE AUTOMATIVE SUGARCANE PEELING DEVICE Abstract Sugarcane peeling device is a kind of equipment or machine which can realize sugarcane peeling. At present, both in the field of sugar cane related food processing and peoples sumption of sugar cane in daily, sugar cane peel is still dominated by manual approach. The efficiency of manual on sugarcane peeling is not high and hands are esay to be cut, so to a certain extent, hindered the development of the sugarcane industry. First of all, this paper innovatively designed a kind of cutting mechanism of sugarcane peeling device, clamping device and the whole frame structure on the basis of summarizing and analyzing the advantages and disadvantages of existing sugarcane peeling machine and cutting characteristics of sugarcane cortex. Second, as to verify the assembly and parts whether meet the design requirements, finite element analysis software ANSYS Workbench was used to do statics simulation to simulate the structure in the process of cutting force and moment in the largest state of stress and deformation situation of the assembly structure and cutting mechanisms cutting tool after kinematics analysis on the basis of was carried out on the institutions. Third, this paper designed part of hardware and software of the control system, after doing the functional requirements for the sugarcane peeling device control system on the basis of analysis and scheme comparison, including design electrical schematic diagram, the calculation of electrical components selection, PLC I/O components distribution and its diagram and the establishment of the PLC control program. Finally, make physical prototype of the automation of sugarcane peeling device and do test and debug before smooth realizing of sugarcane peeling function, on the basis of the design and analysis of the first three chapters. Wang Shuguang（Mechanical Engineering） Supervised by Hongbo Shan Keywords: sugarcane peeling，mechanism design，simulation analysis，prototype produce. 目录目录 摘要摘要 . 1 Abstract . 1 第第 1 章章 绪论绪论 . 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 第第 2 章章 样机总体方案设计样机总体方案设计 . 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 第第 3 章章 样机的仿真分析样机的仿真分析 . 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 第第 4 章章 样机控制系统设计样机控制系统设计 . 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 4.2.4 PLC 机型的选择 . 37 4.2.5 PLC I/O 元件分配 . 38 4.2.6 PLC 接线图绘制 . 39 4.3 控制系统软件设计 . 40 4.3.1 PLC 程序设计步骤及方法 . 40 4.3.2 控制系统流程图的设计 . 41 4.3.3 PLC 梯形图程序的编制 . 42 4.4 本章小结 . 43 第第 5 章章 样机的安装及调试样机的安装及调试 . 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 第第 6 章章 总结与展望总结与展望 . 53 6.1 课题研究工作总结 . 53 6.2 本文局限与展望 . 53 参考文献参考文献 . 55 攻读硕士学位期间的研究成果攻读硕士学位期间的研究成果 . 58 致谢致谢 . 59 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪论 1 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12。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67。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 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪论 2 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)911。 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 图图 1-1 弯曲破坏形式弯曲破坏形式 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 图 1-2 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 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪论 3 荷载下随着实验 529B 增加逐步达到破坏极限。 图图 1-2 压缩载荷压缩载荷-时间曲线时间曲线 图 1-3 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。 图图 1-3 压缩载荷下的破坏形式压缩载荷下的破坏形式 1.2.1.3 甘蔗皮与甘蔗芯在拉伸载荷下的实验 图 1-4a、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 图图 1-4 蔗皮破坏形式蔗皮破坏形式 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪论 4 a 蔗芯轴向破坏形式 b 蔗芯径向破坏形式 图图 1-5 蔗芯破坏形式蔗芯破坏形式 1.2.2 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1213。 图图 1-6 甘蔗切割器系统动力学仿真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 17.5，切割角 =27.73，刀盘倾角 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 235.82 297.98N13。 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪论 5 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1516： 图图 1-7 甘蔗节间试样去皮时的位移甘蔗节间试样去皮时的位移载荷变化载荷变化 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1920 纵向切削装置是仿照人手工切削方式而设计的一种切削装置， 此装置设置多 个切削机架，按照沿甘蔗移动方向依次设置。切削刀架通过环形均匀排布在机架 上，刀架与甘蔗形成一定夹角，并且前后布置的切削刀架根据一个固定的夹角相 互错开布置。 此装置对甘蔗的12个方向进行切削， 切削后的甘蔗截面呈12边形。 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪论 6 2）仿形切削方式的切削装置21 22 仿形切削方式是把刀具做成与甘蔗外形相似的圆弧铣刀， 对甘蔗表皮进行切 削。仿形铣刀由基轴和沿基轴轴向均匀分布的三块刀头组成，每块刀头的刀刃呈 90的弧线，使得刀刃能铣刀更多的甘蔗皮。 3）螺旋切削方式的切削装置2324 螺旋切削方式的切削装置是一种采用刀具对甘蔗进行切削的同时刀具围绕 甘蔗圆周转动，从而实现甘蔗去皮的目的。螺旋切削装置的传动原理为，电机通 过减速后带动切削主轴旋转， 切削主轴带动轴套转动，丝盘上的端面螺纹在与其 相连接的轴套带动下转动， 之后带动与丝盘啮合的进给齿轮转动，齿轮在弹簧作 用下压在甘蔗上， 从而带动甘蔗进入切削系统。 在进行切削时， 刀具转动的同时， 机架会绕切削筒圆周转动，从而实现甘蔗的切削。 1.2.4 第一代样机目前存在的问题 1）切削装置存在的问题 如图 1-8 所示为第一代样机切削装置的三维模型， 此切削装置采用直线切削 方式，但刀具太少没能形成一个封闭的切削区域，所以对于一根甘蔗要采用多次 切削才能完成。同时刀具所围成的轴线位置距离滑轨偏远容易导致刀架卡死。此 外由于此装置没有引入运动检测和控制部分， 所以刀架切削运动和进给运动之间 长久的协调性无法保障。 图图 1-8 第一代样机切削装置第一代样机切削装置 2）机身结构存在的问题 如图 1-9 所示为第一代样机整机的三维模型， 由于样机的重心位置偏高而且 支撑架比较薄弱所以在样机实际运行过程中会引起比较大的晃动， 并且伴随有比 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪论 7 较大的噪音。 图图 1-9 第一代样机整机模型第一代样机整机模型 3）进给装置存在的问题 进给装置采用的是上下一对橡胶轮来同时实现夹紧和进给功能。 但是橡胶轮 和甘蔗茎秆是线接触， 只有通过比较大的夹紧力才能够获得足够大的摩擦力从而 实现甘蔗的切削夹紧， 但是过大的夹紧力又比较容易压破甘蔗茎秆。此外因为没 有自动检测装置及累积误差的原因导致切削和进给运动之间无法长久保持较好 的同步协调性。 1.3 本文主要研究内容 本文在总结与分析现存甘蔗削皮机及东华大学第一代甘蔗削皮机样机的基 础上，创新的设计出了一种自动化甘蔗削皮装置，并设计样机的控制系统，最后 制作实物样机并对其进行调试使其满足预计设计目标。 本文章节安排： 第一章绪论。主要对甘蔗去皮装置的研究现状，存在问题和发展动态进行了 综述，并根据国内外的论文文献、专利和市场上已投入使用的产品进行总结，分 析了它们的优缺点并提出自己的研究思路。 介绍了本课题的选题背景和主要研究 内容。 第二章样机总体方案设计。在总结与分析现存甘蔗削皮机优缺点的基础上， 对样机进行方案设计并创新的设计出了一种具有自适应甘蔗茎秆走向的甘蔗切 削机构、带有自锁夹紧功能的夹紧装置和整机框架结构。 第三章样机仿真分析。利用 SolidWorks 的运动分析功能进行机构的运动仿 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪论 8 真和使用 ANSYS Workbench 对机身结构做静力和动力仿真来验证设计是否合理， 并在此基础上对结构做优化改进。 第四章样机控制系统设计。 首先对样机的控制系统进行功能需求分析及方案 论证， 设计控制电气原理图， 然后选择合适的 PLC 机型及电器元件， 并设计 PLC 输入输出接线图，最后编制 PLC 控制程序。 第五章样机的安装与调试。 主要内容为根据设计的结构尺寸对样机关键零部 件进行加工，整机的装配，控制电路接线及对样机的运行状况进行评估找出运行 过程中存在的问题然后进行调试直到满足设计的预定目标。 第六章结论和展望。为作者对本课题所做的工作进行总结和展望。 1.4 本章小结 本章首先对本课题的选题背景及意义进行了介绍，然后对甘蔗的力学性能、 甘蔗茎秆的切削机理研究现状及目前存在的切削装置进行了概述。 最后对东华大 学第一代甘蔗削皮机样机的研究情况进行了分析， 找出了切削装置在运行过程中 存在的缺陷，如切削装置没有良好的自适应性，进给装置存在传动累积误差等。 因此要实现对甘蔗良好的切削功能， 需要在第一代样机研究基础上，重新对甘蔗 削皮机进行创新设计，本文将对本课题进行详细阐述。 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 2 章 样机总体方案设计 9 第2章 样机总体方案设计 2.1 样机总体设计 根据甘蔗的力学性能和甘蔗皮层的切削特性， 并在总结与分析现存甘蔗切削 设备优缺点的基础上， 创新性的设计了此甘蔗切削装置。 并使用 Solidworks 建模 软件，根据自上而下的建模方法建立了整机的样机模型，如图 2-1a、2-1b 所示。 a.样机整机俯视示意图 b.样机整机左视示意图 1-主电机 2-夹紧装置 3-刀架 4-夹紧机构电机 5-支撑框架 6-传感器支架 7-切削机构 8-控制柜支架 图图 2-1 样机整机结构示意图样机整机结构示意图 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 2 章 样机总体方案设计 10 2.2 切削机构设计 2.2.1 切削机构的方案设计 对于甘蔗削皮机的切削机构， 按照切削方式的不同可以分为纵向切削方式的 切削机构、仿形切削方式的切削机构和螺旋切削方式的切削机构。 第一种方案：对于纵向切削方式的切削装置是仿照手工切削的方法，把刀具 固定在刀架上然后利用刀架和甘蔗之间的相对运动来实现削皮。 这种切削方式的 优点是刀具的切削方向和甘蔗的木质结构方向一致， 所以切削力比较小，同时刀 架的运动机构也相对比较简单。 缺点是因为要在刀架上布置多把切刀，所以刀架 的结构会稍微复杂。 第二种方案： 仿形切削方式的切削装置是把刀具做成与甘蔗外形相似的圆弧 铣刀，对甘蔗表皮进行切削。这种切削方式的优点是切除的甘蔗皮是碎屑状的便 于垃圾的回收处理，缺点是刀具比较复杂制造的成本高。 第三种方案： 螺旋切削方式的切削装置是一种采用刀具对甘蔗进行切削的同 时刀具围绕甘蔗圆周转动， 从而实现甘蔗去皮的目的。这种切削方式的优点是由 于刀具围绕甘蔗进行圆周切削所以结构可以做的比较紧凑， 缺点是刀具的圆周运 动要引入行星轮系所以运动机构比较复杂。 表表 2-1 切削方式方案优缺点对比切削方式方案优缺点对比 方案一 方案二 方案三 优点 切削力小、切削机构简 单、多功能切削 垃圾便于处理 切削结构紧凑 缺点 刀架结构稍复杂 刀具复杂、制造成本高 运动机构复杂、加工 难度稍大 通过对上述三种切削方式的方案对比， 本课题选用纵向切削方式的切削机构。 2.2.2 切削机构的运动机构设计 对于直线往复运动的机构有曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、涡轮蜗杆机构、 滚珠丝杠螺母运动机构和采用液压气动元件来实现直线往复运动的机构等2627。 综合考虑本课题的使用条件和易于加工性， 以本文选择的运动机构为曲柄滑块机 构来实现切削装置的直线往复运动。 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 2 章 样机总体方案设计 11 图图 2-2 曲柄滑块机构曲柄滑块机构运动运动简图简图 以行程速比系数 K 为 1.15，滑块行程 h 为 100mm，曲柄长度 1 l为 46mm， 采用解析法设计此曲柄滑块机构，如图 2-2 为此曲柄滑块机构运动简图； 由 K=1.15 代入公式 1 180 1 K K ，算得极位夹角=12.5581 。将 和 1 l值 代入下式计算： 22 21212121 2coshllllllll （1-1） 22 1 11211 coslaaaa 式中 21 /all。得 2 l=185.194mm。 将， 1 l和 2 l值代入下式计算： 1221 arccosarccos ee llll （1-2） 得含有未知数e的一元方程式，用弦位法解得：e=69.98mm。 机构的最大压力角 1 max 2 arcsin38.77540 el l 满足许用压力角的要求。 同时 12 lel ， 1 l又为最短杆所以满足 1 l为曲柄的条件。 综上所述，设计的此曲柄滑块机构满足要求。 2.2.3 运动机构的具体结构设计 如图 2-3 所示为切削装置运动机构的结构装配图。刀具框架采用 1515 结构 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 2 章 样机总体方案设计 12 铝型材来搭建， 框架通过轴支撑和直线滑动轴承与光轴导轨连接来实现直线运动。 刀具框架前端采用轴支撑和光轴来建立铰接点与连杆轴承相连接， 连杆的另一端 与由两个轴支持型材所拼装的曲柄连接。 当驱动轴开始旋转时，曲柄通过连杆带 动刀具框架在光轴导轨上作往复运动。 图图 2-3 切削装置结构示意图切削装置结构示意图 1-导轨支撑座 2-可调节直线轴承 3-为直线轴承支座 4、5-铝合金型材 6-光轴导轨 7-连杆，8、9-光轴 10、13-连杆轴承 11-轴承支撑座 12-曲柄 2.2.4 切削机构刀架的设计 由于甘蔗茎秆的形状和尺寸是随机变化的， 设计出的切削装置要有快速适应 甘蔗茎的尺寸和形状变化的要求。