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。
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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]。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]。
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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。
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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。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[26][27]。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。
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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
3.2 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
3.4 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
4.2 控制系统硬件设计及实现...... 34
4.3 控制系统软件设计...... 40
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
5.2 样机的试运行与调试...... 51
5.3 本章小结...... 52
第5章 样机的安装及调试
本论文的目标不仅仅是设计出一种自动化甘蔗削皮装置而且还要制作出来实物样机，包括对其关键零部件进行加工、整机的安装和对样机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。
5.1 样机的试制与安装
5.1.1 整机结构的安装
对于实物样机的安装采用模块化分别装配各主要机构及其结构然后完成整机组装的方式。首先装配切削机构，包括切削刀架和曲柄滑块运动机构的装配。然后装配夹持机构和支撑框架。最后，以支撑框架作为基体，把切削机构和夹持机构分别装配到支撑框架上，整机的装配效果如图 5-1 所示。由第二章对切削刀架的结构设计可知，切削刀架采用弹簧作为切削刀具的固定支撑，弹簧和切削刀具之间通过压片相连接。在装配过程中，关键是要保证刀具与刀具之间的装配夹角。第一组刀具和第二组刀具之间的夹角为 90°，第二组刀具和第三组刀具之间夹角为 60°，第三组和第四章刀具之间夹角为 90°，第四组刀具和第五组刀具之间夹角为 30°，第五组和第六组刀具之间夹角为90°，装配时通过量角器测量前后两组刀具之间的夹角后再对刀具进行固定，并且尽量能够保证每一组刀具的几何中心和刀架的轴心重合，切削刀架的整体装配效果如图 5-2 所示。
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结论
本课题主要完成了以下设计研究工作：
1）在总结与分析现存甘蔗削皮装置优缺点的基础上，对甘蔗切削装置进行方案设计，并采用自上而下的设计方法设计出了甘蔗削皮装置的整体样机。包括创新的设计出了一种具有自适应甘蔗茎秆走向和径向大小的甘蔗削皮装置的切削机构、带有自锁夹紧功能的夹紧装置和整机支撑框架。
2）对甘蔗削皮装置的主要运动机构和零部件做了仿真分析来检验设计的可行性和合理性，并对设计不合理的地方提出了改进方案。首先，对切削刀架的整体装配结构做静力学仿真，找出了所设计的切削刀架结构的薄弱部分，并对其采取加额外固定支撑的方法解决此问题。其次，对切削运动机构做运动学和反力分析得到驱动轴所受的反力矩情况，然后对整体切削机构做几何非线性静力分析验证了装配和零部件能够满足设计要求。最后，对框架支撑结构做模态分析，求解出了可能对结构比较危险的频率段，来指导电机的选型。
3）设计了甘蔗去皮装置的样机控制系统，包括控制系统的硬件部分和软件部分。首先，对控制系统进行功能需求分析，选出了适合本课题的控制系统方案。其次，对控制系统的硬件进行设计，包括设计了主电路和控制电路原理图、选择合适的电器元件类型和合适的 PLC 机型、对 PLC 的输入/输出元件进行分配并制作输入/输出元件分配表和绘制 PLC 输入/输出接线图。最后，设计了控制系统流程图并根据流程图编制 PLC 的梯形图程序。
4）加工、制作出了甘蔗削皮装置的实物样机。首先，加工、制作出样机各主要机构及零部件，包括切削刀架主要零部件、切削机构及主要零部件、夹持机构及主要零部件、整机框架等。然后，制作出了样机控制分，包括各电器元件的安装、电气控制柜的接线、外部电器元件的接线等。最后，对样机机械结构、PLC程序和电气线路进行试运与调试最终实现了对甘蔗削皮的良好功能。
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参考文献（略）