開(kāi)題報(bào)告-臍橙分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

課題名稱臍橙分級(jí)機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)學(xué)院年級(jí)專業(yè)指導(dǎo)教師2021年11月24日一、課題的來(lái)源、目的、意義（包括應(yīng)用前景）、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及水平1.1課題來(lái)源臍橙營(yíng)養(yǎng)豐富,口味甘甜,是典型的藥食兩用水果。我國(guó)是臍橙種植大國(guó),種植面積和產(chǎn)量均位居世界前列。我國(guó)90%以上的臍橙果實(shí)用于鮮食,對(duì)其進(jìn)行分級(jí)可提高柑橘附加價(jià)值,這一消費(fèi)結(jié)構(gòu)推動(dòng)了臍橙分級(jí)向著自動(dòng)化的方向發(fā)展。目前,我國(guó)主要的臍橙種植者是個(gè)體農(nóng)戶,受限于分級(jí)設(shè)備的大型化,不能適用于臍橙現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)和轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)的分級(jí)需求,分級(jí)方式仍以人工手動(dòng)分級(jí)為主;另外很多小型農(nóng)戶主要以人工分選為主,人工分選不準(zhǔn)確性和分級(jí)作弊等問(wèn)題會(huì)影響分選品質(zhì)保證。根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求,水果將逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地分級(jí),以便快速分類處理,分級(jí)機(jī)械能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分級(jí),為后續(xù)包裝做好準(zhǔn)備。1.2課題目的、意義（包括應(yīng)用前景）我國(guó)是臍橙種植大國(guó)，隨著人們對(duì)于臍橙的需求越來(lái)越大，促成了臍橙產(chǎn)業(yè)的形成，市場(chǎng)對(duì)于高精度的臍橙分級(jí)機(jī)的需求也越來(lái)越大，急需設(shè)計(jì)出精度效率較高的臍橙分級(jí)機(jī)，從而提高臍橙產(chǎn)品的的競(jìng)爭(zhēng)力，開(kāi)拓國(guó)外市場(chǎng)，增加果農(nóng)的收益。臍橙的產(chǎn)后商品化處理有多個(gè)步驟，分級(jí)是其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，分級(jí)技術(shù)國(guó)外已經(jīng)較為成熟，最近幾年在國(guó)內(nèi)發(fā)生了較大的變化，但與其它環(huán)節(jié)如清洗、打蠟、包裝等環(huán)節(jié)相比，還處于落后狀態(tài)，許多方面處于理論研究狀態(tài)，未能實(shí)際應(yīng)用：分級(jí)是臍橙進(jìn)入流通的第一個(gè)環(huán)節(jié)，具有很重要的作用，臍橙在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中受到外界多種因素的影響，因此檢測(cè)臍橙的外部或內(nèi)部品質(zhì)是一個(gè)比較復(fù)雜的分析過(guò)程，對(duì)臍橙進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分級(jí)，對(duì)于提高臍橙的附加值有著關(guān)鍵的意義。分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)主要有外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)兩個(gè)指標(biāo)，外部品質(zhì)主要是大小、顏色、形狀、表面缺陷等參數(shù)，內(nèi)部品質(zhì)主要是糖度、酸度、堅(jiān)實(shí)度等參數(shù)。國(guó)外早在上世紀(jì)80年代就開(kāi)始了水果分級(jí)的研究，上世紀(jì)90年代后已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。盡管如此，由于國(guó)外的設(shè)備較為昂貴，因此國(guó)內(nèi)很少有購(gòu)買此類設(shè)備的例子。因此研制出價(jià)格低廉的臍橙分機(jī)裝置在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上具有很大的前途。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較為落后，目前國(guó)內(nèi)的分級(jí)技術(shù)較為成熟的是在臍橙的外部品質(zhì)分級(jí)方面，而對(duì)于消費(fèi)者最重要的內(nèi)部品質(zhì)方面的研究近幾年也發(fā)展很快。發(fā)展出能同時(shí)檢測(cè)臍橙內(nèi)部和外部品質(zhì)的水果分級(jí)裝置的意義是顯而易見(jiàn)的。1.3國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及水平1.3.1國(guó)外分級(jí)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀依照CCD相機(jī)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析等技術(shù)條件對(duì)每一個(gè)水果進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)得到客觀的結(jié)論在分級(jí)，這是國(guó)外應(yīng)用較早的技術(shù)手段。機(jī)器的視覺(jué)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)的探測(cè)的應(yīng)用，正成為國(guó)內(nèi)外競(jìng)相研究熱門課題?，F(xiàn)在的一些光學(xué)的檢測(cè)手段正在應(yīng)用到水果的品質(zhì)檢驗(yàn)當(dāng)中去，這些檢測(cè)技術(shù)連同信息的處理技術(shù)正在為水果的檢測(cè)提供便捷。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是模仿生物大腦結(jié)構(gòu)和功能而構(gòu)成的信息處理技術(shù)，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中應(yīng)用可以提高品質(zhì)識(shí)別的智能性。德國(guó)發(fā)明的分級(jí)機(jī)機(jī)構(gòu)，其分級(jí)的精度是非常高的，并且其緊湊的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以有效地減少果實(shí)損傷的幾率，其核心技術(shù)是應(yīng)用了一種先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，并且此種機(jī)構(gòu)把水果的商品化的工藝縮短了近一半的時(shí)間。美國(guó)Autoline公司的水果分級(jí)設(shè)備在世界上處于領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品已經(jīng)系列化(5個(gè)型號(hào))，能夠按照重量、顏色、形狀分級(jí)，傳送通道可以多達(dá)9道，出口可達(dá)60個(gè)，每道的最高傳送速率為12個(gè)/秒，其傳輸系統(tǒng)可以容納不同尺寸的水果，其視覺(jué)系統(tǒng)采用兩架單色相機(jī)，能計(jì)算出水果的三維尺寸。西班牙Aleixos使用多光譜相機(jī)檢測(cè)相橘，圖像在兩塊DSR中并行運(yùn)算，顏色識(shí)別正確率達(dá)94%,由于損傷處和正常處的熱輻射不同，用熱紅外線圖像對(duì)損傷的判別準(zhǔn)確率達(dá)100%，實(shí)驗(yàn)證明，在損傷后30-180s時(shí)，擦傷處和正常處至少有1-20度溫差，但熱紅外線圖像必須在環(huán)境溫度變化下才可以檢測(cè)。ltaly-001-A型分級(jí)機(jī)是一種先進(jìn)的分級(jí)機(jī)構(gòu)，能夠按照果實(shí)的大小進(jìn)行很好的分類處理，其核心的部件就是一條傳送帶，其上面有很多的孔，其網(wǎng)眼中的孔徑是無(wú)級(jí)變化的，網(wǎng)眼在最左邊時(shí)，孔徑最小，傳送帶向右運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)眼孔徑也就隨之增大，到達(dá)最右邊時(shí)，孔徑最大。當(dāng)傳送帶從下端向回運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)眼孔又由大變小。就是說(shuō)，傳送帶上的網(wǎng)眼孔徑就像照相機(jī)的快門那樣，隨著傳送帶的運(yùn)行方向不同，可以由小變大或由大變小。果實(shí)最先落在傳送帶左邊時(shí)，小的果實(shí)漏下來(lái)，隨著傳送帶的向右運(yùn)行，大的果實(shí)開(kāi)始落下，這樣就將果實(shí)由小到大進(jìn)行了多級(jí)分級(jí)。美國(guó)Kavdir等使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)相橘進(jìn)行分級(jí)，把缺陷和物理特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的輸入?yún)?shù)，對(duì)橙子，袖子分級(jí)的準(zhǔn)確率為98.5%，利用ANN的泛化功能，對(duì)橙子的彩色RGB圖像，結(jié)合顏色和果形分析，獲得魯棒性，實(shí)時(shí)性的分類結(jié)果。日本三菱電器公司研制的水果成熟度分級(jí)機(jī)，是利用傳感器綜合測(cè)出梨的表面顏色、對(duì)特定光的透光率、形狀和大小，并與事先貯存在計(jì)算機(jī)中的優(yōu)良梨的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，推算出成熟度和含糖量，但是大小分級(jí)是其基礎(chǔ)。1.3.2國(guó)內(nèi)分級(jí)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)是世界水果生產(chǎn)消費(fèi)大國(guó)，但還不是水果加工強(qiáng)國(guó)。水果的品質(zhì)還難以完全滿足國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者的要求，水果市場(chǎng)主要還在國(guó)內(nèi)。隨著我國(guó)加入WTO，水果生產(chǎn)銷售面臨著激烈的全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，因此必須盡快提升我國(guó)水果種植和加工的水平，縮短與國(guó)外的差距。近幾十年來(lái)，我國(guó)的水果加工水平提高緩慢，主要是我國(guó)的水果機(jī)械加工技術(shù)水平落后造成的。20世紀(jì)50年代以前，我國(guó)幾乎沒(méi)有食品機(jī)械工業(yè)，更不用說(shuō)水果加工。水果的生產(chǎn)加工主要以手工操作為主，基本屬于傳統(tǒng)作坊生產(chǎn)方式。僅在沿海一些大城市有少量工業(yè)化生產(chǎn)方式的水果加工廠，所用設(shè)備幾乎是國(guó)外設(shè)備。進(jìn)入20世紀(jì)50～70年代，水果加工業(yè)及水果機(jī)械行業(yè)得到一定的發(fā)展，全國(guó)各地新建了一大批水果加工工廠。但這樣依然沒(méi)有從根本上改變水果加工落后的面貌，這些加工廠尚處于半機(jī)械半手工的生產(chǎn)方式，機(jī)械加工僅用于一些主要的工序中，而其他生產(chǎn)工序仍沿用傳統(tǒng)的手工操作方式。到了20世紀(jì)80年代以后，水果工業(yè)發(fā)展迅速。這得益于80年代以后的改革開(kāi)放政策。隨著外資的引入，出現(xiàn)很多獨(dú)資、合資等形式的外商水果加工企業(yè)。這些企業(yè)在將先進(jìn)的水果生產(chǎn)技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)的同時(shí)，也將大量先進(jìn)的水果機(jī)械帶入國(guó)內(nèi)。再加上社會(huì)對(duì)水果加工質(zhì)量、品種、數(shù)量要求的不斷提高，極大地推進(jìn)了我國(guó)水果工業(yè)以及水果機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。通過(guò)消化吸收國(guó)外先進(jìn)的水果機(jī)械技術(shù)，使我國(guó)的水果機(jī)械工業(yè)的發(fā)展水平得到很大提高。20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)水果工業(yè)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，又進(jìn)行了新一輪的技術(shù)改造工程。在這一輪的技術(shù)改造工程中，許多水果加工廠對(duì)設(shè)備進(jìn)行了更新?lián)Q代，或直接引進(jìn)全套的國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，或采用國(guó)內(nèi)廠家消化吸收生產(chǎn)出的新型機(jī)械設(shè)備。經(jīng)過(guò)兩輪的技術(shù)改造工程，極大推進(jìn)了我國(guó)水果機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，水果機(jī)械工業(yè)現(xiàn)已形成門類齊全、品種配套的產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)為機(jī)械工業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)之一。分級(jí)技術(shù)在我國(guó)大體可分為引進(jìn)、消化、吸收三個(gè)階段，80年代以前是主要以引進(jìn)為主，國(guó)內(nèi)的分級(jí)技術(shù)的研究幾乎為零；隨著技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)制造業(yè)逐步發(fā)展成熟，同時(shí)國(guó)內(nèi)開(kāi)始意識(shí)到了分級(jí)機(jī)構(gòu)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要性，逐步的引進(jìn)國(guó)外的生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)國(guó)內(nèi)的一些機(jī)構(gòu)或者企業(yè)開(kāi)始學(xué)習(xí)研究國(guó)外的技術(shù)，經(jīng)過(guò)具體的測(cè)繪分析，對(duì)于分級(jí)技術(shù)的認(rèn)識(shí)有了一個(gè)飛躍的發(fā)展，90年代以后，根據(jù)市場(chǎng)對(duì)分級(jí)機(jī)構(gòu)性能的要求的提高看，于此同時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)于此種技術(shù)的研究已經(jīng)積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出了許多自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。但盡管如此，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)目前在分級(jí)領(lǐng)域仍然存在大型設(shè)備不足、工藝控制技術(shù)落后、磨耗和單位產(chǎn)品能耗偏高、特殊粒形的生產(chǎn)工藝和設(shè)備落后等問(wèn)題。在近幾十年水果分級(jí)研究中，我們已經(jīng)積累了足夠經(jīng)驗(yàn)，并且可以說(shuō)碩果累累，許多產(chǎn)品性能指標(biāo)已經(jīng)趕超國(guó)外很多產(chǎn)品。水果分級(jí)機(jī)器人的研究成功，將有利于改變國(guó)產(chǎn)水果和農(nóng)產(chǎn)品的外觀質(zhì)量較差，同一批產(chǎn)品中良莠不齊，混等混級(jí)等現(xiàn)狀。若以我國(guó)蘋果產(chǎn)量的50%(約3000萬(wàn)噸)通過(guò)自動(dòng)分級(jí)處理來(lái)說(shuō)，每公斤大概可以增值0.2元，那么總量即能夠增值6億元?？上攵@對(duì)提高我國(guó)水果的品質(zhì)，增強(qiáng)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的能力，并大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有重要的理論意義和實(shí)際意義，并能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.4參考文獻(xiàn)[1]楊松夏,陸華忠,呂恩利,許錦鋒.球形水果機(jī)械式大小分級(jí)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(08):235-239.[2]翟步金,徐惠榮,王劍平.自由托盤輸送水果分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,37(01):49-54.[3]任杰,李婷婷.基于PLC的水果大小連續(xù)分級(jí)設(shè)備設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2015(06):100-101.[4]呂怡秋,楊葉.我國(guó)果園機(jī)械采摘與分級(jí)研究進(jìn)展[J].農(nóng)村實(shí)用技術(shù),2020(10):107-108.[5]周雪青,張曉文,鄒嵐,解新創(chuàng).水果自動(dòng)檢測(cè)分級(jí)設(shè)備的研究現(xiàn)狀和展望[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2013(02):9-11.[6]楊再雄,吳戀,左建,王柳,張麒.基于人工智能的農(nóng)產(chǎn)水果分級(jí)檢測(cè)技術(shù)綜述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2021,11(22):41-43.[7]田有文,吳偉,盧時(shí)鉛,鄧寒冰.深度學(xué)習(xí)在水果品質(zhì)檢測(cè)與分級(jí)分類中的應(yīng)用[J].食品科學(xué),2021,42(19):260-270.[8]王利平,陳恒,王團(tuán)部.基于紅外熱波無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)的水果分級(jí)研究[J].激光雜志,2018,39(07):59-62.[9]喬陸,陳靜.基于SOPC水果分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].食品與機(jī)械,2016,32(08):95-97+201.[10]陳斌.淺談水果品質(zhì)智能化實(shí)時(shí)檢測(cè)和分級(jí)系統(tǒng)[J].南方農(nóng)機(jī),2018,49(09):81.[11]周麗琴.便攜式電動(dòng)水果采摘分級(jí)裝置的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2018(02):15-16+20.[12]高玨,殷蓉,朱培逸,陳飛.LabVIEW在球形水果分級(jí)中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2014,35(06):180-182.[12]江平.Pro/ENGINEER幫助水果分級(jí)卸料裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2009(11):70-71.[13]張志龍.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的水果分級(jí)方法研究[D].貴州財(cái)經(jīng)大學(xué),2020.[14]王干.車載式臍橙采后分級(jí)設(shè)備的研究[D].江蘇大學(xué),2018.[15]王宇杰.基于機(jī)器視覺(jué)的水果分級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2021,42(03):235-239.DOI:10.19554/ki.1001-3563.2021.03.033.[16]李承龍,魯明麗.基于邊緣檢測(cè)技術(shù)的果品分級(jí)方法研究[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào),2018,32(02):78-82.DOI:10.16101/32-1749/z.2018.02.017.[17]謝靜.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的蘋果自動(dòng)分級(jí)方法研究[D].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.[18]DiKangetal.DesignandAnalysisofFruitGradingMachine[J].InternationalCoreJournalofEngineering,2020,6(4):13-17.[19]S.MangarajandRKPajnoo.DesignandDevelopmentofaHighCapacityMultiFruitGraderforCommercialApplications[J].AgriculturalEngineeringToday,2019,43(1):11-19.[20]XiaoRongZhou.MechanismStudyontheGradingofthe5BF-3FruitsGradingMachine[J].AdvancedMaterialsResearch,2012,1700(490-495):233-237.

二、課題研究的主要內(nèi)容、研究方法或工程技術(shù)方案和準(zhǔn)備采取的措施2.1課題研究的主要內(nèi)容1）臍橙分級(jí)機(jī)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)；2）臍橙分級(jí)機(jī)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3）分級(jí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2.2研究方法或工程技術(shù)方案（1）錐輥式分級(jí)機(jī)構(gòu)錐輥式分級(jí)裝置采用的是一對(duì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的錐形輥，如圖，橙子在兩錐形棍的帶動(dòng)下不停地上升和下落，同時(shí)，橙子在重力和上端橙子對(duì)其側(cè)向擠壓力的共同作用下沿錐形向下移動(dòng)，直至兩錐形的間隙大于橙子的直徑時(shí)，橙子通過(guò)間隙落下。（2）圓孔篩分級(jí)機(jī)構(gòu)圖2.2是圓孔篩分級(jí)原理圖，該圓孔篩與水平線的夾角為

a。篩孔由右往左逐漸變大，橙子在重力和離心力的共同作用下沿篩壁下滑并通過(guò)合適的孔口落下。該圓孔篩的轉(zhuǎn)速范圍為：（3）柵條滾筒式分級(jí)機(jī)構(gòu)如圖所示，篩分部分由三段滾筒組成，每段滾筒的柵條間隙不同，第一級(jí)到第三級(jí)柵條的間隙逐漸增大。橙子在篩筒內(nèi)軸向隨著滾筒一起做圓周運(yùn)動(dòng)；軸與橙子具有彈性而且篩筒與水平面有一定的夾角所以作曲線或直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)橙子到達(dá)篩筒時(shí)，厚度尺寸小的橙子在離心力的作用下從第一級(jí)被分離出來(lái)，厚度尺寸大的橙子在滾筒的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到下一級(jí)繼續(xù)篩選，如此重復(fù)直到第四級(jí)橙子從側(cè)面分出為止。2.3核心問(wèn)題及準(zhǔn)備采取的措施前兩種方案都存在著一些缺陷，比如說(shuō)錐輥式的分級(jí)效果不好，因?yàn)椋汗麑?shí)大量喂入時(shí)，上層的橙子無(wú)法及時(shí)地與下層橙子進(jìn)行交換，造成前一級(jí)橙子在后一級(jí)甚至后幾級(jí)才被分離出去，出現(xiàn)分級(jí)混雜、混級(jí)率增大現(xiàn)象。由于大多橙子是橢圓形的，這些橙子在下滑的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橄聺L姿態(tài)的不同而在不同的位置下落，從而造成分級(jí)誤差。圓孔篩式也存在著一個(gè)致命的缺點(diǎn)：在機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，如果放入太多的橙子，就很有可能把篩孔堵塞，導(dǎo)致工作效率低下。柵條滾筒式的相對(duì)而言工作效果會(huì)好很多，雖然也會(huì)因?yàn)槌茸有螤畹膯?wèn)題使分級(jí)出現(xiàn)誤差，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作效率高，實(shí)用價(jià)值遠(yuǎn)高于前兩種方案。三、現(xiàn)有基礎(chǔ)和具備的條件3.1現(xiàn)有基礎(chǔ)主要具備分級(jí)機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如滾筒結(jié)構(gòu)，錐輥設(shè)計(jì)；理論力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)掌握和了解；伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型；CAD、solidworks等軟件的使用技巧。3.2具備的條件1