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大米分級(jí)下料裝置及其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
題目： 大米分級(jí)下料裝置及其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
本設(shè)計(jì)的設(shè)備是基于機(jī)器視覺技術(shù)的品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的大米分級(jí)裝置，分別對(duì)下料裝置和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。下料裝置從整個(gè)設(shè)備中獨(dú)立出來，并改進(jìn)設(shè)計(jì)成了具有一定的可調(diào)性，針對(duì)于多種物料的送料料斗，使物料能一粒一粒依次地落至輸送帶上。整臺(tái)設(shè)備的動(dòng)力是由220V、420W交流低速電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)，且是利用計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)，模擬人的視覺功能，檢測(cè)大米的圖像信息，然后進(jìn)行分析和處理，并通過計(jì)算機(jī)程序?qū)LC發(fā)出指令，操縱氣閥的啟閉，最終把大米分離成六個(gè)等級(jí)，從不同的出料口中輸出。
關(guān)鍵詞：大米分級(jí) 品質(zhì)檢測(cè) 下料裝置 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器視覺技術(shù)
Classification Of Rice Under The Device And
Its Overall Structural Design
Abstract: The design of the equipment is based on the quality of machine vision technology detection system of rice classification devices, respectively, cutting devices and improved the overall design layout. Device under the devices from the whole independent and to improve the design has become a certain adjustable for a variety of materials in the feed hopper, so that materials can be an order to drop to a conveyor belt on. Driving force for the entire piece of equipment is 220V, 420W AC low-speed motor-driven and detected by use of computer vision systems, simulation of human visual function, detection of image information of rice, and then the analysis and processing, and through a computer program to give directions to the PLC , the gate control valve, and ultimately into the merits of the grade separation of rice from different feed the mouth of the output.
Key words: rice classification quality determination cutting device the overall structure design machine vision technology
目 錄
1 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 大米概況及其質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1] 1
1.3 基于MVT的大米品質(zhì)檢測(cè)的發(fā)展概況及研究現(xiàn)狀[2] 3
1.3.1 國外對(duì)大米檢測(cè)的研究 4
1.3.2 國內(nèi)大米檢測(cè)研究現(xiàn)狀 4
1.3.3 稻米檢測(cè)裝置的研究簡(jiǎn)況 5
1.3.4 存在的問題 5
2 總體設(shè)計(jì) 7
2.1 工作原理 7
2.2 設(shè)備的組成 7
2.3 改進(jìn)前的工作原理圖 8
3 各零部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算 9
3.1 輸送帶的設(shè)計(jì) 9
3.1.1 輸送帶的速度估算 9
3.1.2 輸送帶的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.2 電動(dòng)機(jī)的選擇[3][4] 9
3.2.1 電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算 9
3.2.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的確定 10
3.2.3 電動(dòng)機(jī)的類型結(jié)構(gòu)及型號(hào)的選擇 10
3.3 聯(lián)軸器的選擇[6] 11
3.4 軸的設(shè)計(jì)及校核[3] 12
3.4.1 主動(dòng)軸軸端直徑的確定 12
3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.4.3 軸的校核（按許用彎曲應(yīng)力校核） 12
3.5 鍵的選擇 15
3.6 軸承及軸承座的選擇 15
3.7 傳動(dòng)滾筒的設(shè)計(jì) 16
3.8 總體支架及外觀設(shè)計(jì) 16
4 下料裝置的設(shè)計(jì) 19
4.1 振動(dòng)電機(jī)的選擇 19
4.2 彈簧的設(shè)計(jì)及計(jì)算[4] 20
4.2.1 彈簧的端部結(jié)構(gòu)選擇 20
4.2.2 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.3 料斗的設(shè)計(jì) 23
4.4 下料裝置的總體設(shè)計(jì) 24
5 整體外觀設(shè)計(jì) 25
6 總 結(jié) 26
6.1 全文總結(jié) 26
6.2 創(chuàng)新點(diǎn) 26
參考文獻(xiàn) 27
致 謝 28
1 緒 論
1.1 前言
民以食為天。大米是一種非常特殊的商品，一日三餐誰也離不開它。自古就從來沒人忽視過大米的質(zhì)量，用質(zhì)量重于泰山來形容，一點(diǎn)也不過分。隨著食品貯藏加工業(yè)的發(fā)展以及人們生活水平提高，人們對(duì)大米的需求從吃飽到吃好，從吃好到吃得健康和營(yíng)養(yǎng)了。大米的質(zhì)量?jī)?yōu)劣將直接影響到人們的健康安全，因此受到各級(jí)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門的高度重視和人們的關(guān)注。
然而中國目前由于整體大米加工水平不高，在實(shí)際生產(chǎn)和加工過程中仍存在著許多質(zhì)量問題及其解決的技術(shù)問題（如：如何去除大米中的異色粒和有色雜質(zhì)，保證大米的純度；如何來分出大米中的碎米以及檢測(cè)出大米的裂紋，提高大米的整米率等等）。由于這些問題的存在，因而大大降低了大米在市場(chǎng)上的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。這些問題都有待于盡快解決，而且將大米按品質(zhì)或轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的不同分級(jí)后流向市場(chǎng)出售必成為今后的發(fā)展趨勢(shì)之一。因此人們便能在等量的情況下獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。目前我國稻谷產(chǎn)后加工技術(shù)還處于薄弱環(huán)節(jié)，較之國外差距較大。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法以人工檢測(cè)為主，主觀性強(qiáng)，精確度低，可重復(fù)性差，嚴(yán)重制約和影響了國家“優(yōu)質(zhì)大米標(biāo)準(zhǔn)”在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用，不僅造成了生物資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)也挫傷了農(nóng)民的生產(chǎn)積極性。而具有該功能的進(jìn)口儀器則大多價(jià)格昂貴，不適宜在我國推廣應(yīng)用。隨著人們生活水平的提高、糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)及方式的改變和科技進(jìn)步，稻谷優(yōu)質(zhì)品種的開發(fā)，產(chǎn)后的精、深加工，已成為發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)的主要內(nèi)容之一，如能引進(jìn)和借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)，搞好這一社會(huì)經(jīng)濟(jì)工程，既可以增加經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)具有良好的社會(huì)效益。稻谷精深加工前景十分廣闊。為此，基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)的大米分級(jí)機(jī)設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新改進(jìn)就緊迫的向我國設(shè)計(jì)技術(shù)人員提出挑戰(zhàn)。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題就是迎合了這種需求。通過查閱眾多參考文獻(xiàn)，我們終于初步改進(jìn)設(shè)計(jì)了一套基于計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)大米分級(jí)裝置。整臺(tái)設(shè)備的動(dòng)力是由220V ，500W 交流低速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，且該設(shè)備的技術(shù)核心主要是利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，模擬人的視覺功能，檢測(cè)大米的圖像信息，然后模擬人的大腦進(jìn)行識(shí)別，通過對(duì)所檢測(cè)到的大米圖像信息進(jìn)行處理后，計(jì)算機(jī)立即對(duì)可編程控制器發(fā)出指令，進(jìn)而通過可編程控制器（PLC）對(duì)氣閥的直接操縱控制，最終把大米的分離成六個(gè)等級(jí)。
1.2 大米概況及其質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]
大米是水稻的種子，稻谷經(jīng)脫殼、去糠等工藝加工后得到的最終產(chǎn)品。大米的產(chǎn)地分布很廣，產(chǎn)量也很大，而其中的90％又集中在亞洲地區(qū)。我國和東南亞各國是大米的主產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)量我國居世界第一，達(dá)到1.8億噸，占世界總產(chǎn)量的1/3；其次是印度、印度尼西亞、孟加拉、泰國、越南、緬甸、菲律賓和日本等國。大米年世界總產(chǎn)量約5億噸；年貿(mào)易量約2000萬噸，大米的出口國主要是泰國（約500萬噸）、印度（約400萬噸）和美國（約300萬噸），其次是越南和緬甸。大米的進(jìn)口國較多，達(dá)100多個(gè)，但進(jìn)口量都不大，年進(jìn)口量超過100萬噸的國家有：巴西、印尼、伊朗和中國，其次是古巴、法國、德國、印度、俄羅斯等國。
在我國，自建國以來，大米一直是主要的出口商品，60年代初平均年出口量為660萬噸，65年至71年增至1360萬噸，72、73兩年年平均出口量達(dá)到創(chuàng)記錄的2300多萬噸；80年代以來，由于人民生活提高和飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致大米消費(fèi)大增，年出口量逐步下降，并首次于88年，進(jìn)口了31萬噸大米，至1995年，中國大米的出口量減至5萬噸，而進(jìn)口卻猛增到165萬噸，使我國由大米的凈出口國變成凈進(jìn)口國。96年至97年，由于國內(nèi)大米豐收，我國才又恢復(fù)出口。
糙米的形態(tài)與稻粒相似，多為橢圓形或細(xì)長(zhǎng)形；表面光滑，具有蠟狀光澤，正常糙米呈乳黃色，也有的呈白色、黃色、半透明黃白色等，少數(shù)為紅色或紫黑色；糙米表面有五條縱向溝紋，其中背部正中的一條叫背溝，這些溝紋的深淺，決定著成品大米的出米率，因?yàn)槟朊拙褪且肴ゲ诿妆砻娴钠樱v溝內(nèi)的皮則很難全部碾去，溝紋越深，越難碾，出米率越低。目前鑒別大米的精度，就是以米粒表面及溝紋內(nèi)留存皮層的多少來鑒定的。我國稻谷產(chǎn)區(qū)廣、產(chǎn)量大、品種多，所以其分類方法也不盡一致。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，大米按稻谷的粒形和粒質(zhì)分為三類：
（１）秈米：用秈型非糯性稻谷制成的米。米粒一般呈長(zhǎng)橢圓形或細(xì)長(zhǎng)型，按其粒質(zhì)和稻谷的收獲季節(jié)分為以下兩種：
１）早秈米：腹白較大，硬質(zhì)粒較少；
２）晚秈米：腹白較小，硬質(zhì)粒較多。
（２）粳米：用粳型非糯性稻谷制成的米，米粒一般呈橢圓形，按其粒質(zhì)和稻谷的收獲季節(jié)分為以下兩種：
１）早粳米：腹白較大，硬質(zhì)粒少；
２）晚粳米：腹白較小，硬質(zhì)粒多。
概念解釋：大米腹白―指粳性大米的角質(zhì)胚乳在腹部或米心部位出現(xiàn)的乳白色不透明現(xiàn)象，也叫心白。這種大米，米粒結(jié)構(gòu)疏松，硬度低，加工時(shí)易出碎米，品質(zhì)較差。腹白明顯的米粒俗稱白堊粒。
表1―2―1各等級(jí)大米質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
等級(jí)
特等
標(biāo)準(zhǔn)一等
標(biāo)準(zhǔn)二等
標(biāo)準(zhǔn)三等
加工精度
從略
從略
從略
從略
不完善粒%
3.0
4.0
6.0
8.0
最大限度雜質(zhì)
總量%
早秈、晚秈、早粳、秈糯、粳糯
0.25
0.30
0.40
0.45
晚粳
0.20
0.25
0.30
0.35
其中糠粉%
0.15
0.20
0.20
0.25
礦物質(zhì)%
0.02
0.02
0.02
0.02
帶殼稗粒粒/g
早秈、晚秈、早粳、秈糯、粳糯
20
50
70
90
晚粳
10
20
30
40
稻谷粒粒/g
早秈、晚粳、秈糯
8
12
16
20
晚秈、早粳、粳糯
4
6
8
10
碎米%
總量%
早秈、秈糯
35
晚秈、粳糯、早粳
30
晚粳
15
其中小碎米%
早秈、秈糯
2.5
晚秈、早粳、粳糯
2.0
晚粳
1.5
水分%
早秈、秈糯
14.0
早粳、粳糯
14.5
晚秈
14～14.5
晚粳
14.5～15.5
色澤、氣味
正常
(注：各類大米中的黃粒米限度為2.0%。)
1.3 基于MVT的大米品質(zhì)檢測(cè)的發(fā)展概況及研究現(xiàn)狀[2]
機(jī)器視覺技術(shù)(Machine Vision Technology ,簡(jiǎn)稱MV T) 是以圖像處理技術(shù)為核心,用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能,用人工智能技術(shù)、信息處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分析,以獲得研究對(duì)象所需的信息。傳統(tǒng)大米檢測(cè)多采用抽樣方法,人工測(cè)量和目測(cè),步驟繁瑣,速度慢,勞動(dòng)強(qiáng)度大,且檢測(cè)結(jié)果主觀性強(qiáng),一致性差。隨著計(jì)算機(jī)性價(jià)比的不斷提高,機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用正在推廣,尤其在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。和人工檢測(cè)技術(shù)相比,機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)具有速度快、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),利用機(jī)器視覺分級(jí)代替人工檢測(cè),是自動(dòng)化分級(jí)發(fā)展的必然趨勢(shì) 。
1.3.1 國外對(duì)大米檢測(cè)的研究
機(jī)器視覺技術(shù)起源于20 世紀(jì)60 年代,進(jìn)入70 年代,在理論和應(yīng)用上都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展 。在應(yīng)用于谷物外觀品質(zhì)檢測(cè)方面,國外的研究成果很多,由于不同國家的飲食結(jié)構(gòu)不同,歐美國家對(duì)小麥和玉米的研究較多,對(duì)稻米的研究較少,少數(shù)亞洲國家如日本、泰國、韓國對(duì)稻米的研究較多。
從20 世紀(jì)80 年代開始,國外學(xué)者開始把MV T應(yīng)用于大米識(shí)別和分級(jí)的研究中。國外目前的研究主要分為兩種: ①對(duì)大米加工精度檢測(cè)。②對(duì)大米質(zhì)量檢測(cè)和分級(jí)。日本大學(xué)森島博教授從1983 年開始對(duì)機(jī)器識(shí)別大米質(zhì)量和分級(jí)進(jìn)行廣泛的研究。研究了同品種大米中整粒、碎粒、異色粒、有裂痕粒的識(shí)別和分級(jí)方法,以及不同品種大米的識(shí)別方法,并形成了一整套理論體系 。2000 年Wan Y N 等運(yùn)用范圍估計(jì)( range selection) 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、hybrid 算法3 種在線分類方法對(duì)大米質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在線分類最高記錄是1 200 粒/ min ,準(zhǔn)確率91 %。
1.3.2 國內(nèi)大米檢測(cè)研究現(xiàn)狀
我國學(xué)者從20 世紀(jì)90 年代開始運(yùn)用MV T 對(duì)大米品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。我國大米的品質(zhì)特征分為外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)、食用品質(zhì)(即蒸煮和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)) 及儲(chǔ)藏品質(zhì)。應(yīng)用MV T 對(duì)大米品質(zhì)檢測(cè)主要集中在外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)、食用品質(zhì),應(yīng)用最多的是外觀品質(zhì)和加工品
（1）基于MV T 的大米外觀品質(zhì)檢測(cè)：
外觀品質(zhì)檢測(cè)參數(shù)主要有外形輪廓、堊白、黃粒米、粒型。大米樣品圖像獲取一般采用掃描儀或數(shù)碼照相機(jī),根據(jù)傳統(tǒng)抽樣方法取100 粒樣品進(jìn)行靜態(tài)圖像采集,背景采用黑色。1） 外形輪廓檢測(cè)：包曉敏分別用Robert s 算子、Sobel 算子、Prewit t 算子、模塊匹配法和快速模糊邊緣檢測(cè)法對(duì)大米輪廓進(jìn)行邊緣檢測(cè),通過對(duì)大米圖像的分割實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了快速模糊邊緣檢測(cè)最有效。劉光蓉用掃描儀獲取大米圖像,通過改進(jìn)的直方圖均衡化算法對(duì)大米圖像增強(qiáng),利用八領(lǐng)域分析法提取大米輪。2） 堊白檢測(cè)：堊白是衡量大米品質(zhì)的重要參數(shù)之一,通常用堊白度、堊白粒率、堊白大小等描述大米堊白狀況。其中堊白度是優(yōu)質(zhì)稻米4 個(gè)定級(jí)指標(biāo)之一,因此近年來,對(duì)大米堊白檢測(cè)較多。3） 黃粒米檢測(cè)：黃粒米是評(píng)定稻米等級(jí)的一個(gè)重要指標(biāo)。尚艷芬根據(jù)RGB 色度學(xué)原理分析了黃粒米色度。凌云等選用HIS 模型中的H 分量進(jìn)行黃粒米檢測(cè)。孫明等則采用面向彩色處理的HSV 模型。4） 粒型檢測(cè)：粒型即大米米粒長(zhǎng)寬之比。我國稻米標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此要求很少, 只在優(yōu)質(zhì)秈稻米分級(jí)中提出粒型218 。國內(nèi)學(xué)者也是近幾年才開始這方面的研究。侯彩云計(jì)算粒型方法為:計(jì)算大米輪廓中距離最大的兩個(gè)點(diǎn)的距離作為米粒長(zhǎng)度d1 ,求出粒長(zhǎng)所在直線方程A x + B y + C = 0 。凌云研究了一種基于極坐標(biāo)的粒型檢測(cè)方法,將米粒近似為橢圓形,粒長(zhǎng)、粒寬分別為橢圓長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)度,這樣可以簡(jiǎn)單快速計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)短軸大小,實(shí)現(xiàn)粒型的檢測(cè)。
（2） 基于MV T 的大米加工品質(zhì)檢測(cè)
目前采用MV T 對(duì)大米加工品質(zhì)的檢測(cè)研究主要在加工精度、整精米率兩個(gè)方面。1） 加工精度檢測(cè)：我國GB1354 —86《大米》標(biāo)準(zhǔn)中是按加工精度對(duì)大米分級(jí),可見對(duì)大米加工精度檢測(cè)的重要性。傳統(tǒng)檢測(cè)主要是通過直接比較和染色法進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。許俐等 通過計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與色度學(xué)理論相結(jié)合,采用日本MG 染色法,研究染色后大米的胚乳、皮層及胚芽所呈現(xiàn)的不同顏色特征和區(qū)分方法,通過計(jì)算胚乳面積占樣本總面積的百分比來得到加工精度。目前利用機(jī)器視覺對(duì)大米加工精度的檢測(cè)需要對(duì)大米進(jìn)行染色處理,離檢測(cè)自動(dòng)化還有一段距離。而國外學(xué)者在1994 年就利用大米灰度值來測(cè)定加工精度,實(shí)現(xiàn)了大米加工精度的無損檢測(cè)。2） 整精米率檢測(cè)：整精米率是GB1350—1999《稻米》標(biāo)準(zhǔn)中新增的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,目前對(duì)該方面的研究較少。尚艷芬等開發(fā)了一個(gè)整精米識(shí)別系統(tǒng),可自動(dòng)識(shí)別整精米和碎米。
1.3.3 稻米檢測(cè)裝置的研究簡(jiǎn)況
在谷物檢測(cè)裝置的研究方面,國外起步較早,目前已有商品化儀器,如瑞典Foss 公司的1625 型自動(dòng)化谷物品質(zhì)分析儀,日本株式會(huì)Kett 科學(xué)研究所的米谷粒判別器。但這些儀器價(jià)格昂貴,很難在國內(nèi)推廣。在我國眾多學(xué)者研究專門實(shí)現(xiàn)一種大米品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上,有些學(xué)者開始研究可實(shí)現(xiàn)多種品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)為一體的軟件系統(tǒng)和硬件裝置。如侯彩云 開發(fā)出一套計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)軟件RQES110 ,專門用于優(yōu)質(zhì)稻米分級(jí)指標(biāo)整精米率、堊白粒率、堊白度、粒型等參數(shù),系統(tǒng)采用掃描儀獲取圖像,使用VC+ + 610 為開發(fā)工具。張巧杰在此基礎(chǔ)上研究了一套稻谷品質(zhì)快速檢測(cè)裝置,不但實(shí)現(xiàn)了大米外觀品質(zhì)(堊白度、堊白粒率) 的檢測(cè),還實(shí)現(xiàn)了大米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)(直鏈淀粉含量) 檢測(cè)。本裝置采用激光光源進(jìn)行大米直鏈淀粉含量檢測(cè),精度達(dá)+ 1 % ,采用CCD 攝像機(jī)對(duì)堊白度、堊白粒率檢測(cè),精度分別為+ 1 %、+ 2 %。目前國內(nèi)這些檢測(cè)裝置離商業(yè)化還有一段距離。
1.3.4 存在的問題
MVT 在稻谷品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng),要達(dá)到生產(chǎn)自動(dòng)化,實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè),還需要解決很多問題,主要表現(xiàn)在: ①在已有的大米品質(zhì)檢測(cè)中,大多屬于靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),雖然目前已有準(zhǔn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)樣品的自動(dòng)進(jìn)樣和分級(jí)功能,但圖像采集時(shí)谷物與攝像機(jī)仍保持相對(duì)靜止,實(shí)際采集的還是靜態(tài)圖像。生產(chǎn)過程中采集到的圖像應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的多個(gè)大米圖像,增加了處理和分析的復(fù)雜性,目前還沒解決從快速運(yùn)動(dòng)農(nóng)產(chǎn)品中提取有效圖像信息并對(duì)其校正的技術(shù)問題; ②已有的檢測(cè)算法對(duì)大米擺放方向要求比較高,實(shí)際大米擺放是隨機(jī)的,檢測(cè)算法不能受米粒擺放方向影響。已有算法不能滿足要求,限制了實(shí)用性。③目前圖像處理多采用灰度圖像,某些參數(shù)可能無法識(shí)別,建議今后嘗試彩色圖像、多頻圖像處理進(jìn)行特征識(shí)別。
2 總體設(shè)計(jì)
這次所設(shè)計(jì)的設(shè)備總長(zhǎng)約3000mm,總高1530mm,總寬930mm.總體看來，該設(shè)備具有快速、準(zhǔn)確、高效、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。
2.1 工作原理
工作時(shí)把大米裝入料斗中，開動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使?jié)L筒及輸送帶在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而把大米輸送到圖像視覺檢測(cè)裝置系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)對(duì)所檢測(cè)到的大米圖像處理，并向可編程控制器發(fā)出指令，操縱氣閥的及時(shí)開啟與閉合。當(dāng)檢測(cè)到不同等級(jí)大米時(shí)，就開啟相關(guān)氣閥通氣，依靠氣流對(duì)大米的沖擊力，將該粒大米從相關(guān)出料口中出料；然而大部分大米通過時(shí)，則關(guān)閉氣閥，讓大米隨輸送帶運(yùn)輸至一等品出料口中出料，從而將大米分級(jí)。其原理示意圖如2-1-1所示：
2.2 設(shè)備的組成
(1) 輸送帶——在該設(shè)備中起到拽引和連續(xù)不斷輸送大米的作用,其材料采用乙丙黑色橡膠材料。
(2) 驅(qū)動(dòng)裝置——是該設(shè)備中動(dòng)力輸送部分，由安裝在支架上的調(diào)速電動(dòng)機(jī)和連軸器組成。
(3) 傳動(dòng)滾筒——是該設(shè)備中動(dòng)力傳遞的主要部件，輸送帶借其與滾筒之間的摩擦力而運(yùn)行。
(5) 裝料斗——用來裝載大米，使大米能連續(xù)不斷地掉落在橡膠輸送帶上，同時(shí)該裝置上還具有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能夠控制大米往橡膠輸送帶上掉落的流量，且可以針對(duì)比大米體積稍大的其他物料的輸送。
(6) 大米圖像信息檢測(cè)裝置——這是該設(shè)備的技術(shù)核心，大米在該裝置中被檢測(cè)，其所采集到的生物圖像信息在計(jì)算機(jī)中被處理分析。
(7) 大米等級(jí)分離裝置——此設(shè)備中設(shè)計(jì)了兩個(gè)大米輸出端口，在計(jì)算機(jī)的控制操縱下最終把大米分成六個(gè)等級(jí)（通過計(jì)算機(jī)對(duì)所采集到的大米圖像信息進(jìn)行處理并發(fā)出控制信號(hào)，控制氣閥的及時(shí)開啟與閉合，從而把大米分成了六個(gè)等級(jí)級(jí)別）。
2.3 改進(jìn)前的工作原理圖
圖2-3-1 改進(jìn)前原理示意圖
3 各零部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1 輸送帶的設(shè)計(jì)
3.1.1 輸送帶的速度估算
由于輸送帶是用來輸送大米供計(jì)算機(jī)檢測(cè)。若檢測(cè)系統(tǒng)每秒能檢測(cè)六行左右的大米，則可估算出輸送帶的速度V：
V = 行距 * 行數(shù) = 0.25*6 = 0.15 m/s
帶的輸送量Q:
Q = 6 * 3600 = 21600 粒/s
3.1.2 輸送帶的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
經(jīng)查閱[3]，并根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境，選用乙丙橡膠（Epm）材料。其特點(diǎn)為：密度小、成本低、耐化學(xué)穩(wěn)定性好、耐臭氧、耐老化性能優(yōu)異、耐熱溫度高達(dá)150℃。其橫截面尺寸如圖3-1-1所示：（寬為280mm，厚為4mm）
圖3-1-1 輸送帶的截面示意圖
輸送帶的長(zhǎng)度L的估算：
L = D + 2a = 3.14x300 + 2x2000 = 4942 mm,約為5米；
其中： D —— 滾筒直徑，設(shè)計(jì)值為300 mm
a —— 兩軸中心距，設(shè)計(jì)值為2000 mm
3.2 電動(dòng)機(jī)的選擇[3][4]
3.2.1 電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算
（1） 驅(qū)動(dòng)裝置的總效率
其中： —— 聯(lián)軸器效率，取值為0.97
—— 帶座軸承效率，取值為0.98
—— 輸送帶的傳動(dòng)效率，取值為0.95
—— 滾筒的傳動(dòng)效率，取值為0.98
代入數(shù)據(jù)得 = 0.885
（2） 電動(dòng)機(jī)額定功率的確定
由 得
其中： —— 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率，Kw；
F —— 橡膠輸送帶的運(yùn)行阻力，估算為2000 N；
V —— 輸送帶的速度，m/s；
代入數(shù)據(jù)得
再由 ，其中k由[3]查得并取值為1.2，則
0.408 kw
3.2.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的確定
根據(jù)設(shè)計(jì)要求及實(shí)際，其中的滾筒半徑R設(shè)計(jì)為150mm，則
n = = 9.55 r/min
3.2.3 電動(dòng)機(jī)的類型結(jié)構(gòu)及型號(hào)的選擇
電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式要根據(jù)電源、工作條件(溫度、空間、尺寸等)和載荷的特點(diǎn)來選擇。在此設(shè)計(jì)中的機(jī)械設(shè)備要求電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能，同時(shí)也能夠頻繁啟動(dòng)和停止，且具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小和過載能力大的特點(diǎn)，最主要的是電動(dòng)機(jī)能以低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩來直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
經(jīng)查閱資料[5],YDS系列低速電動(dòng)機(jī)是一種基于Y系列電機(jī)和諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它突破了傳統(tǒng)的電機(jī)加減速機(jī)的傳動(dòng)模式，能以低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)要求低轉(zhuǎn)速的機(jī)械。它的輸出轉(zhuǎn)速通常為100r/min以下，最低可達(dá)到1.2r/min，因此不需減速機(jī)便可直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。其電機(jī)的體積相當(dāng)于同類型普通電機(jī)，由于它的輸出軸要承受較大的扭矩，通常其直徑比較粗（相似于普通電機(jī)的輸出軸直徑）。
標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的容量由額定功率表示，所選用的電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等有或稍大于工作要求的功率。容量小于工作要求，則不能保證工作的機(jī)械正常地進(jìn)行工作，同時(shí)還會(huì)使電機(jī)長(zhǎng)期過載，發(fā)熱大而過早損壞。當(dāng)然電機(jī)容量也不能過大，過大則會(huì)增加成本，并由于效率和功率因數(shù)低而造成浪費(fèi)。
綜合上述要求及計(jì)算結(jié)果，最終選用了YDS系列低速電機(jī)的YDS-90型號(hào)，且安裝形式為B3型，如圖3-2-1所示：
圖3-2-1 YDS-90型電機(jī)
其中性能參數(shù)為：
額定轉(zhuǎn)速：11 r/min ; 額定轉(zhuǎn)矩： 260 N m ；
額定輸出功率：0.42 Kw ； 額定電流： 1.3 A。
安裝尺寸如圖3-2-2所示：
圖3-2-2 電機(jī)安裝尺寸圖
3.3 聯(lián)軸器的選擇[6]
聯(lián)軸器的規(guī)格根據(jù)負(fù)荷情況、計(jì)算轉(zhuǎn)矩、軸端直徑和工作轉(zhuǎn)速來選擇。由電機(jī)的轉(zhuǎn)速乘工況系數(shù)及輸出軸端直徑參數(shù)可以選用剛性套筒聯(lián)軸器Ⅱ型，標(biāo)記為；
GTⅡ聯(lián)軸器 GB/T 5843
3.4 軸的設(shè)計(jì)及校核[3]
3.4.1 主動(dòng)軸軸端直徑的確定
由于該設(shè)計(jì)中的主動(dòng)軸是與電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器直接相連，則可按照電機(jī)的輸出端軸徑或聯(lián)軸器的允許直徑系列[6]來確定，因此可取其直徑為35 mm。
3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
因該軸主要承受轉(zhuǎn)矩，從強(qiáng)度方面及實(shí)際工作條件來考慮，應(yīng)選用圓截面。選擇軸的材料為40Cr,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其結(jié)構(gòu)采用階梯軸，有助于軸上定位可靠、拆裝方便。為了不過分削弱軸的疲勞強(qiáng)度，截面變化不要太大，且過渡圓角不宜過小。另外軸上的鍵槽的方向應(yīng)相互一致。其結(jié)構(gòu)如圖3-4-1所示：
圖3-4-1 主動(dòng)軸結(jié)構(gòu)示意圖
3.4.3 軸的校核（按許用彎曲應(yīng)力校核）
(1)對(duì)軸的簡(jiǎn)單受力分析
簡(jiǎn)化過程：將軸承對(duì)軸的支撐反力簡(jiǎn)化為集中力通過軸承載荷作用于軸上。通過對(duì)軸零件的作用力分析，軸受到得力包括軸承的支撐反力、輸送帶及滾筒所施加的力、電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，如圖3-4-2所示：
（2） 計(jì)算水平面上的剪切力和彎矩，畫出剪切圖、彎矩圖，并找出危險(xiǎn)截面[7]
剪切力： F= F =1000 N ; F = 2000 N
F點(diǎn)彎矩： M = 205 = 205 Nm
剪切圖及彎矩圖如下：
（3）計(jì)算豎直平面上的剪切力和彎矩，畫出剪切圖、彎矩圖，并找出危險(xiǎn)截面[7]
剪切力： F= F =1732 N ; F = 3464 N
F點(diǎn)彎矩： M= 205 = 355 Nm
剪切圖及彎矩圖如下：
（4） 計(jì)算轉(zhuǎn)矩
T = 9550
根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特征差異而定的應(yīng)力校正系數(shù)a取0.3，則
T = 0.3T= 102 Nm
(5) 校核軸的強(qiáng)度
從圖中知F截面為危險(xiǎn)截面，根據(jù)第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件，其中查表11.4[4]知[，查表11.5[4]知 W = ，則F截面的當(dāng)量彎曲應(yīng)力
= 65.5 MP
所以軸的結(jié)構(gòu)和尺寸均符合要求。
(由于從動(dòng)軸和主動(dòng)軸結(jié)構(gòu)一樣，除了左端起65mm不要外，則該軸也符合要求)
3.5 鍵的選擇
軸與傳動(dòng)滾筒、軸與聯(lián)軸器的連接均采用普通平鍵連接。
（1）根據(jù)軸徑d=35mm,查手冊(cè)[6]標(biāo)準(zhǔn)，選用普通平鍵A型截面尺寸為108鍵，長(zhǎng)度為40mm，材料為40Cr。
（2）根據(jù)軸徑d=40mm,查手冊(cè)[6]標(biāo)準(zhǔn)，選用普通平鍵A型截面尺寸為128鍵，長(zhǎng)度為20mm，材料為40Cr。
3.6 軸承及軸承座的選擇
經(jīng)查閱網(wǎng)上資源[8]，選用帶立式座頂絲外球面軸承，它常采用于采礦、冶金、紡織、輸送機(jī)械等，適用于要求設(shè)備及零部件簡(jiǎn)單的場(chǎng)合，具有一定調(diào)心性、易于安裝、具有雙重結(jié)構(gòu)的密封裝置，可以在惡劣的環(huán)境下工作。結(jié)構(gòu)形式多樣、通用性和互換性好。根據(jù)軸徑選用UCP207型號(hào)，其外觀如圖3-6-1所示：
圖 3-6-1 帶立式座頂絲外球面軸承
其性能參數(shù)及安裝尺寸如圖3-6-2所示：
圖3-6-2 UCP207的性能及安裝尺寸
3.7 傳動(dòng)滾筒的設(shè)計(jì)
根據(jù)需要，兩個(gè)滾筒均采用Q235板材焊接而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，易于加工，具體結(jié)構(gòu)如圖3-7-1所示：
圖3-7-1 滾筒結(jié)構(gòu)圖
3.8 總體支架及外觀設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的支架是一個(gè)聯(lián)接件，其材料選用60方柱鋁型材[9],結(jié)構(gòu)及截面形狀如圖3-8-1所示：
圖3-8-1 60方柱鋁型材
起聯(lián)接和固定的附件如圖3-8-2所示：
圖3-8-2 固定聯(lián)接件
該支架主要用來承受上面各個(gè)零部件的重量以及安裝電動(dòng)機(jī)及各零部件，其總長(zhǎng)為2430mm，總高為1530mm，總寬為870mm，其總體結(jié)構(gòu)如圖3-8-3所示：
圖3-8-3 支架結(jié)構(gòu)圖
外觀設(shè)計(jì)（融合了光照箱），其材料選用不銹鋼薄皮板，其效果如圖3-8-4所示：
圖3-8-4 外觀效果
4 下料裝置的設(shè)計(jì)
4.1 振動(dòng)電機(jī)的選擇
振動(dòng)主要是用于減少料斗中的物料堆積在一起，特別是出料口小時(shí)，更需要增加振動(dòng)，以防堵塞出料口。與此同時(shí)，使物料處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，便于勝利地往出料口中送料。在此料斗中的物料重量約為0~5Kg左右，因此我們選擇MVE系列微型振動(dòng)電機(jī)[10],該系列電機(jī)具有重量輕、體積小、激振力調(diào)整方便、絕緣等級(jí)和防護(hù)等級(jí)高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。外觀如圖4-1-1所示：
圖4-1-1 MVE系列微型振動(dòng)電機(jī)
由于該設(shè)備工作電壓為220V，因此選擇220（單相）MVE4型號(hào)微型振動(dòng)電機(jī)，其技術(shù)數(shù)據(jù)和安裝外形尺寸如圖4-1-2所示：
圖4-1-2 技術(shù)數(shù)據(jù)、安裝及外形尺寸
4.2 彈簧的設(shè)計(jì)及計(jì)算[4]
4.2.1 彈簧的端部結(jié)構(gòu)選擇
由于設(shè)計(jì)要求端圈與彈簧軸線的垂直性要好，且與支撐座的接觸要好，有較高的工作穩(wěn)定性，再根據(jù)工作要求，則選用冷卷壓縮彈簧Y 型，兩端圈并緊并磨平，支撐圈數(shù)n = 1~2.5,用于乘受載荷較大，要求各圈受力分析均勻及d0.5mm。
4.2.2 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
據(jù)工作情況，要求彈簧中徑D，啟動(dòng)時(shí)彈簧受力，最大工作載荷，工作行程h=30mm,年作用次數(shù)大于次。
（1） 材料選擇
根據(jù)工作情況屬Ⅰ類載荷，材料選用65Mn的C級(jí)，由表12.4查得[]=340MP，由表12.2查得G=79。
（2） 求簧絲直徑d及彈簧內(nèi)徑D、外徑D
由已知D=25mm，由式（12.11）求得
查圖12.7，得旋繞比 C=9.7
d,查手冊(cè)[6]取d = 3mm
實(shí)際旋繞比 C
（3） 求有效圈數(shù)及
按式（12.6）計(jì)算彈簧剛度
由式（12.7）知
彈簧實(shí)際剛度
端部形式為型，則總?cè)?shù)
（4） 計(jì)算彈簧的變形量
工作載荷F的變形量
最大工作載荷F的變形量
則
對(duì)于Ⅰ類彈簧極限載荷
極限變形量
（5） 計(jì)算彈簧的其它尺寸（按表12.9計(jì)算）
節(jié)距
則
自由高度
則實(shí)際節(jié)距
工作高度
極限工作高度
壓并高度
螺旋角
滿足
展開長(zhǎng)度
（6） 驗(yàn)算
a) 穩(wěn)定性（借鑒[4]12.3.4節(jié)）
高徑比
且
說明穩(wěn)定性不是很好，則需在結(jié)構(gòu)上采取措施，加裝導(dǎo)桿或?qū)住Ｔ诖搜b置中考慮實(shí)際而采用加裝導(dǎo)桿，長(zhǎng)度為50mm，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。
b) 疲勞強(qiáng)度
由式（12.9）知
由表12.8查得彈簧材料的脈動(dòng)疲勞極限 根據(jù)d = 3mm，查表12.3得，則
其中許用安全系數(shù)[S][4]在彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算和材料的機(jī)械性能數(shù)據(jù)精確性高時(shí)，取[S] = 1.3~1.7；精確性低時(shí)取[S] = 1.8~2。
故疲勞強(qiáng)度滿足要求，通過。
（7） 壓縮彈簧工作圖
如圖4-2-1所示
圖4-2-1 壓縮彈簧工作圖
4.3 料斗的設(shè)計(jì)
根據(jù)工作要求及設(shè)計(jì)要求，料斗的出料口應(yīng)具有一定的可變性，即其寬度和高度均由一定的調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)多種物料的檢測(cè)分級(jí)。由于在檢測(cè)大米時(shí)，要求米粒一粒一粒依次送至輸送帶上，則落料口較小，很容易堵塞，在此除了安裝了微型振動(dòng)電機(jī)外，還在接近出料處設(shè)計(jì)了一段圓弧。以控制近口處只留有一粒米的空間，而其它米粒在振動(dòng)及圓弧的作用下，會(huì)退居圓弧以外，達(dá)到防堵的作用。材料選用不銹鋼。再由平時(shí)關(guān)注及老師指點(diǎn)，其外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4-3-1所示：
圖4-3-1 料斗
4.4 下料裝置的總體設(shè)計(jì)
查閱資料并參照輸送檢測(cè)整體設(shè)備，將該下料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖4-4-1所示：
圖4-4-1 下料總體裝置
5 整體外觀設(shè)計(jì)
如圖5-1所示：（除去電動(dòng)機(jī)及計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的外設(shè)）
圖5-1 整體外觀圖
6 總 結(jié)
6.1 全文總結(jié)
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我達(dá)到了深化理論、學(xué)以致用、理論與實(shí)踐結(jié)合的目的，給了我初步體現(xiàn)設(shè)計(jì)能力的機(jī)會(huì)，也反映了大學(xué)四年基礎(chǔ)及專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)情況。鑒于本人的知識(shí)水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所限，并在設(shè)計(jì)過程中考慮的問題不全面，所以設(shè)計(jì)出來的裝置必然存在著一些不足之處，結(jié)構(gòu)上也有需要改正的地方，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。
為了完成此項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)，我系統(tǒng)的回顧了大學(xué)四年所學(xué)的相關(guān)專業(yè)知識(shí)?？沼鄷r(shí)間就在考慮些有關(guān)設(shè)計(jì)的實(shí)際問題，由于我的設(shè)計(jì)偏向于機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)他的詳細(xì)學(xué)習(xí)使我對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)部分有了更深一步的了解。在設(shè)計(jì)過程中，我哦深感基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)思路的重要性，特別是設(shè)計(jì)步驟間地關(guān)聯(lián)性及所需的嚴(yán)謹(jǐn)性。設(shè)計(jì)過程中查看了很多資料來形成自己的設(shè)計(jì)思路，并且提升了搜索相關(guān)資料的能力和效率，特別是運(yùn)用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的能力，讓我更深刻地理解了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。
通過這次設(shè)計(jì)我受益匪淺，了解了有關(guān)設(shè)計(jì)的程序和規(guī)范，并懂得了作為設(shè)計(jì)技術(shù)人員應(yīng)具備的素質(zhì)和能力及精神。鞏固了所學(xué)知識(shí)，提升了CAD、PRO/E等畫圖軟件的應(yīng)用能力，和實(shí)踐、設(shè)計(jì)能力，拓寬了視野，為將來的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步的研究打下了基礎(chǔ)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。
6.2 創(chuàng)新點(diǎn)
（1）在設(shè)計(jì)選材方面，通過網(wǎng)上資源，獲得了許多價(jià)格較低且有利得型材和附件，并對(duì)其有效地利用，使該設(shè)備的出產(chǎn)效率大大提高，且體重更輕。
（2）料斗的設(shè)計(jì)中，通過對(duì)出料口的寬度和高度加以有一定范圍的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，使該設(shè)備的使用范圍擴(kuò)大。只需更改檢測(cè)系統(tǒng)中的有關(guān)程序，便能分別實(shí)現(xiàn)對(duì)大米、稻谷、鈕扣、大豆、小麥、開心果及其他一些重量較輕、高寬度在該料斗可調(diào)范圍內(nèi)的物料進(jìn)行類似的分級(jí)處理。
（3）單獨(dú)的光照箱體被整合在了整個(gè)設(shè)備箱體內(nèi)，使攝像頭等附件安裝更簡(jiǎn)單，也使整臺(tái)設(shè)備在外觀上更緊湊、更具整齊性，防護(hù)上更有利于防塵。
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