課題名稱：翻轉式哈密瓜分級裝置設計
一、本課題研究現狀、研究目及意義
1 研究現狀：
目前，國內對水果分級裝備的研究起步較晚，商品化的水果品質檢測分級設備比較少；但是，隨着機器視覺技術的發展，有越來越多的學者開始對蘋果、柑橘、黃桃等水果的品質特徵進行研究，並研製了部分水果檢測分級裝備。由於國內相關技術的不成熟，現有的檢測分級裝置檢測研究對象多為蘋果、芒果、獼猴桃、柑橘等小型水果，而目前針對哈密瓜的分級研究基本上處在理論層面，還沒有應用到實際生產中，仍需要進行繼續深入的研究。目前，哈密瓜的市場需求量在逐年增加，因此迫切需要一種針對哈密瓜大小分級的設備及技術解決當前的問題。
2 研究目的與意義：
哈密瓜是新疆地區的名優特產，素有“瓜中之王”的美稱，含糖量高，奇香襲人，不僅香甜可口，而且營養成分十分豐富，被譽為“水果皇后”.然而，目前哈密瓜採摘後的檢測方式主要採用人工分揀方法，效率低下，隨意性大，往往帶有人的主觀因素，造成分選不規範，分選精度低；同時分揀時間長，水果腐爛變質及客户等待時間較長等問題突出，造成資源和時間的雙重浪費，致使經濟效益下降，最終影響了哈密瓜在市場上的競爭力。因此，對哈密瓜進行自動化分級顯得尤為重要。
本研究針對目前新疆哈密瓜主要依靠人工在田間地頭進行分級的現狀，設計了一種翻轉式哈密瓜分級裝置。
二、本課題研究內容
1 總體設計
1.1 總體結構
本裝置包括機架、進料口、卸料口、傳送系統、承載水果裝置、控制系統和分級執行裝置。傳送系統包含電動機、同步皮帶、主動鏈輪、從動鏈輪和鏈條輸送帶；控制系統包含對射式激光傳感器、傳感器支撐架、三菱 PLC 和 PLC 支撐架；分級執行裝置包含分級執行裝置支撐架、支撐軸、調速電機、凸輪和棘輪。
1.2 工作原理
工作時，電動機帶動傳送系統工作，傳送系統帶動承載水果裝置工作，哈密瓜由進料口進入承載水果裝置。當承載水果裝置通過對射式激光傳感器區域時，哈密瓜觸發對射式激光傳感器，按照所觸發的對射式激光傳感器的對數將哈密瓜分為大、中、小3 個等級；對射式激光傳感器將信號傳給三菱 PLC,通過預先設置好的程序使三菱 PLC 控制相應的調速電機轉動，調速電機控制凸輪轉動；凸輪通過轉動使相應的水果托盤翻轉，進而使哈密瓜進入相應的卸料口，實現哈密瓜的分級；拉伸彈簧拉動水果托盤回到初始位置，凸輪繼續轉動至初始位置後通過與棘輪作用停止轉動，等待下一次轉動。
2 哈密瓜承載裝置設計
2.1 材料與方法
本次試驗材料選 用品 種 為“金 皇 後 （欣 源 蜜6號）”的成熟哈密瓜樣本，樣本個數為 100個，產地為新疆兵團農六師103 團哈密瓜種植基地。根據當地瓜農的經驗和哈密瓜的全生育期（85 ~ 110天左右），在哈密瓜成熟期對此種哈密瓜進行兩批次採收，每次均採收 50 個，且採收時間間隔不能超過 3天，共得到 100 組有效試驗數據。
2.2 水果托盤曲線確定
通過對哈密瓜球度的計算，可以看出“金皇后（欣源蜜 6 號）”品種哈密瓜形狀規則，接近於球形，因此需要設計一種類球形的水果托盤。選取哈密瓜理論平均縱徑做為橢圓的長軸 r1,哈密瓜理論平均橫徑做為橢圓的短軸 r2,並選定用於設計水果托盤的曲線。
2.3承載水果裝置設計
承載水果裝置由轉動軸、減震彈簧、水果托盤支撐座、水果托盤緩衝墊、裝置支撐座、拉伸彈簧和水果托盤組成。其中，裝置支撐座與鏈條長銷軸相聯，減震彈簧固定在水果托盤支撐座和裝置支撐座之間；水果托盤通過轉動軸與水果托盤支撐座聯接，其緩衝墊固定在水果托盤支撐座上，拉伸彈簧用於聯接水果托盤和水果托盤支撐座。承載水果裝置是哈密瓜分級裝置中的關鍵部件，該裝置中水果托盤的主要作用是實現哈密瓜承載傳送和翻轉；減震彈簧和水果托盤緩衝墊主要作用是當哈密瓜由進料口傳送至水果托盤時實現減震和緩衝，避免哈密瓜出現損傷；拉伸彈簧的主要作用是當水果托盤翻轉後將水果托盤拉回原位置。
3 分級系統設計
3.1 分級執行裝置設計
分級執行裝置由凸輪、棘輪、支撐軸和調速電機組成。其中，支撐軸固定在分級執行裝置支撐架上，棘輪固定在支撐軸上，凸輪繞支撐軸轉動。通過固定在分級執行裝置支撐架上的調速電機
帶動凸輪繞支撐軸轉動，凸輪在轉動過程中通過與水果托盤作用，驅動水果托盤翻轉，進而使哈密瓜翻轉並實現哈密瓜的分級；凸輪每次工作後都回到初始位置，通過與棘輪的作用實現凸輪靜止。
3.2分級控制系統工作原理
分級控制系統由多對對射式光電傳感器、三菱PLC 和調速電機組成。首先，通過試驗獲取哈密瓜相關數據建立哈密瓜質量 - 縱徑數學模型，根據所建立的數學模型確定對射式光電傳感器的安裝位置，並確定哈密瓜經過傳感器時觸發傳感器個數與哈密瓜質
量的關係；然後，PLC 通過獲取傳感器被觸發個數的信息間接獲取哈密瓜的等級信息，並根據間接獲取的哈密瓜等級信息控制相應的調速電機轉動；調速電機控制凸輪旋轉並驅動水果托盤翻轉，最後完成哈密瓜的分級。
三、實施方案：
1 哈密瓜表面清理及編號。對所採收的哈密瓜使用乾毛巾進行表面清洗，用小刀切除果梗，並對哈密瓜進行編號，將編號為1 ~ 100 的記號紙貼在哈密瓜果梗處。
2 哈密瓜外形尺寸測量。對已經編號的哈密瓜樣本，使用高度劃線遊標卡尺測量哈密瓜樣本縱向長軸的長度 a、橫向短軸的兩個長度 b 和 c.其中，短軸的兩個長度 b、c 測量方式是短軸處相互垂直的兩個位置進行測量，通過公式（1） 求出哈密瓜的球度 .在測量哈密瓜縱徑時需要人工將哈密瓜豎立，由於豎立過程人工參與，可能存在一定的偏差，故此處均採取多次測量取平均值的方法。每個哈密瓜樣本的尺寸數據測量 3次並詳細記錄每次所測量的數據，將每個哈密瓜樣本的 3組試驗數據取平均值作為哈密瓜的尺寸數據，並最終以 100 個哈密瓜的平均橫縱經值做為哈密瓜的理論橫縱經值。
四、進度安排：
第1-4周 實習調研、收集資料；
第5周 完成開題報告；
第6-7周 完成總體方案設計；
第8-11周 完成機械結構、驅動系統、控制系統設計計算；
第12-15周 繪製裝配機總裝配圖、零件圖；並繪製驅動系統原理圖、控制系統原理圖；
第17周 校對所有設計內容參加畢業設計論文答辯
五、已查閲主要參考文獻
[1] 朱培逸，王引佳，高珏，等。 基於 PLC 和組態王的水果品質分級系統設計[J]. 農機化研究，- 106.
[2] 張俊雄，荀一，李偉，等。 基於計算機視覺的柑橘自動化分級[J]. 江蘇大學學報：自然科學版，- 103.
[3] 安愛琴，餘澤通，王宏強。 基於機器視覺的蘋果大小自動分級方法[J]. 農機化研究，- 166.
[4] 劉燕德，吳明明，孫旭東，等。 黃桃表面缺陷和可溶性固形物光譜同時在線檢測[J]. 農業工程學報，-.
[5] 王運祥，馬本學，賈豔婷，等。 採用夾持果梗方法的水果檢測分級機設計[J]. 食品與機械，- 110.
[6] 葛紀帥，趙春江，黃文倩，等。 基於智能稱重的水果分級生產線設計[J]. 農機化研究，- 130.
[7] 吳曉強，黃雲戰，趙永傑。 基於運動控制器的蘋果質量分級系統[J]. 食品與機械，- 116.
[8] 李晶，張東興，劉寶。 蘋果分級機輸送與翻轉機構設計[J]. 農業機械學報，- 161,.