全自动杀鱼机设计

中国计量学院毕业设计(论文)全自动杀鱼机设计摘要:全自动杀鱼机，主要对一般食用鱼类进行刮鳞、剖腹、挖肠、清洗等前期自动化处理。本文旨在基于PLC控制技术，以及先进光电检测方法，设计一台根据鱼类不同可实现自主调节的杀鱼机。本文主要包括杀鱼机空间结构设计、鱼头夹持部件设计、鱼尾夹持部件设计、刮鳞部件设计、剖腹部件设计、挖肠部件设计以及清洗部件设计。由于鱼类大小不一，杀鱼机基于光电检测技术和PLC控制技术设计完善的鱼体检测运送方案，该方案集鱼体检测、运送于一体，同时确定后续处理的工作行程，方便快捷，实用可靠。由于杀鱼机是对活鱼进行处理，鱼体必须进行固定，在鱼的夹持固定方案中采用鱼头、鱼尾双夹持的方案。结合相应的控制保证了后续刮鳞、剖腹等处理的顺利进行。针对鱼体厚度的不同，在刮鳞部件的设计中采用了弹性设计方案，该方案部件工作过程中，滚筒始终紧贴鱼体，并保持相对压力，轻松将鱼鳞刮除，同时保证不损伤鱼体。在剖腹部件中，设计一个V形保持架，剖刀与保持架保证相对位置。这使得剖刀在保持架帮助下沿鱼腹中线将鱼体剖开。整机控制器选用了日本三菱公司的系列的可编程控制器，它具有可靠性高、抗干扰能力强、实用性和通用性强的优点。关键词: 全自动杀鱼机；鱼头、鱼尾夹持部件；剖腹部件；挖肠部件。The design of automatic fish killing machineAbstract: Automatic fish killing machine, mainly on the general consumption of fish scales to scratch, laparotomy, intestinal digging, cleaning and other pre-processed automatically. The study is based on the PLC-based control technology, and advanced optoelectronic detection methods, to design an automatic fish killing machine, witch can deal different fish under the self-regulated. In the article, there are including the design of spatial structure of machine, the design of parts gripper head, the design of fish holding parts, scraping scales parts design, parts design section, dug intestinal cleansing component design and component design.Since the sizes of fish, the Automatic fish killing machine based on the photoelectric detection technology and PLC control technology designed to improve the delivery of fish detection program. In this program, fish testing program and delivery works together, at the same time working to determine follow-up visit, convenient, practical and reliable. Since the Automatic fish killing machine for processing fish, fish must be fixed. It chooses the program witch both the head and fish tail fixed clamping, with the control combined with the corresponding follow-up, to ensure that scratch the scales of the section dealing with the smooth conduct of such.A flexible design used in the design of scraping scales for the thickness for the different fish. In this program, the drum has always been close to fish and to maintain the relative pressure, easy to scale curettage, at the same time to ensure that fish do not damage during components process.In the Section components, a V-shaped cage is designed, autopsy knife to ensure and maintain the relative positions of aircraft, which help the post-mortem knife cut open the fish in maintaining the aircraft along the midline to fish.Machine controller selected Mitsubishis range of programmable logic controller, which has high reliability, strong anti-interference ability, practicality and the advantages of high universality.Keywords: Automatic fish killing machine ； the head, tail clamping components; section components; dug intestinal parts目 次摘要目次1. 前言11.1国内外发展状况11.全自动杀鱼机设计思路31.3全自动杀鱼机设计准则41.4全自动杀鱼机设计意义52.机械结构及工作原理设计62.1机械结构及工作原理设计52.1.1整机机械结构空间布置设计62.1.2整机结构及工作原理设计72.1.3杀鱼机鱼体大小检测原理设计82.2杀鱼机机械零部件设计92.2.1鱼头夹持部件的结构及工作原理设计92.2.2鱼尾夹持部件的结构及工作原理设计102.2.3刮鳞夹持部件的结构及工作原理设计122.2.4剖腹部件的结构及工作原理设计132.2.5挖肠部件的机构及工作原理设计152.2.6清洗部件的机构及工作原理设计153. 控制电路设计163.1全自动杀鱼机控制时序163.2鱼身夹持控制原理163.3刮鳞控制原理173.4剖腹、挖肠控制原理183.5杀鱼机控制器选择194. 机械设计计算214.1机械传动设计计算214.1.1锥齿轮设计计算214.1.2圆柱直齿齿轮、齿条设计计算244.1.3链传动设计计算254.1.4螺旋传动设计计算264.1.5丝杆耐磨性验算264.2主轴设计计算274.3 主轴有限元分析295.全自动杀鱼机系统设计总结与展望305.1整机创新性分析305.2整机采用机构与传动对比分析305.3全自动杀鱼机应用前景315.4杀鱼机设计中问题与总结315.5 展望32参考文献33341. 前言作为海洋和湖泊中主要生物的鱼类，具有高蛋白、低脂肪，是人们生活中主要拾取的蛋白来源。鱼类作为食用商品的最好形式要体现出食用方便、安全卫生、富有营养。不含骨刺的鱼片、鱼块、鱼丝和鱼糜等为最好形式。这些产品必须在较低的环境温度下，通过鱼类处理机械、水产品加工机械来完成。通过鱼类机械化加工处理，可保证鱼类加工后剩余边角和废弃物的鲜度和集中度，为进一步发展鱼类的精深加工创造条件，使鱼类加工的产品向多样化、系列化、高附加值方向发展。通过对鱼类的综合加工利用，向市场和消费者提供优质鱼类系列产品，丰富市场，提高经济效益。鱼类前处理设备主要对捕获后的鱼类进行清洗、分级、排列、“三去”（去头、去内脏、去鳞）、开片、去皮等加工处理。加工成鱼片、鱼块、“三去”整鱼，通过速冻、单冻，生产出冷冻鱼片、冷冻鱼块和冷冻整鱼。通过烹饪加工成即食食品和干制品等产品，满足人们的生活需求。鱼类的加工要求主要以鱼体的大小，鱼类的品种特点而定。鱼体大的经济鱼类主要作前处理加工，剖腹去内脏、去鳃后速冻或作开片、切块处理，加工成冷冻鱼片、冷冻鱼块等速冻产品，通过盐渍风干，加工成鱼干或通过烹饪加工，生产出即食食品、鱼罐头等产品。本文意在设计一台具有全自动处理功能的鱼类前期处理机械。1.1国内外发展状况国内水产品加工业的发展是从二十世纪80 年代中期逐步开始的。通过设备的引进，然后对引进设备进行消化吸收，并结合国内水产原料的特点和人们的消费习惯，研制出适合国内特点的水产品加工机械。在鱼类前处理加工机械方面：研制了鱼类切头机、剖腹去内脏机、鱼片去皮机、立式、卧式洗鱼机等单机。目前国产的组合去头、去内脏、开片的鱼类处理生产线还是处于空白状态。近20 年来，虽然我国水产品加工业有了长足的发展，但和发达国家相比，仍存在有很多不足。主要体现在水产品的加工资源严重衰退、基础研究薄弱、加工与综合利用率比较低、加工产品品种少、附加值低、装备落后、质量管理和标准体系不健全等方面。1目前国内运用的技术都存在很大的缺陷，如下图所示，理想机械除鳞设备主要由旋转滚筒11、进料斗8、出料斗1、调节螺钉4、除鳞部件9、1 0等构成。图1.1 除鳞机装置结构图 1.出料斗 2.回收槽 3.机架 4.调节螺钉 5.电动机 6.带传动 7.轴承座 8.进料斗 9.刀孔 10.刀具 11.滚筒 12.阀门 13.插销 14.喷头 15.闷头 16水管旋转滚筒式是一个带孔的圆筒， 滚筒用厚度为15咖20 mm的不锈钢冲孔后卷成圆柱，按制造工艺的要求设计成几段制造，然后焊角钢联接以增加简体的刚度。滚筒上的孔直径远大于加工对象的鱼鳞， 有助于鱼鳞的回收， 并有利于水流通过清洗鱼鳞。得出结论如下:1. 提出采用旋转运动，依靠鱼体表面与筒壁内表面的搓擦来出去鱼鳞的原理，经理论及实验证明简单可行。2. 提出的横轴水平旋转式滚筒除鳞装置， 机构设计合理紧凑，设备简单，制造方便，易操作。设备融除鳞、清洗、回收、输送等功能于一体。3. 本项技术是一种量大面广的淡水鱼机械除鳞的新技术，针对鲢鳙等大宗低值的水产品，将除鳞、洗鱼等多道工序减缩为一次性联合作业工序，减少了鱼体与机械装置接触的次数。降低了损伤鱼体结构、进而影响食品风味的可能性，提高了生产效率，保证了下道工序的需求，减少了机具投资，并节约了能耗。该机械装置适合我国广大湖区、沿海、沿江地区的众多中小型鱼类食品加工厂使用；4. 为使除鳞装置工作可靠，滚筒应倾斜一定角度， 以增加作用距离， 延长工作时间， 并有助于物料的运输。实践证明：倾斜角度以2 03 0为宜。5. 通过有限元理论对鱼体在滚筒中的抛射和翻滚运动的分析表明： 在以上过程中，鱼体的生物应力未达到或超过鱼体的生物屈服应力， 因此鱼体内部结构没有被破坏， 从而保证所加工鱼的质量。6. 刀具的形状有助于增强除鳞效果。刀具越粗糙除鳞效果越明显。7. 时间t及转速n对除鳞比P有显著影响，在一定的时间范围内，时间越长，除鳞面积越大；时间t及转速n对感官评价得分有非常显著的影响，随着时间及转速n的增加，感官评价得分下降2。 除上诉机械设备，国内市场中还出现过其它相关鱼类加工机械。刮鳞器是可应用于鱼类加工行业的一种新型工具。其以高效、高质可替代8名工人的手工操作，充分达到结构简单、便于操作、安全可靠的功效。而且主机可置于地面或是挂于墙壁之上，通过一套软轴传动系统，驱动手持旋转刮具，轻松刮去各种有鳞鱼类的鱼鳞。手柄内装有防水装置，可确保轴承类传动装置的安全运转，且可将手柄及旋转刮具随时置于水中清洗，使刮鳞工作更加自如。主机外壳及手柄均采用不锈钢及铝合金制成，抗锈、抗腐蚀性能好，完全适合于鱼类加工行业使用图1.2 除鳞器外观图1.2 全自动杀鱼机设计思路 目前鱼类剖杀多为手工操作：用钢丝刷去除鱼鳞、用刀剖开鱼腹、用手抓取鱼肠等物（如图1.3所示）。手工剖杀的方法存在着很多缺陷：效率低、尤其存在安全隐患；同时会使杀鱼工人手上腥味难当；冬天杀鱼时，容易使手生冻疮；此外，对鱼鳞和鱼肠又缺乏集中处理，对周围环境产生了不良影响。 图1.3 传统杀鱼工具及场景图杀鱼机具备刮鳞、剖腹、挖肠及清洗功能，且应具有智能性。针对以上功能，结合市场中运用的各类鱼类处理机械的结构优点，杀鱼机功能部件应包括：鱼体夹持部件、刮鳞部件、剖腹部件、挖肠部件、清洗部件。鱼体夹持部件设计是杀鱼机工作的基础，同时是鱼体检测的实施部件。由于杀鱼机是针对处理活鱼而设计，故鱼体夹持部件采用鱼头、鱼尾夹持相结合的结构。基于国内已趋于成熟的刮鳞设备，刮鳞部件结构采用双层旋转滚筒式，滚筒上植钢丝，利用钢丝与鱼体接触，同时两层滚筒与机架采用弹性连接。1.3 全自动杀鱼机设计准则1.3.1设计基本要求（1）全自动杀鱼机及其所有零部件应设计正确、结构合理、遵守机械、电气方面的通用技术要求；（2）制造全自动杀鱼机和零部件应具有足够的强度和合适的性能；（3）全自动杀鱼机和零部件应具有良好的维修和保养，处于正常的工作状态；（4）需要润滑的零部件应装有符合要求的润滑装置；（5）输入电源为220V通用交流电源1.3.2整机性能要求（1） 当电源为额定频率和额定电压、整机正常工作时，无工作噪音，运行平稳；（2） 对于大小不同的鱼，全自动杀鱼机能自主性调节，全过程运行自动化；（3） 刮鳞部件工作中不得损伤鱼肉，刮鳞效果不小于80%；（4） 剖腹、刮肠部件工作行程可随鱼大小变动，剖腹轨迹应在鱼中线，鱼肠等物挖除效果良好；（5） 清洗完成后，鱼身及鱼腹应无鱼鳞等杂物；（6） 全自动杀鱼机整机外形不超过1M*1M*1M，正常运行功率不超过150W；（7） 全自动杀鱼机为24小时工作机械，工作寿命不的少于5年。1.4 全自动杀鱼机设计意义中国是一个水产大国，但还不是一个水产强国，与发达国家相比还有相当大的差距。2003 年国内水产品加工量占总产量的比例约35%，世界发达国家达60%-90%，而国内冷冻品、干制品和烟熏制品约占加工量的75%。据报道，我国水产加工的利润率仅为10%-18%，而日本为113%，美国为91%，印度为44%。可见我国水产品加工以粗加工为主，高附加值产品更是寥寥无几。目前国内鱼类前处理加工大部分还是手工操作为主，一般的冷冻加工企业基本不作去头、剖腹去内脏处理，只是整理装盘随后速冻。所以说中国水产品加工机械的发展任重而道远。目前国内在鱼类开片等前处理加工方面，基本以手工操作为主，即人工开片。这样操作劳动强度大，手指容易划伤，生产效率低，产品容易升温而影响产品质量。自1969年美国数字设备公司研制出第一台可编程控制器PDE-14以来，随着计算机技术的飞速发展，可编程控制器（PLC）的功能不断扩充。由于能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要，长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。针对当前杀鱼过程中的各种缺陷，基于PLC在工业控制领域的优良控制特性，结合国内渔业加工机械发展，设计了全自动杀鱼机。它运用PLC 稳定可靠的控制特性，将杀鱼过程自动化，同时对鱼鳞等物进行集中处理，解决了传统杀鱼过程中的一些问题，减轻了杀鱼者的劳动强度，同时也填补了国内渔业加工机械在此方面的空白。2. 机械机构及工作原理设计2.1机械结构及工作原理设计2.1.1整机结构及工作原理设计根据总体设计准则和性能要求得出:全自动杀鱼机可在PLC的控制下自动完成刮鳞、剖腹、挖肠、清洗等动作。故将全自动杀鱼机分为机械、电控两部分。机械部分包括鱼头夹持部件、鱼尾夹持部件、剖腹部件、刮肠部件、清洗部件个部分（详细工作原理见2.1）电控部分分为硬件部分（PLC控制器、控制电路板）及软件部分（详细控制过程见3）。其总体机械结构和功能如下图所示：图2.1 杀鱼机工作流程图其中，上图2-1中，19表示如下动作：1.进鱼，启动杀鱼机；2.刮鳞装置正转将鱼送进，夹鱼尾装置夹持鱼尾；3.鱼尾固定后，刮鳞装置继续正转，将鱼全部送入；4.将鱼全部送入后，夹持鱼头；5.鱼头夹持完成，刮鳞开始；6.刮鳞结束，剖腹装置伸出并后移，剖腹开始；7.剖腹延时后，刮肠装置伸出并后移，刮肠开始；8.刮肠结束，清洗信号发出，开始清洗；9.清洗完成，整机复位待机。2.1.2整机机械结构空间布置设计鱼加工出入口鱼尾夹持部件鱼尾夹持部件运动行程鱼头夹持部件鱼尾光电检测头控制器及控制电路鱼头处光电检测头整机控制输入剖腹挖肠部件运动限位开关剖腹挖肠部件剖腹挖肠部件限位开关图2.2 杀鱼机机械结构空间布置图（俯视）如图2.2所示，整机机械布置情况，用于清洗的水槽以及接水管道布置于整机最底部，之上加装收集鱼鳞以及鱼腹中杂物的格网。剖腹部件与挖肠部件空间上采用前后布置。上图中双向箭头表示部件的运动行程方向，实际运动行程利用控制软件实现自动调节。在各运动行程两边安装导轨。鱼头处光电传感器安装于鱼头夹持部件前部，而鱼尾处光电传感器安装于鱼尾夹持部件中部。剖腹挖肠部件中剖腹刀以及挖肠刀运动行程上装载限位开关。清洗部件中水泵放置于水箱中，喷头装于各部件上，尽量避免清洗水冲击动力电机，以及相应电子元件。2.1.3杀鱼机鱼体大小检测原理设计夹鱼尾部件初始位置夹鱼头部件夹鱼尾部件鱼尾光电传感器鱼头光电传感器鱼的入口 图2.3 杀鱼机鱼体大小检测原理图检测方法如下：将鱼放入，起动整机，当鱼尾处光电传感器感应鱼尾进入后，夹紧鱼尾，后移，同时滚筒反转将鱼拖入机器，当鱼头进入后，鱼头部件处光电传感器脱开，此时加紧鱼头。图2-1-2中剖腹挖肠部件的行程控制开关装于鱼尾夹持部件上用于直接控制剖腹挖肠的行程。2.2杀鱼机机械零部件设计2.2.1鱼头夹持部件的结构及工作原理设计如图2.4、2.5所示，鱼头夹持部件包括上下夹板、退鱼头部件、钢针以及动力装置。其中退鱼头部件由顶杆、顶杆套、退鱼头挡板组成；而动力装置包括动力电机、左右旋丝杆、同步带传动等。夹鱼头装置有两个工位：夹持工位、待机工位。启动整机放入活鱼后，光电开关发出信号，动力电机启动，经带传动、螺旋传动，带动上下夹板将鱼头夹紧。此过程中，退鱼头部件的顶杆套内弹簧将受压缩，且退鱼头挡板回缩。在弹簧作用下，退鱼头挡板将鱼推出钢针，从而将鱼顺利退出。（详细退鱼头工作原理见后）部件运动行程通过行程开关控制，同时限制钢针扎入鱼头的深度。1. 同步带传动2. 螺母套3. 上下夹板4. 刚针5. 挡板 6. 左右旋丝杆7. 螺母8. 退鱼头部件(包括顶杆、顶杆套、弹簧)图2.4 杀鱼机鱼头夹持部件原理简图夹板退鱼头挡板钢针机架退鱼头顶杆带传动左右旋动力丝杆图2.5 杀鱼机鱼头夹持部件三维模型1. 顶杆套2. 弹簧3. 顶杆4. 夹板5. 连接螺钉6. 钢针7. 挡板图2.6 杀鱼机退鱼头工作结构图 如上图所示，退鱼头结构主要由顶杆、以及顶杆套、弹簧等组成。夹鱼头过程中，夹板带动顶杆运动，当挡板接触鱼头后，顶杆不动，而顶杆套随夹板继续向下运动，此时，套中弹簧受压缩；鱼后续处理完成后，夹板松开鱼头，此时挡板在弹簧作用力下将鱼头外推，最终将鱼头推出夹鱼头部件，实现鱼头定位和推送。2.2.2 鱼尾夹持部件的结构及工作原理的设计图2.7 杀鱼机鱼尾夹持部件原理简图1.曲柄、2.电机、电机架、3.连杆、4.滑块、5.下夹板、6.固定夹、7.板横移部件（滑块、丝杆、以及链传动等）。如图2.7、2.8所示鱼尾夹持部件包括连杆机构、夹板、以及横移部件。其中横移部件由螺旋传动、链传动、动力电机等组成。鱼送入后，在光电开关作用下，动力电机启动，经连杆机构使夹板上移夹紧鱼尾。鱼尾夹紧以后，横移部件带动整个鱼尾夹持装置后移，直至下一控制信号出现。机架连杆机构横移部件夹板部件夹鱼头装置图2.8 杀鱼机鱼尾夹持部件三维模型固定挡板工作角度120连杆机构连杆机构工作行程滑块图2.9 连杆机构快速加紧示意图见图2.9，鱼尾夹持部件中连杆机构采用了具有急回特性的结构。连杆机构工作角度为120，此间即滑块上移加紧鱼尾的工作过程。这使得加紧鱼尾的时间更短，提高工作精度，减小工作中风险。2.2.3刮鳞部件的结构及工作原理设计如图2.10、2.11所示，刮鳞装置包括上下两个滚筒及其动力部件、纵移部件、横移部件。其中，纵移部件由导杆、滑块、弹簧等组成，而横移部件包括动力电机、螺旋传动、链传动等。启动整机后，滚筒动力电机正转经齿轮传动带动滚筒旋转，将鱼拖入。此过程中，纵移部件在弹簧作用下，可根据鱼的大小自行调节。鱼夹持完成后，滚筒横移至第二工位。在软件控制下，滚筒反转并前移开始刮鳞，在第一工位完成刮鳞后，退至第二工位待机。鱼头夹持装置机架横移部件滚筒纵移部件图2.9 刮鳞部件三维模型图1. 横向滑块2. 卡座3. 弹簧4. 齿轮传动5. 滚筒6. 限位卡块7. 纵向滑块8. 支撑杆9. 横向机架10. 螺旋传动(丝杆螺母、(丝杆螺母套)图2.10 刮鳞部件原理简图由上图可见，在刮鳞部件竖直移动部件中，下部设计弹性连接结构，上部依靠自重紧压限位卡快，鱼体进入后，上下部分开。刮鳞过程中，上下滚筒都紧贴鱼体，并保持一定压力。在滚筒钢刷采用仿形设计，对钢刷进行修整，使之与鱼体外形相仿，加大钢刷工作时与鱼体的接触面积。2.2.4剖腹部件的结构及工作原理设计如图2.11、2.12所示，剖腹部件主要由主板、附板、剖腹部件、横移部件、纵移部件等组成。其中剖腹部件包括：刀及刀架、扶持架。纵移部件由螺旋传动、带传动、动力电机组成。横移部件则包括齿轮齿条机构动力电机等。完成刮鳞动作后，在软件控制下，纵移部件中的动力电机启动，经带传动和螺旋传动，使剖腹刀纵移伸入鱼腹，同时横移部件中的电机带动主板横移，将鱼腹剖开。为保证剖腹轨迹应在鱼腹中线，剖腹部件中在剖刀空间位置之前设计可伸缩的鱼身扶持架，剖腹过程中扶持架始终对称性卡住鱼身，剖刀面则和对称面重合。为保持剖腹质量，利用PLC控制，将剖刀进刀量和鱼身扶持架前后伸缩运动结合起来，实现变轨迹的具有自适应性的剖腹功能，详细控制见3.4 。限位开关与附板弹性连接剖刀V形卡持架图2.11 剖腹部件原理结构图上图表示剖腹部件中剖刀与V形卡持架之间的位置关系。剖腹动作开始后，剖刀和卡持架同时向前移动。当卡持架接触鱼腹时，剖刀继续向前深入，直至接触到限位开关，而后后退一小段距离，并保持与卡持架的空间位置。剖腹部件横移过程中，若V形架有前后移动，剖刀将跟随其运动。横移部件主板纵移部件剖腹部件附板 图2.12 剖腹、挖肠部件三维模型2.2.5 挖肠部件的结构及工作原理设计如图2.13所示，挖肠装置包括：主板、附板、挖肠刀、纵移部件等组成。其中纵移部件由螺旋传动、带传动、动力电机组成，而主板直接和剖腹主板相连。剖腹装置横移一段距离后，其纵移部件中的电机开始工作，使挖肠刀伸入鱼腹，此时刮肠装置主板和剖腹装置主板一起横移，逐渐将鱼肠刮出鱼腹。横移部件挖肠刀纵移部件主板附板 图2.13 剖腹、挖肠部件三维模型2.2.6 清洗部件的结构及工作原理设计该装置主要包括水箱、增压泵、输水管以及水管接头、电磁阀等构成。剖腹、刮肠动作完成后，在控制信号作用下，电磁阀打开，水泵开始供水，整机各个部位的水管喷头开始喷水清洗。3. 控制电路设计3.1 全自动杀鱼机控制时序图3.1杀鱼机整机工作时序图如上图所示，整机控制包括：夹持、刮鳞、剖腹刮肠、清洗、复位等。其中夹持动作包括鱼头夹持控制以及鱼尾夹持控制。整机控制时序大致可描述为：启动整机，在控制信号作用下，先进行鱼头鱼尾夹持控制，此过程结束同时向刮鳞部件发出启动控制信号。同理完成剖腹、刮肠、清洗等其它动作的控制。全部动作结束后，进入待机状态，详细控制时序见后。图3.2杀鱼机整机起动控制程序梯形图3.2 鱼身夹持控制原理如图3-7所示，该过程控制包括：送鱼、夹鱼尾、夹鱼头等。所控对象为刮鳞部件中的滚筒电机1、夹鱼尾电机2、夹鱼头电机3。图中15表示控制信号为：1. 启动开关，光电开关1闭合，滚筒动力电机1正转信号；2. 鱼送入，光电开关2闭合，夹鱼尾电机2正转信号；3. 行程开关1闭合，电机2停，电机1正转信号；4. 光电开关1断开，电机1停，夹鱼头电机3正转信号；5. 行程开关3闭合，电机3停，刮鳞信号。图3.3鱼夹持工作时序图图3.4鱼夹持控制程序梯形图 光电开关1安装于夹鱼头部件中，放入鱼以后，光电开关1被挡，在PLC控制下，滚筒将鱼拖入，当鱼尾挡住光电开关2，滚筒停，加紧鱼尾，之后滚筒继续正转，同时夹鱼尾部件后移，当鱼完全进入而光电开关1断开时，滚筒停，加紧鱼头。经以上过程，鱼的大小已测定，刮鳞、剖腹、挖肠等动作行程确定。3.3 刮鳞控制原理如下图所示，主要控制刮鳞滚筒动力电机1、前后移动电机4。图3.5刮鳞工作时序图其中图3.5中14表示信号为：1.行程开关3闭合，刮鳞开始；2.行程开关5闭合，滚筒移动电机4正转信号；3.行程开关6闭合，电机4反转信号；4.行程开关5闭合，电机1、4停，剖腹、刮肠开始信号；图3.6刮鳞控制梯形图 经鱼身夹持过程后，鱼已经完成定位，并且鱼的大小已经测定。在定位完成后，刮鳞部件先向后移至鱼尾，之后前移滚筒同时反转刮鳞，完成刮鳞后退至鱼尾处。3.4 剖腹、挖肠控制原理图3.7剖腹、挖肠工作时序图如上图所示，该过程包括：剖刀伸缩、挖肠刀伸缩、主板前后移动。被控对象有：剖腹刀伸缩电机5、主板移动动力电机6、挖肠刀伸缩电机7。图中18表示的信号为：1. 行程开关5闭合，电机5正转、刮肠开始信号；2. 行程开关7闭合，电机5停、电机6反转信号；3. 行程开关8闭合，电机6停、电机7正转信号；4. 行程开关9闭合，电机7停、电机6反转信号；5. 行程开关10闭合，电机6停、电机5反转信号；6. 行程开关11闭合，电机5停、电机6反转信号；7. 行程开关12闭合，电机6停、电机7反转信号；8. 行程开关13闭合，电机7停、电机6反转、清洗信号。图3.8剖腹、挖肠工作控制梯形图刮鳞完成以后，鱼身扶持架向前伸出，剖刀紧随扶持架之后，当扶持架卡住鱼身后，刀继续向前伸将鱼腹剖开，此时剖腹部件和刮肠部件同时后移，当扶持架退至最大限位时，剖刀后移；当扶持架退至最小限位时，剖刀前移。经上诉过程，剖刀即可沿鱼腹中线并以固定深度剖开鱼腹。3.5 杀鱼机控制器选择 PLC是以微处理器为主的一种工业控制装置，PLC系统能很好地完成工业实时顺序控制、条件控制、计数控制、步进控制等功能；能够完成模数(AD)、数模(DA)转换、数据处理、通讯联网、实时监控等功能。DCS(Distributed Control System)，分散控制系统的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。DCS是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术等4C技术于一体的系统。具有：完备的开放系统，可靠性高，功能全，采用网络通讯技术，具有综合性和专业性，实现了人机对话技术，系统扩展灵活，管理能力强等特点。由于工业生产过程是一个分散系统，而监视、操作和最佳化管理应以集中为好。在2O世纪7O年代中期产生了集散控制系统。与常规的集中式控制系统相比有如下特点： l 实现了分散控制。它使得系统控制危险性分散、可靠性高、投资减小、维护方便。l 实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化。l 采用网络通信技术，这是DCS的关键技术，它使得控制与管理都具实时性，并解决系统的扩充与升级问题。DCS控制系统一经出现就受到工业控制界的青睐，基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用FCS(Fieldbus control system)，现场总线控制系统的简称。是目前世界上最新型的控制系统。FCS主要有以下特点： l FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。开放的现场总线控制系统具有高度的互操作性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，并具有互操作性。l FCS系统的基础是数字智能现场装置，系统结构具有高度的分散性；通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。l FCS系统的本质是信息处理现场化，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息，大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。因此，系统安全性高，扩展灵活，可大大降低安装成本。2O世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户强烈的关注。可编程控制器是一种工业控制计算机成品，与其它控制器相比具有很多优点：1. 以可编程控制器为核心构造控制系统所需周期短2. 可编程控制器通用性和适应性强3. 可编程控制器的可靠性高、抗干扰能力强4. 可编程控制器的维护性好5. 可编程控制器的体积小、能耗低基于以上特色，结合杀鱼机控制特性，选用日本三菱公司的系列的可编程控制器。4. 机械设计计算4.1 机械传动设计计算4.1.1 锥齿轮传动设计计算由于齿轮工作可靠、使用寿命长，传动比稳定，传动效率高，因此作品的主动力传动采用齿轮传动， 由于电机轴线与主轴垂直，需要改变传动方向，此处采用锥齿轮传动。齿轮传动几何计算如下：表4.1 锥齿轮传动设计计算表设计内容设计计算说明设计计算结果1. 选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数(1) 杀鱼机为一般机械，速度不高，选用8级精度的锥齿轮(2) 材料的选择。参考1（濮良贵等，机械设计M，高等教育出版社）表10-1选择锥齿轮材料为45#钢，调质处理，硬度为260HBS(3) 齿数比为：u=1(4) 锥齿轮齿数锥齿轮:45# 260HBS设计内容设计计算说明设计计算结果2. 按齿面接触强度设计计算参考1锥齿轮设计计算公式:(1) 确定公式中各计算数值l 选载荷系数K=1.3；l 计算锥齿轮传递的转矩.9.55l 参考1选取锥齿轮传动的齿宽系数=0.3l 参考1表10-6查得材料的弹性影响系数l 参考1图10-21d按齿面硬度查得锥齿轮接触疲劳强度极限为l 参考1式10-13计算应力循环系数l 参考1中图10-19取接触疲劳寿命系数l 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数S=1.由式10-12得:(2) 计算l 试算锥齿轮平均分度圆直径l 取模数m=1，则锥齿轮分度圆直径mmK=1.39.559550=0.3锥齿轮分度圆直径为：D=20mm3.按齿根弯曲强度进行强度校核计算 参考1锥齿轮齿根弯曲强度进行强度校核计算公式如下：(1) 确定上式中各计算数值l 选载荷系数K=1.3；l 锥齿轮传递的转矩9.55l 参考1选取锥齿轮传动的齿宽系数=0.3l 参考1表10-6查得材料的弹性影响系数l 参考1图10-21d按齿面硬度查得锥齿轮接触疲劳强度极限为（2）计算所以 齿轮满足设计要求。K=1.39550=0.34.1.2 圆柱直齿齿轮 齿条机构设计计算表4.2 圆柱直齿齿轮齿条机构设计计算表设计内容设计计算说明设计计算结果1.选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数1根据传动方案的设计，选用直齿圆柱齿轮传动；2杀鱼机为一般工作机器，速度低，故选用8级精度（GB10095-18）；3材料选择。查表齿轮选用40cr（调质）硬度280HBS；齿条选用45#（调质）硬度240HBS，两者硬度差为40HBS。4传动比：u=1；5齿轮齿数20。u=1z=202. 按齿面接触强度设计直齿圆柱齿轮参考1齿轮齿面接触强度设计计算公式如下： l 确定公式内的各计算数值1）选载荷系数K=1.3；2）齿轮传递的转距=3000Nmm；3）查表齿宽系数=1；4）齿轮接触强度极限；5）由于杀鱼机需长时间使用，接触疲劳寿命系数=0.90；6）计算接触疲劳许用应力。取安全系数S=1 =0.9550 =522.5查表，得材料的弹性硬性系数l 计算1）计算齿轮分度圆直径d；d=2.32mm=16.42mm2）取模数m=1，实际齿轮分度圆直径d=mz=120=2016.42mm.；3）按照齿根弯曲强度校核，齿轮满足设计要求（详细过程从略）。K=1.3=3000Nmm=0.90S=1d16.42mm4.1.3 链传动设计计算因传动距离较大，且考虑到链传动成本较低，不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷较小，且工况要求低，刮鳞部件、夹鱼尾部件中采用链传动。具体设计如下：1由机械设计表96得：工况系数=1.0, 由机械设计图913得：链轮齿数系数K=2.0,2=13 （主动链轮的齿数）3=13 （被动链轮的齿数）4设计功率=1.02.05=10W （链传动的传递功率）主轴转速 =150rmin选节距为p=6.35mm （选用小节距的链）链轮轴孔直径初定中心距 =30p=406.35=254mm5链速：n= =0.4125m/s6人工定期润滑=2 =93,为避免过渡连接链节数圆整为：944.1.4 螺旋传动设计计算在刮鳞装置中，提升动力丝杆的连接、紧固示意图如下：图4.1丝杆连接紧固示意图根据上图，得出丝杆受力图如下：图4.2丝杆受力图其中：丝杆大径d=12mm；小径 =10mm；梯形螺纹螺距p=3mm，材料为45号钢，螺母材料聚四氟乙烯；螺杆全长L=150mm；有效行程H=90mm。4.1.5丝杆耐磨性验算查阅机械设计手册，螺旋传动中，滑动螺旋传动计算部分的工作压强p式中 =0.5，P=1.5mm，n=HP=60，代入上式中得: P=5.74N，丝杆往复移动速度较低，查机械设计手册，取 =8N，即p丝杆耐磨性符合要求，选用合理。4.1.6 主轴设计计算根据对杀鱼机整机工作的分析，主轴受力简图如下图。其中A点为联轴器，B、D点为固定轴承支撑点，C区为滚筒主轴受力区。 图4.3主轴受力模型图图4.4主轴弯矩扭矩图根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上弯矩MH图(图4-2（a）)和垂直面上的弯矩MV图（图4-2（b）。根据主轴受力情况画出扭矩图（图4-2（c）上图中，弯矩M=2000Nmm=2Nm、扭矩T=1000Nmm=1Nm 考虑轴应力循环特性，计算应力为：轴的许用应力=200 根据=； = 轴的最小直径d=9.2mm取安全系数S=1.4，实际选用的轴直径为15dS因此主轴满足设计要求。4.2 主轴有限元分析对于杀鱼机的传动而言，最危险杆件为主轴。设计主轴长度为341mm，材料选用45#钢材，轴的两端固定，所受扭矩为2.5 Nm（小于2 Nm即可驱动杀鱼机正常工作，此处取2.5 Nm校核轴的强度），且平行于轴向截面，并承受500N的力。根据以上数据，在Solidworks软件上生成模型，并确定各项参数，完成设定后，运行软件，进行应力分析，在结果栏中得到图示数据。此时，最低安全系数S=6.0 ，可见轴的强度足够。显示应力分布图以及杆件变形情况如下图所示：图4.5主轴有限元分析图5. 全自动杀鱼机系统设计总结与展望5.1 整机创新性分析1. 在刮鳞部件中，根据鱼的外形，对滚筒上的钢刷进行了仿生设计，滚筒与机架采用非刚性连接，根据不同大小的鱼，钢刷始终与鱼身紧密接触并保持设定压力；2. 鱼尾夹持装置横移部件中，螺母套与螺母采用非刚性连接，螺母可在其中滑动，使之对鱼身的夹持更加可靠；3. 在剖腹部件上，设计了V形卡持架，剖腹时，它可保证剖腹刀沿鱼腹中线后移，使剖腹更顺利；4. 剖腹主板采用非刚性连接，使V形卡持架在剖腹过程中能根据鱼腹形状自适应调节，前后伸缩；而在软件控制下，剖腹刀与V形卡持架之间始终保持一定距离，使剖刀可沿鱼腹曲线将鱼腹剖开；5. 整机集鱼身的夹持、刮鳞、剖腹、挖肠、清洗等多种功能于一体，完成了杀鱼动作的自动化。5.2 整机采用机构和传动对比分析为完成设定的动作，全自动杀鱼机采用了链传动、带传动、齿轮传动、螺旋传动等传动，以及连杆机构、齿轮齿条机构等，有效地完成了预期的功能。下表为作品采用的传动方式及所用机构：表5.1 机械传动性能分析表传动类型所属部件性能分析螺旋传动整机主传动，鱼头鱼尾夹持部件、刮鳞装置、剖腹刮肠装置传动平稳，工作寿命长；保证整机平稳运行。齿轮传动刮鳞装置传动效率高，结构紧凑，传动平稳，缩小刮鳞装置空间。链传动刮鳞装置、鱼尾夹持部件传动效率高，整体尺寸小，机构紧凑，能在恶劣环境中使用，在刮鳞装置、鱼尾夹持部件中，实现较大中心距传动。同步带传动鱼头夹持部件传动平稳、精度高、载荷大。滚珠丝杆传动剖腹装置传动平稳，传动力矩大，精度高；在剖腹装置伸缩部件中，快速精准传递较大力矩。连杆机构鱼尾夹持部件具有死点急回特性，使对鱼尾夹持更稳定。齿轮齿条机构剖腹刮肠装置传动平稳，效率高，行程大；该机构能较精确、平稳地实现剖腹刮肠装置的纵向移动。5.3 全自动杀鱼机应用前景随着人们生活水平的不断提高，对鱼类产品的消费量也越来越大，然而传统的杀鱼方法具有一定的缺陷。尤其对于大型鱼类加工企业，传统的手工杀鱼已经成为企业发展的障碍，而对于小型鱼类售卖点，日趋高涨的环保呼声也对传统杀鱼方法提出了严格的要求。对于企业而言，本作品可改进成为全自动生产线，既便捷又实惠；对小型鱼类经营商，它又有清洁快速，对环境影响小，操作简单，维修方便等特点，因此本作品有较好的市场前景。5.4杀鱼机设计中问题分析与总结 整机工作流畅，过程中首先利用先进的光电传感技术对鱼体进行大小检测，根据检测结果调节刮鳞、剖腹、挖肠部件运动行程，实现了整机工作的自动化和智能化。刮鳞部件中设置了弹性元件，在刮鳞过程中，滚筒始终和鱼体接触，并保持设定压力，轻松将鱼鳞刮除，同时保证不损伤鱼体。整个设计过程进行的相对顺利，特别是在指导老师的密切监督与热情关注下，设计进度比较合适，整个过程都尽然有序。在同事的帮助下，我攻破了很多学习期间没有涉及到的难关。当然，在设计过程中也难免的遇到了一些问题。杀鱼机工作的基础是对鱼体大小的检测，在这方面，作为一个机械专业的学员难度相对大。检测手段的选择、检测电子元件的选用都是难题，为此我请教多个相关专业的老师以及同学，在他们的帮助下，顺利完成了这一基础工作。刮鳞部件中滚筒钢针与鱼体接触压力设定也是杀鱼机设计过程中一个棘手的问题。接触压力过大会刮伤鱼肉，压力过小就不能刮除鱼鳞，在老师和同学的大力帮助下，通过多次试验，更换多次弹簧，最终完成设定。剖腹部件中，剖刀与卡持架在工作期间保持一定得空间位置，这对电机控制提出很高的要求。对此部分的编程控制也相对不易。在整个设计过程中也学到了许多东西，特别是在解决问题的时候对许多知识有了更深刻的了解。比如说工程图绘制的一些标准，三维设计软件运用更熟练了，对机械创新设计和控制策略有了初步的认识，对以后工作很有意义。5.5展望 国内水产品加工机械通过引进、消化吸收、研制，近几年来得到了快速的发展，水产加工产品和与水产相关产品琳琅满目，基本满足人们的生活需求。但国内市场上还看不到有海、淡水鱼类的冷冻鱼片、调味鱼片等产品的供应。冷冻整鱼基本上是没有经“三去”加工处理。中国是一个水产大国，但还不是一个水产强国，与发达国家相比还有相当大的差距。2003 年国内水产品加工量占总产量的比例约35%，世界发达国家达60%90%，而国内冷冻品、干制品和烟熏制品约占加工量的75%。据报道，我国水产加工的利润率仅为10%18%，而日本为113%，美国为91%，印度为44%。可见我国水产品加工以粗加工为主，高附加值产品更是寥寥无几。目前国内鱼类前处理加工大部分还是手工操作为主，一般的冷冻加工企业基本不作去头、剖腹去内脏处理，只是整理装盘随后速冻。所以说中国水产品加工机械的发展任重道远。目前国内在鱼类开片等前处理加工方面，基本以手工操作为主，即人工开片。这样操作劳动强度大，手指容易划伤，生产效率低，产品容易升温而影响产品质量。目前渔区渔民经济收益也不是很高，国内劳动力成本相对比较便宜，既于目前国内的实际情况，在鱼类前处理加工机械方面应首先发展半机械化、半自动化鱼类去头、去内脏、开片设备和组合生产线，逐步替代手工操作。在半机械化、半自动化的基础上逐步研制发展自己的鱼类前处理加工设备和生产线。丰富国内市场，填补国内无冷冻鱼片供应的局面。为鱼类的综合加工利用创造一个良好的基础环境。随着经济的持续增长和国内广阔的消费市场，烹饪前无须加工的冷冻鱼片和调味鱼片等将会越来越受到消费者的青睐。相关的鱼类前处理设备也会迎来一个快速的发展期。参考文献1 徐中伟，鱼类前处理的发展前景和方向.现代渔业信息J.2007.12 2 何伟 李威 淡水鱼机械除鳞装置.渔业机械J.2005年第五期3 刷鱼机.维普资讯 . 4 鱼内脏挖取机. 维普资讯 .5 张南林译,型中上层鱼类和底栖鱼类的加工机械.渔业机械仪器J.1990.66 侯崇升，光电编码器在剪切钢板长度测量中的应用.传感技术J.2005年24卷第七期7 祝欣荣，微机控制的精密自动长度测量J.1996.3 8 孙敏 陈燕红,快速加紧与大力加紧相结合的家具设计.机械设计与制造J.2007.99 余雷，等.基于功能原理的机械方案中的机构创新设计.安徽工程科技学院学报J.2003.610 刘金山，等.基于特征相似性的夹具变型设计方法设计.中国机械工程J.2008.211 岑红雷，等.基于PLC的交通信号控制系统硬件设计.PLC专栏J.2008年第三期12 符明明，田奇.可编程控制器在自动控制系统中的应用.民营科技J.2008年第五期13 吴海燕.利用可编程控制器对立式车床的改造J.2007.1214 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