1、全自动马铃薯淀粉含量测定机设摘要摘 要随着人民生活水平的不断提高，高档次的食品需求量越来越大。由于精制马铃薯淀粉它成糊后粘度高、成糊稳定、晶莹透明、有较强粘弹性，是举世公认的食品行业伟大的“绿色建筑材料”！同时它还广泛的应用于化工、纺织、医药、饲料、造纸、石油等行业，因而对它的淀粉含量要求也就越来越高。设计马铃薯淀粉仪也就迫在眉睫，在设计马铃薯含量淀粉仪的时候，用两个步进电机提供动力，确保旋转机构位置精度，电机与旋转装置的连接是通过齿轮直接啮合。电机1通过齿轮来控制旋转机构的旋转，再通过旋转装置上的挂钩获取载物块送至测量装置。电机2同样也是与旋转装置2齿轮直接啮合，通过旋转装置上的挂钩从测量装
2、置获取试样，再通过逆旋转摘除试样，完成整个动力传递过程。马铃薯淀粉含量的测定，传统的马铃薯淀粉含量的测定劳动强度大、效率低、人工误差大，目前我国的马铃薯淀粉含量的自动化机械监测水平相对落后。本设计针对这一问题，设计了马铃薯淡粉含量自动测定仪，实现了马铃薯淀粉含量测定的自动化，提高了测定效率。关键词：马铃薯；淀粉含量测定；步进电机；密度测淀粉 IAbstractThe Design of Automatic Potato Starh Content Determination Machine AbstractWith the continuous improvement of peoples l
3、iving standard, high grade food demand more and more big.Because of its refined potato starch paste viscosity high, into paste stability, glittering and translucent and transparent, has the strong viscoelastic, is universally acknowledged the food industry green building materials great! It is also
4、widely used in chemical industry, textile, medicine, feed, paper making, petroleum and other industries, and requirements for its starch content also is higher and higher .Design of potato starch instrument is imminent, in the design of the potato starch content of instrument, powered by two stepper
5、 motors, ensure the position accuracy of the rotation, motor connected to the rotating device is directly by gear meshing.The motor 1 through the gear motor to control the rotation of the rotating mechanism, again through the rotating device on the hook for slide block to the measuring device. Motor
6、 with rotating device is also The motor 2 gear meshing directly, through the rotating device of the hook sample was obtained from the measurement device, again through the inverse rotation remove sample, complete the power transfer process. Potato starch content determination, the traditional potato
7、 starch content determination of labor intensity, low efficiency, human error is big, at present our country of the potato starch content of automation machinery monitoring level is relatively backward. This design in order to solve this problem, design the light potato powder content automatic test
8、er, automate the potato starch content determination, and improves the measurement efficiency.Keyword: the potato; Determination of starch content; Stepping motor; Starch density test;Machine design of automatic potato starch content determinationII全自动马铃薯淀粉含量测定机设计 - 2 -目录目 录摘 要IAbstractII1 前言11.1本研究
9、的目的与意义11.2 本设计的背景11.3研究方案11.3.1马铃薯淀粉含量测定方法的选择11.3.2操作方案的选取31.3.3工作原理32 马铃薯淀粉仪自动化的设计方案62.1淀粉仪储存输送机构方案设计62.2 淀粉仪测量机构方案设计62.3淀粉仪输出机构方案设计62.4淀粉仪的控制方案设计72.5马铃薯淀粉含量测定仪的技术参数列表73 淀粉仪缓存方案设计83.1 结构原理83.2 材料选取93.3 储存工件力的校核94 传送机构设计114.1机构原理114.2材料的选择124.3材料力的校核124.4电机的选择134.4.1 电动机类型的选择144.4.2 电动机基本参数154.5 圆柱直
10、齿轮的设计164.5.1 材料选择164.5.2 按齿面接触强度计算设计164.5.3 按齿根弯曲强度计算设计184.5.4 几何尺寸计算194.6轴承的选择与校核215 测量机构及其控制235.1可编程序控制器的选择及工作过程235.1.1 可编程序控制器的选择235.1.2 可编程序控制器的工作过程235.2 机械可编程序控制器控制方案246结论25参考文献26致 谢27 II目录- 2 -全自动马铃薯淀粉含量测定机设计1 前言1.1本研究的目的与意义随着人民生活水平的不断提高，高档次的食品需求量越来越大。由于精制马铃薯淀粉它成糊后粘度高、成糊稳定、晶莹透明、有较强粘弹性，是举世公认的食品
11、行业伟大的“绿色建筑材料”！因而广泛用于方便面、膨化食品、火腿肠、肉制品、冷冻食品、休闲食品、饮料、高档粉丝、餐饮调料等食品工业。同时它还广泛的应用于化工、纺织、医药、饲料、造纸、石油等行业，尤其变性淀粉加工业对淀粉的需求量越来越大。因此，尽快选育出优质、高产、抗病和加工专用的优良新品种，提供大面积生产推广种植，显得尤为重要。对于马铃薯淀粉含量的测定，传统的马铃薯淀粉含量的测定劳动强度大、效率低、人工误差大，目前我国的马铃薯淀粉含量的自动化机械监测水平相对落后。本设计针对这一问题，设计了马铃薯淡粉含量自动测定仪，实现了马铃薯淀粉含量测定的自动化，提高了测定效率。1.2 本设计的背景我国淀粉加工
12、业起步较晚，发展时间不长，尤其是薯类淀粉才是近几年有所发展，加之设备陈旧，工艺落后，生产的淀粉不能满足高档次食品添加的需求，部分高档次淀粉还需要进口。 国际上高品质的精制薯类淀粉主要集中在欧洲，如荷兰、德国、丹麦、法国、瑞典、芬兰等国，这些国家的生产厂出口淀粉到亚太市场，都会享有国家对农产品出口补贴的政策，享受一定补贴。在这种状况下，国内淀粉由于价格和质量原因，在国际市场上不具竞争力。从2000年开始，欧盟各国逐渐取消了对出口农产品的补贴，并且由于欧洲的经济复苏，原料及劳动力价格也同时上浮，使出口的淀粉价格骤涨,这样给中国的薯类淀粉生产厂家的发展，带来了千载难逢的机会。因而选出淀粉含量的测定成
13、为马铃薯种植及淀粉生产的首要前提。从而需要对马铃薯淀粉含量的测定方法进行相关的研究。1.3研究方案1.3.1马铃薯淀粉含量测定方法的选择马铃薯淀粉可以使鲜薯块根直接分析，也可以制成薯粉间接分析。但经查阅发现，由于淀粉酶的作用，样品干燥前后的淀粉含量会发生变化，相同品种的块根，用鲜薯测出的淀粉含量和用其薯干测出的淀粉含量，存在着一定的差异。马铃薯淀粉含量的测定常用物理法、化学法和色谱法。1.3.1.1物理方法一般物理方法速度快，操作简便，不许化学试剂和贵重仪器，成本低，但准确性较差。需增加重复次数。主要有密度法、干率换算法、匀浆沉淀法近红外光谱仪器分析法等折光仪法。但因干率换算法计算较麻烦，不准
14、确，匀浆法需将马铃薯粉碎操作过程麻烦，而各种仪器价格昂贵，因此物理方法中，只有密度法简单易操作。密度法简介如下：（1）密度的定义：是指单位体积物质的质量，或物质的质量与其体积之比。 （2）密度法的原理：根据阿基米德原理，采用流体静力称衡法，在空气中用天平测定试样的质量，通过在液体中称量试样测定其体积，则根据定义可计算出试样的密度。通常采用四氯化碳或蒸馏水为测定的液体介质。计算公式如下： 𝛒 = 对于马铃薯淀粉含量的测定来说，即是根据马铃薯密度不同的原理进行的。马铃薯块茎中包含水分和干物质，块茎中水分愈多，其密度愈接近于水，反之块茎中干物质愈多，它与水的密度相差愈大。马铃薯在水中
15、的密度与块茎干物质含量之间存在相对应的关系，可用公式2表示： 式中为空气中块茎的重量，为水重块茎重量，为马铃薯的密度。1.3.1.2化学方法淀粉的化学测定法是最常用的方法。其测定原理是根据淀粉是一种葡萄糖的聚合物,其最终水解产物为葡萄糖,而葡萄糖具有还原性,可用氧化还原法测定,从而计算出淀粉含量。具体测定方法有:容量分析法、比色分析法、旋光分析法、极谱分析法、GB5009.9-2008法、费林试剂热滴定法、高锰酸钾滴定法/Rertrand法、SHS铜试剂滴定法、还原糖测定仪法、FeCY试剂法、Luff-Schoor滴定法、直接滴定法和Somogyi法/萨氏法和苯酚-硫酸法等等。但不管那种化学法
16、,其供测样品都需先进行处理,包括淀粉提取、淀粉水解和还原糖测定等因此过程繁琐且需要专业人员操作。综上所述：化学方法较繁琐，仪器法不依推广使用，物理方法中，折光法由于公式中的常数需要校正，结果不准确；近红外光普仪器分析法由于仪器相对较贵，故只有密度法可以普遍使用，且操作简便，精确度较高。1.3.2操作方案的选取目前对于马铃薯淀粉含量的测定，传统的方法都是使用人工劳动力，将马铃薯在空气中测完，再在水里再测其重量，由于在水中马铃薯的浸没程度、其所在位置不同以及水的波动程度不同，测得的数据误差特别大，其后还要再对数据进行多次处理，其过程耗时、费力，误差大。 如我校马铃薯研究所测马铃薯淀粉，每年要测2万
17、份，如按传统的测定方法，需要测一个多月，费时、费力、劳动强度大，精度低准确度极差。为了改善传统测定的不足，并且随着自动化的普及，使马铃薯淀粉含量的测定实现自动化已经成为马铃薯育种选取马铃薯的重中之重。1.3.3工作原理马铃薯淀粉含量的测定，目前的测量方法很多，但是其中尤以密度法简便，虽然密度法比较粗放，所测的样品需要量大，但是该法不用太多的设备，方法简便易行，在田间就可进行。原理：根据马铃薯浸没水中，溢出水的体积等于马铃薯的体积，所以只需得出溢出水的质量及浮力，因此只需测出马铃薯在水中和空气中的重量，代入公式2就可以得出样品密度。再根据密度与淀粉含量之间的关系，得出马铃薯淀粉含量。（2）方法:
18、先将块茎洗净，晒干（或擦干），从中称出5-10kg块茎样品（A）。将上述样品浸入20度的水中称重（B），一定要注意，使块茎全淹在水中，并要防止块茎碰到容器的壁。按公式求出马铃薯密度。查表可得出淀粉含量：表1 Mepkep 干物质含量及淀粉含量换算表5kg块茎水中重(g)密度干物质含量(%)淀粉含量（%）5kg块茎水中重(g)密度干物质含量(%)淀粉含量（%）2351.049313.1007.3853751.081119.92114.1502401.050413.3007.5853801.082220.15714.3902451.051513.6007.7853851.083420.41414.
19、6472501.052613.8008.0853901.084620.67014.9032551.053714.1008.2853951.085820.92715.1602601.054914.3008.5854001.087021.18415.4172651.056014.6008.7854051.088121.41915.6522701.057114.8008.8854101.089321.67615.9092751.058215.0009.2854151.090521.93316.1662801.059315.3009.4854201.091722.19016.4232851.06041
20、5.5009.6854251.092922.44716.6802901.061615.7489.9814301.094122.70316.9362951.062715.94810.2174351.095322.96017.1933001.063816.21910.4534401.096523.21717.4533051.065016.47610.7094451.097723.47417.7073101.066116.71110.9444501.098923.73117.9643151.067216.94711.1804551.100123.97818.2203201.068417.20411.
21、4374601.101324.24418.4773251.069517.43911.6754651.102524.50118.7313301.070717.69611.9294701.103824.77919.0123351.071817.93112.1644751.105025.03619.2793401.073018.18812.4214801.106225.29319.5263451.074418.42312.6564851.107425.54919.7753501.075318.68012.9134901.108625.80620.0393551.076418.91613.149495
22、1.109926.08520.3183601.077619.17213.4055001.111126.34120.5743651.078719.40813.5415051.112326.59820.8313701.079919.66513.8985101.113626.87621.109 注：以上5kg块茎在水中的中重量与干物质的单位为克由以上数据可知，密度法虽然样品所需量比较大，但是，从中方法简单易行，原理也较其他方法简洁，易理解，不需工作人员有较高的科学素养，如将此种方法与传感技术和计算机结合，就会提高本身的智能性，大大提高了选种速度，易普及，所以密度法是比较简单且实用的测量方法。2 马铃
23、薯淀粉仪自动化的设计方案对自动化淀粉仪的基本要求是马铃薯淀粉含量测定机试样自动输入、输出 ，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间等特性。设计自动化淀粉仪的原则是:充分分析作业对象的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机器结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性过渡和编程控制.本次设计的淀粉仪是结合电子与机械的结合，是一种可以实现自动测量马铃薯淀粉含量的装置，节省人工时间，减少劳动强度智能装
24、置。2.1淀粉仪储存输送机构方案设计考虑到淀粉仪的自动化和省人工的特性，同时还要求节省时间那么只有拥有运输与储存并存的部件才可满足工作的要求。因此，在储存机构必须能满足将一定量的测试体进行储存和被提取的功能，并能达到一定的强度，保证不变形的特点。材料选取45号钢，保证硬度刚度要求。输送机构按照抓取工件的要求，本机械采取旋转取物，齿轮啮合传动，由电机提供动力。由于要求间歇式旋转，能实现快速启动和停止，故选取步进电机作为动力源。试样有一定重量，要求传动机构有一定强度，保证不变形，因此选用45号钢作为基本材料。旋转机构需承受径向力和轴向力，经考虑选取一对圆锥滚子轴承。2.2 淀粉仪测量机构方案设计对
25、淀粉仪测量机构的要求是能实现在水中和非水中进行测量试样重量，并要求在测量过程中给予电信号，从而控制步进电机的运转。并要求能从传动机构平稳过渡试样，故需安置定位装置，定位零件选取45号钢。 2.3淀粉仪输出机构方案设计此部件基本与传动装置相同，按照抓取工件的要求，本机械采取旋转取物，齿轮啮合传动，由电机提供动力。由于要求间歇式旋转，能实现快速启动和停止，故选取步进电机作为动力源。试样有一定重量，要求传动机构有一定强度，保证不变形，因此选用45号钢作为基本材料。旋转机构需承受径向力和轴向力，经考虑选取一对圆锥滚子轴承。除此以外还需将试样从旋转装置上移除，故需设计移除装置，非标准件材料均选取45号钢
26、。2.4淀粉仪的控制方案设计考虑到机械的通用性，同时需要精确控制控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械进行控制。当机械的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.5马铃薯淀粉含量测定仪的技术参数列表 1.用途:用于马铃薯淀粉的自动测量。 2.试样重量:小于10kg 3.最大运行速度：每分钟4个试样。 4.试样要求：装袋悬挂测量或装袋后放入托盘中测量 5.驱动方式:电机传动 6.控制方式:PLC编程 7.定位精度:3 淀粉仪缓存方案设计此部件主要作用在于能够储存应定量的试样，并能够从储存机构中拾取试样，进行下一步的测量工作，故对试样的标准化，精确化有一定的要求，同时
27、要求部件能承受一定量的重量，保证不变形。3.1 结构原理如图3-1所示，首先人工将试样挂在载物块上，再将载物块放入A端口，在重力作用下，试样沿梯式结构滑落到B端口，由B端口挡片定位载物块，通过旋转机构与载物块精准切入，将试样输送到传送装置。1-试样；2-圆环；3-缓存件；4载物块；3-1 缓存件主视图1-试样；2-圆环；3-缓存件；4载物块；5-构件1；6-构件2；3-2 缓存件俯视图 3.2 材料选取经综合分析，选取45号钢为储存部件基础材料，载物块采取聚酚氧作为基础材料，铸造成型。部分零件螺钉螺栓选用国家标准件。3.3 储存工件力的校核经分析该工件的失效形式主要为弯曲变形，故我们主要校核工
28、件正应力及切应力。3-3 缓存件力矩图拉应力校核：如图3-3分析可知A面扭矩最大为危险截面，故校核A面。 有内力分析可知，该梁A截面有最大弯矩， 计算抗弯截面模量，得： 将弯曲截面系数值代入，算得最大拉应力为： 切应力校核： 矩形截面中性轴上各点处切应力最大，故 由此可见，材料尺寸满足工件强度需求。 4 传送机构设计本章内容主要为试样的运输，和与测量机构的摘取。按照抓取工件的要求，本机械采取旋转取物，齿轮啮合传动，由电机提供动力。由于要求间歇式旋转，能实现快速启动和停止，故选取步进电机作为动力源。试样有一定重量，要求传动机构有一定强度，保证不变形，因此选用45号钢作为基本材料。旋转机构需承受径
29、向力和轴向力，经考虑选取一对圆锥滚子轴承。除此以外还需将试样从旋转装置上移除，故需设计移除装置，非标准件材料均选取45号钢。4.1机构原理此部件主要作用是在步进电机的带动下，从储存装置获得试样，再将试样运输到测量装置，进行测量，再将试样从测量装置移除，实现整个自动化过程。主要流程是旋转装置1从A处获得试样，并进行逆时针旋转，当试样到达B处是，B处挂钩勾住试样圆环，旋转装置1继续旋转，试样与旋转装置1脱离，测量装置进行测量，再由旋转装置2逆时针旋转将测量装置上的试样摘取，当试样超过移除装置时旋转装置2进行顺时针旋转，通过移除装置将试样摘除。1-试样；2-圆环；3-载物块；4-旋转盘1；5-端盖；6-测量装置；7-旋转盘2；8-移除装置4-1 传动机构俯视图1-试样；2-圆环；3-载物块；4-旋转盘1；5-端盖；6-测量装置；7-旋转盘2；4-2 旋转装配图主视图4.2材料的选择此部件主要材料我们选取45号钢，其他标准件按照国家标准选材。4.3材料力的校核4-3 轴盘力矩图 分析：如图4-3，该工件主要失效形式弯曲变形，危险截面为A，B处。正应力校核： 有内力分析可知， 计算抗弯截面模量: 将弯曲截面系数值代入，算得最大拉应力 均小
