槟榔切割、去核自动化加工设备的设计与建模
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机械工程wk.baidu.com院 School of Mechanical Engineering
槟榔参数化建模
在第二组数据中，其样本容量
n 119
个，再由
公式
1 n D Di n i 1
，则求得槟榔各个标注位置的基部直径的
平均值如下表所示：
表1
位置 样本 平均值 1 0.85 2 1.35
第二组数据样本平均值
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔加工的国内外发展现状
十多项，包括杨支刚的“自动给料槟榔三开切片机”、 张三进的“手持式槟榔切割机构及其改良”、刘铁军的 “槟榔自动剖切机”、吴瑛的“槟榔加工机”、林双庆 的“多层式立体槟榔筛选机”、文继烈的“槟榔切片机” 以及胡斌的“全自动槟榔加工设备”等。但由于各种原 因，专利项目实际投入开发应用的较少，因而目前食用 槟榔的主要加工流程仍以手工为主。
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
3.2.2 基于对中机构传动路线分析 经过分析，拟定传动路线图如下所示：
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔简介及生产加工现状
据湖南省槟榔协会统计，2005年全省正规槟榔加工 企业1000多家，从业人员30万人，实现工业产值35亿元。 至目前为止，湘潭市槟榔产业年产值突破50个亿，成为 极具影响力和举足轻重的食品龙头产业。但是槟榔成品 的制作加工依旧以传统的手工加工为主，自动化程度相 对低下，在人为因素情况下严重影响了槟榔生产加工的 效率和质量，而且对于长期从事槟榔加工的职业人员， 在生产作业过程中因裸手操作，手部皮肤经常接触槟榔 烟果和卤水，并涉及一些去核等机械操作，这将对手部 接触皮肤造成一定损害。
3.2.3 设计符合传动路线的机械方案 通过上述传动路线的分析，结合夹具设计基本要求及
零件的装配原理，现拟定符合传动路线的机械方案简图 如下所示。
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
其动作特点主要有五种：（1）插针；（2）切割； （3）去核；（4）拔针；（5）回位。
博学笃行 盛德日新
槟榔切割、去核自动化加工 设备的设计与建模
报 告 人： 何 奇 指导老师：周友行 教授
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 槟榔参数化建模 槟榔切割、去核自动化加工设备的设计 零部件三维实体模型的建立 小结与展望 致谢
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔参数化建模
2.2 槟榔尺寸数据分析
槟榔的筛选机构为三层式立体振动筛分机，其中经 过第三次筛分的为不能加工的槟榔残渣，故可用于加工的 槟榔实际可分为三组。且在振动筛分过程中，能从筛网中 滤过的槟榔必须满足其最大基部直径小于筛网的宽度，因 而在1～7组基部直径中，我们采取第4组（其基部直径最 大）数据进行分组。从三组表中得知，第一组数据的样本 数量为53个，占样本容量的27.9%；第二组数据的样本数 量为119个，占样本容量的62.6%；第三组数据的样本数 量为18个，占样本容量的9.5%。我们不妨选取第二组数据 作为研究对象，并综合分析各个位置的基部直径大小，再 结合数学方法，便可求出一些对建模有意义的表征参数。
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
3.2 设计思路
3.2.1 对中机构设计
1. 定心、对中夹紧机构的说明及类型
按定位-夹紧元件等速移动原理来实现定心对中夹紧 此类定心夹紧机构包括以下四种： 螺旋式定心夹紧机构（如图4-a）； 偏心式对中夹紧机构（如图4-b）； 斜面定心夹紧机构（如图4-c）； 杠杆定心夹紧机构（如图4-d）。 按定位-夹紧元件均匀弹性变形原理来实现定心夹紧
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第一章 绪论
1.1 槟榔简介及生产加工现状
槟榔果呈圆锥形或扁圆球形，高1.5～3.5厘米，基 部直径1.5～3厘米。表面淡黄棕色，具稍凹下的网状沟 纹质坚实，不易破碎，断面可见棕色种皮与白色胚乳相 间的大理石样花纹。在中国内地，海南虽是槟榔产地， 但其槟榔干果主要销往湘潭、株洲、衡阳、益阳等地， 近十几年来，随着湖南槟榔文化的兴起与发展，湖南已 然成为槟榔最大销售地。从2003年至2005年，湖南槟榔 加工产值以年均25%的速度增长，2005年湖南槟榔加工 行业销售产值突破24亿元，市场占有率达85%以上。 2005年湖南槟榔加工行业实现工业产值35亿元。2007年 湖南槟榔加工行业实现工业产值达40～50亿元。
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槟榔加工设备的研究思路
计内容及报告说明均以能实现运动的传动设计为主。 主要工作内容包括以下三个方面： 其一，对槟榔关键部位尺寸进行测量，建立槟榔尺 寸数据库，利用Pro/E进行槟榔实体的参数化建模； 其二，对槟榔的加工流程进行分析，拟定正确的传 动路线方案，设计出实用的夹紧装置及加工设备，绘制 出完整的二维装配草图； 其三，利用Pro/E建立所有零部件的三维实体模型， 并装配成组件图，分析零件装配过程中的合理性。
3.2.4 切刀及去核刀的结构及安装位置设计 分析槟榔进行切割及去核的动作特点 确定实现动作的传动机构 实现动作的传动机构的布置
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
3.2.5 控制切刀上下运动的凸轮机构设计
凸轮选型（本文通过分析选择移动凸轮） 凸轮运动规律选择（本文选择将基本运动规律组合 以提高性能，其停、推、回、停运动规律可用摆线等速-简谐-多项式运动规律曲线实现 ） 通过设计计算绘制凸轮轮廓曲线
槟榔参数化建模
槟榔参数化建模
首先，我们引进相关的参变量，并将参变量赋予表中 对应的平均值以及一些符合实际的参数； 其次，建立相互关联的表达式； 再次，利用旋转、剪切、倒圆角、着色等指令画出槟 榔的三维实体如图2所示。
图2
参数化槟榔实体图 机械工程学院 School of Mechanical Engineering
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第二章 槟榔参数化建模
2.1 槟榔尺寸数据采集
由于槟榔干果个体几何外形并不规则且尺寸的变化范 围较大，而欲使槟榔切开均匀，则必须保证槟榔夹紧机构 中槟榔外形槽模型的准确性。因而需对槟榔关键部位的尺 寸进行测量，并选取大小不同的多组槟榔数据建立槟榔尺 寸数据库，应用统计学原理进行分组，而后作近似处理， 再利用Pro/E进行槟榔的参数化建模，为了使得到的数据 具有客观性，我们随机提取了一袋槟榔（共约190个）对 基部直径和径向长度进行测量。
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1.2 槟榔加工的国内外发展状况
在国外，槟榔产地十分重视种植业的发展和槟榔综合 加工技术的研究。印度和泰国对食用槟榔综合加工技术进 行了较系统研究。1999年以后，印度食用槟榔加工业发展 迅速。目前国内已成立多家槟榔加工企业，主要集中在卡 纳塔克邦。专业技术和设备公司生产并提供槟榔脱果机、 锅炉、干燥机等加工配套设备。泰国制造的一种槟榔干制 设备，类似于风速仪，它可以准确地将风温、风速分别控 制在0～150°C和0．2～1．5 m／s。 我国的槟榔加工除在半成品制造及后续保质期过程有 较大改进外，其食用槟榔由半成品到成品的加工过程也有 大量的设计研究。其中槟榔加工设备的实用新型专利就有
第三章 槟榔切割、去核自动化加 工设备的设计
3.1 槟榔加工流程分析
槟榔工艺加工流程如下所示。
图3 槟榔工艺加工流程图 机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
槟榔机械加工分析
观察槟榔工艺加工流程图不难得出，真正影响槟榔加 工效率和不容易保证加工质量的加工步骤为槟榔切割与去 核。而考虑到食用槟榔的大小均匀及槟榔核的再度利用， 因而保证槟榔对中切开具有重大的实际意义。 本课题以槟榔切割与去核为主要研究对象，在保证槟 榔对中切开的同时，还应使所设计的加工设备占用体积尽 可能小、所用驱动尽可能少、加工效率尽可能高以及加工 成本尽可能低。
3 1.59 4 1.97 5 1.69 6 1.55
（单位：CM）
7 1.00 8 5.18
槟榔基部直径 标注位置图
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槟榔参数化建模
2.3 建立槟榔模型
三维模型的一般建模过程如下图所示。
图1 Pro/E零件建模一般过程 机械工程学院 School of Mechanical Engineering
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1.3 槟榔加工设备的研究思路
本课题针对目前槟榔手工加工中存在的质量、效率及 对职业加工人员的皮肤损伤问题，对槟榔筛选、送料、切 割及去核过程进行全面分析，结合目前槟榔加工的实际情 况，研究设计出一套槟榔筛选、送料、切割及去核的设备， 使槟榔实现自动化生产加工，以提高槟榔加工效率。在设 计中，为减少电机的数量，缩小设备的占用体积，我们采 用齿轮齿条传动与凸轮机构联合起来，实现切刀的上下移 动和去核刀的前后运动。 此外，在槟榔切割过程中，采用必要的定心对中机构， 避免槟榔切割后两边不匀，从而保证槟榔加工的质量。 本课题总体研究共分位机械设计和电气控制两部分， 但考虑到毕业设计时间有限，并征得指导老师准许，其设
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
当严格，且插针亦需确保对中要求，这些在螺旋式定心 对中夹紧机构中很容易得到保证。只需在螺杆两边增加 两段螺纹来控制针板的移动：左右螺纹旋向相反，保证 插针与拔针的同时性；同一边两段螺纹螺距不等，保证 槟榔压块与针板的相对运动。 综上分析，选取图4（a）所示的螺旋式定心夹紧 机构为槟榔加工设备夹紧槟榔时的对中机构。
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
2. 定心对中夹紧机构的确定
从输送带上的槟榔落下后，槟榔随即被槟榔压块压 紧，而槟榔被压紧需靠槟榔两压块的相对移动来保证。 由此，可按定位-夹紧元件等速移动原理来实现定心对 中夹紧，而在图4所示的四种夹紧机构中，螺旋式定心 夹紧机构不但具有设计简单，自锁性好，制造方便等优 点，而且，利用左右不同的正、反向螺旋能很好地保证 定心对中的准确性；再者，槟榔切开后去核动作的继续 进行，需要确保槟榔压块分离后仍使槟榔固定在压块上， 我们设想用槟榔插针紧固切开后槟榔，则插针的移动需 靠针板的移动来保证。而插针的时间与位置要求相
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第四章 零部件三维实体模型的建立
图7 控制切刀运动的移动凸轮轮廓曲线图 机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
3.2.6 控制去核刀前后运动的沟槽凸轮机构设计
通过设计计算，得出沟槽凸轮轮廓曲线如下图所示。
图8 控制去核刀运动的沟槽凸轮轮廓曲线图
3.2.7 齿轮齿条传动设计
槟榔参数化建模
在第二组数据中，其样本容量
n 119
个，再由
公式
1 n D Di n i 1
，则求得槟榔各个标注位置的基部直径的
平均值如下表所示：
表1
位置 样本 平均值 1 0.85 2 1.35
第二组数据样本平均值
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槟榔加工的国内外发展现状
十多项，包括杨支刚的“自动给料槟榔三开切片机”、 张三进的“手持式槟榔切割机构及其改良”、刘铁军的 “槟榔自动剖切机”、吴瑛的“槟榔加工机”、林双庆 的“多层式立体槟榔筛选机”、文继烈的“槟榔切片机” 以及胡斌的“全自动槟榔加工设备”等。但由于各种原 因，专利项目实际投入开发应用的较少，因而目前食用 槟榔的主要加工流程仍以手工为主。
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
3.2.2 基于对中机构传动路线分析 经过分析，拟定传动路线图如下所示：
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
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槟榔简介及生产加工现状
据湖南省槟榔协会统计，2005年全省正规槟榔加工 企业1000多家，从业人员30万人，实现工业产值35亿元。 至目前为止，湘潭市槟榔产业年产值突破50个亿，成为 极具影响力和举足轻重的食品龙头产业。但是槟榔成品 的制作加工依旧以传统的手工加工为主，自动化程度相 对低下，在人为因素情况下严重影响了槟榔生产加工的 效率和质量，而且对于长期从事槟榔加工的职业人员， 在生产作业过程中因裸手操作，手部皮肤经常接触槟榔 烟果和卤水，并涉及一些去核等机械操作，这将对手部 接触皮肤造成一定损害。
3.2.3 设计符合传动路线的机械方案 通过上述传动路线的分析，结合夹具设计基本要求及
零件的装配原理，现拟定符合传动路线的机械方案简图 如下所示。
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
其动作特点主要有五种：（1）插针；（2）切割； （3）去核；（4）拔针；（5）回位。
博学笃行 盛德日新
槟榔切割、去核自动化加工 设备的设计与建模
报 告 人： 何 奇 指导老师：周友行 教授
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 槟榔参数化建模 槟榔切割、去核自动化加工设备的设计 零部件三维实体模型的建立 小结与展望 致谢
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槟榔参数化建模
2.2 槟榔尺寸数据分析
槟榔的筛选机构为三层式立体振动筛分机，其中经 过第三次筛分的为不能加工的槟榔残渣，故可用于加工的 槟榔实际可分为三组。且在振动筛分过程中，能从筛网中 滤过的槟榔必须满足其最大基部直径小于筛网的宽度，因 而在1～7组基部直径中，我们采取第4组（其基部直径最 大）数据进行分组。从三组表中得知，第一组数据的样本 数量为53个，占样本容量的27.9%；第二组数据的样本数 量为119个，占样本容量的62.6%；第三组数据的样本数 量为18个，占样本容量的9.5%。我们不妨选取第二组数据 作为研究对象，并综合分析各个位置的基部直径大小，再 结合数学方法，便可求出一些对建模有意义的表征参数。
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3.2 设计思路
3.2.1 对中机构设计
1. 定心、对中夹紧机构的说明及类型
按定位-夹紧元件等速移动原理来实现定心对中夹紧 此类定心夹紧机构包括以下四种： 螺旋式定心夹紧机构（如图4-a）； 偏心式对中夹紧机构（如图4-b）； 斜面定心夹紧机构（如图4-c）； 杠杆定心夹紧机构（如图4-d）。 按定位-夹紧元件均匀弹性变形原理来实现定心夹紧
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第一章 绪论
1.1 槟榔简介及生产加工现状
槟榔果呈圆锥形或扁圆球形，高1.5～3.5厘米，基 部直径1.5～3厘米。表面淡黄棕色，具稍凹下的网状沟 纹质坚实，不易破碎，断面可见棕色种皮与白色胚乳相 间的大理石样花纹。在中国内地，海南虽是槟榔产地， 但其槟榔干果主要销往湘潭、株洲、衡阳、益阳等地， 近十几年来，随着湖南槟榔文化的兴起与发展，湖南已 然成为槟榔最大销售地。从2003年至2005年，湖南槟榔 加工产值以年均25%的速度增长，2005年湖南槟榔加工 行业销售产值突破24亿元，市场占有率达85%以上。 2005年湖南槟榔加工行业实现工业产值35亿元。2007年 湖南槟榔加工行业实现工业产值达40～50亿元。
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槟榔加工设备的研究思路
计内容及报告说明均以能实现运动的传动设计为主。 主要工作内容包括以下三个方面： 其一，对槟榔关键部位尺寸进行测量，建立槟榔尺 寸数据库，利用Pro/E进行槟榔实体的参数化建模； 其二，对槟榔的加工流程进行分析，拟定正确的传 动路线方案，设计出实用的夹紧装置及加工设备，绘制 出完整的二维装配草图； 其三，利用Pro/E建立所有零部件的三维实体模型， 并装配成组件图，分析零件装配过程中的合理性。
3.2.4 切刀及去核刀的结构及安装位置设计 分析槟榔进行切割及去核的动作特点 确定实现动作的传动机构 实现动作的传动机构的布置
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
3.2.5 控制切刀上下运动的凸轮机构设计
凸轮选型（本文通过分析选择移动凸轮） 凸轮运动规律选择（本文选择将基本运动规律组合 以提高性能，其停、推、回、停运动规律可用摆线等速-简谐-多项式运动规律曲线实现 ） 通过设计计算绘制凸轮轮廓曲线
槟榔参数化建模
槟榔参数化建模
首先，我们引进相关的参变量，并将参变量赋予表中 对应的平均值以及一些符合实际的参数； 其次，建立相互关联的表达式； 再次，利用旋转、剪切、倒圆角、着色等指令画出槟 榔的三维实体如图2所示。
图2
参数化槟榔实体图 机械工程学院 School of Mechanical Engineering
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
第二章 槟榔参数化建模
2.1 槟榔尺寸数据采集
由于槟榔干果个体几何外形并不规则且尺寸的变化范 围较大，而欲使槟榔切开均匀，则必须保证槟榔夹紧机构 中槟榔外形槽模型的准确性。因而需对槟榔关键部位的尺 寸进行测量，并选取大小不同的多组槟榔数据建立槟榔尺 寸数据库，应用统计学原理进行分组，而后作近似处理， 再利用Pro/E进行槟榔的参数化建模，为了使得到的数据 具有客观性，我们随机提取了一袋槟榔（共约190个）对 基部直径和径向长度进行测量。
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
1.2 槟榔加工的国内外发展状况
在国外，槟榔产地十分重视种植业的发展和槟榔综合 加工技术的研究。印度和泰国对食用槟榔综合加工技术进 行了较系统研究。1999年以后，印度食用槟榔加工业发展 迅速。目前国内已成立多家槟榔加工企业，主要集中在卡 纳塔克邦。专业技术和设备公司生产并提供槟榔脱果机、 锅炉、干燥机等加工配套设备。泰国制造的一种槟榔干制 设备，类似于风速仪，它可以准确地将风温、风速分别控 制在0～150°C和0．2～1．5 m／s。 我国的槟榔加工除在半成品制造及后续保质期过程有 较大改进外，其食用槟榔由半成品到成品的加工过程也有 大量的设计研究。其中槟榔加工设备的实用新型专利就有
第三章 槟榔切割、去核自动化加 工设备的设计
3.1 槟榔加工流程分析
槟榔工艺加工流程如下所示。
图3 槟榔工艺加工流程图 机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
槟榔机械加工分析
观察槟榔工艺加工流程图不难得出，真正影响槟榔加 工效率和不容易保证加工质量的加工步骤为槟榔切割与去 核。而考虑到食用槟榔的大小均匀及槟榔核的再度利用， 因而保证槟榔对中切开具有重大的实际意义。 本课题以槟榔切割与去核为主要研究对象，在保证槟 榔对中切开的同时，还应使所设计的加工设备占用体积尽 可能小、所用驱动尽可能少、加工效率尽可能高以及加工 成本尽可能低。
3 1.59 4 1.97 5 1.69 6 1.55
（单位：CM）
7 1.00 8 5.18
槟榔基部直径 标注位置图
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔参数化建模
2.3 建立槟榔模型
三维模型的一般建模过程如下图所示。
图1 Pro/E零件建模一般过程 机械工程学院 School of Mechanical Engineering
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1.3 槟榔加工设备的研究思路
本课题针对目前槟榔手工加工中存在的质量、效率及 对职业加工人员的皮肤损伤问题，对槟榔筛选、送料、切 割及去核过程进行全面分析，结合目前槟榔加工的实际情 况，研究设计出一套槟榔筛选、送料、切割及去核的设备， 使槟榔实现自动化生产加工，以提高槟榔加工效率。在设 计中，为减少电机的数量，缩小设备的占用体积，我们采 用齿轮齿条传动与凸轮机构联合起来，实现切刀的上下移 动和去核刀的前后运动。 此外，在槟榔切割过程中，采用必要的定心对中机构， 避免槟榔切割后两边不匀，从而保证槟榔加工的质量。 本课题总体研究共分位机械设计和电气控制两部分， 但考虑到毕业设计时间有限，并征得指导老师准许，其设
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
当严格，且插针亦需确保对中要求，这些在螺旋式定心 对中夹紧机构中很容易得到保证。只需在螺杆两边增加 两段螺纹来控制针板的移动：左右螺纹旋向相反，保证 插针与拔针的同时性；同一边两段螺纹螺距不等，保证 槟榔压块与针板的相对运动。 综上分析，选取图4（a）所示的螺旋式定心夹紧 机构为槟榔加工设备夹紧槟榔时的对中机构。
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
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槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
2. 定心对中夹紧机构的确定
从输送带上的槟榔落下后，槟榔随即被槟榔压块压 紧，而槟榔被压紧需靠槟榔两压块的相对移动来保证。 由此，可按定位-夹紧元件等速移动原理来实现定心对 中夹紧，而在图4所示的四种夹紧机构中，螺旋式定心 夹紧机构不但具有设计简单，自锁性好，制造方便等优 点，而且，利用左右不同的正、反向螺旋能很好地保证 定心对中的准确性；再者，槟榔切开后去核动作的继续 进行，需要确保槟榔压块分离后仍使槟榔固定在压块上， 我们设想用槟榔插针紧固切开后槟榔，则插针的移动需 靠针板的移动来保证。而插针的时间与位置要求相
机械工程学院 School of Mechanical Engineering
第四章 零部件三维实体模型的建立
图7 控制切刀运动的移动凸轮轮廓曲线图 机械工程学院 School of Mechanical Engineering
槟榔切割、去核自动化加工设备的设计
3.2.6 控制去核刀前后运动的沟槽凸轮机构设计
通过设计计算，得出沟槽凸轮轮廓曲线如下图所示。
图8 控制去核刀运动的沟槽凸轮轮廓曲线图
3.2.7 齿轮齿条传动设计