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摘 要
便攜式摘果手是解決農(nóng)業(yè)中人工摘果效率低，果樹高，摘果困難等問題的一項設(shè)計。
本文主要介紹了便攜式摘果手的功能及設(shè)計，水果采摘行業(yè)的前景。該設(shè)計利用兩個微型電機作為動力元件，解決了農(nóng)民在摘果時，長期持續(xù)一個系列動作造成對身體上的傷害。本文介紹了便攜式摘果手的設(shè)計思路，使用方法。另外，著重介紹便攜式摘果手的功能、結(jié)構(gòu)和各部件的具體設(shè)計。通過對次設(shè)計的調(diào)試，羅列出許多在實驗中遇到的問題以及解決方案。文章最后對該設(shè)計的應(yīng)用做了總結(jié)，并針對該課題將便攜式摘果手今后的前景做了一個展望。
關(guān)鍵詞：手推車；電動控制；保護果品；采摘工具
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Abstract
The portable fruit-picker is a kind of hand can replace artificial low efficiency in agricultural picking fruit, resolve the high, picking fruit difficult problems, such as an invention. This article mainly introduced the design of the portable hand picking fruit, the invention USES the pedal and human body mechanics principle, fully solve the an action for a long time and power works cause harm to the body. Here briefly introduces the features of his, use environment and method. In addition, this paper introduces the function of the system emphatically the design, structure, and each module. Through the invention of the design debugging, to solve the problems in the experiment. Finally, the application of the invention and design made a summary, and the subject will portable hand picking fruit in the future prospects and development made a prospect.
Key words: Electric control ; protecting the fruit ; picking tools
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
1 緒 論 1
1.1? 課題背景及意義 1
1.2?國外水果機械化采摘裝置研究進展及現(xiàn)狀 2
1.3 國內(nèi)便攜式摘果手的市場前景 3
2 便攜式摘果手的總體方案 4
2.1便攜式摘果手的結(jié)構(gòu)和功能 4
2.2總體方案設(shè)計 4
3 部件設(shè)計及相關(guān)理論基礎(chǔ) 6
3.1采摘裝置的主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求 6
3.1.1采摘裝置設(shè)計方案 6
3.1.2剪切刀具的材料選擇 9
3.1.3采摘剪的主要結(jié)構(gòu)尺寸 10
3.1.4剪枝剪的技術(shù)要求 10
3.1.5剪枝剪在剪切過程中受力情況分析 12
3.1.6上刀刃與彎刀之間的工作載荷 12
3.1.7上刀刃與彎刀剪切刀具的強度校核 13
3.1.8 剪刀開合減速箱的設(shè)計 14
3.2 伸縮桿與電動控制方案 15
3.2.1伸縮桿的設(shè)計方案 15
3.2.2電機控制方案 17
3.3果品減震裝置 20
4 產(chǎn)品的調(diào)試與改進 21
4.1 產(chǎn)品調(diào)試時出現(xiàn)的問題 22
4.2產(chǎn)品改進和解決的方案 23
4.3 產(chǎn)品改進后的特色 24
5 總結(jié) 24
參考文獻 25
致 謝 26
附錄 27
XII
1 緒 論
1.1? 課題背景及意義
縱觀人類文明的發(fā)展歷程，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直對人類的族群的數(shù)量、經(jīng)濟文化起著至關(guān)重要的作用。隨著人類人口數(shù)量大量增張，其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求越來越高，我國是一個人口數(shù)量超過13億的大國，有著養(yǎng)活全球人類1/5人口的責任，在社會主義發(fā)展的初期階段，發(fā)展先進的社會生產(chǎn)是最主要的命題。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，其GDP產(chǎn)值一直在國內(nèi)占有較大的比重，同時我國又是一個落后的手工生產(chǎn)農(nóng)業(yè)國家，農(nóng)業(yè)從業(yè)者對于新型生產(chǎn)設(shè)備的需求越來越高，隨著科技的進步，各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備得以研發(fā)應(yīng)用，在很大程度的減輕了農(nóng)民的體力勞動。
果樹種植作為經(jīng)濟作物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著很重要的地位。發(fā)展果樹生產(chǎn)是優(yōu)化我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要措施。當前，國內(nèi)果樹生產(chǎn)中存在許多問題，列如果樹樹形過高不易摘取、單產(chǎn)低、成本高、后天采摘破壞嚴重、栽培模式和果園規(guī)劃不合理等。果樹種植發(fā)展目前正處在優(yōu)質(zhì)化、精品化的起步階段，其發(fā)展前景廣闊。針對國內(nèi)果樹經(jīng)濟作物的發(fā)展國家制定了一系列的優(yōu)惠扶持措施，國家畫出了大的發(fā)展框架，就需要更加科學(xué)的生產(chǎn)方式來支撐，如何將簡單的手工生產(chǎn)通過合理的市場機制與相對適宜的經(jīng)濟投入提升至機械化、工具化，對當前國內(nèi)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展起著舉足輕重的作用。
在果樹作物的生產(chǎn)過程中，列如：蘋果、梨、柑橘等，其果實采摘在整個生產(chǎn)流程中最耗時、耗力的，且是必不可少的環(huán)節(jié)，但是在最后也是最重要的環(huán)節(jié)中，果樹果實采摘中出現(xiàn)的損壞率也是最高的，其主要原因還是果樹改良品種越來越好，樹干越來越高，不同以往，勞動者站在地面就可以采摘大部分的果實，現(xiàn)在只能通過高架作業(yè)或者自制簡易工具采摘，其壞果率不言而喻。樹形水果在果實收獲階段中投入的人力約占整個生產(chǎn)周期投入人力總和的50%~60%。采摘作業(yè)的效率高低直接的影響到水果儲存、加工和銷售。水果收益的季節(jié)性和時效性很強，屬于典型的勞動密集行型工作產(chǎn)業(yè)，更有甚者，因為我國農(nóng)村勞動力的缺失，北方果實大都在深秋季節(jié)收獲，即有一部分農(nóng)戶因來不及采摘而使水果過度成熟爛在樹上，或遇到寒流凍壞果實無法儲存。果實采摘操作環(huán)境的復(fù)雜性高，水果采摘的自動化程度低，所以國內(nèi)的水果采摘市場基本上是手工完成的，隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，勞動力成本不斷的提高，人工徒手進行水果采摘作業(yè)難度越來越大，人工徒手采摘果實的成本在整個生產(chǎn)成本中所占的比例在持續(xù)增高，而高枝水果的采摘還帶有一定的危險性，農(nóng)村留守高齡勞動者已經(jīng)無法繼續(xù)從事采摘工作。所以一款適宜的采摘工具在很大程度上會影響果實的采摘相率，降低勞動力需求，延長水果從業(yè)者的工作年限，對于提高果農(nóng)的經(jīng)濟收益，改善果農(nóng)的生活質(zhì)量有著促進作用。
通過研究和開發(fā)簡易操作、價格低廉的采摘工具從而提高了果農(nóng)的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證水果的品質(zhì)，符合我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展現(xiàn)狀，對于未來水果經(jīng)濟作物的發(fā)展起著積極重要的作用。簡單便捷摘果裝置的研發(fā)為未來中小型農(nóng)副產(chǎn)業(yè)機具的發(fā)展起到了帶頭作用，其發(fā)展方向也符合國家對于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略構(gòu)思，小型農(nóng)業(yè)機具的研發(fā)具有廣闊的應(yīng)用前景。2005年11月1日國家頒布實施 《中華人民共和國農(nóng)業(yè)機械化促進法》其中推行了一系列的鼓勵農(nóng)業(yè)，扶持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大力促進中小機械化的普及，用機具化替代原始手工勞作是必然的趨勢。
針對目前國內(nèi)果樹生產(chǎn)的現(xiàn)況，結(jié)合本人所學(xué)機械制造與自動化專業(yè)，通過簡單的機械原理與吸收前人的經(jīng)驗，設(shè)計一款易于使用、價格低廉、操作方便的樹形水果采摘裝置（即便攜式摘果手）。
1.2?國外水果機械化采摘裝置研究進展及現(xiàn)狀
從上世界40年代就開始有關(guān)果園機械采摘工具的研究，以美、英等國為首的西方國家較早就開始機械采摘的嘗試應(yīng)用。發(fā)展至今，目前國外果園機械采摘形式可分為三種：搖震式、撞擊式和切割式三種。搖震式是利用外部動力源使果樹本體或者樹枝發(fā)生較大幅度的晃動，果實與樹枝之間產(chǎn)生較大的剪切力，式果實與樹枝連接脆弱的地方折斷，而實現(xiàn)采摘的目的。美國40年代中期就開始研究使用搖震式采摘設(shè)備，但是因其工作效率較低，采摘過程中較高的損傷率，只能適用于核桃等硬堅果作物，對于易損傷，對果面要求高的新鮮食用水果和儲藏用水果并不適用。撞擊式是利用撞擊部件直接敲打果實，使之掉落，很多果農(nóng)自制的工具都較為類似撞擊式，但因其自身野蠻式的工作特點，只能用于堅果類果實采摘，并且對樹枝也有較大傷害，撞擊式逐漸被市場淘汰。切斷式就是利用剪刀或者切割工具將果實與樹枝切斷，從而實現(xiàn)采摘目標，比較成功的產(chǎn)品有意大利CAMPAGNOLA公司的F系列和Star系列氣動剪。
近年來國外采摘機械的研究主要是以采摘機器人為主，自1983年美國成功研發(fā)第一臺采摘機器人以來，美國、法國、荷蘭、英國等國相繼研發(fā)了多種采摘機器人，更有加入人工智能用以采摘蘋果、葡萄等易損傷果實的機器人。但是機器人對使用環(huán)境要求過高，以及國內(nèi)小農(nóng)經(jīng)濟體系下的果農(nóng)來說，其費用相當昂貴。
日本的果園種植地形與我國南方地形相似，日本種植蘋果的高山和丘陵地帶無法使用常規(guī)的采摘機器人，在20世紀90年代，日本四國農(nóng)業(yè)試驗場成功研制采用曲軸式擺動懸掛的采摘車，使用無線控制系統(tǒng)與攝像機監(jiān)控技術(shù)，這種采摘車輛擁有寬距輪胎，更低的中心，良好的爬坡越野能力，可以車輪正反轉(zhuǎn)360°回轉(zhuǎn)，樞軸懸掛使機器行走更加穩(wěn)定，為采摘機器人在丘陵地區(qū)的應(yīng)用建立了良好的開端。
2007年美國加州柑橘研究委員會與華盛頓蘋果委員會成功合作研發(fā)了一種高度智能、精準的水果采摘機器人，科學(xué)家使用最快速的運算芯片和頂級液壓技術(shù)，為這太采摘機器人打造了一副靈敏度接近人的手臂和手指，并應(yīng)用成像技術(shù)，使這臺機器人可以辨識水果的品質(zhì)。這種機器人在一定程度上可以完全替代勞動者就行采摘收獲，但是這臺機器人的收獲系統(tǒng)與成像掃描系統(tǒng)生產(chǎn)成本就高達300萬人民幣，所以廣泛推廣還需要新技術(shù)、新材料的開發(fā)。
美國研發(fā)高智能采摘機器人效果圖
機器人本身越靈活，其控制系統(tǒng)越復(fù)雜，因采摘機器人的工作環(huán)境復(fù)雜多樣，機器人對果實的辨識度不夠高，采摘時較高的損壞率以及研發(fā)采摘機器人的高昂費用，機器人的開發(fā)仍需要長久的發(fā)展。
1.3 國內(nèi)便攜式摘果手的市場前景
近年來，因為種植業(yè)中年輕勞動力的流失，另外生產(chǎn)效率低下，耗費勞動力非常大，生產(chǎn)成本持續(xù)提高是我國果農(nóng)群眾面臨的一個重要的問題，所以國家農(nóng)業(yè)部門對于農(nóng)業(yè)的重視程度日益增加。
我國目前勞動力老齡化及精品農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向和日本極其相像，借鑒日本的發(fā)展經(jīng)驗有助于我國的發(fā)展，所以當前果農(nóng)迫切需要一種可以幫助其解脫原始生產(chǎn)，延長超齡果農(nóng)工作年齡，改善果農(nóng)工作環(huán)境，整體提高生產(chǎn)率的工具。目前雖然市場上雖然有很多新型的水果采摘工具（例如采摘手），但在使用的過程對水果外形要求較為苛刻，存在很多弊端，不可避免的會造成水果品相的不同程度損傷，水果往往是選擇性收獲的，且水果對采摘的時效性要求很高。所以很多果農(nóng)寧愿采用傳統(tǒng)的采摘方式或者手工制作簡易工具采摘，但是仍舊出現(xiàn)水果跌落損壞的情況。
雖然人們利用機械化方式采摘水果最早可以追溯到上個世紀60年代，但是簡單的機械收獲利用半機械半人工的方式采摘水果是解決上述問題有效的方法。
3
第2章 便攜式摘水果的總體方案
2 便攜式摘果手的總體方案
2.1便攜式摘果手的結(jié)構(gòu)和功能
便攜式摘果手攜帶方便，果農(nóng)可把便攜式摘果手放置在較小空間內(nèi)，占地面積小，大多用于采摘蘋果，梨子等硬質(zhì)水果。
剪刀：剪斷果蒂，由于在剪刀刀片上弧形設(shè)計，可以防止果蒂從剪刀上滑出。
伸縮桿：控制剪刀的方向，并適應(yīng)高低不同的果樹
傳輸袋：在采摘過程中，便攜式摘果手有固定的果品下落通道，保證水果能夠順利的落入籃筐中。
水果緩沖裝置：當水果穿過緩沖裝置時，緩沖裝置減緩了水果從高空落下自由落體時的速度，減少果品從高空墜落的傷害。對果品有緩沖，不破壞水果的品相。
驅(qū)動裝置：以電力驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)人力，減少勞動者負擔，更加人性化。
2.2總體方案設(shè)計
結(jié)合國外設(shè)計經(jīng)驗與國內(nèi)果農(nóng)現(xiàn)況，閱讀有關(guān)技術(shù)資料，包括果樹情況等，便攜式摘果手設(shè)計主體思路是一種手持、輕便，并利用電力驅(qū)動直流電機提供伸縮和剪刀閉合動力的采摘水果的摘果裝置。位于副桿頂端的剪刀通過電機提供動力可以輕而易舉剪斷果蒂或細枝條，被剪刀剪斷果蒂的水果落入袋中，順著傳輸帶落到到橡皮質(zhì)地的減震裝置上，通過袋內(nèi)的彈力裝置，減少了水果在做自由落體運動時，落地的一瞬間產(chǎn)生的動力勢能，減輕了水果的表面碰撞問題。從而保護了果品的表面完好度，在一定程度上提高了水果的市場價值。
如圖2.2.1便攜式摘果器整體包括電源、電機、滾珠絲桿、減速箱、果蒂專用剪刀、連桿機構(gòu)由外管、內(nèi)管和鎖緊裝置構(gòu)成。當電機一得電時，電動機轉(zhuǎn)動可帶動滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動從而使內(nèi)桿向上傳遞，實現(xiàn)電動控制伸縮桿升降的效果。電動伸縮桿的上部裝有一個迷你的電機以及變速箱，最頂端裝有專用剪刀，剪刀與伸縮桿之間用鉸鏈鏈接在變速箱里的偏心軸上，并且通過電機二的得電轉(zhuǎn)動控制偏斜軸的轉(zhuǎn)動，從而完成剪刀的開合。在這一整個過程中，伸縮桿電機的控制開關(guān)放置在推車的左把手位置，剪刀電機的控制開關(guān)放置在推車的右把手，方便作業(yè)人員操作。
果農(nóng)先推動小車移動至果樹下方，拿起摘果裝置，用手按住伸縮桿上的上下控制按鈕把伸縮桿調(diào)整到適當?shù)母叨龋焉炜s桿端部的剪刀對準果蒂，摘果裝置端部的剪刀下方安裝了小型的變速器和伺服電機，剪刀的閉合由開關(guān)按鈕控制，當操作者按下剪刀閉合按鈕時，剪刀閉合從而切斷果蒂，水果從而順利的落入傳送帶中，在傳送帶內(nèi)部安裝了一個簡單的彈性質(zhì)地的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（緩沖裝置），水果可通過傳送帶首先落到緩沖裝置上，而后又因自身的重力及加速度穿過緩沖裝置，由于果品從下落時的自由落體到通過傳送帶中的緩沖裝置減弱了一部分勢能，當水果落在果筐里時減少了很大程度上的撞擊。從而保護了水果的外觀質(zhì)量。
圖2.1摘果器總裝圖
圖2.2手推車總裝圖
27
6
第3章 部件設(shè)計及相關(guān)理論基礎(chǔ)
3 部件設(shè)計及相關(guān)理論基礎(chǔ)
便攜式摘果手主要設(shè)計了踏板裝置、果品采摘裝置、伸縮桿、直行車車閘制動裝置、果品緩沖裝置這五個部分。本章分別對這五個部分的原理和結(jié)構(gòu)做具體的講解。
3.1采摘裝置的主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求
3.1.1采摘裝置設(shè)計方案
方案一：
用普通的剪刀來作為剪掉果蒂主要工具。該剪刀分別由上刀片和下刀片組成，刀片的上下刀刃成直線型，加工設(shè)計簡單，成本低，在市場上也容易采購到。在整個采摘裝置的安裝上也極為簡單。材料大多用不銹鋼作為剪刀的材料，不易生銹和腐蝕。
缺點：由于此類剪刀雖說材料是不銹鋼，但由于成本等各方面的原因，剛才質(zhì)量不好，大眾普遍認為只要是不銹鋼其質(zhì)量都會比普通鋼要好上幾倍，其實不然，在鋼材的煉制中加上添加了鉻的不銹鋼由于減少了碳的含量，增加了抗銹的性能，卻在加工難度上提高了很多倍，刀具更難打磨，刀刃在使用的持久性上也大大降低。另一方面，剪刀的設(shè)計也是及其的不合理，果樹不論是枝干還是果蒂都呈現(xiàn)的是類圓形而此剪刀上下片刀刃幾乎程直線型，在剪切的過程中剪切的過程，舉例鋼板來說，首先是剪刃切入一段距離，之后鋼板不是被切斷而是滑移，就像山體滑坡那種。
如果樹枝結(jié)構(gòu)太硬或表面太圓滑，就很難切入一個切口，故一定力作用下很難形成滑移，因此很難剪斷。
方案二：
果品采摘裝置分別由上刀片1和下刀片3組成。剪刀是利用杠桿原理，通過鐵心4把兩個刀片連起來。當手柄5受到相對的力時，兩刀片就會閉合起來，下刀片產(chǎn)生向右的力，上刀片產(chǎn)生向左的力，兩種大小相同方向相反的力同時壓在兩刀片相交的果蒂上。因為刀口非常鋒利且壓強很大，所以剪刀很容易就把果蒂“剪”開了。支點上的鐵心是一個圓頭螺絲，當兩刀片結(jié)合不緊時可以擰緊螺絲，避免兩刀片松動影響水果的采摘。
在上刀片的刀刃處打磨了幾個凹槽鎖2，可防止在采摘水果時果蒂與刀片之間打滑，利用凹槽鎖住果蒂。兩刀片相互配合，剪下水果。
缺點：咬合力不夠，有些硬質(zhì)水果的果蒂很難剪切下來，結(jié)構(gòu)比較粗糙。即使用腳來當作兩刀片剪切的動力也相當費力，與實際預(yù)期情況相差較大。
圖3.1剪刀簡單示意圖
圖3.2剪刀實物圖
方案三：
把剪刀的刀刃形狀設(shè)計成弧線形，在剪切過程中，首先剪刀上刀刃( 圖3.3 )與彎刀( 圖3.4)之間給予樹枝相互的作用力使樹枝擠壓變彎從而產(chǎn)生內(nèi)部張力，1.樹枝受到力的作用，樹纖維被拉長，進而樹枝的強度和韌性就會降低，由于刀口設(shè)計的是弧形刀刃，刀刃又給予枝干一個作用在被剪切的枝干上朝向支點的作用力，這樣一來基本上解決了枝干在剪切時打滑的現(xiàn)象，刀口也很容易從樹纖維的拉伸點剪切并垂直于張力的方向。2.由于用的是上刀片帶有刀刃和無韌彎刀相互配合的剪切設(shè)計方案（不容易向之前在實驗出現(xiàn)的那樣，對上下兩刀面?zhèn)让娈a(chǎn)生力的作用）。彎刀由于采用的無韌設(shè)計，使彎刀承受的力理論上并不包含剪切力。這樣一來就不容易擠壓到兩刀片，出現(xiàn)刀片使用壽命降低的情況。設(shè)計出大概的模型并計算出所受的力的方式和大小，在其基礎(chǔ)上選擇具體的刀刃弧線角度，并計算出刀尖和刀柄與支點之間相距多少時最省力且符合實際。計劃在實驗允許的范圍內(nèi)再在下彎刀上附加一塊5毫米左右的硬質(zhì)塑料板( 圖3.5 )，形狀與下彎刀形狀類似，在貼合在彎刀旁的塑料板的在程弧線形狀的方向被裁剪成波浪形，這樣一來不僅僅是彎刀的弧線型設(shè)計給予枝干一個朝向支點的力是枝干不會在刀口滑動，還增加了一個對枝干的摩擦力，使枝干在剪切不易遠離支點，使枝干在整個剪切過程中，人施的力一直處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)，且試圖用電動開關(guān)控制剪刀的閉合，采摘者不易疲憊 。
圖3.3
圖3.4
圖3.5
圖3.6
圖3.7
圖3.8
3.1.2剪切刀具的材料選擇
上刀刃與彎刀材料的選擇必須保證耐腐蝕，不生銹，有一定的剛度和強度，同時還要考慮其機械加工性和經(jīng)濟性。為此，在1Crl3 和9Crl8 兩種材料中參考（表3-1）進行選擇。
材料
性能
1Cr13
9Cr18
化學(xué)成分/%
C0.15
Cr11.50~13.40
C0.90~1.00
Cr17.00~19.00
硬度(HB)
159
255
屈服強度
345
—
抗拉強度
540
—
加工性能
普通材料，稍難切削
難以加工的材料
用途
具有良好的耐蝕性、機械加工性，一般用途 刃具類用
不銹切片機械刃具及剪片道具、手術(shù)刀片、高耐磨設(shè)備零件等
表3-1 材料1Crl3 和9Crl8參數(shù)表
(a)材料中C 的含量越高，其耐腐蝕性越差；
(b)在鋼中加入Cr 能顯著提高鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力，并能提高鋼的強度和耐磨性，從而能顯著提高鋼的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能，因而在各種用途的鋼中普遍加入數(shù)量不等的Cr[11]。但由于我國Cr 資源稀少，故應(yīng)盡量節(jié)約使用，少用或不用。
根據(jù)分析可以看出， 1Crl3 比9Crl8 易加工，C、Cr 的含量低，價位大體相當，所以，本課題的上下拍爪選用1Crl3 作為材料來加工。
3.1.3采摘剪的主要結(jié)構(gòu)尺寸
剪枝剪的主要結(jié)構(gòu)尺寸是指反映剪枝剪的外觀形狀。現(xiàn)以廣泛使用的JZ200剪枝剪的外 形和結(jié)構(gòu)為例，如圖3.9所示。
圖3.9
剪枝剪全長200mm，剪把長度135mm,主剪刀、副剪刀長度65mm,主剪刀厚度 5 = 3.4mm,副剪刀厚度d=4.3mm.主副剪刀閉 合后兩剪把端距離33mm,主刀刃距支點最近 處20mm,兩剪刀張開角度最大70 ，最小角度 10°。
3.1.4剪枝剪的技術(shù)要求
技術(shù)是為了適應(yīng)生產(chǎn)實踐提出的要求
的。生產(chǎn)實際足設(shè)計機具的原始依據(jù)，因而規(guī)定 r技術(shù)耍求。手剪枝剪的技術(shù)要求主要有:剪刀在使用過程中，磨損均勻，有一定的使用壽命;能自動張開.兩剪刀張開的角度能保證人手的握持:剪枝剪應(yīng)有閉鎖裝置，方便攜帶；在參加剪切的刃線上，輕快省力地剪斷直徑在15mm 以內(nèi)的活樹枝.井保證剪斷枝條的斷面整齊，不損傷樹皮等。
S:穿過枝條斷面中線剪切力；F:刃口P點垂直0P由力矩M產(chǎn)生的重力; M:剪把在f力作用下產(chǎn)生的力
矩; Φ：螺旋升角； f:剪把端的垂直力.
圖3.10
1枝條2主剪3彎刀4螺栓5剪簧6剪把
圖3.11
3.1.5剪枝剪在剪切過程中受力情況分析
在剪枝的過程中，在上刀刃切入枝干后，刀刃與枝干之間相互接觸，在枝桿上所受的力為所有力作用在接觸面上的合力。設(shè)作用點為刀刃與枝條的接觸點。則通過以上所述做出枝條的受力分析圖。如圖3.2.4所示。當動作開始時，枝條的接觸點就會受到力F 的作用，在這個力的作用下會使枝條有朝著支點的反方向運動的趨勢，而后又產(chǎn)生穿過枝條的斷面中心線的剪切力S。剪刀的刀刃與枝條的接觸切點（作用在P上的作用力F以及剪切力S），在剪柄端作用力矩不變的情況下，剪切時的作用點距離支點的距離OP越大，作用在紙條上的作用力F 就越小。所以，理想的狀態(tài)就是可以靠近支點的方向剪切。但是，在剪枝過程中，枝干的橫截面積粗細不等，很難做到都可以集中在靠近支點的位置，故剪柄端的力矩就需要加大，無形之中給使用者也造成了不少的困難。由圖3.2.4可得力矩M=lf。l為支點到剪柄端點的距離。f為在剪柄上施加的力。由于l是一個定值，所以要想使M增大，就要增加作用力f 大小。則剪刀刃線的作用力F則可以用一下公式來表示：
3.1.6上刀刃與彎刀之間的工作載荷
上刀刃與彎刀工作時需要克服阻力，為了確保刀具有足夠的強度，設(shè)計刀具時首先應(yīng)對刀具載荷進行分析。把上刀刃與彎刀之間的剪切運動設(shè)想為上剪刀刀刃與剪刀彎刀的2個刀具縫平行，因而能進行剪切，在剪切處是果實枝頭的樹枝剪切的阻力。
枝頭剪切阻力的計算
一般果樹的枝頭都很細，不考慮彎矩，所以只考慮剪切力，由于果實質(zhì)量不大，不考慮其重力。如圖3-12所示
枝條
圖3.12 蘋果枝條剪切力示意圖
蘋果果實的枝條屬木質(zhì)材料，取最粗為5mm，偏心軸軸心的平均水平方向的速度設(shè)定為0.02 m/s，剪切處的剪切速度大概可取為0.4m/s，刀刃最厚處可取為0.01mm。
3.1.7上刀刃與彎刀剪切刀具的強度校核
上刀刃與彎刀處的剪切刀具工作時候需要克服阻力，為了確保其具有足夠的強度，設(shè)計時對剪切處所承受的載荷進行分析，刀具受到剪切時的載荷作用，容易發(fā)生疲勞破壞。刀具的設(shè)計是決定便攜式摘果手的壽命長短的因素之一，因此，應(yīng)按無限壽命設(shè)計，即要求各部件在工作載荷作用下具有無限長壽命。
金屬材料在交變應(yīng)力強度常用曲線或者疲勞極限來衡量，見圖3.13，當時，試件則能經(jīng)受無限循環(huán)而不發(fā)生破壞。為此設(shè)計時應(yīng)力水平應(yīng)該很低，以便有足夠的應(yīng)力儲備。
疲勞極限與抗拉強度之間的關(guān)系為：
材料1Cr13的抗拉強度=540Mpa，取其下限MPa。
圖3.13
計算上刀刃與彎刀剪切刀具的強度
一般蘋果果蒂都比較細，可以盡可能的選擇最粗的枝條直徑為5mm進行計算以確保剪切刀具有足夠的強度進行剪切。
由上述可知，=20N，切應(yīng)力MPa
查表得材料1Cr13的抗剪強度MPa，所以=1Mpa<<320Mpa。
由于幾乎不存在拉應(yīng)力，所以
綜上所述，試件能經(jīng)受無限循環(huán)而不發(fā)生破壞，因此設(shè)計的上刀刃與彎刀的剪切刀具滿足強度要求。
3.1.8 剪刀開合減速箱的設(shè)計
圖3.14減速箱部分三維前視圖
圖3.15傳動部件三維前視圖
驅(qū)動裝置包括電機和變速箱，變速箱由箱體、I軸（包含一段齒輪軸）、II軸（設(shè)有偏心軸）、小圓錐齒輪、大圓錐齒輪、大圓柱齒輪構(gòu)成，齒輪直接用潤滑脂潤滑，通過在機殼外殼打幾個小孔，讓空氣流動進入減速箱體內(nèi)，運用流動的空氣來實現(xiàn)降溫效果。
工作部分是由連接臂和剪刀上下刀構(gòu)成，其中有多個鉸接孔，連接動力臂與剪刀上刀片是鉸接的。
內(nèi)管和電機箱體相連，內(nèi)管的直徑比外管直徑小，內(nèi)管可以在外管內(nèi)部實現(xiàn)伸縮，通過鎖緊裝置實現(xiàn)鎖緊，其中內(nèi)外管內(nèi)均設(shè)有導(dǎo)線，把手與外管相連，把手上設(shè)有與外界電源相連的導(dǎo)線。
3.2 伸縮桿與電動控制方案
3.2.1伸縮桿的設(shè)計方案
方案一：
伸縮桿分別有四部分組成。圖3.16內(nèi)桿，決定著整個伸縮桿的長度，伸縮桿向外拉長，內(nèi)桿向外露出的長度就會變長。圖3.17外桿，是整個伸縮桿的基礎(chǔ)長度，伸縮桿的最小長度由外桿決定。圖3.17手柄，利用手握住手柄來控制方向。伸縮鎖，通過旋轉(zhuǎn)伸縮鎖來固定內(nèi)桿。伸縮鎖向右轉(zhuǎn)動時，為開鎖，內(nèi)桿可以在上下任意位置伸縮。伸縮鎖向左旋轉(zhuǎn)時，固定內(nèi)桿不讓其上下移動。
本設(shè)計選用伸縮桿的型號為MXX110902。當然根據(jù)伸縮桿的極限長度也不同。針對高低果樹的采摘情況，選擇的伸縮桿的型號也不相同。
圖3.16內(nèi)桿 圖3.17外桿
圖3.18手柄
圖3.19伸縮鎖
方案二：
電動可控制伸縮桿由直流電機提供動力來源，通過螺旋內(nèi)桿為副桿提供上升或下降的動力（如圖3.20），當電機1通電后可通過電機1正反開關(guān)按鈕實現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，當正轉(zhuǎn)時螺桿隨之正轉(zhuǎn)，在提升控制件與主副桿固緊件的制約前提下，副桿會隨著螺旋提升桿的正轉(zhuǎn)而被升起。同理，當電機1正反轉(zhuǎn)按鈕調(diào)至反轉(zhuǎn)時，螺旋提升桿反轉(zhuǎn)，副桿下降。
螺旋提升桿頂部制作時便比主桿頂部短20cm，并在螺旋桿頂部不刻紋，當副桿提升至極限高度時，螺旋提升桿會提供物理限位，即電機動力無法突破之障礙，當操作手感到電機發(fā)出“嗡嗡嗡”的聲響與振動時即關(guān)閉按鈕。在設(shè)計初期也同事考慮加入電限位，但是將復(fù)雜的電路加入到使用理念與制作簡單的摘果手設(shè)備中去有違初衷，并且本次選用的直流電機本身可以耐受長時間的超高負荷運轉(zhuǎn)，多次試車試驗中，極限高度很少達到，并且操作手會有“警惕性”，并且電動機的超強耐用與可耐受長時間超負荷運轉(zhuǎn)，其并不影響機械手的使用壽命。
當副桿下降至極限位置時會出現(xiàn)同上升至極限位置同樣的問題，此時同樣適用物理限位，當副桿降至極限位置時抵達物理限位點時，伸縮桿停止下降，操作員斷開電動機電源，電機1反轉(zhuǎn)隨機停止。
本設(shè)計選用伸縮桿的型號為GE766E093。當然根據(jù)伸縮桿的極限長度也不同。針對高低果樹的采摘情況，選擇的伸縮桿的型號也不相同。
圖3.20
圖3.21升降桿三維
圖3.22伸縮桿調(diào)速原理圖
圖3.23升降桿總裝圖
3.2.2電機控制方案
現(xiàn)在市場上的電機種類非常豐富，結(jié)合摘果手的設(shè)計思路與客觀經(jīng)濟條件，對市場上的各類電機進行篩選。
電機是便攜式摘果手最為核心的裝置，作為基本動力來源，能直接決定便攜式摘果手的使用效果，結(jié)合便攜式摘果手使用的特性，根據(jù)其啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、使用頻率、超負荷運載等性能需求以及客觀經(jīng)濟狀況和維修因素選擇電機。
本次設(shè)計的便攜式摘果手的電動機的使用特點為頻繁短時間運行、快速啟動、正反轉(zhuǎn)、承受過載、無調(diào)速要求。依據(jù)電動機類型參照表，直流電動機快速頻繁啟動、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、大過載能力、順滑的速度、精切、方便使用、低價易于保養(yǎng)等特點。本次便攜式摘果手選用直流電動機。
電動機類型選擇參考表1
負載類別
選用電機類型
恒轉(zhuǎn)矩和通風機負載特性的機械
選用機械特性為硬性的電動機較適宜
恒功率負載特性的機械
選用調(diào)勵磁的變速直流電機或帶有機械變速的交流異步電機
無調(diào)速要求的機械
負載平穩(wěn)，對啟動、制動無特殊要求的長期運行的機械
小功率
普通籠型電動機
大功率
采用同步電動機
帶周期性變動負載的機械（如飛輪）或啟動條件沉重
大中功率
采用繞線型電動機
小功率經(jīng)過載能力啟動條件校驗通過的
采用高轉(zhuǎn)差率電動機
某些斷續(xù)運行機械，采用交流電機在發(fā)熱、啟動、制動特性等方面不能滿足要求或技術(shù)經(jīng)濟指標過低
采用直流電動機
電動機類型選擇參考表2
序號
負載性質(zhì)
生產(chǎn)機械工作狀態(tài)
選用電動機類型
平穩(wěn)
沖擊
長期
短時
斷續(xù)
調(diào)速
飛輪儲能
異步電動機
同步電動機
直流電動機
籠型
繞線型
他勵
串勵
1
2
3
4
5
6
7
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
②
√
√
③④
√
√
③
③
①
√
√
√
√
√
⑤
√
①對于小功率機械，或啟動次數(shù)較多而電網(wǎng)容量不大易受沖擊時，不推薦采用同步電動機。
②對于大中型機械，當電網(wǎng)容量不大時，不宜選用籠型電動機，而選用繞線型電動機。
③異步電動機需帶調(diào)速裝置（一般為轉(zhuǎn)子外接電阻方式，還有采用滑差離合器、渦流制動器、串級或變頻等方式）。
④指小功率機械只要求幾級速度時，采用多速籠型電動機。
⑤需要啟動轉(zhuǎn)矩大的機械（如電車、牽引機車等）采用串勵直流電動機。
電氣控制方案以簡單控制、功能齊全、方便維修、使用便利為原則，本方案設(shè)計電氣控制有兩個開關(guān)SK1、SK2，SK1使用復(fù)位按鈕，即SK1控制下的電機M1只有啟-停兩個狀態(tài)。SK2使用船型三擋開關(guān)，即SK2控制下的電機M2有正轉(zhuǎn)-停-反轉(zhuǎn)三個運行狀態(tài)。
SK2切換在zt1時電機M2靜止狀態(tài)，SK2切換在zt2時電機M2正轉(zhuǎn)狀態(tài)，SK2切換在zt3時電機M2反轉(zhuǎn)狀態(tài)。
圖3.24電路SK2切換狀態(tài)圖
圖3.25線路安裝示意簡圖
3.26船型三檔按鈕
圖 3.27復(fù)位按鈕
3.3果品減震裝置
減震裝置配置在傳輸袋中，利用皮筋的彈性，使高空自由落體的水果得到緩沖，以至于不損壞到水果，并且利用皮筋的張力，當水果落在橡皮網(wǎng)上，由于水果自身的重力使皮筋之間的距離變大，從而是水果落入筐中。如圖3.28當水果自由落體時水果向下的重力F1，果品減震裝置對水果有向上的力F2,F3，向左右的力F5,F6.使落下的水果的動能減少。此裝置減少了水果在采摘時對水果的碰撞，最大限度的保證了果品的質(zhì)量。
圖3.29為緩沖裝置的簡單示意圖，橡皮筋圍成的網(wǎng)略小于平均水果的直徑。例如采摘蘋果時，橡皮筋圍成的矩形網(wǎng)絡(luò)邊長大約在60mm左右，一般蘋果的直徑大概在90mm左右，在當蘋果下落時，利用橡皮網(wǎng)的張力，對蘋果起到緩沖作用，減少了蘋果在落入果筐的一瞬間受到的碰撞。圖3.30為緩沖裝置的實物圖。
圖3.28 果品減震裝置受力圖
圖3.29緩震裝置示意圖
圖3.30 緩震裝置實物圖
第4章 產(chǎn)品的調(diào)試與改進
4 產(chǎn)品的調(diào)試與改進
便攜式摘果手的使用方法：果農(nóng)用手握住伸縮桿的下端，按動控制SK2開關(guān)調(diào)整伸縮桿深處長度，使剪刀對準水果的果蒂。然后按動SK1按鈕啟動電機M1，使剪刀做剪切動作，從而剪斷果蒂，使果實脫離樹干。被剪下的水果順著傳輸袋落下，穿過傳輸袋中的減震裝置，被減速的水果安全落入果筐。推車上專門設(shè)有摘果手的放置架，當摘果手使用完畢后可放置在推車上的放置架上作為一個整體存放在適當?shù)奈恢谩?
4.1 產(chǎn)品調(diào)試時出現(xiàn)的問題
1.剛開始對于果品采摘時是利用的普通剪刀，但在采摘的過程中，發(fā)現(xiàn)當閉合剪刀時，靠近果蒂的兩個刀片很容易使果蒂滑出刀片外，在采摘過程中對果蒂不能起到固定的作用。
2.兩刀片就算固定住果蒂，使刀片閉合，由于刀片重合度不高，果蒂并不容易被完全剪斷，就會出現(xiàn)果蒂剪掉一半，水果還被懸掛在樹枝上的現(xiàn)象。
3.桿子不夠長或過長，不能適應(yīng)大多數(shù)的果樹。
4.桿子在伸縮控制時到達到達一定的高度后人工就很難再進行伸縮和控制。
5.在水果掉落到傳輸袋時，同樣傳輸袋也面臨著不適應(yīng)適應(yīng)高低不等的果樹的問題，當采摘高枝的水果時，傳輸帶的底部不能與果筐直接相接，就會造成水果剪掉后，通過傳輸袋的水果掉落在果筐外面。而低枝果樹，由于傳輸袋過長，水果掉落的路線不容易固定。導(dǎo)致水果不能通過緩沖裝置，對水果的品相造成一些損傷。
6. 利用類似自行車剎車系統(tǒng)原理，使用踏板通過鋼絲牽引剪刀，來實現(xiàn)剪刀的閉合，但其靈活性太低，不適用于復(fù)雜的工作環(huán)境。
圖4.1 踏板結(jié)構(gòu)圖（1）
圖4.2踏板結(jié)構(gòu)圖（2）
圖4.3 踏板修改后實物圖
4.2產(chǎn)品改進和解決的方案
1.把剪刀的刀片制作成圓弧形的刀口，上刀片的刀刃為凸圓弧，下彎刀的則無刀刃，利用剪切時枝干變形的張力把枝干剪斷。
2.在上刀刃旁附著著一片10毫米厚的波浪形塑料板，貼合在刀刃弧線的方向，可以利用其波浪形的形狀在剪切時緊緊抓住果樹的細枝，不讓細枝向刀尖的方向滑動。使剪刀更有效率的把果樹的細枝剪斷。
3.利用鉸鏈的上下運動來直接控制剪刀的閉合，鉸鏈鏈接在減速器的偏心軸上當偏心軸轉(zhuǎn)動一圈時，鉸鏈上下運動一個回合，剪刀則因鉸鏈的上下移動而進行閉合。
4.利用可分段拆卸的傳輸袋，解決采摘高低枝或低枝果樹時，傳輸袋與果筐距離銜接不好而造成的水果掉落果筐外部，或不能穿過緩沖裝置造成水果品相破壞的問題。
5.利用電動伸縮桿來解決高枝，低枝的果樹采摘的問題，通過電動控制，避免了果農(nóng)用手控制調(diào)整伸縮桿的長短，換句話講，之前的設(shè)計需要先目測果樹的高度，在地面上把伸縮桿調(diào)節(jié)好后，把伸縮桿拿起對準果樹，但是一旦調(diào)整的長短不符合實際的操作，就要放下伸縮桿，重新調(diào)整。而現(xiàn)階段利用電機使?jié)L珠絲桿旋轉(zhuǎn)使得伸縮桿上下移動，可直接用手拿著伸縮桿的把手，按動上下控制按鈕，即可伸長的希望的位置。減少了果農(nóng)反復(fù)調(diào)節(jié)的次數(shù)，提高了采摘效率。
6.將踏板改為直接模仿自行車手剎的手動剎車把手裝置，但是在操作員試用一段時間后，手部負擔會很大，考慮到操作者要頻繁試用摘果手，所以“剎車把手”也被淘汰了?？紤]到伸縮桿已經(jīng)用電機來牽引來提升工作效率，又不會給操作員帶來長時間工作的操作負擔，所以剪刀動力也改為電機牽引。
4.3 產(chǎn)品改進后的特色
便攜式摘果手巧妙的設(shè)計了水果落下時的緩震裝置，保護果品的外觀。
設(shè)計了類似手推車的裝置，使得便攜式摘果手從采摘水果，到水果滑落后的存放，包括摘果裝置的存放都融為一體。當推車上籃筐里的水果裝滿時，只需置換籃筐就可繼續(xù)工作。
推車底部安裝了四個萬向輪，果農(nóng)可以根據(jù)果樹及采摘方向的不同調(diào)整推車的位置。充分做到了便攜式摘果。
(4) 電動可控伸縮桿，方便快捷的把剪刀升降到目的位置 為果農(nóng)提供了方便。
(5) 傳輸布袋可調(diào)節(jié)長短，避免了布袋過長或過短給果品帶來的不必要的撞擊。
(6) 裝置體積小容易攜帶?？捎糜谒饺斯锘虼竺娣e的采摘。
(7) 結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，人性化的設(shè)計。
(8) 大大減輕了果農(nóng)的作業(yè)負荷。
(9) 剪摘水果后，水果可順著固定軌道滑入果籃中，減少摘果裝置重復(fù)舉起放下的次數(shù)，增大工作效率。
第5章 總結(jié)
5 總結(jié)
一直以來，國家對于農(nóng)業(yè)的重視程度是我們有目共睹的。在許多大型會議上，國家領(lǐng)導(dǎo)人反復(fù)強調(diào)農(nóng)業(yè)的重要性，不斷的出臺關(guān)于農(nóng)業(yè)新的政策，保證農(nóng)民的收入和種植農(nóng)產(chǎn)品的積極性。另一方面，隨著生活水平的提高，人們對于蔬果等農(nóng)產(chǎn)品的需求量日益增加。這些都不斷充斥著果樹種職業(yè)的發(fā)展，從而使各個地方的果樹種植業(yè)逐漸興起，不論城市還是農(nóng)村，人們對于水果采摘市場的憧憬與熱情變得一發(fā)不可收拾。
目前在小型果樹種植戶中，存在生產(chǎn)效率低，勞動力耗費量大等問題。以上問題導(dǎo)致水果成本的增加，使我國果農(nóng)面臨的一個嚴峻的問題。果農(nóng)們迫切需要一種可以解放生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率的工具。目前市場上有很多種類的采摘工具，大多價格較高，使用不方便，不易攜帶，更有甚者在采摘時會對果品有損傷。
便攜式摘果手是面向中小型果樹種植戶的設(shè)計，價格低廉，果農(nóng)容易接受，且操作簡單、方便，在許多的地方有著不可替代的作用。便攜式摘果手利用踏板來代替手動施力，在踏板上運用了杠桿裝置更減輕了農(nóng)民的勞動力。便攜式摘果手的刀片的設(shè)計靈感來源于鋸齒，增加果蒂與剪刀直接的摩擦力。在操作的過程中使用便攜式摘果手，可以方便的把果實采摘下來。
在便攜式摘果手初步制作完成后，我們通過不同實驗得出的結(jié)論，對裝置的整體結(jié)構(gòu)和各部件的設(shè)計又做了進一步的改善。原本只是一個設(shè)計框架，通過不停的調(diào)試、補充，逐漸成為一個比較完整的設(shè)計項目。整個課題對便攜式摘果手設(shè)計思路的介紹和對項目未來的憧憬做了一個整體的敘述。
在社會經(jīng)濟的發(fā)展中，農(nóng)業(yè)是我們?nèi)祟惒豢扇鄙俚囊徊糠?。人類的生存與發(fā)展是以農(nóng)業(yè)作為堅實的后盾。當然展望美好前景的同時，我們也需要面對現(xiàn)實中的一些問題。在目前，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率是人們所密切關(guān)注的問題。如何改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下，也是一直以來討論的話題。在資源極度緊缺的情況下，為人類的基礎(chǔ)事業(yè)貢獻一份微薄的力量，是我們這個世紀的青少年應(yīng)當做的事情。
通過這幾個月的努力，在老師的幫助下，為了保證論文的質(zhì)量及書寫的規(guī)范，我上網(wǎng)查閱許多資料和書籍，為得是希望這次畢業(yè)論文做的能再完美一些，畢業(yè)論文算是告一段落，這次畢業(yè)論文，是一項由生活中的點滴總結(jié)得到的設(shè)計課題。
我設(shè)計的綠色、環(huán)保、便攜的摘果工具，希望能為我們可敬的農(nóng)民伯伯減輕一部分體力負擔，有效的保證穩(wěn)定的收入，讓我們的家園變得更加美好。
參考文獻
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附錄
致 謝
時光飛逝，一晃兩年過去了，兩年中遇到的一件件事情，發(fā)生的一個個故事，都在腦海中一遍遍穿梭。忘不了老師在課堂的諄諄教誨，忘不了每次去圖書館安靜的坐在課桌上低頭沉思每一道題目的狀態(tài)。在這兩年即將過去，當寫下這篇自己親手有鍵盤一字一句敲打，用軟件繪制自己心中構(gòu)想出來的設(shè)計時。突然發(fā)現(xiàn)我對這篇論文的重視遠超過自己的想象。
作為一個毫無經(jīng)驗可談的大學(xué)生而言，要不是導(dǎo)師逐字逐句的批改和嚴格的督促教導(dǎo)，同學(xué)的相互鼓勵支持，要完成這個設(shè)計，其實我自己都沒有太大的信心。感謝李曉暉老師平日里對我們的督促。老師平時工作非常繁重，但老師把每一次的信息及時的告知我們每一位同學(xué)。在我寫論文的每一個階段中，每當遇到問題，老師總是悉心的對我教導(dǎo)。從開始的查閱資料，到設(shè)計題目的確定修改，中間不時的詢問我論文的進展情況，在這整個過程，我的導(dǎo)師給予了我很大的支持和鼓勵。
感謝這兩年，讓我從一個懵懂的孩子，漸漸長大。感謝這兩年，讓我遇到許多無私付出毫無保留的給予我知識的老師們。感謝這兩年，讓我交到一幫相互支持志同道合的朋友。
感謝母校，是金陵科技學(xué)院給予了我這個機會，讓我度過充滿朝氣且有意義的兩年！