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1、采茶機器人設計 ` 摘 要 采茶機器人是基于茶園茶樹的具體生長特點以及茶葉采摘的的具體情要而設計的茶葉采摘設備，其功能主要是完成茶葉的采摘工作。 本次設計的是自乘式采茶機器人，代替了傳統(tǒng)的背負式或手提式采茶機。整個設計過程主要包括采茶機器人的總體方案設計、控制系統(tǒng)以及傳動系統(tǒng)等設計。采茶機是從茶樹頂梢采收新嫩茶葉的作物收獲機械。根據(jù)采摘的方法不同可以分為選擇性采茶機和非選擇性采茶機兩類。

2、這兩類采茶工作具有不一樣的特點。分別適合名貴茶葉和大宗型茶葉?？偟哪康氖峭瓿刹刹韫ぷ鞯囊蟆? 采茶機器人可以實現(xiàn)茶葉的的機械化拆摘，不僅能夠節(jié)省茶園采茶工的數(shù)量，而且可以有效地減輕采茶工的工作強度，大幅度地提高了茶園茶葉采摘效率，降低生產(chǎn)成本，提高綜合經(jīng)濟效益。 關鍵詞：采茶機器人，自行式，傳動控制 采茶機器人設計 Abstract Tea picking robot is designed for specific growth characteristics of tea plants and tea picking specific condi

3、tions should be based on the tea picking device, its main function is to complete the tea picking work. This design is the type tea picking robot, instead of a backpack or hand-held traditional tea picking machine. The overall plan of the whole design process including picking robot design, control

4、 system and drive system design. Tea picking machine is from tree top crop harvester harvesting tender tea shoots. According to the method of picking can be divided into different selective picking machine and non selective picking machine two. These two kinds of tea is not the same. Respectively fo

5、r the precious tea and bulk tea. General purpose is to complete the tea job requirements. Abstract the mechanization and picking robot can realize the tea, the quantity can not only save tea tea workers, work intensity and can effectively alleviate the tea workers, greatly improve the tea picking e

6、fficiency, reduce production costs, enhance the comprehensive economic benefits. Key words：Tea picking robot, Self-propelled,Transmission control 采茶機器人設計 I 目 錄 1 緒論 1 1.1設計目的及意義 1 1.2 采茶機綜述 1 1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.4 國外發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.5 設計的主要技術指標 4 2 整體方案設計 5 2.1 設計步驟 5 2.2 機器的結構構思 5 2.3 擬定傳動方案

7、6 3 零部件的選型和設計 8 3.1 履帶式行走裝置的特點 8 3.2 履帶式行走裝置的功能與組成 8 3.3 傳動方式的選擇 13 3.4 履帶式行走裝置的設計 14 3.5 傳動方案的分析 16 3.6 液壓馬達的選型 16 3.7 液壓泵的選型 18 3.8 內(nèi)燃機的選型 19 3.9 離心通風機的選型 20 3.10 普通V帶傳動的設計 20 3.11 升降傳動及減速電機的選型 24 3.12 刀片的設計 26 4 機架的設計 27 5 液壓系統(tǒng)的設計 30 5.1 液壓系統(tǒng)原理設計 30 5.2 主要液壓元件選型 31 6 PLC控制設計 32

8、 6.1 可編程控制器（PLC）的產(chǎn)生與發(fā)展 32 6.2 控制的基本要求 33 6.3 PLC控制電路圖 34 6.4 PLC控制流程圖及梯形圖 35 7 結 論 37 8 參考文獻 38 9 致謝 39 18 采茶機器人設計 1 緒論 1.1設計目的及意義 茶葉生產(chǎn)季節(jié)性強，“早采一天是寶，晚采一天是草”的說法中可以體現(xiàn)其時效的重要性。面對經(jīng)濟的發(fā)展，實現(xiàn)機械化采茶是必須切實面對的問題，而且能

9、否采用機械化采茶已經(jīng)成為目前制約茶葉生產(chǎn)發(fā)展的一個瓶頸，從采茶用工難的問題上可見一斑。目前，在茶園很難見到年齡較小的采茶工，一般年齡都比較大。由于采茶工人員的短缺，于是出現(xiàn)了爭搶采茶工的問題。因此，由于缺少采茶工，致使茶園的茶葉不能及時的采摘。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，采茶工短缺的問題越來越凸顯。據(jù)統(tǒng)計，每畝茶園平均要用1名采茶工，然而全國茶園面積幾千萬畝，在采茶季節(jié)集結數(shù)量這么多的采茶工是十分困難的。機械化采茶效率是手工采茶的近10 倍以上，是解決當前茶葉初制勞動力嚴重缺乏的根本手段，生產(chǎn)中機械化采茶雖然任務十分艱巨，但前景十分廣闊。 基于上述背景，本課題旨在設計一種自行式采茶機器人，避免了手提

10、式或背負式的負荷作業(yè)，可以有效的提高生產(chǎn)效率，保證鮮葉的品質(zhì)，實現(xiàn)高要求的清潔化規(guī)模生產(chǎn)，降低勞動強度和生產(chǎn)成本。 1.2 采茶機綜述 采茶機是從茶樹頂梢采收新嫩茶葉的作物收獲機械。根據(jù)采摘的方法不同可以分為選擇性采茶機和非選擇性采茶機兩類。選擇性采茶機有折斷式和摩擦式等類型。折斷式采茶機是利用彎曲折斷的原理，采下鮮嫩的茶葉而保留粗老的枝條；后摩擦式采茶機則是用一對彈性摘指夾住茶葉，依靠摘指和茶葉之間的靜摩擦力，摘下新葉并保留老葉和幼芽。因為生產(chǎn)的效率過低且對茶園作業(yè)條件的要求較高的原因，選擇性采茶機沒有獲得大量推廣。非選擇性采茶機又稱為剪切式采茶機，利用剪切原理采摘茶葉。因為其結構簡

11、單，使用較方便所以得到了大力的推廣。非選擇性采茶機的主要類型有往復切割式采茶機、鉤刀切割式采茶機、螺旋滾切式采茶機等。 當今國內(nèi)外普遍采用的采茶機都是針對大宗茶生產(chǎn)時采摘茶樹鮮葉用的，它的基本原理是通過機械動力帶動刀片的運動，快速的剪切并收集茶樹的芽葉。從而實現(xiàn)采摘茶葉的目的。 1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國采茶機械的研究工作開始于上世紀六十年代，最初是從日本引進采茶剪用于茶樹的修剪。后來國內(nèi)開始對采摘原理的進行研究和模擬采摘茶葉的試驗，而且引進了日本菜茶機進行相關的試驗與分析研究[1]。到目前為止，在采茶機相關領域已經(jīng)經(jīng)歷了漫長的過程。此后采茶機的研究設計工作在我國各產(chǎn)茶省已經(jīng)普遍展開

12、。在六十年代初經(jīng)過努力的研究，試制成功了往復切割式采茶機，較好的機型有中國農(nóng)科院茶葉研究所和南京農(nóng)業(yè)機械化研究所聯(lián)合研制的手動南茶—702型采茶機、浙江農(nóng)業(yè)大學研制的浙農(nóng)—4號采茶機等。到六十年代中期，中國農(nóng)科院茶葉研究所等單位在南茶—702型的基礎上研制成功NIC型手提電動往復式采茶機組[1]。上世紀七十年代后期，先后設計出了多種單人采茶機，而且在全國進行了研究試驗，比較它們的優(yōu)缺點，但是最終卻因這些采茶機的動力、軟軸不過關和制造機器的水平有限，沒能在生產(chǎn)中得到大量應用。到七十年代末期，受日本機械化茶樹采摘的影響，我國加大了采茶機器人的研制工作。在此期間設計出多種平形、弧形往復切割式以及各種

13、輕、深、重采茶機器人，然而因為采茶機的動力需要從國外引進，并且受到了制造廠企業(yè)規(guī)模的限制，生產(chǎn)的部分零部件的質(zhì)量不是不是很好，因此推廣應用進展較慢。八十年代末期，我國開始與國外開始合資生產(chǎn)采茶機，在杭州和長沙先后組建了長沙落后茶葉園林機械有限公司和浙江川崎茶葉機械有限公司。這兩家合資企業(yè)都是從日本進口零部件，然后再國內(nèi)進行裝配，為了抓住這個機遇，農(nóng)業(yè)部等部門從八十年代末期開始，一方面組織各主要采茶省的有關機械廠家對采茶機器人的生產(chǎn)技術進行引進、吸收和消化，加速研制國產(chǎn)采茶機器人的發(fā)展速度，另一方面加強采茶機的推廣應用工作，從而使我國的采茶機器人機械化事業(yè)邁入了新的發(fā)展階段。 為了迎合國內(nèi)各采

14、茶省對采茶機器人的需求，我國農(nóng)業(yè)部等相關部門非常重視和支持國內(nèi)的相關機械廠采取多種方式研制生產(chǎn)采茶機器人。例如全部國產(chǎn)、主件進口配件國產(chǎn)和散件進口并國內(nèi)組裝等。浙江川崎茶葉機械有限公司和長沙落合茶葉園林機械有限公司為進口日本散件并在國內(nèi)組裝采茶機的中外合資廠家，而南昌飛機制造公司、杭州采茶機械廠、無錫揚名采茶機廠、泰州林業(yè)機械廠、寧波電機廠等，主要是零部件完全國產(chǎn)或者少數(shù)零件靠進口，大部分零部件式國產(chǎn)來組裝生產(chǎn)采茶機器人。 我國采茶機器人械化事業(yè)之所以發(fā)展比較緩慢，主要是因為是國產(chǎn)的采摘機械質(zhì)量不合格，這些原因，歸結于我國小型的動力機、技術設備水平低、機械加工和原材料質(zhì)量不高等綜合因素。最近

15、幾年，國內(nèi)農(nóng)業(yè)部等相關部門深刻的總結了先前的經(jīng)驗教訓，開始加大對國外采茶機器人技術的理解，并結合我國具體采茶的具體環(huán)境，設計開發(fā)了符合我國采茶形式的采茶機器人，而且形成了自己的特色，隨著之國內(nèi)工業(yè)制造的水平的不斷提高，使我國國產(chǎn)的采茶機械現(xiàn)已接近國外的相關水平。 1.4 國外發(fā)展現(xiàn)狀 國外對采茶機器人的研制工作起步比較早。大約在1910年左右，日本就開始研究采茶、修剪器械。最初是采用大剪刀進行采茶和茶樹修剪，并有多種型式，1915年大剪刀獲得專利，到1920年已基本普及使用。1955年，日本開始研究小型動力采茶機、修剪機。1956年日本奈良首先完成了一臺機動背負式小型動力采茶機，此后有

16、多種形式的單人動力采茶機投入商用。在1970年之前日本的單人動力采茶機以往復切割式為主，1970年之后大力發(fā)展螺旋滾刀式，同時水平圓盤刀式也重新出現(xiàn)。197O年左右，日本又發(fā)明了雙人抬式采茶機，切割器多為往復切割刀片，分機動和電動兩種。機動以0.6-1.12kw的小型汽油機為動力，背負在身上（如圖1-1所示）；電動又有發(fā)電機組供電和蓄電池組供電兩種，使用時大多放置在地上，這樣可以減輕操作手的勞動強度。日本從1962年開始還進行了大型采茶機的研究。到1976年，大型自走式、乘坐式采茶機投入開始使用，較好的機型有露島Ⅲ型采茶機、茶試二號拖拉機裝載采茶機和克羅拉采茶機。它們都采用切割式采摘機頭，跨在

17、茶行上工作，集葉采取吹風式或吸風式，拖拉機6.7-22.4kw。其中，克羅拉采茶機是一種履帶式自走底盤，行走性能好，采摘面整齊良好，集葉損失少，回轉(zhuǎn)半徑小而易于掉頭。從70年代末開始，日本也著手折斷式采摘原理的研究，三重大學提出了與前蘇聯(lián)不同的旋轉(zhuǎn)折斷式采摘器的設計。日本還先后試制了壓折式采茶機、夾采式采茶機、選擇式采茶機等，但都沒有應用到實際生產(chǎn)中。 當今國外在對茶樹的采摘機械的研制及應用方面都已經(jīng)非常成熟，而且在國外得到了大范圍的應用推廣。 圖1-1 背負式采茶機 1.5 設計的主要技術指標 本次設計

18、的主要技術指標如下： 采摘幅寬為1000毫米，采摘芽葉完整率達70%以上。 臺時生產(chǎn)率為1.5畝/小時以上或40斤/小時(青葉)左右。 耗油量為1公斤/小時。 可以在10度“左右緩坡、條播、地面比較平整、地頭留有一定回轉(zhuǎn)地帶的茶園中使用。 2 整體方案設計 2.1 設計步驟 （1） 查閱有關茶樹采摘機械的的相關文獻 （2） 對采茶機器人的工作環(huán)境進行分析 （3） 確定采茶機器人的整體結構并對其傳動進行設計 （4） 對采茶機器人的部分部件進行選型與設計 （5） 繪制采茶機器人的裝配圖和零件圖 2.2 機器的結構構思

19、 目前，采茶機器人都是在戶外工作，動力不宜選取電動機，一般首選小型的內(nèi)燃機。在能達到動力輸出要求的前提下，為了降低生產(chǎn)成本，傳動方式首選普通V帶傳動。為了達到設計幅寬的要求，在機架的前排設計采茶刀片?？紤]到要降低勞動強度，可以采用自行式作業(yè)，將設計的各個構件安裝在機架上。綜合考慮上述技術指標、機器的經(jīng)濟性和所需傳動的準確性，擬定了整臺機器的結構示意圖，如下圖2-1所示： 1底盤系統(tǒng) 2機架系統(tǒng) 3動力及傳動系統(tǒng) 圖2-1 采茶機器人總體結構示意圖 2.3 擬定傳動方案 根據(jù)上述的結構構思，擬定了傳動方案。 圖2-2中動力及傳遞系統(tǒng)包括兩部分。第一部

20、分包括內(nèi)燃機通過帶輪減速將動力傳遞給液壓泵。然后通過液壓系統(tǒng)將動力輸送到行走馬達；第二部分包括內(nèi)燃機通過帶輪減速將動力傳遞給風機[3]。 圖2-2 動力及傳遞系統(tǒng)圖 有意向者可以聯(lián)系qq2209735716 圖3-5 刀片結構圖 4 機架的設計 在完成上述的零部件的設計后，可以根據(jù)以上設計內(nèi)容來確定機架的結構和尺寸。根據(jù)內(nèi)燃機的外形尺寸能夠定出安裝內(nèi)燃機的位置尺寸，由于采茶機可以在10度左右緩坡、條播、地面比較平整、地頭留有一定回轉(zhuǎn)地帶的茶園中使用。所以綜合采茶機的具體結構大致尺寸長寬高為

21、1175mm1300mm1250mm。機架整體結構[9]如圖4-1、4-2、4-3所示： 圖4-1 采茶機器人主視圖 圖4-2 采茶機器人俯視圖 圖4-3 采茶機器人左視圖 有意向者可以聯(lián)系qq2209735716 5 液壓系統(tǒng)的設計 5.1 液壓系統(tǒng)原理設計 如液壓系統(tǒng)原理圖[14]5-1所示，主驅(qū)動回路由一臺變量泵驅(qū)動兩臺定量馬達。 圖5-1 液壓控制原理圖 液壓控制回路主要是由一些

22、電磁閥組成，電磁換向閥 1YA、2YA得電時可以使左行走馬達正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)采茶機右轉(zhuǎn)；4YA、5YA得電時，右行走馬達正轉(zhuǎn)，從而采茶機左轉(zhuǎn)。1YA、2YA、4YA、5YA得電時，左右行走馬達正轉(zhuǎn)，采茶機前進；1YA、3YA、4YA、6YA得電時，左右行走馬達反轉(zhuǎn)，采茶機后退。電氣元件狀態(tài)如圖5-2所示： 有意向者可以聯(lián)系qq2209735716 圖5-2 電氣元件狀態(tài)圖 5.2 主要液壓元件選型 根據(jù)前面所選擇的液壓泵XM-F40L和系統(tǒng)的流量與壓力，選擇閥類元件[16]如表5-1所示。 表5-1 閥類元件表 序號 元件名稱 型號 數(shù)量

23、1 二位二通電磁閥 22DF3M-E6BD 2 2 二位三通電磁閥 23DF3M-E6BD 4 3 單向閥 I-25B 4 4 溢流閥 YF-B1OC 1 5 過濾器 XU-63X80-J 1 有意向者可以聯(lián)系qq2209735716 6 PLC控制設計 6.1 可編程控制器（PLC）的產(chǎn)生與發(fā)展 由于繼電器——接觸器控制系統(tǒng)的結構特點制約著它的發(fā)展，在1968年，美國通用汽車（GM）公司率先提出了 研制新型工業(yè)控制器的設想。一年后，由美國數(shù)據(jù)設備公司（DEC）研制出世界上第一臺可編程控制器 ，即是早期的工業(yè)電

24、腦（PLC）。 在微電子技術和計算機技術發(fā)展的帶動下，使PLC在處理速度和控制功能上都有了很大提高，不僅可以進行開關量的邏輯控制，還可以對模擬量進行控制，且具有數(shù)據(jù)處理、PID控制和數(shù)據(jù)通信功能，發(fā)展成為一種新型的工業(yè)自動控制標準裝置。 近年來隨著電力電子技術、檢測傳感技術、機械制造技術的發(fā)展，PLC在通信能力以及控制領域等方面都不斷有新的突破，正朝著電氣控制、儀表控制、計算機控制一體化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。 其中，梯形圖編程語言（Ladder Diagram）。這是目前PLC使用最廣、最受電氣技術人員歡迎的一種編程語言。因為，梯形圖不但與傳統(tǒng)繼電器控制電路圖相似，設計思路也與繼電器控制圖

25、基本一致，還很容易由電氣控制線路轉(zhuǎn)化而來。邏輯關系清晰直觀，編程容易，可讀性強，容易掌握，通過豐富的指令系統(tǒng)可實現(xiàn)許多接觸器－繼電器電路難以實現(xiàn)的功能，充分體現(xiàn)了微機控制的特點。 PLC 梯形圖構成的基本規(guī)則：① 梯形圖中PLC 的內(nèi)部寄存器觸點的基本符號有兩種，動合觸點及動斷觸點，同一標號的觸點可反復多次地使用。 ② 梯形圖中的輸出“線圈”也用符號表示,同一標號的輸出繼電器作為輸出變量只能夠使用一次，但其觸點可反復多次地使用。③ 梯形圖按從左至右、從上至下的順序畫出,每一邏輯行必須從起始母線開始畫起，左側(cè)先畫動合觸點或動斷觸點,并注意要把并聯(lián)接點多的畫在最左端；最右側(cè)是輸出變量（即輸出繼電器

26、“線圈”），輸出變量可以并聯(lián)但不能串聯(lián)。PLC確定了工作任務，裝入了專用程序成為一種專用機，它采用循環(huán)掃描的工作方式，系統(tǒng)工作任務管理及用戶程序的執(zhí)行都通過循環(huán)掃描的方式來完成，也稱為循環(huán)掃描的工作機制。 有意向者可以聯(lián)系qq2209735716 6.2 控制的基本要求 控制主要包括采茶機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)向和直流電機的正反轉(zhuǎn)。 當按下啟動按鈕后，PLC可以通過控制液壓閥實現(xiàn)控制采茶機的前進、后退、轉(zhuǎn)向。當電磁換向閥 1YA、2YA得電時可以使左行走馬達正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)采茶機右轉(zhuǎn)；4YA、5YA得電時，右行走馬達正轉(zhuǎn)，從而采茶機左轉(zhuǎn)。1YA、2YA、4

27、YA、5YA得電時，左右行走馬達正轉(zhuǎn)，采茶機前進；1YA、3YA、4YA、6YA得電時，左右行走馬達反轉(zhuǎn)，采茶機后退。另外,PLC還能夠直接控制線圈來控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)采茶裝置的升降功能。則PLC輸入端子和輸出端子如表6-1、6-2所示: 表6-1 PLC輸入端子表 表6-2 PLC輸出端子表 6.3 PLC控制電路圖 有意向者可以聯(lián)系qq2209735716 圖6-1 PLC控制電路圖 6.4 PLC控制流程圖及梯形圖 圖6-2 PLC控制流程圖 圖6-3 PLC

28、控制梯形圖 7 結 論 我的畢業(yè)設計題目是采茶機器人設計。在做畢業(yè)設計的過程中，我學到了很多課外知識，同時又很好的把大學中學過的相關課程進行了一系列的融會貫通。這次畢業(yè)設計，使我對機械設計等有了更深層次的了解和掌握。在設計過程中為了讓自己設計的采茶機器人更加完善，更加符合工程標準，我一次次翻閱機械設計手冊，在翻閱書籍的過程中，漸漸的發(fā)現(xiàn)自己喜歡上了自己所設計的采茶機器人。每當通過自己的努力攻克采茶機的部分結構時，心中會感覺非常自豪。 在設計過程中，我對整個采茶機器人有了更系統(tǒng)的了解與掌握。首先是要確定采茶機器人的總體的結構和傳動方案，再進入到零部件的設計。整個設計過程中，對公式

29、的應用比較多，加上大量的計算和參閱資料，感覺比較枯燥，大多結構與尺寸都要計算或借鑒可靠的設計原則經(jīng)驗而得出。主要是刀片和機架都是非標件，結構很難確定，為此我專門了解了刀具的設計資料，最終采用弧形的刃口來切割茶樹枝干，可以降低對茶樹的損傷。機架的結構尺寸只能根據(jù)技術指標和設計的各個零部件的尺寸來確定。其次是圖紙的繪制階段以及說明書的書寫。在這個期間，我查閱了相關的機械制圖書籍和機械設計手冊，并從書上學到了很多知識，最后，根據(jù)說明書設計好的尺寸進行圖紙的繪制。 雖然這次畢業(yè)設計的過程是漫長的,過程是曲折的,但是最終發(fā)現(xiàn)自己還是最大的收獲者.不僅僅掌握完成一個設計的步驟與方法，同時也對大一時期學過

30、的機械制圖、AutoCAD軟件有了更進一步的掌握。對我來說,本次設計收獲最大的是方法和能力尤其是那些分析和解決問題的方法與能力。在整個過程中,我發(fā)現(xiàn)像自己學生最缺少的是經(jīng)驗，沒有感性的認識，空有理論知識，有些東西很可能與實際脫節(jié)。在以后的學習過程中還要理論與實踐相結合。 總之，畢業(yè)設計對我來說，是一次能力的考驗，同時也是自己學習成長的重要一步。在以后的學習生涯中，我還會不斷的提升自己解決問題的能力，不斷完善自己。 8 參考文獻 [1]岳鵬翔,陳椽.采用機和修剪機的發(fā)展史.茶葉機械雜志,1994（3）:27-29 [2]京玉海,楊文,宋志良.機

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32、等.畫法幾何及機械制圖[M].北京：高等教育出版社,2008 [10]何川,郭立軍.泵與風機.北京：中國電力出版社，2008 [11]丁成偉.離心泵與軸流泵.北京：機械工業(yè)出版社，1981 [12]Xianshu Zeng,Hongfang Lu,Daniel E,Campbell,Hai Ren.Integrated emergy and economic evaluation of tea production chains in Anxi,China. Ecological Engineering,2013,Vol.60 [13]Navrátil Petr.Labor

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34、設計就要結束了。我的畢業(yè)設計題目是采茶機器人設計。在整個畢業(yè)設計過程中，我要感謝那些所有給予我關心和幫助的人。 首先，我要向我的指導老師致以由衷的感謝和誠摯的敬意。在她的指導下，我對設計的結構以及傳動有了進一步的理解與掌握。并且在設計過程中，她給予了我直接的或者間接的很多指導和幫助。每當我思緒混亂時，她都能及時給予我指點，解答疑惑，使我能更深入、更快的開展設計工作。因此我的畢業(yè)設計才會順順利利的完成。在此，謹向老師致以衷心的感謝和敬意！ 在這里我也要感謝答辯組的各位老師。因為他們在開題答辯和中期答辯中給予我悉心的教導，指引我走向正確的前進道路。 最后我還要感謝的是我的家人，因為在整個畢設過程中遇到了很多困難，每當想要放棄的時候，是他們給予我動力，在背后默默地支持我，同時他們養(yǎng)育了我，教我做人做事的道理。因此在這里向敬愛的家人表達深深的謝意！