【正文】 滾珠絲杠螺母運(yùn)動機(jī)構(gòu)和采用液壓氣動元件來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)等[26][27]。 10 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 圖 22 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 以行程速比系數(shù) K 為 ，滑塊行程 h 為 100mm，曲柄長 度 l1 為 46mm， 采用解析法設(shè)計(jì)此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖 22 為此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖； 由 K= 代入公式 K 1 180 ，算得極位夾角 = 。得 l2 =。 機(jī)構(gòu)的最大壓力角 max arcsin e l1 40 滿足許用壓力角的要求。 綜上所述，設(shè)計(jì)的此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滿足要求。刀具框架采用 1515 結(jié)構(gòu) 11 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 鋁型材來搭建，框架通過軸支撐和直線滑動軸承與光軸導(dǎo)軌連接來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。當(dāng)驅(qū)動軸開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄通過連桿帶 動刀具框架在光軸導(dǎo)軌上作往復(fù)運(yùn)動。本論文通過借鑒已公開授權(quán)的諸多發(fā)明專利和 現(xiàn)存的相似結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)出了一種新穎而且能夠快速適應(yīng)甘蔗形狀變化的切削 裝置。兩個(gè)蓋形螺母采用不 銹鋼點(diǎn)焊的方式與刀片聯(lián)接，然后通過螺柱使刀片固定在壓 片上。 12 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 圖 24 切刀結(jié)構(gòu)示意圖 1螺母 2下壓片 3刀片 4螺柱 5上壓片 6彈簧夾頭 7橫向壓片 8蓋形螺母 為了使刀架往返運(yùn)動一次就能切削整周的蔗皮，本論文使用了相同的 6 組切 刀通過兩兩相隔 30176。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以是在切削過程中切刀既可以適應(yīng)甘 蔗徑向的尺寸變化同時(shí)也可以在一定范圍內(nèi)適應(yīng)甘蔗軸向的變化，圖 25 為切削 刀架的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖 25 切削刀架結(jié)構(gòu)示意圖 1切刀 2彈簧支架 13 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 圖 26 切削刀架主 視圖 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 夾持機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 在甘蔗削皮過程中，不僅要求有進(jìn)給的功能同時(shí)還要求有夾持功能。 第一種方案：橡膠輪驅(qū)動的夾緊進(jìn)給機(jī)構(gòu)。運(yùn)行過程為， 橡膠輪通過旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動甘蔗前進(jìn)進(jìn)入切削部分，切削部分中刀具依次對甘蔗的不 同位置進(jìn)行切削，去皮之后甘蔗繼續(xù)向前運(yùn)動，出料橡膠輪旋 轉(zhuǎn)來驅(qū)動甘蔗前進(jìn)， 離開出料口。然而上下橡膠輪過大的壓緊力可能會導(dǎo)致甘蔗壓裂。這種機(jī)構(gòu)屬于第一類夾緊進(jìn)給 機(jī)構(gòu)，它利用絲杠螺母運(yùn)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)甘蔗切削的進(jìn)給功能，同時(shí)利用絲杠螺母 運(yùn)動副中絲杠只能帶動螺母運(yùn)動的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的夾緊功能。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是可以施加比較大的夾緊力，缺點(diǎn)是因 為導(dǎo)軌的尺寸需要做的很長從而導(dǎo)致整體的結(jié)構(gòu)尺寸比較大。這種裝置屬于第二類夾緊進(jìn)給 機(jī)構(gòu)，通過兩個(gè)對稱的雙搖桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)甘蔗的夾持功能，同時(shí)利用 刀架的回程運(yùn)動來帶動甘蔗實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。缺點(diǎn)是需要制作 鉸鏈，所以結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。 夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用一對對稱的分別使用一個(gè)驅(qū)動桿來帶動前后兩個(gè)雙搖桿作為夾持 裝置 的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，同時(shí)配合傳感器和步進(jìn)電機(jī)主軸的往復(fù)正反運(yùn)動來控制執(zhí)行搖桿的 往復(fù)擺動，從而實(shí)現(xiàn)在切削過程中夾緊端夾緊在回程過程中松弛的功能。轉(zhuǎn)動到 45176。轉(zhuǎn)動到 45176。時(shí)，機(jī)構(gòu)處于夾 緊狀態(tài)，在保證不與 其它結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)干涉的情況下，假設(shè)此時(shí) l2 及其連桿長度分別為 120mm 和 350mm， l3 及其連桿長度分別為 100mm 和 488mm，當(dāng) l2 轉(zhuǎn)動到 l2 39。位置，所以設(shè)計(jì)的此夾緊機(jī)構(gòu)尺 寸滿足使用要求。作為執(zhí)行搖 桿的板鋁通過鉸鏈固定在固 定支撐座上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)主軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，執(zhí)行搖桿來回搬動的同時(shí)帶動夾緊執(zhí) 行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開啟和閉合夾緊。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)夾具處于夾緊位置時(shí)（即與垂直方向夾角為 15176。 整機(jī)機(jī)構(gòu)布局與框架設(shè)計(jì) 本節(jié)按照切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸和進(jìn)給夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸來設(shè)計(jì)樣機(jī) 整機(jī)的結(jié)構(gòu)框架，并按照可加工易裝配的原則為后續(xù)樣機(jī)的試制和裝配提供指導(dǎo)。由曲柄滑 塊運(yùn)動機(jī)構(gòu) 組成的切削機(jī)構(gòu)和由搖桿機(jī)構(gòu)組成的夾持機(jī)構(gòu)裝配原則是直線切削 運(yùn)動和夾持裝置的夾緊運(yùn)動保持在一個(gè)平面內(nèi)。當(dāng)甘蔗開始送入夾緊機(jī)構(gòu)時(shí)，夾緊執(zhí)行端開始夾 緊并隨著手動的推進(jìn)切削裝置開始切削甘蔗皮層，同時(shí)切去的甘蔗皮會卡進(jìn)刀具 里。 16 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 圖 28 整體機(jī)構(gòu)布局視示意圖 1夾持機(jī)構(gòu) 2可調(diào)節(jié)直線軸承 3直線導(dǎo)軌 4切削機(jī)構(gòu) 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 整機(jī)的框架結(jié)構(gòu)初步確定采用鋁合金型材來搭建，因?yàn)殇X合金型材密度小， 比強(qiáng)度（強(qiáng)度與重量的比值）高，易于拼裝、拆卸和重復(fù)利用，是工業(yè)中應(yīng)用最 廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶，建筑， 裝修及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。型材之間采用鑄鋼角槽連接件連接，支撐座 和型材之間采用 滑塊螺母和螺釘來連接，對于結(jié)構(gòu)受力比較大的連接部位采取打孔后攻螺紋的方 法然后使用螺栓聯(lián)接。 圖 29 整機(jī)框架結(jié)構(gòu)示意圖 1外圍支撐框架 2曲柄支撐座 3導(dǎo)軌支座支架 4傳感器支架 5彈簧支撐支架 6步進(jìn)電機(jī)支座 7彈簧支撐支座 8搖桿支架 17 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 本章小結(jié) 本章設(shè)計(jì)出了甘蔗削皮裝置的整體樣機(jī)，并對切 削運(yùn)動結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)、切削 刀架、夾持機(jī)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)和整機(jī)框架的設(shè)計(jì)作了詳細(xì)闡述。 2）創(chuàng)新的設(shè)計(jì)出了具有自適應(yīng)甘蔗軸向變化和徑向大小的切削刀架。 4）對各運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局，然后設(shè)計(jì)出了整機(jī)的支撐框架。 18 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機(jī)的仿真分析 第 3章 樣機(jī)的仿真分析 本章根據(jù)第二章設(shè)計(jì)出的樣機(jī)結(jié)構(gòu)利用 Solidworks 的 Cosmotion 插件進(jìn)行機(jī) 構(gòu)的運(yùn)動仿真和使用 ANSYS Workbench 對機(jī)身結(jié)構(gòu)做靜力和動力仿真來驗(yàn)證設(shè) 計(jì)是否合理，并在此基礎(chǔ)上做優(yōu)化改進(jìn)。于是對切削刀架的結(jié)構(gòu)做仿真分析來確定結(jié)構(gòu)的尺寸和需要添加的 支撐點(diǎn)變的很有必要。 有限元靜力分析理論基礎(chǔ) 有限元靜力分析過程一般分以下幾步 [31]： 第一步，按虛功原理建立單元節(jié)點(diǎn)力與單元節(jié)點(diǎn)位移函數(shù)關(guān)系，即 {F}e [K]e{ }e （ 31） 其中： {F}e 為單元節(jié)點(diǎn)列陣， [K]e 為單元?jiǎng)偠染仃嚕?{ }e 為單元節(jié)點(diǎn)位 移陣； 第二步，按靜力等效原則把 每個(gè)單元所受的載荷向節(jié)點(diǎn)移置，并求和，從而 得到結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點(diǎn)載荷列陣 {F}e ； 第三步，根據(jù)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)單元的結(jié)構(gòu)總剛度矩陣 [K ]，建立整體結(jié)構(gòu)的 平衡方程： {F} [K]{ } （ 32） 該平衡方程式是一個(gè)非齊次線性方程組，方程的總個(gè)數(shù)等于結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)。 在整個(gè)求解過程中，難點(diǎn)在于求解線性方程組。工作站和大型計(jì)算機(jī)雖然可以解決這一問題，但價(jià) 格往往比較高。 有限元仿真分析 1）幾何模型前處理 [32] 對于建立的有限元模型的基本要求為： a、網(wǎng)格大小適當(dāng)并且均勻。 c、邊界 條件和約束設(shè)置 合理正確。蓋形 螺帽和螺柱刪除螺紋，然后采用求和布爾運(yùn)算形成一個(gè)體。如圖 31 和 32 所示為模型幾何前處理結(jié)果。這種單元不但具有分析板 殼類模型的彎曲和薄膜力學(xué)的功能，而且還可以考慮板殼類結(jié)構(gòu)的剪切變形。螺柱采用 SOLID186 單元，彈簧和蓋 形螺母模型采用 SOLID185 單元。 刀架各零部件材料和力學(xué)性能見表 31。有限元模型總量為 1437604 個(gè)節(jié)點(diǎn) 855950 個(gè)單元，如圖 33 所示為切削刀架的有限元模型。 對于模型與模型之間添加綁定的接觸方式來模擬零部件間的螺栓和焊接連 接，接觸公 式采用多點(diǎn)約束（ MPC）算法，因?yàn)檫@種算法通過內(nèi)部添加約束方 程來聯(lián)接接觸面間的位移，并且多點(diǎn)約束算法不基于罰函數(shù)法或 Lagrange 乘子 法而是直接處理綁定接觸接觸區(qū)域相關(guān)接觸面的方式，此外 MPC 算法還支持大 變形效應(yīng)。 Pinball 區(qū)域是設(shè)置的與接觸單元相關(guān)的一種參數(shù)，可以用來區(qū)分遠(yuǎn)場或近場的開 放狀態(tài)，設(shè)置了這種參數(shù)的球形區(qū)域可以理解為包圍了每個(gè)接觸點(diǎn)。 22 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機(jī)的仿真分析 圖 34 邊界條件加載示意圖 5）結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn) 圖 35 所示為切削刀架結(jié)構(gòu)的整體變形結(jié)果，最大變形位移發(fā)生在壓片上為 ，同時(shí)可以看到被圈出的區(qū)域前后刀片發(fā)生了干涉，而其他區(qū)域變形在 接受范圍之內(nèi)。 圖 36 為彈簧最大變形的位置和最大變形量為 。 0 37 彈簧等效應(yīng)力云圖 切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 本論文所設(shè)計(jì)的切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)是由型材拼裝起來的，型材之間的連接部 位有 可能是機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中最薄弱的環(huán)節(jié)。 1）載荷分析 本章第一節(jié)在對切削刀架做靜力分析時(shí)已經(jīng)得出在切削過程中刀架的切削 反力為 120N，在 Solidworks 的 Cosmotion 環(huán)境下對機(jī)構(gòu)的工作行程階段施加 24 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機(jī)的仿真分析 120N 的反作用力，如圖 38 所示。此時(shí)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)為滑塊位于近端極限位置，即為要做靜力分析的機(jī)構(gòu)位 置。 表 32 零部件材料及其力學(xué)性能 零部件 彈性模量 /( MPa ) 泊松比 密度 /（ Kg / m3 ） 單元類型 軸 +05 7930 SOLID185 軸承 +05 7930 SOLID186 支撐座曲柄 +04 2770 SOLID185 3）劃分網(wǎng)格 對軸和深溝球軸承采用六面體為主的網(wǎng)格劃分并對驅(qū)動軸進(jìn)行網(wǎng)格加密，支 25 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機(jī)的仿真分析 撐座連桿軸承采用四面體自由網(wǎng)格劃分。 圖 310 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)網(wǎng)格 4）約束和載荷邊界條件加載 對驅(qū)動軸一端施加 的驅(qū)動力矩，深溝球軸承支撐座底面和滑塊底 面施加固定約束。對于機(jī)構(gòu)中零部件之間的螺栓連接或者 固定連接方式采用綁定接觸來模擬。 5）結(jié)果分析 如圖 311 所示為驅(qū)動軸的扭轉(zhuǎn)變形矢量圖，通過觀察矢量云圖可知，軸的 扭轉(zhuǎn) 變形方向和變形大小的分布和理論相符合，所以此分析結(jié)果比較合理。 0 311 驅(qū)動軸扭轉(zhuǎn)變形矢量圖 0 312 為驅(qū)動軸的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力位于與深溝球軸承相接觸的地方， 應(yīng)力大小為 72Mpa 遠(yuǎn)小于驅(qū)動軸材質(zhì)的屈服應(yīng)力，所以驅(qū)動軸滿足設(shè)計(jì)要求。 圖 313 曲柄反作用力矩方向 此外，當(dāng)機(jī)構(gòu)位于此運(yùn)動位置時(shí)曲柄整體所受的最大應(yīng)力為 ，應(yīng)力 云圖如圖 314 所示，遠(yuǎn)小于鋁合金的屈服應(yīng)力。 27 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機(jī)的仿真分析 0 314 曲柄應(yīng)力云圖 框架支撐結(jié)