甘蔗捆綁機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真制造

任曉智，孟 強(qiáng)，畢 偉，葉自旺，陳云凡

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

?

甘蔗捆綁機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真制造

任曉智，孟 強(qiáng)，畢 偉，葉自旺，陳云凡

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

甘蔗的捆綁現(xiàn)行均為人工，面臨著工作效率低、經(jīng)常出現(xiàn)農(nóng)民手掌被繩子劃傷的問題。為此，設(shè)計(jì)了一種甘蔗捆綁機(jī)，并通過UG進(jìn)行三維造型的設(shè)計(jì)，通過Adams虛擬樣機(jī)進(jìn)行可行性分析，同時(shí)對甘蔗捆綁機(jī)的效率進(jìn)行理論分析。最后，對樣機(jī)進(jìn)行試制，實(shí)現(xiàn)甘蔗捆綁的半人工半機(jī)械化，提高了甘蔗捆綁的效率，減少了農(nóng)民手掌割傷的情況。

甘蔗；捆綁機(jī)；Adams；仿真

0 引言

現(xiàn)行農(nóng)民對甘蔗捆綁的工作都是純手工的，其工作效率低且費(fèi)力，還會(huì)出現(xiàn)繩子劃傷手掌的情況，以及因捆扎力不夠而出現(xiàn)運(yùn)輸過程中甘蔗掉落的問題。應(yīng)對這一系列的問題，本文設(shè)計(jì)了一種甘蔗捆綁機(jī)，用于捆綁甘蔗，實(shí)現(xiàn)甘蔗捆綁的半人力半機(jī)械化，提高了生產(chǎn)效率，減少了勞動(dòng)力，并可獲得足夠大的捆扎力，避免甘蔗在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)應(yīng)捆扎力不夠而掉落甚至散落的狀況。

為保證合理的設(shè)計(jì)方案及良好的工作性能，先通過UG三維造型軟件進(jìn)行三維建模，然后應(yīng)用Adams虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真，以保證該機(jī)械的可行性。最后，運(yùn)用MatLab對結(jié)果進(jìn)行分析，分析該機(jī)械的最小夾緊量及最大裝載量，以保證甘蔗捆綁機(jī)的工作效率可以高于純?nèi)斯ば?，并滿足現(xiàn)行甘蔗運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸需求量的要求。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 甘蔗捆綁機(jī)的設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)

甘蔗捆綁機(jī)主要是由3部分主成，分別為支撐導(dǎo)軌部分、動(dòng)力傳輸部分以及夾緊工作部分。其具體由UG三維造型軟件得出的模型如圖1所示。

1.2 甘蔗捆綁機(jī)工作原理分析

甘蔗捆綁機(jī)是通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)絲桿，來調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)橫梁的垂直高度，以實(shí)現(xiàn)夾具的開或合。當(dāng)旋轉(zhuǎn)絲杠上旋時(shí)，運(yùn)動(dòng)橫梁向上運(yùn)動(dòng)，使得夾具打開，實(shí)現(xiàn)甘蔗的裝載；當(dāng)旋轉(zhuǎn)絲桿下旋時(shí)，運(yùn)動(dòng)橫梁將向下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)夾具的收攏，達(dá)到捆扎甘蔗的目的。

1.支撐腳 2.導(dǎo)軌 3.運(yùn)動(dòng)橫梁 4.夾具

2 對甘蔗捆綁機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真

將UG三維造型軟件完成的模型導(dǎo)入到Adams虛擬樣機(jī)中，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，目的在于驗(yàn)證機(jī)械的可行性及是否存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程的零件干涉問題。該仿真過程主要從兩個(gè)方面進(jìn)行：一方面是上旋過程，即夾具打開過程，也就是裝載過程；另一方面是下旋過程，即夾具合攏的過程，也就是夾緊過程。對于以上兩種情況，舊機(jī)械有左右對稱的結(jié)構(gòu)，則只需研究其右邊兩個(gè)夾具即可，命名為夾具1和夾具2。同時(shí)，根據(jù)夾具的形狀，選取極點(diǎn)和拐點(diǎn)進(jìn)行研究和分析。具體的仿真約束圖如圖2所示。

圖2 甘蔗捆綁機(jī)仿真約束圖

2.1 甘蔗捆綁機(jī)裝載過程仿真

在旋轉(zhuǎn)絲桿上施加上旋的扭矩，使得運(yùn)動(dòng)橫梁向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝載過程。研究夾具1和夾具2的極點(diǎn)及拐點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，以確定甘蔗捆綁機(jī)的裝載量。

1)上旋過程中，夾具1的研究為極點(diǎn)A和拐點(diǎn)B的軌跡研究，其仿真過程的軌跡坐標(biāo)Y、Z變化如圖3～圖6所示。

圖3 夾具1上旋極點(diǎn)A的y-t圖

圖4 夾具1上旋極點(diǎn)A的z-t圖

圖5 夾具1上旋拐點(diǎn)B的y-t圖

圖6 夾具1上旋拐點(diǎn)B的z-t圖

2)上旋過程中，夾具2的研究為極點(diǎn)C和拐點(diǎn)D的軌跡研究，其仿真過程的軌跡坐標(biāo)Y、Z變化如圖7～圖10所示。

2.2 甘蔗捆綁機(jī)夾緊過程仿真

在旋轉(zhuǎn)絲桿上施加下旋的扭矩，使得運(yùn)動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾緊過程。該過程研究夾具1和夾具2的極點(diǎn)及拐點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而確定甘蔗捆綁機(jī)的夾緊量。

1)下旋過程中，夾具1的研究為極點(diǎn)A和拐點(diǎn)B的軌跡研究，其仿真過程的軌跡坐標(biāo)Y、Z變化如圖11～圖14所示。

圖7 夾具2上旋極點(diǎn)C的y-t圖

圖8 夾具2上旋極點(diǎn)C的z-t圖

圖9 夾具2上旋拐點(diǎn)D的y-t圖

圖10 夾具2上旋拐點(diǎn)D的z-t圖

圖11 夾具1下旋極點(diǎn)A的y-t圖

圖12 夾具1下旋極點(diǎn)A的z-t圖

圖13 夾具1下旋拐點(diǎn)B的y-t圖

圖14 夾具1下旋拐點(diǎn)B的z-t圖

2)下旋過程中，夾具2的研究為極點(diǎn)C和拐點(diǎn)D的軌跡研究，其仿真過程的軌跡坐標(biāo)Y、Z變化如圖15～圖18所示。

3 甘蔗捆綁機(jī)轉(zhuǎn)載量與夾緊量分析

將仿真得到的夾具1和夾具2的極點(diǎn)A、和拐點(diǎn)B、D在上旋和下旋的軌跡坐標(biāo)導(dǎo)入到MatLab中，畫出夾具1和夾具2的運(yùn)動(dòng)區(qū)域圖，以便分析其的甘蔗捆綁機(jī)的裝載量和夾緊量是否滿足現(xiàn)行農(nóng)民捆扎甘蔗的要求，其夾具運(yùn)動(dòng)區(qū)域圖如圖19所示。

圖15 夾具2下旋極點(diǎn)C的y-t圖

圖16 夾具2下旋極點(diǎn)C的z-t圖

圖17 夾具2下旋拐點(diǎn)D的y-t圖

圖18 夾具2下旋拐點(diǎn)D的z-t圖

—夾具1極點(diǎn)A軌跡曲線 ……… 夾具1拐點(diǎn)B軌跡曲線 ﹍﹎﹍夾具2極點(diǎn)C軌跡曲線 ﹎﹎﹎夾具2拐點(diǎn)D軌跡曲線

1.下旋刀具極限位置圖 2.上旋刀具極限位置

圖19 夾具軌跡總圖

Fig.19 Fixture assembly drawing

3.1 最小夾緊量分析

根據(jù)調(diào)查可知：農(nóng)民所出售的一捆甘蔗為15～25根，其要求最小夾緊量為15根。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知：一般發(fā)育的甘蔗直徑為4～6cm，其取中間值為5cm。就下旋極限極限位置1分析其甘蔗捆綁機(jī)的理論最下夾緊量。由圖20可知：其最小理論夾緊量為11根，小于要求最小夾緊量，所以是滿足農(nóng)民的需求的。

3.2 最大裝載量分析

由上述調(diào)查結(jié)果可知:農(nóng)民的大捆甘蔗要求為25根。為驗(yàn)證是否滿足這一要求，將以裝載極限位置2進(jìn)行分析，如圖21所示。由圖21可知：最大裝載量大于25根一捆，也是滿足要求的。

4 甘蔗捆綁機(jī)的試制與效率實(shí)驗(yàn)

根據(jù)仿真可知甘蔗捆綁機(jī)的可行性，并應(yīng)對農(nóng)民對單捆甘蔗數(shù)量的要求，具體確定各零部件的具體數(shù)值，并進(jìn)行試制，其實(shí)物如圖22所示。

圖20 理論最小夾緊量示意圖

圖21 裝載量驗(yàn)證示意圖

圖22 甘蔗捆綁機(jī)實(shí)物拍攝圖

為保證其甘蔗運(yùn)輸機(jī)的生產(chǎn)效率與其運(yùn)輸效率相適應(yīng)，則進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，其效率如表1所示。

表1 甘蔗捆綁機(jī)實(shí)際效率測定

5 結(jié)論

由仿真結(jié)果可知：甘蔗捆綁機(jī)具有可行性，并具有良好的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了甘蔗捆綁工作的半人力半機(jī)械化，減少了勞動(dòng)力。該機(jī)不但滿足了農(nóng)民對甘蔗單捆數(shù)量的要求，而且也適應(yīng)于高效運(yùn)輸?shù)囊?。除此之外，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，具有良好的推廣前景。

[1] 范雨,蔡敢為.一種甘蔗捆綁機(jī)的設(shè)計(jì)與可靠性研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015(7):110-113.

[2] 石浙溪,呂新,左傳偉,等.農(nóng)作物捆綁機(jī)曲柄軸承密封設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].軸承,2016(2):12-13.

[3] 劉峰梅,閆林平,李英華. YKJ-1型園藝帶式捆綁機(jī)的研究[J].山東農(nóng)機(jī),2000(3):11-12.

[4] 劉峰梅.園藝帶式捆綁機(jī)[J].江蘇農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝,1998(6):28.

[5] 張繼紅,王橋醫(yī). 包裝機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2007(2):72-74.

[6] 劉守謙.現(xiàn)代包裝機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].輕工機(jī)械,2007(1):6-8.

[7] 王東愛,劉美華,喬志霞.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2006(11):33-35.

[8] 徐書潔,朱紅英.包裝機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的研究[J].包裝工程,2002(4):62-63,66.

Sugarcane Bundling Machine Design and Simulation of Manufacturing

Ren Xiaozhi , Meng Qiang, Bi Wei , Ye Ziwang, Chen Yunfan

(College of Mechanical Engineering , Guangxi University , Nanning 530004 , China )

for the cane bound current are artificial, facing a low working efficiency, and farmers often appear palms by the scratch problem, this paper proposes a called sugar cane bundling machine farming machinery, and through the UG three-dimensional modeling design, feasibility analysis, through the Adams virtual prototype and theoretical analysis on the efficiency of sugarcane binding machine, the final trial production, it is concluded that the actual work efficiency and realize the sugar cane bound half human half mechanization, improve the efficiency of sugar cane bound, and reducing the farmers hand cut.

sugarcane； bundling machine； Adams； the simulation

2016-08-10

廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(1305109S 03)；廣西大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410593052)

任曉智(1973-)，女，山東萊州人，講師，(E-mail)xioazhiren826@163.com。

S229+.1

A

1003-188X(2017)10-0088-05