梳齒式紅花絲采摘凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

陳棒棒，曹衛(wèi)彬，李 華，牛 馳，孫胃嶺，李樹峰

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅花別名草紅花或刺紅花，屬雙子葉植物綱、菊科，為1～2年生草本植物，是一種集藥材、染料、油料和飼料為一體的經(jīng)濟(jì)作物。紅花作為藥材，具有活血通經(jīng)、散瘀止痛的功效[1-3]，主產(chǎn)于新疆、四川、西藏等地[4]，抗寒性強(qiáng)，適宜于干燥氣候、耐貧瘠、光照充足的環(huán)境。新疆因得天獨(dú)厚的地理環(huán)境，成了我國(guó)紅花種植的主要基地，主要分布在塔城、昌吉和伊犁地區(qū)。隨著人們保健意識(shí)的增強(qiáng)，紅花已成為21世紀(jì)的熱門產(chǎn)業(yè)[5]。目前，國(guó)內(nèi)外紅花絲的采收方式仍以人工采收為主，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，因而能否實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采收，成了制約紅花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。我國(guó)對(duì)紅花絲采收機(jī)械的研究還處于起步階段，目前研究的幾種紅花絲采收裝置均是采用氣力式或機(jī)械切割式實(shí)現(xiàn)紅花絲的采集、收獲，雖一定程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，仍存在采收效率與采凈率低及掉落損失大等問題[6]?；谀壳暗默F(xiàn)狀分析，課題組提出了一種梳齒式紅花絲采摘機(jī)構(gòu)，以凸輪作為采摘機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。因此，本文采用解析法對(duì)該采摘機(jī)構(gòu)的凸輪進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并利用仿真軟件進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

1 采摘凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

采摘凸輪機(jī)構(gòu)主要由凸輪、定梳齒、定梳齒座、動(dòng)梳齒、動(dòng)梳齒座、主軸、彈簧及彈簧擋圈等組成，如圖1所示。采摘頭采摘紅花絲利用梳齒式夾緊的原理，可實(shí)現(xiàn)紅花的機(jī)械化采收。其中，對(duì)凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)是能否實(shí)現(xiàn)采摘紅花絲的關(guān)鍵點(diǎn)。

1.凸輪 2.動(dòng)梳齒座 3.動(dòng)梳齒 4.彈簧 5.固定圓盤 6.主軸 7.彈簧擋圈 8.定梳齒座 9.定梳齒 10.萬(wàn)向輪圖1 采摘凸輪機(jī)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of picking cam mechanism

采摘凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理：凸輪與機(jī)架固聯(lián)在一起，定梳齒及動(dòng)梳齒分別通過(guò)定梳齒座和動(dòng)梳齒座鏈接在主軸上面，動(dòng)力傳遞到主軸上帶動(dòng)梳齒座一起繞著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；水平方向定梳齒固定不動(dòng)，動(dòng)梳齒在凸輪與彈簧的作用下在定梳齒間左右移動(dòng)，繼而和定梳齒配合來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊和松開花絲的動(dòng)作，完成紅花絲的采摘作業(yè)。

采摘頭在夾緊與松開的過(guò)程中，凸輪相對(duì)于從動(dòng)件動(dòng)梳齒是固定不動(dòng)的。根據(jù)采摘花絲的要求，可相應(yīng)地把凸輪劃分為如圖2所示的4個(gè)工作段。

1)花絲夾緊段AB：當(dāng)從動(dòng)件動(dòng)梳齒與凸輪輪廓A點(diǎn)接觸時(shí)，從動(dòng)件動(dòng)梳齒進(jìn)入凸輪的推程期，在彈簧彈力與凸輪輪廓曲線的共同作用下，從動(dòng)件動(dòng)梳齒迅速向定梳齒滑動(dòng)并瞬間夾緊紅花絲，通過(guò)主軸的旋轉(zhuǎn)，拔掉紅花絲。

2)花絲運(yùn)輸段BC：從B點(diǎn)開始，從動(dòng)件動(dòng)梳齒進(jìn)入了凸輪的遠(yuǎn)休止階段，保持從動(dòng)件動(dòng)梳齒與定梳齒的間距最小，有利于夾緊紅花絲運(yùn)輸，不會(huì)因夾緊力的不夠而掉落。

3)花絲收取段CD：從C點(diǎn)開始從動(dòng)件動(dòng)梳齒在主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)下進(jìn)入凸輪的回程期，在彈簧彈力與凸輪輪廓曲線的作用下，從動(dòng)件動(dòng)梳齒與定梳齒逐漸開始分離，紅花絲掉落。

4)空運(yùn)行段DA：從D點(diǎn)開始，彈簧復(fù)位，動(dòng)梳齒進(jìn)入凸輪的近休止段，與定梳齒保持最大間距，為下一次花絲的夾緊采摘做準(zhǔn)備。

圖2 凸輪工作段劃分圖Fig.2 Working phase of cam

2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文擬采用解析法設(shè)計(jì)紅花絲采摘頭的凸輪機(jī)構(gòu)，其基本思路是：根據(jù)紅花絲采摘頭的運(yùn)動(dòng)要求及結(jié)構(gòu)尺寸，確定端面凸輪的基圓半徑r0；再綜合考慮凸輪的運(yùn)動(dòng)要求，確定凸輪的輪廓曲線。

2.1 確定凸輪機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)

根據(jù)紅花絲采摘頭的工作要求及安裝尺寸，已知參數(shù)，如表1所示。

表1 凸輪基本設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Basic design parameters of cam

續(xù)表1

2.2 凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)

凸輪的輪廓曲線形狀主要取決于從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此選取合適的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律是設(shè)計(jì)出合理的凸輪輪廓曲線的關(guān)鍵[7]。本設(shè)計(jì)的紅花絲采摘頭的工作狀態(tài)為高速輕載，在選擇從動(dòng)件推程和回程階段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，還要考慮其工作要求、速度突變等因素產(chǎn)生的剛性沖擊，以防磨損凸輪端面的輪廓。

本文從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律擬采用五次項(xiàng)修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律[8]，從而避免在凸輪的推程、回程階段發(fā)生瞬間的剛性沖擊，有效提高了凸輪機(jī)構(gòu)的使用壽命。

2.2.1 推程段輪廓曲線的設(shè)計(jì)

根據(jù)五次項(xiàng)修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律及紅花采摘工作要求可將推程期和回程期運(yùn)動(dòng)劃分為加速段、等速段和減速段。

其中，為避免瞬時(shí)突變，加速段與減速段運(yùn)動(dòng)角選擇范圍為

取φ1=10°，φ2=15°，按下式確定所對(duì)應(yīng)的從動(dòng)件位移量h1和h2，即

解得：h1=0.873mm，h2=1.309mm。

推程加速段，有

其中，φ∈[0,φ1)。

推程等速度，有

其中，φ∈[φ1,(φ-φ2))。

推程減速段，有

其中，φ∈[(φ-φ2),φ)。φ為凸輪轉(zhuǎn)角；φ為推程運(yùn)動(dòng)角；h為行程；φ1為推程加速段運(yùn)動(dòng)角；h1為推程加速段行程；φ2為推程減速段運(yùn)動(dòng)角；h2為推程減速段行程。

2.2.2 回程段輪廓曲線的設(shè)計(jì)

凸輪從動(dòng)件的推程與回程是相對(duì)而言的，在凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)時(shí)，推程與回程的輪廓設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是相同的，則回程期各分段方程是所對(duì)應(yīng)的推程期各階段的方程[8]。將推程期各分段的參數(shù)φ1、φ2、h1、h2等用回程期對(duì)應(yīng)的各分段參數(shù)φ1′、φ2′、h1′、h2′分別取代。

回程加速段，有

其中，φ∈[180°,190°)。

回程等速段，有

其中，φ∈[190°,195°)。

回程減速段，有

其中，φ∈[195°,210°)。φ為凸輪轉(zhuǎn)角；φ′為回程運(yùn)動(dòng)角；h為行程；φ1′為回加速段運(yùn)動(dòng)角；h1′為回程加速段行程；φ2′為回程減速段運(yùn)動(dòng)角；h2′為回程減速段行程。其中，φ1=φ1′，φ2=φ2′，h1=h1′，h2=h2′。

2.2.3 MatLab編程

MatLab是Mathworks公司開發(fā)的一款工程計(jì)算軟件，以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、繪圖、仿真等功能融合在一起[9]。本文利用MatLab軟件強(qiáng)大的計(jì)算繪圖能力，編程得到了凸輪的理論輪廓角位移曲線，如圖3所示。角速度曲線如圖4所示。

圖3 凸輪角位移曲線Fig.3 The curve of cam angular displacement

圖4 凸輪角速度曲線Fig.4 The curve of cam angular velocity

3 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與分析

3.1 三維實(shí)體建模

使用MatLab軟件編程得到的凸輪輪廓曲線數(shù)據(jù)，利用三維參數(shù)化建模軟件SolidWorks，通過(guò)其包覆命令建立了凸輪模型，如圖5所示。

圖5 凸輪三維建模Fig.5 The 3D modeling of cam

3.2 基于ADAMS的運(yùn)動(dòng)仿真

3.2.1 三維模型導(dǎo)入

根據(jù)SolidWorks建立的三維模型，將其格式轉(zhuǎn)化為Parasolid.x_t導(dǎo)入ADAMS中，來(lái)驗(yàn)證解析法設(shè)計(jì)凸輪的正確性。

3.2.2 添加約束

根據(jù)采摘頭的工作原理，為各個(gè)機(jī)構(gòu)添加約束力。主軸與凸輪之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副，動(dòng)梳齒座與定梳齒座之間為移動(dòng)副，凸輪與萬(wàn)向輪之間添加實(shí)體接觸約束力。在主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加一個(gè)勻速驅(qū)動(dòng)，根據(jù)工作要求及運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)置仿真終止時(shí)間為50s，仿真步數(shù)500，添加約束和驅(qū)動(dòng)力后的凸輪機(jī)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 約束與驅(qū)動(dòng)圖Fig.6 The diagram of constraint and drive

3.3 仿真結(jié)果分析

在ADAMS中通過(guò)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得到凸輪從動(dòng)件的角位移和角速度曲線，如圖7所示。

圖7 動(dòng)梳齒角位移與角速度曲線Fig.7 The angular displacement and angular velocity curve of moving comb

將仿真曲線和MatLab編程的曲線對(duì)比可知：從動(dòng)件在工作方向移動(dòng)的距離為3mm，也就是凸輪的工作行程，符合設(shè)計(jì)的凸輪行程。

由速度曲線可知：凸輪的推程與回程階段，速度都是由小變大再變小，沒有急速的突變現(xiàn)象，減小了從動(dòng)件對(duì)輪廓曲面的沖擊與磨損，在變化的行程中快速實(shí)現(xiàn)夾取花絲與松開花絲，符合采摘頭采摘花絲的工作要求和性能要求。

4 凸輪的靜應(yīng)力分析

SolidWorks Simulation是一款基于有限元(即FEA數(shù)值)技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，作為嵌入式分析軟件集成到SolidWorks[11]，本文利用Simulation對(duì)凸輪進(jìn)行靜力學(xué)分析。

4.1 應(yīng)用材料及添加約束

材料的選擇決定了屈服強(qiáng)度的大小，在“應(yīng)用材料”對(duì)話框中選擇合金鋼，其屈服強(qiáng)度620.4MPa。在“夾具”選項(xiàng)中選擇“固定幾何體”固定凸輪的非工作面，如圖8所示。

圖8 添加約束Fig.8 Add constraint

4.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格的劃分密度直接影響著運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確性，Simulation軟件默認(rèn)的是中等密度網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分越小，其精度越高，但求解時(shí)間就越長(zhǎng)。本算例網(wǎng)格采用默認(rèn)中等密度網(wǎng)格，如圖9所示。

4.3 靜力學(xué)分析

單擊外部載荷下的壓力和扭矩，選擇凸輪工作面上的工作段，根據(jù)采摘頭的運(yùn)動(dòng)要求，計(jì)算分析作用力為40N，扭矩為25N·m。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，開始求解，得到凸輪的應(yīng)力應(yīng)變圖解如圖10所示。分析結(jié)果表明， 最大應(yīng)力為46.38MPa， 能夠滿足紅花絲的采摘要求。

圖10 應(yīng)力與應(yīng)變Fig.9 The stress and strain

5 結(jié)論

1)根據(jù)紅花絲采摘頭工作要求，采用解析法設(shè)計(jì)了一種凸輪機(jī)構(gòu)，從動(dòng)件采用五次項(xiàng)修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了數(shù)學(xué)方程模型，并利用MatLab軟件編程得到了凸輪的平面輪廓曲線。

2)采用三維參數(shù)化軟件SolidWorks建立了凸輪三維模型，并導(dǎo)入虛擬仿真軟件ADAMS中得到了從動(dòng)件的位移、速度曲線。結(jié)合MatLab軟件編程得到的理論輪廓曲線，得出該凸輪可以滿足紅花絲采摘頭的工作需求。

3)利用SolidWorks Simulation，對(duì)凸輪工作面做了靜力學(xué)分析，得到最大的應(yīng)力為46.38MPa，滿足其強(qiáng)度要求。