新型大棗去核機(jī)的設(shè)計及運(yùn)動分析

王 華，張劍鋒

（1.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南商丘 476005；2.鄭州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

我國是大棗生產(chǎn)大國，大棗不僅具有豐富的營養(yǎng)價值，而且還擁有藥用價值，具有很強(qiáng)的保健功能，深受廣大群眾的喜愛[1]；目前大棗去核的主要方式有：手工去核、半自動化去核、全自動化去核三種[2]。高舉[3]設(shè)計一種新型大棗深加工設(shè)備，通過試驗驗證了整機(jī)工作的可靠性。王占領(lǐng)[4]設(shè)計了一種大棗去核劃皮裝置，去核后果肉的完整性和去核效果良好，工人的勞動強(qiáng)度大大降低。閆天翔等[5]用三維CAD軟件設(shè)計出一種新型履帶式大棗自動去核機(jī)，為大棗去核自動化中的傳動設(shè)計、定位夾具設(shè)計等技術(shù)難題提出了一種新型的解決方法。朱克慶等[6]介紹了一種新型大棗去核機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，對主傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)行特征進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

當(dāng)前市場上大棗去核機(jī)去核過程中存在的主要問題是：大棗去核定位不準(zhǔn)確、破損率高、不能完全適應(yīng)各種直徑的大棗去核、加工范圍小、不能完全實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)控制、耗電量大、設(shè)備體積大、占地面積大等缺點。本文設(shè)計了一種新型的三桿三點式順位定位機(jī)構(gòu)，扶棗正，去核率高，破損率低，三桿三點式順位機(jī)構(gòu)，適應(yīng)性強(qiáng)，能完全適應(yīng)各種直徑的大棗去核定位，加工范圍大，可以實現(xiàn)無級變速，可以隨意調(diào)整去核的速度，操作簡單方便，故障率低，使用壽命長，耗電量低，設(shè)備體積相對較小，占地面積小等優(yōu)點。為后續(xù)設(shè)計出新型的大棗工業(yè)自動化去核裝置提供參考依據(jù)。

1 大棗去核機(jī)整體設(shè)計方案

大棗去核機(jī)的基本組成機(jī)構(gòu)如下[7-8]：包括頂板、齒輪、彈簧、上下底板、電磁鐵、支撐桿、順位桿、球桿等機(jī)構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖1所示。

大棗去核機(jī)整體工作過程如下：

首先大棗進(jìn)入料斗內(nèi)，利用電磁鐵控制大棗的進(jìn)料規(guī)律，當(dāng)其中的一個大棗滑出后，隔板被電磁鐵提起，從而實現(xiàn)大棗有順序的逐個進(jìn)入料斗中。

當(dāng)大棗進(jìn)入順位定位機(jī)構(gòu)后，電機(jī)啟動通過傳動機(jī)構(gòu)將動力傳到順位桿，帶動順位桿勻速同向轉(zhuǎn)動，圍成圓錐形的三個順位桿的各個桿的傾斜角度是0°～6°，大棗通過自重進(jìn)入順位定位機(jī)構(gòu)中，由于摩擦力的存在，大棗自轉(zhuǎn)，逐漸達(dá)到重心穩(wěn)定狀態(tài)，大棗擺正，順利實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，最后去核刀完成大棗的去核。

2 主要部件的設(shè)計及運(yùn)動分析

2.1 順位定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計

順位定位機(jī)構(gòu)主要包括[9]：上頂板、順位桿、機(jī)架上固定桿、連接彈簧、球頭關(guān)節(jié)、機(jī)架底座、限位螺母、十字軸萬向節(jié)、順位桿從動軸、主動軸、主動齒輪、從動齒輪等；三桿三點式順位機(jī)構(gòu)順位原理如下：如果大棗投料后位置不正確，大棗與三桿的三點接觸后，在摩擦力的作用下，大棗與三桿一起轉(zhuǎn)動，經(jīng)過多次平衡耦合，大棗的最終狀態(tài)是三個接觸點的線速度與角速度都相同；當(dāng)大棗擺正后，三個接觸點線速度與角速度才能最終都相同，此時大棗受到三根桿的支持力在豎直方向的分力合力與大棗的重力平衡，此時水平方向的分力也相互平衡，完成了大棗的順位定位。順位定位機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2 順位定位機(jī)構(gòu)三維簡化模型及運(yùn)動簡圖

順位定位機(jī)構(gòu)是由兩球面副和兩轉(zhuǎn)動副連接而成的四桿機(jī)構(gòu)，該順位機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性遠(yuǎn)比平面四桿機(jī)構(gòu)復(fù)雜的多[10-11]；該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活多樣、占用空間少、工作可靠及運(yùn)動平穩(wěn)等特點。圖3是順位定位機(jī)構(gòu)中的其中一個單桿的三維簡化模型及機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，該機(jī)構(gòu)主要由曲柄、連桿、搖桿、機(jī)架組成，其中曲柄為輸入軸，繞O點在XOY平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，連桿作三維空間運(yùn)動，A點在XOZ平面內(nèi)運(yùn)動，B點在YOZ平面內(nèi)運(yùn)動，搖桿在平行于平面YOZ的平面內(nèi)擺動。

2.3 順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

首先建立如圖3（b）所示的空間直角坐標(biāo)系[12-13]，L1、L2、L3分別表示各桿長度，α1z表示曲柄與Z軸正方向之間的夾角，α3yz表示搖桿和Y軸正方向之間的夾角。點C的坐標(biāo)用xC、yC、zC表示。對圖3（b）所示的簡化機(jī)構(gòu)建立空間矢量方程，可得：

將（1）式向各個坐標(biāo)平面投影，可得：

由（2）式可得：

將（3）式的第二、第三式兩邊平方后相加得：

由機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可知：βyz＞α3yz。

令

由（2）式可知：

同理可得 α2y和 α2z。

將（2）式對時間t求一階導(dǎo)數(shù)，得：

又cos2α2x+cos2α2y+cos2α2z=1，將該式對時間t求一階導(dǎo)數(shù)，則

在圖3所示的空間簡化機(jī)構(gòu)中，假定L1=30 mm，L2=150 mm，L3=50 mm，機(jī)構(gòu)處于初始位置時α1z=0°。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入相應(yīng)的表達(dá)式中，計算出相應(yīng)的值，繪制相應(yīng)的曲線，得到該機(jī)構(gòu)中搖桿的運(yùn)動特性曲線如圖4所示。

3 順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析

通過利用Solidworks Motion軟件進(jìn)行仿真分析順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動[14]，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，以及解析分析的正確性。

3.1 添加約束

根據(jù)Solidworks Motion軟件中已經(jīng)建立的模型，分別將曲柄、連桿、搖桿完成鉸鏈機(jī)械配合關(guān)系的添加，同時插入兩個機(jī)架零件到相應(yīng)位置，并將機(jī)架設(shè)定為固定狀態(tài)，完成整個機(jī)構(gòu)初始位置的設(shè)定。

3.2 設(shè)置算例屬性

完成整個機(jī)構(gòu)的初始位置設(shè)定后，在“Motion Manager”工具欄中，運(yùn)動算例屬性中設(shè)定仿真的相關(guān)參數(shù)，曲柄上設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)速為“60RPM”，完成馬達(dá)參數(shù)的定義。為了實現(xiàn)整體運(yùn)動完成一個周期以及更加清晰的觀察順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，設(shè)定算例時間為1 s，每秒幀數(shù)為250，其他設(shè)置采用默認(rèn)值，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 算例各參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果分析

在Motion Manager工具欄選擇“結(jié)果和圖解”，在“結(jié)果”下方分別選取“位移和速度”，在“子類別”中選擇搖桿機(jī)構(gòu)作為對象，選擇“路徑跟蹤”生成位移和速度新圖解；在彈出的快捷菜單中打開“結(jié)果”，將“結(jié)果”輸出到CSV文件，最終得到搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特征仿真曲線圖如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出：（1）順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律與定位機(jī)構(gòu)各桿的長度和各桿的位置角度有關(guān)；（2）對順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動用數(shù)學(xué)向量方法求得解析式方程與仿真求得波動圖完全一致，驗證了用數(shù)學(xué)向量法分析順位定位機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律的正確性。

4 大棗去核機(jī)樣機(jī)試驗

4.1 試驗方法

為驗證本設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，根據(jù)設(shè)計方案制作出樣機(jī)[15]。試驗時，人工隨機(jī)挑選400顆大棗，分成5組每組80顆，進(jìn)行試驗。

設(shè)置順位桿直徑為20 mm，傾斜角度為10.44°，順位桿轉(zhuǎn)速為 540°/s，試驗后，對大棗的去核率、順位率、破損率等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，對設(shè)計的裝置進(jìn)行驗證。

4.2 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明：新型大棗去核機(jī)整體平均去核數(shù)約為74顆，平均去核率為92.5%，最低去核率為90.4%，順位率為95.34%，平均破損率為3.22%，生產(chǎn)率為0.836粒/s；該設(shè)計的去核裝置機(jī)構(gòu)的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 大棗去核試驗結(jié)果

5 結(jié)語

（1）本文設(shè)計的大棗去核機(jī)有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積精巧、去核質(zhì)量高，果肉浪費(fèi)少等優(yōu)點；（2）本機(jī)構(gòu)提出的一種三桿三點式順位機(jī)構(gòu)，運(yùn)用同一橢圓球體上的線速度和角速度的關(guān)系，成功的設(shè)計出了一種快速、準(zhǔn)確定位的順位機(jī)構(gòu)，解決了自動去核定位不準(zhǔn)確的問題；（3）通過運(yùn)用數(shù)學(xué)向量方法求得順位定位機(jī)構(gòu)解析式方程，通過運(yùn)用仿真運(yùn)動軟件求得順位定位機(jī)構(gòu)的波動圖，仿真分析結(jié)果驗證了用數(shù)學(xué)向量法分析順位定位機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律的正確性；（4）目前該機(jī)構(gòu)還不能完全應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，還不能實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)，需要進(jìn)一步研究最終實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)。