新型大棗去核機(jī)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)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(guó)是大棗生產(chǎn)大國(guó)，大棗不僅具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且還擁有藥用價(jià)值，具有很強(qiáng)的保健功能，深受廣大群眾的喜愛(ài)[1]；目前大棗去核的主要方式有：手工去核、半自動(dòng)化去核、全自動(dòng)化去核三種[2]。高舉[3]設(shè)計(jì)一種新型大棗深加工設(shè)備，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了整機(jī)工作的可靠性。王占領(lǐng)[4]設(shè)計(jì)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(dòng)強(qiáng)度大大降低。閆天翔等[5]用三維CAD軟件設(shè)計(jì)出一種新型履帶式大棗自動(dòng)去核機(jī)，為大棗去核自動(dòng)化中的傳動(dòng)設(shè)計(jì)、定位夾具設(shè)計(jì)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(duì)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(chǎng)上大棗去核機(jī)去核過(guò)程中存在的主要問(wèn)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(shí)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(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種新型的三桿三點(diǎn)式順位定位機(jī)構(gòu)，扶棗正，去核率高，破損率低，三桿三點(diǎn)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(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，可以隨意調(diào)整去核的速度，操作簡(jiǎn)單方便，故障率低，使用壽命長(zhǎng)，耗電量低，設(shè)備體積相對(duì)較小，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。為后續(xù)設(shè)計(jì)出新型的大棗工業(yè)自動(dòng)化去核裝置提供參考依據(jù)。

1 大棗去核機(jī)整體設(shè)計(jì)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(jì)方案如圖1所示。

大棗去核機(jī)整體工作過(guò)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(gè)大棗滑出后，隔板被電磁鐵提起，從而實(shí)現(xiàn)大棗有順序的逐個(gè)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(dòng)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳到順位桿，帶動(dòng)順位桿勻速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，圍成圓錐形的三個(gè)順位桿的各個(gè)桿的傾斜角度是0°～6°，大棗通過(guò)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(shí)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(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

2.1 順位定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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(wàn)向節(jié)、順位桿從動(dòng)軸、主動(dòng)軸、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪等；三桿三點(diǎn)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(diǎn)接觸后，在摩擦力的作用下，大棗與三桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)多次平衡耦合，大棗的最終狀態(tài)是三個(gè)接觸點(diǎn)的線速度與角速度都相同；當(dāng)大棗擺正后，三個(gè)接觸點(diǎn)線速度與角速度才能最終都相同，此時(shí)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(shí)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(jiǎn)化模型及運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

順位定位機(jī)構(gòu)是由兩球面副和兩轉(zhuǎn)動(dòng)副連接而成的四桿機(jī)構(gòu)，該順位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)。圖3是順位定位機(jī)構(gòu)中的其中一個(gè)單桿的三維簡(jiǎn)化模型及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(diǎn)在XOY平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿作三維空間運(yùn)動(dòng)，A點(diǎn)在XOZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，B點(diǎn)在YOZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，搖桿在平行于平面YOZ的平面內(nèi)擺動(dòng)。

2.3 順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(diǎn)C的坐標(biāo)用xC、yC、zC表示。對(duì)圖3（b）所示的簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)建立空間矢量方程，可得：

將（1）式向各個(gè)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(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)，得：

又cos2α2x+cos2α2y+cos2α2z=1，將該式對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)，則

在圖3所示的空間簡(jiǎn)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(shí)α1z=0°。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入相應(yīng)的表達(dá)式中，計(jì)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(dòng)特性曲線如圖4所示。

3 順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

通過(guò)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(dòng)[14]，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)插入兩個(gè)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(gè)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(gè)機(jī)構(gòu)的初始位置設(shè)定后，在“Motion Manager”工具欄中，運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)完成一個(gè)周期以及更加清晰的觀察順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，設(shè)定算例時(shí)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(duì)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(kāi)“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(dòng)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(dòng)規(guī)律與定位機(jī)構(gòu)各桿的長(zhǎng)度和各桿的位置角度有關(guān)；（2）對(duì)順位定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)用數(shù)學(xué)向量方法求得解析式方程與仿真求得波動(dòng)圖完全一致，驗(yàn)證了用數(shù)學(xué)向量法分析順位定位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的正確性。

4 大棗去核機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

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

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(yàn)后，對(duì)大棗的去核率、順位率、破損率等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)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(jì)的去核裝置機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 大棗去核試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文設(shè)計(jì)的大棗去核機(jī)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積精巧、去核質(zhì)量高，果肉浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)；（2）本機(jī)構(gòu)提出的一種三桿三點(diǎn)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(jì)出了一種快速、準(zhǔn)確定位的順位機(jī)構(gòu)，解決了自動(dòng)去核定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題；（3）通過(guò)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(guò)運(yùn)用仿真運(yùn)動(dòng)軟件求得順位定位機(jī)構(gòu)的波動(dòng)圖，仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了用數(shù)學(xué)向量法分析順位定位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)，需要進(jìn)一步研究最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)。