草料開包機的氣動旋轉鎖緊裝置設計與分析

談家滿，黃興元

(南昌大學機電工程學院，江西南昌 330031)

引言

自20世紀70年代末，我國包裝機械行業(yè)在近幾十年已經(jīng)逐步發(fā)展完善[1-2]，但是我國的拆包機械行業(yè)目前還處于起步階段。在對拆包機械的研究上，相關學者研究設計了如圓捆秸稈拆包機、編織袋袋裝尿素拆包機、草捆拆包粉碎機等拆包機械[3-5]，其拆包方式與加工過程中對拆包對象的固定方法大都有所不同。

甜葉菊作為食品及藥品工業(yè)的重要原料之一，在我國多地均有栽培[6-7]。目前，加工甜葉菊過程中，草料包開包均采用人工刀割開包、喂料，開包時粉塵大，勞動條件差，勞動強度大。針對塑料編織袋包裝的甜葉菊草料包開包喂料作業(yè)設計了一種草料開包機，并對開包機中用于固定草料包的氣動旋轉鎖緊裝置展開計算與分析。

1 氣動旋轉鎖緊裝置的組成及工作原理

氣動旋轉鎖緊裝置主要由氣動旋轉鉤鎖機構、電池閥、空壓機及相關零部件組成。氣動旋轉鎖緊裝置的工作示意圖如圖1所示。將氣動旋轉鎖緊機構的箱體通過螺栓連接水平固定在機架上，然后將需要鉤鎖住的對象緊貼置于氣動旋轉鎖緊機構箱體正下方；啟動空壓機，通過控制電磁閥來實現(xiàn)氣缸的伸出和縮回[8]；當氣缸伸出時，由活塞桿推出帶動氣動旋轉鎖緊機構內連桿機構部分運動，實現(xiàn)鎖緊鉤的旋轉鎖緊；當氣缸縮回時，由活塞桿拉回帶動氣動旋轉鎖緊機構內連桿機構部分運動，實現(xiàn)鎖緊鉤的旋轉松開。該氣動旋轉鎖緊裝置應做到能通過自動或手動的方式來控制氣缸的伸出與縮回[9]，能通過氣缸的伸縮控制鎖緊鉤的鎖緊與松開，能牢牢鉤鎖住工作對象，并且被鎖鉤住的工作對象能保持穩(wěn)定，不劇烈晃動；鎖緊鉤應做到鉤尖在伸出前處于箱體內，完全伸出后同樣處于箱體內，且不與箱體產(chǎn)生干涉。

圖1 氣動旋轉鎖緊裝置工作示意圖

2 氣動旋轉鉤鎖機構的設計

針對氣動旋轉鉤鎖機構的工作要求，提出2種設計方案，再進行對比選出最終方案[10]。為了對2種設計方案進行比較，在滿足開包機要求的前提下，令2種設計方案的氣缸參數(shù)、鎖緊鉤直徑尺寸以及箱體大小相一致，2種設計方案中的氣缸都是通過腳架型安裝方式固定在箱體上。

2.1 設計方案一

設計方案一如圖2所示，其機構主要由4個鎖緊鉤、2根連桿、氣缸、箱體組成。機構通過氣缸來驅動并控制其運動，從而實現(xiàn)4個鎖緊鉤的出鉤與回鉤。

1.鎖緊鉤 2、5.連桿 3.氣缸活塞桿 4.氣缸缸筒
圖2 設計方案一運動原理圖

當氣缸的活塞桿由未推出至推到行程時，圖2中鎖緊鉤由EF位置運動到E1F1位置。

氣動旋轉鎖緊機構設計方案一工作示意圖如圖3所示，為剖分后的草料包和氣動旋轉鎖緊機構，結合圖2可看出，當鎖緊鉤在E1F1位置時，鎖緊鉤鉤住草料包上部的編織袋。

圖3 設計方案一工作示意圖

1) 自由度分析

平面連桿機構自由度F的計算公式[11]如下：

F=3n-2pL-pH

(1)

式中,F—— 機構自由度

n—— 活動構件數(shù)

pL—— 低副數(shù)

pH—— 高副數(shù)

由圖1分析可得，由于AB，HG，LK，QP四者之間兩兩平行且相等，所以H，L，Q位置的機構為虛約束。除去虛約束，該機構活動構件數(shù)n=5，低副數(shù)pL=7(6個轉動副和1個移動副)，沒有高副。由式(1)得：F=3n-2pL-pH=3×5-2×7-0=1。

2) 機構重要尺寸計算

圖2機構中，4個鎖緊鉤由于是虛約束，只需對與A位置相連的鎖緊鉤進行尺寸計算即可。該機構的尺寸幾何關系如圖4所示，實線位置為氣缸桿準備伸出時鎖緊鉤的狀態(tài)，這時鎖緊鉤從箱體內伸出，處于準備抓住草料包狀態(tài)；虛線位置為氣缸桿伸出至行程時鎖緊鉤的狀態(tài)，這時鎖緊鉤鉤住草料包上部的編織袋，處于抓住草料包狀態(tài)。

圖4 設計方案一尺寸幾何關系圖

根據(jù)該氣動旋轉鎖緊裝置的工作要求及相關機械設計知識，取鎖緊鉤的直徑為160 mm，圓弧度數(shù)為90°，即AE的長度為80 mm，取氣缸的行程DD1為200 mm，取氣缸中心線至鎖緊鉤旋轉水平線的距離HD為124 mm?？紤]到要通過連桿將4個鎖緊鉤連接起來，AC的長度不宜過短； 氣缸在箱體上的安裝，AH的長度不宜過長；為了實現(xiàn)預計的動作軌跡，需要達到的條件為：點F,E1,F1至直線AH的距離均小于65 mm；以及從傳動角方面考慮，為了使機構正常工作，傳動角的度數(shù)需要始終不小于40°，可以得出以下方程：

(2)

即：

(3)

式中，a，b，c，d，e分別為AC，CD，HD，AH，D1D的長度；α和β分別為∠CAH,∠C1AC的角度；γ1,γ2分別為該機構在氣缸活塞桿未伸出和完全伸出時在C點處的傳動角。

四邊形ACDH中：

(4)

式中，∠ACD=180°-γ1； ∠CDH=90°-α+γ1，即：

(5)

五邊形AC1D1DH中:

(6)

式中，∠AC1D1=γ2；∠C1AH=α+β；∠C1D1D=360°-(α+β)-γ2，即：

(7)

聯(lián)立通式(3)、式(5)、式(7)及已知條件，即可求得a，b，d的尺寸取值范圍。由于三大關系組的直接求解步驟較復雜，故借助數(shù)學軟件MATLAB對其進行求解。求得，當a=140 mm，b=80 mm，d=165 mm 時，滿足三大方程組的等式及不等式關系式，此時α=52.01°，α+β=140.07°，機構的基本尺寸通過此尺寸都可得出。

3) 氣缸受力分析

該機構在工作時主要完成2個動作：鎖緊鉤伸出鎖緊和鎖緊鉤縮回松開。在鎖緊鉤伸出鎖緊時，機構受到的反作用力主要為各構件之間的摩擦力以及鎖緊鉤旋轉插入料包時受到的阻力。在鎖緊鉤縮回松開時，機構受到的反作用力主要為各構件之間的摩擦力以及鎖緊鉤松開料包時受到的阻力。由于機構各零部件表面相對光滑，各構件之間摩擦產(chǎn)生的反作用力很小，且鎖緊鉤插入草料包受到的阻力相對較小，鎖緊鉤松開料包的阻力可忽略不計，故氣缸所受力偏小，滿足設計要求。

2.2 設計方案二

1.鎖緊鉤 2.滾子 3.氣缸活塞桿 4.氣缸缸筒 5.連桿
圖5 設計方案二的運動原理圖

圖6 設計方案二工作示意圖

1) 自由度分析

由圖5分析可得，由于A′B′,G′F′,K′J′,P′N′四者之間兩兩平行且相等，所以G′,K′,P′位置的機構為虛約束，C′點滾子處存在局部自由度。除去虛約束和局部自由度，該機構活動構件數(shù)n=4，低副數(shù)pL=5(4個轉動副和1個移動副)，高副數(shù)pH=1。由式(1)得：F=3n-2pL-pH=3×4-2×5-1=1。

2) 機構重要尺寸計算

圖5機構中，4個鎖緊鉤中由于是虛約束，只需對與A位置相連的鎖緊鉤進行尺寸計算即可。該機構的尺寸幾何關系如圖7所示，實線位置為氣缸活塞桿準備伸出時鎖緊鉤的狀態(tài)，這時鎖緊鉤從箱體內伸出，處于準備抓住草料包狀態(tài)； 虛線位置為氣缸桿伸出至行程時鎖緊鉤的狀態(tài)，這時鎖緊鉤鉤住草料包上部的編織袋，處于抓住草料包狀態(tài)。

圖7 設計方案二尺寸幾何關系圖

(8)

即：

(9)

(10)

(11)

ΔA′G′C′中，c′=b′/tanα′，解得：

90 mm≤c′≤147 mm

(12)

解得：

53 mm≤c′≤110 mm

(13)

將關于c′的3個不等式式(9)、式(12)、式(13)相聯(lián)立有：

可得，c′的尺寸取值范圍為90～110 mm。不妨取c′=100 mm，此時α′=51.1°，α′+β′=128.9°，機構的基本尺寸通過此尺寸都可得出。

3) 氣缸受力分析

此設計方案中的氣缸受力情況與設計方案一中的氣缸受力情況基本相同，氣缸所受力偏小，滿足設計要求。

3 氣動旋轉鉤鎖機構的虛擬仿真分析

利用Pro/E建立三維模型，然后將模型導入ADAMS中，再進行添加約束和驅動等操作，完成虛擬樣機的建立，對虛擬樣機進行仿真分析[12]。其中對氣缸添加驅動的部分，為了更切合實際氣缸的工作狀態(tài)，設定氣缸伸出時間為0.5 s，最高速度為800 mm/s，通過MATLAB編程生成氣缸桿的伸出速度曲線[13],其曲線如圖8所示。

圖8 氣缸桿伸出速度曲線

將圖8中的曲線離散化處理，并將其數(shù)據(jù)轉變成txt格式，第一列為時間的點列，第二列為對應伸出速度的點列。再將生成的txt文件導入ADAMS中，并根據(jù)數(shù)據(jù)生成spline曲線。對氣缸缸筒與氣缸活塞桿之間的移動副施加平移驅動，并將驅動類型改為速度，函數(shù)方程改成：CUBSPL(time,0,SPLINE_1,0)[14]。

3.1 2種設計方案的虛擬樣機

圖9和圖10分別為設計方案一、方案二在ADAMS中添加約束和驅動后的虛擬樣機，其所處狀態(tài)為未放置草料包并且氣缸處于初始縮回狀態(tài)，用于模擬氣動旋轉鉤鎖機構的氣缸從未伸出到完全伸出運動過程中機構各部分的運動情況。

圖9 設計方案一虛擬樣機

圖10 設計方案二虛擬樣機

3.2 2種設計方案的仿真結果

(1) 2個設計方案中鎖緊鉤的鉤尖運動軌跡圖，如圖11所示。

圖11 鎖緊鉤的鉤尖運動軌跡圖

圖11的坐標系為以鎖緊鉤旋轉中心點為原點，鎖緊鉤的鉤尖在水平方向上距旋轉中心的距離為橫坐標，鎖緊鉤的鉤尖在垂直方向上距旋轉中心的距離為縱坐標，并且為了避免2個設計方案的軌跡線重合，設定坐標系的左邊縱坐標軸為方案一垂直方向位置，右邊縱坐標軸為方案二垂直方向位置。通過此運動軌跡來驗證是否滿足設計要求。由圖11可知，設計方案一鎖緊鉤的鉤尖在垂直方向上距旋轉中心的距離，在起始位置時為63.0 mm，在終止位置時為51.4 mm；設計方案二鎖緊鉤的鉤尖在垂直方向上距旋轉中心的距離，在起始位置和終止位置時都為62.3 mm。

(2) 2個設計方案中鎖緊鉤的角速度變化曲線，如圖12所示。

圖12 鎖緊鉤的角速度變化曲線

鎖緊鉤的角速度變化體現(xiàn)著鎖緊鉤的動量變化，一個物體的動量一般表示著該物體在其運動方向上保持運動的趨勢。由圖12可知，設計方案一存在3個極值，分別為0,6.10 rad·s-1,0；設計方案二同時也存在3個極值，分別為0,6.45 rad·s-1,0。

(3) 2個設計方案中鎖緊鉤的角加速度變化曲線，如圖13所示。

圖13 鎖緊鉤的角加速度變化曲線

鎖緊鉤的角加速度變化體現(xiàn)著鎖緊鉤的慣性力大小變化。由圖13可知，設計方案一存在4個極值，分別為0,33.85 rad·s-2,-46.36 rad·s-2,0；設計方案二同時也存在4個極值，分別為0,43.60 rad·s-2,-43.60 rad·s-2,0。

(4) 2個設計方案中機構的傳動角變化曲線，如圖14所示。

圖14 機構的傳動角變化曲線

為了保證機構的正常工作，傳動角需要滿足恒不小于40°。由圖14可知，設計方案一存在4個極值，分別為48.5°,90°,55.2°,58.8°；設計方案二存在3個極值，分別為51.1°,90°,51.1°。

3.3 2種設計方案的對比結果分析

(1) 由2個設計方案中鎖緊鉤的鉤尖運動軌跡圖可知，2種設計方案都能達到預期的軌跡規(guī)劃，能成功鎖住工作對象；

(2) 通過比較2種設計方案仿真結果中的鎖緊鉤的角速度變化曲線可知，2種設計方案鎖緊鉤的角速度都呈現(xiàn)先升后降的態(tài)勢，運動過程變化平穩(wěn)，無突變現(xiàn)象，表明連桿機構運動時不會有劇烈振動現(xiàn)象，且兩者的最高角速度相對相差不大；

(3) 通過比較2種設計方案仿真結果中的鎖緊鉤的角加速度變化曲線可知，2種設計方案鎖緊鉤的角加速度都呈現(xiàn)先升后降再升的態(tài)勢，出現(xiàn)2個峰值，兩者在負方向的峰值數(shù)值相差不大，但設計方案二在正方向的峰值明顯大于設計方案一。從機構的壽命安全性、慣性力以及工作平穩(wěn)性考慮[15]，設計方案一表現(xiàn)相對較好些；

(4) 通過比較2種設計方案仿真結果中機構的傳動角變化曲線可知，2種設計方案的機構傳動性能都表現(xiàn)良好，且兩者的傳動角數(shù)值想接近。

通過以上分析，設計方案一和設計方案二都能達到設計要求且機構傳動性能都表現(xiàn)良好，不會有劇烈振動。但從兩者的角加速度變化考慮，設計方案二在正方向的峰值明顯大于設計方案一，從機構的壽命安全性、慣性力以及工作平穩(wěn)性考慮，設計方案一表現(xiàn)相對較好些，故選擇其作為最終方案。

4 結論

本研究提出了一種氣動旋轉鎖緊裝置，用于將需要鉤鎖住的對象緊貼置于氣動旋轉鎖緊機構箱體正下方鎖緊，并對其氣動旋轉鎖緊機構提出了2種設計方案。根據(jù)設計要求及相關數(shù)據(jù)完成2種設計方案的重要幾何尺寸設計，并建立三維模型，再通過仿真軟件ADAMS建立虛擬樣機進行仿真得到相關評價數(shù)據(jù)。通過對2種設計方案的數(shù)據(jù)進行分析比較得出：設計方案一和設計方案二都能達到設計要求，且機構無劇烈振動現(xiàn)象，傳動效率高；但從兩者的角加速度變化考慮，設計方案二在正方向的峰值明顯大于設計方案一，設計方案一在機構的壽命安全性、慣性力以及工作平穩(wěn)性方面上表現(xiàn)相對較好些，故選定其作為氣動旋轉鎖緊機構最終設計方案，這也為以后草料開包機其他裝置部分的設計提供參考。