自動化甘蔗削皮裝置的設(shè)計

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摘要 自動甘蔗削皮裝置是一種可以實(shí)現(xiàn)甘蔗削皮的設(shè)備和機(jī)器。目前， 無論在甘蔗相關(guān)的食品加工領(lǐng)域還是民眾對甘蔗的日常消費(fèi)中，甘蔗 的削皮仍舊以手工方式為主。手工對甘蔗削皮效率不高而且容易劃傷 手，因此在一定程度上阻礙了甘蔗相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 首先，在總結(jié)與分析現(xiàn)存甘蔗削皮機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上并結(jié)合甘蔗皮層的切削特性，創(chuàng)新的設(shè)計出了甘蔗削皮裝置的切削機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)和整機(jī)框架結(jié)構(gòu)。 其次，在對各機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)上使用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對切削刀架的裝配結(jié)構(gòu)和切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)做靜力學(xué)仿真來模擬切削過程中結(jié)構(gòu)處于受力和力矩最大狀態(tài)下的應(yīng)力和變形情況，從而驗證裝配和零部件是否滿足設(shè)計要求。 再次，在對甘蔗削皮裝置的控制系統(tǒng)功能需求分析和方案論證的基礎(chǔ)上，設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件和軟件部分，包括設(shè)計電氣原理圖、電氣元件的計算選型、PLC I/O 元件分配及其接線圖，之后編制了 PLC 的控制程序。 最后，在前三章的設(shè)計和分析基礎(chǔ)上制作了自動化甘蔗削皮裝置的實(shí)物樣機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行和調(diào)試，最終順利實(shí)現(xiàn)對甘蔗的削皮功能。 關(guān)鍵詞:甘蔗削皮，機(jī)構(gòu)設(shè)計，仿真分析，樣機(jī)制作 DESIGN AND STUDY OF THE AUTOMATIVE SUGARCANE PEELING DEVICE Abstract Sugarcane peeling device is a kind of equipment or machine which can realize sugarcane peeling. At present, both in the field of sugar cane related food processing and people’s sumption of sugar cane in daily, sugar cane peel is still dominated by manual approach. The efficiency of manual on sugarcane peeling is not high and hands are esay to be cut, so to a certain extent, hindered the development of the sugarcane industry. First of all, this paper innovatively designed a kind of cutting mechanism of sugarcane peeling device, clamping device and the whole frame structure on the basis of summarizing and analyzing the advantages and disadvantages of existing sugarcane peeling machine and cutting characteristics of sugarcane cortex. Second, as to verify the assembly and parts whether meet the design requirements, finite element analysis software ANSYS Workbench was used to do statics simulation to simulate the structure in the process of cutting force and moment in the largest state of stress and deformation situation of the assembly structure and cutting mechanism’s cutting tool after kinematics analysis on the basis of was carried out on the institutions. Third, this paper designed part of hardware and software of the control system, after doing the functional requirements for the sugarcane peeling device control system on the basis of analysis and scheme comparison, including design electrical schematic diagram, the calculation of electrical components selection, PLC I/O components distribution and its diagram and the establishment of the PLC control program. Finally, make physical prototype of the automation of sugarcane peeling device and do test and debug before smooth realizing of sugarcane peeling function, on the basis of the design and analysis of the first three chapters. Keywords: sugarcane peeling，mechanism design，simulation analysis，prototype produce. 目錄 摘要 1 Abstract 1 第 1 章緒論 1 1.1 本課題的選題背景及意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 1 1.2.1 甘蔗力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 甘蔗切削機(jī)理研究現(xiàn)狀 4 1.2.3 切削裝置的研究現(xiàn)狀 5 1.2.4 第一代樣機(jī)目前存在的問題 6 1.3 本文主要研究內(nèi)容 7 1.4 本章小結(jié) 8 第 2 章樣機(jī)總體方案設(shè)計 9 2.1 樣機(jī)總體設(shè)計 9 2.2 切削機(jī)構(gòu)設(shè)計 10 2.2.1 切削機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計 10 2.2.2 切削機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計 10 2.2.3 運(yùn)動機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 2.2.4 切削機(jī)構(gòu)刀架的設(shè)計 12 2.3 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計 14 2.3.1 夾持機(jī)構(gòu)方案設(shè)計 14 2.3.2 夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 2.4 整機(jī)機(jī)構(gòu)布局與框架設(shè)計 16 2.4.1 整體機(jī)構(gòu)布局 16 2.4.2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 2.5 本章小結(jié) 18 第 3 章樣機(jī)的仿真分析 19 3.1 切削刀架結(jié)構(gòu)的仿真分析 19 3.1.1 有限元靜力分析理論基礎(chǔ) 19 3.1.2 有限元仿真分析 20 3.2 切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 24 3.3 框架支撐結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析 28 3.4 本章小結(jié) 32 第 4 章樣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 33 4.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計 33 4.1.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計要求 33 4.1.2 控制系統(tǒng)的方案論證 34 4.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計及實(shí)現(xiàn) 34 4.2.1 電氣原理圖的設(shè)計 34 4.2.2 電器元件的配置與統(tǒng)計 36 4.2.3 控制系統(tǒng)電器元件的選擇 36 4.2.4 PLC 機(jī)型的選擇 37 4.2.5 PLC I/O 元件分配 38 4.2.6 PLC 接線圖繪制 39 4.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 40 4.3.1 PLC 程序設(shè)計步驟及方法 40 4.3.2 控制系統(tǒng)流程圖的設(shè)計 41 4.3.3 PLC 梯形圖程序的編制 42 4.4 本章小結(jié) 43 第 5 章樣機(jī)的安裝及調(diào)試 45 5.1 樣機(jī)的試制與安裝 45 5.1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)的安裝 45 5.1.2 鍵零部件加工與裝配 45 5.1.3 電氣元件的安裝與接線 50 5.2 樣機(jī)的試運(yùn)行與調(diào)試 51 5.3 本章小結(jié) 52 第 6 章總結(jié)與展望 53 6.1 課題研究工作總結(jié) 53 6.2 本文局限與展望 53 參考文獻(xiàn) 55 致謝 59 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒 論 第1章 緒論 1.1 本課題的選題背景及意義 我國擁有很大的甘蔗市場。在南方，甘蔗是廣泛種植的經(jīng)濟(jì)作物，并且我國白糖的生產(chǎn)約有 80%左右都是以甘蔗為原料，同時甘蔗汁多、味美、甘甜、營養(yǎng)豐富，深受人們的喜愛?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，甘蔗中含有大量的蔗糖果糖葡萄糖等糖分，極易被人體吸收利用，還含有鐵鈣磷錳鋅等人體必需的微量元素，常食甘蔗可滋補(bǔ)養(yǎng)血清熱生津滋養(yǎng)潤燥[1][2]。此外甘蔗中含有大量纖維，反復(fù)咀嚼能夠清除口腔及牙縫中的污垢，從而提高牙齒的抗齲能力。 然而吃甘蔗削皮卻是長期困擾人們的一大難題。由于甘蔗表面比較堅硬，如果直接食用容易劃傷口舌等部位，甚至將牙齒崩落。人工削皮后食用是用刀具手工對甘蔗進(jìn)行削皮，但人工削皮費(fèi)時費(fèi)力，而且容易劃傷手。目前，在甘蔗汁生產(chǎn)工序中的削皮工序大多由人工完成，效率不高，若采用一種能夠?qū)Ω收岣咝髌さ臋C(jī)器，將會大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。因此，對甘蔗削皮機(jī)械進(jìn)行研究在一定程度上改變甘蔗的食用方法和食用安全性具有積極作用。 目前已有一些實(shí)現(xiàn)切削功能的甘蔗去皮機(jī)的出現(xiàn)，但是去皮效果不太理想， 自動化程度不高，噪音比較大，而且切削后的甘蔗皮處理不當(dāng)會制造出垃圾。這些都注定了甘蔗去皮機(jī)無法在高檔的餐廳和商場出現(xiàn)?；诖?，一種自動化程度比較高，切削效果好，振動噪聲少，體積小，而且經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的甘蔗削皮裝置值得深入研究和設(shè)計。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 1.2.1 甘蔗力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀 甘蔗是各向異性、非勻質(zhì)、非線性的材料。研究甘蔗莖稈的力學(xué)性能對于研究甘蔗的切削過程以及切削刀具的設(shè)計具有重要意義。同時甘蔗莖稈物理力學(xué)特性是建立甘蔗莖稈材料模型和莖稈在各種荷載下本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)[6][7]。對于甘蔗切削原理的研究可為甘蔗去皮機(jī)械的研制奠定基礎(chǔ)，目前對于甘蔗力學(xué)性能的研究主要集中在如下實(shí)驗。 1.2.1.1 甘蔗在彎曲載荷下的破壞實(shí)驗 彎曲性能對于甘蔗莖稈在切削過程具有重要影響。通過檢測甘蔗莖稈的彎曲 2 模量和抗彎強(qiáng)度，之后觀察甘蔗的破壞形式，并進(jìn)行相應(yīng)分析。 同一株甘蔗的不同部位有著不同的力學(xué)性能。中部、尾部和基部達(dá)到最大彎曲應(yīng)力時,觀察到的甘蔗彎曲破壞形式主要有以下 4 種(圖 1-1a、b、c、d)[9][11]。 a.中性層裂紋 b.橫向斷裂 c．底部縱向裂紋 d.不規(guī)則裂紋 e.靠近節(jié)處橫向斷裂 f.不規(guī)則斷裂 圖 1-1 彎曲破壞形式 1)中性層處產(chǎn)生裂紋(圖 1-1a) 圓形截面梁在彎曲荷載下,最大剪應(yīng)力位于中性層處,沿試樣長度方向產(chǎn)生中性層裂紋。再進(jìn)一步施加荷載時,中性層被剪開。 2） 靠近節(jié)處產(chǎn)生橫向斷裂(圖 1-1b) 在彎曲荷載下,當(dāng)采用圖1-2 所示的加載方式,靠近甘蔗節(jié)處的最大彎曲部位首先達(dá)到破壞極限從而產(chǎn)生斷裂。 3） 甘蔗莖底部軸向產(chǎn)生裂紋(圖 1-1c) 和中性層裂紋不同的是在彎曲過程中在底部產(chǎn)生軸向裂紋。這應(yīng)該是由于甘蔗芯部產(chǎn)生較大塑性變形后造成對甘蔗表皮被擠壓的關(guān)系。 4） 甘蔗莖節(jié)部附近產(chǎn)生不規(guī)則形狀的裂紋(圖 1-1d) 這是上述幾種情況的綜合表現(xiàn), 也反映了甘蔗莖材料的復(fù)雜性。 1.2.1.2 甘蔗莖稈在壓縮載荷下的實(shí)驗[10] 圖 1-2 是甘蔗受壓縮載荷時的載荷-時間曲線。由圖可以看出，試樣在壓縮 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒 論 荷載下隨著實(shí)驗 529B 增加逐步達(dá)到破壞極限。 圖 1-2 壓縮載荷-時間曲線 圖 1-3 是甘蔗莖在壓縮載荷下的破壞形式。當(dāng)蔗皮產(chǎn)生扭曲時，因蔗芯限制蔗皮向芯部方向彎曲，蔗皮向外彎曲，蔗皮產(chǎn)生縱向裂紋并與蔗芯分離。 圖 1-3 壓縮載荷下的破壞形式 1.2.1.3 甘蔗皮與甘蔗芯在拉伸載荷下的實(shí)驗 圖 1-4a、1-4b 分別是蔗皮徑向、軸向的破壞形式，圖 1-5a、1-5b 是蔗芯軸向徑向的破壞形式[11]。 a.蔗皮徑向破壞形式 b.蔗皮軸向破壞形圖 1-4 蔗皮破壞形式 a 蔗芯軸向破壞形式 b 蔗芯徑向破壞形式圖 1-5 蔗芯破壞形式 3 1.2.2 甘蔗切削機(jī)理研究現(xiàn)狀 對于甘蔗切削原理的研究，目前主要運(yùn)用實(shí)驗的方法或者通過實(shí)驗作為驗證建立有限元模型后運(yùn)用顯示動力學(xué)的方法來研究切削過程的機(jī)理。 1.2.2.1 甘蔗莖稈橫向切割機(jī)理 對于橫向切割機(jī)理的研究主要應(yīng)用于甘蔗收獲機(jī)的切削過程。甘蔗收獲機(jī)在工作過程中存在甘蔗割茬不整齊、切割損失較大等缺陷，這些將會嚴(yán)重影響甘蔗收獲機(jī)的使用和推廣。為此，根據(jù)目前國內(nèi)外對甘蔗莖稈力學(xué)性能、切割刀具以及切削理論等方面的研究，提出了一種結(jié)合甘蔗莖稈材料特點(diǎn)和其力學(xué)特性來研究甘蔗的切割機(jī)理的方法，將會更具有科學(xué)性。 建立三維甘蔗切割器系統(tǒng)動力學(xué)可視化仿真模型，利用 ANSYS/LS-DYNA 求解器進(jìn)行仿真求解，其切割仿真過程及切割力時間歷程如圖 1-6 所示[12][13]。 圖 1-6 甘蔗切割器系統(tǒng)動力學(xué)仿真 通過仿真與實(shí)驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論： 1） 通過采用刀具對甘蔗莖稈的沖擊物理試驗表明，把甘蔗作為各向同性的材料模型進(jìn)行建模以及建立的切割器系統(tǒng)動力學(xué)模型適用于甘蔗莖稈切割力的仿真研究。 2） 最大的切割力隨著刀具的刃角增大呈現(xiàn)拋物線的變化趨勢，刀具的刃角約為 19時切割力達(dá)最小值；最大的切割力隨著刀具的切割角度的增大而減小。 3） 最大剪應(yīng)力隨刀具的刃口角度增大而增大，隨刀盤的傾角和切割速度的增大而減??；小的刀片刃角與小的切割角組合最大剪應(yīng)力最小。小的刀具刃口傾斜角度與小的切割角以及大的切割速度有助于減少甘蔗莖稈的切割破頭率。 4）刀片刃角 α＝17.5，切割角 β=27.73，刀盤傾角 γ＝28，切割速度 V ＝16m/s 時，最佳切割力為 266.9N，可靠性為 95%的最佳切割力范圍 235.82～ 297.98N[13]。 9 1.2.2.2 甘蔗莖稈縱向切割機(jī)理 甘蔗皮層的削皮受力變化研究是甘蔗削皮機(jī)械研制的理論基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外研究重點(diǎn)主要集中在甘蔗莖稈的力學(xué)特性方面研究，甘蔗相關(guān)機(jī)械的研究重點(diǎn)主要集中在甘蔗莖稈的切割機(jī)械的研制[14]。對于甘蔗皮層受力變化研究并不多見， 而且也只是簡單的實(shí)驗，所以對于這部分的詳細(xì)深入研究還是空白。 不同刀片刃口在切削甘蔗皮時，刀片受力實(shí)驗結(jié)果如圖 1-7 所示[15][16]： 圖 1-7 甘蔗節(jié)間試樣去皮時的位移－載荷變化 1） 不同切削刀具的刃口傾斜角度對甘蔗節(jié)間削皮的實(shí)驗結(jié)果為，隨著切削刀具刃口角度的增加，削皮過程所需要的載荷逐漸增加，這表明切削刀具在對甘蔗節(jié)間削皮時所遇阻力逐漸增大。不同的刀具刃口傾斜角度在甘蔗莖稈的下段節(jié)間進(jìn)行削皮時阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。 2） 不同切削刀具的刃口傾斜角度對甘蔗節(jié)點(diǎn)削皮的實(shí)驗結(jié)果為，隨著切削刀具刃口角度的增加，削皮過程所需要的載荷逐漸增加，這表明切削刀具在對甘蔗節(jié)間削皮時所遇阻力逐漸增大。不同的刀具刃口傾斜角度在甘蔗莖稈的下段節(jié)中進(jìn)行削皮時阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。 3） 由于甘蔗莖稈各部位的纖維排列不同，對節(jié)間和節(jié)點(diǎn)處削皮時，刀具刃口傾斜角度越小，使甘蔗皮剝離的作用力越小。 1.2.3 切削裝置的研究現(xiàn)狀 根據(jù)切削方式的不同，切削裝置可以分為縱向切削方式的切削裝置、仿形切削方式的切削裝置、螺旋切削方式的切削裝置。 1)縱向切削方式的切削裝置[19][20] 縱向切削裝置是仿照人手工切削方式而設(shè)計的一種切削裝置，此裝置設(shè)置多個切削機(jī)架，按照沿甘蔗移動方向依次設(shè)置。切削刀架通過環(huán)形均勻排布在機(jī)架上，刀架與甘蔗形成一定夾角，并且前后布置的切削刀架根據(jù)一個固定的夾角相互錯開布置。此裝置對甘蔗的12 個方向進(jìn)行切削，切削后的甘蔗截面呈12 邊形。 2） 仿形切削方式的切削裝置[21] [22] 仿形切削方式是把刀具做成與甘蔗外形相似的圓弧銑刀，對甘蔗表皮進(jìn)行切削。仿形銑刀由基軸和沿基軸軸向均勻分布的三塊刀頭組成，每塊刀頭的刀刃呈90的弧線，使得刀刃能銑刀更多的甘蔗皮。 3） 螺旋切削方式的切削裝置[23][24] 螺旋切削方式的切削裝置是一種采用刀具對甘蔗進(jìn)行切削的同時刀具圍繞甘蔗圓周轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)甘蔗去皮的目的。螺旋切削裝置的傳動原理為，電機(jī)通過減速后帶動切削主軸旋轉(zhuǎn)，切削主軸帶動軸套轉(zhuǎn)動，絲盤上的端面螺紋在與其相連接的軸套帶動下轉(zhuǎn)動，之后帶動與絲盤嚙合的進(jìn)給齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪在彈簧作用下壓在甘蔗上，從而帶動甘蔗進(jìn)入切削系統(tǒng)。在進(jìn)行切削時，刀具轉(zhuǎn)動的同時， 機(jī)架會繞切削筒圓周轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)甘蔗的切削。 1.2.4 第一代樣機(jī)目前存在的問題 1） 切削裝置存在的問題 如圖 1-8 所示為第一代樣機(jī)切削裝置的三維模型，此切削裝置采用直線切削方式，但刀具太少沒能形成一個封閉的切削區(qū)域，所以對于一根甘蔗要采用多次切削才能完成。同時刀具所圍成的軸線位置距離滑軌偏遠(yuǎn)容易導(dǎo)致刀架卡死。此外由于此裝置沒有引入運(yùn)動檢測和控制部分，所以刀架切削運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動之間長久的協(xié)調(diào)性無法保障。 2） 機(jī)身結(jié)構(gòu)存在的問題 圖 1-8 第一代樣機(jī)切削裝置 如圖 1-9 所示為第一代樣機(jī)整機(jī)的三維模型，由于樣機(jī)的重心位置偏高而且支撐架比較薄弱所以在樣機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中會引起比較大的晃動，并且伴隨有比 較大的噪音。 3） 進(jìn)給裝置存在的問題 圖 1-9 第一代樣機(jī)整機(jī)模型 進(jìn)給裝置采用的是上下一對橡膠輪來同時實(shí)現(xiàn)夾緊和進(jìn)給功能。但是橡膠輪和甘蔗莖稈是線接觸，只有通過比較大的夾緊力才能夠獲得足夠大的摩擦力從而實(shí)現(xiàn)甘蔗的切削夾緊，但是過大的夾緊力又比較容易壓破甘蔗莖稈。此外因為沒有自動檢測裝置及累積誤差的原因?qū)е虑邢骱瓦M(jìn)給運(yùn)動之間無法長久保持較好的同步協(xié)調(diào)性。 1.3 本文主要研究內(nèi)容 本文在總結(jié)與分析現(xiàn)存甘蔗削皮機(jī)及東華大學(xué)第一代甘蔗削皮機(jī)樣機(jī)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新的設(shè)計出了一種自動化甘蔗削皮裝置，并設(shè)計樣機(jī)的控制系統(tǒng)，最后制作實(shí)物樣機(jī)并對其進(jìn)行調(diào)試使其滿足預(yù)計設(shè)計目標(biāo)。 本文章節(jié)安排： 第一章緒論。主要對甘蔗去皮裝置的研究現(xiàn)狀，存在問題和發(fā)展動態(tài)進(jìn)行了綜述，并根據(jù)國內(nèi)外的論文文獻(xiàn)、專利和市場上已投入使用的產(chǎn)品進(jìn)行總結(jié)，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)并提出自己的研究思路。介紹了本課題的選題背景和主要研究內(nèi)容。 第二章樣機(jī)總體方案設(shè)計。在總結(jié)與分析現(xiàn)存甘蔗削皮機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 對樣機(jī)進(jìn)行方案設(shè)計并創(chuàng)新的設(shè)計出了一種具有自適應(yīng)甘蔗莖稈走向的甘蔗切削機(jī)構(gòu)、帶有自鎖夾緊功能的夾緊裝置和整機(jī)框架結(jié)構(gòu)。 第三章樣機(jī)仿真分析。利用 SolidWorks 的運(yùn)動分析功能進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿 真和使用 ANSYS Workbench 對機(jī)身結(jié)構(gòu)做靜力和動力仿真來驗證設(shè)計是否合理， 并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)做優(yōu)化改進(jìn)。 第四章樣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計。首先對樣機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行功能需求分析及方案論證，設(shè)計控制電氣原理圖，然后選擇合適的 PLC 機(jī)型及電器元件，并設(shè)計 PLC 輸入輸出接線圖，最后編制 PLC 控制程序。 第五章樣機(jī)的安裝與調(diào)試。主要內(nèi)容為根據(jù)設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸對樣機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行加工，整機(jī)的裝配，控制電路接線及對樣機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行評估找出運(yùn)行過程中存在的問題然后進(jìn)行調(diào)試直到滿足設(shè)計的預(yù)定目標(biāo)。 第六章結(jié)論和展望。為作者對本課題所做的工作進(jìn)行總結(jié)和展望。 1.4 本章小結(jié) 本章首先對本課題的選題背景及意義進(jìn)行了介紹，然后對甘蔗的力學(xué)性能、甘蔗莖稈的切削機(jī)理研究現(xiàn)狀及目前存在的切削裝置進(jìn)行了概述。最后對東華大學(xué)第一代甘蔗削皮機(jī)樣機(jī)的研究情況進(jìn)行了分析，找出了切削裝置在運(yùn)行過程中存在的缺陷，如切削裝置沒有良好的自適應(yīng)性，進(jìn)給裝置存在傳動累積誤差等。因此要實(shí)現(xiàn)對甘蔗良好的切削功能，需要在第一代樣機(jī)研究基礎(chǔ)上，重新對甘蔗削皮機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，本文將對本課題進(jìn)行詳細(xì)闡述。 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機(jī)總體方案設(shè)計 第2章 樣機(jī)總體方案設(shè)計 2.1 樣機(jī)總體設(shè)計 根據(jù)甘蔗的力學(xué)性能和甘蔗皮層的切削特性，并在總結(jié)與分析現(xiàn)存甘蔗切削設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的設(shè)計了此甘蔗切削裝置。并使用 Solidworks 建模軟件，根據(jù)自上而下的建模方法建立了整機(jī)的樣機(jī)模型，如圖 2-1a、2-1b 所示。 a. 樣機(jī)整機(jī)俯視示意圖 b. 樣機(jī)整機(jī)左視示意圖 1-主電機(jī) 2-夾緊裝置 3-刀架 4-夾緊機(jī)構(gòu)電機(jī) 5-支撐框架 6-傳感器支架 7-切削機(jī)構(gòu) 8-控制柜支架圖 2-1 樣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 2.2 切削機(jī)構(gòu)設(shè)計 2.2.1 切削機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計 對于甘蔗削皮機(jī)的切削機(jī)構(gòu)，按照切削方式的不同可以分為縱向切削方式的切削機(jī)構(gòu)、仿形切削方式的切削機(jī)構(gòu)和螺旋切削方式的切削機(jī)構(gòu)。 第一種方案：對于縱向切削方式的切削裝置是仿照手工切削的方法，把刀具固定在刀架上然后利用刀架和甘蔗之間的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)削皮。這種切削方式的優(yōu)點(diǎn)是刀具的切削方向和甘蔗的木質(zhì)結(jié)構(gòu)方向一致，所以切削力比較小，同時刀架的運(yùn)動機(jī)構(gòu)也相對比較簡單。缺點(diǎn)是因為要在刀架上布置多把切刀，所以刀架的結(jié)構(gòu)會稍微復(fù)雜。 第二種方案：仿形切削方式的切削裝置是把刀具做成與甘蔗外形相似的圓弧銑刀，對甘蔗表皮進(jìn)行切削。這種切削方式的優(yōu)點(diǎn)是切除的甘蔗皮是碎屑狀的便于垃圾的回收處理，缺點(diǎn)是刀具比較復(fù)雜制造的成本高。 第三種方案：螺旋切削方式的切削裝置是一種采用刀具對甘蔗進(jìn)行切削的同時刀具圍繞甘蔗圓周轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)甘蔗去皮的目的。這種切削方式的優(yōu)點(diǎn)是由于刀具圍繞甘蔗進(jìn)行圓周切削所以結(jié)構(gòu)可以做的比較緊湊，缺點(diǎn)是刀具的圓周運(yùn)動要引入行星輪系所以運(yùn)動機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。 表 2-1 切削方式方案優(yōu)缺點(diǎn)對比 方案一 方案二 方案三 優(yōu)點(diǎn) 切削力小、切削機(jī)構(gòu)簡 單、多功能切削 垃圾便于處理 切削結(jié)構(gòu)緊湊 缺點(diǎn) 刀架結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜 刀具復(fù)雜、制造成本高 運(yùn)動機(jī)構(gòu)復(fù)雜、加工 難度稍大 通過對上述三種切削方式的方案對比，本課題選用縱向切削方式的切削機(jī)構(gòu)。 2.2.2 切削機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計 對于直線往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠螺母運(yùn)動機(jī)構(gòu)和采用液壓氣動元件來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)等[26][27]。綜合考慮本課題的使用條件和易于加工性，以本文選擇的運(yùn)動機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī) 構(gòu)來實(shí)現(xiàn)切削裝置的直線往復(fù)運(yùn)動。 19 圖 2-2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 以行程速比系數(shù) K 為 1.15，滑塊行程 h 為 100mm，曲柄長度l1 為 46mm， 采用解析法設(shè)計此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖 2-2 為此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖； 由 K=1.15 代入公式q = K -1180o ，算得極位夾角q =12.5581 o 。將q 和l 值 代入下式計算：  h = = l1 K +1 1 （1-1） 式中a = l2 / l1 。得l2 =185.194mm。將q ， l1 和l2 值代入下式計算： q = arccos e l1 + l2 - arccos e l2 - l1 （1-2） 得含有未知數(shù)e 的一元方程式，用弦位法解得： e =69.98mm。 機(jī)構(gòu)的最大壓力角a  max = arcsin e + l1 = 38.775o < 40o 滿足許用壓力角的要求。 l 2 同時l1 + e l2 ， l1 又為最短桿所以滿足l1 為曲柄的條件。綜上所述，設(shè)計的此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滿足要求。 2.2.3 運(yùn)動機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖 2-3 所示為切削裝置運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)裝配圖。刀具框架采用 1515 結(jié)構(gòu) 鋁型材來搭建，框架通過軸支撐和直線滑動軸承與光軸導(dǎo)軌連接來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。刀具框架前端采用軸支撐和光軸來建立鉸接點(diǎn)與連桿軸承相連接，連桿的另一端 與由兩個軸支持型材所拼裝的曲柄連接。當(dāng)驅(qū)動軸開始旋轉(zhuǎn)時，曲柄通過連桿帶 動刀具框架在光軸導(dǎo)軌上作往復(fù)運(yùn)動。 圖 2-3 切削裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1-導(dǎo)軌支撐座 2-可調(diào)節(jié)直線軸承 3-為直線軸承支座 4、5-鋁合金型材 6-光軸導(dǎo)軌 7-連桿，8、9-光軸 10、13-連桿軸承 11-軸承支撐座 12-曲柄 2.2.4 切削機(jī)構(gòu)刀架的設(shè)計 由于甘蔗莖稈的形狀和尺寸是隨機(jī)變化的，設(shè)計出的切削裝置要有快速適應(yīng)甘蔗莖的尺寸和形狀變化的要求。本論文通過借鑒已公開授權(quán)的諸多發(fā)明專利和現(xiàn)存的相似結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計出了一種新穎而且能夠快速適應(yīng)甘蔗形狀變化的切削裝置。 圖 2-4 所示為此切削裝置的一組切削刀具結(jié)構(gòu)示意圖。兩個蓋形螺母采用不銹鋼點(diǎn)焊的方式與刀片聯(lián)接，然后通過螺柱使刀片固定在壓片上。當(dāng)用此切刀來切削竹子皮時，只需更換相應(yīng)尺寸的橫向壓片便可以改變刀具的切削半徑。 圖 2-4 切刀結(jié)構(gòu)示意圖 1-螺母 2-下壓片 3-刀片 4-螺柱 5-上壓片 6-彈簧夾頭 7-橫向壓片 8-蓋形螺母 為了使刀架往返運(yùn)動一次就能切削整周的蔗皮，本論文使用了相同的 6 組切刀通過兩兩相隔 30夾角來圍成一個封閉的 12 邊形，6 組切刀通過壓片上的 U 型夾頭和彈簧刀架相連。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以是在切削過程中切刀既可以適應(yīng)甘蔗徑向的尺寸變化同時也可以在一定范圍內(nèi)適應(yīng)甘蔗軸向的變化，圖 2-5 為切削刀架的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 2-6 為切削刀架的主視圖，可以看出切刀通過相互交錯圍成一個封閉的 12 邊形。 圖 2-5 切削刀架結(jié)構(gòu)示意圖 1-切刀 2-彈簧支架 圖 2-6 切削刀架主視圖 2.3 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計 2.3.1 夾持機(jī)構(gòu)方案設(shè)計 在甘蔗削皮過程中，不僅要求有進(jìn)給的功能同時還要求有夾持功能。夾緊進(jìn)給機(jī)構(gòu)通常分為兩類，一類是一個機(jī)構(gòu)來同時實(shí)現(xiàn)夾持和進(jìn)給功能，另一類為兩個機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動來滿足夾持和進(jìn)給功能。 第一種方案：橡膠輪驅(qū)動的夾緊進(jìn)給機(jī)構(gòu)。這種裝置屬于第一類夾緊進(jìn)給裝置，它利用帶有驅(qū)動力的上下橡膠輪來同時實(shí)現(xiàn)進(jìn)給和夾緊功能。運(yùn)行過程為， 橡膠輪通過旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動甘蔗前進(jìn)進(jìn)入切削部分，切削部分中刀具依次對甘蔗的不同位置進(jìn)行切削，去皮之后甘蔗繼續(xù)向前運(yùn)動，出料橡膠輪旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動甘蔗前進(jìn)， 離開出料口。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是尺寸可以做的比較緊湊，缺點(diǎn)是上下橡膠輪與甘蔗莖稈的接觸為小面接觸，產(chǎn)生的摩擦力比較小，只有通過增大壓緊力的方式來增大摩擦力。然而上下橡膠輪過大的壓緊力可能會導(dǎo)致甘蔗壓裂。 第二種方案：絲杠螺母驅(qū)動的夾緊進(jìn)給機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)屬于第一類夾緊進(jìn)給機(jī)構(gòu)，它利用絲杠螺母運(yùn)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)甘蔗切削的進(jìn)給功能，同時利用絲杠螺母運(yùn)動副中絲杠只能帶動螺母運(yùn)動的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的夾緊功能。機(jī)構(gòu)的運(yùn)行過程為，電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動時螺母與移動支撐同時運(yùn)動，移動支撐上的固定裝置帶動甘蔗實(shí)現(xiàn)進(jìn)給夾緊功能。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是可以施加比較大的夾緊力，缺點(diǎn)是因為導(dǎo)軌的尺寸需要做的很長從而導(dǎo)致整體的結(jié)構(gòu)尺寸比較大。 第三種方案：基于連桿機(jī)構(gòu)的夾緊進(jìn)給機(jī)構(gòu)。這種裝置屬于第二類夾緊進(jìn)給機(jī)構(gòu)，通過兩個對稱的雙搖桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)甘蔗的夾持功能，同時利用刀架的回程運(yùn)動來帶動甘蔗實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，接觸面較大，在比較小的壓力下就可以獲得比較大的夾持力，同時機(jī)構(gòu)還引入了自鎖夾 緊功能。缺點(diǎn)是需要制作鉸鏈，所以結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。 表 2-2 夾緊進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案優(yōu)缺點(diǎn)對比 方案一 方案二 方案三 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單緊湊 夾緊力大 結(jié)構(gòu)緊湊、接觸面積大 缺點(diǎn) 接觸面積小、容易壓 裂甘蔗 結(jié)構(gòu)尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜 結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜 通過對上述三種方案的比較和綜合考慮可制造性和功能效果，本課題選用第三種夾緊進(jìn)給方案。 2.3.2 夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 采用一對對稱的分別使用一個驅(qū)動桿來帶動前后兩個雙搖桿作為夾持裝置的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，同時配合傳感器和步進(jìn)電機(jī)主軸的往復(fù)正反運(yùn)動來控制執(zhí)行搖桿的往復(fù)擺動，從而實(shí)現(xiàn)在切削過程中夾緊端夾緊在回程過程中松弛的功能。 使用 SolidWorks 中的草圖來近似設(shè)計此六桿機(jī)構(gòu)，初步以驅(qū)動桿l1 =62mm， 一邊雙搖桿機(jī)架長度a =406mm 另一邊雙搖桿機(jī)架長度 b=456mm，偏置長度e =112mm，當(dāng)搖桿l2 從距垂直夾角 15轉(zhuǎn)動到 45時，同時連桿l3 也近似從垂直 夾角 15轉(zhuǎn)動到 45。 2 當(dāng)搖桿l2 和l3 均與垂直方向夾角為 15時，機(jī)構(gòu)處于夾緊狀態(tài)，在保證不與其它結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)干涉的情況下，假設(shè)此時 l2 及其連桿長度分別為 120mm 和350mm，l3 及其連桿長度分別為 100mm 和 488mm，當(dāng)l2 轉(zhuǎn)動到l 位置時，如圖 2-14 所示， l3 轉(zhuǎn)動到與垂直方向夾角為 47.67位置，所以設(shè)計的此夾緊機(jī)構(gòu)尺 寸滿足使用要求。 如圖2-7 所示為夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，步進(jìn)電機(jī)主軸直接與驅(qū)動搖桿連接， 搖桿另一端通過復(fù)合鉸鏈與兩個傳動連桿連接，連桿另一端通過關(guān)節(jié)軸承與由槽鋁和板鋁所組成的夾緊執(zhí)行結(jié)構(gòu)相連接。作為執(zhí)行搖桿的板鋁通過鉸鏈固定在固定支撐座上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)主軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)時，執(zhí)行搖桿來回搬動的同時帶動夾緊執(zhí)行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開啟和閉合夾緊。 圖 2-7 夾持機(jī)構(gòu)俯視示意圖 1、5-連桿 2、13-槽鋁 3、10-鋁板 4-連桿軸承 7-驅(qū)動搖桿 8-步進(jìn)電機(jī)支架 9-步進(jìn)電機(jī) 11-角鋁 12-支撐座 相互對稱的兩個步進(jìn)電機(jī)使用同一塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來保證兩個電機(jī)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)主軸的正反轉(zhuǎn)動帶動由結(jié)構(gòu)角鋁和槽鋁組成的夾具的開啟和閉合。根據(jù)設(shè)計要求，當(dāng)夾具處于夾緊位置時（即與垂直方向夾角為 15時），由于切削力的作用會帶動夾具繼續(xù)向前運(yùn)動小段距離，從而形成機(jī)械自鎖來保持足夠大的夾緊力。 2.4 整機(jī)機(jī)構(gòu)布局與框架設(shè)計 本節(jié)按照切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸和進(jìn)給夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸來設(shè)計樣機(jī) 整機(jī)的結(jié)構(gòu)框架，并按照可加工易裝配的原則為后續(xù)樣機(jī)的試制和裝配提供指導(dǎo)。 2.4.1 整體機(jī)構(gòu)布局 如圖 2-8 所示為切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)與夾持運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布局示意圖。由曲柄滑塊運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成的切削機(jī)構(gòu)和由搖桿機(jī)構(gòu)組成的夾持機(jī)構(gòu)裝配原則是直線切削運(yùn)動和夾持裝置的夾緊運(yùn)動保持在一個平面內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)刀架的直線運(yùn)動，結(jié)構(gòu)中引入了直線軸承和直線導(dǎo)軌。當(dāng)甘蔗開始送入夾緊機(jī)構(gòu)時，夾緊執(zhí)行端開始夾緊并隨著手動的推進(jìn)切削裝置開始切削甘蔗皮層，同時切去的甘蔗皮會卡進(jìn)刀具里。當(dāng)切削機(jī)構(gòu)開始回程運(yùn)動時刀具將帶動甘蔗實(shí)現(xiàn)進(jìn)給功能，于是便不再需要手動推進(jìn)，之后切削機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)相互配合依次循環(huán)對甘蔗進(jìn)行削皮。 圖 2-8 整體機(jī)構(gòu)布局視示意圖 1-夾持機(jī)構(gòu) 2-可調(diào)節(jié)直線軸承 3-直線導(dǎo)軌 4-切削機(jī)構(gòu) 2.4.2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計 整機(jī)的框架結(jié)構(gòu)初步確定采用鋁合金型材來搭建，因為鋁合金型材密度小， 比強(qiáng)度（強(qiáng)度與重量的比值）高，易于拼裝、拆卸和重復(fù)利用，是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶，建筑， 裝修及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。 本裝置大框架采用型號為 3030 鋁合金型材，對于局部小的支撐結(jié)構(gòu)采用 1515 鋁合金型材。型材之間采用鑄鋼角槽連接件連接，支撐座和型材之間采用滑塊螺母和螺釘來連接，對于結(jié)構(gòu)受力比較大的連接部位采取打孔后攻螺紋的方法然后使用螺栓聯(lián)接。樣機(jī)整體框架結(jié)構(gòu)和尺寸如圖 2-9 所示。 圖 2-9 整機(jī)框架結(jié)構(gòu)示意圖 1-外圍支撐框架 2-曲柄支撐座 3-導(dǎo)軌支座支架 4-傳感器支架 5-彈簧支撐支架 6-步進(jìn)電機(jī)支座 7-彈簧支撐支座 8-搖桿支架 2.5 本章小結(jié) 本章設(shè)計出了甘蔗削皮裝置的整體樣機(jī)，并對切削運(yùn)動結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)、切削刀架、夾持機(jī)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)和整機(jī)框架的設(shè)計作了詳細(xì)闡述。 主要有四個內(nèi)容： 1） 采用解析法設(shè)計了甘蔗去皮裝置的切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)，并使用 SolidWorks 軟件設(shè)計出其具體結(jié)構(gòu)。 2） 創(chuàng)新的設(shè)計出了具有自適應(yīng)甘蔗軸向變化和徑向大小的切削刀架。 3） 設(shè)計出了一種甘蔗切削裝置的夾持機(jī)構(gòu)。 4） 對各運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局，然后設(shè)計出了整機(jī)的支撐框架。 所設(shè)計出的樣機(jī)模型結(jié)構(gòu)合理并盡可能的采用了標(biāo)準(zhǔn)零部件，通用行好便于后續(xù)樣機(jī)的加工與制造。 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機(jī)的仿真分析 第3章 樣機(jī)的仿真分析 本章根據(jù)第二章設(shè)計出的樣機(jī)結(jié)構(gòu)利用Solidworks 的Cosmotion 插件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真和使用 ANSYS Workbench 對機(jī)身結(jié)構(gòu)做靜力和動力仿真來驗證設(shè)計是否合理，并在此基礎(chǔ)上做優(yōu)化改進(jìn)。 3.1 切削刀架結(jié)構(gòu)的仿真分析 本文采用大彈簧作為切削刀架是為了利用彈簧尺寸容易彈性變形的優(yōu)點(diǎn)，但是刀架又需要一定的剛度作為結(jié)構(gòu)的支撐，過大的彈性變形將使刀架在切削過程中出現(xiàn)問題。于是對切削刀架的結(jié)構(gòu)做仿真分析來確定結(jié)構(gòu)的尺寸和需要添加的支撐點(diǎn)變的很有必要。 對此結(jié)構(gòu)采用的分析軟件為 ANSYS Workbench，分析類型為靜力分析。 3.1.1 有限元靜力分析理論基礎(chǔ) 有限元靜力分析過程一般分以下幾步[31]： 第一步，按虛功原理建立單元節(jié)點(diǎn)力與單元節(jié)點(diǎn)位移函數(shù)關(guān)系，即 {F}e = [K ]e{d }e （3-1） 其中：{F}e 為單元節(jié)點(diǎn)列陣， [K ]e 為單元剛度矩陣，{d }e 為單元節(jié)點(diǎn)位移陣； 第二步，按靜力等效原則把每個單元所受的載荷向節(jié)點(diǎn)移置，并求和，從而 得到結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點(diǎn)載荷列陣{F}e ； 第三步，根據(jù)每一個節(jié)點(diǎn)相關(guān)單元的結(jié)構(gòu)總剛度矩陣[K ] ，建立整體結(jié)構(gòu)的 平衡方程：  {F} = [K ]olb66ld  （3-2） 該平衡方程式是一個非齊次線性方程組，方程的總個數(shù)等于結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)。在引入結(jié)構(gòu)的約束信息，消除了結(jié)構(gòu)的剛度矩陣[K ] 的奇異性后，便可由該線性 方程組解出未知的節(jié)點(diǎn)位移{d }[29]； 第四步，根據(jù)已知的節(jié)點(diǎn)位移，計算各單元的應(yīng)力。 在整個求解過程中，難點(diǎn)在于求解線性方程組。因為對于一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)， 自由度的數(shù)目可能成千上萬，然而一般價格的 PC 機(jī)運(yùn)行速度和內(nèi)存容量都很有限，所以很難滿足求解要求。工作站和大型計算機(jī)雖然可以解決這一問題，但價格往往比較高。此外，有限元求解結(jié)果與有限元模型的合理性和邊界條件加載的準(zhǔn)確性有密切的關(guān)系。 3.1.2 有限元仿真分析 1） 幾何模型前處理[32] 對于建立的有限元模型的基本要求為：a、網(wǎng)格大小適當(dāng)并且均勻。b、各個模型之間的接觸關(guān)系設(shè)置合理沒有人為引入接觸剛度。c、邊界條件和約束設(shè)置合理正確。 由于切刀和壓片都為薄壁件，可以對模型進(jìn)行抽中面處理來簡化模型。蓋形螺帽和螺柱刪除螺紋，然后采用求和布爾運(yùn)算形成一個體。模型與模型之間需要添加接觸的地方進(jìn)行映射處理，刪除結(jié)構(gòu)中多余的倒角和圓角和孔。如圖 3-1 和3-2 所示為模型幾何前處理結(jié)果。 圖 3-1 刀具與壓片模型前處理 29 2） 定義材料屬性 圖 3-2 彈簧模型前處理 根究所設(shè)計的切削裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)性質(zhì)，刀片和壓片采用SHELL181 單元，SHELL181單元適合用來分析中等厚度殼結(jié)構(gòu)。這種單元不但具有分析板殼類模型的彎曲和薄膜力學(xué)的功能，而且還可以考慮板殼類結(jié)構(gòu)的剪切變形。該類型單元的每個節(jié)點(diǎn)具有 6 個自由度：分別為沿著相應(yīng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系 x、y、z 三個方向的平移和繞 x、y、z 三個方向的旋轉(zhuǎn)。螺柱采用 SOLID186 單元，彈簧和蓋形螺母模型采用 SOLID185 單元。這兩種單元類型有 x、y、z 三個方向的自由度， 單元具有塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、大應(yīng)變等能力，便于施加載荷，且計算精度較高[29]。刀架各零部件材料和力學(xué)性能見表 3-1。 表 3-1 刀架零部件材料及其力學(xué)性能 零部件 彈性模量/( MPa ) 泊松比 密度/（ Kg / m3 ） 單元類型 彈簧 2.11E+05 0.288 7820 SOLID185 壓片 7.1E+04 0.33 2770 SHELL181 切刀 2.04E+05 0.285 7930 SHELL181 蓋形螺母 2.04E+05 0.285 7930 SOLID185 螺柱 2.04E+05 0.285 7930 SOLID186 3)劃分網(wǎng)格與有限元模型建立[33] 刀片和壓片采用四邊形面單元自由網(wǎng)格劃分，螺柱采用六面體掃掠網(wǎng)格劃分， 彈簧采用四面體單元 patch independent 劃分方法，最小尺寸極限設(shè)為 05mm，蓋形螺母采用四面體單元自由網(wǎng)格劃分。有限元模型總量為 1437604 個節(jié)點(diǎn) 855950 個單元，如圖 3-3 所示為切削刀架的有限元模型。 圖 3-3 切削裝置有限元模型 4） 邊界條件加載和添加接觸[34] 通過文獻(xiàn)查詢，甘蔗的削皮反力在 9N 左右，于是對每個刀片在切削反方向施加 10N 的力來模擬切削反力，同時在垂直方向給整個裝置施加 9.81 mm / s2 的重力加速度，并對彈簧架的固定支撐點(diǎn)施加固定約束，具體如圖 3-4 所示。 對于模型與模型之間添加綁定的接觸方式來模擬零部件間的螺栓和焊接連接，接觸公式采用多點(diǎn)約束（MPC）算法，因為這種算法通過內(nèi)部添加約束方程來聯(lián)接接觸面間的位移，并且多點(diǎn)約束算法不基于罰函數(shù)法或 Lagrange 乘子法而是直接處理綁定接觸接觸區(qū)域相關(guān)接觸面的方式，此外 MPC 算法還支持大變形效應(yīng)。接觸行為設(shè)置為非對稱行為，并且為每個接觸之間添加 Pinball 區(qū)域。Pinball 區(qū)域是設(shè)置的與接觸單元相關(guān)的一種參數(shù)，可以用來區(qū)分遠(yuǎn)場或近場的開放狀態(tài)，設(shè)置了這種參數(shù)的球形區(qū)域可以理解為包圍了每個接觸點(diǎn)。如果綁定接觸間隙小于 Pinball 半徑，系統(tǒng)將會默認(rèn)按綁定來處理這個區(qū)域。 5） 結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn) 圖 3-4 邊界條件加載示意圖 圖 3-5 所示為切削刀架結(jié)構(gòu)的整體變形結(jié)果，最大變形位移發(fā)生在壓片上為2.74mm，同時可以看到被圈出的區(qū)域前后刀片發(fā)生了干涉，而其他區(qū)域變形在接受范圍之內(nèi)。 圖 3-5 切削裝置整體變形結(jié)果云圖 所以可以通過在變形過大的彈簧支架附近增加固定支撐來解決這個問題。圖 3-6 為彈簧最大變形的位置和最大變形量為 2.67mm。 圖 3-6 彈簧變形云圖 圖 3-7 為彈簧的等效應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力為 130Mpa,遠(yuǎn)小于 65Mn 彈簧鋼的屈服應(yīng)力。 圖 3-7 彈簧等效應(yīng)力云圖 3.2 切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 本論文所設(shè)計的切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)是由型材拼裝起來的，型材之間的連接部位有可能是機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中最薄弱的環(huán)節(jié)。使用Solidworks 軟件的Cosmotion 插件對機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中的反力和反力矩進(jìn)行仿真分析來找出機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中所受反力以及所受反力矩最大時此機(jī)構(gòu)所處的位置，然后使用ANSYS Workbench 對此位置做幾何非線性的靜力學(xué)仿真來分析所設(shè)計的機(jī)構(gòu)是否滿足要求。 1） 載荷分析 本章第一節(jié)在對切削刀架做靜力分析時已經(jīng)得出在切削過程中刀架的切削反力為 120N，在 Solidworks 的 Cosmotion 環(huán)境下對機(jī)構(gòu)的工作行程階段施加 120N 的反作用力，如圖 3-8 所示。 圖 3-8 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作用力-時間曲線 然后對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行反力矩仿真，計算得出驅(qū)動軸的反作用力矩-時間數(shù)據(jù)曲線，如圖 3-9 所示，最大反作用力矩為 8560 N.mm ，即為要對此機(jī)構(gòu)所施加的載荷大小。此時機(jī)構(gòu)的狀態(tài)為滑塊位于近端極限位置，即為要做靜力分析的機(jī)構(gòu)位置。 圖 3-9 驅(qū)動軸反作用力矩-時間曲線 2） 導(dǎo)入模型、定義材料屬性 把當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊位于近端極限位置時的模型狀態(tài)導(dǎo)入到 ANSYS Workbench 中，然后根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)性質(zhì)，對軸和滾珠球軸承軸承采用 8 節(jié)點(diǎn)六面體 Solid186 單元，支撐座和關(guān)節(jié)軸承采用 8 節(jié)點(diǎn)四面體Solid185 單元來劃分，各部件材料和力學(xué)性能具體見表 3-2 所示。 表 3-2 零部件材料及其力學(xué)性能 零部件 彈性模量/( MPa ) 泊松比 密度/（ Kg / m3 ） 單元類型 軸 2.04E+05 0.285 7930 SOLID185 軸承 2.04E+05 0.285 7930 SOLID186 支撐座曲柄 7.1E+04 0.285 2770 SOLID185 3） 劃分網(wǎng)格 對軸和深溝球軸承采用六面體為主的網(wǎng)格劃分并對驅(qū)動軸進(jìn)行網(wǎng)格加密，支 撐座連桿軸承采用四面體自由網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果如圖 3-10 所示，網(wǎng)格總量為 16691，節(jié)點(diǎn)總量為 43184，有限元模型總量在可接受范圍。 圖 3-10 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)網(wǎng)格 4） 約束和載荷邊界條件加載 對驅(qū)動軸一端施加 8560N.mm 的驅(qū)動力矩，深溝球軸承支撐座底面和滑塊底面施加固定約束。為了模擬機(jī)構(gòu)中的鉸鏈連接和軸與軸承的轉(zhuǎn)動自由度，對模型中存在以上連接方式的采用無分離接觸。對于機(jī)構(gòu)中零部件之間的螺栓連接或者固定連接方式采用綁定接觸來模擬。打開 Large deflection 選項，使模型能夠?qū)崿F(xiàn)幾何非線性求解。 5） 結(jié)果分析 如圖 3-11 所示為驅(qū)動軸的扭轉(zhuǎn)變形矢量圖，通過觀察矢量云圖可知，軸的扭轉(zhuǎn)變形方向和變形大小的分布和理論相符合，所以此分析結(jié)果比較合理。最大變形為 0.194mm，位于軸的驅(qū)動端部。 圖 3-11 驅(qū)動軸扭轉(zhuǎn)變形矢量圖 圖 3-12 為驅(qū)動軸的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力位于與深溝球軸承相接觸的地方， 應(yīng)力大小為 72Mpa 遠(yuǎn)小于驅(qū)動軸材質(zhì)的屈服應(yīng)力，所以驅(qū)動軸滿足設(shè)計要求。 圖 3-12 驅(qū)動軸應(yīng)力云圖 圖 3-13 所示為曲柄與驅(qū)動軸連接的反力矩方向，繞驅(qū)動軸方向的反力矩分量T 為5988.2N.mm，由驅(qū)動軸和曲柄間的靜摩擦系數(shù) f 為0.3 和驅(qū)動軸直徑 D 為 12mm 帶入下式計算：  FN =  2T f .D  （3-3） 式中 FN 為夾緊力，得 FN 為 3326.8N； 由《GB/T 16823.1-1997 螺紋緊固件應(yīng)力截面積和承載面積》標(biāo)準(zhǔn)，查得 M6 螺牙螺紋應(yīng)力面積為 20.1 mm2 ，許用拉伸應(yīng)力為 640Mpa，所以計算得螺釘?shù)脑S 用拉力為 12864 N > 3326.8N 的工作拉力。 圖 3-13 曲柄反作用力矩方向 此外，當(dāng)機(jī)構(gòu)位于此運(yùn)動位置時曲柄整體所受的最大應(yīng)力為 17.3Mpa，應(yīng)力云圖如圖 3-14 所示，遠(yuǎn)小于鋁合金的屈服應(yīng)力。所以，設(shè)計的曲柄結(jié)構(gòu)滿足使用要求。 圖 3-14 曲柄應(yīng)力云圖 3.3 框架支撐結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析 模態(tài)分析是對結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性進(jìn)行研究的常用方法，是采用系統(tǒng)識別的方法在工程振動中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型[36]。模態(tài)分析是對這些模態(tài)參數(shù)通過計算或?qū)嶒灚@得的過程。由于電機(jī)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是樣機(jī)運(yùn)行過程中的振動源，如果這些振動源的激勵頻率和支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時將會使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。由于支撐結(jié)構(gòu)是由型材通過連接件所拼裝的，長時間的共振會使型材之間的連接發(fā)生松動， 所以有必要對框架支撐結(jié)構(gòu)做模態(tài)分析以確定描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的固有頻率、阻尼比和振型的模態(tài)參數(shù)。對其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行分析，來找出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在動力學(xué)方面存在的問題。 有限元分析軟件 ANSYS 提供的模態(tài)提取方法有[36]： 子空間法（ Subspace ）：此方法計算速度較慢但求解精度高，適用于求解大 規(guī)模的對稱特征值問題。 分塊蘭索斯法（ Block Lanczos ）：此方法計算速度快而且求解精度高，適合于求解大規(guī)模的對稱特征值問題。 凝聚法（ Reduced ）：此方法計算速度快但精度較低，主自由度的數(shù)目以及其相應(yīng)位置對計算結(jié)果影響大。 非對稱法（ Unsymmetric ）：適用于求解剛度和質(zhì)量矩陣為非對稱的問題。該方法有可能遺漏一部分高頻模態(tài)。 阻尼法（ Damped ）：適用于求解阻尼不可忽略時的問題。 QR 阻尼法（ QR Damped ）：適用于求解大阻尼系統(tǒng)的問題。不適用于提取臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)的模態(tài)。計算精度取決于模態(tài)數(shù)目。 大多數(shù)分析過程將選用Block Lanczos（分塊蘭索斯）法、Subspace (子空間) 法、Power Dynamics 法和 Reduced(縮減)法[36]。本文默認(rèn)采用分塊蘭索斯法。1）有限元模型簡化 為了使有限元模型能夠滿足求解要求，需要對幾何模型進(jìn)行處理和簡化：a、刪除模型中的工藝倒角和圓角。b、刪除對結(jié)果沒有影響的孔和細(xì)小附件。c、對模型之間需要添加接觸的模型表面做映射處理。 2） 定義材料屬性 根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)性質(zhì)，鋁合金型材采用 8 節(jié)點(diǎn)六面體 solid186 單元類型來劃分網(wǎng)格，軸、曲柄、支撐座采用 8 節(jié)點(diǎn) solid185 單元類型來劃分。這兩種單元具有塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、大應(yīng)變等能力，便于施加載荷，且計算精度較高。各部件材料和力學(xué)性能見表 3-3。 表 3-3 部件材料及其力學(xué)性能 零部件 彈性模量/( MPa ) 泊松比 密度/（ Kg / m3 ） 單元類型 型材 7.1E+04 0.33 2770 SOLID186 軸 2.04E+05 0.285 7930 SOLID185 軸承 2.04E+05 0.285 7930 SOLID186 支撐座曲柄 7.1E+04 0.285 2770 SOLID185 3） 劃分網(wǎng)格 對型材和軸承采用掃掠的網(wǎng)格劃分方法，軸、支撐座和曲柄采用大小控制的自由網(wǎng)格劃分方法。有限元模型總量為 793029 個節(jié)點(diǎn)，236141 個網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 3-15 所示。 30 4） 邊界條件加載 圖 3-15 框架支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型 對結(jié)構(gòu)底座施加固定約束，電機(jī)、刀架和電器部分使用質(zhì)量單元附著在支撐結(jié)構(gòu)上。 5） 結(jié)果分析 本文提取了支撐結(jié)構(gòu)的前 9 階模態(tài)列于表 3-4。 表 3-4 支撐結(jié)構(gòu)固有頻率 階數(shù) 固有頻率/（Hz） 階數(shù) 固有頻率/(Hz) 階數(shù) 固有頻率/（Hz） 1 54.791 4 89.497 7 107.92 2 64.643 5 93.836 8