自動化甘蔗削皮裝置的研制-碩士論文

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1、 學校代碼：10255 學號：2130724 自動化甘蔗削皮裝置的研制 DESIGN AND STUDY OF THE AUTOMATIVE SUGARCANE PEELING DEVICE 作者姓名： 王曙光 專業(yè)名稱： 機械工程 導師名稱： 單鴻波 答辯日期： 2015 年 5 月 東華大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：我恪守學術道德，崇尚嚴謹學風。所呈交的 學位論文，是本人在導師

2、的指導下，獨立進行研究工作所取得的 成果。除文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其 他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本 人親自撰寫，我對所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律 結果由本人承擔。 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 東華大學學位論文版權使用授權書 學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同 意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允 許論文被查閱或借閱。本人授權東華大學可以將本學位論文的全部或 部分內(nèi)容編

3、入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復 制手段保存和匯編本學位論文。 保密 ，在___年解密后適用本版權書。 本學位論文屬于 不保密 。 學位論文作者簽名： 指導教師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 自動化甘蔗削皮裝置的研制 摘要 自動甘蔗削皮裝置是一種可以實現(xiàn)甘蔗削皮的設備和機器。目前， 無論在甘蔗相關的食品加工領域還是民眾對甘蔗的日常消費中，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

4、定程度上阻礙了甘蔗相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 首先，在總結與分析現(xiàn)存甘蔗削皮機優(yōu)缺點的基礎上并結合甘蔗 皮層的切削特性，創(chuàng)新的設計出了甘蔗削皮裝置的切削機構、夾持機 構和整機框架結構。 其次，在對各機構進行運動學分析的基礎上使用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 對切削刀架的裝配結構和切削運動機構做靜力學 仿真來模擬切削過程中結構處于受力和力矩最大狀態(tài)下的應力和變 形情況，從而驗證裝配和零部件是否滿足設計要求。 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 基礎上，設計了控制系統(tǒng)的硬件和軟件部分，包括設計電氣原理圖、 電

5、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，在前三章的設計和分析基礎上制作了自動化甘蔗削皮裝置 的實物樣機，并對樣機進行試運行和調(diào)試，最終順利實現(xiàn)對甘蔗的削 皮功能。 關鍵詞:甘蔗削皮，機構設計，仿真分析，樣機制作 DESIGN AND STUDY OF THE AUTOMATIVE SUGARCANE PEELING DEVICE Abstract Sugarcane peeling device is a kind of equipment or machine

6、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

7、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

8、 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 cut

9、ting 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 syst

10、em, 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 estab

11、lishment 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. Wang Shuguang（Mechanical Eng

12、ineering） Supervised by Hongbo Shan 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 甘蔗力學性能的研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 甘蔗切削機理研究現(xiàn)狀 4 1.2.3 切削裝置的研究現(xiàn)狀 5 1.2.4 第一代樣

13、機目前存在的問題 6 1.3 本文主要研究內(nèi)容 7 1.4 本章小結 8 第 2 章 樣機總體方案設計 9 2.1 樣機總體設計 9 2.2 切削機構設計 10 2.2.1 切削機構的方案設計 10 2.2.2 切削機構的運動機構設計 10 2.2.3 運動機構的具體結構設計 11 2.2.4 切削機構刀架的設計 12 2.3 夾持機構設計 14 2.3.1 夾持機構方案設計 14 2.3.2 夾持機構的結構設計 15 2.4 整機機構布局與框架設計 16 2.4.1 整體機構布局 16 2.4.2 框架

14、結構設計 17 2.5 本章小結 18 第 3 章 樣機的仿真分析 19 3.1 切削刀架結構的仿真分析 19 3.1.1 有限元靜力分析理論基礎 19 3.1.2 有限元仿真分析 20 3.2 切削運動機構的結構分析 24 3.3 框架支撐結構的模態(tài)分析 28 3.3.1 本章小結 32 第 4 章 樣機控制系統(tǒng)設計 33 4.1 控制系統(tǒng)方案設計 33 4.1.1 控制系統(tǒng)的設計要求 33 4.1.2 控制系統(tǒng)的方案論證 34 4.2 控制系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn) 34 4.2.1 電氣原理圖的設計 34

15、 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)軟件設計 40 4.3.1 PLC 程序設計步驟及方法 40 4.3.2 控制系統(tǒng)流程圖的設計 41 4.3.3 PLC 梯形圖程序的編制 42 4.4 本章小結 43 第 5 章 樣機的安裝及調(diào)試 45 5.1 樣機的試制與安裝 45 5.1.1 整機結構的安裝 45 5.1.2 鍵零部件加工與裝

16、配 45 5.1.3 電氣元件的安裝與接線 50 5.2 樣機的試運行與調(diào)試 51 5.3 本章小結 52 第 6 章 總結與展望 53 6.1 課題研究工作總結 53 6.2 本文局限與展望 53 參考文獻 55 攻讀碩士學位期間的研究成果 58 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)

17、 豐富，深受人們的喜愛。現(xiàn)代醫(yī)學研究表明，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 工對甘蔗進行削皮，但人工削皮費時費力，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，若采用一種能夠對甘蔗高效削 皮的機器，將會大大提高生產(chǎn)效率，

18、降低生產(chǎn)成本。因此，對甘蔗削皮機械進行 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。 目前已有一些實現(xiàn)切削功能的甘蔗去皮機的出現(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會制造出垃圾。這 些都注定了甘蔗去皮機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)濟又實用的甘蔗削皮裝置值 得深入研究和設計。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 1.2.1 甘蔗力學性能的研究現(xiàn)狀 甘蔗是各向異性、非勻質、非線性的材料。研究甘蔗莖稈的力學性能對于研 究

19、甘蔗的切削過程以及切削刀具的設計具有重要意義。同時甘蔗莖稈物理力學特 性是建立甘蔗莖稈材料模型和莖稈在各種荷載下本構關系的基礎[6][7]。對于甘蔗 切削原理的研究可為甘蔗去皮機械的研制奠定基礎，目前對于甘蔗力學性能的研 究主要集中在如下實驗。 1.2.1.1 甘蔗在彎曲載荷下的破壞實驗 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 1 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 模量和抗彎強度，之后觀察甘蔗的破壞形式，并進行相應分析。 同一株甘蔗的不同部位有著不同的力學性能。中部、尾部和基部達到最大彎 曲應力時,觀察到的甘蔗彎曲破

20、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,最大剪應力位于中性層處,沿試樣長度方向產(chǎn)生 中性層裂紋。再進一步施加荷載時,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,當采用圖1-2 所示的加載方式,靠近甘蔗節(jié)處的最大

21、彎曲部位 首先達到破壞極限從而產(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雜性。 1.2.1.2 甘蔗莖稈在壓縮載荷下的實驗[10] 0 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 2 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 荷載下隨著實驗 529B 增加逐步達到破壞極限。

22、 0 1-2 壓縮載荷-時間曲線 0 1-3 是甘蔗莖在壓縮載荷下的破壞形式。當蔗皮產(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。 0 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驗 0 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

23、 圖 1-4 蔗皮破壞形式 3 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 a 蔗芯軸向破壞形式 b 蔗芯徑向破壞形式 0 1-5 蔗芯破壞形式 1.2.2 甘蔗切削機理研究現(xiàn)狀 對于甘蔗切削原理的研究，目前主要運用實驗的方法或者通過實驗作為驗證 建立有限元模型后運用顯示動力學的方法來研究切削過程的機理。 1.2.2.1 甘蔗莖稈橫向切割機理 對于橫向切割機理的研究主要應用于甘蔗收獲機的切削過程。甘蔗收獲機在 工作過程中存在甘蔗割茬不整齊、切割損失較大等缺陷，這些將會嚴重影響甘蔗

24、 收獲機的使用和推廣。為此，根據(jù)目前國內(nèi)外對甘蔗莖稈力學性能、切割刀具以 及切削理論等方面的研究，提出了一種結合甘蔗莖稈材料特點和其力學特性來研 究甘蔗的切割機理的方法，將會更具有科學性。 建立三維甘蔗切割器系統(tǒng)動力學可視化仿真模型，利用 ANSYS/LS-DYNA 求解器進行仿真求解，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)動力學仿真 通過仿真與實驗結果可以得出如下結論： 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 材料模型進行建模以及建立的切割

25、器系統(tǒng)動力學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

26、 235.82～ 297.98N[13]。 4 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 1.2.2.2 甘蔗莖稈縱向切割機理 甘蔗皮層的削皮受力變化研究是甘蔗削皮機械研制的理論基礎。目前國內(nèi)外 研究重點主要集中在甘蔗莖稈的力學特性方面研究，甘蔗相關機械的研究重點主 要集中在甘蔗莖稈的切割機械的研制[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驗，所以對于這部分的詳細深入研究還是空白。 不同刀片刃口在切削甘蔗皮時，刀片受力實驗結果如圖 1-7 所示[15][16]：

27、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)間削皮的實驗結果為，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)點削皮的實驗結果為，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) 中進行削皮時阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。 3

28、）由于甘蔗莖稈各部位的纖維排列不同，對節(jié)間和節(jié)點處削皮時，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計的一種切削裝置，此裝置設置多 個切削機架，按照沿甘蔗移動方向依次設置。切削刀架通過環(huán)形均勻排布在機架 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個方向進行切削，切削后的甘蔗截

29、面呈12 邊形。 5 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 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行切削的同時刀具圍繞 甘蔗圓周轉動，從而實現(xiàn)甘蔗去皮的目的。螺旋切削裝置的傳動原理為，電機通 過減速后帶動切削主軸旋轉，切削主軸帶動軸套轉動，絲盤上的端面螺紋在與其 相連

30、接的軸套帶動下轉動，之后帶動與絲盤嚙合的進給齒輪轉動，齒輪在彈簧作 用下壓在甘蔗上，從而帶動甘蔗進入切削系統(tǒng)。在進行切削時，刀具轉動的同時， 機架會繞切削筒圓周轉動，從而實現(xiàn)甘蔗的切削。 1.2.4 第一代樣機目前存在的問題 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容易導致刀架卡死。此 外由于此裝置沒有引入運動檢測和控制部分，所以刀架切削運動和進給運動之間 長久的協(xié)調(diào)性無法保障。

31、 圖 1-8 第一代樣機切削裝置 2）機身結構存在的問題 如圖 1-9 所示為第一代樣機整機的三維模型，由于樣機的重心位置偏高而且 支撐架比較薄弱所以在樣機實際運行過程中會引起比較大的晃動，并且伴隨有比 6 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 較大的噪音。 圖 1-9 第一代樣機整機模型 3）進給裝置存在的問題 進給裝置采用的是上下一對橡膠輪來同時實現(xiàn)夾緊和進給功能。但是橡膠輪 和

32、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導致切削和進給運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 本文在總結與分析現(xiàn)存甘蔗削皮機及東華大學第一代甘蔗削皮機樣機的基 礎上，創(chuàng)新的設計出了一種自動化甘蔗削皮裝置，并設計樣機的控制系統(tǒng)，最后 制作實物樣機并對其進行調(diào)試使其滿足預計設計目標。 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)進行了 綜述，并根據(jù)國內(nèi)外的論文文獻、專利和

33、市場上已投入使用的產(chǎn)品進行總結，分 析了它們的優(yōu)缺點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。 第二章樣機總體方案設計。在總結與分析現(xiàn)存甘蔗削皮機優(yōu)缺點的基礎上， 對樣機進行方案設計并創(chuàng)新的設計出了一種具有自適應甘蔗莖稈走向的甘蔗切 削機構、帶有自鎖夾緊功能的夾緊裝置和整機框架結構。 第三章樣機仿真分析。利用 SolidWorks 的運動分析功能進行機構的運動仿 7 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 真和使用 ANSYS Workbench 對機身結構做靜力和動力仿真來驗證設計是否合理， 并在此基礎上對結構做優(yōu)化改進。

34、 第四章樣機控制系統(tǒng)設計。首先對樣機的控制系統(tǒng)進行功能需求分析及方案 論證，設計控制電氣原理圖，然后選擇合適的 PLC 機型及電器元件，并設計 PLC 輸入輸出接線圖，最后編制 PLC 控制程序。 第五章樣機的安裝與調(diào)試。主要內(nèi)容為根據(jù)設計的結構尺寸對樣機關鍵零部 件進行加工，整機的裝配，控制電路接線及對樣機的運行狀況進行評估找出運行 過程中存在的問題然后進行調(diào)試直到滿足設計的預定目標。 第六章結論和展望。為作者對本課題所做的工作進行總結和展望。 1.4 本章小結 本章首先對本課題的選題背景及意義進行了介紹，然后對甘蔗的力學性能、 甘蔗莖稈的切削機

35、理研究現(xiàn)狀及目前存在的切削裝置進行了概述。最后對東華大 學第一代甘蔗削皮機樣機的研究情況進行了分析，找出了切削裝置在運行過程中 存在的缺陷，如切削裝置沒有良好的自適應性，進給裝置存在傳動累積誤差等。 因此要實現(xiàn)對甘蔗良好的切削功能，需要在第一代樣機研究基礎上，重新對甘蔗 削皮機進行創(chuàng)新設計，本文將對本課題進行詳細闡述。 8 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 第2章 樣機總體方案設計 2.1 樣機總體設計

36、 根據(jù)甘蔗的力學性能和甘蔗皮層的切削特性，并在總結與分析現(xiàn)存甘蔗切削 設備優(yōu)缺點的基礎上，創(chuàng)新性的設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的樣機模型，如圖 2-1a、2-1b 所示。 a.樣機整機俯視示意圖 b.樣機整機左視示意圖 1-主電機 2-夾緊裝置 3-刀架 4-夾緊機構電機 5-支撐框架 6-傳感器支架 7-切削機構 8-控制柜支架 圖

37、 2-1 樣機整機結構示意圖 9 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 2.2 切削機構設計 2.2.1 切削機構的方案設計 對于甘蔗削皮機的切削機構，按照切削方式的不同可以分為縱向切削方式的 切削機構、仿形切削方式的切削機構和螺旋切削方式的切削機構。 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動來實現(xiàn)削皮。這種切削方式的 優(yōu)點是刀具的切削方向和甘蔗的木質結構方向一致，所以切削力比較小，同時刀 架的運動機構也相對比較簡單。缺點是因為要在刀架

38、上布置多把切刀，所以刀架 的結構會稍微復雜。 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，對甘蔗表皮進行切削。這種切削方式的優(yōu)點是切除的甘蔗皮是碎屑狀的便 于垃圾的回收處理，缺點是刀具比較復雜制造的成本高。 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行切削的同 時刀具圍繞甘蔗圓周轉動，從而實現(xiàn)甘蔗去皮的目的。這種切削方式的優(yōu)點是由 于刀具圍繞甘蔗進行圓周切削所以結構可以做的比較緊湊，缺點是刀具的圓周運 動要引入行星輪系所以運動機構比較復雜。 表 2-1 切削方式方案優(yōu)缺點對比 方案一

39、 方案二 方案三 優(yōu)點 切削力小、切削機構簡 垃圾便于處理 切削結構緊湊 單、多功能切削 缺點 刀架結構稍復雜 刀具復雜、制造成本高 運動機構復雜、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構。 2.2.2 切削機構的運動機構設計 對于直線往復運動的機構有曲柄滑塊機構、齒輪齒條機構、渦輪蝸桿機構、 滾珠絲杠螺母運動機構和采用液壓氣動元件來實現(xiàn)直線往復運動的機構等

40、[26][27]。 綜合考慮本課題的使用條件和易于加工性，以本文選擇的運動機構為曲柄滑塊機 構來實現(xiàn)切削裝置的直線往復運動。 10 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 圖 2-2 曲柄滑塊機構運動簡圖 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， 采用解析法設計此曲柄滑塊機構，如圖 2-2 為此曲柄滑塊機構運動簡圖； 由 K=1.15 代入公式 K -1 180 ，算得極位夾角 =12.5581

41、。將 和l1 值 K +1 代入下式計算： h (l2 + l1 )2 + (l2 - l1 )2 - 2 (l2 + l1 )(l2 - l1 )cos （1-1） l1 (a +1)2 + (a -1)2 - 2 (a +1)(a -1)cos 式中a l2 / l1 。得l2 =185.194mm。 將 ，l1 和l2 值代入下式計算： arccos e - arccos e （1-2） l1 + l2 l2 - l1 得含有未知數(shù)e 的一元方程式，用弦位法解得：e =69.98mm

42、。 機構的最大壓力角 max arcsin e + l1 38.775 40 滿足許用壓力角的要求。 l2 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，設計的此曲柄滑塊機構滿足要求。 2.2.3 運動機構的具體結構設計 如圖 2-3 所示為切削裝置運動機構的結構裝配圖。刀具框架采用 1515 結構 11 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 鋁型材來搭建，框架通過軸支撐和直線滑動軸承與光軸導軌連接來實現(xiàn)直線運動。 刀具框架前端采用軸支撐和光軸來建立鉸接點與連桿軸承相連接，連

43、桿的另一端 與由兩個軸支持型材所拼裝的曲柄連接。當驅動軸開始旋轉時，曲柄通過連桿帶 動刀具框架在光軸導軌上作往復運動。 圖 2-3 切削裝置結構示意圖 1-導軌支撐座 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 切削機構刀架的設計 由于甘蔗莖稈的形狀和尺寸是隨機變化的，設計出的切削裝置要有快速適應 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的諸多發(fā)明專利和 現(xiàn)

44、存的相似結構裝置設計出了一種新穎而且能夠快速適應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構示意圖。兩個蓋形螺母采用不 銹鋼點焊的方式與刀片聯(lián)接，然后通過螺柱使刀片固定在壓片上。當用此切刀來 切削竹子皮時，只需更換相應尺寸的橫向壓片便可以改變刀具的切削半徑。 12 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 圖 2-4 切刀結構示意圖 1-螺母 2

45、-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。此結構的優(yōu)點是可以是在切削過程中切刀既可以適應甘 蔗徑向的尺寸變化同時也可以在一定范圍內(nèi)適應甘蔗軸向的變化，圖 2-5 為切削 刀架的結構示意圖。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

46、刀架結構示意圖 1-切刀 2-彈簧支架 13 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 圖 2-6 切削刀架主視圖 2.3 夾持機構設計 2.3.1 夾持機構方案設計 在甘蔗削皮過程中，不僅要求有進給的功能同時還要求有夾持功能。夾緊進 給機構通常分為兩類，一類是一個機構來同時實現(xiàn)夾持和進給功能，另一類為兩 個機構協(xié)調(diào)運動來滿足夾持和進給功能。 第一種方案：橡膠輪驅動的夾緊進給機構。這種裝置屬于第一類夾緊進給裝 置，它利用帶有驅動

47、力的上下橡膠輪來同時實現(xiàn)進給和夾緊功能。運行過程為， 橡膠輪通過旋轉來驅動甘蔗前進進入切削部分，切削部分中刀具依次對甘蔗的不 同位置進行切削，去皮之后甘蔗繼續(xù)向前運動，出料橡膠輪旋轉來驅動甘蔗前進， 離開出料口。這種裝置的優(yōu)點是尺寸可以做的比較緊湊，缺點是上下橡膠輪與甘 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致甘蔗壓裂。 第二種方案：絲杠螺母驅動的夾緊進給機構。這種機構屬于第一類夾緊進給 機構，它利用絲杠螺母運動機構來實現(xiàn)甘蔗切削的進給功能，同時利用絲杠螺母 運動副中絲杠只能帶動螺母運動的性質來實現(xiàn)機構的夾緊

48、功能。機構的運行過程 為，電機帶動絲杠轉動時螺母與移動支撐同時運動，移動支撐上的固定裝置帶動 甘蔗實現(xiàn)進給夾緊功能。這種裝置的優(yōu)點是可以施加比較大的夾緊力，缺點是因 為導軌的尺寸需要做的很長從而導致整體的結構尺寸比較大。 第三種方案：基于連桿機構的夾緊進給機構。這種裝置屬于第二類夾緊進給 機構，通過兩個對稱的雙搖桿機構的往復運動來實現(xiàn)甘蔗的夾持功能，同時利用 刀架的回程運動來帶動甘蔗實現(xiàn)進給。這種裝置的優(yōu)點是結構簡單緊湊，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，同時機構還引入了自鎖夾 14 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計

49、 緊功能。缺點是需要制作鉸鏈，所以結構稍復雜。 表 2-2 夾緊進給機構方案優(yōu)缺點對比 方案一 方案二 方案三 優(yōu)點 結構簡單緊湊 夾緊力大 結構緊湊、接觸面積大 缺點 接觸面積小、容易壓 結構尺寸大、結構復雜 結構稍復雜 裂甘蔗 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 三種夾緊進給方案。 2.3.2 夾持機構的結構設計

50、采用一對對稱的分別使用一個驅動桿來帶動前后兩個雙搖桿作為夾持裝置 的運動機構，同時配合傳感器和步進電機主軸的往復正反運動來控制執(zhí)行搖桿的 往復擺動，從而實現(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 中的草圖來近似設計此六桿機構，初步以驅動桿l1 =62mm， 一邊雙搖桿機架長度a =406mm 另一邊雙搖桿機架長度 b=456mm，偏置長度e =112mm，當搖桿l2 從距垂直夾角 15°轉動到 45°時，同時連桿l3 也近似從垂直 夾角 15°轉動到 45°。 當搖桿l2 和l3 均與垂直方向夾角為 15°時，機構處于夾緊狀態(tài)，

51、在保證不與 其它結構和機構干涉的情況下，假設此時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l2 轉動到l2 ' 位置時，如圖 2-14 所示，l3 轉動到與垂直方向夾角為 47.67°位置，所以設計的此夾緊機構尺 寸滿足使用要求。 如圖2-7 所示為夾持機構的結構示意圖，步進電機主軸直接與驅動搖桿連接， 搖桿另一端通過復合鉸鏈與兩個傳動連桿連接，連桿另一端通過關節(jié)軸承與由槽 鋁和板鋁所組成的夾緊執(zhí)行結構相連接。作為執(zhí)行搖桿的板鋁通過鉸鏈固定在固 定支撐座上，當步進電機主軸往復旋轉時，執(zhí)行搖桿來回

52、搬動的同時帶動夾緊執(zhí) 行結構實現(xiàn)開啟和閉合夾緊。 15 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 圖 2-7 夾持機構俯視示意圖 1、5-連桿 2、13-槽鋁 3、10-鋁板 4-連桿軸承 7-驅動搖桿 8-步進電機支架 9-步進電機 11-角鋁 12-支撐座 相互對稱的兩個步進電機使用同一塊步進電機驅動器來保證兩個電機的同 步運轉，電機主軸的正反轉動帶動由結構角鋁和槽鋁組成的夾具的開啟和閉合。 根據(jù)設計要求，當夾具處于夾緊位置時（

53、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)向前運動小段距離，從而形成機械自鎖來保持足夠大 的夾緊力。 2.4 整機機構布局與框架設計 本節(jié)按照切削運動機構的結構尺寸和進給夾緊機構的結構尺寸來設計樣機 整機的結構框架，并按照可加工易裝配的原則為后續(xù)樣機的試制和裝配提供指導。 2.4.1 整體機構布局 如圖 2-8 所示為切削運動機構與夾持運動機構的結構布局示意圖。由曲柄滑 塊運動機構組成的切削機構和由搖桿機構組成的夾持機構裝配原則是直線切削 運動和夾持裝置的夾緊運動保持在一個平面內(nèi)。為了實現(xiàn)刀架的直線運動，結構 中引

54、入了直線軸承和直線導軌。當甘蔗開始送入夾緊機構時，夾緊執(zhí)行端開始夾 緊并隨著手動的推進切削裝置開始切削甘蔗皮層，同時切去的甘蔗皮會卡進刀具 里。當切削機構開始回程運動時刀具將帶動甘蔗實現(xiàn)進給功能，于是便不再需要 手動推進，之后切削機構和夾緊機構相互配合依次循環(huán)對甘蔗進行削皮。 16 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 圖 2-8 整體機構布局視示意圖 1-夾持機構 2-可調(diào)節(jié)直線軸承 3-直線導軌 4-切削機構 2.4.2 框架結構設計 整機的框架結構初步

55、確定采用鋁合金型材來搭建，因為鋁合金型材密度小， 比強度（強度與重量的比值）高，易于拼裝、拆卸和重復利用，是工業(yè)中應用最 廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶，建筑， 裝修及化學工業(yè)中已大量應用。 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構采用 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，對于結構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。樣機整體框架結構和尺寸如圖 2-9 所示。 圖 2-

56、9 整機框架結構示意圖 1-外圍支撐框架 2-曲柄支撐座 3-導軌支座支架 4-傳感器支架 5-彈簧支撐支架 6-步進電機支座 7-彈簧支撐支座 8-搖桿支架 17 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 2.5 本章小結 本章設計出了甘蔗削皮裝置的整體樣機，并對切削運動結構及其結構、切削 刀架、夾持機構及其結構和整機框架的設計作了詳細闡述。 主要有四個內(nèi)容： 1）采用解析法設計了甘蔗去皮裝置的切削運動機構，并使用 SolidWorks 軟 件設計出其具體結構。 2）創(chuàng)新的設計出了具有自適應甘蔗軸向變化和徑

57、向大小的切削刀架。 3）設計出了一種甘蔗切削裝置的夾持機構。 4）對各運動機構進行結構布局，然后設計出了整機的支撐框架。 所設計出的樣機模型結構合理并盡可能的采用了標準零部件，通用行好便于 后續(xù)樣機的加工與制造。 18 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 第3章 樣機的仿真分析 本章根據(jù)第二章設計出的樣機結構利用Solidworks 的Cosmotion 插件進行

58、機 構的運動仿真和使用 ANSYS Workbench 對機身結構做靜力和動力仿真來驗證設 計是否合理，并在此基礎上做優(yōu)化改進。 3.1 切削刀架結構的仿真分析 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，但 是刀架又需要一定的剛度作為結構的支撐，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構做仿真分析來確定結構的尺寸和需要添加的 支撐點變的很有必要。 對此結構采用的分析軟件為 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 有限元靜力分析過程一般分以下幾步[

59、31]： 第一步，按虛功原理建立單元節(jié)點力與單元節(jié)點位移函數(shù)關系，即 {F}e [K]e{ }e （3-1） 其中：{F}e 為單元節(jié)點列陣，[K]e 為單元剛度矩陣，{ }e 為單元節(jié)點位 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)點移置，并求和，從而 得到結構的等效節(jié)點載荷列陣{F}e ； 第三步，根據(jù)每一個節(jié)點相關單元的結構總剛度矩陣[K ]，建立整體結構的 平衡方程： {F} [K]{ } （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)等于結構的自由度數(shù)。 在引入結構的約束信息，消除了結構的剛度矩

60、陣[K ]的奇異性后，便可由該線性 方程組解出未知的節(jié)點位移{ }[29]； 19 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 第四步，根據(jù)已知的節(jié)點位移，計算各單元的應力。 在整個求解過程中，難點在于求解線性方程組。因為對于一個復雜的結構， 自由度的數(shù)目可能成千上萬，然而一般價格的 PC 機運行速度和內(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，有限元求解結果與有限元模型的合理性和邊界條件加載的 準確性有密切的關系。 3.1.2 有限元仿真分析 1）幾何模型前處理

61、[32] 對于建立的有限元模型的基本要求為：a、網(wǎng)格大小適當并且均勻。b、各個 模型之間的接觸關系設置合理沒有人為引入接觸剛度。c、邊界條件和約束設置 合理正確。 由于切刀和壓片都為薄壁件，可以對模型進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算形成一個體。模型與模型之間需要 添加接觸的地方進行映射處理，刪除結構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果。 圖 3-1 刀具與壓片模型前處理 20

62、 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 圖 3-2 彈簧模型前處理 2）定義材料屬性 根究所設計的切削裝置的結構特點和力學性質，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構。這種單元不但具有分析板 殼類模型的彎曲和薄膜力學的功能，而且還可以考慮板殼類結構的剪切變形。該 類型單元的每個節(jié)點具有 6 個自由度：分別為沿著相應節(jié)點坐標系 x、y、z 三個 方向的平移和繞 x、y、z 三個方向的旋轉。螺柱采用 SOLID186 單元，彈

63、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、應力強化、大應變等能力，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性能見表 3-1。 表 3-1 刀架零部件材料及其力學性能 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 0.28

64、5 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 855950 個單元，如圖 3-3 所示為切削刀架的有限元

65、模型。 21 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 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

66、接，接觸公式采用多點約束（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)域相關接觸面的方式，此外 MPC 算法還支持大 變形效應。接觸行為設置為非對稱行為，并且為每個接觸之間添加 Pinball 區(qū)域。 Pinball 區(qū)域是設置的與接觸單元相關的一種參數(shù)，可以用來區(qū)分遠場或近場的開 放狀態(tài)，設置了這種參數(shù)的球形區(qū)域可以理解為包圍了每個接觸點。如果綁定接 觸間隙小于 Pinball 半徑，系統(tǒng)將會默認按綁定來處理這個區(qū)域。 22 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 圖 3-4 邊界條件加載示意圖 5）結果分析與結構改進 圖 3-5 所示為切削刀架結構的整體變形結果，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