自动化甘蔗削皮装置的设计

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摘要 自动甘蔗削皮装置是一种可以实现甘蔗削皮的设备和机器。目前， 无论在甘蔗相关的食品加工领域还是民众对甘蔗的日常消费中，甘蔗 的削皮仍旧以手工方式为主。手工对甘蔗削皮效率不高而且容易划伤 手，因此在一定程度上阻碍了甘蔗相关产业的发展。 首先，在总结与分析现存甘蔗削皮机优缺点的基础上并结合甘蔗皮层的切削特性，创新的设计出了甘蔗削皮装置的切削机构、夹持机构和整机框架结构。 其次，在对各机构进行运动学分析的基础上使用有限元分析软件ANSYS Workbench 对切削刀架的装配结构和切削运动机构做静力学仿真来模拟切削过程中结构处于受力和力矩最大状态下的应力和变形情况，从而验证装配和零部件是否满足设计要求。 再次，在对甘蔗削皮装置的控制系统功能需求分析和方案论证的基础上，设计了控制系统的硬件和软件部分，包括设计电气原理图、电气元件的计算选型、PLC I/O 元件分配及其接线图，之后编制了 PLC 的控制程序。 最后，在前三章的设计和分析基础上制作了自动化甘蔗削皮装置的实物样机，并对样机进行试运行和调试，最终顺利实现对甘蔗的削皮功能。 关键词:甘蔗削皮，机构设计，仿真分析，样机制作 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. 目录 摘要 1 Abstract 1 第 1 章绪论 1 1.1 本课题的选题背景及意义 1 1.2 国内外研究现状及发展动态 1 1.2.1 甘蔗力学性能的研究现状 1 1.2.2 甘蔗切削机理研究现状 4 1.2.3 切削装置的研究现状 5 1.2.4 第一代样机目前存在的问题 6 1.3 本文主要研究内容 7 1.4 本章小结 8 第 2 章样机总体方案设计 9 2.1 样机总体设计 9 2.2 切削机构设计 10 2.2.1 切削机构的方案设计 10 2.2.2 切削机构的运动机构设计 10 2.2.3 运动机构的具体结构设计 11 2.2.4 切削机构刀架的设计 12 2.3 夹持机构设计 14 2.3.1 夹持机构方案设计 14 2.3.2 夹持机构的结构设计 15 2.4 整机机构布局与框架设计 16 2.4.1 整体机构布局 16 2.4.2 框架结构设计 17 2.5 本章小结 18 第 3 章样机的仿真分析 19 3.1 切削刀架结构的仿真分析 19 3.1.1 有限元静力分析理论基础 19 3.1.2 有限元仿真分析 20 3.2 切削运动机构的结构分析 24 3.3 框架支撑结构的模态分析 28 3.4 本章小结 32 第 4 章样机控制系统设计 33 4.1 控制系统方案设计 33 4.1.1 控制系统的设计要求 33 4.1.2 控制系统的方案论证 34 4.2 控制系统硬件设计及实现 34 4.2.1 电气原理图的设计 34 4.2.2 电器元件的配置与统计 36 4.2.3 控制系统电器元件的选择 36 4.2.4 PLC 机型的选择 37 4.2.5 PLC I/O 元件分配 38 4.2.6 PLC 接线图绘制 39 4.3 控制系统软件设计 40 4.3.1 PLC 程序设计步骤及方法 40 4.3.2 控制系统流程图的设计 41 4.3.3 PLC 梯形图程序的编制 42 4.4 本章小结 43 第 5 章样机的安装及调试 45 5.1 样机的试制与安装 45 5.1.1 整机结构的安装 45 5.1.2 键零部件加工与装配 45 5.1.3 电气元件的安装与接线 50 5.2 样机的试运行与调试 51 5.3 本章小结 52 第 6 章总结与展望 53 6.1 课题研究工作总结 53 6.2 本文局限与展望 53 参考文献 55 致谢 59 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪 论 第1章 绪论 1.1 本课题的选题背景及意义 我国拥有很大的甘蔗市场。在南方，甘蔗是广泛种植的经济作物，并且我国白糖的生产约有 80%左右都是以甘蔗为原料，同时甘蔗汁多、味美、甘甜、营养丰富，深受人们的喜爱。现代医学研究表明，甘蔗中含有大量的蔗糖果糖葡萄糖等糖分，极易被人体吸收利用，还含有铁钙磷锰锌等人体必需的微量元素，常食甘蔗可滋补养血清热生津滋养润燥[1][2]。此外甘蔗中含有大量纤维，反复咀嚼能够清除口腔及牙缝中的污垢，从而提高牙齿的抗龋能力。 然而吃甘蔗削皮却是长期困扰人们的一大难题。由于甘蔗表面比较坚硬，如果直接食用容易划伤口舌等部位，甚至将牙齿崩落。人工削皮后食用是用刀具手工对甘蔗进行削皮，但人工削皮费时费力，而且容易划伤手。目前，在甘蔗汁生产工序中的削皮工序大多由人工完成，效率不高，若采用一种能够对甘蔗高效削皮的机器，将会大大提高生产效率，降低生产成本。因此，对甘蔗削皮机械进行研究在一定程度上改变甘蔗的食用方法和食用安全性具有积极作用。 目前已有一些实现切削功能的甘蔗去皮机的出现，但是去皮效果不太理想， 自动化程度不高，噪音比较大，而且切削后的甘蔗皮处理不当会制造出垃圾。这些都注定了甘蔗去皮机无法在高档的餐厅和商场出现。基于此，一种自动化程度比较高，切削效果好，振动噪声少，体积小，而且经济又实用的甘蔗削皮装置值得深入研究和设计。 1.2 国内外研究现状及发展动态 1.2.1 甘蔗力学性能的研究现状 甘蔗是各向异性、非匀质、非线性的材料。研究甘蔗茎秆的力学性能对于研究甘蔗的切削过程以及切削刀具的设计具有重要意义。同时甘蔗茎秆物理力学特性是建立甘蔗茎秆材料模型和茎秆在各种荷载下本构关系的基础[6][7]。对于甘蔗切削原理的研究可为甘蔗去皮机械的研制奠定基础，目前对于甘蔗力学性能的研究主要集中在如下实验。 1.2.1.1 甘蔗在弯曲载荷下的破坏实验 弯曲性能对于甘蔗茎秆在切削过程具有重要影响。通过检测甘蔗茎秆的弯曲 2 模量和抗弯强度，之后观察甘蔗的破坏形式，并进行相应分析。 同一株甘蔗的不同部位有着不同的力学性能。中部、尾部和基部达到最大弯曲应力时,观察到的甘蔗弯曲破坏形式主要有以下 4 种(图 1-1a、b、c、d)[9][11]。 a.中性层裂纹 b.横向断裂 c．底部纵向裂纹 d.不规则裂纹 e.靠近节处横向断裂 f.不规则断裂 图 1-1 弯曲破坏形式 1)中性层处产生裂纹(图 1-1a) 圆形截面梁在弯曲荷载下,最大剪应力位于中性层处,沿试样长度方向产生中性层裂纹。再进一步施加荷载时,中性层被剪开。 2） 靠近节处产生横向断裂(图 1-1b) 在弯曲荷载下,当采用图1-2 所示的加载方式,靠近甘蔗节处的最大弯曲部位首先达到破坏极限从而产生断裂。 3） 甘蔗茎底部轴向产生裂纹(图 1-1c) 和中性层裂纹不同的是在弯曲过程中在底部产生轴向裂纹。这应该是由于甘蔗芯部产生较大塑性变形后造成对甘蔗表皮被挤压的关系。 4） 甘蔗茎节部附近产生不规则形状的裂纹(图 1-1d) 这是上述几种情况的综合表现, 也反映了甘蔗茎材料的复杂性。 1.2.1.2 甘蔗茎秆在压缩载荷下的实验[10] 图 1-2 是甘蔗受压缩载荷时的载荷-时间曲线。由图可以看出，试样在压缩 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 1 章 绪 论 荷载下随着实验 529B 增加逐步达到破坏极限。 图 1-2 压缩载荷-时间曲线 图 1-3 是甘蔗茎在压缩载荷下的破坏形式。当蔗皮产生扭曲时，因蔗芯限制蔗皮向芯部方向弯曲，蔗皮向外弯曲，蔗皮产生纵向裂纹并与蔗芯分离。 图 1-3 压缩载荷下的破坏形式 1.2.1.3 甘蔗皮与甘蔗芯在拉伸载荷下的实验 图 1-4a、1-4b 分别是蔗皮径向、轴向的破坏形式，图 1-5a、1-5b 是蔗芯轴向径向的破坏形式[11]。 a.蔗皮径向破坏形式 b.蔗皮轴向破坏形图 1-4 蔗皮破坏形式 a 蔗芯轴向破坏形式 b 蔗芯径向破坏形式图 1-5 蔗芯破坏形式 3 1.2.2 甘蔗切削机理研究现状 对于甘蔗切削原理的研究，目前主要运用实验的方法或者通过实验作为验证建立有限元模型后运用显示动力学的方法来研究切削过程的机理。 1.2.2.1 甘蔗茎秆横向切割机理 对于横向切割机理的研究主要应用于甘蔗收获机的切削过程。甘蔗收获机在工作过程中存在甘蔗割茬不整齐、切割损失较大等缺陷，这些将会严重影响甘蔗收获机的使用和推广。为此，根据目前国内外对甘蔗茎秆力学性能、切割刀具以及切削理论等方面的研究，提出了一种结合甘蔗茎秆材料特点和其力学特性来研究甘蔗的切割机理的方法，将会更具有科学性。 建立三维甘蔗切割器系统动力学可视化仿真模型，利用 ANSYS/LS-DYNA 求解器进行仿真求解，其切割仿真过程及切割力时间历程如图 1-6 所示[12][13]。 图 1-6 甘蔗切割器系统动力学仿真 通过仿真与实验结果可以得出如下结论： 1） 通过采用刀具对甘蔗茎秆的冲击物理试验表明，把甘蔗作为各向同性的材料模型进行建模以及建立的切割器系统动力学模型适用于甘蔗茎秆切割力的仿真研究。 2） 最大的切割力随着刀具的刃角增大呈现抛物线的变化趋势，刀具的刃角约为 19时切割力达最小值；最大的切割力随着刀具的切割角度的增大而减小。 3） 最大剪应力随刀具的刃口角度增大而增大，随刀盘的倾角和切割速度的增大而减小；小的刀片刃角与小的切割角组合最大剪应力最小。小的刀具刃口倾斜角度与小的切割角以及大的切割速度有助于减少甘蔗茎秆的切割破头率。 4）刀片刃角 α＝17.5，切割角 β=27.73，刀盘倾角 γ＝28，切割速度 V ＝16m/s 时，最佳切割力为 266.9N，可靠性为 95%的最佳切割力范围 235.82～ 297.98N[13]。 9 1.2.2.2 甘蔗茎秆纵向切割机理 甘蔗皮层的削皮受力变化研究是甘蔗削皮机械研制的理论基础。目前国内外研究重点主要集中在甘蔗茎秆的力学特性方面研究，甘蔗相关机械的研究重点主要集中在甘蔗茎秆的切割机械的研制[14]。对于甘蔗皮层受力变化研究并不多见， 而且也只是简单的实验，所以对于这部分的详细深入研究还是空白。 不同刀片刃口在切削甘蔗皮时，刀片受力实验结果如图 1-7 所示[15][16]： 图 1-7 甘蔗节间试样去皮时的位移－载荷变化 1） 不同切削刀具的刃口倾斜角度对甘蔗节间削皮的实验结果为，随着切削刀具刃口角度的增加，削皮过程所需要的载荷逐渐增加，这表明切削刀具在对甘蔗节间削皮时所遇阻力逐渐增大。不同的刀具刃口倾斜角度在甘蔗茎秆的下段节间进行削皮时阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。 2） 不同切削刀具的刃口倾斜角度对甘蔗节点削皮的实验结果为，随着切削刀具刃口角度的增加，削皮过程所需要的载荷逐渐增加，这表明切削刀具在对甘蔗节间削皮时所遇阻力逐渐增大。不同的刀具刃口倾斜角度在甘蔗茎秆的下段节中进行削皮时阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。 3） 由于甘蔗茎秆各部位的纤维排列不同，对节间和节点处削皮时，刀具刃口倾斜角度越小，使甘蔗皮剥离的作用力越小。 1.2.3 切削装置的研究现状 根据切削方式的不同，切削装置可以分为纵向切削方式的切削装置、仿形切削方式的切削装置、螺旋切削方式的切削装置。 1)纵向切削方式的切削装置[19][20] 纵向切削装置是仿照人手工切削方式而设计的一种切削装置，此装置设置多个切削机架，按照沿甘蔗移动方向依次设置。切削刀架通过环形均匀排布在机架上，刀架与甘蔗形成一定夹角，并且前后布置的切削刀架根据一个固定的夹角相互错开布置。此装置对甘蔗的12 个方向进行切削，切削后的甘蔗截面呈12 边形。 2） 仿形切削方式的切削装置[21] [22] 仿形切削方式是把刀具做成与甘蔗外形相似的圆弧铣刀，对甘蔗表皮进行切削。仿形铣刀由基轴和沿基轴轴向均匀分布的三块刀头组成，每块刀头的刀刃呈90的弧线，使得刀刃能铣刀更多的甘蔗皮。 3） 螺旋切削方式的切削装置[23][24] 螺旋切削方式的切削装置是一种采用刀具对甘蔗进行切削的同时刀具围绕甘蔗圆周转动，从而实现甘蔗去皮的目的。螺旋切削装置的传动原理为，电机通过减速后带动切削主轴旋转，切削主轴带动轴套转动，丝盘上的端面螺纹在与其相连接的轴套带动下转动，之后带动与丝盘啮合的进给齿轮转动，齿轮在弹簧作用下压在甘蔗上，从而带动甘蔗进入切削系统。在进行切削时，刀具转动的同时， 机架会绕切削筒圆周转动，从而实现甘蔗的切削。 1.2.4 第一代样机目前存在的问题 1） 切削装置存在的问题 如图 1-8 所示为第一代样机切削装置的三维模型，此切削装置采用直线切削方式，但刀具太少没能形成一个封闭的切削区域，所以对于一根甘蔗要采用多次切削才能完成。同时刀具所围成的轴线位置距离滑轨偏远容易导致刀架卡死。此外由于此装置没有引入运动检测和控制部分，所以刀架切削运动和进给运动之间长久的协调性无法保障。 2） 机身结构存在的问题 图 1-8 第一代样机切削装置 如图 1-9 所示为第一代样机整机的三维模型，由于样机的重心位置偏高而且支撑架比较薄弱所以在样机实际运行过程中会引起比较大的晃动，并且伴随有比 较大的噪音。 3） 进给装置存在的问题 图 1-9 第一代样机整机模型 进给装置采用的是上下一对橡胶轮来同时实现夹紧和进给功能。但是橡胶轮和甘蔗茎秆是线接触，只有通过比较大的夹紧力才能够获得足够大的摩擦力从而实现甘蔗的切削夹紧，但是过大的夹紧力又比较容易压破甘蔗茎秆。此外因为没有自动检测装置及累积误差的原因导致切削和进给运动之间无法长久保持较好的同步协调性。 1.3 本文主要研究内容 本文在总结与分析现存甘蔗削皮机及东华大学第一代甘蔗削皮机样机的基础上，创新的设计出了一种自动化甘蔗削皮装置，并设计样机的控制系统，最后制作实物样机并对其进行调试使其满足预计设计目标。 本文章节安排： 第一章绪论。主要对甘蔗去皮装置的研究现状，存在问题和发展动态进行了综述，并根据国内外的论文文献、专利和市场上已投入使用的产品进行总结，分析了它们的优缺点并提出自己的研究思路。介绍了本课题的选题背景和主要研究内容。 第二章样机总体方案设计。在总结与分析现存甘蔗削皮机优缺点的基础上， 对样机进行方案设计并创新的设计出了一种具有自适应甘蔗茎秆走向的甘蔗切削机构、带有自锁夹紧功能的夹紧装置和整机框架结构。 第三章样机仿真分析。利用 SolidWorks 的运动分析功能进行机构的运动仿 真和使用 ANSYS Workbench 对机身结构做静力和动力仿真来验证设计是否合理， 并在此基础上对结构做优化改进。 第四章样机控制系统设计。首先对样机的控制系统进行功能需求分析及方案论证，设计控制电气原理图，然后选择合适的 PLC 机型及电器元件，并设计 PLC 输入输出接线图，最后编制 PLC 控制程序。 第五章样机的安装与调试。主要内容为根据设计的结构尺寸对样机关键零部件进行加工，整机的装配，控制电路接线及对样机的运行状况进行评估找出运行过程中存在的问题然后进行调试直到满足设计的预定目标。 第六章结论和展望。为作者对本课题所做的工作进行总结和展望。 1.4 本章小结 本章首先对本课题的选题背景及意义进行了介绍，然后对甘蔗的力学性能、甘蔗茎秆的切削机理研究现状及目前存在的切削装置进行了概述。最后对东华大学第一代甘蔗削皮机样机的研究情况进行了分析，找出了切削装置在运行过程中存在的缺陷，如切削装置没有良好的自适应性，进给装置存在传动累积误差等。因此要实现对甘蔗良好的切削功能，需要在第一代样机研究基础上，重新对甘蔗削皮机进行创新设计，本文将对本课题进行详细阐述。 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 2 章 样机总体方案设计 第2章 样机总体方案设计 2.1 样机总体设计 根据甘蔗的力学性能和甘蔗皮层的切削特性，并在总结与分析现存甘蔗切削设备优缺点的基础上，创新性的设计了此甘蔗切削装置。并使用 Solidworks 建模软件，根据自上而下的建模方法建立了整机的样机模型，如图 2-1a、2-1b 所示。 a. 样机整机俯视示意图 b. 样机整机左视示意图 1-主电机 2-夹紧装置 3-刀架 4-夹紧机构电机 5-支撑框架 6-传感器支架 7-切削机构 8-控制柜支架图 2-1 样机整机结构示意图 2.2 切削机构设计 2.2.1 切削机构的方案设计 对于甘蔗削皮机的切削机构，按照切削方式的不同可以分为纵向切削方式的切削机构、仿形切削方式的切削机构和螺旋切削方式的切削机构。 第一种方案：对于纵向切削方式的切削装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间的相对运动来实现削皮。这种切削方式的优点是刀具的切削方向和甘蔗的木质结构方向一致，所以切削力比较小，同时刀架的运动机构也相对比较简单。缺点是因为要在刀架上布置多把切刀，所以刀架的结构会稍微复杂。 第二种方案：仿形切削方式的切削装置是把刀具做成与甘蔗外形相似的圆弧铣刀，对甘蔗表皮进行切削。这种切削方式的优点是切除的甘蔗皮是碎屑状的便于垃圾的回收处理，缺点是刀具比较复杂制造的成本高。 第三种方案：螺旋切削方式的切削装置是一种采用刀具对甘蔗进行切削的同时刀具围绕甘蔗圆周转动，从而实现甘蔗去皮的目的。这种切削方式的优点是由于刀具围绕甘蔗进行圆周切削所以结构可以做的比较紧凑，缺点是刀具的圆周运动要引入行星轮系所以运动机构比较复杂。 表 2-1 切削方式方案优缺点对比 方案一 方案二 方案三 优点 切削力小、切削机构简 单、多功能切削 垃圾便于处理 切削结构紧凑 缺点 刀架结构稍复杂 刀具复杂、制造成本高 运动机构复杂、加工 难度稍大 通过对上述三种切削方式的方案对比，本课题选用纵向切削方式的切削机构。 2.2.2 切削机构的运动机构设计 对于直线往复运动的机构有曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、涡轮蜗杆机构、滚珠丝杠螺母运动机构和采用液压气动元件来实现直线往复运动的机构等[26][27]。综合考虑本课题的使用条件和易于加工性，以本文选择的运动机构为曲柄滑块机 构来实现切削装置的直线往复运动。 19 图 2-2 曲柄滑块机构运动简图 以行程速比系数 K 为 1.15，滑块行程 h 为 100mm，曲柄长度l1 为 46mm， 采用解析法设计此曲柄滑块机构，如图 2-2 为此曲柄滑块机构运动简图； 由 K=1.15 代入公式q = K -1180o ，算得极位夹角q =12.5581 o 。将q 和l 值 代入下式计算：  h = = l1 K +1 1 （1-1） 式中a = l2 / l1 。得l2 =185.194mm。将q ， l1 和l2 值代入下式计算： q = arccos e l1 + l2 - arccos e l2 - l1 （1-2） 得含有未知数e 的一元方程式，用弦位法解得： e =69.98mm。 机构的最大压力角a  max = arcsin e + l1 = 38.775o < 40o 满足许用压力角的要求。 l 2 同时l1 + e l2 ， l1 又为最短杆所以满足l1 为曲柄的条件。综上所述，设计的此曲柄滑块机构满足要求。 2.2.3 运动机构的具体结构设计 如图 2-3 所示为切削装置运动机构的结构装配图。刀具框架采用 1515 结构 铝型材来搭建，框架通过轴支撑和直线滑动轴承与光轴导轨连接来实现直线运动。刀具框架前端采用轴支撑和光轴来建立铰接点与连杆轴承相连接，连杆的另一端 与由两个轴支持型材所拼装的曲柄连接。当驱动轴开始旋转时，曲柄通过连杆带 动刀具框架在光轴导轨上作往复运动。 图 2-3 切削装置结构示意图 1-导轨支撑座 2-可调节直线轴承 3-为直线轴承支座 4、5-铝合金型材 6-光轴导轨 7-连杆，8、9-光轴 10、13-连杆轴承 11-轴承支撑座 12-曲柄 2.2.4 切削机构刀架的设计 由于甘蔗茎秆的形状和尺寸是随机变化的，设计出的切削装置要有快速适应甘蔗茎的尺寸和形状变化的要求。本论文通过借鉴已公开授权的诸多发明专利和现存的相似结构装置设计出了一种新颖而且能够快速适应甘蔗形状变化的切削装置。 图 2-4 所示为此切削装置的一组切削刀具结构示意图。两个盖形螺母采用不锈钢点焊的方式与刀片联接，然后通过螺柱使刀片固定在压片上。当用此切刀来切削竹子皮时，只需更换相应尺寸的横向压片便可以改变刀具的切削半径。 图 2-4 切刀结构示意图 1-螺母 2-下压片 3-刀片 4-螺柱 5-上压片 6-弹簧夹头 7-横向压片 8-盖形螺母 为了使刀架往返运动一次就能切削整周的蔗皮，本论文使用了相同的 6 组切刀通过两两相隔 30夹角来围成一个封闭的 12 边形，6 组切刀通过压片上的 U 型夹头和弹簧刀架相连。此结构的优点是可以是在切削过程中切刀既可以适应甘蔗径向的尺寸变化同时也可以在一定范围内适应甘蔗轴向的变化，图 2-5 为切削刀架的结构示意图。图 2-6 为切削刀架的主视图，可以看出切刀通过相互交错围成一个封闭的 12 边形。 图 2-5 切削刀架结构示意图 1-切刀 2-弹簧支架 图 2-6 切削刀架主视图 2.3 夹持机构设计 2.3.1 夹持机构方案设计 在甘蔗削皮过程中，不仅要求有进给的功能同时还要求有夹持功能。夹紧进给机构通常分为两类，一类是一个机构来同时实现夹持和进给功能，另一类为两个机构协调运动来满足夹持和进给功能。 第一种方案：橡胶轮驱动的夹紧进给机构。这种装置属于第一类夹紧进给装置，它利用带有驱动力的上下橡胶轮来同时实现进给和夹紧功能。运行过程为， 橡胶轮通过旋转来驱动甘蔗前进进入切削部分，切削部分中刀具依次对甘蔗的不同位置进行切削，去皮之后甘蔗继续向前运动，出料橡胶轮旋转来驱动甘蔗前进， 离开出料口。这种装置的优点是尺寸可以做的比较紧凑，缺点是上下橡胶轮与甘蔗茎秆的接触为小面接触，产生的摩擦力比较小，只有通过增大压紧力的方式来增大摩擦力。然而上下橡胶轮过大的压紧力可能会导致甘蔗压裂。 第二种方案：丝杠螺母驱动的夹紧进给机构。这种机构属于第一类夹紧进给机构，它利用丝杠螺母运动机构来实现甘蔗切削的进给功能，同时利用丝杠螺母运动副中丝杠只能带动螺母运动的性质来实现机构的夹紧功能。机构的运行过程为，电机带动丝杠转动时螺母与移动支撑同时运动，移动支撑上的固定装置带动甘蔗实现进给夹紧功能。这种装置的优点是可以施加比较大的夹紧力，缺点是因为导轨的尺寸需要做的很长从而导致整体的结构尺寸比较大。 第三种方案：基于连杆机构的夹紧进给机构。这种装置属于第二类夹紧进给机构，通过两个对称的双摇杆机构的往复运动来实现甘蔗的夹持功能，同时利用刀架的回程运动来带动甘蔗实现进给。这种装置的优点是结构简单紧凑，接触面较大，在比较小的压力下就可以获得比较大的夹持力，同时机构还引入了自锁夹 紧功能。缺点是需要制作铰链，所以结构稍复杂。 表 2-2 夹紧进给机构方案优缺点对比 方案一 方案二 方案三 优点 结构简单紧凑 夹紧力大 结构紧凑、接触面积大 缺点 接触面积小、容易压 裂甘蔗 结构尺寸大、结构复杂 结构稍复杂 通过对上述三种方案的比较和综合考虑可制造性和功能效果，本课题选用第三种夹紧进给方案。 2.3.2 夹持机构的结构设计 采用一对对称的分别使用一个驱动杆来带动前后两个双摇杆作为夹持装置的运动机构，同时配合传感器和步进电机主轴的往复正反运动来控制执行摇杆的往复摆动，从而实现在切削过程中夹紧端夹紧在回程过程中松弛的功能。 使用 SolidWorks 中的草图来近似设计此六杆机构，初步以驱动杆l1 =62mm， 一边双摇杆机架长度a =406mm 另一边双摇杆机架长度 b=456mm，偏置长度e =112mm，当摇杆l2 从距垂直夹角 15转动到 45时，同时连杆l3 也近似从垂直 夹角 15转动到 45。 2 当摇杆l2 和l3 均与垂直方向夹角为 15时，机构处于夹紧状态，在保证不与其它结构和机构干涉的情况下，假设此时 l2 及其连杆长度分别为 120mm 和350mm，l3 及其连杆长度分别为 100mm 和 488mm，当l2 转动到l 位置时，如图 2-14 所示， l3 转动到与垂直方向夹角为 47.67位置，所以设计的此夹紧机构尺 寸满足使用要求。 如图2-7 所示为夹持机构的结构示意图，步进电机主轴直接与驱动摇杆连接， 摇杆另一端通过复合铰链与两个传动连杆连接，连杆另一端通过关节轴承与由槽铝和板铝所组成的夹紧执行结构相连接。作为执行摇杆的板铝通过铰链固定在固定支撑座上，当步进电机主轴往复旋转时，执行摇杆来回搬动的同时带动夹紧执行结构实现开启和闭合夹紧。 图 2-7 夹持机构俯视示意图 1、5-连杆 2、13-槽铝 3、10-铝板 4-连杆轴承 7-驱动摇杆 8-步进电机支架 9-步进电机 11-角铝 12-支撑座 相互对称的两个步进电机使用同一块步进电机驱动器来保证两个电机的同步运转，电机主轴的正反转动带动由结构角铝和槽铝组成的夹具的开启和闭合。根据设计要求，当夹具处于夹紧位置时（即与垂直方向夹角为 15时），由于切削力的作用会带动夹具继续向前运动小段距离，从而形成机械自锁来保持足够大的夹紧力。 2.4 整机机构布局与框架设计 本节按照切削运动机构的结构尺寸和进给夹紧机构的结构尺寸来设计样机 整机的结构框架，并按照可加工易装配的原则为后续样机的试制和装配提供指导。 2.4.1 整体机构布局 如图 2-8 所示为切削运动机构与夹持运动机构的结构布局示意图。由曲柄滑块运动机构组成的切削机构和由摇杆机构组成的夹持机构装配原则是直线切削运动和夹持装置的夹紧运动保持在一个平面内。为了实现刀架的直线运动，结构中引入了直线轴承和直线导轨。当甘蔗开始送入夹紧机构时，夹紧执行端开始夹紧并随着手动的推进切削装置开始切削甘蔗皮层，同时切去的甘蔗皮会卡进刀具里。当切削机构开始回程运动时刀具将带动甘蔗实现进给功能，于是便不再需要手动推进，之后切削机构和夹紧机构相互配合依次循环对甘蔗进行削皮。 图 2-8 整体机构布局视示意图 1-夹持机构 2-可调节直线轴承 3-直线导轨 4-切削机构 2.4.2 框架结构设计 整机的框架结构初步确定采用铝合金型材来搭建，因为铝合金型材密度小， 比强度（强度与重量的比值）高，易于拼装、拆卸和重复利用，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶，建筑， 装修及化学工业中已大量应用。 本装置大框架采用型号为 3030 铝合金型材，对于局部小的支撑结构采用 1515 铝合金型材。型材之间采用铸钢角槽连接件连接，支撑座和型材之间采用滑块螺母和螺钉来连接，对于结构受力比较大的连接部位采取打孔后攻螺纹的方法然后使用螺栓联接。样机整体框架结构和尺寸如图 2-9 所示。 图 2-9 整机框架结构示意图 1-外围支撑框架 2-曲柄支撑座 3-导轨支座支架 4-传感器支架 5-弹簧支撑支架 6-步进电机支座 7-弹簧支撑支座 8-摇杆支架 2.5 本章小结 本章设计出了甘蔗削皮装置的整体样机，并对切削运动结构及其结构、切削刀架、夹持机构及其结构和整机框架的设计作了详细阐述。 主要有四个内容： 1） 采用解析法设计了甘蔗去皮装置的切削运动机构，并使用 SolidWorks 软件设计出其具体结构。 2） 创新的设计出了具有自适应甘蔗轴向变化和径向大小的切削刀架。 3） 设计出了一种甘蔗切削装置的夹持机构。 4） 对各运动机构进行结构布局，然后设计出了整机的支撑框架。 所设计出的样机模型结构合理并尽可能的采用了标准零部件，通用行好便于后续样机的加工与制造。 自动化甘蔗削皮装置的研制 第 3 章 样机的仿真分析 第3章 样机的仿真分析 本章根据第二章设计出的样机结构利用Solidworks 的Cosmotion 插件进行机构的运动仿真和使用 ANSYS Workbench 对机身结构做静力和动力仿真来验证设计是否合理，并在此基础上做优化改进。 3.1 切削刀架结构的仿真分析 本文采用大弹簧作为切削刀架是为了利用弹簧尺寸容易弹性变形的优点，但是刀架又需要一定的刚度作为结构的支撑，过大的弹性变形将使刀架在切削过程中出现问题。于是对切削刀架的结构做仿真分析来确定结构的尺寸和需要添加的支撑点变的很有必要。 对此结构采用的分析软件为 ANSYS Workbench，分析类型为静力分析。 3.1.1 有限元静力分析理论基础 有限元静力分析过程一般分以下几步[31]： 第一步，按虚功原理建立单元节点力与单元节点位移函数关系，即 {F}e = [K ]e{d }e （3-1） 其中：{F}e 为单元节点列阵， [K ]e 为单元刚度矩阵，{d }e 为单元节点位移阵； 第二步，按静力等效原则把每个单元所受的载荷向节点移置，并求和，从而 得到结构的等效节点载荷列阵{F}e ； 第三步，根据每一个节点相关单元的结构总刚度矩阵[K ] ，建立整体结构的 平衡方程：  {F} = [K ]{d}  （3-2） 该平衡方程式是一个非齐次线性方程组，方程的总个数等于结构的自由度数。在引入结构的约束信息，消除了结构的刚度矩阵[K ] 的奇异性后，便可由该线性 方程组解出未知的节点位移{d }[29]； 第四步，根据已知的节点位移，计算各单元的应力。 在整个求解过程中，难点在于求解线性方程组。因为对于一个复杂的结构， 自由度的数目可能成千上万，然而一般价格的 PC 机运行速度和内存容量都很有限，所以很难满足求解要求。工作站和大型计算机虽然可以解决这一问题，但价格往往比较高。此外，有限元求解结果与有限元模型的合理性和边界条件加载的准确性有密切的关系。 3.1.2 有限元仿真分析 1） 几何模型前处理[32] 对于建立的有限元模型的基本要求为：a、网格大小适当并且均匀。b、各个模型之间的接触关系设置合理没有人为引入接触刚度。c、边界条件和约束设置合理正确。 由于切刀和压片都为薄壁件，可以对模型进行抽中面处理来简化模型。盖形螺帽和螺柱删除螺纹，然后采用求和布尔运算形成一个体。模型与模型之间需要添加接触的地方进行映射处理，删除结构中多余的倒角和圆角和孔。如图 3-1 和3-2 所示为模型几何前处理结果。 图 3-1 刀具与压片模型前处理 29 2） 定义材料属性 图 3-2 弹簧模型前处理 根究所设计的切削装置的结构特点和力学性质，刀片和压片采用SHELL181 单元，SHELL181单元适合用来分析中等厚度壳结构。这种单元不但具有分析板壳类模型的弯曲和薄膜力学的功能，而且还可以考虑板壳类结构的剪切变形。该类型单元的每个节点具有 6 个自由度：分别为沿着相应节点坐标系 x、y、z 三个方向的平移和绕 x、y、z 三个方向的旋转。螺柱采用 SOLID186 单元，弹簧和盖形螺母模型采用 SOLID185 单元。这两种单元类型有 x、y、z 三个方向的自由度， 单元具有塑性、应力强化、大应变等能力，便于施加载荷，且计算精度较高[29]。刀架各零部件材料和力学性能见表 3-1。 表 3-1 刀架零部件材料及其力学性能 零部件 弹性模量/( MPa ) 泊松比 密度/（ Kg / m3 ） 单元类型 弹簧 2.11E+05 0.288 7820 SOLID185 压片 7.1E+04 0.33 2770 SHELL181 切刀 2.04E+05 0.285 7930 SHELL181 盖形螺母 2.04E+05 0.285 7930 SOLID185 螺柱 2.04E+05 0.285 7930 SOLID186 3)划分网格与有限元模型建立[33] 刀片和压片采用四边形面单元自由网格划分，螺柱采用六面体扫掠网格划分， 弹簧采用四面体单元 patch independent 划分方法，最小尺寸极限设为 05mm，盖形螺母采用四面体单元自由网格划分。有限元模型总量为 1437604 个节点 855950 个单元，如图 3-3 所示为切削刀架的有限元模型。 图 3-3 切削装置有限元模型 4） 边界条件加载和添加接触[34] 通过文献查询，甘蔗的削皮反力在 9N 左右，于是对每个刀片在切削反方向施加 10N 的力来模拟切削反力，同时在垂直方向给整个装置施加 9.81 mm / s2 的重力加速度，并对弹簧架的固定支撑点施加固定约束，具体如图 3-4 所示。 对于模型与模型之间添加绑定的接触方式来模拟零部件间的螺栓和焊接连接，接触公式采用多点约束（MPC）算法，因为这种算法通过内部添加约束方程来联接接触面间的位移，并且多点约束算法不基于罚函数法或 Lagrange 乘子法而是直接处理绑定接触接触区域相关接触面的方式，此外 MPC 算法还支持大变形效应。接触行为设置为非对称行为，并且为每个接触之间添加 Pinball 区域。Pinball 区域是设置的与接触单元相关的一种参数，可以用来区分远场或近场的开放状态，设置了这种参数的球形区域可以理解为包围了每个接触点。如果绑定接触间隙小于 Pinball 半径，系统将会默认按绑定来处理这个区域。 5） 结果分析与结构改进 图 3-4 边界条件加载示意图 图 3-5 所示为切削刀架结构的整体变形结果，最大变形位移发生在压片上为2.74mm，同时可以看到被圈出的区域前后刀片发生了干涉，而其他区域变形在接受范围之内。 图 3-5 切削装置整体变形结果云图 所以可以通过在变形过大的弹簧支架附近增加固定支撑来解决这个问题。图 3-6 为弹簧最大变形的位置和最大变形量为 2.67mm。 图 3-6 弹簧变形云图 图 3-7 为弹簧的等效应力状态，最大应力为 130Mpa,远小于 65Mn 弹簧钢的屈服应力。 图 3-7 弹簧等效应力云图 3.2 切削运动机构的结构分析 本论文所设计的切削运动机构是由型材拼装起来的，型材之间的连接部位有可能是机构运行过程中最薄弱的环节。使用Solidworks 软件的Cosmotion 插件对机构运行过程中的反力和反力矩进行仿真分析来找出机构在运行过程中所受反力以及所受反力矩最大时此机构所处的位置，然后使用ANSYS Workbench 对此位置做几何非线性的静力学仿真来分析所设计的机构是否满足要求。 1） 载荷分析 本章第一节在对切削刀架做静力分析时已经得出在切削过程中刀架的切削反力为 120N，在 Solidworks 的 Cosmotion 环境下对机构的工作行程阶段施加 120N 的反作用力，如图 3-8 所示。 图 3-8 曲柄滑块机构作用力-时间曲线 然后对此机构进行反力矩仿真，计算得出驱动轴的反作用力矩-时间数据曲线，如图 3-9 所示，最大反作用力矩为 8560 N.mm ，即为要对此机构所施加的载荷大小。此时机构的状态为滑块位于近端极限位置，即为要做静力分析的机构位置。 图 3-9 驱动轴反作用力矩-时间曲线 2） 导入模型、定义材料属性 把当曲柄滑块机构的滑块位于近端极限位置时的模型状态导入到 ANSYS Workbench 中，然后根据曲柄滑块机构的结构特点和力学性质，对轴和滚珠球轴承轴承采用 8 节点六面体 Solid186 单元，支撑座和关节轴承采用 8 节点四面体Solid185 单元来划分，各部件材料和力学性能具体见表 3-2 所示。 表 3-2 零部件材料及其力学性能 零部件 弹性模量/( MPa ) 泊松比 密度/（ Kg / m3 ） 单元类型 轴 2.04E+05 0.285 7930 SOLID185 轴承 2.04E+05 0.285 7930 SOLID186 支撑座曲柄 7.1E+04 0.285 2770 SOLID185 3） 划分网格 对轴和深沟球轴承采用六面体为主的网格划分并对驱动轴进行网格加密，支 撑座连杆轴承采用四面体自由网格划分。划分结果如图 3-10 所示，网格总量为 16691，节点总量为 43184，有限元模型总量在可接受范围。 图 3-10 曲柄滑块机构网格 4） 约束和载荷边界条件加载 对驱动轴一端施加 8560N.mm 的驱动力矩，深沟球轴承支撑座底面和滑块底面施加固定约束。为了模拟机构中的铰链连接和轴与轴承的转动自由度，对模型中存在以上连接方式的采用无分离接触。对于机构中零部件之间的螺栓连接或者固定连接方式采用绑定接触来模拟。打开 Large deflection 选项，使模型能够实现几何非线性求解。 5） 结果分析 如图 3-11 所示为驱动轴的扭转变形矢量图，通过观察矢量云图可知，轴的扭转变形方向和变形大小的分布和理论相符合，所以此分析结果比较合理。最大变形为 0.194mm，位于轴的驱动端部。 图 3-11 驱动轴扭转变形矢量图 图 3-12 为驱动轴的应力云图，最大应力位于与深沟球轴承相接触的地方， 应力大小为 72Mpa 远小于驱动轴材质的屈服应力，所以驱动轴满足设计要求。 图 3-12 驱动轴应力云图 图 3-13 所示为曲柄与驱动轴连接的反力矩方向，绕驱动轴方向的反力矩分量T 为5988.2N.mm，由驱动轴和曲柄间的静摩擦系数 f 为0.3 和驱动轴直径 D 为 12mm 带入下式计算：  FN =  2T f .D  （3-3） 式中 FN 为夹紧力，得 FN 为 3326.8N； 由《GB/T 16823.1-1997 螺纹紧固件应力截面积和承载面积》标准，查得 M6 螺牙螺纹应力面积为 20.1 mm2 ，许用拉伸应力为 640Mpa，所以计算得螺钉的许 用拉力为 12864 N > 3326.8N 的工作拉力。 图 3-13 曲柄反作用力矩方向 此外，当机构位于此运动位置时曲柄整体所受的最大应力为 17.3Mpa，应力云图如图 3-14 所示，远小于铝合金的屈服应力。所以，设计的曲柄结构满足使用要求。 图 3-14 曲柄应力云图 3.3 框架支撑结构的模态分析 模态分析是对结构动力学特性进行研究的常用方法，是采用系统识别的方法在工程振动中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型[36]。模态分析是对这些模态参数通过计算或实验获得的过程。由于电机和曲柄滑块机构是样机运行过程中的振动源，如果这些振动源的激励频率和支撑结构的固有频率接近时将会使结构发生共振。由于支撑结构是由型材通过连接件所拼装的，长时间的共振会使型材之间的连接发生松动， 所以有必要对框架支撑结构做模态分析以确定描述结构系统动态特性的固有频率、阻尼比和振型的模态参数。对其结构系统进行分析，来找出结构系统在动力学方面存在的问题。 有限元分析软件 ANSYS 提供的模态提取方法有[36]： 子空间法（ Subspace ）：此方法计算速度较慢但求解精度高，适用于求解大 规模的对称特征值问题。 分块兰索斯法（ Block Lanczos ）：此方法计算速度快而且求解精度高，适合于求解大规模的对称特征值问题。 凝聚法（ Reduced ）：此方法计算速度快但精度较低，主自由度的数目以及其相应位置对计算结果影响大。 非对称法（ Unsymmetric ）：适用于求解刚度和质量矩阵为非对称的问题。该方法有可能遗漏一部分高频模态。 阻尼法（ Damped ）：适用于求解阻尼不可忽略时的问题。 QR 阻尼法（ QR Damped ）：适用于求解大阻尼系统的问题。不适用于提取临界阻尼或过阻尼系统的模态。计算精度取决于模态数目。 大多数分析过程将选用Block Lanczos（分块兰索斯）法、Subspace (子空间) 法、Power Dynamics 法和 Reduced(缩减)法[36]。本文默认采用分块兰索斯法。1）有限元模型简化 为了使有限元模型能够满足求解要求，需要对几何模型进行处理和简化：a、删除模型中的工艺倒角和圆角。b、删除对结果没有影响的孔和细小附件。c、对模型之间需要添加接触的模型表面做映射处理。 2） 定义材料属性 根据模型的结构特点和力学性质，铝合金型材采用 8 节点六面体 solid186 单元类型来划分网格，轴、曲柄、支撑座采用 8 节点 solid185 单元类型来划分。这两种单元具有塑性、应力强化、大应变等能力，便于施加载荷，且计算精度较高。各部件材料和力学性能见表 3-3。 表 3-3 部件材料及其力学性能 零部件 弹性模量/( MPa ) 泊松比 密度/（ Kg / m3 ） 单元类型 型材 7.1E+04 0.33 2770 SOLID186 轴 2.04E+05 0.285 7930 SOLID185 轴承 2.04E+05 0.285 7930 SOLID186 支撑座曲柄 7.1E+04 0.285 2770 SOLID185 3） 划分网格 对型材和轴承采用扫掠的网格划分方法，轴、支撑座和曲柄采用大小控制的自由网格划分方法。有限元模型总量为 793029 个节点，236141 个网格，网格划分结果如图 3-15 所示。 30 4） 边界条件加载 图 3-15 框架支撑结构的有限元模型 对结构底座施加固定约束，电机、刀架和电器部分使用质量单元附着在支撑结构上。 5） 结果分析 本文提取了支撑结构的前 9 阶模态列于表 3-4。 表 3-4 支撑结构固有频率 阶数 固有频率/（Hz） 阶数 固有频率/(Hz) 阶数 固有频率/（Hz） 1 54.791 4 89.497 7 107.92 2 64.643 5 93.836 8