粽子自動扎線機的排線機構(gòu)設(shè)計及仿真分析

邱顯焱+++趙朕祥+++謝雨杰+++孫嘉徽

摘 要：文章利用計算機輔助軟件Matlab、Pro/E以及ADAMS對粽子自動扎線機的排線機構(gòu)進行了凸輪輪廓線設(shè)計，并進行了運動學(xué)以及動力學(xué)的仿真分析，充分驗證了直動滾子凸輪的可行性，所設(shè)計的機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的扎線動作和工藝過程，為實現(xiàn)粽子扎線工藝的自動化提供了有效的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：粽子；扎線機；排線機構(gòu)；運動仿真

粽子自動扎線機是粽子包裝機機械系統(tǒng)的一個重要組成部分，主要功能包括粽子的夾粽機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、壓線機構(gòu)、排線機構(gòu)、打結(jié)機構(gòu)和切線機構(gòu)等。其中，排線機構(gòu)的功能是在繞線過程中控制棉線與粽子的相對位置，其運動規(guī)律為復(fù)雜的直線往復(fù)運動。綜合結(jié)構(gòu)和加工工藝等各方面因素，考慮到凸輪機構(gòu)可以實現(xiàn)需要的運動規(guī)律，且具有導(dǎo)向、傳動和控制機構(gòu)等多種功能，以及空間體積小、構(gòu)件數(shù)目少、運行可靠等諸多優(yōu)點，本文采用純機械凸輪機構(gòu)實現(xiàn)排線功能，如圖1所示：

1 排線凸輪參數(shù)的擬定與分析

排線機構(gòu)的功能是在繞線過程中控制棉線與粽子的相對位置，使面線能夠按照人工手工扎線的工藝完成繞線。粽子在自動扎線的過程中對繞線的要求為：為粽子上料后，由夾粽機構(gòu)夾住粽子的前后兩個方向，棉線在粽子的初始位置繞線兩圈；排線桿向左勻速移動前進，使得棉線按固定螺距在粽子的中間部分均勻地繞三道；排線桿向左移動到最遠端，完成最后的兩道扎線的纏繞動作；隨后排線桿后退一定的距離，此時兩股線被送入打結(jié)桿的勾槽中；排線桿將兩股線送入夾線嘴后迅速移動并后退；排線桿向右移動到初始位置，此時夾粽機構(gòu)松開，粽子掉入容器中，完成一個扎線動作。綜上所述排線桿的運動規(guī)律，得到排線桿的運功規(guī)律示意圖，如圖2所示即為排線凸輪的一個完整的運動循環(huán)。

通過對排線桿的運動循環(huán)圖和排線桿運動規(guī)律明細圖的分析，將排線凸輪劃分為十部分，并對每一部分進行分解和分析，使之得到符合所需要的運動規(guī)律。通過分析和模擬得到各運動部分的參數(shù)如表1所示：

2 排線凸輪機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

在設(shè)計凸輪機構(gòu)的時候，凸輪的基本尺寸和凸輪輪廓曲線必須要根據(jù)凸輪機構(gòu)的工作性能要求和使用場合，首先要考慮設(shè)計從動件的運動規(guī)律。運動規(guī)律組合的基本要求，應(yīng)使各段不同運動的位移之和等于總的升程；所有曲線接合處的速度、加速度必須相等；對于高速凸輪機構(gòu)，還應(yīng)使各曲線接合處的躍度相等。排線凸輪機構(gòu)選用的是正弦加速度運動規(guī)律。其方程如下所示：

將表1的排線凸輪機構(gòu)參數(shù)帶入到以上公式中去，通過Matlab編程仿真得到的凸輪輪廓曲線如圖3所示。通過凸輪的輪廓曲線進一步可以仿真出從動件的位移曲線如圖4所示。將圖4按照正弦加速度運動規(guī)律仿真出的從動件的位移曲線與圖2我們所設(shè)計排線桿的運動規(guī)律明細圖進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者基本吻合，各個參數(shù)的設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化得到了更為精確的凸輪輪廓與凸輪的尺寸。

我們已經(jīng)得知凸輪的輪廓坐標，可導(dǎo)入到Pro/E中得到樣條曲線，再經(jīng)過拉伸即可得到凸輪的三維模型，如圖5。通過保存副本命令轉(zhuǎn)換后的格式類型為.x_t格式即可導(dǎo)入到ADAMS中進行動力學(xué)和運動學(xué)仿真，經(jīng)過ADAMS軟件后處理分析模塊得到各曲線如圖6所示，A曲線為從動件的位移曲線，與前面仿真結(jié)果基本吻合，結(jié)果表明，所設(shè)計的排線凸輪機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律。

在對排線機構(gòu)進行設(shè)計的時候，充分利用計算機輔助軟件Matlab、Pro/E以及ADAMS。通過運用所掌握的知識找到凸輪輪廓線，通過Pro/E建模以及ADAMS進行運動學(xué)以及動力學(xué)的仿真分析，充分驗證了直動滾子凸輪的可行性，具有可靠的理論依據(jù)。

綜上所述，本文設(shè)計的機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的扎線動作和工藝過程，通過計算機輔助軟件得到了排線凸輪的輪廓線和排線桿的運動規(guī)律，并且完成了樣機模型的建立，為實現(xiàn)粽子扎線工藝的自動化提供了有效的理論依據(jù)。

參考文獻

[1]趙軼惠.粽子自動化扎線工藝分析及實現(xiàn)技術(shù)[D].上海交通大學(xué)， 2008.

[2]趙軼惠，慶華，王石剛.粽子自動扎線機總體方案設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究，2008，24（3）：118-120.

[3]郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術(shù)與ADAMS實例教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]梁華琪，李險峰.直動偏置滾子從動件凸輪機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，16（2）：31-32.

[5]吳景華.滾子凸輪機構(gòu)的基本尺寸的優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程師，2006，1：123-124.