桑葉采摘機(jī)桑枝間歇撥動裝置的建模及仿真分析

胡迎春，奚天洋，牟向偉，胡裔志，莊錦芳，華 南

(1.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；3.桂林海威科技有限公司，廣西 桂林 541004)

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桑葉采摘機(jī)桑枝間歇撥動裝置的建模及仿真分析

胡迎春1，奚天洋2，牟向偉1，胡裔志3，莊錦芳2，華 南2

(1.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；3.桂林海威科技有限公司，廣西 桂林 541004)

針對搖桿式桑葉采摘機(jī)中桑枝撥動與桑葉采摘之間的時間協(xié)調(diào)匹配要求，選用圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)作為間歇撥動裝置，通過間歇撥動裝置和桑葉采摘裝置的協(xié)調(diào)配合，使桑枝能夠及時進(jìn)入圓環(huán)刀具口所在位置，保證桑葉的順利采摘。采用空間包絡(luò)曲面共軛原理建立了圓柱分度凸輪的數(shù)學(xué)模型，然后使用Pro/E三維軟件的參數(shù)化建模功能進(jìn)行三維設(shè)計和建模，結(jié)合在搖桿式桑葉采摘機(jī)設(shè)計中的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，通過干涉分析驗證了該機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性，并將模型轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入ADAMS軟件中對其進(jìn)行動力學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)模型建立正確，各運動性能較穩(wěn)定，滿足了在桑葉采摘機(jī)中的實際應(yīng)用價值，對該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、加工和安裝起到了一定的指導(dǎo)作用。

桑葉采摘機(jī)；圓柱分度凸輪；仿真分析；參數(shù)化；Pro/E；ADAMS

0 引言

隨著國內(nèi)機(jī)械自動化水平的提高，很多場合對間歇傳動裝置的性能要求也與日俱增。目前，分度凸輪裝置在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中起著相當(dāng)大的作用，它的作用原理是將連續(xù)回轉(zhuǎn)動作的輸入端輸出結(jié)果為機(jī)構(gòu)的間歇旋轉(zhuǎn)動作或移動，從而可以使機(jī)械系統(tǒng)在停歇時期完成預(yù)期的操作目標(biāo)。圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)與其他運動機(jī)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)簡單、加工比較方便，只需將NC代碼輸入到數(shù)控機(jī)床上就能自動加工，而且與凸輪接觸的滾子軸線平行于從動盤的軸線，有利于滾子均勻地分布在從動盤的圓周方向，在需要分度數(shù)較多的機(jī)械系統(tǒng)中，圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)有著獨特的優(yōu)越性[1]。本文基于搖桿式桑葉采摘機(jī)中需要對桑枝進(jìn)行間歇撥動和定位動作，利用Pro/E三維建模軟件對圓柱分度凸輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計并繪制模型，然后利用ADAMS動力學(xué)仿真軟件對組裝后的機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行虛擬仿真分析[2]，以便后續(xù)對機(jī)構(gòu)的各項運動性能進(jìn)行評估和判定，保證間歇撥動定位裝置在采桑機(jī)工作過程中很好地實現(xiàn)其設(shè)計意圖，為桑葉采摘機(jī)能順利進(jìn)行桑葉采摘奠定強有力的基礎(chǔ)。

1 圓柱分度凸輪裝置參數(shù)化設(shè)計

圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)

1.1 圓柱分度凸輪的工作曲面

如圖1所示：O1x1y1z1是與圓柱分度凸輪相連的動坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點定在圓柱分度凸輪的中心位置，凸輪工作輪廓在動坐標(biāo)系O1x1y1z1中的方程為

(1)

式中 p—凸輪輪廓線在分度段的旋向符號；

C—中心距；

A—基距；

θ—圓柱分度凸輪的轉(zhuǎn)角；

φ—滾子的位置角。

滾子位置角為

φ=φ0-pφi

(2)

式中 φ0—滾子的起始位置角；

φi—滾子的角位移。

O2x2y2z2是與轉(zhuǎn)盤相連的動坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點定在分度盤的轉(zhuǎn)動中心位置，從動轉(zhuǎn)盤上滾子的工作曲面在動坐標(biāo)系O2x2y2z2中的方程為

(3)

式中 r、ψ—滾子工作廓面方程式的曲面參數(shù)；

ρ0—滾子半徑；

Rp2—分度盤的節(jié)圓半徑。

對于圓柱型滾子的分度凸輪機(jī)構(gòu)，其通用和各種旋向的共軛接觸方程為

(4)

式中 w1—分度凸輪的角速度；

w2—分度轉(zhuǎn)盤的角速度。

其計算過程是通過每一個凸輪轉(zhuǎn)角θ確定相應(yīng)的曲面參數(shù)值r，代入公式(4)中求得正確的曲面參數(shù)值ψ；然后把求得的r和ψ的值代入上述的滾子曲面方程(3)，即可求得曲面上共軛接觸點的坐標(biāo)點x2、y2和z2，把這些坐標(biāo)點嚙合就得到曲面上的瞬時共軛接觸線；最后逐個把凸輪轉(zhuǎn)角θ對應(yīng)的φ和x2、y2、z2值代入式(1)后就可得到凸輪在分度時期工作輪廓上相應(yīng)的三維坐標(biāo)點x1、y1和z1。在分度凸輪停歇時期，分度轉(zhuǎn)盤不轉(zhuǎn)動，所以它的角位移和角速度都為0，只需將φi和w2代入相應(yīng)的廓面方程中就得到停歇期方程。

1.2 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)確定

間歇撥動裝置是搖桿式桑葉采摘機(jī)的一個關(guān)鍵部件，在桑葉采摘過程中，其作用是對桑枝進(jìn)行撥動和定位動作，如圖2所示。該裝置主要包括圓柱分度凸輪、分度圓盤及桑枝定位盤。其中，桑枝定位盤上有桑枝定位桿，分度圓盤和桑枝定位盤分別裝在分度盤軸上，當(dāng)圓柱分度凸輪在分度期時，通過分度圓盤轉(zhuǎn)動帶動桑枝定位盤轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對桑枝的撥動動作；當(dāng)圓柱分度凸輪處于停歇期時，分度圓盤和桑枝定位盤停止轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對桑枝的定位作用，使半圓環(huán)刀具完成一個完整的摘葉過程。因此，在一個摘葉過程中，圓柱分度凸輪將轉(zhuǎn)動1周，在這轉(zhuǎn)動1周中圓柱分度凸輪轉(zhuǎn)過停歇期和分度期兩個過程，從而實現(xiàn)了桑枝定位盤的轉(zhuǎn)動和停歇，達(dá)到了對桑枝的撥動和定位作用。

1.第二桑枝定位盤 2.第一桑枝定位盤 3.定位框 4.第三桑枝定位盤 5.第三圓柱分度凸輪 6.第三分度盤 7.半圓環(huán)刀具 8.采桑桿 9.搖桿 10.第二圓柱分度凸輪 11.第二分度盤

在搖桿式桑葉采摘機(jī)工作過程中，圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)在運動時只起到間歇撥動和定位桑枝的作用，不用受到很大的作用力且沒有承受重載?？紤]到圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)要與桑葉采摘機(jī)其它機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運作，也不需要很高的運動速度，因此根據(jù)桑葉采摘機(jī)的實際工作狀況，可以選擇余弦加速度運動規(guī)律作為圓柱分度凸輪的運動規(guī)律。當(dāng)分度盤上的滾子與圓柱分度凸輪的分度期輪廓配合時，分度盤就可以實現(xiàn)分度轉(zhuǎn)位；當(dāng)分度盤上的滾子與圓柱分度凸輪上的停歇期輪廓配合時，分度盤就停止轉(zhuǎn)位。余弦加速度運動規(guī)律的無量綱位移和速度參數(shù)表達(dá)式[3]為

(5)

式中 S—位移；

V—速度；

T—時間。

根據(jù)搖桿式桑葉采摘機(jī)撥枝與采摘時間的協(xié)調(diào)匹配分析[5]，得到圓柱分度凸輪的角速度w1=1.1rad/s；圓柱分度凸輪在分度段的運動時間為tf=1.3s，停歇段工作時間td=4.41s；分度段凸輪轉(zhuǎn)動的角度為θf=82°，停歇段轉(zhuǎn)動的角度為θd=278°。由于桑葉采摘機(jī)的工作要求需要，凸輪分度廓線的旋向為右旋R，旋向系數(shù)選用p=-1，凸輪分度輪廓線選用單頭Q=1。根據(jù)間歇撥動定位裝置的工作要求，分度盤的分度數(shù)選定I=8，所以分度盤的滾子數(shù)Z=QI=1×8=8，轉(zhuǎn)盤分度段的轉(zhuǎn)位角φf=360°/I=π/4，轉(zhuǎn)盤分度期的角位移φi=Sφf=π/8-(π/8)cosπT。根據(jù)相應(yīng)公式，分度期轉(zhuǎn)盤和圓柱分度凸輪的角速度比為w2/w1=φfV/θf=(45/164)πsinπT。

1.3 圓柱分度凸輪建模過程

圓柱分度凸輪的輪廓面是空間不規(guī)則的曲面，而曲面由曲線構(gòu)成是機(jī)構(gòu)運動的核心組成部分。因此，凸輪曲線是決定間歇分度凸輪機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)性能良好的關(guān)鍵[6]，利用三維建模軟件Pro/E來完成圓柱分度凸輪的建模過程。建立圓柱分度凸輪有多種方法(如等距曲面法、“點—線—面”法等[7])在此選用等距曲面法進(jìn)行建模。

根據(jù)圓柱分度凸輪設(shè)計中的相關(guān)計算方程[3]，可得到如下主要參數(shù)：基距A=125mm，中心距C=60mm，滾子高度b=12mm，滾子半徑ρ0=10mm，滾子與圓柱分度凸輪槽底之間的間隙e=5mm，圓柱分度凸輪半徑Rp1=85mm，分度盤節(jié)圓半徑Rp2=62mm，轉(zhuǎn)盤分度期的轉(zhuǎn)角φf=45°，凸輪分度期轉(zhuǎn)角θf=82°。圓柱分度凸輪的類型為凸脊型，運動規(guī)律采用低速輕載的簡諧運動規(guī)律。

第1步：通過Pro/E里的“曲線”按鍵和“從方程”等命令，進(jìn)入到參數(shù)化操作界面，這時要規(guī)范地把參數(shù)和分度凸輪嚙合曲線方程以極坐標(biāo)的形式輸入到該界面中，并以文本格式保存，就可以完成一段分度凸輪的嚙合曲線；用同樣的方法建立其它嚙合曲線，從而繪制出理論輪廓面的邊界曲線。第2步：將這些嚙合的曲線通過“邊界混合”操作擬合成曲面，再利用軟件上的“合并”操作,依次合并各段曲面，如圖3所示。第3步：對剛才嚙合成的曲面進(jìn)行加厚，偏置距離為滾子直徑的雙側(cè)法向位置，然后根據(jù)圓柱分度凸輪的基本參數(shù)把其胚體建立起來。第4步：進(jìn)行去除材料操作和修整模型，最終得到圓柱分度凸輪的實體模型，將建立的曲線隱藏掉，如圖4所示。

圖3 理論輪廓線和廓面的建立

圖4 最終實體模型

1.4 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)裝配模型

分度盤的形狀相對比較簡單，由轉(zhuǎn)盤和滾子兩個部分組成，依據(jù)之前得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過Pro/E軟件中的草繪、拉伸等一些基本命令建立分度盤的實體模型。完成繪制分度盤的實體模型之后,在三維軟件的“組件”操作界面下，先導(dǎo)入分度凸輪三維模型，并按照“缺省”狀態(tài)下設(shè)置，再導(dǎo)入分度盤三維模型，按照設(shè)計的裝配結(jié)構(gòu)尺寸對其進(jìn)行安裝。裝配完成之后，為了確保機(jī)構(gòu)模型安裝的正確性，保證機(jī)構(gòu)能夠有效地運動，不出現(xiàn)干涉情況，利用Pro/E中的模型檢查功能對該模型進(jìn)行全局干涉分析，如圖5所示。如果模型中存在干涉現(xiàn)象，則“全局干涉”界面上會以紅色加亮狀態(tài)顯示出來；如果沒有干涉情況，界面上不會出現(xiàn)任何信息提示。根據(jù)分析的結(jié)果，建立的機(jī)構(gòu)模型中不存在任何干涉現(xiàn)象，并且能夠正常運動，所以該設(shè)計的模型也符合應(yīng)用要求。

圖5 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)裝配及干涉檢查

2 圓柱分度凸輪裝置仿真與分析

2.1 在ADAMS中添加約束、接觸和驅(qū)動

把組裝好的機(jī)構(gòu)模型以parasolid格式保存，并將它導(dǎo)入ADAMS軟件中，接著在ADAMS中進(jìn)行以下材料屬性和約束副的設(shè)置[8]：分度凸輪選用20CrMnTi材料，分度盤選用S45C材料。根據(jù)分度凸輪機(jī)構(gòu)的運動要求，對圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)模型添加約束：在凸輪與地面之間、分度盤與地面之間分別添加旋轉(zhuǎn)副，目的是為了保證凸輪和分度盤繞著各自的中心軸線做旋轉(zhuǎn)運動，在分度盤上的滾子和分度凸輪之間添加“solid to solid”的接觸副。此外，根據(jù)Hertz彈性碰撞理論，確定凸輪與滾子的接觸參數(shù)[9]：剛度系數(shù)為K=4.85×105N/mm2，力指數(shù)e=1.5，最大阻尼系數(shù)c=50，穿透深度d=1.5mm；最后，在凸輪軸與地之間的旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動，大小為10.5r/min。在ADAMS中對以上各構(gòu)件進(jìn)行組裝，完成圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型，如圖6所示。

圖6 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析模型

2.2 虛擬樣機(jī)仿真

對以上所建的模型進(jìn)行仿真分析，設(shè)定仿真時間t=10s，步數(shù)Steps=100，即可分別得到分度盤轉(zhuǎn)動生成的角位移響應(yīng)曲線、角速度響應(yīng)曲線和角加速度響應(yīng)曲線，如圖7所示。

圖7 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)

該圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)采用的是余弦加速度運動律，角加速度按余弦規(guī)律變化，角位移按簡諧運動規(guī)律變化[3]。從仿真模擬結(jié)果圖7(a)可以看出：角位移響應(yīng)為每一次分度后的分度盤的轉(zhuǎn)角均為45°，與設(shè)計的轉(zhuǎn)盤分度期理論轉(zhuǎn)角相同，并且角位移變化過程較平穩(wěn)，符合設(shè)計要求。從圖7(b)可以看出：分度盤角速度曲線在1.94s和7.68s時產(chǎn)生較大的震蕩，這是由于分度盤從停歇期進(jìn)入分度期時，凸輪槽內(nèi)壁與滾子之間產(chǎn)生碰撞與沖擊造成的。從圖7(c)可以看出：分度盤加速度在各時段變化較大，這是因為在實際仿真時是按照接觸計算，考慮了接觸參數(shù)設(shè)置的影響(如阻尼、力指數(shù)、穿透深度及接觸剛度等)，運用了矩陣?yán)碚?，是一種三維的計算方法，所以產(chǎn)生了碰撞過程中的加速度突變現(xiàn)象。其中，分度盤角加速度在1.84s和7.50s時刻波動較大，此特性與角速度的變化規(guī)律相對應(yīng)。

從圖8可以看出：分度盤在停歇期內(nèi)不發(fā)生轉(zhuǎn)動，其受到的接觸力大小比較平穩(wěn)并趨近于0；當(dāng)時間為1.89s和7.60s時，通過ADAMS動態(tài)觀察，該時刻即為分度盤從停歇期轉(zhuǎn)入分度期時，此刻較大的沖擊載荷發(fā)生在凸輪槽內(nèi)壁與滾子之間。在長期工作中，這種沖擊會引起凸輪與滾子的接觸表面磨損，使圓柱分度凸輪的使用壽命減少。因此，在圓柱分度凸輪裝置的實際安裝過程中，適當(dāng)考慮調(diào)整裝配尺寸和誤差，使其能夠減小分度凸輪與分度盤之間的碰撞沖擊力，從而可減少對分度凸輪的磨損。

圖8 滾子的接觸力曲線

3 結(jié)論

根據(jù)搖桿式桑葉采摘機(jī)的實際工作狀況，選擇圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)作為間歇撥動桑枝定位裝置，利用三維軟件Pro/E中的參數(shù)化建模功能，繪制了凸輪的實體模型，并通過仿真軟件ADAMS對該模型進(jìn)行動力學(xué)仿真。通過仿真分析得到該圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)變化的響應(yīng)特性，分析并驗證了該模型的正確性和可行性，為桑葉采摘機(jī)間歇撥動定位裝置與桑葉

采摘裝置之間的協(xié)調(diào)匹配提供了理論保障，并為今后對該機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律和物理參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。此外，分度凸輪機(jī)構(gòu)在實際工作的時候一般處于潤滑狀態(tài)，本文在仿真中暫不考慮摩擦因素的影響，在實際安裝過程中，可以適當(dāng)考慮調(diào)整裝配尺寸和誤差來減小該機(jī)構(gòu)在運動過程中產(chǎn)生的沖擊和碰撞。

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Modeling and Simulation Analysis of Intermittent Shifting Device on Mulberry Leaf Picking Machine

Hu Yingchun1, Xi Tianyang2, Mou Xiangwei1, Hu Yizhi3, Zhuang Jinfang2, Hua Nan2

(1.Teachers College for Vocational and Technical Education,Guangxi Normal University, Guilin 541004,China；2.College of Mechanical Engineering,Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006,China；3.Guilin Hivision Technology Co.Ltd., Guilin 541004,China)

In view of the matching requirements of coordinate time of the rocker type mulberry leaf plucking machine with dial the b- ranch and picking,using cylindrical indexing cam mechanism as intermittent shifting device,by the coordination between the intermitt- ent shifting device and mulberry leaf picking device, the mulberry branches can immediately enter the ring tool export location and t- he tool pick the mulberry leaves successfully.With the theory of spatial coordinate transformation and conjugate,the mathematic model of cylindrical indexing cam mechanism was established. And its 3D model was parametricly built in Pro/E software combined with the related structure parameters,in the design of the rocker type mulberry leaf plucking machine,visual prototype of cylindrical indexing cam mechanism was built as well,verifying its rationality through the analysis of the interference.And its dynamics simulation was an- alyzed in ADAMS software by transforming the model fomat.Simulation results show that the agency model was set up correctly and the performance was stable,satisfying the actual application value in the mulberry leaf picking machine,which will provide a certain guiding role for optimization design, fabrication and installation of the mechanism.

mulberry leaf picking machine; cylindrical indexing cam; simulation; parametric; Pro/E; ADAMS

2016-03-24

國家自然科學(xué)基金項目(51565007)；廣西師范大學(xué)博士科研啟動基金(2015-2018)

胡迎春(1971-)，女，南京人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)hyc_leeds@163.com。

S225.99；TH112.4

A

1003-188X(2017)04-0032-05