紅棗自動分選機卸料裝置的設(shè)計與虛擬試驗

1、紅棗自動分選機卸料裝置的設(shè)計與虛擬試驗O引言卸料裝置是紅棗自動分選機的核心硬件之一，功能是對已判定等級的水果實施自動分級卸料，使不同等級的水果在不同分級出口脫離水果輸送線。現(xiàn)有的卸料裝置有氣動式卸料、推挽式和組合式輸送卸料裝置。氣動式水果分級裝置的卸料速度較慢。推挽式分級機構(gòu)用步進電機作為執(zhí)行器，需要增加單獨的控制裝置。組合式輸送卸料裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水果的平穩(wěn)卸料，但需要設(shè)置獨立的卸料臺，致使水果分選機的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜4-5。本文設(shè)計了一種執(zhí)行機構(gòu)簡單可靠的卸料裝置，并應(yīng)用多體動力學(xué)軟件ADAMS建立卸料裝置的虛擬樣機模型，對杠桿長度進行虛擬單因素試驗，并進行了不同質(zhì)量紅棗的卸料試驗，為卸料裝置的設(shè)

2、計與性能研究提供了一個可行的方法。1卸料裝置的設(shè)計目前，我國種植范圍和產(chǎn)量最大的鮮食棗品種為冬棗，其尺寸和果質(zhì)量如表1所示6-7。針對冬棗的外形尺寸，輸送裝置配套選用C208A型輸送鏈，每個外鏈節(jié)上安裝一個輸送裝置，任意兩個前后相鄰的輸送裝置均可托起并搓動1個紅棗。1.1電磁鐵選型與卸料杠桿設(shè)計分選速度為5個s，普通直流牽引電磁鐵的操作頻率無法滿足應(yīng)用要求，故選擇GS32型電磁鐵，其工作頻率為16Hz，行程末吸力約為10N。由于GS32為拉動式電磁鐵，其額定行程僅為5mm，無法滿足實時卸料要求，故設(shè)計卸料托桿鉸接在銜鐵末端（如圖1所示），并在銷孔處與機架鉸接。卸料托桿左段為斜直線，以適應(yīng)紅棗輸

3、送裝置間距小的特點，右段母線為R= 102mm的圓弧，使卸料過程更平滑。為研究其卸料性能，設(shè)計3個行程放大倍數(shù)分別為4，3，2的卸料托桿，分別稱其為托桿1、托桿2和托桿3。電磁鐵本體固定在機架上，卸料托桿將銜鐵的直線運動轉(zhuǎn)化為繞銷孔的轉(zhuǎn)動。經(jīng)過計算，所需電磁鐵的最小吸力為1.144N，滿足使用要求。1.2卸料裝置的工作原理卸料裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)輸送裝置運動到圖像采集區(qū)域時，布置在該區(qū)域?qū)к墐蓚?cè)的摩擦帶將滾輪托起并將其搓動；同時，相鄰兩個滾輪帶動其上方的紅棗轉(zhuǎn)動，使得高速攝像機采集到完整的紅棗表面圖像。在經(jīng)過圖像采集階段后，滾子在自重作用下回到低位，紅棗下落到架托上，同時圖像處理系統(tǒng)將相應(yīng)

4、的等級信號傳遞給控制系統(tǒng)。當(dāng)攜帶紅棗的輸送裝置運動到相應(yīng)的分級口時，若等級控制信號為高電平且光電開關(guān)被觸發(fā)，則電磁鐵得電并托起托架卸料端，紅棗滑落輸送裝置并進入緩沖料斗。2卸料裝置虛擬樣機的建立冬棗的果實近橢圓形，果面平整光潔，果質(zhì)量835g6-7。依據(jù)其特點，在CATIA中建立了2個冬棗的數(shù)字模型，如表2所示。將SimDesinger嵌入CATIA的DUM模塊，利用CATIA裝配組件時建立的約束自動生成ADAMS中對應(yīng)的約束關(guān)系，建立該裝置的虛擬樣機。由于MD.ADAMS材料庫中沒有尼龍和橡膠，分別按照文獻9中的參數(shù)定義，并依次給各零件選擇對應(yīng)的材料。2.1定義驅(qū)動和運動副給各零部件定義運動

5、副，給輸送鏈條和紅棗定義如圖2所示方向的恒定驅(qū)動260mm/s。ADAMS中有兩種計算碰撞接觸力的方法，分別是補償法和沖擊函數(shù)法。補償法需確定懲罰系數(shù)和補償系數(shù)，其中對懲罰系數(shù)的取值要求較高，仿真時容易發(fā)散，且更適用于連續(xù)接觸方式。因此，本文選用適于計算間歇接觸的沖擊函數(shù)法計算碰撞接觸力，其計算公式為托架和卸料托桿的材料均為尼龍，其接觸剛度為3800N/mm，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗取接觸約束的參數(shù)，如表3所示。若將卸料托桿與銜鐵銷軸連接處設(shè)置為帶間隙的，接觸約束會大幅延長仿真時間，為使運動模型簡潔清晰，將銜鐵的直動規(guī)律轉(zhuǎn)化為卸料托桿的轉(zhuǎn)動規(guī)律特性。在卸料托桿與機架鉸接處，定義回轉(zhuǎn)驅(qū)動Motion1。

6、卸料動作完成后，作用在銜鐵末端的彈簧使其迅速歸位。為避免由于開始的沖擊造成速度突變，卸料托桿的轉(zhuǎn)角位移驅(qū)動以階躍函數(shù)STEP施加，即STEP(time,O,O,O.011,0) +STEP(time,0.011,0,0.025,- 22.62d)+ STEP( time,0.025,0,0.043,0)+STEP(time,0.043,0,0.063,22.62d)(2)由于MSC開發(fā)的SimDesinger構(gòu)建于CAITA V5體系，能夠以集成和可擴展方式獲取ADAMS的數(shù)據(jù)，故選用SimDesinger作為從CATIA到ADAMS的數(shù)據(jù)交換軟件，將其嵌入CATIA的DUM模塊，利用CATI

7、A裝配組件時建立的約束，自動生成ADAMS中對應(yīng)的約束關(guān)系，從而建立該裝置的虛擬樣機，見圖3所示。2.2創(chuàng)建虛擬傳感器該虛擬樣機中，將傳感器虛擬模型上表面的中心點定義為Marker_l點，選擇距其最近的托架半球形端部的中心點為Marker_2點，并按表4創(chuàng)建虛擬傳感器Sensor。3卸料裝置的虛擬試驗3.1試驗指標(biāo)通過對輸送裝置幾何尺寸和紅棗外形特點的研究，取最大紅棗縱徑的1/2為長度，繞輸送裝置正視圖的外輪廓做包絡(luò)圓，并將所得結(jié)果乘以安全系數(shù)1.5?？纱_定紅棗順利卸料的條件為：當(dāng)紅棗落回初始位置同水平面時，其側(cè)向位移L大于50mm；同時，將紅棗最大上升高度H作為輔助評價條件。3.2創(chuàng)建仿真腳

8、本由于仿真過程涉及到傳感器和回轉(zhuǎn)驅(qū)動的啟用與失效，交互式仿真無法完成此功能，故需創(chuàng)建仿真腳本，其執(zhí)行流程如圖4所示。3.3卸料裝置的初步仿真在后處理界面中，分別插入兩個視角的仿真視頻，并應(yīng)用ADAMS的plotting控件繪制出紅棗在垂直于運動方向的豎直平面內(nèi)的下落軌跡（后面簡稱下落軌跡）。如圖5所示，該模型順利完成了紅棗卸料過程。3.4不同長度卸料托桿的虛擬單因素試驗重復(fù)試驗，分別引入3個長度不同的卸料托桿模型，以紅棗B為試驗對象，并比較其下落軌跡，如圖6所示。在Cam3模型下，L僅為8ram，紅棗又落回到托架上，并在滾動至托架左端后掉離托架，沒有實現(xiàn)卸料目標(biāo)；在Cam2模型下，紅棗在卸料過

9、程中與托架端部發(fā)生了小面積接觸的2次碰撞，對紅棗有損傷且不利于接料斗收集紅棗，故不采用該模型；在Cam1模型下，L和H分別為60mm和100ram，既實現(xiàn)了卸料又未與分選裝置發(fā)生2次碰撞，因此選用行程放大倍數(shù)為4的卸料托桿Cam，。3.5不同質(zhì)量紅棗的虛擬對比卸料試驗分別將紅棗B和紅棗S的數(shù)字模型導(dǎo)人卸料裝置，虛擬樣機進行仿真試驗，將其下落軌跡分別導(dǎo)入Matlab中進行繪圖，如圖7所示。圖7中，細橫線代表紅棗重心初始位置所在的水平線。紅棗S在卸料托桿作用下的L值為72mm，大于紅棗B的60mm，且H值稍有降低。由此可知，該分選裝置可滿足835g紅棗的分選。4結(jié)論1)設(shè)計了以電磁鐵為執(zhí)行器的卸料裝置，建立了基于ADAMS的卸料裝置的虛擬樣機模型。2)進行了杠桿長度的虛擬單因素試驗，得到該模型在卸料托桿行程放大倍數(shù)為4時卸料效果最優(yōu)的結(jié)論。此時，