自动化甘蔗削皮装置的研制-硕士论.doc

学校代码：10255学号：2130724自动化甘蔗削皮装置的研制DESIGN AND STUDY OF THE AUTOMATIVESUGARCANE PEELING DEVICE作者姓名： 王曙光专业名称： 机械工程导师名称： 单鸿波答辩日期： 2015 年 5 月东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。保密 ，在_年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密 。学位论文作者签名：指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日自动化甘蔗削皮装置的研制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 AUTOMATIVESUGARCANE PEELING DEVICEAbstractSugarcane 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 peoples 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 mechanisms 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.Wang Shuguang（Mechanical Engineering）Supervised by Hongbo ShanKeywords: sugarcane peeling，mechanism design，simulation analysis，prototype produce.目录摘要1Abstract1第 1 章 绪论11.1 本课题的选题背景及意义11.2 国内外研究现状及发展动态11.2.1 甘蔗力学性能的研究现状11.2.2 甘蔗切削机理研究现状41.2.3 切削装置的研究现状51.2.4 第一代样机目前存在的问题61.3 本文主要研究内容71.4 本章小结8第 2 章 样机总体方案设计92.1 样机总体设计92.2 切削机构设计102.2.1 切削机构的方案设计102.2.2 切削机构的运动机构设计102.2.3 运动机构的具体结构设计112.2.4 切削机构刀架的设计122.3 夹持机构设计142.3.1 夹持机构方案设计142.3.2 夹持机构的结构设计152.4 整机机构布局与框架设计162.4.1 整体机构布局162.4.2 框架结构设计172.5 本章小结18第 3 章 样机的仿真分析193.1 切削刀架结构的仿真分析193.1.1 有限元静力分析理论基础193.1.2 有限元仿真分析203.2 切削运动机构的结构分析243.3 框架支撑结构的模态分析283.3.1 本章小结32第 4 章 样机控制系统设计334.1 控制系统方案设计334.1.1 控制系统的设计要求334.1.2 控制系统的方案论证344.2 控制系统硬件设计及实现344.2.1 电气原理图的设计344.2.2 电器元件的配置与统计364.2.3 控制系统电器元件的选择364.2.4 PLC 机型的选择374.2.5 PLC I/O 元件分配384.2.6 PLC 接线图绘制394.3 控制系统软件设计404.3.1 PLC 程序设计步骤及方法404.3.2 控制系统流程图的设计414.3.3 PLC 梯形图程序的编制424.4 本章小结43第 5 章 样机的安装及调试455.1 样机的试制与安装455.1.1 整机结构的安装455.1.2 键零部件加工与装配455.1.3 电气元件的安装与接线505.2 样机的试运行与调试515.3 本章小结52第 6 章 总结与展望536.1 课题研究工作总结536.2 本文局限与展望53参考文献55攻读硕士学位期间的研究成果58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12。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67。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1自动化甘蔗削皮装置的研制第 1 章 绪论模量和抗弯强度，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)911。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 0 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 2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。0 1-2 压缩载荷-时间曲线 0 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。 0 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 0 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3自动化甘蔗削皮装置的研制第 1 章 绪论a 蔗芯轴向破坏形式b 蔗芯径向破坏形式0 1-5 蔗芯破坏形式 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1213。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 17.5，切割角 =27.73，刀盘倾角 28，切割速度 V16m/s 时，最佳切割力为 266.9N，可靠性为 95%的最佳切割力范围 235.82297.98N13。4自动化甘蔗削皮装置的研制第 1 章 绪论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1516：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1920 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。5自动化甘蔗削皮装置的研制第 1 章 绪论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2324 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。图 1-8 第一代样机切削装置2）机身结构存在的问题 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6自动化甘蔗削皮装置的研制第 1 章 绪论较大的噪音。图 1-9 第一代样机整机模型3）进给装置存在的问题 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7自动化甘蔗削皮装置的研制第 1 章 绪论真和使用 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。8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9自动化甘蔗削皮装置的研制第 2 章 样机总体方案设计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、切削机构简垃圾便于处理切削结构紧凑单、多功能切削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2627。 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。10自动化甘蔗削皮装置的研制第 2 章 样机总体方案设计图 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 K -1 180 ，算得极位夹角 =12.5581 。将 和l1 值K +1代入下式计算：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。将 ，l1 和l2 值代入下式计算：arccose- arccose（1-2）l1+ l2l2- l1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 max arcsin e + l1 38.775 40 满足许用压力角的要求。 l2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11自动化甘蔗削皮装置的研制第 2 章 样机总体方案设计铝型材来搭建，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。12自动化甘蔗削皮装置的研制第 2 章 样机总体方案设计图 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13自动化甘蔗削皮装置的研制第 2 章 样机总体方案设计图 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14自动化甘蔗削皮装置的研制第 2 章 样机总体方案设计紧功能。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、容易压结构尺寸大、结构复杂结构稍复杂裂甘蔗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。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l2 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。15自动化甘蔗削皮装置的研制第 2 章 样机总体方案设计图 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。16自动化甘蔗削皮装置的研制第 2 章 样机总体方案设计图 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17自动化甘蔗削皮装置的研制第 2 章 样机总体方案设计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。18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Fe Ke e（3-1）其中：Fe 为单元节点列阵，Ke 为单元刚度矩阵， 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Fe ；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 （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 29；19自动化甘蔗削皮装置的研制第 3 章 样机的仿真分析第四步，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