杠杆式水果高速分级卸料装置的优化设计.pdf

2 0 0 7年10月农 业 机 械 学 报第38卷 第10期 杠杆式水果高速分级卸料装置的优化设计 魏新华 周杏鹏 李法德 尹克荣 摘要 设计了一种杠杆式水果分级卸料装置 该装置可直接安装在水果自动分选机的滚子式水果输送装置 上 输送过程中不影响水果的输送和翻转 可在自动分选机主控系统指令下自动实时完成水果的高速分级卸料 对 分选杠杆和分选凸轮进行了优化设计 保证整个卸料过程对水果都没有明显的碰撞和冲击 实际运行表明 该装置 能对大小相差近一倍的苹果实施高速平稳卸料 且卸料后的苹果没有明显损伤 关键词 水果 分选机 卸料装置 优化设计 中图分类号 S22615文献标识码 A Opti mal Design of the Lever styled High speed FruitsD ischarging Assembly W ei Xinhua 1 Zhou Xingpeng1 L i Fade2 Yin Kerong2 1 1S outheast U niversity 21S handong A g ricultural U niversity Abstract A novel lever2styled high2speed fruits discharging assembly for automated fruits grader w as developed w hich could be integrated into the roller conveyor of the fruits grader w ithout interfering the transportation and rotation of the fruits in the transportation period and could discharge fruits automatically at a high speed under the instruction of the grader controller in the discharging period The shape of the lever and the discharging cam has been opti m ized to ensure that fruits would not receive any damaging i mpact during discharging The practical operating results show ed that the discharging assembly designed could discharge apples w ith diameters of 50 100 mm at high2speed w ith smoothly running and the apples had no visible damage after discharging Key words Fruit Grader D ischarging assembly Opti mal design 收稿日期 2006 12 30 魏新华 东南大学自动化学院 博士生 210096 南京市 周杏鹏 东南大学自动化学院 教授 博士生导师 李法德 山东农业大学机械与电子工程学院 教授 博士生导师 271018 泰安市 尹克荣 山东农业大学机械与电子工程学院 实验师 引言 水果分级卸料装置是水果自动分选机的核心部 件 它必须能在分选机主控系统的指令下自动地实 时完成水果的高速分级卸料 且在卸料过程中不能 对水果产生任何机械损伤 在现有的活动托架式 分 级料斗式 推抛式 旋转托板式和气动式等分级卸料 装置中 1 5 大部分装置 1 3 都需要设置独立的卸料 工作台 分选机的整体结构比较复杂 其余几种 4 5 虽然可以直接安装在滚子式水果输送装置上 但卸 料时的抛落过程容易引起水果的碰撞损伤 从而限 制了其应用范围 为此 基于目前水果机器视觉自动 分选机普遍使用滚子式水果输送装置的实际情 况 6 本文设计一种能直接安装在滚子式水果输送 装置上的杠杆式水果分级卸料装置 并对其主要部 件进行优化 保证高速分级卸料过程不会对水果产 生机械损伤 1 工作原理 如图1所示 杠杆式水果分级卸料装置直接安 装在滚子式水果输送装置上 分选杠杆的分选臂正 好处于支承在相邻滚子之间水果的正下方 纵向水 平轴固定在输送链上 分选杠杆套装在纵向水平轴 上并可绕其自由转动 分级执行机构则固定在输送 线上方的机体框架上 当输送链运转时 滚子 水果 纵向水平轴和分选杠杆随着输送链一起向前运动 在图像采集段采集水果整个表面的图像并判定其等 级 当带有等级信息的水果到达对应的卸料口时 分 选机主控系统就向对应的分级执行机构发出动作指 令 使其分选凸轮进入分选杠杆承压臂的前进路线 承压臂沿分选凸轮的工作表面继续向前滑动 凸轮 升程就迫使分选杠杆绕其纵向水平轴转动 并由其 分选臂完成水果的卸料 然后分选凸轮快速复位 以 便其他等级水果能自由通过 剩余的所有等级外水 果则在最后一个卸料口 由剩果收集凸轮全部分离 出输送线 图1 杠杆式水果分级卸料装置的结构示意图 Fig 1 Scheme of the fruits discharging assembly a 主视图 b 俯视图 1 分级执行机构 2 水果 3 滚子 4 分选杠杆 5 剩果收集 凸轮 6 纵向水平轴 7 滚子轴 8 输送链 9 坡形挡板 2 优化设计方法 211 杠杆式水果分级卸料机构设计 杠杆式水果分级卸料机构的结构如图2所示 分选杠杆的中部有一水平套筒 其一端为承压臂 另 一端为 之 字形分选臂 分选杠杆通过其水平套筒 套装在纵向水平轴上并可绕其自由转动 上 下限位 销则用于限制其转动范围 选取 值 使DG段与支 承在滚子上处于输送状态的大小不同水果之间都有 一个4mm左右间隙 选取纵向水平轴的安装高度 B C和CD段的长度及 值 使D点高于最大直径水 果的质心N到DG段的垂足E 以保证卸料时分选臂 与最大直径水果正常接触 选取DG段长度 使G点 低于最小直径水果的质心M到DG段的垂足F 以保 证卸料时DG段首先与最小直径水果接触 选取下 限位销的安装高度 使分选杠杆靠自身重力稳定在 图2所示的稳定位置 选取GH段长度 值及上限 位销的安装高度 使H点高于滚子的下水平切面 并保证分选杠杆旋转至最高位置时 最大直径水果 刚好支承在滚子的最大直径处 且GH段与水平面 之间仍有6 10 的夹角 这样 输送过程中 分选杠 杆不影响水果的输送和翻转 卸料过程中 DG段开 始作用于水果主要是一个很小的切向力 不会对水 果造成大的碰撞或冲击 此后水果一面随分选臂抬 升 一面沿分选臂向外旋转滚动 并最终滚离输送 线 图2 杠杆式水果分级卸料机构的结构示意图 Fig 2 Scheme of the lever2styled fruits discharger 1 水果 2 分选杠杆 3 上限位销 4 纵向水平轴 5 U型支 架 6 下限位销 7 滚子 212 凸轮的优化设计 21211 凸轮形状的确定 设凸轮工作表面到纵向水平轴轴心B的水平距 离为s 则凸轮升程y与分选杠杆转角 之间的关系 如图3所示 即 y stan 1 图3 凸轮升程y与分选杠杆转角 的关系示意图 Fig 3 Scheme of the relations between yand 从承压臂滑过凸轮工作表面起点的时刻开始计 时 并设输送链的输送线速度为v0 则分选杠杆承压 臂在凸轮工作表面上滑过的水平距离x为 x v0t 2 式中 t 时间 为使卸料平稳 希望卸料过程中分选杠杆的转 动角速度 按图 4b 所示正弦规律变化 图中以承压 臂向上转动为 的正方向 即 A 2 A 2 sin t1 t 2 0 t t1 Asin t3 t1 t t1 2 t1 t t3 A 2 A 2 sin t4 t3 t t3 2 t3 t t4 3 59 第10期魏新华 等 杠杆式水果高速分级卸料装置的优化设计 式中 A 的幅值 t1 t2 t3 t4 不同的时刻 图4 分选杠杆的运动分析示意图 Fig 4 M otion analysis of the discharging lever a 曲线 b 曲线 c 曲线 d 凸轮轮廓曲线 如图 4c 所示 分选杠杆的角加速度为 A 2t1cos t1 t 2 0 t t1 A t3 t1cos t3 t1 t t1 2 t1 t t3 A 2 t4 t3 cos t4 t3 t t3 2 t3 t t4 4 角加速度 的极限值分别为 max1 A t3 t1 5 max2 A 2t1 A 2 t4 t3 6 如图 4a 所示 分选杠杆的转角为 A 2 t A t1 2 cos t1 t 2 0 t t1 A t3 t1 cos t t1 t3 t1 2 A t1 2 t1 t t3 A 2 t A t4 t3 2 cos t t3 t4 t3 2 A t1 t3 2 t3 t t4 7 最大转角为 max 2A t3 A t1 2 2 8 凸轮的轮廓曲线形状如图 4d 所示 其中x1 x2 x3 x4分别为t1 t2 t3 t4时刻承压臂在凸轮工作表面 上滑过的水平距离 由于转角 一定在区间 2 0 内 所以凸轮的最大升程为 ymax stan max stan 2A x3 A x1 2 2 v0 9 21212 凸轮设计参数的限制条件 为使大小不同的水果都从近似相同的高度离开 输送线 希望最小直径水果在滚至滚子最大直径处 前一点的位置就与滚子和分选杠杆分离 而直径最 大的水果则必须滚至滚子的最大直径处才与滚子分 离 并沿着分选臂的末端斜面滚离输送线 直径最小的水果处于滚子最大直径处时的受力 状态如图5所示 其中 N1为分选臂对水果的正反 力 F1为分选臂对水果的摩擦力 G为水果重力G m g m为水果质量 Ft为切向牵连惯性力 Ft m R R为水果质心到纵向水平轴轴心的距离 Fn 为法向牵连惯性力 Fn m 2R Fc为科氏力 Fc 2m vr vr为水果相对于分选臂的相对运动 速度 Fr为水果的相对运动惯性力 Fr m ar ar 为水果相对于分选臂的相对运动加速度 此时应满足 N1 Gcos Fc Ftcos Fnsin gcos 2 L v0 x2cos 12 当最大直径的水果处于滚子的最大直径处时 分选杠杆正好处于其最高位置 承压臂与凸轮工作 表面的接触点在x2处 所以 max max1 0 Fn 0 Fc 0 此时应满足 N 1 Gcos Ftcos 0 13 式中 N 1 最大直径水果处于滚子最大直 径处时N1 角的对应值 即 max1 A v0 2 x2 x1 gcos R cos 14 式中 R 最大直径水果质心到纵向水平轴轴心 距离 此外 假设分选杠杆从平衡位置开始 转动 max 角度后才到达其最高位置 所以有 max 2A 2 x2 x1 A x1 2 2 v0 15 69农 业 机 械 学 报2 0 0 7年 为尽量减小分选过程中分选臂对水果的作用 力 max2应尽量小 综上所述 凸轮的设计参数应满 足 A v0 2 x2 x1 gcos R cos R cos 2R sin gcos 2 L v0 x2cos max 2A 2 x2 x1 A x1 2 2 v0 16 并以A v0 2x1 尽量小为优化设计原则 21213 凸轮设计参数的优化选择 根据式 16 按下列步骤选择凸轮的设计参数 1 根据滚子式水果输送装置的具体情况 确 定L v0以及相邻滚子轴之间的间距a 2 根据待分选水果的大小范围 确定杠杆式 水果分级卸料机构的结构尺寸和最大转角 max 3 确定最小水果处于滚子最大直径处时 R 和 的值 并确定此时对应的分选杠杆转角 4 确定最大水果处于滚子最大直径处时 R 和 的值 5 根据滚子轴之间的间距a及凸轮的安装位 置 确定x2的允许范围 x2m in x2max 6 根据以上参数 按图6所示流程确定凸轮各 个设计参数的优化值 7 如果第6步有解 则确定s的值 并根据 式 1 和式 7 计算凸轮的轮廓曲线方程 8 如果第6步无解 则只能降低输送链的线速 度v0 并转入第6步继续求解 凸轮设计参数选择流程图如图6所示 21214 凸轮设计实例 在苹果机器视觉分选机的设计中 L 68 mm a 10116 mm v0 01616 m s 能够输送的苹果最 小半径为25 mm 最大半径为50 mm max 30 s 50 mm R 145 mm 1315 912 2615 R 153 mm 1015 2114 分选凸轮在输送线上有选择地对水果进行分级 卸料 其长度不能超过2个相邻分选杠杆之间的间 距 即a 由于卸料过程仅由凸轮的前一半工作表面 完成 所以实际分选凸轮可只取设计凸轮长度的1 2 考虑到分选凸轮的位置转换时间 取x2的允许范 围为20 88 mm 按图6所示流程可得分选凸轮的 优化设计参数为 A 51901 2 rad s x1 10 mm x2 88 mm 此时 max2 5711004 3 rad s2 所以 分选 凸轮的轮廓曲线方程为 图6 凸轮设计参数的选择流程图 Fig 6 Flow chart of the selection approach about the design parameters of a cam y 50tan 01004 8x 01015 2 cos 01314 2x 11570 8 0 x 10 50tan 0 475 7cos 0 020 1 x 10 1 570 8 0 047 9 10 x 166 50tan 0 004 8x 0 015 2cos 0 314 2 x 166 1 570 8 0 843 0 166 x 176 17 剩果收集凸轮在输送线的最后无选择地分离所 有剩余水果 其长度可不受间距a的限制 所以可取 79 第10期魏新华 等 杠杆式水果高速分级卸料装置的优化设计 x2的允许范围为20 150mm 按图6所示流程可得 其优化设计参数为 A 41215 4 rad s x1 83 mm x2 138 mm 此时 max2 491142 9 rad s 2 所以 剩 果收集凸轮的轮廓曲线方程为 y 50tan 0 003 4x 0 090 4 cos 0 037 9x 1 570 8 0 x 83 50tan 0 239 6cos 0 028 6 x 83 1 570 8 0 284 0 83 x 193 50tan 0 003 4x 0 090 4cos 0 037 9 x 193 1 570 8 0 944 5 193 x 276 18 213 分级执行机构设计 21311 分级执行机构的结构设计 分级执行机构如图7所示 分选凸轮取设计凸 轮长度的一半作为其工作表面N O M N斜直线段 用于对承压臂的运动进行适当引导 OP段则用于 与固定杆连接 以保证分选凸轮的转动轨迹不超出 N点 步进电动机和挡杆固定在输送线上方的机体 框架上 并使N点正好与承压臂的上表面齐平 分 选过程中 分选凸轮可由步进电动机驱动在 分选 和 通过 2个工作位置之间切换 以对水果进行有 选择的分级卸料 两工作位置间的夹角为 在实线 所示 分选 位置 分选凸轮出现在承压臂的前进路 线上 并依靠其工作表面N O的升程完成水果的卸 料 承压臂对分选凸轮的作用力主要由挡杆承受 步 进电动机处于无转矩的自由状态 在虚线所示 通 过 位置 分选凸轮高于承压臂 水果自由通过 此时 步进电动机处于保持状态 图7 分级执行机构的结构示意图 Fig 7 Scheme of the discharging actuator a 主视图 b 左视图 1 步进电动机 2 轴套 3 固定杆 4 挡杆 5 分选凸轮 21312 对步进电动机的要求 在苹果自动分选机的设计中 a 10116 mm 分 选凸轮有效长度x2 88mm 35 所以每次卸料 后 分选凸轮必须在输送链前进1316 mm的时间内 转换到其 通过 位置 以免影响后续分选杠杆的运 动 预留一定间隙 步进电动机必须在 t 9 v0 1416 m s的时间内转过35 的转角 考虑到启动加速 过程 则要求步进电动机正常运转频率f 215 kHz 启动频率fq 015 kHz 经计算 步进电动机的总负 载转动惯量JL 13198 kg cm 2 总负载转矩TL 011 N m 所以要求步进电动机的转子转动惯量Jm 114 kg cm 2 21313 步进电动机控制电路设计 步进电动机控制电路如图8所示 分选机主控 系统通过RS 485串口向A T89C2051 M CU发送水 果等级信息 当检测到有水果到位时 M CU根据其 等级判断是否执行卸料 如果是 则通过其片内 16位定时 计数器产生相应的脉冲信号 控制步进 电动机控制器驱动步进电动机转动 将分选凸轮转 换到 分选 位置 卸料完成后 M CU再控制步进电 动机将分选凸轮转换回 通过 位置 一次分选过程 结束 为确保分选凸轮的位置控制精度 设置了相应 的位置检测装置以组成一个闭环的位置控制系统 图8 步进电动机控制电路原理框图 Fig 8 Scheme of the step motor controlling circuit 3 实际运行效果 在苹果自动分选机的设计中 v0 01616 m s 直径为85和50 mm 2个苹果的实际卸料状态如 图9所示 实际效果表明 杠杆式分级卸料装置能够 自动完成直径相差近一倍的苹果的高速平稳卸料 且卸料后的苹果没有任何明显的碰撞或冲击损伤 图9 实际分级卸料状态照片 Fig 9 Photos of practical discharging status a 85 mm苹果的卸料状态 b 50 mm苹果的卸料状态 4 结论 1 经合理设计 杠杆式水果分级卸料装置能 直接安装在滚子式水果输送装置上 并在分选机主 下转第112页 89农 业 机 械 学 报2 0 0 7年 图4 驱动副A B C E运动学曲线 Fig 4 Kinematics diagram s of driving pairsA B CandE a 速度 b 加速度 论推导的正确性 与具有同样运动特性的并联机构 相比 该机器人的运动学正反解求解容易 且具有显 图5 辅助支链运动学曲线 Fig 5 Kinematics diagram s of subsidiary chain a 角速度 b 角加速度 形形式 便于实现实时控制 工作空间大 转动灵活 动平台动力性能好 参考文献 1 刘辛军 汪劲松 李剑锋 等 一种新型空间3自由度并联机构的正反解及工作空间分析 J 机械工程学报 2001 37 10 36 39 2 杨廷力 机器人机构拓扑结构学 M 北京 机械工业出版社 2004 3