梳齒式紅花絲采摘凸輪機構的設計與仿真

陳棒棒，曹衛彬，李 華，牛 馳，孫胃嶺，李樹峰

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅花別名草紅花或刺紅花，屬雙子葉植物綱、菊科，為1～2年生草本植物，是一種集藥材、染料、油料和飼料為一體的經濟作物。紅花作為藥材，具有活血通經、散瘀止痛的功效[1-3]，主產于新疆、四川、西藏等地[4]，抗寒性強，適宜于干燥氣候、耐貧瘠、光照充足的環境。新疆因得天獨厚的地理環境，成了我國紅花種植的主要基地，主要分布在塔城、昌吉和伊犁地區。隨著人們保健意識的增強，紅花已成為21世紀的熱門產業[5]。目前，國內外紅花絲的采收方式仍以人工采收為主，效率低、勞動強度大，因而能否實現機械化采收，成了制約紅花產業發展的關鍵性因素。我國對紅花絲采收機械的研究還處于起步階段，目前研究的幾種紅花絲采收裝置均是采用氣力式或機械切割式實現紅花絲的采集、收獲，雖一定程度上降低了勞動強度，但在實際應用過程中，仍存在采收效率與采凈率低及掉落損失大等問題[6]。基于目前的現狀分析，課題組提出了一種梳齒式紅花絲采摘機構，以凸輪作為采摘機構的關鍵部件。因此，本文采用解析法對該采摘機構的凸輪進行了詳細的設計，并利用仿真軟件進行了分析驗證。

1 采摘凸輪機構的結構及工作原理

采摘凸輪機構主要由凸輪、定梳齒、定梳齒座、動梳齒、動梳齒座、主軸、彈簧及彈簧擋圈等組成，如圖1所示。采摘頭采摘紅花絲利用梳齒式夾緊的原理，可實現紅花的機械化采收。其中，對凸輪輪廓曲線設計是能否實現采摘紅花絲的關鍵點。

1.凸輪 2.動梳齒座 3.動梳齒 4.彈簧 5.固定圓盤 6.主軸 7.彈簧擋圈 8.定梳齒座 9.定梳齒 10.萬向輪圖1 采摘凸輪機構圖Fig.1 Diagram of picking cam mechanism

采摘凸輪機構的工作原理：凸輪與機架固聯在一起，定梳齒及動梳齒分別通過定梳齒座和動梳齒座鏈接在主軸上面，動力傳遞到主軸上帶動梳齒座一起繞著主軸轉動；水平方向定梳齒固定不動，動梳齒在凸輪與彈簧的作用下在定梳齒間左右移動，繼而和定梳齒配合來實現夾緊和松開花絲的動作，完成紅花絲的采摘作業。

采摘頭在夾緊與松開的過程中，凸輪相對于從動件動梳齒是固定不動的。根據采摘花絲的要求，可相應地把凸輪劃分為如圖2所示的4個工作段。

1)花絲夾緊段AB：當從動件動梳齒與凸輪輪廓A點接觸時，從動件動梳齒進入凸輪的推程期，在彈簧彈力與凸輪輪廓曲線的共同作用下，從動件動梳齒迅速向定梳齒滑動并瞬間夾緊紅花絲，通過主軸的旋轉，拔掉紅花絲。

2)花絲運輸段BC：從B點開始，從動件動梳齒進入了凸輪的遠休止階段，保持從動件動梳齒與定梳齒的間距最小，有利于夾緊紅花絲運輸，不會因夾緊力的不夠而掉落。

3)花絲收取段CD：從C點開始從動件動梳齒在主軸的轉動下進入凸輪的回程期，在彈簧彈力與凸輪輪廓曲線的作用下，從動件動梳齒與定梳齒逐漸開始分離，紅花絲掉落。

4)空運行段DA：從D點開始，彈簧復位，動梳齒進入凸輪的近休止段，與定梳齒保持最大間距，為下一次花絲的夾緊采摘做準備。

圖2 凸輪工作段劃分圖Fig.2 Working phase of cam

2 凸輪機構的設計

本文擬采用解析法設計紅花絲采摘頭的凸輪機構，其基本思路是：根據紅花絲采摘頭的運動要求及結構尺寸，確定端面凸輪的基圓半徑r0；再綜合考慮凸輪的運動要求，確定凸輪的輪廓曲線。

2.1 確定凸輪機構的基本參數

根據紅花絲采摘頭的工作要求及安裝尺寸，已知參數，如表1所示。

表1 凸輪基本設計參數Table 1 Basic design parameters of cam

續表1

2.2 凸輪輪廓曲線的設計

凸輪的輪廓曲線形狀主要取決于從動件的運動規律，因此選取合適的從動件運動規律是設計出合理的凸輪輪廓曲線的關鍵[7]。本設計的紅花絲采摘頭的工作狀態為高速輕載，在選擇從動件推程和回程階段的運動規律時，還要考慮其工作要求、速度突變等因素產生的剛性沖擊，以防磨損凸輪端面的輪廓。

本文從動件運動規律擬采用五次項修正等速運動規律[8]，從而避免在凸輪的推程、回程階段發生瞬間的剛性沖擊，有效提高了凸輪機構的使用壽命。

2.2.1 推程段輪廓曲線的設計

根據五次項修正等速運動規律及紅花采摘工作要求可將推程期和回程期運動劃分為加速段、等速段和減速段。

其中，為避免瞬時突變，加速段與減速段運動角選擇范圍為

取φ1=10°，φ2=15°，按下式確定所對應的從動件位移量h1和h2，即

解得：h1=0.873mm，h2=1.309mm。

推程加速段，有

其中，φ∈[0,φ1)。

推程等速度，有

其中，φ∈[φ1,(φ-φ2))。

推程減速段，有

其中，φ∈[(φ-φ2),φ)。φ為凸輪轉角；φ為推程運動角；h為行程；φ1為推程加速段運動角；h1為推程加速段行程；φ2為推程減速段運動角；h2為推程減速段行程。

2.2.2 回程段輪廓曲線的設計

凸輪從動件的推程與回程是相對而言的，在凸輪輪廓曲線設計時，推程與回程的輪廓設計基準是相同的，則回程期各分段方程是所對應的推程期各階段的方程[8]。將推程期各分段的參數φ1、φ2、h1、h2等用回程期對應的各分段參數φ1′、φ2′、h1′、h2′分別取代。

回程加速段，有

其中，φ∈[180°,190°)。

回程等速段，有

其中，φ∈[190°,195°)。

回程減速段，有

其中，φ∈[195°,210°)。φ為凸輪轉角；φ′為回程運動角；h為行程；φ1′為回加速段運動角；h1′為回程加速段行程；φ2′為回程減速段運動角；h2′為回程減速段行程。其中，φ1=φ1′，φ2=φ2′，h1=h1′，h2=h2′。

2.2.3 MatLab編程

MatLab是Mathworks公司開發的一款工程計算軟件，以矩陣計算為基礎，把計算、繪圖、仿真等功能融合在一起[9]。本文利用MatLab軟件強大的計算繪圖能力，編程得到了凸輪的理論輪廓角位移曲線，如圖3所示。角速度曲線如圖4所示。

圖3 凸輪角位移曲線Fig.3 The curve of cam angular displacement

圖4 凸輪角速度曲線Fig.4 The curve of cam angular velocity

3 凸輪機構的運動仿真與分析

3.1 三維實體建模

使用MatLab軟件編程得到的凸輪輪廓曲線數據，利用三維參數化建模軟件SolidWorks，通過其包覆命令建立了凸輪模型，如圖5所示。

圖5 凸輪三維建模Fig.5 The 3D modeling of cam

3.2 基于ADAMS的運動仿真

3.2.1 三維模型導入

根據SolidWorks建立的三維模型，將其格式轉化為Parasolid.x_t導入ADAMS中，來驗證解析法設計凸輪的正確性。

3.2.2 添加約束

根據采摘頭的工作原理，為各個機構添加約束力。主軸與凸輪之間為轉動副，動梳齒座與定梳齒座之間為移動副，凸輪與萬向輪之間添加實體接觸約束力。在主軸的轉動副上添加一個勻速驅動，根據工作要求及運動特性，設置仿真終止時間為50s，仿真步數500，添加約束和驅動力后的凸輪機構模型如圖6所示。

圖6 約束與驅動圖Fig.6 The diagram of constraint and drive

3.3 仿真結果分析

在ADAMS中通過對凸輪機構進行運動學仿真得到凸輪從動件的角位移和角速度曲線，如圖7所示。

圖7 動梳齒角位移與角速度曲線Fig.7 The angular displacement and angular velocity curve of moving comb

將仿真曲線和MatLab編程的曲線對比可知：從動件在工作方向移動的距離為3mm，也就是凸輪的工作行程，符合設計的凸輪行程。

由速度曲線可知：凸輪的推程與回程階段，速度都是由小變大再變小，沒有急速的突變現象，減小了從動件對輪廓曲面的沖擊與磨損，在變化的行程中快速實現夾取花絲與松開花絲，符合采摘頭采摘花絲的工作要求和性能要求。

4 凸輪的靜應力分析

SolidWorks Simulation是一款基于有限元(即FEA數值)技術的設計分析軟件，作為嵌入式分析軟件集成到SolidWorks[11]，本文利用Simulation對凸輪進行靜力學分析。

4.1 應用材料及添加約束

材料的選擇決定了屈服強度的大小，在“應用材料”對話框中選擇合金鋼，其屈服強度620.4MPa。在“夾具”選項中選擇“固定幾何體”固定凸輪的非工作面，如圖8所示。

圖8 添加約束Fig.8 Add constraint

4.2 劃分網格

網格的劃分密度直接影響著運行結果的準確性，Simulation軟件默認的是中等密度網格，網格劃分越小，其精度越高，但求解時間就越長。本算例網格采用默認中等密度網格，如圖9所示。

4.3 靜力學分析

單擊外部載荷下的壓力和扭矩，選擇凸輪工作面上的工作段，根據采摘頭的運動要求，計算分析作用力為40N，扭矩為25N·m。點擊運行按鈕，開始求解，得到凸輪的應力應變圖解如圖10所示。分析結果表明， 最大應力為46.38MPa， 能夠滿足紅花絲的采摘要求。

圖10 應力與應變Fig.9 The stress and strain

5 結論

1)根據紅花絲采摘頭工作要求，采用解析法設計了一種凸輪機構，從動件采用五次項修正等速運動規律，建立了數學方程模型，并利用MatLab軟件編程得到了凸輪的平面輪廓曲線。

2)采用三維參數化軟件SolidWorks建立了凸輪三維模型，并導入虛擬仿真軟件ADAMS中得到了從動件的位移、速度曲線。結合MatLab軟件編程得到的理論輪廓曲線，得出該凸輪可以滿足紅花絲采摘頭的工作需求。

3)利用SolidWorks Simulation，對凸輪工作面做了靜力學分析，得到最大的應力為46.38MPa，滿足其強度要求。