黃瓜皮插孔裝置的設(shè)計(jì)與仿真

任曉智，王文杰

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 前言

黃瓜皮是廣西欽州市著名的地方特產(chǎn)。黃瓜皮的加工工藝流程大致分為原料選擇、插孔、燙瓜、壓榨、切碎、調(diào)味、殺菌、冷卻、包裝至成品[1]。為了使黃瓜在熱水中更快吸熱變軟，壓榨更易排水，在壓榨之前安排有插孔工藝，但目前插孔方法一般是使用錐子、竹簽等傳統(tǒng)工具人工插孔，插孔工藝勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低且有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述人工插孔的弊端，作者提出了一種黃瓜皮插孔工藝裝置。該裝置在設(shè)計(jì)過(guò)程中以實(shí)際工藝需求為導(dǎo)向，以自動(dòng)化為要求，經(jīng)歷反復(fù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)黃瓜的插孔和運(yùn)輸自動(dòng)化，為黃瓜皮插孔工藝提供了一種新的解決方案。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

該裝置以液壓為主要?jiǎng)恿Γ簤阂砸后w為媒介，易實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)化，反應(yīng)迅速，污染小；由電控系統(tǒng)控制，通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)黃瓜皮進(jìn)行插孔，機(jī)械系統(tǒng)主要作用有：一是在保證黃瓜固定可靠的前提下對(duì)黃瓜進(jìn)行插孔；二是利用兩次插孔的間歇時(shí)間即插孔機(jī)構(gòu)回程時(shí)間完成運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的工位切換。采用齒條與單向齒輪將運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和插孔機(jī)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，加以收集。整個(gè)過(guò)程無(wú)需依靠人力，提高了生產(chǎn)效率，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，且本裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，適用范圍廣泛，可靠性高。

1.2 總體設(shè)計(jì)

黃瓜皮插孔工藝裝置由電控系統(tǒng)及液壓驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)和齒條單向傳動(dòng)齒輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括定位插孔板及固定托盤(pán)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 黃瓜皮插孔裝置結(jié)構(gòu)圖

機(jī)架和工作平臺(tái)支撐電控、液壓裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。整個(gè)裝置由液壓缸提供驅(qū)動(dòng)力，為插孔板下落提供動(dòng)力。液壓缸后的機(jī)架上掛有電控裝置控制液壓缸在特定時(shí)間提供動(dòng)力。電路板設(shè)有開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)有彈簧復(fù)位裝置，可以自動(dòng)歸位，通過(guò)開(kāi)關(guān)可以控制液壓閥的工位，從而控制液壓推桿的上升下降。

兩個(gè)定位桿保證定位平臺(tái)及插孔板能保持豎直平穩(wěn)下落。當(dāng)黃瓜傳送到預(yù)期位置時(shí)液壓裝置啟動(dòng)，通過(guò)液壓推桿將運(yùn)動(dòng)傳遞到定位平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)帶動(dòng)插孔板下落，同時(shí)，固定在定位平臺(tái)后的齒條向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)單向傳動(dòng)齒輪空轉(zhuǎn)，不帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到插孔板下落而托盤(pán)（盛裝黃瓜）不會(huì)向前移動(dòng)的目的。

完成黃瓜插孔后電控裝置轉(zhuǎn)換液壓閥工位，使液壓缸復(fù)位，帶動(dòng)插孔板豎直向上運(yùn)動(dòng)，齒條隨之向上運(yùn)動(dòng)。通過(guò)齒條帶動(dòng)單向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)單向傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鏈條進(jìn)行傳動(dòng)，將插好孔的黃瓜送離，傳遞下一份未插孔黃瓜，實(shí)現(xiàn)了固定托盤(pán)工位切換，達(dá)到自動(dòng)插孔及自動(dòng)傳輸黃瓜的目的。

2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

為驗(yàn)證黃瓜皮插孔裝置的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行可行性，將UG 中的關(guān)鍵部件模型導(dǎo)入Adams 中進(jìn)行仿真分析。

2.1 插孔板仿真分析

對(duì)于插孔板，在液壓缸的輸出推力54.058 N 和輸出拉力13.986 N 的情況下，取時(shí)間為9 s、步長(zhǎng)為500 mm 的仿真方案，通過(guò)Adams 后處理模塊Post-Processor 進(jìn)行處理，可以得到其位移曲線(xiàn)圖和運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)圖。

圖2 Y 方向位移曲線(xiàn)圖（插孔板仿真）

圖3 Y 方向速度曲線(xiàn)圖（插孔板仿真）

通過(guò)仿真分析可知所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)合理，各部件之間不存在干涉。插孔板在液壓缸的穩(wěn)定壓力作用下，做以3 s 為一個(gè)周期的周期運(yùn)動(dòng)，下行插孔過(guò)程和上行拔孔過(guò)程分別是加速度不同的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

考慮到液壓缸設(shè)有背壓閥，故不計(jì)入插孔板重力，由力的傳遞特性可知插孔力即為液壓缸推力54.058 N，大于黃瓜穿刺所需最大力[2]，裝置可以完成黃瓜插孔工藝，并保證插孔的流暢性。

2.2 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)仿真分析

在Adams 中建立齒條與單向齒輪的齒輪副的運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)9 s，步長(zhǎng)300 mm，從后處理模塊觀(guān)察單向齒輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的角位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，如圖4 所示。

圖4 單向齒輪的角位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

從圖5 可以看出，單向齒輪和插孔板的運(yùn)動(dòng)具有一致性，以3 s 為一個(gè)周期。0～1 s，插孔板向下做插孔動(dòng)作，此時(shí)單向齒輪順時(shí)針空轉(zhuǎn)，不起傳動(dòng)作用，鏈條上的固定托盤(pán)保持工位不變，接受插孔板插孔工藝；1～3 s，插孔板向上運(yùn)動(dòng)做拔孔動(dòng)作，此時(shí)單向齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與傳動(dòng)軸配合，帶動(dòng)鏈輪鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，固定托盤(pán)依次向前運(yùn)動(dòng)一個(gè)工位。1～3 s 內(nèi)單向齒輪角位移為θ=136°，在上述標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度134.86°的誤差允許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行即工位轉(zhuǎn)換要求。

2.3 插孔工藝過(guò)程仿真

通過(guò)Adams 的柔性體建模，建立黃瓜的柔性體模型，將仿真黃瓜模型放置在插孔板下方的固定托盤(pán)上，從初始位置開(kāi)始仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為3 s，步長(zhǎng)100 mm 的仿真方案，通過(guò)后處理模塊中的碰撞約束分析，得到插孔板與黃瓜的穿透力學(xué)曲線(xiàn)圖，如圖5 所示。

圖5 Y 方向受力曲線(xiàn)圖（一個(gè)周期）

通過(guò)受力曲線(xiàn)可知：當(dāng)插孔板接觸黃瓜做插孔工藝時(shí)，黃瓜所受最大力為53.960 N，而液壓缸產(chǎn)生的推桿推力為54.058 N，考慮到機(jī)械損耗，符合實(shí)際情況。穿刺所用最大力就是所測(cè)果實(shí)的堅(jiān)實(shí)度[3]，而黃瓜在不同貯藏條件下的堅(jiān)實(shí)度都在30 N 以下，所以該機(jī)構(gòu)可以滿(mǎn)足黃瓜插孔力的實(shí)際要求。

3 結(jié)論

根據(jù)黃瓜皮插孔實(shí)際工藝要求，利用三維建模軟件設(shè)計(jì)模型，導(dǎo)入Adams 進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了裝置合理性和可行性。該黃瓜皮插孔裝置以插孔板和傳輸機(jī)構(gòu)及其聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)為核心設(shè)計(jì)，整體機(jī)構(gòu)運(yùn)行合理，本機(jī)構(gòu)可顯著提高插孔工作效率，可大大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，具有實(shí)用性高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足黃瓜皮插孔工藝需求。