黃松檀，胡 沖，呂俊杰，馬亮亮，應(yīng)富強(qiáng)

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

目前包裝袋行業(yè)的打結(jié)，依舊是人工打死扣的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。現(xiàn)在打結(jié)器主要用于農(nóng)業(yè)，如對(duì)牧草進(jìn)行打結(jié)捆扎的D型打結(jié)器，外科手術(shù)最后縫線(xiàn)動(dòng)作的絲線(xiàn)打結(jié)器等，因此對(duì)包裝袋手繩的打結(jié)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究具有一定的科研和市場(chǎng)價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)打結(jié)裝置開(kāi)展了大量研究，包括打結(jié)器運(yùn)動(dòng)仿真、動(dòng)作功能及運(yùn)動(dòng)時(shí)序分析[1-3]，結(jié)構(gòu)性能分析[4-5]，空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分析[6-7]，改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[8-9]，新型打結(jié)器設(shè)計(jì)等[10-12]。如在打結(jié)器運(yùn)動(dòng)仿真方面，江蘇大學(xué)的尹建軍等對(duì)D型打結(jié)器及其輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真與時(shí)序分析，揭示了D型打結(jié)器的成結(jié)原理，確定了各構(gòu)件耦合動(dòng)作時(shí)序關(guān)系；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳龍健等利用逆向工程技術(shù)對(duì)D型打結(jié)器進(jìn)行了三維重構(gòu)，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真研究；在結(jié)構(gòu)性能分析方面，內(nèi)蒙古大學(xué)的劉智強(qiáng)對(duì)D型打結(jié)器的鉗嘴結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析研究，確定了鉗嘴的應(yīng)力分布及疲勞壽命；在空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分析方面，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張安琪分析了割繩脫扣機(jī)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)打結(jié)器割繩脫扣機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了其參數(shù)設(shè)計(jì)理論模型，描述了與其他機(jī)構(gòu)之間的參數(shù)匹配關(guān)系；在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方面，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的李海濤等對(duì)割繩脫扣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了磨損分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出以凸輪理論廓面的等距圓弧面代替現(xiàn)有柱面輪廓的解決方案，通過(guò)磨損試驗(yàn)對(duì)比有明顯改善；在新型打結(jié)器設(shè)計(jì)方面，HE Long, ZHANG Qin和CHARVET H J設(shè)計(jì)了一種機(jī)械化操作的新型繞繩機(jī)器人，其原理是以一根格狀線(xiàn)基準(zhǔn)軸，通過(guò)氣缸與勾子做繞繩動(dòng)作，最后由鉗子完成成結(jié)動(dòng)作；天津大學(xué)自行研制了“妙手”系列的外科手術(shù)機(jī)器人；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李哲與王宇銳進(jìn)行了海帶打結(jié)原理的研究以及新一代海帶打結(jié)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上述研究均未涉及包裝袋手繩打結(jié)過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)如繞繩角度及成結(jié)移動(dòng)距離的研究，因此有必要對(duì)包裝袋手繩打結(jié)過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，有助于包裝袋手繩打結(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

本研究將針對(duì)包裝袋手繩打結(jié)設(shè)計(jì)一種新型打結(jié)裝置，并對(duì)其打結(jié)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)而制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 新型打結(jié)裝置的設(shè)計(jì)

打結(jié)裝置包括繞繩機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及移動(dòng)成結(jié)機(jī)構(gòu)，繞繩機(jī)構(gòu)由主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、夾子及夾持板組成，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)齒輪、主從動(dòng)斜齒輪及相應(yīng)的連接軸組成，移動(dòng)成結(jié)機(jī)構(gòu)由勾槽、移動(dòng)軸及不完全齒輪組成。

打結(jié)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 打結(jié)裝置示意圖

繞繩機(jī)構(gòu)繞繩圈動(dòng)作，主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪及固定在從動(dòng)輪上的繞圈夾持板轉(zhuǎn)動(dòng)，夾持板上的夾子就能夾住手繩進(jìn)行繞圈動(dòng)作。

繞繩圈如圖2所示。

圖2 繞繩圈

成結(jié)機(jī)構(gòu)由電機(jī)輸入驅(qū)動(dòng)到主動(dòng)齒輪，其再通過(guò)傳動(dòng)齒輪將動(dòng)力傳遞到與之同軸的交錯(cuò)斜齒輪機(jī)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)不完全齒輪機(jī)構(gòu)工作，移動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)構(gòu)及軌跡如圖3所示。

圖3 成結(jié)機(jī)構(gòu)及移動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)軌跡

2 打結(jié)過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

打結(jié)裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 打結(jié)裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖1—電機(jī)；2—夾子；3—手繩；4—從動(dòng)齒輪；5—主動(dòng)齒輪；6—傳動(dòng)齒輪；7—主動(dòng)斜齒輪；8—不完全齒輪；9—從動(dòng)斜齒輪；10—移動(dòng)軸

本研究根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，以繩子開(kāi)始繞圈到繞到凹槽總用時(shí)為橋梁，計(jì)算得到傳動(dòng)比、繞繩圈數(shù)及移動(dòng)距離之間的關(guān)系，進(jìn)一步確定3者的范圍。設(shè)繩子開(kāi)始繞圈到繞到凹槽總用時(shí)為t，其由繩子繞到凹槽時(shí)移動(dòng)軸移動(dòng)時(shí)間和從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)出繩圈所用時(shí)間組成，設(shè)為t1和t2，總的繞繩圈數(shù)為k，繩子繞到凹槽時(shí)移動(dòng)軸移動(dòng)距離為s。

從移動(dòng)軸移動(dòng)開(kāi)始分析，不完全齒輪的轉(zhuǎn)速、移動(dòng)軸移動(dòng)速度、移動(dòng)軸移動(dòng)距離及從動(dòng)齒輪周長(zhǎng)公式如下所示:

(1)

式中：n—電機(jī)轉(zhuǎn)速；i—傳動(dòng)比；w6—不完全齒輪角速度；d6—不完全齒輪分度圓直徑；z2—從動(dòng)齒輪齒數(shù)；m2—模數(shù)。

由式(1)可得:

(2)

(3)

從動(dòng)齒輪總的旋轉(zhuǎn)圓周長(zhǎng)為：

C′=C·k=πm2z2k

(4)

所以從動(dòng)齒輪帶著夾持機(jī)構(gòu)中的繩子繞到凹槽時(shí)間：

(5)

總時(shí)間為：

t=t1+t2

(6)

聯(lián)立式(2，3，5，6)，得傳動(dòng)比、繞繩圈數(shù)及移動(dòng)距離關(guān)系式：

i12d6.(k-1)·π=2s

(7)

式中：k-從動(dòng)齒輪帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)中的繩子繞到凹槽的繞圈數(shù)，其值應(yīng)小于從動(dòng)齒輪的總繞圈周數(shù)為1.3圈～1.6圈，故可以設(shè)定k∈[1，1.2]。

根據(jù)實(shí)際手工模擬打結(jié)動(dòng)作可知，當(dāng)繩子繞到凹槽時(shí)移動(dòng)軸移動(dòng)的距離一般在s∈[10，30]。

至此，可以確定變量的范圍如表1所示。

表1 各變量范圍

3 打結(jié)過(guò)程仿真分析

3.1 前處理

本研究利用Adams軟件對(duì)打結(jié)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，確定轉(zhuǎn)動(dòng)角度和移動(dòng)距離的值，并為樣機(jī)制作及試驗(yàn)提供一定的指導(dǎo)。首先筆者將建立好的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，再將三維模型轉(zhuǎn)換成Parasolid格式導(dǎo)入到Adams中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況創(chuàng)建各相鄰構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副。

繞繩機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手繩繞繩圈和移動(dòng)軸帶動(dòng)手繩成結(jié)是打結(jié)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以仿真時(shí)夾子鎖定在安裝板上，安裝板鎖定在從動(dòng)齒輪上，對(duì)從動(dòng)齒輪添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)軸與地面通過(guò)移動(dòng)副相連并對(duì)其添加位移驅(qū)動(dòng)，手繩用同規(guī)格的圓柱體通過(guò)軸套力bushing相連，軸套力的添加通過(guò)宏程序?qū)崿F(xiàn)[13-14]。

命令如下：

…………..

variable create variable_name=ip integer_value=1

while condition=(ip<300)

marker create &

marker_name=(eval(".model_1.part_"http://ip//".MARKER_327"http://ip+1000))&location=-77.4192478322，149.7071613161，(eval((ip-420)*1)) &

……………

3.2 結(jié)果分析

本研究經(jīng)過(guò)上述驅(qū)動(dòng)及約束設(shè)置和宏程序添加后，利用Adams求解器對(duì)打結(jié)裝置虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真。

其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 打結(jié)裝置打結(jié)仿真過(guò)程圖

同時(shí)得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)和移動(dòng)距離與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。

其中角度與時(shí)間關(guān)系如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)角度與時(shí)間的關(guān)系

從圖6可知：由于電機(jī)提供穩(wěn)定不變的動(dòng)力，則從動(dòng)齒輪的角速度即繞繩機(jī)構(gòu)的角速度也為勻速，所以繞繩機(jī)構(gòu)在整個(gè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是勻速增加的。

距離與時(shí)間關(guān)系如圖7所示。

圖7 移動(dòng)距離與時(shí)間關(guān)系

由圖7可知：成結(jié)機(jī)構(gòu)在t=1.3 s之前沒(méi)有移動(dòng)量，處于靜止?fàn)顟B(tài)，而這個(gè)時(shí)間區(qū)間剛好是繞繩機(jī)構(gòu)繞出繩圈的階段。過(guò)了這個(gè)時(shí)間點(diǎn)繩圈被繞出，成結(jié)機(jī)構(gòu)也從此時(shí)開(kāi)始移動(dòng)，由于整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)動(dòng)力源而且是勻速的，移動(dòng)軸移動(dòng)過(guò)程也是勻速進(jìn)行的，而且這個(gè)過(guò)程中繞繩機(jī)構(gòu)保持旋轉(zhuǎn)。t=2 s時(shí)，整個(gè)打結(jié)裝置停止工作，移動(dòng)軸停止運(yùn)動(dòng)，完成打結(jié)，總移動(dòng)量為60 mm左右，這符合實(shí)際所需的成結(jié)要求。

本研究對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)和移動(dòng)距離-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到的三者關(guān)系如圖8所示。

圖8 移動(dòng)距離—時(shí)間—轉(zhuǎn)動(dòng)角度關(guān)系

由圖8可知：P點(diǎn)坐標(biāo)(343，1.51，400)，其含義是繩體繞入到勾槽，移動(dòng)軸移動(dòng)19 mm、時(shí)間1.51 s和轉(zhuǎn)動(dòng)角度400°左右，也就是說(shuō)停止繞繩圈，移動(dòng)軸夾住繩端穿過(guò)繩圈進(jìn)行最后成結(jié)動(dòng)作。得出結(jié)果，繞繩400°，移動(dòng)軸移動(dòng)，繩體進(jìn)入勾槽中。

對(duì)圖8得到的P點(diǎn)進(jìn)一步分析，將i12=4/3，d6=60 mm代入前面移動(dòng)距離的參數(shù)關(guān)系式(7)，可得:

s=40π(k-1)

(8)

其中：s∈[10，30]，k∈[1，1.2]。

本研究利用Matlab繪制移動(dòng)距離s與繞繩圈數(shù)k的關(guān)系圖，如圖9所示。

圖9 繞繩圈數(shù)與移動(dòng)距離關(guān)系圖

由圖9可知：Adams仿真得到的P點(diǎn)在Matlab繪制的關(guān)系斜線(xiàn)附近，可看出相差不多，故仿真得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度及成結(jié)移動(dòng)距離在前面理論計(jì)算得到的范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

4 樣機(jī)制作及試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究通過(guò)上述理論計(jì)算、仿真分析及相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，確定繞繩機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和成結(jié)機(jī)構(gòu)移動(dòng)距離的值，根據(jù)Solidworks里建立的打結(jié)裝置三維模型，進(jìn)行實(shí)物樣機(jī)的制作，并試驗(yàn)驗(yàn)證。

打結(jié)裝置樣機(jī)如圖10所示。

圖10 打結(jié)裝置樣機(jī)

試驗(yàn)打結(jié)過(guò)程如圖11所示。

圖11 打結(jié)試驗(yàn)過(guò)程

本研究通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得出轉(zhuǎn)動(dòng)角度在395°～405°之間，移動(dòng)距離在336 mm～345 mm之間，與上述理論計(jì)算和仿真結(jié)果基本相符。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)手工打結(jié)過(guò)程和機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本研究通過(guò)對(duì)打結(jié)過(guò)程進(jìn)行理論計(jì)算，得到了轉(zhuǎn)動(dòng)角度和移動(dòng)距離的取值范圍；為了得到關(guān)鍵參數(shù)的確定值，本研究借助仿真軟件Adams對(duì)打結(jié)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，得到了關(guān)鍵參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度400°，移動(dòng)距離19 mm，時(shí)間1.51，并用Matlab繪制繞繩圈數(shù)與移動(dòng)距離關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，最終確定了轉(zhuǎn)動(dòng)角度和移動(dòng)距離的值，并制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明：試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果與理論計(jì)算得到的范圍及仿真結(jié)果基本相符，可對(duì)提高包裝袋手繩打結(jié)成功率及今后打結(jié)裝置的改進(jìn)提供一定的參考。

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