王慧，崔生樂，安洋，楊春梅

竹材切割機(jī)械臂及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)仿真

王慧，崔生樂，安洋，楊春梅

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

針對包裝用竹材人造板制造中需要切割竹材的情況，設(shè)計(jì)一種無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的竹材切割機(jī)械臂，并設(shè)計(jì)其中往復(fù)鋸的平衡機(jī)構(gòu)，以平衡往復(fù)慣性力。對往復(fù)鋸核心機(jī)構(gòu)零件及內(nèi)殼體進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保零件薄弱環(huán)節(jié)滿足強(qiáng)度要求。在SolidWorks中建立往復(fù)鋸機(jī)構(gòu)及其平衡機(jī)構(gòu)，通過Adams仿真驗(yàn)證平衡機(jī)構(gòu)平衡效果。在Ansys軟件中，對往復(fù)鋸核心零件及其平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，求得其最大主應(yīng)力以進(jìn)行強(qiáng)度校核，最后設(shè)計(jì)完成主材切割機(jī)械臂的設(shè)計(jì)。Adams仿真表明往復(fù)鋸剩余的往復(fù)慣性力極大值為7.564 2 N，平衡率為96.65%。Ansys有限元分析表明，各個(gè)零件的最大主應(yīng)力最大值為70.645 MPa，遠(yuǎn)小于Q235許用應(yīng)力值210 MPa。文中設(shè)計(jì)的竹材切割機(jī)械臂中的往復(fù)鋸，經(jīng)平衡機(jī)構(gòu)平衡后，剩余往復(fù)慣性力較小，其核心機(jī)構(gòu)零件及內(nèi)殼體滿足強(qiáng)度要求，主材切割機(jī)械臂設(shè)計(jì)滿足要求。

機(jī)械臂；曲柄連桿機(jī)構(gòu)；往復(fù)慣性力；強(qiáng)度校核

竹子廣泛分布于亞洲等地，其生長周期短，更新周期快。在越來越重視環(huán)保的當(dāng)下，竹子由于其優(yōu)良的固碳能力及良好的材料性能越來越受到人們的重視。竹材是天然的薄壁中空筒體結(jié)構(gòu)，限制了其使用。竹材人造板是重要的包裝用材料，將竹材制成竹材人造板，有利于實(shí)現(xiàn)竹制品行業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。傳統(tǒng)竹材人造板的制備有切斷、破竹等過程，均需要對竹材進(jìn)行切割。竹材最大直徑約為150 mm，傳統(tǒng)切割鋸床多為圓鋸，為順利切割竹材需采用直徑為380 mm的圓鋸，這使得鋸床體積過大，且更換圓鋸成本增大；若鋸床采用小直徑圓鋸，則需要圓鋸運(yùn)動(dòng)為圓弧，增大了鋸切運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，增大了鋸床體積和制造成本。一般的，往復(fù)鋸切割運(yùn)動(dòng)是鋸片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得往復(fù)鋸存在不平衡往復(fù)慣性力，因此，文中設(shè)計(jì)一種往復(fù)式竹材切割機(jī)機(jī)械臂，并設(shè)計(jì)其中往復(fù)鋸的平衡機(jī)構(gòu)，消除往復(fù)鋸本身的往復(fù)慣性力，并進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證平衡效果，并進(jìn)行關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核。

1 雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)仿真

往復(fù)式竹材切割機(jī)械臂，其核心部分為電動(dòng)往復(fù)鋸。由于往復(fù)鋸存在往復(fù)慣性力，鋸及鋸片產(chǎn)生周期性振動(dòng)，因而用普通往復(fù)鋸鋸切的竹材斷口不平整，存在毛邊。此外往復(fù)鋸的周期性振動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生NVH問題，導(dǎo)致往復(fù)鋸機(jī)角架疲勞損耗，并降低了工人作業(yè)的舒適度[1-2]。為提高往復(fù)鋸鋸切竹材的平整度，提高竹材質(zhì)量，并降低往復(fù)鋸的NVH問題，需要從源頭上抑制往復(fù)鋸振動(dòng)，因此，文中設(shè)計(jì)的竹材切割機(jī)械臂內(nèi)的往復(fù)鋸，應(yīng)該帶有平衡機(jī)構(gòu)，抑制往復(fù)鋸的往復(fù)慣性力，從而降低鋸的振動(dòng)，并最終提高竹材切割的質(zhì)量。

1.1 雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)分析

往復(fù)鋸內(nèi)部結(jié)構(gòu)是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)?shù)侗叟c曲柄連接處為圓弧滑槽時(shí)，機(jī)構(gòu)等效為曲柄連桿機(jī)構(gòu)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不是正弦曲線，其加速度一般分解為一階、二階等。其中一階、二階往復(fù)慣性力計(jì)算見式（1）。

式中：為慣性力估值；為往復(fù)質(zhì)量；為曲柄半徑；為曲柄連桿比；為轉(zhuǎn)速；為曲柄轉(zhuǎn)過的角度。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、活塞、活塞銷組成的機(jī)構(gòu)是常見的曲柄連桿–滑塊機(jī)構(gòu)。以四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序是1—3—4—2時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)1、2缸，3、4缸相互抵消一階往復(fù)慣性力，1、4缸，2、3缸相互抵消全部往復(fù)慣性力矩，因而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿曲柄比大于2.5以上時(shí)，忽略曲柄連桿機(jī)構(gòu)三階及以上的往復(fù)慣性力，則絲杠發(fā)動(dòng)機(jī)僅剩二階往復(fù)慣性力。一般為降低NVH水平，提升車輛乘坐舒適性，四缸發(fā)動(dòng)機(jī)配有轉(zhuǎn)速為曲軸轉(zhuǎn)速2倍的對向旋轉(zhuǎn)的一對平衡軸，以平衡二階往復(fù)慣性力[3-6]。

考慮往復(fù)鋸，若刀臂上與曲柄連接處為圓弧滑槽時(shí)，機(jī)構(gòu)等效為曲柄連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，需要采用2對平衡軸來平衡一階、二階往復(fù)慣性力，當(dāng)?shù)侗凵吓c曲柄連接處為直線滑槽時(shí)，刀臂運(yùn)動(dòng)曲線為正弦曲線，此時(shí)也需要1對對向旋轉(zhuǎn)的平衡軸以平衡往復(fù)慣性力，平衡軸機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，因此往復(fù)鋸不宜采用平衡軸作為其平衡機(jī)構(gòu)[7-9]。一種較好的平衡曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)慣性力的方法：采用等效雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其中一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀臂，另一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平衡質(zhì)量；當(dāng)?shù)侗叟c平衡質(zhì)量質(zhì)心在同一水平面內(nèi)，且刀臂與平衡質(zhì)量運(yùn)動(dòng)完全相同僅方向相反時(shí)，刀臂與平衡質(zhì)量的全部慣性力可以互相平衡。如圖1所示是曲柄連桿機(jī)構(gòu)及雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡圖，在雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，2個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方向相反[10-15]。

圖1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)及雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)

1.2 雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)平衡原理，在SolidWorks中建立機(jī)械臂核心機(jī)構(gòu)模型見圖2，機(jī)械臂核心機(jī)構(gòu)由刀臂、上半曲軸、下半曲軸、平衡質(zhì)量、2個(gè)滑動(dòng)軸承和連接螺釘組成。其中，刀臂為2段材料焊接而成。為降低往復(fù)慣性力矩的產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)調(diào)整刀臂前臂相對后臂的位置以及平衡質(zhì)量的質(zhì)心，使兩者質(zhì)心盡量在同一水平面內(nèi)。

圖2 機(jī)械臂核心機(jī)構(gòu)

如圖3所示是上半曲軸、下半曲軸和螺釘裝配體。下半曲軸上有凸臺，上半曲軸上有一空心凸臺，曲軸間連接方式為鉸鏈連接，螺釘?shù)淖饔檬菍⑸?、下曲軸連為一體，并傳遞扭矩。

圖3 曲軸裝配體

由于滑動(dòng)軸承及凸臺改變了曲軸的質(zhì)量分布，當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生慣性力，因此，上、下曲軸上設(shè)計(jì)有偏心質(zhì)量，以平衡滑動(dòng)軸承及凸臺產(chǎn)生的慣性力及力矩。刀臂、平衡質(zhì)量、偏心質(zhì)量的數(shù)據(jù)見表1。

往復(fù)鋸等效的雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)表2。

1.3 平衡效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)后的往復(fù)鋸平衡機(jī)構(gòu)對往復(fù)慣性力的平衡效果，文中將在SolidWorks中建立的往復(fù)鋸核心機(jī)構(gòu)模型保存為Parasolid格式，并導(dǎo)入Adams軟件，建立連接。普通往復(fù)鋸的額定轉(zhuǎn)速一般設(shè)定為3 000 r/min，為提高竹材切削效率，文中設(shè)定往復(fù)鋸轉(zhuǎn)速為4 200 r/min，并在Adams中設(shè)定曲軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為4 200 r/min。Adams軟件中求得的曲軸的慣性力及力矩曲線見圖4，其中曲軸不平衡慣性力極大值為8.76 N，剩余的不平衡力矩為，其極大值為0.081 N·m。

表1 曲軸裝配體各結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1 Structural parameters of crankshaft assembly

表2 雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)

Tab.2 Parameters of double crank connecting rod mechanism

在Adams中求得的刀臂、平衡質(zhì)量及平衡后的往復(fù)慣性力曲線見圖5。其中，刀臂往復(fù)慣性力極大值為225.68 N，極小值為119.08 N。平衡質(zhì)量的往復(fù)慣性力極大值為224.48 N，極小值為118.26 N，刀臂和平衡質(zhì)量的往復(fù)慣性力數(shù)值基本相同。

圖4 曲軸慣性力及力矩曲線

圖5 平衡效果驗(yàn)證結(jié)果曲線

圖5中整個(gè)機(jī)構(gòu)平衡后剩余的往復(fù)慣性力極大值為7.564 2 N，極小值為6.777 3 N。剩余往復(fù)慣性力與刀臂、平衡質(zhì)量及曲軸剩余往復(fù)慣性力之間的關(guān)系對應(yīng)。往復(fù)鋸平衡機(jī)構(gòu)平衡了刀臂往復(fù)慣性力的96.65%的力。往復(fù)鋸剩余的不平衡力主要由曲軸產(chǎn)生，其主要原因是沒有考慮螺釘及螺釘安裝孔對下半曲軸上凸臺和上半曲軸的質(zhì)量及其分布產(chǎn)生的影響。顯然，往復(fù)鋸剩余的往復(fù)慣性力數(shù)值較小。文中對刀臂和平衡質(zhì)量的質(zhì)心均進(jìn)行了調(diào)整，受限于機(jī)構(gòu)布置空間等因素，刀臂和平衡質(zhì)量的質(zhì)心未達(dá)到同一平面，其距離質(zhì)心相差約6.06 mm，因?yàn)?，整個(gè)機(jī)構(gòu)存在未完全平衡的往復(fù)慣性力矩，其計(jì)算值為1.28 N·m，數(shù)值較小。

2 往復(fù)鋸關(guān)鍵零部件有限元分析

竹材切割機(jī)械臂往復(fù)鋸的核心機(jī)構(gòu)材質(zhì)均采用Q235，密度為7 850 kg/m3、彈性模量為210 Gpa、屈服強(qiáng)度為235 MPa、泊松比取0.3。文中Q235的許用應(yīng)力值為210 MPa。由于往復(fù)鋸核心機(jī)構(gòu)為整個(gè)機(jī)械臂受力或應(yīng)變最大的區(qū)域，因此，需要對核心機(jī)構(gòu)零件及內(nèi)殼體進(jìn)行有限元分析，求得其最大主應(yīng)力，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保往復(fù)鋸核心機(jī)構(gòu)零件滿足強(qiáng)度要求。

2.1 關(guān)鍵力估算及仿真計(jì)算

由參考文獻(xiàn)[15—16]可知，往復(fù)鋸的鋸切力受到鋸齒數(shù)的影響最大，進(jìn)給速度次之，鋸的轉(zhuǎn)速影響最小，且鋸切力與鋸切線速度成反比。參考文獻(xiàn)[15]選擇往復(fù)鋸電機(jī)功率為0.62 kW，當(dāng)往復(fù)鋸轉(zhuǎn)速為4 200 r/min時(shí)，其平均線速度為1.89 m/s；當(dāng)圓鋸轉(zhuǎn)速為2 800 r/min時(shí)，其鋸齒中點(diǎn)線速度為33.72 m/s，圓鋸鋸切力為12.09 N，因此，估計(jì)的往復(fù)鋸平均鋸切力為215.7 N。在Adams中測得，往復(fù)鋸在轉(zhuǎn)速為4 200 r/min時(shí)的鋸切最大線速度為7.2 m/s。在鋸切時(shí)，鋸切線速度影響了單位時(shí)間內(nèi)的切削齒數(shù)進(jìn)而影響鋸切力的大小，因此文獻(xiàn)[15—16]近似認(rèn)為往復(fù)鋸鋸片線速度與鋸切力呈反比關(guān)系，且當(dāng)鋸切線速度達(dá)到最大值時(shí)的鋸切力為0，因而估計(jì)的往復(fù)鋸最大鋸切力為291.92 N，取整數(shù)后即為300 N。Adams中上下曲軸受力曲線仿真結(jié)果[15-16]見圖6，圖6中受力分析均是往復(fù)鋸在空載時(shí)的仿真結(jié)果。

圖6中，上半曲軸與滑動(dòng)軸承接觸面受到的力在軸方向上的分力有極大值為239.54 N，此時(shí)對應(yīng)軸方向上的分力為0.056 2 N；在軸方向上的分力有極小值為120.483 1 N，對應(yīng)的軸方向上的分力有極大值為61.739 7 N。顯然由于往復(fù)鋸機(jī)構(gòu)是等效的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，使得上半曲軸受到了刀臂施加的軸方向的力。上半曲軸與下半曲軸連接處的受力其極值為25.577 7 N。下半曲軸受到的上半曲軸施加的力矩的極值為3.852 N·m，當(dāng)上半曲軸與滑動(dòng)軸承接觸面受力在軸方向分力取值為0時(shí)，傳遞的扭矩值為0.102 N·m。

2.2 刀臂有限元分析

刀臂雖然是運(yùn)動(dòng)件，但在Ansys軟件中仍然可以將其作為靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，其受力均取最大值。為使刀臂仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況，在刀臂導(dǎo)入Ansys軟件前，應(yīng)在刀臂上添加虛擬凸臺，位置在刀臂與滑動(dòng)軸承的連接處，虛擬凸臺與刀臂作為整體進(jìn)行分析，為使得網(wǎng)格劃分更準(zhǔn)確，刀臂零件中，凸臺、刀臂、前臂和焊接處應(yīng)當(dāng)分開進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格。

刀臂上添加的受力主要包括加速度和前臂上的受力?？紤]往復(fù)鋸鋸片也存在往復(fù)慣性力，因此刀臂添加的受力大小等于2.1節(jié)計(jì)算出的往復(fù)鋸切削力的最大值加上鋸片往復(fù)慣性力的最大值，鋸片往復(fù)慣性力的最大值估算為刀臂往復(fù)慣性力的極大值。刀臂進(jìn)行有限元分析后的應(yīng)力云圖見圖7（其中虛擬凸臺已隱藏），圖7中最大主應(yīng)力的極大值為37.672 MPa，遠(yuǎn)小于Q235許用應(yīng)力210 MPa。

2.3 上半曲軸有限元分析

上半曲軸受到刀臂經(jīng)滑動(dòng)軸承傳遞的力、平衡質(zhì)量經(jīng)滑動(dòng)軸承傳遞的力。將刀臂模型導(dǎo)入Ansys作為靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，為使網(wǎng)格劃分效果更好，將上半曲軸上、下凸臺及本體分開進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且網(wǎng)格劃分以四面體主導(dǎo)。由于上半曲軸下凸臺的受力均傳遞至下半曲軸凸臺上，為保障仿真結(jié)果與實(shí)際相符，文中在下凸臺內(nèi)連接凹槽內(nèi)增加單獨(dú)劃分網(wǎng)格的虛擬凸臺，并使虛擬凸臺與上半曲軸模型一同進(jìn)行有限元分析，其中，虛擬凸臺與上半曲軸的下表面接觸處，并保留0.1 mm間隙。仿真結(jié)果見圖8。

圖6 曲軸受力曲線

圖7 刀臂應(yīng)力云圖

圖8 上半曲軸應(yīng)力云圖

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，上半曲軸材質(zhì)選擇Q235，上半曲軸受力主要有刀臂施加的力、平衡質(zhì)量的慣性力和上半曲軸自身旋轉(zhuǎn)的慣性力。其中，刀臂施加的力包括刀臂、鋸片的慣性力和切削力。由圖6可知，往復(fù)鋸空載時(shí)，上半曲軸受到的刀臂慣性力呈周期性變化，由于往復(fù)鋸機(jī)構(gòu)等效為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，因而上半曲軸在軸方向受力到達(dá)極小值時(shí)，其在軸方向受力同時(shí)到達(dá)極值，因此，有限元分析時(shí)上半曲軸分別在受力取得極大值及極小值時(shí)進(jìn)行有限元分析，且當(dāng)上半曲軸在軸受力取得極小值時(shí)，近似認(rèn)為此時(shí)的鋸切力等于最大鋸切力。

圖8a是上半曲軸在軸受力到達(dá)極大值時(shí)的應(yīng)力云圖，圖8b是上半曲軸在軸受力到達(dá)極小值時(shí)的應(yīng)力云圖（其中虛擬凸臺已隱藏）。由上半曲軸的有限元分析可知，上半曲軸最大主應(yīng)力的最大值為67.847 MPa，遠(yuǎn)小于Q235的許用應(yīng)力210 MPa，且上半曲軸上凸臺為薄弱環(huán)節(jié)。從圖8b中可看到，上半曲軸螺釘孔實(shí)現(xiàn)了曲軸間力矩的傳遞作用。

2.4 下半曲軸有限元分析

下半曲軸，主要受力是自身的旋轉(zhuǎn)慣性力及上半曲軸施加的力。由于Adams是將物體作為剛體進(jìn)行受力分析，因此如圖6所示，在往復(fù)鋸空載時(shí)，上半曲軸施加給下半曲軸的力在軸是周期性的正弦力，在軸是周期性余弦力，力的極值為25.577 7 N。上半曲軸施加的力近似認(rèn)為是上半曲軸旋轉(zhuǎn)的慣性力引起的。顯然，下半曲軸凸臺與上半曲軸凸臺配合在一起，共同參與受力形變，因此直接采用Adams仿真結(jié)果作為下半曲軸受力分析結(jié)果與實(shí)際情況不相符合。

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)在上半曲軸模型上添加虛擬凸臺，其形狀與上半曲軸接觸處相同，且下半曲軸凸臺與上半曲軸下表面接觸處時(shí)應(yīng)留有空隙，下半曲軸與上半曲軸應(yīng)保留螺釘?shù)呐浜详P(guān)系，虛擬凸臺與下半曲軸應(yīng)一同進(jìn)行有限元分析，網(wǎng)格劃分的方法是將下半曲軸分為8段，并與虛擬凸臺一起分別進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分。在有限元分析時(shí)，將刀臂施加的力的作用點(diǎn)設(shè)置在虛擬凸臺上更符合實(shí)際情況。模型主要受力有虛擬凸臺受到的平衡質(zhì)量慣性力、上半曲軸旋轉(zhuǎn)的慣性力、刀臂傳遞的刀臂和鋸片慣性力以及最大切削力。參考上半曲軸有限元分析，下半曲軸分析也分為當(dāng)?shù)侗叟c滑動(dòng)軸承接觸面受力取得極大值和極小值時(shí)的2種情況。

當(dāng)下半曲軸在刀臂與滑動(dòng)軸承接觸面受力取得極大值和極小值時(shí)的有限元分析應(yīng)力云圖（虛擬凸臺已隱藏）見圖9a—b，測得的主應(yīng)力極大值為70.645 MPa，遠(yuǎn)小于Q235的許用應(yīng)力值210 MPa。下半曲軸的薄弱環(huán)節(jié)是凸臺與曲柄比的連接處。

2.5 往復(fù)鋸內(nèi)殼體有限元分析

SolidWorks中建立的往復(fù)鋸內(nèi)殼體模型見圖10。內(nèi)殼體左中位置凹槽裝配有深溝球軸承，并將往復(fù)鋸曲軸的力傳遞給內(nèi)殼體。內(nèi)殼體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，因而直接對內(nèi)殼體進(jìn)行有限元分析，網(wǎng)格劃分復(fù)雜，且過于消耗計(jì)算資源。考慮到內(nèi)殼體主要受力點(diǎn)在其左中凹槽處，離主要受力點(diǎn)較遠(yuǎn)處應(yīng)變一般較小，因而，應(yīng)當(dāng)對內(nèi)殼體進(jìn)行簡化處理后再進(jìn)行有限元分析。

內(nèi)殼體簡化模型網(wǎng)格劃分方法以六面體主導(dǎo)，其受力主要有滑動(dòng)軸承施加的水平方向力及力矩，力的大小為曲軸不平衡力與切削力最大值之和，其大小取310 N，力矩為往復(fù)鋸不平衡力矩與切削力對內(nèi)殼體受力點(diǎn)力矩之和，內(nèi)殼體所受力作用于面，因此取受力面上最遠(yuǎn)處作為計(jì)算力矩的作用點(diǎn)，力矩?cái)?shù)值為7.6 N·m。為使得有限元分析更靠近真實(shí)情況，在內(nèi)殼體配合軸承處添加虛擬空心殼體作為力的傳遞中介，并與外殼體一同進(jìn)行有限元分析，空心殼體壁厚為深溝球軸承的壁厚，其數(shù)值為4 mm。

殼體簡化模型正面及背面的應(yīng)力云圖見圖11a—b（其中虛擬凸臺已隱藏），其最大主應(yīng)力數(shù)值的最大值為34.026 MPa，遠(yuǎn)小于Q235的許用應(yīng)力值201 MPa。

圖9 下半曲軸受力應(yīng)力云圖

圖10 往復(fù)鋸內(nèi)殼體模型

3 竹材切割機(jī)械臂模型

3.1 相關(guān)零部件選型

為便于竹材切割機(jī)械臂往復(fù)鋸在供電及在停電狀態(tài)下工作，采用24 V永磁無刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并使用24 V轉(zhuǎn)換電源或鋰離子電池電源供電，電機(jī)與往復(fù)鋸曲軸間采用帶惰輪的斜齒輪變速器傳動(dòng)，其中，主動(dòng)齒輪齒數(shù)選擇47齒，惰輪選擇23齒，從動(dòng)齒輪選擇41齒；主動(dòng)齒輪與惰輪、從動(dòng)齒輪與惰輪齒數(shù)分別互質(zhì)。

主材切割機(jī)械臂其他外購件包含無刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直線軸承及光桿、滾珠絲杠、深溝球軸承等。各零件在機(jī)械臂中的應(yīng)用見第3.3節(jié)。

3.2 竹材切割機(jī)械臂模型

在SolidWorks中建立的竹材切割機(jī)械臂模型見圖12。圖12a為機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)，圖12b為往復(fù)鋸模型。其中，往復(fù)鋸機(jī)支架與導(dǎo)軌盒之間由光軸和直線軸承連接，橫向移動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)。往復(fù)鋸由雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)殼體、永磁無刷電機(jī)、散熱風(fēng)扇和外殼體等組成。

竹材切割機(jī)械臂的工作原理：夾具固定竹材后，永磁無刷電機(jī)經(jīng)變速器帶動(dòng)往復(fù)鋸工作，使得鋸片往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使得往復(fù)鋸做橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而完成竹材切割。

圖11 殼體簡化模型應(yīng)力云圖

圖12 竹材切割機(jī)械臂模型

3.3 竹材切割機(jī)械臂工程圖及分析

竹材切割機(jī)械臂及往復(fù)鋸的工程圖見圖13a—b。分析機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)可得，機(jī)械臂主要運(yùn)動(dòng)為往復(fù)鋸做橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)往復(fù)鋸鋸片做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因而竹材切割機(jī)械臂有2個(gè)自由度，需要2個(gè)原動(dòng)件協(xié)同驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)竹材切割功能。

圖13 竹材切割機(jī)械臂工程圖

4 結(jié)語

文中設(shè)計(jì)了一種竹材切割機(jī)械臂，其原理是通過永磁無刷電機(jī)經(jīng)斜齒輪變速器帶動(dòng)往復(fù)鋸實(shí)現(xiàn)鋸切運(yùn)動(dòng)，用過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的切削的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。針對往復(fù)鋸存在的往復(fù)慣性力，設(shè)計(jì)了平衡機(jī)構(gòu)，經(jīng)Adams仿真驗(yàn)證了其平衡效果較好。對刀臂、上半曲軸、下半曲軸等往復(fù)鋸核心機(jī)構(gòu)零件及內(nèi)殼體進(jìn)行了有限元分析，并求得了其最大主應(yīng)力極值。經(jīng)驗(yàn)證，刀臂、上半曲軸、下半曲軸及內(nèi)殼體最大主應(yīng)力極大值均遠(yuǎn)小于Q235許用應(yīng)力值，因此往復(fù)鋸核心機(jī)構(gòu)零件及內(nèi)殼體均滿足強(qiáng)度條件。

由于布置空間及成本的考慮，該平衡機(jī)構(gòu)剩余1.28 N的不平衡力矩未平衡，但其數(shù)值較小，后期可對此進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

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Design and Simulation of Bamboo Cutting Manipulator and Parts

WANG Hui, CUI Sheng-le, AN Yang, YANG Chun-mei

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In view of the need to cut bamboo in the manufacture of bamboo wood-based panel for packaging, the work aims to design a bamboo cutting manipulator driven by brushless motor and a balance mechanism of reciprocating to balance the reciprocating inertia force. The strength of the core mechanism parts and inner shell of the reciprocating saw were checked to ensure that the weak links of the parts meet the strength requirements. The reciprocating saw mechanism and its balance mechanism were established in Solidworks, and the balance effect of the balance mechanism was verified through Adams simulation. In Ansys software, finite element analysis was performed on the core parts of the reciprocating saw and its balance mechanism, and the maximum principal stress was obtained for strength check. Finally, the main material cutting manipulator was designed and completed. Adams simulation showed that the maximum remaining reciprocating inertial force of the reciprocating saw was 7.564 2 N, and the balance ratio was 96.65%. Ansys finite element analysis showed that the maximum value of the maximum principal stress of each part was 70.645 MPa, which was far less than 210 MPa, the allowable stress value of Q235. The reciprocating saw in the bamboo cutting robot arm designed in this article has a small residual reciprocating inertia force after being balanced by the balance mechanism. Its core mechanism parts and inner housing meet the strength requirements, and the design of main material cutting manipulator meets the requirements.

manipulator; crank connecting rod mechanism; reciprocating inertia force; strength check

TH122

A

1001-3563(2022)17-0165-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.021

2021–11–18

廣東省重大專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020B020216001）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助（2572020DR12）

王慧（1965—），女，副教授，主要研究方向?yàn)榱謽I(yè)與木工機(jī)械。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋