禽蛋自動(dòng)分級(jí)生產(chǎn)線中檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)及分析

江 洪， 張 叢， 唐 寧， 祁晨宇

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

目前，國(guó)外較先進(jìn)的禽蛋生產(chǎn)廠家一般都具有一整套自動(dòng)化的禽蛋分級(jí)生產(chǎn)線。國(guó)內(nèi)的科研人員也發(fā)明了一些清洗、稱重以及檢測(cè)的設(shè)備，但并沒有形成成套的自動(dòng)化生產(chǎn)線，目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化生產(chǎn)線正處于起步階段，與國(guó)外相比還有不小的差距[1]。本文利用 Pro/E軟件建立機(jī)架、凸輪稱重機(jī)構(gòu)、槽輪間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雞蛋傳輸鏈條和各檢測(cè)模塊的三維CAD模型；以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件 Pro/Mechanism，建立了凸輪稱重機(jī)構(gòu)、槽輪間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了性能分析[2]。

對(duì)凸輪稱重機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，在Pro/Mechanism中進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)應(yīng)于整套檢測(cè)裝置的最佳凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)。并在有限元軟件ABAQUS中分析了凸輪稱重機(jī)構(gòu)在稱重的過程中雞蛋蛋殼的受力情況，以及蛋殼上的應(yīng)力分布情況。

對(duì)槽輪間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過應(yīng)用組合機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)槽輪角速度和角加速度的優(yōu)化。并在有限元軟件ABAQUS中分析了通過組合機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的槽輪運(yùn)動(dòng)狀況對(duì)傳輸鏈條上雞蛋的影響[3]。

1 禽蛋檢查裝置的總體布局設(shè)計(jì)

該檢測(cè)裝置需要對(duì)雞蛋進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，具體檢測(cè)項(xiàng)目：蛋形指數(shù)、表面色澤、重量、新鮮度、蛋殼裂紋。然后把檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)雞蛋的等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，再將得到的雞蛋等級(jí)數(shù)據(jù)傳輸給分級(jí)包裝系統(tǒng)。檢測(cè)裝置的總體布局如圖1所示。

根據(jù)如圖1所示的檢測(cè)裝置的總體布局圖。得到如圖2所示的禽蛋檢測(cè)裝置。檢測(cè)裝置中的具體布局情況如圖3所示。在檢測(cè)裝置中傳輸鏈條起著很重要的作用，禽蛋傳輸鏈的鏈節(jié)如圖4所示。

圖1 檢測(cè)裝置的總體布局圖

圖2 禽蛋檢查裝置圖

圖3 禽蛋檢查裝置布局

圖4 禽蛋傳輸鏈節(jié)

2 在Pro/Mechanism中設(shè)計(jì)凸輪

凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)是以一定的角速度 ε勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)從動(dòng)件推桿以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)滾子中心就會(huì)在凸輪上留下一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡，若為平底推桿則會(huì)在凸輪上生成一個(gè)包絡(luò)線。可以用Pro/Mechanism記錄下該運(yùn)動(dòng)軌跡或包絡(luò)線，該軌跡或包絡(luò)線即為凸輪理論廓線。再進(jìn)入 Pro/ENGINEER用上面得到的軌跡線進(jìn)行實(shí)體建模，最后得到所設(shè)計(jì)的凸輪。該方法不同于常規(guī)的方法，且設(shè)計(jì)的凸輪精度高、設(shè)計(jì)所需時(shí)間短、便于對(duì)凸輪的傳力性能進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)研究，揭示凸輪機(jī)構(gòu)各個(gè)參數(shù)對(duì)傳力性能的影響[4]。

電子秤安裝在推桿上面[5]。滿足要求的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律在Pro/Mechanism中的構(gòu)造見表1。其中凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：凸輪坯的直徑d=115mm、滾子直徑d1=15mm、平底推桿的寬度為 l=100mm、凸輪轉(zhuǎn)速 ε=12°/sec、推程運(yùn)動(dòng)角δ0=120°、遠(yuǎn)休止角 δ0′=60°、回程運(yùn)動(dòng)角 δ01=120°、近休止角 δ01′=60°、升程 h=45mm。

經(jīng)過仿真分析可知凸輪壓力角的最大值和其平均值的變化規(guī)律如圖5所示，可以看出在偏距為14mm的位置時(shí)推程中壓力角最大值的數(shù)值最小。所以偏距為14mm時(shí)機(jī)構(gòu)的傳力性能較好。推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律見表2所示。加速度和速度曲線圖如圖6。

圖5 壓力角變化曲線圖

表2 組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖6 速度與加速度曲線圖

對(duì)雞蛋殼進(jìn)行有限元分析，在蛋殼上施加一個(gè)體積力，力的大小F=a×m，進(jìn)行求解運(yùn)算。得到圖8所示的結(jié)果。圖7是雞蛋在托盤上上升時(shí)最大加速度為 141.227mm/s2時(shí)引起的蛋殼的應(yīng)力分布情況。由圖可知此時(shí)雞蛋殼上的最大應(yīng)力為16.92MP，而此時(shí)雞蛋所承受的力為0.58N。由于雞蛋的重量比較輕所以蛋殼承受的力也比較小，所以在這種工況下雞蛋殼承受的慣性力遠(yuǎn)小于蛋殼所能承受的力，該工況下雞蛋安全。

圖8是雞蛋殼承受最大力20N時(shí)的應(yīng)力分布情況。此時(shí)蛋殼的最大應(yīng)力為1082MPa，可以求出雞蛋蛋殼所能承受的最大加速度為 334m/s2，經(jīng)過對(duì)比可知托盤稱重時(shí)安全可靠的。

圖7 雞蛋在托盤上的受力情況

圖8 雞蛋的最大受力情況

3 間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

同時(shí)為了保證雞蛋的平穩(wěn)傳輸，間歇機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)盡量的平穩(wěn)不應(yīng)有沖擊。選用槽輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。

3.1 槽輪的參數(shù)化建模

在Pro/E中進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)表，如表3所示。圖9所示的是參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中的關(guān)系對(duì)話框，最后經(jīng)過實(shí)體建模后得到如圖10所示的槽輪機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，且該模型是全參數(shù)化的模型，如需對(duì)模型進(jìn)行修改只需要改動(dòng)參數(shù)對(duì)話框中的參數(shù)就能夠自動(dòng)生成新參數(shù)下的三維實(shí)體模型，無(wú)需重新建模。

表3 參數(shù)表

圖9 關(guān)系對(duì)話框

圖10 槽輪參數(shù)化模型

3.2 槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析及其優(yōu)化

為了讓傳輸鏈能夠平穩(wěn)的進(jìn)行工作。采用槽輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合來(lái)實(shí)現(xiàn)槽輪運(yùn)動(dòng)特性的優(yōu)化，組合機(jī)構(gòu)如圖11所示。此時(shí)槽輪的角速度和角加速度的變化規(guī)律由凸輪的廓線形狀控制。最終的到得槽輪的角速度和角加速度的曲線如圖12所示。

圖11 組合機(jī)構(gòu)圖

圖12 組合機(jī)構(gòu)槽輪的角速度和角加速度曲線

3.3 禽蛋傳輸鏈動(dòng)力特性分析

雞蛋和傳輸鏈的有限元模型如圖13所示。雞蛋所受的慣性力的大小的計(jì)算過程如下，F(xiàn)=m ?a ，其中m為雞蛋的質(zhì)量，ω2為槽輪最大角加速度、i為齒輪減速傳動(dòng)比、R為大鏈輪的半徑。傳輸鏈的最大加速度a =242.94 m m/s2，這時(shí)雞蛋受到的加速推力為F=0 .05N ，同時(shí)雞蛋所受的重力 G =0 .572N 。然后在ABAQUS中進(jìn)行加載求解。

蛋殼上的應(yīng)力分布如圖14所示，由圖可以看出蛋殼上的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于蛋殼所能承受的最大應(yīng)力，同時(shí)可以看出在承受重力的同時(shí)有加速推力的一側(cè)的應(yīng)力大于沒有加速推力的一側(cè)。

圖13 雞蛋和傳輸鏈的有限元模型圖

圖14 雞蛋在傳輸鏈上受力時(shí)的應(yīng)力分布

4 總 結(jié)

（1）利用Pro/E軟件創(chuàng)建了綜合檢測(cè)裝置及其相關(guān)零部件的模型。

（2）對(duì)凸輪稱重機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究得到了最佳的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（3）對(duì)間歇傳動(dòng)系統(tǒng)和雞蛋傳輸鏈進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，應(yīng)用組合機(jī)構(gòu)的方法對(duì)間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度和加速度進(jìn)行了優(yōu)化。

（4）應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)雞蛋在整個(gè)檢查過程中的受力情況進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了整個(gè)檢測(cè)裝置工作的安全性和可靠性。

[1]寧 欣. 禽蛋的分級(jí)、檢測(cè)與包裝[J]. 中國(guó)家禽,2004, 26(12): 56-60.

[2]Pro/E軟件各主要模塊介紹[EB/OL]http://www.c-cnc.com/yule/article.asp?id=2554

[3]莊 茁, 由小川, 廖劍暉. 基于 ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008.3-15.

[4]鄒慧君. 機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1996. 90-95.

[5]孫 桓, 陳作模, 等. 機(jī)械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000. 248-252.