禽蛋自動分級生產線中檢測裝置的設計及分析

江 洪， 張 叢， 唐 寧， 祁晨宇

（江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013）

目前，國外較先進的禽蛋生產廠家一般都具有一整套自動化的禽蛋分級生產線。國內的科研人員也發明了一些清洗、稱重以及檢測的設備，但并沒有形成成套的自動化生產線，目前國內的自動化生產線正處于起步階段，與國外相比還有不小的差距[1]。本文利用 Pro/E軟件建立機架、凸輪稱重機構、槽輪間歇傳動機構、雞蛋傳輸鏈條和各檢測模塊的三維CAD模型；以多體系統動力學理論為基礎，應用機械系統動力學仿真分析軟件 Pro/Mechanism，建立了凸輪稱重機構、槽輪間歇傳動機構等多體系統動力學模型，并進行了性能分析[2]。

對凸輪稱重機構進行參數化設計，在Pro/Mechanism中進行虛擬實驗，得出對應于整套檢測裝置的最佳凸輪機構參數。并在有限元軟件ABAQUS中分析了凸輪稱重機構在稱重的過程中雞蛋蛋殼的受力情況，以及蛋殼上的應力分布情況。

對槽輪間歇傳動機構進行了參數化設計，通過應用組合機構可以實現槽輪角速度和角加速度的優化。并在有限元軟件ABAQUS中分析了通過組合機構優化后的槽輪運動狀況對傳輸鏈條上雞蛋的影響[3]。

1 禽蛋檢查裝置的總體布局設計

該檢測裝置需要對雞蛋進行在線實時檢測，具體檢測項目：蛋形指數、表面色澤、重量、新鮮度、蛋殼裂紋。然后把檢測得到的數據傳輸到計算機系統，由計算機系統對雞蛋的等級進行綜合評價并對其進行分級，再將得到的雞蛋等級數據傳輸給分級包裝系統。檢測裝置的總體布局如圖1所示。

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

圖1 檢測裝置的總體布局圖

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

2 在Pro/Mechanism中設計凸輪

凸輪機構工作時是以一定的角速度 ε勻速轉動，同時從動件推桿以一定的運動規律做往復直線運動，這時滾子中心就會在凸輪上留下一個運動軌跡，若為平底推桿則會在凸輪上生成一個包絡線。可以用Pro/Mechanism記錄下該運動軌跡或包絡線，該軌跡或包絡線即為凸輪理論廓線。再進入 Pro/ENGINEER用上面得到的軌跡線進行實體建模，最后得到所設計的凸輪。該方法不同于常規的方法，且設計的凸輪精度高、設計所需時間短、便于對凸輪的傳力性能進行虛擬實驗研究，揭示凸輪機構各個參數對傳力性能的影響[4]。

電子秤安裝在推桿上面[5]。滿足要求的從動件運動規律在Pro/Mechanism中的構造見表1。其中凸輪機構的運動參數為：凸輪坯的直徑d=115mm、滾子直徑d1=15mm、平底推桿的寬度為 l=100mm、凸輪轉速 ε=12°/sec、推程運動角δ0=120°、遠休止角 δ0′=60°、回程運動角 δ01=120°、近休止角 δ01′=60°、升程 h=45mm。

經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律如圖5所示，可以看出在偏距為14mm的位置時推程中壓力角最大值的數值最小。所以偏距為14mm時機構的傳力性能較好。推桿的運動規律見表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 組合運動規律

圖6 速度與加速度曲線圖

對雞蛋殼進行有限元分析，在蛋殼上施加一個體積力，力的大小F=a×m，進行求解運算。得到圖8所示的結果。圖7是雞蛋在托盤上上升時最大加速度為 141.227mm/s2時引起的蛋殼的應力分布情況。由圖可知此時雞蛋殼上的最大應力為16.92MP，而此時雞蛋所承受的力為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時的應力分布情況。此時蛋殼的最大應力為1082MPa，可以求出雞蛋蛋殼所能承受的最大加速度為 334m/s2，經過對比可知托盤稱重時安全可靠的。

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 間歇運動機構的設計和優化

同時為了保證雞蛋的平穩傳輸，間歇機構的運動應盡量的平穩不應有沖擊。選用槽輪機構來實現上述功能。

3.1 槽輪的參數化建模

在Pro/E中進行參數化設計時的參數表，如表3所示。圖9所示的是參數化設計過程中的關系對話框，最后經過實體建模后得到如圖10所示的槽輪機構的三維實體模型，且該模型是全參數化的模型，如需對模型進行修改只需要改動參數對話框中的參數就能夠自動生成新參數下的三維實體模型，無需重新建模。

表3 參數表

圖9 關系對話框

圖10 槽輪參數化模型

3.2 槽輪機構的運動特性分析及其優化

為了讓傳輸鏈能夠平穩的進行工作。采用槽輪機構和凸輪機構進行組合來實現槽輪運動特性的優化，組合機構如圖11所示。此時槽輪的角速度和角加速度的變化規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 組合機構圖

圖12 組合機構槽輪的角速度和角加速度曲線

3.3 禽蛋傳輸鏈動力特性分析

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算過程如下，F=m ?a ，其中m為雞蛋的質量，ω2為槽輪最大角加速度、i為齒輪減速傳動比、R為大鏈輪的半徑。傳輸鏈的最大加速度a =242.94 m m/s2，這時雞蛋受到的加速推力為F=0 .05N ，同時雞蛋所受的重力 G =0 .572N 。然后在ABAQUS中進行加載求解。

蛋殼上的應力分布如圖14所示，由圖可以看出蛋殼上的最大應力遠小于蛋殼所能承受的最大應力，同時可以看出在承受重力的同時有加速推力的一側的應力大于沒有加速推力的一側。

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的應力分布

4 總 結

（1）利用Pro/E軟件創建了綜合檢測裝置及其相關零部件的模型。

（2）對凸輪稱重機構進行了詳細的研究得到了最佳的機構結構參數。

（3）對間歇傳動系統和雞蛋傳輸鏈進行了詳細的設計，應用組合機構的方法對間歇傳動機構的速度和加速度進行了優化。

（4）應用ABAQUS軟件對雞蛋在整個檢查過程中的受力情況進行了分析，驗證了整個檢測裝置工作的安全性和可靠性。

[1]寧 欣. 禽蛋的分級、檢測與包裝[J]. 中國家禽,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的有限元分析和應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.3-15.

[4]鄒慧君. 機構系統設計[M]. 上海: 上海科學技術出版社, 1996. 90-95.

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