粽子自動扎線機的排線機構設計及仿真分析

邱顯焱+++趙朕祥+++謝雨杰+++孫嘉徽

摘 要：文章利用計算機輔助軟件Matlab、Pro/E以及ADAMS對粽子自動扎線機的排線機構進行了凸輪輪廓線設計，并進行了運動學以及動力學的仿真分析，充分驗證了直動滾子凸輪的可行性，所設計的機構能夠實現預期的扎線動作和工藝過程，為實現粽子扎線工藝的自動化提供了有效的理論依據。

關鍵詞：粽子；扎線機；排線機構；運動仿真

粽子自動扎線機是粽子包裝機機械系統的一個重要組成部分，主要功能包括粽子的夾粽機構、旋轉機構、壓線機構、排線機構、打結機構和切線機構等。其中，排線機構的功能是在繞線過程中控制棉線與粽子的相對位置，其運動規律為復雜的直線往復運動。綜合結構和加工工藝等各方面因素，考慮到凸輪機構可以實現需要的運動規律，且具有導向、傳動和控制機構等多種功能，以及空間體積小、構件數目少、運行可靠等諸多優點，本文采用純機械凸輪機構實現排線功能，如圖1所示：

1 排線凸輪參數的擬定與分析

排線機構的功能是在繞線過程中控制棉線與粽子的相對位置，使面線能夠按照人工手工扎線的工藝完成繞線。粽子在自動扎線的過程中對繞線的要求為：為粽子上料后，由夾粽機構夾住粽子的前后兩個方向，棉線在粽子的初始位置繞線兩圈；排線桿向左勻速移動前進，使得棉線按固定螺距在粽子的中間部分均勻地繞三道；排線桿向左移動到最遠端，完成最后的兩道扎線的纏繞動作；隨后排線桿后退一定的距離，此時兩股線被送入打結桿的勾槽中；排線桿將兩股線送入夾線嘴后迅速移動并后退；排線桿向右移動到初始位置，此時夾粽機構松開，粽子掉入容器中，完成一個扎線動作。綜上所述排線桿的運動規律，得到排線桿的運功規律示意圖，如圖2所示即為排線凸輪的一個完整的運動循環。

通過對排線桿的運動循環圖和排線桿運動規律明細圖的分析，將排線凸輪劃分為十部分，并對每一部分進行分解和分析，使之得到符合所需要的運動規律。通過分析和模擬得到各運動部分的參數如表1所示：

2 排線凸輪機構的優化設計

在設計凸輪機構的時候，凸輪的基本尺寸和凸輪輪廓曲線必須要根據凸輪機構的工作性能要求和使用場合，首先要考慮設計從動件的運動規律。運動規律組合的基本要求，應使各段不同運動的位移之和等于總的升程；所有曲線接合處的速度、加速度必須相等；對于高速凸輪機構，還應使各曲線接合處的躍度相等。排線凸輪機構選用的是正弦加速度運動規律。其方程如下所示：

將表1的排線凸輪機構參數帶入到以上公式中去，通過Matlab編程仿真得到的凸輪輪廓曲線如圖3所示。通過凸輪的輪廓曲線進一步可以仿真出從動件的位移曲線如圖4所示。將圖4按照正弦加速度運動規律仿真出的從動件的位移曲線與圖2我們所設計排線桿的運動規律明細圖進行對比，發現兩者基本吻合，各個參數的設計經過優化得到了更為精確的凸輪輪廓與凸輪的尺寸。

我們已經得知凸輪的輪廓坐標，可導入到Pro/E中得到樣條曲線，再經過拉伸即可得到凸輪的三維模型，如圖5。通過保存副本命令轉換后的格式類型為.x_t格式即可導入到ADAMS中進行動力學和運動學仿真，經過ADAMS軟件后處理分析模塊得到各曲線如圖6所示，A曲線為從動件的位移曲線，與前面仿真結果基本吻合，結果表明，所設計的排線凸輪機構能夠實現預期的運動規律。

在對排線機構進行設計的時候，充分利用計算機輔助軟件Matlab、Pro/E以及ADAMS。通過運用所掌握的知識找到凸輪輪廓線，通過Pro/E建模以及ADAMS進行運動學以及動力學的仿真分析，充分驗證了直動滾子凸輪的可行性，具有可靠的理論依據。

綜上所述，本文設計的機構能夠實現預期的扎線動作和工藝過程，通過計算機輔助軟件得到了排線凸輪的輪廓線和排線桿的運動規律，并且完成了樣機模型的建立，為實現粽子扎線工藝的自動化提供了有效的理論依據。

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