甘蔗捆綁機的設計與仿真制造

任曉智，孟 強，畢 偉，葉自旺，陳云凡

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

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甘蔗捆綁機的設計與仿真制造

任曉智，孟 強，畢 偉，葉自旺，陳云凡

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

甘蔗的捆綁現行均為人工，面臨著工作效率低、經常出現農民手掌被繩子劃傷的問題。為此，設計了一種甘蔗捆綁機，并通過UG進行三維造型的設計，通過Adams虛擬樣機進行可行性分析，同時對甘蔗捆綁機的效率進行理論分析。最后，對樣機進行試制，實現甘蔗捆綁的半人工半機械化，提高了甘蔗捆綁的效率，減少了農民手掌割傷的情況。

甘蔗；捆綁機；Adams；仿真

0 引言

現行農民對甘蔗捆綁的工作都是純手工的，其工作效率低且費力，還會出現繩子劃傷手掌的情況，以及因捆扎力不夠而出現運輸過程中甘蔗掉落的問題。應對這一系列的問題，本文設計了一種甘蔗捆綁機，用于捆綁甘蔗，實現甘蔗捆綁的半人力半機械化，提高了生產效率，減少了勞動力，并可獲得足夠大的捆扎力，避免甘蔗在運輸過程中出現應捆扎力不夠而掉落甚至散落的狀況。

為保證合理的設計方案及良好的工作性能，先通過UG三維造型軟件進行三維建模，然后應用Adams虛擬樣機進行仿真，以保證該機械的可行性。最后，運用MatLab對結果進行分析，分析該機械的最小夾緊量及最大裝載量，以保證甘蔗捆綁機的工作效率可以高于純人工效率，并滿足現行甘蔗運輸的運輸需求量的要求。

1 結構與工作原理

1.1 甘蔗捆綁機的設計與機構

甘蔗捆綁機主要是由3部分主成，分別為支撐導軌部分、動力傳輸部分以及夾緊工作部分。其具體由UG三維造型軟件得出的模型如圖1所示。

1.2 甘蔗捆綁機工作原理分析

甘蔗捆綁機是通過旋轉旋轉絲桿，來調節運動橫梁的垂直高度，以實現夾具的開或合。當旋轉絲杠上旋時，運動橫梁向上運動，使得夾具打開，實現甘蔗的裝載；當旋轉絲桿下旋時，運動橫梁將向下運動，以實現夾具的收攏，達到捆扎甘蔗的目的。

1.支撐腳 2.導軌 3.運動橫梁 4.夾具

2 對甘蔗捆綁機的動態仿真

將UG三維造型軟件完成的模型導入到Adams虛擬樣機中，并進行動態仿真，目的在于驗證機械的可行性及是否存在機械運動過程的零件干涉問題。該仿真過程主要從兩個方面進行：一方面是上旋過程，即夾具打開過程，也就是裝載過程；另一方面是下旋過程，即夾具合攏的過程，也就是夾緊過程。對于以上兩種情況，舊機械有左右對稱的結構，則只需研究其右邊兩個夾具即可，命名為夾具1和夾具2。同時，根據夾具的形狀，選取極點和拐點進行研究和分析。具體的仿真約束圖如圖2所示。

圖2 甘蔗捆綁機仿真約束圖

2.1 甘蔗捆綁機裝載過程仿真

在旋轉絲桿上施加上旋的扭矩，使得運動橫梁向上運動，實現裝載過程。研究夾具1和夾具2的極點及拐點的運動軌跡，以確定甘蔗捆綁機的裝載量。

1)上旋過程中，夾具1的研究為極點A和拐點B的軌跡研究，其仿真過程的軌跡坐標Y、Z變化如圖3～圖6所示。

圖3 夾具1上旋極點A的y-t圖

圖4 夾具1上旋極點A的z-t圖

圖5 夾具1上旋拐點B的y-t圖

圖6 夾具1上旋拐點B的z-t圖

2)上旋過程中，夾具2的研究為極點C和拐點D的軌跡研究，其仿真過程的軌跡坐標Y、Z變化如圖7～圖10所示。

2.2 甘蔗捆綁機夾緊過程仿真

在旋轉絲桿上施加下旋的扭矩，使得運動橫梁向下運動，實現夾緊過程。該過程研究夾具1和夾具2的極點及拐點的運動軌跡，從而確定甘蔗捆綁機的夾緊量。

1)下旋過程中，夾具1的研究為極點A和拐點B的軌跡研究，其仿真過程的軌跡坐標Y、Z變化如圖11～圖14所示。

圖7 夾具2上旋極點C的y-t圖

圖8 夾具2上旋極點C的z-t圖

圖9 夾具2上旋拐點D的y-t圖

圖10 夾具2上旋拐點D的z-t圖

圖11 夾具1下旋極點A的y-t圖

圖12 夾具1下旋極點A的z-t圖

圖13 夾具1下旋拐點B的y-t圖

圖14 夾具1下旋拐點B的z-t圖

2)下旋過程中，夾具2的研究為極點C和拐點D的軌跡研究，其仿真過程的軌跡坐標Y、Z變化如圖15～圖18所示。

3 甘蔗捆綁機轉載量與夾緊量分析

將仿真得到的夾具1和夾具2的極點A、和拐點B、D在上旋和下旋的軌跡坐標導入到MatLab中，畫出夾具1和夾具2的運動區域圖，以便分析其的甘蔗捆綁機的裝載量和夾緊量是否滿足現行農民捆扎甘蔗的要求，其夾具運動區域圖如圖19所示。

圖15 夾具2下旋極點C的y-t圖

圖16 夾具2下旋極點C的z-t圖

圖17 夾具2下旋拐點D的y-t圖

圖18 夾具2下旋拐點D的z-t圖

—夾具1極點A軌跡曲線 ……… 夾具1拐點B軌跡曲線 ﹍﹎﹍夾具2極點C軌跡曲線 ﹎﹎﹎夾具2拐點D軌跡曲線

1.下旋刀具極限位置圖 2.上旋刀具極限位置

圖19 夾具軌跡總圖

Fig.19 Fixture assembly drawing

3.1 最小夾緊量分析

根據調查可知：農民所出售的一捆甘蔗為15～25根，其要求最小夾緊量為15根。經統計可知：一般發育的甘蔗直徑為4～6cm，其取中間值為5cm。就下旋極限極限位置1分析其甘蔗捆綁機的理論最下夾緊量。由圖20可知：其最小理論夾緊量為11根，小于要求最小夾緊量，所以是滿足農民的需求的。

3.2 最大裝載量分析

由上述調查結果可知:農民的大捆甘蔗要求為25根。為驗證是否滿足這一要求，將以裝載極限位置2進行分析，如圖21所示。由圖21可知：最大裝載量大于25根一捆，也是滿足要求的。

4 甘蔗捆綁機的試制與效率實驗

根據仿真可知甘蔗捆綁機的可行性，并應對農民對單捆甘蔗數量的要求，具體確定各零部件的具體數值，并進行試制，其實物如圖22所示。

圖20 理論最小夾緊量示意圖

圖21 裝載量驗證示意圖

圖22 甘蔗捆綁機實物拍攝圖

為保證其甘蔗運輸機的生產效率與其運輸效率相適應，則進行實際試驗，其效率如表1所示。

表1 甘蔗捆綁機實際效率測定

5 結論

由仿真結果可知：甘蔗捆綁機具有可行性，并具有良好的適應性，實現了甘蔗捆綁工作的半人力半機械化，減少了勞動力。該機不但滿足了農民對甘蔗單捆數量的要求，而且也適應于高效運輸的要求。除此之外，其結構簡單，工作可靠，具有良好的推廣前景。

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Sugarcane Bundling Machine Design and Simulation of Manufacturing

Ren Xiaozhi , Meng Qiang, Bi Wei , Ye Ziwang, Chen Yunfan

(College of Mechanical Engineering , Guangxi University , Nanning 530004 , China )

for the cane bound current are artificial, facing a low working efficiency, and farmers often appear palms by the scratch problem, this paper proposes a called sugar cane bundling machine farming machinery, and through the UG three-dimensional modeling design, feasibility analysis, through the Adams virtual prototype and theoretical analysis on the efficiency of sugarcane binding machine, the final trial production, it is concluded that the actual work efficiency and realize the sugar cane bound half human half mechanization, improve the efficiency of sugar cane bound, and reducing the farmers hand cut.

sugarcane； bundling machine； Adams； the simulation

2016-08-10

廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室項目(1305109S 03)；廣西大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201410593052)

任曉智(1973-)，女，山東萊州人，講師，(E-mail)xioazhiren826@163.com。

S229+.1

A

1003-188X(2017)10-0088-05