基于Workbench 的螃蟹捆綁機輸送結構特性分析與仿真

趙 順，涂繼軍

（深圳市澤塔電源系統有限公司，廣東深圳 518100）

0 引言

螃蟹是我國重要且常見的水產品，含有豐富的蛋白質、鈣、磷、鉀等對人體健康有益的元素［1］；具有較高的營養價值，隨著人們生活質量的不斷提高，螃蟹的需求量也在逐年增加。眾所周知的是不管在運輸過程中還是在烹飪過程中只有把螃蟹捆綁起來，這樣才能避免螃蟹亂動亂爬，然后進行安全的運輸或者是烹飪。如果不對螃蟹進行捆綁，那么不僅消耗螃蟹的體力使其消瘦速度加快，而且還可能在其運動打斗的過程中，傷及螃蟹或者斷掉蟹腿等［2］。在現階段的實際生產中，對于螃蟹的捆綁多采用人工捆綁，不僅對工作人員有著較高的技能要求，而且費時費力又充滿了危險性。因此對眾多養蟹大戶來說，低成本、高效率、自動化的螃蟹捆綁機將備受青睞。

計算機虛擬仿真技術的應用是進行產品研發的有效手段之一［3］。本文以解決日常生活中司空見慣的螃蟹捆綁作業為例，將虛擬樣機技術引進到螃蟹捆綁機的設計制造中，利用UG 和Workbench 軟件實現螃蟹捆綁機的三維參數化建模與裝配和螃蟹捆綁機各運動部分的運動仿真，重點得出螃蟹捆綁機輸送結構特性分析仿真數據。利用三維圖形、動畫以及圖表分析為螃蟹捆綁機物理樣機的設計制造和優化改進提供重要的參考，以期縮短開發周期、減少研發成本、提高產品質量［4］。

1 工作原理

螃蟹捆綁機的工作原理是：底座上的二維移動平臺設置有兩條橫向滾珠絲桿導軌與縱向滾珠絲桿導軌，縱向滾珠絲桿導軌上有用于安置旋轉桿的導軌平臺，旋轉桿上承接有U形固定臂。負責柔性固定螃蟹的4 個L形擋板中2 個與U形固定臂連接，另2 個L 形擋板靠滾輪可在圓弧型軌道內自由滑動。借助二維移動平臺、U 形固定臂和L形擋板可實現螃蟹在圓弧型軌道中的移動。圓弧型軌道上設置有進料口、旋轉口、出料口。放置在圓弧型軌道內的D形打結器可以對螃蟹進行單一方向上的打結捆綁，為保證捆綁質量，一共設置4 套D形打結器。每兩套分別負責橫向打結捆綁和縱向打結捆綁，并且每套D形打結器對螃蟹的打結痕跡不在同一截面上，這樣保證每一只螃蟹在圓弧型軌道內完成一次循環就可以打上不同的“雙井”的絲繩軌跡。其中，位于旋轉口的直線旋轉式升降機構可對放入其中的螃蟹作旋轉動作然后再被U形固定臂固定，繼續進行另一側的捆綁。每一套D形打結器都有與之匹配的導線裝置，用以提供源源不斷的絲繩。螃蟹捆綁機的工藝過程原理如圖1 所示。

圖2 裝配后螃蟹捆綁機的三維模型

圖1 螃蟹捆綁機的工藝過程原理

2 三維建模

螃蟹捆綁機由底座、二維移動平臺、用于輸送螃蟹的U形固定臂和L形擋板、圓弧型軌道、放置在圓弧型軌道內用于捆綁螃蟹的4 套D 形打結器組成。對螃蟹進行輸送和捆綁的動作全部位于圓弧型軌道內。

（1）螃蟹捆綁機中各部件的三維參數化建模

UG具有完善的實體建模功能，可根據零件外形先繪制草圖，添加尺寸約束，然后通過拉伸、旋轉、掃面、倒角、布爾運算、拔模、抽殼等命令完成各零部件的設計［5］。出于理論研究和運動仿真的準確性和真實性，本螃蟹捆綁機的中各部件將采用1∶1 的比例尺寸進行三維建模，并且模型每個部件采用參數化設計，若在裝配過程中發現問題后可直接修改零件圖中的尺寸參數［6］。

（2）螃蟹捆綁機的虛擬裝配

當螃蟹捆綁機中主要的零部件模型構建好之后，利用UG的裝配模塊，就可以完成螃蟹捆綁機的虛擬裝配。裝配之前，要正確分析各個零部件在整機中的相對位置關系和作用，以及零部件之間的約束關系、運動關系。將已經完成建模的螃蟹捆綁機中各部件，采用UG 自底向上的裝配順序［7］。裝配完成后的螃蟹捆綁機的三維模型如圖2 所示。

3 運動仿真和強度分析

雖然在螃蟹捆綁機裝配過程中已經對裝配模型進行了間隙檢查，即檢查各個部件之間是否發生干涉［8］，但這種間隙檢查僅僅為靜態觀察，在螃蟹捆綁機工作過程中各個運動部件之間是否發生干涉無法進行檢查。因此需要在UG-Motion運動仿真模塊中對螃蟹捆綁機工作過程中，重點是輸送結構中各機構運動進行模擬，并檢查運動軌跡和運動干涉等，進行三維動態仿真［9］。另外對于整個螃蟹捆綁機的核心機構-輸送結構做強度分析，確保其在工作過程中滿足強度要求。

3.1 運動仿真分析及結果

設置解算方案類型為常規驅動，分析類型為運動學／動力學［10］，仿真時間為60 s，仿真步長為1 000 ms，正好完成螃蟹捆綁機對螃蟹進行固定、一次捆綁、輸送、二次捆綁、完成捆綁松開的一個工作循環過程［11］。

建立螃蟹捆綁機的運動仿真模型時，以底座等固定連桿為靜止部件，以各活動部件為運動部件，需要編輯運動函數來控制各運動部件的運動狀態。采用UGMotion運動仿真模塊提供的運動過程函數STEP（x，x0，h0，x1，h1）來模擬螃蟹捆綁機在對螃蟹進行輸送和清洗時各運動部件的運動狀態，并根據裝配后螃蟹捆綁機各部件的初始位置來編輯STEP 函數［12］。

由于各個運動部分均為相互獨立的運動部件，故分別采用增量式STEP 函數來定義合理的驅動［13］。

動作1：螃蟹通過送料機構進入到進料口，進料口下方的直線式升降機構上升到合適位置承接住螃蟹。驅動函數：STEP（x，0，0，3，137）。

動作2：與U形固定臂連接的兩個可伸縮性L 形擋板向外伸出一段距離，將螃蟹固定。驅動函數：STEP（x，3，0，5，10）。

動作3：進料口下方的直線式升降機構下降到原始位置，此時螃蟹被固定，處于懸空狀態。驅動函數：STEP（x，5，0，8，-137）。

動作4：二維移動平臺上的縱向滾珠絲桿運動進而帶動U形固定臂與螃蟹一起向右運動一段距離。驅動函數：STEP（x，8，0，11，250）。

動作5：位于圓弧型軌道內的第一套D 形打結器開始對螃蟹進行打結捆綁。驅動函數：STEP（x，11，0，12，90）＋STEP（x，12，0，13，-90）＋STEP（x，13，0，14，90）＋STEP（x，14，0，15，-90）。

動作6：二維移動平臺繼續運動進而帶動U 形固定臂與螃蟹一起運動至下一套D 形打結器內。驅動函數：STEP（x，15，0，18，261.5）。

動作7：位于圓弧型軌道內的第二套D形打結器開始對螃蟹進行打結捆綁。驅動函數：STEP（x，19，0，20，90）＋STEP（x，20，0，21，-90）＋STEP（x，21，0，22，90）＋STEP（x，22，0，23，-90）。

動作8：二維移動平臺上的縱向滾珠絲桿繼續運動進而帶動U形固定臂與螃蟹一起運動至旋轉口處，其下方的直線旋轉式升降機構上升到合適位置承接住螃蟹。驅動函數：STEP（x，23，0，26，250）；驅動函數：STEP（x，26，0，29，137）。

動作9：與U形固定臂連接的兩個可伸縮性L 形擋板向內伸縮一段距離，將螃蟹松開。驅動函數：STEP（x，29，0，31，-10）。

動作10：旋轉口下方的直線旋轉式升降機構將承接住的螃蟹旋轉90°后，再次被與U 形固定臂連接的兩個可伸縮性L 形擋板固定。驅動函數：STEP（x，31，0，33，90）；驅動函數：STEP（x，34，0，36，10）。

動作11：旋轉口下方的直線旋轉式升降機構下降到原始位置，此時螃蟹被固定，處于懸空狀態。驅動函數：STEP（x，36，0，39，-137）。

動作12：二維移動平臺繼續運動進而帶動U形固定臂與螃蟹一起運動至下一套D 形打結器內。驅動函數：STEP（x，39，0，42，261.5）。

動作13：位于圓弧型軌道內的第三套D 形打結器開始對螃蟹的另一側進行打結捆綁。驅動函數：STEP（x，42，0，43，90）＋STEP（x，44，0，45，-90）＋STEP（x，45，0，46，90）＋STEP（x，46，0，47，-90）。

動作14：二維移動平臺繼續運動進而帶動U形固定臂與螃蟹一起運動至下一套D 形打結器內。驅動函數：STEP（x，47，0，48，261.5）。

動作15：位于圓弧型軌道內的第四套D形打結器開始對螃蟹的進行打結捆綁，最終完成了對螃蟹的雙“井”打結。驅動函數：STEP（x，48，0，49，90）＋STEP（x，49，0，50，-90）＋STEP（x，51，0，52，90）＋STEP（x，52，0，53，-90）。

動作16：二維移動平臺繼續運動進而帶動U形固定臂與螃蟹一起運動至出料口，由取料機構將捆綁好的螃蟹取走。驅動函數：STEP（x，53，0，55，80）。

動作17：二維移動平臺繼續運動進而帶動U形固定臂與螃蟹一起運動至進料口，準備進行下一次的捆綁循環動作。驅動函數：STEP（x，55，0，58，250）。

啟動“動畫”工具選項，即可清晰直觀地看到螃蟹捆綁機整個捆綁工作過程中二維移動平臺的運動、輸送螃蟹機構的運動、U 形固定臂的運動、D 形打結器的運動。螃蟹捆綁機一個工作循環的運動仿真工作過程如圖3 所示。

圖3 螃蟹捆綁機一個循環的運動仿真工作過程

點擊“分析”-“運動”-“圖表”工具選項，可以分別得到螃蟹捆綁機在工作過程中各運動部件的速度和時間關系，并結合運動動畫可以清晰直觀地觀察到不同運動部件具體的運動情況［14］。其中D 形打結器作為該螃蟹捆綁機的核心部件，可以通過在打結器的各個構件上做標記點，用來生成D形打結器中各構件隨主軸軸轉動時的角速度曲線，如圖4 所示［15］。

D形打結器中各機構的動作時序將會直接影響到對螃蟹打結捆綁的成功率。為此，根據D 形打結器的傳動比計算，確定打結器主軸的轉速為100 r／min［16］。通過UG內置的ADAMS 運動仿真后處理器導出撥繩盤、打結嘴、鉤鉗、送繩針、割繩刀架和夾繩盤隨打結主軸轉動相對各自軸心的角位移數據，可以看出D 形打結器中各機構在打結主軸的帶動下依次運動，進而完成可循環式的對螃蟹的不斷打結捆綁。此外，D 形打結器及其輔助機構的運動流程如圖5 所示。

圖4 D形打結器中各構件隨主軸轉動時的角速度曲線

圖5 D形打結器及其輔助機構的運動流程

3.2 輸送結構強度分析及結果

通過前文對螃蟹捆綁機整個運動工作過程進行仿真分析可得到其主要的核心部件D形打結器及其輔助機構的運動流程圖，借助該運動流程圖可清楚地了解到當D形打結器在對螃蟹進行捆綁時，螃蟹捆綁機輸送結構會受到一個較大的作用力，且該作用力會影響該輸送結構對于螃蟹的固定效果，因此需要使用Workbench 工業仿真軟件對螃蟹進行捆綁時極易發生較大結構變形的危險位置進行受力仿真分析［17］。

當螃蟹捆綁機輸送結構在起固定作用的支撐梁中氣缸作用下受到一定大小的靜載荷拉力時，其等效應力最大值位于支撐梁末端L形伸縮臂位置附近，最大變形量發生在L形伸縮臂與螃蟹接觸的接觸面附近。

對螃蟹捆綁機輸送結構進行應變分析可以發現其結構受到最大應力為4.262 8 MPa，因為螃蟹捆綁機輸送結構大部分部件材料為45 號鋼，在靜態載荷下，考慮安全系數n ＝2.0，故其許用應力為：

所以螃蟹捆綁機輸送結構滿足其強度要求，并且對螃蟹捆綁機輸送結構進行結構靜力學形變分析可以發現其最大變形量僅為0.010 065 mm，如圖6 所示，變形量極小，對工件運輸系統正常工作幾乎沒有影響。故螃蟹捆綁機輸送結構滿足機械設計要求。

圖6 螃蟹捆綁機核心輸送機構的力學分析云圖

經過Workbench結構靜力學模塊的分析，得到螃蟹捆綁機輸送結構特性分析仿真數據，在捆綁機在對螃蟹進行捆綁時極易發生較大結構變形的危險位置其最大變形量為0.010 065 mm，對整體的結構強度影響不大［18］，主機架工件運輸機構系統總體結構不會發生彎曲、斷裂等危險情況，所以噴淋清洗機主機架的整體機構滿足設計要求［19-20］。

4 結束語

采用虛擬樣機技術，運用UG 和Workbench 軟件對螃蟹捆綁機進行三維參數化建模裝配與運動仿真以及結構強度分析，獲得了螃蟹捆綁機在模擬工作時的相關運動參數和強度分析結果。分析仿真后螃蟹捆綁機運動構件的圖表數據，并結合整個螃蟹捆綁機工作循環過程中輸送結構的運動，確定了各運動機構的耦合動作時序，發現并不存在相互干涉現象。結果表明建立的三維參數化模型和設置的運動仿真參數合理可行，并且在整個螃蟹捆綁機工作中其輸送結構滿足強度安全要求。借助本文的運動仿真分析提高了機械設備設計可靠性，縮短了螃蟹捆綁機的研發周期，降低了產品生產成本，為以后類似捆綁機械的優化和改進提供了重要的參考。