红枣自动分选机卸料装置的设计与虚拟试验

1、.红枣自动分选机卸料装置的设计与虚拟试验O  引言    卸料装置是红枣自动分选机的核心硬件之一，功能是对已判定等级的水果实施自动分级卸料，使不同等级的水果在不同分级出口脱离水果输送线。现有的卸料装置有气动式卸料、推挽式和组合式输送卸料装置。气动式水果分级装置的卸料速度较慢。推挽式分级机构用步进电机作为执行器，需要增加单独的控制装置。组合式输送卸料装置能够实现水果的平稳卸料，但需要设置独立的卸料台，致使水果分选机的整体结构复杂4-5。本文设计了一种执行机构简单可靠的卸料装置，并应用多体动力学软件ADAMS建立卸料装置的虚拟样机模型，对

2、杠杆长度进行虚拟单因素试验，并进行了不同质量红枣的卸料试验，为卸料装置的设计与性能研究提供了一个可行的方法。    1  卸料装置的设计    目前，我国种植范围和产量最大的鲜食枣品种为冬枣，其尺寸和果质量如表1所示6-7。针对冬枣的外形尺寸，输送装置配套选用C208A型输送链，每个外链节上安装一个输送装置，任意两个前后相邻的输送装置均可托起并搓动1个红枣。    1.1  电磁铁选型与卸料杠杆  设计分选速度为5个

3、s，普通直流牵引电磁铁的操作频率无法满足应用要求，故选择GS32型电磁铁，其工作频率为16Hz，行程末吸力约为10N。由于GS32为拉动式电磁铁，其额定行程仅为5mm，无法满足实时卸料要求，故设计卸料托杆铰接在衔铁末端（如图1所示），并在销孔处与机架铰接。卸料托杆左段为斜直线，以适应红枣输送装置间距小的特点，右段母线为R= 102mm的圆弧，使卸料过程更平滑。为研究其卸料性能，设计3个行程放大倍数分别为4，3，2的卸料托杆，分别称其为托杆1、托杆2和托杆3。电磁铁本体固定在机架上，卸料托杆将衔铁的直线运动转化为绕销孔的转动。经过计算，所需电磁铁的最小吸力为1.144N，满足使用要求。1.2卸料

4、装置的工作原理  卸料装置的结构如图2所示。  当输送装置运动到图像采集区域时，布置在该区域导轨两侧的摩擦带将滚轮托起并将其搓动；同时，相邻两个滚轮带动其上方的红枣转动，使得高速摄像机采集到完整的红枣表面图像。在经过图像采集阶段后，滚子在自重作用下回到低位，红枣下落到架托上，同时图像处理系统将相应的等级信号传递给控制系统。当携带红枣的输送装置运动到相应的分级口时，若等级控制信号为高电平且光电开关被触发，则电磁铁得电并托起托架卸料端，红枣滑落输送装置并进入缓冲料斗。    2  卸料装置虚拟样机的

5、建立    冬枣的果实近椭圆形，果面平整光洁，果质量835g6-7。依据其特点，在CATIA中建立了2个冬枣的数字模型，如表2所示。    将SimDesinger嵌入CATIA的DUM模块，利用CATIA装配组件时建立的约束自动生成ADAMS中对应的约束关系，建立该装置的虚拟样机。由于MD.ADAMS材料库中没有尼龙和橡胶，分别按照文献9中的参数定义，并依次给各零件选择对应的材料。    2.1  定义驱动和运动副   &#

6、160;给各零部件定义运动副，给输送链条和红枣定义如图2所示方向的恒定驱动260mm/s。ADAMS中有两种计算碰撞接触力的方法，分别是补偿法和冲击函数法。补偿法需确定惩罚系数和补偿系数，其中对惩罚系数的取值要求较高，仿真时容易发散，且更适用于连续接触方式。因此，本文选用适于计算间歇接触的冲击函数法计算碰撞接触力，其计算公式为     托架和卸料托杆的材料均为尼龙，其接触刚度为3800N/mm，根据工程实践经验取接触约束的参数，如表3所示。     若将卸料托杆与衔铁销轴连接处设置为带间隙的，接

7、触约束会大幅延长仿真时间，为使运动模型简洁清晰，将衔铁的直动规律转化为卸料托杆的转动规律特性。在卸料托杆与机架铰接处，定义回转驱动Motion1。卸料动作完成后，作用在衔铁末端的弹簧使其迅速归位。为避免由于开始的冲击造成速度突变，卸料托杆的转角位移驱动以阶跃函数STEP施加，即STEP(time,O,O,O.011,0) +STEP(time,0.011,0,0.025,- 22.62d)+ STEP( time,0.025,0,0.043,0)+STEP(time,0.043,0,0.063,22.62d)    (2)由于MSC开发的SimDesin

8、ger构建于CAITA V5体系，能够以集成和可扩展方式获取ADAMS的数据，故选用SimDesinger作为从CATIA到ADAMS的数据交换软件，将其嵌入CATIA的DUM模块，利用CATIA装配组件时建立的约束，自动生成ADAMS中对应的约束关系，从而建立该装置的虚拟样机，见图3所示。    2.2创建虚拟传感器    该虚拟样机中，将传感器虚拟模型上表面的中心点定义为Marker_l点，选择距其最近的托架半球形端部的中心点为Marker_2点，并按表4创建虚拟传感器Sensor。  &#

9、160; 3  卸料装置的虚拟试验    3.1试验指标    通过对输送装置几何尺寸和红枣外形特点的研究，取最大红枣纵径的1/2为长度，绕输送装置正视图的外轮廓做包络圆，并将所得结果乘以安全系数1.5。可确定红枣顺利卸料的条件为：当红枣落回初始位置同水平面时，其侧向位移L大于50mm；同时，将红枣最大上升高度H作为辅助评价条件。    3.2创建仿真脚本    由于仿真过程涉及到传感器和回转驱动的启用与失

10、效，交互式仿真无法完成此功能，故需创建仿真脚本，其执行流程如图4所示。    3.3  卸料装置的初步仿真    在后处理界面中，分别插入两个视角的仿真视频，并应用ADAMS的plotting控件绘制出红枣在垂直于运动方向的竖直平面内的下落轨迹（后面简称下落轨迹）。如图5所示，该模型顺利完成了红枣卸料过程。    3.4不同长度卸料托杆的虚拟单因素试验    重复试验，分别引入3个长度不同的卸料托杆模型，以红枣B为试

11、验对象，并比较其下落轨迹，如图6所示。在Cam3模型下，L仅为8ram，红枣又落回到托架上，并在滚动至托架左端后掉离托架，没有实现卸料目标；在Cam2模型下，红枣在卸料过程中与托架端部发生了小面积接触的2次碰撞，对红枣有损伤且不利于接料斗收集红枣，故不采用该模型；在Cam1模型下，L和H分别为60mm和100ram，既实现了卸料又未与分选装置发生2次碰撞，因此选用行程放大倍数为4的卸料托杆Cam，。    3.5不同质量红枣的虚拟对比卸料试验    分别将红枣B和红枣S的数字模型导人卸料装置，虚拟样机进行仿真试验，

12、将其下落轨迹分别导入Matlab中进行绘图，如图7所示。图7中，细横线代表红枣重心初始位置所在的水平线。红枣S在卸料托杆作用下的L值为72mm，大于红枣B的60mm，且H值稍有降低。由此可知，该分选装置可满足835g红枣的分选。    4结论    1)设计了以电磁铁为执行器的卸料装置，建立了基于ADAMS的卸料装置的虚拟样机模型。  2)进行了杠杆长度的虚拟单因素试验，得到该模型在卸料托杆行程放大倍数为4时卸料效果最优的结论。此时，果质量359红枣的高度为100mm，同水平侧向位移为60ram。