桃子去核机合模机构的改进

吕 鲲，朱朝阳，吕鹏辉，王亚磊

（河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000）

摘 要：桃子去核机是罐头行业普遍使用的机械设备，目前使用的机器结构复杂，制造困难，且有较大的运动冲击，制约了其应用。研究的基本思路是利用步进电机控制的曲柄滑块机构代替复杂的三相异步电机驱动的凸轮连杆机构，从而对原有主传动机构进行简化改进。利用组合机构原理和反求技术，确定原有合模机构的主要参数，并推导出了位移的计算公式。根据行程要求设计了曲柄滑块机构并对其进行运动分析。利用MATLAB强大的计算和作图功能，绘制出了改造前后合模机构的位移、速度、加速度的函数线图。对比分析结果表明，简化后的机构在满足行程要求的前提下，能够准确实现预期功能。

关键词：桃子去核机；机构优化；运动分析；MATLAB；复数矢量法；合模机构

1 引言

从1992年开始，我国便开始着手研制核果类去核机。科研者们在借鉴国外核果类去核机先进技术的同时，也联系我国的实际情况，先后研发了各种核果类去核机[1]。

目前，我国大部分桃子去核机均是以三相异步电机为动力源，通过凸轮机构、连杆机构、槽轮机构等传递动力给切半机构和传送机构。该种去核机结构复杂，体积较大，因此就会出现许多问题[2]，如机构的传动链过长、精度较低、可靠性差、关键部位容易磨损、寿命较低、结构笨重、智能化程度低、调整维修不便等。针对上述问题，在传统的桃子去核机切半机构传动系统中，引入了步进电机控制，并简化原有机构，缩短了传动链，弥补了机械传动的不足。

近年来，为了改善传统设计方法的质量和效率，同时对机构进行优化创新，国内外专家为此做出了许多不同的努力[3]，随着计算机技术和信息技术的飞速发展，计算机辅助创新设计成为当前优化创新设计中的一种新方法[4]。该方法也促进了连杆机构创新设计方法的发展。曲柄滑块机构是平面连杆机构中最简单的机构。曲柄滑块机构结构虽然简单，但应用比较广泛，对其进行设计分析，对改善去核机合模机构的性能有着重要作用。该方法对于连杆机构的研究主要包括两个方面：计算机辅助分析和计算机辅助综合。计算机辅助分析主要包括位置、速度和加速度的分析，解析法和计算机技术相结合，不但提高了计算量大、公式比较复杂的解析法的计算效率，而且提高了计算的精确程度。利用解析法对连杆机构设计分析的方法很多，目前国际上常用的方法有：基本杆组法、矢量三角形法，整体分析法和复数矢量法等。

桃子切半去核机由上料机构，摆正机构，破瓣去核机构，出料输送机构等主要部分组成。破瓣去核机构主要采用凸轮连杆机构驱动实现切半挖核功能。通过几何分析法对原有凸轮连杆机构进行参数确定，推导出合模机构的位移函数表达式。运用矢量三角形法对改造后的去核机切半机构进行设计分析。借助于MATLAB[5]软件强大的计算绘图功能，绘制出改造前后合模机构的位移、速度和加速度的函数线图，通过对比分析，选出了更为优越的曲柄滑块机构，实现了对桃子切半去核机合模机构的初步改进。

2 合模机构的组成

该桃子切半去核机切半合模机构采用的是带传动，齿轮传动，凸轮连杆机构驱动合模机构开模和合模，进而实现对桃子的切半去核功能。为了验证合模机构的运动情况是否能够满足预期的功能要求，在对去核机主传动系统尺度综合的基础上，对凸轮连杆机构作出了进一步的运动分析[6]。在该机构中，凸轮作为原动件驱动摆杆从动件按照给定的运动规律往复摆动，摆杆的另一端安装有连杆，通过该连杆可以驱动滑块上下移动，从而实现开模和合模的动作。摆杆从动件既是凸轮连杆机构的输出构件，又是曲柄滑块机构的输入构件。桃子切半去核机主传动机构的运动简图，如图1所示。

图1 合模机构运动简图
Fig.1The Clamping Mechanism’s Motion Sketch

对于图 1，其机构自由度 F=3×n－2×PL－PH=1。

3 基本参数的确定

根据桃子切半去核机的实物图，如图2所示。可以确定下述凸轮驱动从动件的运动规律：

图2 桃子去核机
Fig.2The Peach Pitting Machine

从动件采用等加速等减速的运动规律，推程运动角为δt，远休止角为δS，回程运动角为δh，近休止角为δ′S。图示位置位于回程阶段。当摆杆进入推程阶段时，滚子向上摆动，摆杆驱动连杆带动上模滑块向下移动，同时，摆杆驱动连杆带动下模向上移动，从而实现桃子去核机切半机构合模的动作。当摆杆开始进入远休止角阶段时，滚子达到上止点位置，并停留一段时间，此时，去核机可以进行旋转挖核，以及送料部分对桃子的找正定位等工序。相反，当摆杆进入回程阶段时，合模机构实现开模的动作。此时，传送链前进距离为a。当摆杆开始进入近休止角阶段时，滚子达到下止点位置。以摆杆摆动中心O1点为原点建立坐标系X1O1Y1，如图3所示。

表1 连杆机构杆件尺寸参数（单位：mm）
Tab.1The Dimension Parameters of the Rods in the Linkage Mechanism（Unit：mm）

部件 O1B O1A A1C O1D 滑块行程h尺寸 312414400400130

表2 凸轮机构主要尺寸参数
Tab.2The Main Dimension Parameters of the Cam Mechanism

部件 基圆半径 滚子半径 推程角 远休止角 回程角 近休止角尺寸 55mm 45mm 0.8πrad 0.2πrad 0.8πrad 0.2πrad

图3 摆杆最大摆角的确定
Fig.3The Identification of the Maximum Angle of Oscillating Follower

设滑块的行程为h=130mm，基圆的圆心为O2（a，b），B（x，y），C（d，yC），A1（xA1，yA1），基圆的半径为 rb=55mm，摆杆滚子半径为 rt=45mm。其余构件的尺寸及相对位置要求，如表1、表2所示。根据凸轮连杆组合机构的基本尺寸，可按如下方法确定凸轮摆动从动件的最大摆角ψmax。

（1）求直线O1A的斜率k。凸轮的基圆与以摆杆摆动中心点O1为圆心，以摆杆长度lO1B=312mm为半径所确定的圆交于点B，点B即为摆动从动件上滚子的起始位置，此时，滑块位于上止点，即点 C（d，yC）。解方程组：

可得B点的坐标。再由摆杆三个铰链中心的尺寸位置关系，可以求出A点的坐标，记为（xA，yA）。由连杆lAC的长度以及C点的横坐标，可以求出C点的纵坐标。由A点的坐标可以求出直线O1A的斜率k。

（2）求直线O1A1的斜率k1。根据设计要求，滑块由C点下降最大行程h后，到达下止点C1（d，yC-h）。此时，点A转到点A1的位置。解方程组：

据A1点的坐标可求出直线O1A1的斜率

（3）摆杆最大摆角 ψmax：ψmax=α-α1=0.1π（rad）1

4 执行构件运动参数的确定

在凸轮推程的等加速段（0≤φ≤0.4π），执行构件在坐标系中的位移方程为：

在凸轮推程的等减速段（0.4π≤φ≤0.8π），执行构件在坐标系中的位移方程：

在凸轮回程的等加速段（π≤φ≤1.4π），执行构件在坐标系中的位移方程：

在凸轮回程的等减速段（1.4π≤φ≤1.8π），执行构件在坐标系中的位移方程：

5 运动分析结果

在推导出该桃子去核机合模机构运动参数计算表达式的基础上，运用MATLAB软件的强大的编程计算功能和作图功能[7]，对上半部分合模机构的运动参数进行计算，并通过编写程序，得到了滑块的位移、速度、加速度和时间的对应关系图，如图4所示。

图4 滑块的位移、速度、加速度与时间的关系
Fig.4The Relationships Among the Displacement、Speed、Acceleration and the Time of the Slider

从图4的桃子去核机合模机构加速度曲线图中可以看出，当凸轮的从动件在推程阶段和回程阶段均采用等加速等减速的运动规律时，加速度的函数曲线在推程阶段和回程阶段起始位置、中间位置和终止位置时并不连续，加速度产生突变，从原来的-0.86m/s2突变到0.73m/s2，加速度的最大值amax=0.86m/s2，因此会产生柔性冲击。

此外，从去核机合模机构的位移函数线图以及速度函数线图可以发现，在凸轮推程的中间位置附近（s=477.2mm），向下运动的速度达到最大值（Vmax=0.32m/s），合模机构的最小位移为413mm，最大位移为539.5mm，由此可得从上止点位置向下移动126.5mm时，上下两个刀片相互接触，从而确定出下止点位置相对于传动链的垂直距离，从而为去核机结构设计打下必要基础。

6 去核机合模机构的改进

6.1 改进后的方案

将由三相异步电动机，带传动，齿轮传动，连杆机构，凸轮机构组成的合模机构，简化为由步进电机驱动的摇杆滑块机构组成的合模机构。由摇杆的间歇8摆动，带动滑块的上下移动，从而实现开模和合模的动作。

6.2 改进后的合模机构的简图

改进之后的合模机构相当于一个双曲柄滑块机构，上半部分合模机构行程为130mm，下半部分合模机构行程为70mm。

包含有曲柄和滑块的连杆机构叫做曲柄连杆机构[9]，曲柄连杆机构是应用最广泛的执行机构[10]，运动简图，如图5所示。

图5 简化后机构简图
Fig.5The Simplified Mechanism Sketch

6.3 改进后合模机构的设计

对于曲柄滑块机构，建立其机构运动学数学模型[11]。滑块位移分析。在三角形OAC中，建立封闭矢量方程：s→=l→OA+l→AC（1）

速度分析：

将式（2）和式（3）分别对时间求导数，即得速度方程，矩阵表

式中：v—滑块的速度；ω1、ω2—曲柄和连杆的角速度；a—滑块的加速度；α2—连杆的角加速度。

对于上半部分合模机构：

当α=180°时，上半部分合模机构处于下止点，此时位移记为 s0，则由式（4）和式（5）可知：

加速度分析：

将式（6）对时间求导数，即得到加速度的方程：当α=90°时，上半部分合模机构处于上止点，此时位移记为s1，则由式（4）和式（5）可知：

联立式（8）和式（9）可得：lOA=101.83mm lAC=198.17mm

将其带入式（4）和式（5）可得：

将式（10）在MATLAB编程计算，可得其位移曲线图。同理可以绘出速度，加速度的函数曲线图，如图6所示：

图6 简化后合模机构的位移、速度、加速度与时间的关系图
Fig.6The Relationships Among the Displacement、Speed、Acceleration and the Time of the Simplified Clamping Mechanism

从图6的桃子去核机合模机构的位移函数线图、速度函数线图和加速度函数线图可以看出，最低位置170mm，最高位置300mm，行程为130mm，该曲柄滑块机构可以满足行程要求。在0.5s左右位置时，合模机构的速度达到最大值0.2m/s。在0.2s时，曲柄的转速由0迅速增加到匀速转动时的转速，因此，速度发生突变，合模机构会产生刚性冲击。由于合模机构速度发生了突变，加速度的曲线在起始和终止位置时不连续，也会产生突变。由于曲柄转速比较低，在匀速转动时滑块的加速度最大值并不大（amax=0.47m/s2）。由于该机构采用步进电机控制，因此可以通过优化步进电机的控制规律减轻冲击作用。由此可见，采用该机构不但可以实现将旋转运动转换为往复移动的要求，执行构件的运动情况和受力分析均满足设计要求。

综合对比图4和图6可知：两种机构均可满足行程要求，且都能够实现将主动件的旋转运动转化为从动件的往复直线移动。在等周期的情况下，改进后的曲柄滑块机构与原有机构相比，最大速度和最大加速度均比凸轮连杆机构小，故产生的柔性冲击比较小。因此，该桃子去核机合模机构的运动情况满足设计要求，同时也能够准确地实现其切半去核功能。

7 结语

基于目前使用中的桃子切半去核机存在的问题，提出了用步进电机控制的简单连杆机构代替原有的复杂机械结构的方案，通过步进电机便于控制的特点来满足原有复杂机构的运动要求，同时提高其自动化程度。为了使简化后的机构仍能满足原有的性能要求，对其进行了运动分析，利用MATLAB软件得到了简化前后合模机构的位移、速度、加速度与时间的关系图像。对比分析结果表明：优化后的机构在满足行程要求的前提下，合模机构的运动情况满足设计要求，能够准确实现切半挖核功能，对以后核果加工类机械设备的研制有一定的参考价值。

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The Clamping Mechanism’s Improvement of the Peach Pitting Machine

LV Kun，ZHU Chao-yang，LV Peng-hui，WANG Ya-lei
（School of Mechanical and Power Engineering，He’nan Polytechnic University，He’nan Jiaozuo 454000，China）

Abstract：The peach pitting machine is commonly used in the canned-fruit industry.Its application of the currently-used machine is restricted because of its complex structure，manufacturing difficulty and serious motion impact.The basic research idea is to replace the complex cam—linkage mechanism driven by three phase asynchronous motors with slider-crank mechanism controlled by stepper motor，and then improve and simplify the main drive mechanism of the peach pitting machine.By applying the principle of mechanism combination and the reverse technology，the main sizes of the clamping mechanism are obtained and the calculation formula of displacement is deduced.According to the stroke requirement，the slider-crank mechanism is designed and its kinematical performances are analyzed.With the help of the calculation and diagram function in the Matlab，the displacement，velocity and acceleration diagram are drawn before and after the transformation.The results of analysis and comparison indicate that the simplified mechanism can accurately realize the expected function under the premise of meeting the stroke requirement.

Key Words：The Peach Pitting Machine；Mechanism Optimization；Motion Analysis；Matlab；Method of Complex Vector；The Clamping Mechanism

中图分类号：TH16；TH122

文献标识码：A

文章编号：1001-3997（2017）10-0179-04

来稿日期：2017-04-26

基金项目：国家科技支撑计划项目（子课题）（2015BAF20B02）

作者简介：吕 鲲，（1966-），男，山东潍坊人，博士研究生，副教授，主要研究方向：机械设计制造及其自动化；

朱朝阳，（1987-），男，河南南阳人，硕士研究生，主要研究方向：现代设计理论与方法