粽子自动扎线机的排线机构设计及仿真分析

邱显焱+++赵朕祥+++谢雨杰+++孙嘉徽

摘 要：文章利用计算机辅助软件Matlab、Pro/E以及ADAMS对粽子自动扎线机的排线机构进行了凸轮轮廓线设计，并进行了运动学以及动力学的仿真分析，充分验证了直动滚子凸轮的可行性，所设计的机构能够实现预期的扎线动作和工艺过程，为实现粽子扎线工艺的自动化提供了有效的理论依据。

关键词：粽子；扎线机；排线机构；运动仿真

粽子自动扎线机是粽子包装机机械系统的一个重要组成部分，主要功能包括粽子的夹粽机构、旋转机构、压线机构、排线机构、打结机构和切线机构等。其中，排线机构的功能是在绕线过程中控制棉线与粽子的相对位置，其运动规律为复杂的直线往复运动。综合结构和加工工艺等各方面因素，考虑到凸轮机构可以实现需要的运动规律，且具有导向、传动和控制机构等多种功能，以及空间体积小、构件数目少、运行可靠等诸多优点，本文采用纯机械凸轮机构实现排线功能，如图1所示：

1 排线凸轮参数的拟定与分析

排线机构的功能是在绕线过程中控制棉线与粽子的相对位置，使面线能够按照人工手工扎线的工艺完成绕线。粽子在自动扎线的过程中对绕线的要求为：为粽子上料后，由夹粽机构夹住粽子的前后两个方向，棉线在粽子的初始位置绕线两圈；排线杆向左匀速移动前进，使得棉线按固定螺距在粽子的中间部分均匀地绕三道；排线杆向左移动到最远端，完成最后的两道扎线的缠绕动作；随后排线杆后退一定的距离，此时两股线被送入打结杆的勾槽中；排线杆将两股线送入夹线嘴后迅速移动并后退；排线杆向右移动到初始位置，此时夹粽机构松开，粽子掉入容器中，完成一个扎线动作。综上所述排线杆的运动规律，得到排线杆的运功规律示意图，如图2所示即为排线凸轮的一个完整的运动循环。

通过对排线杆的运动循环图和排线杆运动规律明细图的分析，将排线凸轮划分为十部分，并对每一部分进行分解和分析，使之得到符合所需要的运动规律。通过分析和模拟得到各运动部分的参数如表1所示：

2 排线凸轮机构的优化设计

在设计凸轮机构的时候，凸轮的基本尺寸和凸轮轮廓曲线必须要根据凸轮机构的工作性能要求和使用场合，首先要考虑设计从动件的运动规律。运动规律组合的基本要求，应使各段不同运动的位移之和等于总的升程；所有曲线接合处的速度、加速度必须相等；对于高速凸轮机构，还应使各曲線接合处的跃度相等。排线凸轮机构选用的是正弦加速度运动规律。其方程如下所示：

将表1的排线凸轮机构参数带入到以上公式中去，通过Matlab编程仿真得到的凸轮轮廓曲线如图3所示。通过凸轮的轮廓曲线进一步可以仿真出从动件的位移曲线如图4所示。将图4按照正弦加速度运动规律仿真出的从动件的位移曲线与图2我们所设计排线杆的运动规律明细图进行对比，发现两者基本吻合，各个参数的设计经过优化得到了更为精确的凸轮轮廓与凸轮的尺寸。

我们已经得知凸轮的轮廓坐标，可导入到Pro/E中得到样条曲线，再经过拉伸即可得到凸轮的三维模型，如图5。通过保存副本命令转换后的格式类型为.x_t格式即可导入到ADAMS中进行动力学和运动学仿真，经过ADAMS软件后处理分析模块得到各曲线如图6所示，A曲线为从动件的位移曲线，与前面仿真结果基本吻合，结果表明，所设计的排线凸轮机构能够实现预期的运动规律。

在对排线机构进行设计的时候，充分利用计算机辅助软件Matlab、Pro/E以及ADAMS。通过运用所掌握的知识找到凸轮轮廓线，通过Pro/E建模以及ADAMS进行运动学以及动力学的仿真分析，充分验证了直动滚子凸轮的可行性，具有可靠的理论依据。

综上所述，本文设计的机构能够实现预期的扎线动作和工艺过程，通过计算机辅助软件得到了排线凸轮的轮廓线和排线杆的运动规律，并且完成了样机模型的建立，为实现粽子扎线工艺的自动化提供了有效的理论依据。

参考文献

[1]赵轶惠.粽子自动化扎线工艺分析及实现技术[D].上海交通大学， 2008.

[2]赵轶惠，庆华，王石刚.粽子自动扎线机总体方案设计[J].机械设计与研究，2008，24（3）：118-120.

[3]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]梁华琪，李险峰.直动偏置滚子从动件凸轮机构的优化设计[J].安徽建筑工业学院学报，2004，16（2）：31-32.

[5]吴景华.滚子凸轮机构的基本尺寸的优化设计[J].机械工程师，2006，1：123-124.