基于Workbench 的螃蟹捆绑机输送结构特性分析与仿真

赵 顺，涂继军

（深圳市泽塔电源系统有限公司，广东深圳 518100）

0 引言

螃蟹是我国重要且常见的水产品，含有丰富的蛋白质、钙、磷、钾等对人体健康有益的元素［1］；具有较高的营养价值，随着人们生活质量的不断提高，螃蟹的需求量也在逐年增加。众所周知的是不管在运输过程中还是在烹饪过程中只有把螃蟹捆绑起来，这样才能避免螃蟹乱动乱爬，然后进行安全的运输或者是烹饪。如果不对螃蟹进行捆绑，那么不仅消耗螃蟹的体力使其消瘦速度加快，而且还可能在其运动打斗的过程中，伤及螃蟹或者断掉蟹腿等［2］。在现阶段的实际生产中，对于螃蟹的捆绑多采用人工捆绑，不仅对工作人员有着较高的技能要求，而且费时费力又充满了危险性。因此对众多养蟹大户来说，低成本、高效率、自动化的螃蟹捆绑机将备受青睐。

计算机虚拟仿真技术的应用是进行产品研发的有效手段之一［3］。本文以解决日常生活中司空见惯的螃蟹捆绑作业为例，将虚拟样机技术引进到螃蟹捆绑机的设计制造中，利用UG 和Workbench 软件实现螃蟹捆绑机的三维参数化建模与装配和螃蟹捆绑机各运动部分的运动仿真，重点得出螃蟹捆绑机输送结构特性分析仿真数据。利用三维图形、动画以及图表分析为螃蟹捆绑机物理样机的设计制造和优化改进提供重要的参考，以期缩短开发周期、减少研发成本、提高产品质量［4］。

1 工作原理

螃蟹捆绑机的工作原理是：底座上的二维移动平台设置有两条横向滚珠丝杆导轨与纵向滚珠丝杆导轨，纵向滚珠丝杆导轨上有用于安置旋转杆的导轨平台，旋转杆上承接有U形固定臂。负责柔性固定螃蟹的4 个L形挡板中2 个与U形固定臂连接，另2 个L 形挡板靠滚轮可在圆弧型轨道内自由滑动。借助二维移动平台、U 形固定臂和L形挡板可实现螃蟹在圆弧型轨道中的移动。圆弧型轨道上设置有进料口、旋转口、出料口。放置在圆弧型轨道内的D形打结器可以对螃蟹进行单一方向上的打结捆绑，为保证捆绑质量，一共设置4 套D形打结器。每两套分别负责横向打结捆绑和纵向打结捆绑，并且每套D形打结器对螃蟹的打结痕迹不在同一截面上，这样保证每一只螃蟹在圆弧型轨道内完成一次循环就可以打上不同的“双井”的丝绳轨迹。其中，位于旋转口的直线旋转式升降机构可对放入其中的螃蟹作旋转动作然后再被U形固定臂固定，继续进行另一侧的捆绑。每一套D形打结器都有与之匹配的导线装置，用以提供源源不断的丝绳。螃蟹捆绑机的工艺过程原理如图1 所示。

图2 装配后螃蟹捆绑机的三维模型

图1 螃蟹捆绑机的工艺过程原理

2 三维建模

螃蟹捆绑机由底座、二维移动平台、用于输送螃蟹的U形固定臂和L形挡板、圆弧型轨道、放置在圆弧型轨道内用于捆绑螃蟹的4 套D 形打结器组成。对螃蟹进行输送和捆绑的动作全部位于圆弧型轨道内。

（1）螃蟹捆绑机中各部件的三维参数化建模

UG具有完善的实体建模功能，可根据零件外形先绘制草图，添加尺寸约束，然后通过拉伸、旋转、扫面、倒角、布尔运算、拔模、抽壳等命令完成各零部件的设计［5］。出于理论研究和运动仿真的准确性和真实性，本螃蟹捆绑机的中各部件将采用1∶1 的比例尺寸进行三维建模，并且模型每个部件采用参数化设计，若在装配过程中发现问题后可直接修改零件图中的尺寸参数［6］。

（2）螃蟹捆绑机的虚拟装配

当螃蟹捆绑机中主要的零部件模型构建好之后，利用UG的装配模块，就可以完成螃蟹捆绑机的虚拟装配。装配之前，要正确分析各个零部件在整机中的相对位置关系和作用，以及零部件之间的约束关系、运动关系。将已经完成建模的螃蟹捆绑机中各部件，采用UG 自底向上的装配顺序［7］。装配完成后的螃蟹捆绑机的三维模型如图2 所示。

3 运动仿真和强度分析

虽然在螃蟹捆绑机装配过程中已经对装配模型进行了间隙检查，即检查各个部件之间是否发生干涉［8］，但这种间隙检查仅仅为静态观察，在螃蟹捆绑机工作过程中各个运动部件之间是否发生干涉无法进行检查。因此需要在UG-Motion运动仿真模块中对螃蟹捆绑机工作过程中，重点是输送结构中各机构运动进行模拟，并检查运动轨迹和运动干涉等，进行三维动态仿真［9］。另外对于整个螃蟹捆绑机的核心机构-输送结构做强度分析，确保其在工作过程中满足强度要求。

3.1 运动仿真分析及结果

设置解算方案类型为常规驱动，分析类型为运动学／动力学［10］，仿真时间为60 s，仿真步长为1 000 ms，正好完成螃蟹捆绑机对螃蟹进行固定、一次捆绑、输送、二次捆绑、完成捆绑松开的一个工作循环过程［11］。

建立螃蟹捆绑机的运动仿真模型时，以底座等固定连杆为静止部件，以各活动部件为运动部件，需要编辑运动函数来控制各运动部件的运动状态。采用UGMotion运动仿真模块提供的运动过程函数STEP（x，x0，h0，x1，h1）来模拟螃蟹捆绑机在对螃蟹进行输送和清洗时各运动部件的运动状态，并根据装配后螃蟹捆绑机各部件的初始位置来编辑STEP 函数［12］。

由于各个运动部分均为相互独立的运动部件，故分别采用增量式STEP 函数来定义合理的驱动［13］。

动作1：螃蟹通过送料机构进入到进料口，进料口下方的直线式升降机构上升到合适位置承接住螃蟹。驱动函数：STEP（x，0，0，3，137）。

动作2：与U形固定臂连接的两个可伸缩性L 形挡板向外伸出一段距离，将螃蟹固定。驱动函数：STEP（x，3，0，5，10）。

动作3：进料口下方的直线式升降机构下降到原始位置，此时螃蟹被固定，处于悬空状态。驱动函数：STEP（x，5，0，8，-137）。

动作4：二维移动平台上的纵向滚珠丝杆运动进而带动U形固定臂与螃蟹一起向右运动一段距离。驱动函数：STEP（x，8，0，11，250）。

动作5：位于圆弧型轨道内的第一套D 形打结器开始对螃蟹进行打结捆绑。驱动函数：STEP（x，11，0，12，90）＋STEP（x，12，0，13，-90）＋STEP（x，13，0，14，90）＋STEP（x，14，0，15，-90）。

动作6：二维移动平台继续运动进而带动U 形固定臂与螃蟹一起运动至下一套D 形打结器内。驱动函数：STEP（x，15，0，18，261.5）。

动作7：位于圆弧型轨道内的第二套D形打结器开始对螃蟹进行打结捆绑。驱动函数：STEP（x，19，0，20，90）＋STEP（x，20，0，21，-90）＋STEP（x，21，0，22，90）＋STEP（x，22，0，23，-90）。

动作8：二维移动平台上的纵向滚珠丝杆继续运动进而带动U形固定臂与螃蟹一起运动至旋转口处，其下方的直线旋转式升降机构上升到合适位置承接住螃蟹。驱动函数：STEP（x，23，0，26，250）；驱动函数：STEP（x，26，0，29，137）。

动作9：与U形固定臂连接的两个可伸缩性L 形挡板向内伸缩一段距离，将螃蟹松开。驱动函数：STEP（x，29，0，31，-10）。

动作10：旋转口下方的直线旋转式升降机构将承接住的螃蟹旋转90°后，再次被与U 形固定臂连接的两个可伸缩性L 形挡板固定。驱动函数：STEP（x，31，0，33，90）；驱动函数：STEP（x，34，0，36，10）。

动作11：旋转口下方的直线旋转式升降机构下降到原始位置，此时螃蟹被固定，处于悬空状态。驱动函数：STEP（x，36，0，39，-137）。

动作12：二维移动平台继续运动进而带动U形固定臂与螃蟹一起运动至下一套D 形打结器内。驱动函数：STEP（x，39，0，42，261.5）。

动作13：位于圆弧型轨道内的第三套D 形打结器开始对螃蟹的另一侧进行打结捆绑。驱动函数：STEP（x，42，0，43，90）＋STEP（x，44，0，45，-90）＋STEP（x，45，0，46，90）＋STEP（x，46，0，47，-90）。

动作14：二维移动平台继续运动进而带动U形固定臂与螃蟹一起运动至下一套D 形打结器内。驱动函数：STEP（x，47，0，48，261.5）。

动作15：位于圆弧型轨道内的第四套D形打结器开始对螃蟹的进行打结捆绑，最终完成了对螃蟹的双“井”打结。驱动函数：STEP（x，48，0，49，90）＋STEP（x，49，0，50，-90）＋STEP（x，51，0，52，90）＋STEP（x，52，0，53，-90）。

动作16：二维移动平台继续运动进而带动U形固定臂与螃蟹一起运动至出料口，由取料机构将捆绑好的螃蟹取走。驱动函数：STEP（x，53，0，55，80）。

动作17：二维移动平台继续运动进而带动U形固定臂与螃蟹一起运动至进料口，准备进行下一次的捆绑循环动作。驱动函数：STEP（x，55，0，58，250）。

启动“动画”工具选项，即可清晰直观地看到螃蟹捆绑机整个捆绑工作过程中二维移动平台的运动、输送螃蟹机构的运动、U 形固定臂的运动、D 形打结器的运动。螃蟹捆绑机一个工作循环的运动仿真工作过程如图3 所示。

图3 螃蟹捆绑机一个循环的运动仿真工作过程

点击“分析”-“运动”-“图表”工具选项，可以分别得到螃蟹捆绑机在工作过程中各运动部件的速度和时间关系，并结合运动动画可以清晰直观地观察到不同运动部件具体的运动情况［14］。其中D 形打结器作为该螃蟹捆绑机的核心部件，可以通过在打结器的各个构件上做标记点，用来生成D形打结器中各构件随主轴轴转动时的角速度曲线，如图4 所示［15］。

D形打结器中各机构的动作时序将会直接影响到对螃蟹打结捆绑的成功率。为此，根据D 形打结器的传动比计算，确定打结器主轴的转速为100 r／min［16］。通过UG内置的ADAMS 运动仿真后处理器导出拨绳盘、打结嘴、钩钳、送绳针、割绳刀架和夹绳盘随打结主轴转动相对各自轴心的角位移数据，可以看出D 形打结器中各机构在打结主轴的带动下依次运动，进而完成可循环式的对螃蟹的不断打结捆绑。此外，D 形打结器及其辅助机构的运动流程如图5 所示。

图4 D形打结器中各构件随主轴转动时的角速度曲线

图5 D形打结器及其辅助机构的运动流程

3.2 输送结构强度分析及结果

通过前文对螃蟹捆绑机整个运动工作过程进行仿真分析可得到其主要的核心部件D形打结器及其辅助机构的运动流程图，借助该运动流程图可清楚地了解到当D形打结器在对螃蟹进行捆绑时，螃蟹捆绑机输送结构会受到一个较大的作用力，且该作用力会影响该输送结构对于螃蟹的固定效果，因此需要使用Workbench 工业仿真软件对螃蟹进行捆绑时极易发生较大结构变形的危险位置进行受力仿真分析［17］。

当螃蟹捆绑机输送结构在起固定作用的支撑梁中气缸作用下受到一定大小的静载荷拉力时，其等效应力最大值位于支撑梁末端L形伸缩臂位置附近，最大变形量发生在L形伸缩臂与螃蟹接触的接触面附近。

对螃蟹捆绑机输送结构进行应变分析可以发现其结构受到最大应力为4.262 8 MPa，因为螃蟹捆绑机输送结构大部分部件材料为45 号钢，在静态载荷下，考虑安全系数n ＝2.0，故其许用应力为：

所以螃蟹捆绑机输送结构满足其强度要求，并且对螃蟹捆绑机输送结构进行结构静力学形变分析可以发现其最大变形量仅为0.010 065 mm，如图6 所示，变形量极小，对工件运输系统正常工作几乎没有影响。故螃蟹捆绑机输送结构满足机械设计要求。

图6 螃蟹捆绑机核心输送机构的力学分析云图

经过Workbench结构静力学模块的分析，得到螃蟹捆绑机输送结构特性分析仿真数据，在捆绑机在对螃蟹进行捆绑时极易发生较大结构变形的危险位置其最大变形量为0.010 065 mm，对整体的结构强度影响不大［18］，主机架工件运输机构系统总体结构不会发生弯曲、断裂等危险情况，所以喷淋清洗机主机架的整体机构满足设计要求［19-20］。

4 结束语

采用虚拟样机技术，运用UG 和Workbench 软件对螃蟹捆绑机进行三维参数化建模装配与运动仿真以及结构强度分析，获得了螃蟹捆绑机在模拟工作时的相关运动参数和强度分析结果。分析仿真后螃蟹捆绑机运动构件的图表数据，并结合整个螃蟹捆绑机工作循环过程中输送结构的运动，确定了各运动机构的耦合动作时序，发现并不存在相互干涉现象。结果表明建立的三维参数化模型和设置的运动仿真参数合理可行，并且在整个螃蟹捆绑机工作中其输送结构满足强度安全要求。借助本文的运动仿真分析提高了机械设备设计可靠性，缩短了螃蟹捆绑机的研发周期，降低了产品生产成本，为以后类似捆绑机械的优化和改进提供了重要的参考。