黃菊生，劉軍安，李建軍 ，盧利亞

（1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 411101；2.湖南省教育廳教育科學(xué)院，湖南 410205）

0 引言

食品機(jī)械現(xiàn)代化的程度是衡量一個(gè)國(guó)家食品工業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志，它直接關(guān)系到食品制造業(yè)和加工業(yè)產(chǎn)品的科技含量以及食品深加工附加值的高低，同時(shí)，食品工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展必然帶動(dòng)食品機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。食品機(jī)械種類(lèi)十分繁多，發(fā)達(dá)國(guó)家食品機(jī)械的品種多達(dá)3000種，我國(guó)大約1800種。我國(guó)還是個(gè)食品加工業(yè)大國(guó)而非食品業(yè)強(qiáng)國(guó)，因?yàn)橹芜@一行業(yè)的機(jī)械制造業(yè)，尤其是自主裝備研發(fā)能力依然不強(qiáng)。食品數(shù)控點(diǎn)粘機(jī)是通過(guò)對(duì)自動(dòng)控制、工業(yè)機(jī)械手、曲面生成算法、控制節(jié)點(diǎn)反求、軟件二次開(kāi)發(fā)等技術(shù)的綜合應(yīng)用，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出的一種新型農(nóng)副產(chǎn)品自動(dòng)化深加工機(jī)械，對(duì)我國(guó)豐富的農(nóng)林業(yè)干果資源進(jìn)行藝術(shù)深加工，將各種干果點(diǎn)粘到不規(guī)則曲面的糕點(diǎn)上，生產(chǎn)出各式各樣基于曲面造型的藝術(shù)干果糕點(diǎn)，為提高我國(guó)農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)附加值提供一種新途徑[1]。

1 總體結(jié)構(gòu)

食品數(shù)控點(diǎn)粘機(jī)用于將干果多角度粘附于各種形狀的糕點(diǎn)表面上。它包括一臺(tái)垂直于水平面運(yùn)動(dòng)的支撐液壓缸，一臺(tái)沿水平面旋轉(zhuǎn)的單葉片擺動(dòng)液壓缸，一臺(tái)沿垂直面旋轉(zhuǎn)的齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸，一臺(tái)沿水平面移動(dòng)的推進(jìn)液壓缸，一個(gè)磁控矩陣吸盤(pán)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。各液壓缸和矩陣吸盤(pán)由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制，通過(guò)控制支撐液壓缸實(shí)現(xiàn)總體Y方向上的收放調(diào)整，通過(guò)控制推進(jìn)液壓缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂水平方向上的移動(dòng)，通過(guò)控制單葉片擺動(dòng)液壓缸實(shí)現(xiàn)總體水平面120度內(nèi)回轉(zhuǎn)，通過(guò)控制齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂豎直平面180度內(nèi)回轉(zhuǎn)，通過(guò)控制電磁鐵得失電實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)吸附、鑲嵌的動(dòng)作。也可以是以上運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的多自由度運(yùn)動(dòng)控制、干果的多角度點(diǎn)粘。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，垂直于水平面運(yùn)動(dòng)的支撐液壓缸通過(guò)活塞桿伸出端的頂部與沿水平面旋轉(zhuǎn)的單葉片擺動(dòng)液壓缸機(jī)座底部通過(guò)花鍵連接，單葉片擺動(dòng)液壓缸的水平面擺動(dòng)的葉片與垂直于水平面的擺動(dòng)軸連接，擺動(dòng)軸的伸出端頂部與沿垂直面旋轉(zhuǎn)的齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸支撐架底部通過(guò)花鍵連接，齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸橫向齒輪軸的伸出端與一導(dǎo)軌通過(guò)導(dǎo)軌前端一側(cè)的孔鍵相連，導(dǎo)軌的后端安裝有一沿水平面移動(dòng)的推進(jìn)液壓缸，推進(jìn)液壓缸活塞桿通過(guò)一連接體活動(dòng)套裝于導(dǎo)軌上，連接體另一側(cè)與豎直機(jī)械手臂桿相連，機(jī)械手臂桿底部通過(guò)連接體固連一個(gè)磁控矩陣吸盤(pán)。

2 磁控矩陣吸盤(pán)

矩陣吸盤(pán)是點(diǎn)粘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。由于傳統(tǒng)機(jī)械手逐個(gè)夾取干果效率低下，本系統(tǒng)采用4×4矩陣吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)大面積的的干果鑲嵌，效率高且橡膠吸盤(pán)可以適用不同的工作表面，很適合對(duì)干果進(jìn)行吸附。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磁控矩陣吸盤(pán)

矩陣吸盤(pán)外殼內(nèi)由16根直角形吸管組成，構(gòu)成4×4矩陣點(diǎn)粘機(jī)構(gòu)。每根直角形吸管的兩端均設(shè)置有電磁機(jī)構(gòu)，分別用于控制吸管的伸縮和干果實(shí)物的點(diǎn)粘吸放。在直角形吸管垂直于水平面的一端外，套裝有一截伸縮管，通過(guò)電磁機(jī)構(gòu)控制其伸縮。其伸縮管的底端固連吸盤(pán)，上端設(shè)有銜鐵，中端外部為電磁線(xiàn)圈，上端與銜鐵之間設(shè)有復(fù)位彈簧。其電磁線(xiàn)圈通電，銜鐵下移壓縮復(fù)位彈簧，帶動(dòng)伸縮管及吸盤(pán)向下伸出；電磁線(xiàn)圈斷電，銜鐵在復(fù)位彈簧作用下復(fù)位，伸縮管及吸盤(pán)向上縮回。直角形吸管平行于水平面的一端內(nèi)，套裝有一截伸縮桿，通過(guò)電磁機(jī)構(gòu)控制其移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)干果實(shí)物的吸放。其伸縮桿的外端固連有銜鐵，內(nèi)端固連一橡皮塞，中端吸管外設(shè)有電磁線(xiàn)圈，電磁線(xiàn)圈與銜鐵之間設(shè)有復(fù)位彈簧。其電磁線(xiàn)圈通電，銜鐵向左運(yùn)動(dòng)壓縮復(fù)位彈簧，帶動(dòng)伸縮桿和橡皮塞通過(guò)直角形吸管排出空氣，使吸盤(pán)不吸附實(shí)物；電磁線(xiàn)圈斷電，復(fù)位彈簧使銜鐵向右運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)橡皮塞吸氣，使吸盤(pán)吸附實(shí)物。

采用矩陣吸盤(pán)既可以實(shí)現(xiàn)大面積、曲度比較小的工作面的干果鑲嵌，也可以對(duì)每一個(gè)吸盤(pán)進(jìn)行單獨(dú)控制，即通過(guò)電磁線(xiàn)圈的通斷電來(lái)吸放銜鐵使伸縮管帶動(dòng)吸盤(pán)伸縮，從而實(shí)現(xiàn)各種特殊部位的干果鑲嵌點(diǎn)粘，及在復(fù)雜曲面的立體糕點(diǎn)表面進(jìn)行藝術(shù)干果的柔性點(diǎn)粘造型。

3 點(diǎn)粘路徑及控制算法

用Pro/E Wildfi re作點(diǎn)粘數(shù)據(jù)模型三維造型軟件，用Pro/Toolkit作二次開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)運(yùn)用Pro/Toolkit對(duì)Pro/E Wildfi re的二次開(kāi)發(fā)，為三維干果點(diǎn)粘機(jī)進(jìn)行數(shù)控軟件開(kāi)發(fā)。

點(diǎn)粘數(shù)據(jù)模型用三維造型軟件生成，但僅有曲面模型，無(wú)法完成后期矩陣吸盤(pán)所需要的曲面節(jié)點(diǎn)及路徑的點(diǎn)粘節(jié)點(diǎn)及控制路徑的生成，因此，必須進(jìn)一步反求出各個(gè)吸盤(pán)的控制節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和路徑。具體方法是根據(jù)糕點(diǎn)曲面輪廓算出相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)，并把控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的曲面節(jié)點(diǎn)矩陣模型，從數(shù)學(xué)角度完成節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和磁控吸盤(pán)的位置控制。

Pro/Toolkit是Pro/E自帶的功能強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)工具，封裝了許多針對(duì)Pro/E底層資源調(diào)用的庫(kù)函數(shù)與頭文件，借助第三方編譯環(huán)境（C、VC等）進(jìn)行調(diào)試。用Pro/Toolkit提供的用戶(hù)界面對(duì)話(huà)框（簡(jiǎn)稱(chēng)UI對(duì)話(huà)框）技術(shù)，在Pro/Toolkit應(yīng)用程序中設(shè)計(jì)出風(fēng)格與Pro/E Wildfi re系統(tǒng)具有的對(duì)話(huà)框相似的人機(jī)交互界面。UI設(shè)計(jì)包括對(duì)話(huà)框資源文件和相應(yīng)的控制程序。對(duì)話(huà)框資源文件用ASCⅡ碼文本格式編寫(xiě)，定義對(duì)話(huà)框的組成、外觀和屬性?？刂瞥绦蛴肅++編寫(xiě)，用來(lái)在Pro/E Wildfi re環(huán)境裝入對(duì)話(huà)框資源、顯示對(duì)話(huà)框、設(shè)置動(dòng)作等。利用Pro/Toolkit進(jìn)行界面設(shè)計(jì)的基本步驟為：1）編寫(xiě)源文件及資源文件，包括菜單資源文件、窗口資源文件和對(duì)話(huà)框資源文件等；2）生成可執(zhí)行文件（DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）；3）在Pro/E Wildfi re中注冊(cè)并運(yùn)行。采用Pro/Toolkit和VC++6.0二次開(kāi)發(fā)工具的點(diǎn)粘軟件開(kāi)發(fā)流程如圖3所示[2!5]。

圖3 軟件開(kāi)發(fā)流程圖

根據(jù)圖3的軟件開(kāi)發(fā)流程，在完成菜單界面和點(diǎn)粘刀具及路徑算法設(shè)計(jì)后，根據(jù)在通用三維軟件內(nèi)生成的曲面模型，自動(dòng)完成干果的點(diǎn)粘控制節(jié)點(diǎn)及路徑的生成，具體步驟如下：

在Pro/E Wildfi re中注冊(cè)并運(yùn)行吸盤(pán)刀具庫(kù)程序，進(jìn)入加工界面對(duì)話(huà)框，在“點(diǎn)粘刀具庫(kù)”菜單中選“生成點(diǎn)粘刀具庫(kù)文件”，在彈出的“點(diǎn)粘刀具”對(duì)話(huà)框中，選定吸盤(pán)刀具，在“點(diǎn)粘刀具參數(shù)設(shè)置”對(duì)話(huà)框中設(shè)置好刀具參數(shù)，即可自動(dòng)根據(jù)干果點(diǎn)粘的曲面輪廓，生成點(diǎn)粘數(shù)控節(jié)點(diǎn)及路徑，程序運(yùn)行結(jié)果如圖4 !圖6所示。

圖4 點(diǎn)粘路徑（Ⅰ）

圖5 點(diǎn)粘路徑（Ⅱ）

圖6 點(diǎn)粘路徑（Ⅲ）

4 結(jié)束語(yǔ)

點(diǎn)粘機(jī)是一種創(chuàng)新型自動(dòng)化農(nóng)副產(chǎn)品深加工設(shè)備，該技術(shù)的深入研究與商業(yè)開(kāi)發(fā)，對(duì)我國(guó)豐富的農(nóng)林業(yè)干果資源的藝術(shù)深加工、提高我國(guó)農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)附加值和增強(qiáng)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供了一種新途徑。

[1]胡興軍, 子萌.我國(guó)食品機(jī)械發(fā)展綜述[J].食品科技,2004, 26(4) : 18-20.

[2]員敏,于源.自由曲面設(shè)計(jì)及刀具路徑生成技術(shù)的研究[J].鄭州工業(yè)大學(xué)報(bào), 2009, 25(3) : 38-42.

[3]楊傳華, 樊文武, 魏天路, 等.基于Pro/E的二次開(kāi)發(fā)工具Pro/TOOLKIT的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào),2006, 16 (3): 25-28.

[4]吳卓, 丁志磊, 趙國(guó)霞.在VC環(huán)境下利用Pro/TOOLKIT對(duì)Pro/E進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2006, 4 (6): 46-50.

[5]宋滿(mǎn)倉(cāng), 張俊河.Pro/E二次開(kāi)發(fā)中的UI對(duì)話(huà)框技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2006, 6 (2): 30-34.