郝用興 張明慧 馬子領(lǐng) 馬少丹（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450011）

饅頭加工所用的設(shè)備主要由加水罐、和面機(jī)、壓面機(jī)、提升機(jī)、成型機(jī)、整形機(jī)、擺盤(pán)機(jī)、醒發(fā)箱、蒸柜及輔助設(shè)備組成。在饅頭的實(shí)際生產(chǎn)中，和面機(jī)、成型機(jī)、醒發(fā)箱、蒸柜的使用已經(jīng)非常普遍，而饅頭胚的擺盤(pán)工作還是以人工擺放為主，饅頭的自動(dòng)擺盤(pán)技術(shù)還非常短缺。由此可見(jiàn)，研發(fā)出一種可代替人工進(jìn)行擺盤(pán)的饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)顯得非常必要。

饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)已有旋轉(zhuǎn)推板式生面團(tuán)自動(dòng)排放機(jī)和旋轉(zhuǎn)溜管式生面團(tuán)自動(dòng)排放機(jī)兩種形式［1，2］。前者擺放后的饅頭胚不整齊，實(shí)際使用中還需要人工整理；后者由于饅頭胚是順著管道滾落下來(lái)的，僅適合圓形饅頭?；谏鲜鰞煞N方案的特點(diǎn)，本研究提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、既適合圓形饅頭又適合方形饅頭，且擺放整齊的饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)，可以將從饅頭成型機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的各種形狀的饅頭胚整齊地成排放置到托盤(pán)中。

1 機(jī)構(gòu)方案

1.1 應(yīng)用環(huán)境

擺盤(pán)機(jī)緊隨成型機(jī)之后工作，可以將成型后的饅頭胚自動(dòng)抓取、擺放到托盤(pán)上。所以機(jī)構(gòu)方案需要按照成型機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

擺盤(pán)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)：① 饅頭胚的大?。虎?成型機(jī)輸送出來(lái)的饅頭胚之間的間距；③ 饅頭成型機(jī)的生產(chǎn)率；④ 成型機(jī)的外形尺寸。

目前，市場(chǎng)上饅頭成型機(jī)的制品重量為30～250g，查文獻(xiàn)資料［3］知饅頭面團(tuán)的密度為ρ＝1.17g/cm3，則饅頭面團(tuán)的體積為25.64～213.68cm3。根據(jù)公式v＝a3得出，a＝2.95～5.98cm，于是以尺寸為60mm×60mm×60mm的方饅頭為抓取對(duì)象。

從成型機(jī)輸送出來(lái)的饅頭胚之間的間距約為10mm。

在饅頭加工企業(yè)中，考慮到人工擺放饅頭胚的速率，成型機(jī)的生產(chǎn)率為1個(gè)左右。本機(jī)以成型機(jī)的生產(chǎn)率2個(gè)為設(shè)計(jì)依據(jù)。

目前市場(chǎng)上投入使用的、普遍的成型機(jī)的外形尺寸為：4 520mm×650mm×1 460mm。

1.2 設(shè)計(jì)方案

擺盤(pán)機(jī)的工作要求是將成型機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的饅頭胚整齊地成排放置到饅頭托盤(pán)中。

抓取和放置是模仿人手進(jìn)行饅頭胚擺盤(pán)所必須有的動(dòng)作。

為了保證放置于托盤(pán)上的饅頭胚擁有合理的間距，擺盤(pán)機(jī)需要有一個(gè)增加相鄰饅頭胚間距的動(dòng)作（即分距）。

由于饅頭胚質(zhì)地松軟，在托盤(pán)的移動(dòng)過(guò)程中，極易發(fā)生傾倒、翻轉(zhuǎn)的狀況。為了保證饅頭胚狀態(tài)的穩(wěn)定，擺盤(pán)機(jī)需要有一個(gè)向下按壓饅頭胚的動(dòng)作（即按壓）。

因此，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)模仿人手抓取饅頭的長(zhǎng)條弧形板手指，并兼有抓取、分距、放置、按壓等功能的機(jī)械手爪，再由一個(gè)可以帶動(dòng)機(jī)械手爪進(jìn)行快速移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)饅頭胚抓取、放置的連續(xù)動(dòng)作。

1.3 工作原理

饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)工作原理見(jiàn)圖1，成型后的饅頭胚4呈直線(xiàn)排列，隨成型機(jī)的輸送帶6沿著V1方向移動(dòng)；當(dāng)6個(gè)饅頭胚通過(guò)了光電傳感器5時(shí)，給機(jī)械手爪7一個(gè)信號(hào)使其抓取饅頭胚4，然后移動(dòng)機(jī)構(gòu)3帶動(dòng)機(jī)械手爪7移動(dòng)到托盤(pán)1上方，并將饅頭胚4放置到托盤(pán)1上。接著移動(dòng)機(jī)構(gòu)3帶動(dòng)機(jī)械手爪7回到初始位置等待下一次抓放，同時(shí)放置托盤(pán)的輸送帶2沿著V2方向移動(dòng)一定距離并停止，至此完成一個(gè)工作循環(huán)。當(dāng)一個(gè)托盤(pán)擺滿(mǎn)以后，由人工將托盤(pán)移走。

圖1 饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)工作原理Figure 1 Working principle diagram of dough wobble－plate machine

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)主要由機(jī)架、移動(dòng)氣缸、手爪、托盤(pán)及輸送機(jī)A、B組成（見(jiàn)圖2），其中手爪是本機(jī)的核心部分。

2.1 機(jī)架

機(jī)架安裝在輸送機(jī)A和輸送機(jī)B上，用于固定移動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)饅頭胚抓取工作的平穩(wěn)進(jìn)行。

2.2 移動(dòng)氣缸

移動(dòng)氣缸安裝在機(jī)架上，可帶動(dòng)手爪進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)饅頭胚的快速移動(dòng)。本機(jī)的移動(dòng)氣缸為無(wú)桿氣缸。

圖2 饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 2 The structure of dough wobble－plate machine

2.3 手爪

手爪固定在移動(dòng)氣缸的滑塊上，由底板、支撐架、手爪開(kāi)合機(jī)構(gòu)、壓板、饅頭夾板、夾板同步連接器、抓取氣缸、按壓氣缸、分離氣缸構(gòu)成（見(jiàn)圖3）。氣缸帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)使手爪開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)饅頭胚的抓取、分距、放置和按壓的動(dòng)作［4－6］。

圖3 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)Figure 3 The structure of manipulator

底板用于連接手爪和移動(dòng)機(jī)構(gòu)；支撐架是手爪的骨架；手爪開(kāi)合機(jī)構(gòu)完成抓取、放置動(dòng)作；饅頭壓板用于饅頭放置時(shí)向下按壓饅頭以保證饅頭放到托盤(pán)上后狀態(tài)穩(wěn)定不翻倒；饅頭夾板用于夾取饅頭，由3節(jié)組成，兩端的兩節(jié)在分離氣缸的帶動(dòng)下可以向兩側(cè)移動(dòng)一段距離，以保證饅頭放置后擁有合理的間距；夾板同步連接器有兩個(gè)，每個(gè)由兩個(gè)連桿通過(guò)銷(xiāo)連接組合而成，用于保證兩側(cè)的可動(dòng)夾板同步移動(dòng)；抓取氣缸、按壓氣缸、分離氣缸是驅(qū)動(dòng)部件，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行部件。

2.4 托盤(pán)

托盤(pán)只有三面有邊沿，以方便手爪通過(guò)，可以放置8排饅頭，每排6個(gè)。

2.5 輸送機(jī)

輸送機(jī)A為成型機(jī)的輸送裝置，用于輸送成型機(jī)中切割好的饅頭胚。輸送機(jī)B平行并略低于成型機(jī)的輸送機(jī)A，用于放置托盤(pán)并帶動(dòng)托盤(pán)向前移動(dòng)。

3 驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)通常由能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置及傳動(dòng)介質(zhì)等組成［5］。本研究中氣缸為執(zhí)行裝置，電磁閥為控制裝置。氣缸由電磁閥控制，具有簡(jiǎn)單易用，安裝方便、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 工作過(guò)程

根據(jù)自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，其工作流程圖見(jiàn)圖4。

3.2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)的抓取、移動(dòng)、分距、放置、按壓等動(dòng)作，均可采用節(jié)流調(diào)速閥調(diào)速回路來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用共同氣源供氣，形成的氣動(dòng)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖5［7－9］。其工作原理：當(dāng)電磁閥YAi（i＝1～8）得電時(shí)，氣源經(jīng)工作壓力控制回路后，經(jīng)電磁閥n（n＝13～16）后，氣流再經(jīng)單向節(jié)流閥m（m＝1～8）進(jìn)入氣缸p（p＝9～12）左腔或右腔，推動(dòng)氣缸桿伸出或縮回。

圖4 自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)工作流程圖Figure 4 The flow chart of wobble－plate machine

圖5 自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)Figure 5 The pneumatic system schematic of wobble－plate machine

4 仿真試驗(yàn)

將本機(jī)的三維模型導(dǎo)入ADAMS中，按照實(shí)際情況設(shè)定樣機(jī)相關(guān)參數(shù)［10－12］，得到饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)虛擬樣機(jī)模型（見(jiàn)圖6）。通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真，可以繪出機(jī)械手爪某一點(diǎn)在抓取過(guò)程中的位移曲線(xiàn)（見(jiàn)圖7），從位移曲線(xiàn)上能夠簡(jiǎn)單直觀(guān)地看出，手爪的抓取過(guò)程平穩(wěn)，能夠保證饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)的可靠性和可行性。因此可以得出：機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案能夠滿(mǎn)足自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)所需的功能要求。

圖6 自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)虛擬樣機(jī)模型Figure 6 The wobble－plate machine virtual prototype model

圖7 機(jī)械手爪的位移曲線(xiàn)Figure 7 The displacement curve of gripper

采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真試驗(yàn)及理論分析計(jì)算，得到本機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：產(chǎn)能7 200個(gè)/h，功率17kW，耗氣量638dm3/min，外形尺寸1 058mm#2 000mm#1 082mm，成品率100%。

5 結(jié)論

結(jié)合擺盤(pán)機(jī)的功能需求，完成了饅頭胚自動(dòng)擺盤(pán)機(jī)設(shè)計(jì)與研究。本機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性廣，整個(gè)裝置可拆卸、更換零件，具有較長(zhǎng)的使用壽命等特點(diǎn)，能一次擺放到位整齊。運(yùn)用氣壓原理，對(duì)整機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，采用氣壓驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，并且氣壓驅(qū)動(dòng)方式非常適合多機(jī)共用一個(gè)氣源的工廠(chǎng)生產(chǎn)模式。該機(jī)與成型機(jī)配套使用后，可以代替人工進(jìn)行饅頭胚的擺盤(pán)工作，滿(mǎn)足饅頭生產(chǎn)中對(duì)安全衛(wèi)生、節(jié)省人力和提高效率的要求。

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