白 茂 東, 楊 繼 新, 王 學 俊, 陶 學 恒, 王 慧 慧

( 1.大連工業(yè)大學 國家海洋食品工程技術研究中心， 遼寧 大連 116034；2. 大連理工大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116024 )

平結式雙條海帶打結新方法

白 茂 東1,2, 楊 繼 新1, 王 學 俊1, 陶 學 恒1, 王 慧 慧1

( 1.大連工業(yè)大學 國家海洋食品工程技術研究中心， 遼寧 大連 116034；2. 大連理工大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116024 )

介紹了國內外海帶打結機研發(fā)技術現狀，分析了現有普通海帶打結機的組成機構，海帶打結機在機構組成和控制系統(tǒng)等方面的關鍵技術。結合現有技術,提出了雙條平結式海帶打結機的設計思想與組成結構，為設計開發(fā)實用型海帶打結機奠定了基礎。

海帶；打結機；控制系統(tǒng)

0 引 言

海帶是人們非常喜歡食用的經濟藻類，但其生產規(guī)?；潭炔桓?，難以在國內外市場上形成較強的競爭力。海帶條或海帶絲的價格僅為海帶結價格的30%，因此僅僅出售未加工過的海帶不能獲得應有的經濟效益[1]。目前海帶結的加工主要以人工為主，而海水的腐蝕作用對工人的身體健康有著極大的影響，導致國內外市場需求很高的海帶結生產效率低下，產量供不應求[1]。海帶食品的加工主要分為簡單加工和深加工，所謂簡單加工，就是把海帶經過凈化、軟化、熟化、脫水、干燥、殺菌等工藝加工成海藻絲、卷、末、粉或輔以調味料的復合型食品；深加工就是提取海帶的有效成分或者以海帶的簡單加工產品作為添加劑制成的食品。而作為海帶初加工中的海帶自動打結問題卻始終是世界范圍內的難點問題，因此海帶加工企業(yè)迫切需要海帶自動化加工設備，以解決海帶自動化加工的實際問題[2]。

普通海帶自動打結機依據的基本原理主要有：基于人手協調打結的打結機理、基于螺旋夾爪的打結成結機理、拓撲學中的曲帶扭結理論和懸鏈線理論。這些理論為最終實現海帶打結的智能化自動生產奠定必不可少的技術基礎[2-4]。

1 國內外海帶打結機發(fā)展現狀

1.1 國外海帶打結機發(fā)展現狀

國外對海帶自動打結技術的研究在2008年之前主要集中在日本、德國和美國，相關研究的報告很少見于期刊發(fā)表，而近幾年日本主要對海帶進行深加工研究并取得可觀的經濟成果，而其對海帶結的需求主要從中國進口，國外也沒有海帶自動打結設備投入市場應用。

1.2 國內海帶打結機發(fā)展現狀

哈爾濱工業(yè)大學(威海)在自動海帶打結機上作了大量的研究工作，研制了基于人手打結原理的第一代自動海帶打結機和基于螺旋夾爪打結的第二代自動海帶打結機[4]。產品合格率最高為70%。陳水明以及福建水產研究所也相繼申請了海帶打結設備的發(fā)明專利，然而打結成功率制約著海帶打結設備的市場應用[5]。

青島農業(yè)大學研發(fā)了一種應用海帶加工作業(yè)的海帶打結機[6]。主要包括機架、PLC控制系統(tǒng)和氣動控制系統(tǒng)，機架上設置有上料裝置、物料輸送裝置、打結裝置和切割裝置，采用獨創(chuàng)的由步進電動機帶動的圓盤式上料裝置、3對打結指通過密切配合模擬手工打結過程完成海帶打結、切割，快速方便的獨特割刀結構，有效地提高了打結效率和連貫性。

李春泥等[7]發(fā)明的海帶打結方法及裝置，包括一次折疊裝置、二次折疊裝置、三次折疊裝置和夾持拉伸裝置及其相互匹配連接。其打結方法分為以下幾個步驟：首先將海帶條一次折疊成兩端交錯的D形，其次將一次折疊后的海帶條運行二次折疊，折疊成兩端交錯的環(huán)形，再次將二次折疊后的海帶條運行三次折疊，折疊成兩端交錯的回形，最后將三次折疊后的海帶條運行夾持拉伸打結[7]。

吳初昆[8]發(fā)明的全自動海帶打結機，包括上料機構、真空吸料機構、送料板機構、主軸鉗機構、帶刀鉗機構和出料鉗機構。上料機構用于向上提供海帶，送料板機構設置在上料機構前方用于導料，真空吸料機構設置在送料板機構的一側用于真空吸料，主軸鉗機構和帶刀鉗機構分別設置在送料板機構前方左右兩側，真空吸料機構和帶刀鉗機構設置在同側，出料鉗機構設置在帶刀鉗機構前方用于夾出打結好的海帶。

李哲[9]設計發(fā)明的雙螺旋海帶打結機，包括底座和固定在底座上的打結機構和夾緊機構。打結機構包括打結滑板，打結步進電機，轉軸，螺旋形打結夾爪。夾緊機構包括夾緊氣缸，夾緊夾爪。采用螺旋形打結夾爪通過螺旋運動完成海帶打結作業(yè)，將復雜的打結動作簡化成連續(xù)的螺旋運動，使一次打結在1 s內完成，可自動完成海帶打結作業(yè)。

我國雖然已經設計出實現普通海帶打結的自動化設備，但是這些設備普遍存在打結不穩(wěn)定，打結成功的效率不高，不能夠滿足工業(yè)化的大規(guī)模生產要求。

2 典型普通海帶打結機裝置特點

海帶打結機總體組成主要分為兩大部分：打結機結構和控制系統(tǒng)。整機機構由3個工位組成：一工位是備料機構；二工位是送料機構；三工位由切斷機構、擋料機構、夾緊機構、打結機構四部分組成。3個工位之間的切換均為自動完成[1]。其中打結機的核心機構是打結機構，裝置的其他機構分布皆是以打結機構為核心進行布置，并為打結機構服務。打結裝置的總體結構布局如圖1所示。

圖1 打結裝置總體結構布局圖

普通海帶打結機打結功能的實現是裝置自身在控制系統(tǒng)的作用下操作完成的，整個打結過程無人工干預，而打結功能的實現主要包括氣缸的伸縮運動，伺服電機、調速電機的控制和夾具機構的運動，因此需要設計控制系統(tǒng)對打結的每個過程步驟進行精確控制。通常使用傳感器元件和基于PLC的控制系統(tǒng)來實現。圖2是基于PLC的海帶打結控制原理圖。哈爾濱工業(yè)大學設計的雙螺旋海帶打結機生產的海帶產品如圖3所示。

普通海帶打結機的基本組成結構主要包括海帶打結的成環(huán)機構和打結機構，這也是制約海帶打結實用化的最主要因素。海帶成環(huán)困難必然會造成海帶打結困難，同時也影響單條海帶成結的穩(wěn)定性，海帶打結機構設計不合理勢必會影響海帶打結的效率，這是海帶打結機難以實現產業(yè)化生產的主要原因，而且我國現有的海帶打結機主要實現的是單條海帶打結，海帶打結形式單一，缺少多樣化發(fā)展。至今，我國海帶打結總的技術水平仍處在研究、試驗與開發(fā)階段，要達到真正意義的實用，還有很長的一段路要走。

圖2 基于PLC的海帶打結控制原理圖

圖3 雙螺旋海帶打結機打出的海帶結

3 雙條平結式海帶打結機

雙條平結式海帶打結機是依據平結打結原理設計制造的一種區(qū)別于普通海帶打結機的新型海帶自動打結設備，其生產的海帶結也是平結式海帶結，與普通海帶結相比具有更加突出的優(yōu)點和市場適應性。雙條平結式海帶結效果如圖4所示。

圖4 雙條平結式海帶結效果圖

3.1 雙條平結式海帶打結機結構

雙條平結式海帶打結機結構如圖5所示，主要包括底座和固定在底座上的支撐機構、移動滑臺機構以及固定在支撐部件上的送料機構、纏繞機構和固定在底座支撐架上的打結機構。打結裝置總體由完全相同的兩大部分倒置裝配組合而成。

1.支架；2.送料夾爪；3.纏繞氣缸；4.纏繞夾爪；5.纏繞環(huán)；6.滑臺；7.滑臺推動氣缸；8.滑臺導軌；9.打結夾爪；10.打結氣缸；11.傾斜氣缸；12.可轉支架；13.底座

圖5 雙條平結式海帶打結機結構示意圖

Fig.5 The structure diagram of double strip butt type kelp knotting machine

支撐機構和移動滑臺機構主要包括固定在底座上的支撐板，固定在底座上用來連接打結機構的支架，固定在底座上的滑臺底座和與其相連接的滑臺以及固定在底座上的氣缸座和固定在氣缸座上的推動氣缸。

纏繞機構包括固定在滑臺上的伸縮氣缸和固定在氣缸前面的纏繞夾爪，纏繞夾爪和送料夾爪成同一水平面。纏繞夾爪圍繞纏繞環(huán)進行纏繞運動，纏繞中經在25～35 mm，纏繞中心線與打結夾爪中軸線垂直。

打結機構由固定在底座可旋轉支架上的打結氣缸、纏繞環(huán)和固定在氣缸上的打結夾爪組成。打結夾爪其長度方向與打結中心垂直，兩打結夾爪間距離為50 mm。

雙條平結式海帶打結機依據平結打結原理通過纏繞運動完成海帶打結作業(yè)，將復雜的打結動作簡化成連續(xù)的纏繞伸縮運動，其結構合理，打結可靠，是一種理想的平結海帶打結機，其裝置總體結構如圖6所示。

3.2 雙條平結式海帶打結實現

雙條平結式海帶打結機的具體作業(yè)方式為：由送料機構將海帶條送至固定在支架上的送料夾爪，送料夾爪將海帶條運送至固定在纏繞氣缸上的纏繞夾爪，纏繞夾爪夾住海帶在纏繞氣缸的作用下沿氣缸伸縮方向向后運動到纏繞環(huán)的后方，此時纏繞夾爪保持不動，滑臺在滑臺推動氣缸的作用下，沿著滑臺導軌向前運動，當纏繞夾爪運動過纏繞環(huán)時，滑臺推動氣缸停止運動，纏繞氣缸伸出帶動纏繞夾爪運動到圖5所示位置，纏繞動作完成。此時，相同的倒置裝置也完成相同動作，兩個海帶條同時完成繞環(huán)動作。

圖6 雙條平結式海帶打結機裝置總體結構圖

繞環(huán)動作完成后，打結機構開始作用，首先套裝在纏繞環(huán)中的打結夾爪在打結氣缸的作用下伸出，此時打結夾爪的位置處在完成繞環(huán)的海帶條的下部，打結夾爪張開并同時夾住送料夾爪和纏繞夾爪中的海帶條，送料夾爪和纏繞夾爪在打結夾爪完成夾持后松開，并在相關作用部件下回歸原位。此時，打結整體機構在固定在支架上的傾斜氣缸的作用下，沿著傾斜氣缸收縮方向向后運動，打結氣缸在底部可轉支架的作用下發(fā)生傾斜，海帶環(huán)同時從纏繞環(huán)上脫開。打結夾爪在打結氣缸的作用下向后收縮，帶動夾持住的海帶條完成打結工作。最后，打結夾爪松開，平結海帶條打結完成，打結機構在傾斜氣缸的作用下回歸原位。圖7是海帶打結工作循環(huán)圖。

圖7 海帶打結工作循環(huán)圖

雙條平結式海帶打結機采用平結打結原理，利用兩條海帶條進行平結打結，有效地避免了海帶條環(huán)繞成環(huán)的不穩(wěn)定問題，同時平結式打結裝置將復雜的單條海帶打結簡化成簡單的伸縮運動，提高了打結效率，其實用性和可行性將為我國海帶打結相關設備的發(fā)展提供重要的參考價值。

4 結 語

隨著市場對海帶結的需求增加和科學技術的發(fā)展，以及國內外科研機構、科技工作者對海帶打結的研究探索，目前在海帶打結問題上已經取得了重大的科研成果，相關的海帶自動打結設備也已經基本成型，其成果值得肯定。但同時也應該看到相關的海帶打結設備還存在打結不穩(wěn)定和打結效率不能滿足市場化生產的問題，這嚴重制約著海帶加工業(yè)的發(fā)展。因此，應該一方面組織各方面技術力量，對有關的關鍵技術進行攻關；另一方面，將已獲得的研究成果盡快推出到市場應用。

[1] 王宇銳.海帶打結原理研究及海帶打結機器人系統(tǒng)設計[D].威海:哈爾濱工業(yè)大學,2011.

[2] 劉培香.海帶打結機器人的發(fā)明者——記哈工大(威海)李哲博士[N].哈爾濱工業(yè)大學報,2005-12-03(6).

[3] 王瑞鑫.海帶打結原理及機構動態(tài)特性研究[D].威海:哈爾濱工業(yè)大學,2008.

[4] 王小強.基于螺旋夾爪的海帶打結關鍵技術研究[D].威海:哈爾濱工業(yè)大學,2012.

[5] KANG H, WEN J T . EndoBot: a robotic assistant in minimally invasive surgeries[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Seoul: IEEE, 2001: 2033-2036.

[6] 青島農業(yè)大學.海帶打結機及打結方法:104770779A[P].2015-07-15.

[7] 李春泥.海帶打結方法及裝置:104041863A[P].2014-09-17.

[8] 吳初昆.全自動海帶打結機:103300426A[P].2013-09-18.

[9] 李哲.雙螺旋海帶打結機:103271390A[P].2013-09-04.

New method of double flat kelp knotting

BAI Maodong1,2, YANG Jixin1, WANG Xuejun1, TAO Xueheng1, WANG Huihui1

( 1.National Engineering Research Center of Seafood, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China；2.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

The present situation of the research and development of kelp knot tying machine at home and abroad was introduced, and the composition of common kelp knot tying machine was analyzed. The key technologies of kelp knot tying machine in mechanism composition and control system were discussed. The structure and composition design of double flat type kelp knotting machine combining with existing technologies was proposed, to laid the foundation for the design and development of practical kelp knotted machine.

kelp; knotting machine; control system

2016-01-13.

國家海洋食品工程技術研究中心項目(2012FU125X03)；海洋公益性行業(yè)科研專項(201505029)；遼寧省自然科學基金項目(2014026003)；遼寧省高等學校優(yōu)秀科技人才支持計劃項目(LR2013023).

白茂東(1989-)，男，博士研究生；通信作者：楊繼新(1969-)，女，教授.

TH162

A

1674-1404(2017)04-0300-04

白茂東,楊繼新,王學俊,陶學恒,王慧慧.平結式雙條海帶打結新方法[J].大連工業(yè)大學學報,2017,36(4):300-303.

BAI Maodong, YANG Jixin, WANG Xuejun, TAO Xueheng, WANG Huihui. New method of double flat kelp knotting[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(4): 300-303.