黃菊生

劉軍安

唐喚清

(湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411104)

干果點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)的研究

黃菊生

劉軍安

唐喚清

(湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411104)

干果點(diǎn)黏機(jī)由多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，包括X、Y、Z直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、矩陣點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)和載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于將干果多角度黏附于各種形狀的糕點(diǎn)表面上。其關(guān)鍵部件矩陣點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用3×3 矩陣點(diǎn)黏盤結(jié)構(gòu)，9個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的點(diǎn)黏頭按矩陣方式安裝在點(diǎn)黏盤內(nèi)，可同時(shí)對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)黏。點(diǎn)黏頭的執(zhí)行機(jī)構(gòu)點(diǎn)黏針由電磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)取放干果，點(diǎn)黏頭整體由電機(jī)和絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，控制其伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在曲面糕點(diǎn)表面進(jìn)行多點(diǎn)干果的柔性點(diǎn)黏造型。

干果；矩陣點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)；點(diǎn)黏針；運(yùn)動(dòng)控制；曲面

干果點(diǎn)黏機(jī)是將各種可食用干果(如杏仁、核桃仁、花生、葡萄干等)點(diǎn)黏到成型糕點(diǎn)上，其創(chuàng)作思路來(lái)源于五谷糧食畫技術(shù)[1]。糧食畫是一種利用五谷雜糧為原料經(jīng)過(guò)手工制作工藝創(chuàng)作而成的平面點(diǎn)黏圖畫，而食品干果點(diǎn)黏機(jī)則是采用機(jī)械手自動(dòng)將干果點(diǎn)黏到立體糕點(diǎn)上，使干果按照設(shè)計(jì)的圖案黏附于曲面的糕點(diǎn)表面，從而制作出造型各異的三維藝術(shù)糕點(diǎn)[2]。目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有類似的干果糕點(diǎn)加工設(shè)備，糕點(diǎn)上一些點(diǎn)綴的果脯等大多是手工取放點(diǎn)黏，為此，綜合應(yīng)用機(jī)械、自動(dòng)控制、CAD/CAM、曲面反求等多項(xiàng)技術(shù)[3-4]，創(chuàng)新設(shè)計(jì)能高效、自動(dòng)點(diǎn)黏各種食用干果的糕點(diǎn)加工設(shè)備，本試驗(yàn)主要對(duì)其關(guān)鍵部件矩陣點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)引進(jìn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及點(diǎn)黏頭、點(diǎn)黏針的運(yùn)動(dòng)控制方法進(jìn)行研究[5-9]。

1 干果點(diǎn)黏機(jī)的系統(tǒng)組成

干果點(diǎn)黏機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由Y軸移動(dòng)副、Z軸移動(dòng)副、X軸移動(dòng)副(手臂)、點(diǎn)黏頭(執(zhí)行器)、旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)五部分組成，見圖1。Y、Z、X軸及點(diǎn)黏頭構(gòu)成移動(dòng)式直角坐標(biāo)機(jī)械手，該機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是3個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)，與關(guān)節(jié)型機(jī)械手比較具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易編程，而且空間直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)位置控制，可以達(dá)到較高的控制精度。整機(jī)能實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)控制，即X、Y、Z方向的直線運(yùn)動(dòng)，手腕繞手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)(點(diǎn)黏頭俯仰運(yùn)動(dòng))和載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

整個(gè)機(jī)械手在地面上通過(guò)一直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和滾珠絲桿螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)沿Y軸做直線運(yùn)動(dòng)，Z軸在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)絲桿螺母副帶動(dòng)手臂架和手臂做上下升降運(yùn)動(dòng)，X軸手臂架上電機(jī)通過(guò)滾珠絲桿螺母帶動(dòng)手臂做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，手腕部通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及錐齒輪帶動(dòng)點(diǎn)黏頭做俯仰運(yùn)動(dòng)，載物臺(tái)的旋轉(zhuǎn)由電機(jī)通過(guò)一級(jí)錐齒輪帶動(dòng)。多自由度結(jié)構(gòu)用于將干果多角度黏附于各種形狀的糕點(diǎn)表面上，也可以是以上運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)控制、干果的多角度點(diǎn)黏[10]。

圖1 干果點(diǎn)黏機(jī)組成

2 點(diǎn)黏頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 矩陣點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)

點(diǎn)黏頭為點(diǎn)黏設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。設(shè)計(jì)采用3×3矩陣點(diǎn)黏盤結(jié)構(gòu)，由9個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的點(diǎn)黏頭組成，按矩陣方式安裝在點(diǎn)黏盤內(nèi)構(gòu)成點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)，可以對(duì)多個(gè)點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)黏，以適應(yīng)大面積的干果鑲嵌，提高生產(chǎn)效率。矩陣點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見圖2、3。

圖2 矩陣點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)

圖3 矩陣點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)三維模型

矩陣點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)中的9個(gè)點(diǎn)黏頭結(jié)構(gòu)完全相同，用電機(jī)電磁驅(qū)動(dòng)，能獨(dú)立控制運(yùn)行。每個(gè)點(diǎn)黏頭采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，其伸縮量可精確控制。采用這種結(jié)構(gòu)既可以實(shí)現(xiàn)大面積、曲度比較小的工作面干果多點(diǎn)鑲嵌，也可以通過(guò)對(duì)每一個(gè)點(diǎn)黏頭的單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)各種特殊部位的干果點(diǎn)黏，及在復(fù)雜曲面的糕點(diǎn)表面進(jìn)行干果的柔性點(diǎn)黏藝術(shù)造型。

2.2 點(diǎn)黏頭結(jié)構(gòu)

點(diǎn)黏頭的結(jié)構(gòu)見圖4、5，主要由步進(jìn)電機(jī)、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)、電磁機(jī)構(gòu)、點(diǎn)黏針頭機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

(1) 針對(duì)不同種類的干果可以用機(jī)械手抓取，也可以用吸盤吸附等方式[11]。本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)黏針扎取的方式抓取干果，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒斜拉拔模運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。抓取針設(shè)計(jì)為3根，針與點(diǎn)黏頭軸線呈5°，抓取牢固。

(2) 擋板設(shè)計(jì)為卡扣的結(jié)構(gòu)，可以方便擋板的加工以及點(diǎn)黏針的安裝。

(3) 為了讓點(diǎn)黏針能夠迅速取放干果，設(shè)計(jì)采用電磁線圈吸引銜鐵作為點(diǎn)黏針的驅(qū)動(dòng)，一方面控制方式簡(jiǎn)單，電磁鐵通斷電即可，另一方面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。

(4) 由于干果點(diǎn)黏精度比機(jī)床低，故采用絲杠螺母副對(duì)單個(gè)點(diǎn)黏頭進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)，此外絲桿螺母副具有自鎖功能，在點(diǎn)黏頭旋轉(zhuǎn)移動(dòng)時(shí)，可防止結(jié)構(gòu)脫落，簡(jiǎn)化了點(diǎn)黏頭結(jié)構(gòu)。

(5) 點(diǎn)黏頭由步進(jìn)電機(jī)和絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，伸縮行程可調(diào)范圍為0～20 mm。點(diǎn)黏針由電磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，伸出長(zhǎng)度為5 mm，能滿足大多數(shù)體型干果的取放。

圖4 點(diǎn)黏頭三維模型

1. 擋板 2. 針頭 3. 導(dǎo)套 4. 導(dǎo)針輪 5. 螺栓 6. 電磁鐵擋板 7. 電磁鐵線圈 8. 導(dǎo)軌 9. 螺母 10. 端蓋 11. 緊固螺栓 12. 步進(jìn)電機(jī) 13. 載針塊 14. 推進(jìn)桿 15. 彈簧 16. 銜鐵 17. 墊片 18. 卡扣 19. 絲杠 20. 開口銷

圖5 點(diǎn)黏頭結(jié)構(gòu)

Figure 5 Structure of point stick head

3 點(diǎn)黏頭的運(yùn)動(dòng)控制

3.1 點(diǎn)黏頭的控制

每個(gè)點(diǎn)黏頭有相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)給電機(jī)通斷電、正反轉(zhuǎn)及脈沖數(shù)等控制信號(hào)，可單獨(dú)控制點(diǎn)黏頭的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)12帶動(dòng)絲杠19旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)絲桿螺母副，在螺母9的帶動(dòng)下，點(diǎn)黏頭能定量伸縮，其伸縮量由電機(jī)的脈沖數(shù)決定。當(dāng)每個(gè)點(diǎn)黏頭的伸縮量按一定的數(shù)據(jù)形成輸出時(shí)，可組成各種曲率不同的曲面，從而在曲率較小的三維曲面上能達(dá)到高效率的點(diǎn)黏[12]。

3.2 點(diǎn)黏針的控制

點(diǎn)黏針的進(jìn)出完成點(diǎn)黏過(guò)程中的取干果與點(diǎn)黏干果的動(dòng)作，是點(diǎn)黏頭的執(zhí)行元件。通過(guò)機(jī)械手臂的控制，點(diǎn)黏針到達(dá)預(yù)定的取干果位置后，伸出針頭，完成取干果動(dòng)作。針頭的伸縮通過(guò)電磁線圈的得電與失電控制。如圖5，在點(diǎn)黏頭結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電磁鐵線圈7通電時(shí)，吸引銜鐵16沿導(dǎo)軌8運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧15，推進(jìn)桿14在銜鐵的帶動(dòng)下沿導(dǎo)套運(yùn)動(dòng)，此時(shí)針頭2完成一次伸出動(dòng)作，達(dá)到取干果的目的。取干果后，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)點(diǎn)黏頭到達(dá)糕點(diǎn)點(diǎn)黏位置，線圈7斷電，彈簧15復(fù)位，帶動(dòng)銜鐵16、推進(jìn)桿14復(fù)位，針頭2收回，完成點(diǎn)黏過(guò)程。

點(diǎn)黏的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程：① 點(diǎn)黏準(zhǔn)備，判斷點(diǎn)黏頭是否回原點(diǎn)，進(jìn)行回原點(diǎn)操作，見圖6(a)左；② 電磁鐵得電，吸引銜鐵，帶動(dòng)針扎取干果，見圖6(a)右；③ 機(jī)械手帶動(dòng)點(diǎn)黏頭，將干果壓入糕點(diǎn)，見圖6(b)左；④ 電磁鐵失電，針收回，見圖6(b)中；⑤ 電機(jī)回原位，等待信號(hào)，見圖6(b)右。

圖6 點(diǎn)黏頭取放干果位置變化

3.3 點(diǎn)黏頭的點(diǎn)黏方式

點(diǎn)黏干果的取放參考了真空吸附原理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，采用矩陣盤針頭結(jié)構(gòu)而不是真空吸盤結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)不同種類干果的黏取與點(diǎn)黏。對(duì)于圓形干果，點(diǎn)黏時(shí)可以只考慮其在空間的位置，不考慮其姿態(tài)。對(duì)于非圓形干果，點(diǎn)黏時(shí)不但要考慮其在空間的位置，而且要考慮其姿態(tài)。干果的點(diǎn)黏方式見圖7。

圖7 干果點(diǎn)黏方式

對(duì)于不考慮形狀的點(diǎn)黏方式，所有干果方向一致，容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)黏，效率較高。對(duì)于考慮形狀的點(diǎn)黏方式，所有干果方向不同，只能采用單個(gè)點(diǎn)黏，效率較低，點(diǎn)黏頭的控制復(fù)雜?？紤]到設(shè)備的通用性及生產(chǎn)效率，本點(diǎn)黏機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用不考慮形狀的點(diǎn)黏方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

干果種類多，形狀各異，要適應(yīng)不同干果的點(diǎn)黏需要對(duì)干果進(jìn)行分揀，以及采用不同的點(diǎn)黏頭。對(duì)要考慮干果位姿的精美糕點(diǎn)點(diǎn)黏，造型更加復(fù)雜，其點(diǎn)黏頭的設(shè)計(jì)和控制要求更高。本設(shè)計(jì)只是其中一種點(diǎn)黏方案和相關(guān)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，對(duì)類似設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)具有很好的參考價(jià)值。

[1] 曾金. 唐大焱. 創(chuàng)作五谷糧食畫的后起之秀[J]. 百姓生活, 2016(11): 44-45.

[2] 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.

[3] 楊傳華, 樊文武, 魏天路, 等. 基于Pro/E的二次開發(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] 房麗娜, 郭陪全. Pro/E的二次開發(fā)與應(yīng)用[J]. 濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 2(2): 46-50.

[5] 黃輝先, 文美純. 多自由度機(jī)械手 PLC 控制[J]. 機(jī)床與液壓, 2001(5): 92-94.

[6] 王豐元, 李蘭, 李震, 等. 旋轉(zhuǎn)式多工位自動(dòng)干果包裝機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與控制, 2017, 33(1): 76-80.

[7] 何崇東, 秦海辰, 黃永安. 片狀脆性材料拾放機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2013(5): 131-135.

[8] 張步陽(yáng), 梅爽, 陳偉, 等. 基于機(jī)器視覺(jué)的燃料電池 MEA 貼片方案設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2014(4): 98-102.

[9] 余漢平, 趙慶輝, 馬東. 柔性沖壓生產(chǎn)線自動(dòng)輸送設(shè)備設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓, 2013, 41(14): 29-32.

[10] 黃菊生, 劉軍安, 李建軍, 等. 食品數(shù)控點(diǎn)粘機(jī)的研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2012, 34(10): 89-91.

[11] 滕紅華. 真空吸盤吸持物體的動(dòng)力學(xué)分析[J]. 包裝工程, 2004, 25(2): 68-69.

[12] 張超. 自由曲面的造型及數(shù)控加工[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2001: 23-35.

The study on dried-nuts point stick mechanism

HUANGJu-sheng

LIUJun-an

TANGHuan-qing

(CollegeofMechanicalEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan,Hunan411104,China)

Dried-nuts point stick machine is composed of multi-free degree movement mechanisms, including theX,Y, andZlinear motion one, the arm pitching motion one, the matrix point stick one and the objective table rotation motion one. This structure was designed for dried-nuts adhesion to the surface of the various shape cakes with multi-angle. The matrix point stick mechanism (its key components) designed to be a 3×3 matrix point stick plate structure, and nine point stick heads with running independently were installed in a point stick disc in the matrix way, with the point stick function of multiple points meanwhile. The point stick needles (point stick head executing mechanism) driven by electromagnetic mechanism were used to take and put Dried-nuts. The point stick head was driven overall by a motor and screw nut transmission mechanism to control its telescopic movement, implementing multiple point flexible point stick model of dried-nuts in curved surface cakes.

dried-nuts; matrix point stick mechanism; point stick needles; motion control; curved surface

湖南省科技廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號(hào)：2011GK3142)

黃菊生(1960—)，男，湖南工程學(xué)院教授，碩士。 E-mail：huang8233@163.com

2017—04—01

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.020