王樹才 陳子琦 孫振坤 馬美湖
(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 武漢 430070; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院, 武漢 430070)
我國蛋品加工裝備制造比較落后[1-3],目前還只能生產(chǎn)一些單機(jī)臺和小型半自動生產(chǎn)線,國內(nèi)雞蛋加工企業(yè)大量進(jìn)口歐洲、美國、日本和韓國的雞蛋自動化加工生產(chǎn)線。
雞蛋自動上料是雞蛋加工自動化生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一,它能有效解決雞蛋加工處理過程中人工上料存在的人畜牧共患疾病傳播、勞動強(qiáng)度大、破損率高和生產(chǎn)效率低等問題。
世界上已有許多的蛋品加工處理機(jī)械制造企業(yè),如荷蘭的MOBA公司、丹麥的SANOVO公司和日本的NABEL公司等[4-6]。MOBA最新潔蛋裝備ONIVA系列生產(chǎn)效率達(dá)到18萬枚/h[7];丹麥SANOVO公司生產(chǎn)的液蛋和蛋粉等雞蛋深加工生產(chǎn)線,最大產(chǎn)量可以達(dá)到12萬枚/h[8]。自動化生產(chǎn)線的起點(diǎn)是自動化上料裝置。為此,不少國內(nèi)外學(xué)者均對各種農(nóng)產(chǎn)品類自動上料裝置進(jìn)行了研究,如VAN DE等[9]研究了一種真空吸盤拾取雞蛋的裝置;ZHANG[10]和GARLASCHE[11]分別研究了水果和雞蛋的自動拾取裝置;蔡健榮等[12]研究了一種用于雞蛋生產(chǎn)線上的雞蛋上料裝置,該裝置利用吸盤上料可以作為自動上料機(jī)械手的末端執(zhí)行器;張興國等[13]設(shè)計(jì)了一種禽蛋吸運(yùn)機(jī)械手,對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動規(guī)劃;苑進(jìn)等[14]研究了一種禽蛋自動并聯(lián)撿拾機(jī)構(gòu),并對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論分析和運(yùn)動規(guī)劃研究,但效率和自動化程度遠(yuǎn)不及國外設(shè)備。
針對以上問題,本研究通過分析國外先進(jìn)的雞蛋加工自動上料裝置后進(jìn)行自主創(chuàng)新,設(shè)計(jì)雞蛋加工生產(chǎn)線吸盤自動上料裝置。結(jié)合理論分析[15-16]和ADAMS運(yùn)動學(xué)仿真[17-18],對其原理、結(jié)構(gòu)、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證,為縮短樣機(jī)試制周期、指導(dǎo)樣機(jī)安裝提供理論支撐。
雞蛋加工生產(chǎn)線自動上料裝置由載蛋盤傳送裝置、吸盤擺臂裝置和蛋盤分類回收裝置組成,如圖1所示。載蛋盤傳送裝置采用模塊帶輸送,模塊帶上安裝有蛋盤固定擋塊,用以定位載滿雞蛋的蛋盤。吸盤擺臂裝置包括:驅(qū)動擺臂往復(fù)擺動的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和一對齒輪放大機(jī)構(gòu),保持吸盤組件運(yùn)動中始終處于水平狀態(tài)的同步帶角度補(bǔ)償機(jī)構(gòu),以及驅(qū)動吸盤個體之間改變間距的滑塊分合機(jī)構(gòu),如圖2所示。蛋盤分類回收裝置由空蛋盤堆垛裝置和非空蛋盤反向輸送裝置組成,分別由垂直推動氣缸和水平推動氣缸推動蛋盤,蛋盤反向輸送裝置也采用模塊帶輸送。
圖1 雞蛋加工生產(chǎn)線自動上料裝置整機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of egg processing production line automatic feeding device 1.模塊帶 2.蛋盤固定擋板 3.載蛋盤傳送裝置 4.蛋盤 5.吸盤擺臂裝置 6.吸盤組件 7.蛋盤分類回收裝置 8.空蛋盤堆垛裝置 9.非空蛋盤反向輸送裝置
圖2 吸盤擺臂裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of chuck swing arm device1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 2.齒輪放大機(jī)構(gòu) 3.同步帶角度補(bǔ)償機(jī)構(gòu) 4.滑塊分合機(jī)構(gòu) 5.縱向氣缸 6.橫向氣缸 7.吸嘴
由人工將整盤雞蛋放置在載蛋盤傳送裝置的模塊帶上,雞蛋隨模塊帶一起運(yùn)動到吸蛋位置時,吸盤擺臂裝置正好運(yùn)動到雞蛋的上方,并垂直壓下,在電氣系統(tǒng)控制下吸盤吸氣,將雞蛋整盤吸取,本裝置一次吸取2盤共60枚雞蛋,蛋盤則在重力和安裝在載蛋盤傳送裝置機(jī)架上的壓條作用下留在載蛋盤傳送裝置的模塊帶上,直到運(yùn)動到蛋盤分類回收裝置處。安裝在機(jī)架上的接近開關(guān)根據(jù)高度檢測蛋盤上是否留有未吸取的雞蛋(部分雞蛋由于破損流清會粘連在蛋盤上,不能被吸盤吸取),留有雞蛋的蛋盤(非空蛋盤)因雞蛋高出蛋盤上表面,會碰到擺動杠桿的長臂,推動杠桿的短臂靠近接近開關(guān),在電氣系統(tǒng)控制下,水平推動氣缸將非空蛋盤推到蛋盤反向輸送裝置上,達(dá)到一定數(shù)量后由人工完成后續(xù)處理;空蛋盤則由垂直推動氣缸直接頂起,堆垛在氣缸上方的蛋盤架上。吸盤擺臂裝置在吸取雞蛋后,在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪放大機(jī)構(gòu)、同步帶角度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的共同作用下,擺向雞蛋加工生產(chǎn)線;在此運(yùn)動過程中,在縱向氣缸驅(qū)動下,兩盤蛋縱向分開一定距離,在橫向氣缸驅(qū)動下,滑塊分合機(jī)構(gòu)將每盤蛋的5列橫向分開一定距離,以適應(yīng)雞蛋加工生產(chǎn)線輸送蛋輥的間距(蛋盤上雞蛋的間距小于生產(chǎn)線上雞蛋的間距);完成此動作后,在電氣系統(tǒng)控制下,吸盤吸氣閥關(guān)閉,吸盤與大氣相通,在重力作用下雞蛋落在雞蛋加工生產(chǎn)線,隨后,整個吸盤擺臂裝置返回吸蛋位置,各吸嘴復(fù)位,準(zhǔn)備下一次吸蛋,完成一個上料周期。
雞蛋加工生產(chǎn)線自動上料裝置中核心機(jī)械部分是吸盤擺臂裝置,它完成吸盤在載蛋盤傳送線與雞蛋加工生產(chǎn)線之間同步搬運(yùn)雞蛋,并保持往復(fù)擺動的同時,吸蛋盤始終處于水平狀態(tài);吸蛋盤水平位移、垂直位移要與兩輸送線的位置對應(yīng),且便于調(diào)整。由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪放大機(jī)構(gòu)和同步帶角度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)串聯(lián)組合而成,圖3a為該機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。圖中:lAB=45.5 mm,lBC=687 mm,lCD=93.5 mm,lAD=672.5 mm,lEF=412 mm,大齒輪分度圓直徑和小齒輪分度圓直徑的關(guān)系為D1=3D2,A、D之間水平距離為37.5 mm,A、D之間的垂直距離為671.5 mm,A、E之間的水平距離28 mm,A、E之間垂直距離為800 mm。
圖3 吸盤擺臂裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Fig.3 Diagrams of chuck device swing arm mechanism motion1.曲柄 2.連桿 3.大齒輪 4.小齒輪 5.下同步帶輪 6.同步帶 7.上同步帶 8.搖桿 9.擺臂 10.吸盤組件
圖3a中AB為曲柄,其軸上安裝有用于檢測轉(zhuǎn)動位置的傳感器,與載蛋盤傳送線共用同一個電動機(jī)驅(qū)動,曲柄軸與電動機(jī)之間有減速箱等傳動系統(tǒng);BC為連桿,其長度可由適量螺旋調(diào)節(jié),用以改變擺桿EF的擺角,便于設(shè)備調(diào)試中適應(yīng)雞蛋加工生產(chǎn)線的高度,C處用銷軸固定在大齒輪上;CD為搖桿,與大齒輪是同一構(gòu)件;小齒輪轉(zhuǎn)動中心在E點(diǎn),與大齒輪形成齒輪嚙合;下同步帶輪固定在機(jī)架上,中心開孔,令小齒輪軸穿過;擺臂EF剛性固連在小齒輪上,和小齒輪一起在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動;擺臂EF的另一端用轉(zhuǎn)動副連接上同步帶輪,上、下同步帶輪之間用同步帶傳動;吸盤組件固連在上同步帶輪上。按照以上分析,該組合機(jī)構(gòu)為平面機(jī)構(gòu),在自由度計(jì)算時,將同步帶傳動機(jī)構(gòu)等價轉(zhuǎn)換為雙曲柄機(jī)構(gòu),如圖3b,則該組合機(jī)構(gòu)有6個活動構(gòu)件(部件1、2、3、4、6、7),8個轉(zhuǎn)動副(A、B、C、D、E、F、G、H),1個齒輪副。由此可見該組合機(jī)構(gòu)的自由度為:F=3×6-2×8-1×1=1,可見該組合機(jī)構(gòu)由一個原動件曲柄AB驅(qū)動,具有確定運(yùn)動。同時,由于lAB+lBC 2.2.1 角度補(bǔ)償分析 吸蛋裝置在往復(fù)擺動的過程中,要保持吸盤始終處于水平狀態(tài),才能將蛋盤上的蛋全部吸取,擺動時防止雞蛋脫落,釋放時以盡量低的高度將雞蛋平穩(wěn)釋放到加工生產(chǎn)線上。如果將蛋盤組件直接固連在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿上,蛋盤在往復(fù)擺動的過程中,角度必然隨搖桿角度的變化而發(fā)生變化。本研究設(shè)計(jì)了一對同步帶傳動完成角度的補(bǔ)償,一個同步帶輪固定在機(jī)架上,另一個同步帶輪安裝在擺桿末端。當(dāng)搖桿擺動一定角度時,吸盤組件一方面隨搖桿擺動相同的角度,另一方面又在同步帶的驅(qū)動下沿相反方向轉(zhuǎn)動相同的角度,達(dá)到角度補(bǔ)償目的,使吸盤組件始終處于水平狀態(tài),如圖4所示。 圖4 同步帶角度補(bǔ)償原理圖Fig.4 Timing belt compensation diagram δ=μ (1) 又由圖4可知 μ+ξ=ξ+η (2) 故由式(2)得 μ=η (3) 所以由式(2)和式(3)可以得出 δ=η (4) 即同步帶輪反向轉(zhuǎn)動的角度補(bǔ)償了擺臂轉(zhuǎn)動的角度,故吸盤能始終保持與地面平行。 2.2.2 運(yùn)動分析 在圖3中以A為坐標(biāo)原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系,曲柄AB沿逆時針進(jìn)行轉(zhuǎn)動。 利用矢量方程解析法,建立該機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度方程。 圖3中B點(diǎn)坐標(biāo)方程為 (5) 式中L1——曲柄AB長度θ1——曲柄AB轉(zhuǎn)角φ1——曲柄AB初始角 根據(jù)矢量方程 lAB+lBC=lAD+lDC (6) C點(diǎn)坐標(biāo)方程為 (7) 式中L2——連桿BC長度L3——搖桿CD長度φ2——連桿BC轉(zhuǎn)角φ3——搖桿CD轉(zhuǎn)角 將式(7)整理得 圖1示,PLAGL2主要表達(dá)于陽性細(xì)胞核與胞質(zhì)中,PCa中PLAGL2陽性表達(dá)率(80.6%,83/103)高于良性前列腺增生(22.0%,11/50),其中在PCa組織中弱陽性26例,陽性28例,強(qiáng)陽性29例,在良性前列腺增生組織中弱陽性7例,陽性4例,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,χ2=55.003,P<0.001。 (8) 將式(8)兩邊取平方和得 (9) 式中xD——D點(diǎn)橫坐標(biāo)yD——D點(diǎn)縱坐標(biāo) acosφ3+bsinφ3+c=0 (10) 由此可得 (11) 由于齒輪機(jī)構(gòu)中 式中D1——大齒輪直徑D2——小齒輪直徑 擺桿頂端F點(diǎn)的水平和垂直位移分別為 (12) 式中L4——擺桿EF長度xE——E點(diǎn)橫坐標(biāo)yE——E點(diǎn)縱坐標(biāo)θ2——擺桿EF初始角φ4——擺桿EF轉(zhuǎn)角 將式(12)對時間t求一階導(dǎo)數(shù)得到擺桿頂點(diǎn)F的水平和垂直速度方程 (13) 將式(12)對時間t求二階導(dǎo)數(shù)得到擺桿頂點(diǎn)F的水平和垂直加速度方程 (14) 即為吸盤組件的水平和垂直加速度。 圖5 F點(diǎn)水平方向運(yùn)動參數(shù)變化曲線Fig.5 Change curves of horizontal motion parameters for F point 對雞蛋加工生產(chǎn)線自動上料裝置中的吸蛋擺臂組合機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真,將吸蛋擺臂部分的三維裝配圖導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中,將三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,對關(guān)鍵位置進(jìn)行重新約束,保留關(guān)鍵的配合關(guān)系[19-20]。設(shè)置曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄勻速轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速為10 r/min,仿真得出吸盤組件中F點(diǎn)的水平位移、水平速度、水平加速度等運(yùn)動參數(shù)隨曲柄轉(zhuǎn)角變化曲線,如圖5所示;以及吸盤組件中F點(diǎn)的垂直位移、垂直速度、垂直加速度等運(yùn)動參數(shù)隨曲柄轉(zhuǎn)角變化曲線,如圖6所示。 圖6 F點(diǎn)垂直方向運(yùn)動參數(shù)變化曲線Fig.6 Changing curves of vertical motion parameters for F point 從圖5可以看出,在水平方向上,當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動到84°位置時,吸盤組件接近吸蛋位置,水平位移為-384 mm;隨后,在曲柄84°~108°之間位置時,吸盤組件水平位移基本不變,吸盤速度為零,防止吸盤位置與蛋盤中雞蛋位置錯動,在此吸蛋位置,加速度也為零,可以防止由于吸盤慣性力推翻蛋盤上的雞蛋。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動到252°位置時,吸盤組件接近放蛋位置,此時是水平最大位移,為440 mm;隨后,在曲柄252°~312°之間位置時,吸盤組件水平位移基本不變,吸盤速度為零,防止吸盤上雞蛋水平拋出,保證放下的雞蛋與生產(chǎn)線上的托蛋棍位置一一對應(yīng),在此放蛋位置,加速度也為零,可以防止由于吸盤慣性力將雞蛋水平拋出。在曲柄轉(zhuǎn)動一周的一個周期中,最大水平速度為625 mm/s,對應(yīng)曲柄170°的位置,最大水平加速度為1 050 mm/s2,對應(yīng)曲柄66°的位置。 從圖6可以看出,在垂直方向上,當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動到96°位置時,吸盤到達(dá)吸蛋位置最低點(diǎn),位移為810 mm,結(jié)合圖5分析,此時搖桿CD應(yīng)該在極限位置,與X軸夾角為146°,這一對應(yīng)關(guān)系在安裝時非常重要,是保證運(yùn)動時序和位置準(zhǔn)確的關(guān)鍵。曲柄在84°位置到96°位置對應(yīng)時間內(nèi),吸盤僅垂直向下運(yùn)動,在96°位置到108°位置對應(yīng)時間內(nèi),吸盤僅垂直向上運(yùn)動。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動到282°位置時,吸盤達(dá)到放蛋位置最低點(diǎn),位移為760 mm,結(jié)合圖5,曲柄在252°位置到282°位置對應(yīng)時間內(nèi),吸盤僅垂直向下運(yùn)動,在282°位置到312°位置對應(yīng)時間內(nèi),吸盤僅垂直向上運(yùn)動,保證雞蛋在生產(chǎn)線托蛋棍上方平穩(wěn)釋放,在較小的高度內(nèi)自由落體落下。釋放位置有一定加速度產(chǎn)生正方向的慣性力和雞蛋自身重力共同作用,保證雞蛋平穩(wěn)進(jìn)入生產(chǎn)線上。在曲柄轉(zhuǎn)動一周的一個周期中,最大垂直位移1 212 mm,對應(yīng)曲柄170°位置。最大垂直速度為-550 mm/s,對應(yīng)曲柄66°位置。最大垂直加速度1 606 mm/s2,對應(yīng)曲柄96°位置。 雞蛋加工生產(chǎn)線吸盤自動上料裝置樣機(jī)如圖7所示。 現(xiàn)場采用直尺、量角器、測速儀和加速度儀等常規(guī)儀器測試了自動上料裝置擺桿末端最大水平位移x、最大垂直位移y、最大水平速度Vx、最大垂直速度Vy、最大水平加速度ax、最大垂直加速度ay,以及取得最大值時曲柄對應(yīng)位置角θx、θy、θvx、θvy、θax、θay,并與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較,如表1所示。仿真值與實(shí)測值基本一致,位移微小的誤差主要是測量精度的原因,角度微小的誤差除因測量精度外,零部件運(yùn)動中受力產(chǎn)生的變形也是原因之一。 (1)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪放大機(jī)構(gòu)和同步帶角度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)組合,機(jī)構(gòu)自由度為1,在一個原動件連續(xù)轉(zhuǎn)動驅(qū)動下,保證了吸盤上料過程大角度往復(fù)擺動和吸盤組件始終水平的要求,實(shí)現(xiàn)了雞蛋水平搬運(yùn)。 (2)ADAMS軟件仿真顯示,本研究設(shè)計(jì)確定的曲柄、連桿、搖桿、擺桿、齒輪等尺寸參數(shù),使自動上料裝置在吸蛋和放蛋位置,吸盤水平速度為零,只有垂直速度,吸盤能夠分別對準(zhǔn)蛋盤上的雞蛋和生產(chǎn)線上的托蛋輥,保證了準(zhǔn)確吸、放雞蛋;位移、速度和加速度的變化規(guī)律均符合從載蛋盤輸送線向雞蛋加工生產(chǎn)線搬運(yùn)雞蛋的運(yùn)動要求。 (3)通過樣機(jī)試驗(yàn)表明,各種運(yùn)動參數(shù)仿真結(jié)果與樣機(jī)實(shí)測值誤差極小,驗(yàn)證了理論分析和仿真的正確性和實(shí)用性。 1 馬美湖. 蛋品加工技術(shù)與質(zhì)量安全控制戰(zhàn)略研究[J]. 中國家禽,2009,31(12):1-6. 2 呂玲,吳榮富. 國內(nèi)外蛋品產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及消費(fèi)趨勢[J]. 中國家禽,2015,37(1):46-50. 3 李增國,王國強(qiáng),李斌. 雞蛋質(zhì)量自動分揀設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工(學(xué)刊),2013(4):72-74,77. 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3 吸盤擺臂裝置運(yùn)動學(xué)仿真
4 樣機(jī)試驗(yàn)
5 結(jié)論