陳建能 陳禮群 夏旭東 肖達(dá)度 韓瑞祥

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310018；3.浙江金火機(jī)床有限公司， 杭州 311400)

0 引言

鮮切西蘭花又稱切割西蘭花，是以新鮮西蘭花為原料，經(jīng)挑選、整理、去皮、去芯、切分、殺菌、包裝等一系列處理，使產(chǎn)品仍然保持新鮮狀態(tài)，供消費(fèi)者、餐飲業(yè)直接烹飪[1-3]。文獻(xiàn)[4]統(tǒng)計(jì)顯示2009—2015年期間我國(guó)鮮或冷藏的西蘭花出口量由5.5萬(wàn)t逐漸上升至12.95萬(wàn)t，并且仍處上升趨勢(shì)。出口的西蘭花小塊要求長(zhǎng)度為3～5 cm，大小均勻，切口面積小。歐洲、美國(guó)以及日本等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化切塊，但大多為單獨(dú)切塊、沒有去芯，切塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡為直上直下，導(dǎo)致切好的小花與剩余的大莖混合一起，需要人工分揀。美國(guó)Charlie公司設(shè)計(jì)了一款氣動(dòng)西蘭花切塊機(jī)，刀具為半球形，工作時(shí)繞固定軸旋轉(zhuǎn)對(duì)西蘭花進(jìn)行切塊，軌跡為半球，而西蘭花的花苞形狀大多不是規(guī)則的半球狀，所以導(dǎo)致西蘭花切塊不均，有大有小，需要人工二次切塊，效率不高[5-11]。國(guó)內(nèi)對(duì)西蘭花的切塊裝置研究較少，西蘭花切塊一直由人工完成。綜上所述，現(xiàn)階段西蘭花切塊設(shè)備存在著切塊不均、需二次加工或需人工分揀的問(wèn)題，影響切塊的加工效率，因此急需一種能夠?qū)ξ魈m花均勻切塊并自動(dòng)去芯的機(jī)器。

本文將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與氣動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合，提出一種同時(shí)滿足莖芯分離與切塊均勻的西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)，并編寫機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,使西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)能滿足西蘭花理想切塊尺寸的軌跡要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在搖桿極限位置的一端進(jìn)行切塊、另一端進(jìn)行拋莖，避免切塊不均及花、莖混合的問(wèn)題。

1 西蘭花切塊去芯理想軌跡及其實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)

1.1 西蘭花切塊去芯的理想軌跡方程

出口市場(chǎng)對(duì)西蘭花切塊的尺寸要求是3～5 cm。為了滿足這一要求，在機(jī)械化切塊過(guò)程中，切刀必須沿著理想的軌跡。本文通過(guò)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法得到理想軌跡，首先對(duì)采集回來(lái)的“浙青95號(hào)”西蘭花進(jìn)行對(duì)半切開，在西蘭花的切面上量取距離小花花苞4 cm處，并且做上標(biāo)記點(diǎn)，如圖1所示，然后取西蘭花花苞最頂端作為坐標(biāo)原點(diǎn)，西蘭花中心線為y軸，水平方向?yàn)閤軸，測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值記錄下來(lái)并用散點(diǎn)圖表示，如圖2所示。

圖1 西蘭花理想切塊軌跡取點(diǎn)包絡(luò)圖Fig.1 Envelope of ideal tangential locus of broccoli

根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合，得到理想切塊軌跡為y=0.027 7x2+0.011 6x+40，從而為后續(xù)西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供目標(biāo)。

圖2 西蘭花理想切割包絡(luò)線Fig.2 Ideal trajectory map of broccoli

1.2 機(jī)構(gòu)工作原理及作業(yè)軌跡與姿態(tài)分析

1.2.1工作原理

西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)是西蘭花切塊機(jī)的核心部件，如圖3所示。該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部分是由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和由氣缸驅(qū)動(dòng)的八桿機(jī)構(gòu)組合而成的十一桿機(jī)構(gòu)，其工作原理為：動(dòng)力由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)傳遞給曲柄使其做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在曲柄的帶動(dòng)下，搖桿帶動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)的八桿機(jī)構(gòu)繞固定鉸鏈點(diǎn)K擺動(dòng)，當(dāng)搖桿擺動(dòng)至切塊位置時(shí)，氣缸活塞桿開始動(dòng)作，推動(dòng)三角桿做平面運(yùn)動(dòng)，三角桿推動(dòng)兩個(gè)刀具拉桿向下運(yùn)動(dòng)，刀具拉桿推動(dòng)左、右刀具做切塊運(yùn)動(dòng)，搖桿的擺動(dòng)與刀具切塊運(yùn)動(dòng)的合成，形成了刀具的特定西蘭花切塊軌跡。當(dāng)搖桿擺動(dòng)至另一極限位置時(shí)，同時(shí)氣缸往回動(dòng)作，刀具張開，刀具內(nèi)的西蘭花芯由于慣性做拋體運(yùn)動(dòng)，拋擲至回收裝置。該機(jī)構(gòu)一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)完成切塊、去芯和拋擲的動(dòng)作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高。

圖3 西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Motion track of broccoli cutting stem and throwing core mechanism1.曲柄 2.連桿 3.搖桿 4.氣缸缸體 5.氣缸活塞桿 6.三角桿 7、8.刀具拉桿 9.左刀具 10.右刀具 11.機(jī)架

1.2.2軌跡與姿態(tài)分析

西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)一個(gè)工作循環(huán)，其刀具末端運(yùn)動(dòng)形成的軌跡如圖3所示，在初始位置點(diǎn)d時(shí)，兩片刀具處于閉合狀態(tài)，曲柄按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具在a點(diǎn)開始張開，而后隨搖桿機(jī)構(gòu)一起至極限位置后返回向下運(yùn)動(dòng)到b、c點(diǎn)時(shí)，氣桿開始伸出，推動(dòng)刀具閉合對(duì)西蘭花進(jìn)行切塊，刀具直徑(最大張口之間距離)d必須滿足d≥lbc,由西蘭花理想切塊軌跡可得lbc=80 mm,由文獻(xiàn)[5]可知西蘭花出口驗(yàn)收時(shí)花球最大橫徑D≤150 mm,切塊尺寸最小30 mm，所以刀具直徑d≤90 mm，為了適應(yīng)更多的西蘭花尺寸，取刀具直徑為90 mm。要完成對(duì)西蘭花的均勻切塊則需要使刀具末端沿著bd與cd段進(jìn)行切塊，由于切塊動(dòng)作與搖桿動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，且切塊結(jié)束時(shí)搖桿運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)切好的西蘭花有向下沖擊作用，使西蘭花小塊分離，切塊效果更好。切塊結(jié)束后搖桿回程，刀具仍處于閉合狀態(tài)，挾帶被切下的主莖芯沿da段軌跡運(yùn)動(dòng)至a點(diǎn)，刀具開始張開，避免刀具在極限位置拋莖時(shí)存在夾莖現(xiàn)象。西蘭花莖由于慣性做拋體運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至廢料收集裝置，曲柄旋轉(zhuǎn)一圈，刀具進(jìn)入下一次切塊的初始狀態(tài)。

2 西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

如圖4所示，以曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心A點(diǎn)為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系，具體建模過(guò)程[12-15]如下。

圖4 西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagram of broccoli cutting stem and throwing core mechanism1.曲柄 2.連桿 3.搖桿 4.氣缸缸體 5.氣缸活塞桿 6.三角桿 7、8.刀具拉桿 9.左刀具 10.右刀具 11.機(jī)架

(1)位置計(jì)算

由封閉圖形ABCD可得機(jī)構(gòu)第1個(gè)封閉矢量方程

lAB+lBC=lAD+lDC

(1)

式中l(wèi)AB——鉸鏈點(diǎn)AB之間的距離

lBC——鉸鏈點(diǎn)BC之間的距離

lAD——鉸鏈點(diǎn)AD之間的距離

lDC——鉸鏈點(diǎn)DC之間的距離

將矢量方程寫成其復(fù)數(shù)形式

lABeiθ1+lBCeiθ2=lADeiθAD+lDCeiθ3

(2)

式中θ1——桿AB與x軸的夾角

θ2——桿BC與x軸的夾角

θAD——鉸鏈點(diǎn)AD之間連線與x軸的夾角

θ3——桿CD與x軸的夾角

將方程(2)實(shí)部與虛部分離得到

(3)

解方程組(3)可得θ2、θ3的值。

由封閉圖形EGF可得機(jī)構(gòu)第2個(gè)封閉矢量方程

lEG+lGF=lEF

(4)

式中l(wèi)EG——鉸鏈點(diǎn)EG之間的距離

lGF——鉸鏈點(diǎn)GF之間的距離

lEF——鉸鏈點(diǎn)EF之間的距離

將矢量方程寫成其復(fù)數(shù)形式

lEGeiθ31+lGFeiθ5=lEFeiθ7

(5)

其中l(wèi)EF=230-vt

(6)

式中v——?dú)飧走\(yùn)動(dòng)速度

t——?dú)飧走\(yùn)動(dòng)時(shí)間

θ31——EG與x軸的夾角

θ5——桿GF與x軸的夾角

θ7——桿EF與x軸的夾角

將方程(5)實(shí)部與虛部分離得到

(7)

其中

θ31=θ3-β1-β4

(8)

式中β1——桿DI與DC的夾角

β4——GE與EE′的夾角

解方程組(7)可得θ5、θ7的值。

由封閉圖形GHJI可得機(jī)構(gòu)第3個(gè)封閉矢量方程

lGH+lHJ=lGI+lIJ

(9)

式中l(wèi)GH——鉸鏈點(diǎn)GH之間的距離

lHJ——鉸鏈點(diǎn)HJ之間的距離

lGI——鉸鏈點(diǎn)GI之間的距離

lIJ——鉸鏈點(diǎn)IJ之間的距離

將矢量方程寫成其復(fù)數(shù)形式

lGHeiθ6+lHJeiθ8=lGIeiθ32+lIJeiθ10

(10)

式中θ6——桿GH與x軸的夾角

θ8——桿HJ與x軸的夾角

θ32——GI與x軸夾角

θ10——桿IJ與x軸的夾角

將方程(10)實(shí)部與虛部分離得到

(11)

其中

(12)

式中j3——桿HG與GF的夾角

θ42——桿GD與x軸的夾角

β3——桿DI與GD的夾角

β5——桿DI與GI的夾角

解方程組(11)可得θ8、θ10的值。

由封閉圖形GHKI可得機(jī)構(gòu)第4個(gè)封閉矢量方程

lGH+lHK=lGI+lIK

(13)

式中l(wèi)HK——鉸鏈點(diǎn)HK之間的距離

lIK——鉸鏈點(diǎn)IK之間的距離

將矢量方程寫成其復(fù)數(shù)形式

lGHeiθ6+lHKeiθ9=lGIeiθ32+lIKeiθ11

(14)

式中θ9——桿HK與x軸的夾角

θ11——桿IK與x軸的夾角

將方程(14)實(shí)部與虛部分離得到

(15)

解方程組(15)可得θ9、θ11的值，則

(16)

式中j2——IJ與JM的夾角

θ12——桿JM與x軸的夾角

θ13——桿KN與x軸的夾角

由于西蘭花切塊-去芯機(jī)構(gòu)為平面連桿機(jī)構(gòu)，所以構(gòu)件均做平面運(yùn)動(dòng)，由上面的轉(zhuǎn)角關(guān)系可計(jì)算刀具末端M、N的運(yùn)動(dòng)位移方程。(xj、yj)表示構(gòu)件j鉸鏈點(diǎn)的坐標(biāo)，已知

(17)

(18)

則

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

θ41=θ3-β1-β2

(26)

式中β2——桿DI與ED的夾角

lDI——鉸鏈點(diǎn)DI之間的距離

lGG′——鉸鏈點(diǎn)GG′之間的距離

lG′I——鉸鏈點(diǎn)G′I之間的距離

lJM——鉸鏈點(diǎn)J與左刀具末端M之間的距離

lKN——鉸鏈點(diǎn)K與右刀具末端N之間的距離

θ41——桿DI與x軸的夾角

3 西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化模型建立

西蘭花切塊去芯關(guān)鍵技術(shù)一是兩切刀運(yùn)動(dòng)能否同步，二是兩切刀的運(yùn)動(dòng)軌跡能否滿足西蘭花所需的切塊理想軌跡要求，因此西蘭花切塊-去芯機(jī)構(gòu)以此為優(yōu)化目標(biāo)[16-18]。

3.1.1優(yōu)化變量和目標(biāo)函數(shù)

為保證機(jī)構(gòu)末端M、N切塊軌跡與理想切塊軌跡誤差最小和兩切刀運(yùn)動(dòng)的同步性最好，可用xM、yM、xN、yN、xlM、ylM、xlN、ylN表示目標(biāo)函數(shù)，其中(xlM，ylM)表示M點(diǎn)的理想軌跡點(diǎn)，(xlN，ylN)表示N點(diǎn)的理想軌跡點(diǎn)。

由西蘭花的理想切塊軌跡得到M、N的理想切塊軌跡方程為

(27)

本文中0≤i≤360，i表示步數(shù)，步長(zhǎng)為1，機(jī)構(gòu)切塊入切點(diǎn)為i=340，則當(dāng)340≤i≤360時(shí)為機(jī)構(gòu)的切塊軌跡。將xlM、xlN的取值范圍進(jìn)行n等分，n=20，則xlMn=(xlM1,xlM2,…，xlMn)，xlNn=(xlN1,xlN2,…，xlNn)，ylMn=(ylM1,ylM2,…，ylMn)，ylNn=(ylN1,ylN2,…，ylNn)，將理想軌跡點(diǎn)與實(shí)際軌跡點(diǎn)對(duì)應(yīng)，則

(28)

為保證機(jī)構(gòu)末端切塊軌跡與理想切塊軌跡誤差最小，目標(biāo)函數(shù)用f1(x)來(lái)表示，其表達(dá)式為

(29)

其中

(30)

(31)

為保證機(jī)構(gòu)末端切塊兩刀具的同步性最好，目標(biāo)函數(shù)用f2(x)來(lái)表示，其表達(dá)式為

(32)

從以上方程發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化目標(biāo)與切塊機(jī)構(gòu)中的桿長(zhǎng)相關(guān)性最大，選切塊機(jī)構(gòu)中的桿長(zhǎng)lG′I、lGG′、lGH、lHJ、lHK作為變量，即X=(lG′I,lGG′,lHG,lHJ,lHK)，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

F(X)=0.5f1(x)+0.5f2(x)

(33)

3.1.2約束條件及方程

機(jī)架及各桿件的長(zhǎng)度都有一定的限制，可統(tǒng)一表達(dá)為

Ximin≤Xi≤Ximax(i=1,2,3,4,5)

(34)

故添加機(jī)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)約束時(shí)，對(duì)自變量的條件限定為

(35)

3.2 優(yōu)化軟件的編寫與初始解的獲得

根據(jù)上文建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)Matlab語(yǔ)言編寫西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，如圖5所示。通過(guò)利用軟件對(duì)西蘭花切塊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬，人工調(diào)整參數(shù)獲得一組初始參數(shù)：刀具半徑R=50 mm,刃角C=8°,結(jié)構(gòu)參數(shù)：lAB=90 mm，lBC=430 mm，lDC=135 mm，lDI=480 mm，lDE=100 mm，lG′I=124 mm，lGG′=137.9 mm，lGF=135 mm，lGH=125 mm，lHJ=165.5 mm，lHK=162 mm，其中，lDE表示鉸鏈點(diǎn)DE之間的距離。搖桿旋轉(zhuǎn)中心xD=398 mm，yD=230 mm，曲柄初始安裝角φ=220°，β1=7.6°，角桿GFH中桿GH與桿GF夾角λ=120°。

圖5 軟件的初始界面Fig.5 Initial interface of software

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

利用自動(dòng)優(yōu)化程序進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，當(dāng)遺傳算法迭代60次，目標(biāo)函數(shù)值趨于穩(wěn)定，60次以后，目標(biāo)函數(shù)值不再變化或存在極微小的變化，說(shuō)明優(yōu)化終止，故本文取遺傳算法迭代60次所得設(shè)計(jì)變量的值為最終的優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果為X=(124,137.9,128.7,165.5,162)，目標(biāo)函數(shù)值F=2.269 mm，其中：實(shí)際軌跡與理想軌跡誤差f1=1.787 mm，機(jī)構(gòu)末端M、N的運(yùn)動(dòng)同步性誤差f2=2.751 mm；初始解的目標(biāo)函數(shù)值F=5.023 mm，其中：實(shí)際軌跡與理想軌跡誤差f1=4.645 mm，機(jī)構(gòu)末端M、N的運(yùn)動(dòng)同步性誤差f2=5.401 mm。

與初始條件對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)相比，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果中的兩個(gè)子目標(biāo)函數(shù)的值都有明顯的減小，其中，實(shí)際軌跡與理想軌跡誤差為原來(lái)的38.4%，優(yōu)化后機(jī)構(gòu)末端M、N的運(yùn)動(dòng)同步性誤差為原來(lái)的49.7%，說(shuō)明優(yōu)化后的西蘭花切塊機(jī)構(gòu)末端切塊軌跡的效果要比優(yōu)化前的機(jī)構(gòu)好。

3.4 動(dòng)力學(xué)仿真分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化后切塊去芯機(jī)構(gòu)軌跡與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，引入ADAMS軟件建立虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)模型進(jìn)行軌跡與動(dòng)力學(xué)仿真。首先針對(duì)西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型建立參數(shù)模型，添加約束，設(shè)置零件材料，然后添加驅(qū)動(dòng)，設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)。最后對(duì)虛擬模型進(jìn)行軌跡仿真模擬，軌跡仿真結(jié)果如圖6a所示，由圖6可知，虛擬樣機(jī)仿真軌跡與Matlab優(yōu)化軌跡基本一致。

圖6 基于ADAMS優(yōu)化模型仿真結(jié)果Fig.6 Simulation of optimization model based on ADAMS

4 西蘭花切塊去芯試驗(yàn)

4.1 西蘭花切塊去芯生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

西蘭花切塊去芯生產(chǎn)線簡(jiǎn)圖如圖7所示，工作過(guò)程為：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈傳動(dòng)裝置中主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)鏈條帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪；從動(dòng)鏈輪與間歇裝置中主動(dòng)不完全齒輪、主動(dòng)不完全齒輪鎖止副用鍵連接于同一根軸上，從而帶動(dòng)間歇裝置運(yùn)動(dòng)，間歇裝置中主動(dòng)不完全齒輪運(yùn)動(dòng)周期為T′，則從動(dòng)齒輪5運(yùn)動(dòng)周期為3T′/4，靜止時(shí)間為T′/4；間歇裝置中從動(dòng)齒輪鎖止副、從動(dòng)齒輪與輸送裝置中的主動(dòng)輸送輪用鍵連接于同一根軸上，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輸送裝置；使輸送裝置中輸送鏈板進(jìn)行間歇運(yùn)動(dòng)。同時(shí)切塊去芯機(jī)構(gòu)中的曲柄與主動(dòng)鏈輪由同一電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩缽盤之間距離為主動(dòng)輸送輪節(jié)圓周長(zhǎng)。這樣保證了曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一圈完成一個(gè)切塊、去芯周期，輸送鏈板從動(dòng)輸送輪完成一次間歇運(yùn)動(dòng)結(jié)束；從而實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)。試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖8所示。

圖7 西蘭花切塊去芯生產(chǎn)線簡(jiǎn)圖Fig.7 Production line diagram of broccoli cutting stem and throwing core mechanism1.輸送鏈板 2.主動(dòng)不完全齒輪 3.主動(dòng)不完全齒輪鎖止副 4.從動(dòng)齒輪鎖止副 5.從動(dòng)齒輪 6.缽盤 7.主動(dòng)輸送輪 8.從動(dòng)鏈輪 9.鏈條 10.主動(dòng)鏈輪 11.從動(dòng)輸送輪

圖8 西蘭花切塊去芯試驗(yàn)裝置Fig.8 Test device of broccoli cutting stem and throwing core mechanism1.刀柄 2.刀具 3.缽盤

切塊試驗(yàn)選用不銹鋼質(zhì)缽盤固定西蘭花位姿，缽盤盤口直徑120 mm，底部直徑10 mm，缽盤深度40 mm，刀具為直徑90 mm的1/4不銹鋼質(zhì)球面刀具，兩片刀具分別單邊開刃，非刃邊與兩個(gè)特制的刀柄焊接起來(lái)，然后對(duì)稱安裝于兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)，通過(guò)拉動(dòng)刀柄使兩片刀具分別繞其鉸鏈點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到兩刀具刃邊重合或分開,如圖8a所示。

試驗(yàn)臺(tái)流水線如圖8b所示，采用塑料鏈板進(jìn)行輸送，缽盤固定于輸送鏈板上，試驗(yàn)采取正常作業(yè)模式，流水線開始運(yùn)動(dòng)同時(shí)切塊去芯機(jī)構(gòu)開始作業(yè)，流水線的主動(dòng)輪與切塊去芯機(jī)構(gòu)的曲柄由同一電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)以保證兩者運(yùn)動(dòng)的同步性，兩缽盤的距離為流水線主動(dòng)輪的節(jié)圓周長(zhǎng)，達(dá)到曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周完成一次切塊、去芯運(yùn)動(dòng)周期，同時(shí)流水線上主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周帶動(dòng)缽盤由上一個(gè)運(yùn)動(dòng)至下一個(gè)，完成一個(gè)輸送周期。

4.2 高速攝像的軌跡測(cè)試及分析

為了驗(yàn)證樣機(jī)是否滿足切塊理論軌跡要求，必須通過(guò)軌跡測(cè)試試驗(yàn)獲得樣機(jī)的實(shí)際軌跡。高速攝像試驗(yàn)如圖9所示。將錄制好的視頻導(dǎo)入 Blaster儀及MAS 圖像分析軟件中，利用圖像分析軟件獲取切塊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)1周高速攝像捕獲的實(shí)際軌跡。通過(guò)對(duì)比得實(shí)際軌跡與理論軌跡基本一致，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的可行性。

圖9 切塊去芯機(jī)構(gòu)刀具末端運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.9 Tool end motion track of broccoli cutting stem and throwing core mechanism

將行業(yè)內(nèi)“D-Core 30i”[19]與“氣動(dòng)切塊”[20]西蘭花切塊機(jī)構(gòu)與本機(jī)構(gòu)軌跡的入切點(diǎn)設(shè)置在同一位置，各軌跡的最低點(diǎn)為切塊結(jié)束點(diǎn)，對(duì)入切點(diǎn)至切塊結(jié)束點(diǎn)間的軌跡與西蘭花理想切塊軌跡進(jìn)行比較，如圖10所示。

圖10 軌跡對(duì)比分析Fig.10 Comparative analysis of trajectories of different mechanisms

圖12 西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)各關(guān)鍵位置姿態(tài)與切塊效果Fig.12 Main position and cutting effects of broccoli cutting core mechanism

可見分級(jí)切塊機(jī)構(gòu)中第一級(jí)切塊軌跡與理想軌跡相差很大，易造成西蘭花小塊損傷與切塊的大小不均，降低切塊成功率。氣動(dòng)切塊機(jī)構(gòu)中半球繞定軸旋轉(zhuǎn)對(duì)西蘭花進(jìn)行切割，其切塊軌跡的高度與理想軌跡相差10 mm左右，易造成切塊不到位，存在大塊西蘭花，需二次加工，降低切塊成功率與工作效率。西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)的切塊軌跡與理想軌跡幾乎一致，保證了滿足切塊要求的尺寸，提高了切塊成功率，同時(shí)提高整體工作效率。

4.3 西蘭花生產(chǎn)線切塊試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證樣機(jī)的切塊的均勻性與高效性，通過(guò)切塊試驗(yàn)來(lái)獲得樣機(jī)的切塊性能。試驗(yàn)工作流程如圖11所示。

圖11 西蘭花切塊去芯生產(chǎn)線工作流程圖Fig.11 Working course of broccoli cutting core mechanism production line

設(shè)曲柄轉(zhuǎn)速為60 r/min，試驗(yàn)選用“浙青95號(hào)”西蘭花品種，人工將西蘭花放置于輸送帶上的缽盤內(nèi)，試驗(yàn)中切塊去芯機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)角姿態(tài)以及切塊效果如圖12所示，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周完成一次切塊，一次去芯，切塊效果良好，驗(yàn)證了西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性與合理性。

切塊去芯機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)速為60 r/min下進(jìn)行100朵切塊試驗(yàn)，成功切塊91朵，成功去芯100朵。將試驗(yàn)結(jié)果與其他切塊機(jī)構(gòu)的切塊效果進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)切塊成功率、去芯成功率進(jìn)行以下定義：切塊成功率為滿足出口尺寸要求的小塊總質(zhì)量占切塊總質(zhì)量的百分比；去芯成功率為成功去芯個(gè)數(shù)占切塊總個(gè)數(shù)的百分比。試驗(yàn)得到：Sweere公司[20]產(chǎn)品Floreto去芯機(jī)切塊成功率達(dá)80%～90%；去芯成功率達(dá)95%；機(jī)器工作效率達(dá)50～60個(gè)/min。Charlie’s公司[21]產(chǎn)品氣動(dòng)西蘭花切塊機(jī)切塊成功率達(dá)70%～80%；去芯成功率達(dá)90%；機(jī)器工作效率30～40個(gè)/min。本文切塊-去芯機(jī)切塊成功率可達(dá)91%；去芯成功率達(dá)100%；工作效率可達(dá)50～60個(gè)/min。

5 結(jié)論

(1)提出了一種西蘭花切塊去芯機(jī)構(gòu)，可依次完成切塊、去芯動(dòng)作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高。

(2)基于Matlab軟件開發(fā)了切塊去芯機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)化出一組最優(yōu)參數(shù)，并引入 ADAMS 軟件進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真，仿真軌跡與理論優(yōu)化軌跡基本一致，機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)受力過(guò)載現(xiàn)象，滿足西蘭花切塊、去芯最佳軌跡要求。

(3)設(shè)計(jì)搭建了試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行高速攝像試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論軌跡基本一致，驗(yàn)證了切塊去芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

(4)在試驗(yàn)臺(tái)上完成了西蘭花切塊去芯樣機(jī)切塊試驗(yàn)，在機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速60 r/min下，平均切塊成功率為91%，去芯成功率100%，工作效率最高達(dá)60個(gè)/min。直徑90 mm的刀具可以滿足所有出口要求的西蘭花切塊。