劉 麥

(海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院工程技術(shù)學院，海南 ?？?571127)

食品生產(chǎn)設(shè)備是食品行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此如何提升食品加工生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計和更新速度，對整個食品行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。在食品設(shè)備設(shè)計過程中，常用的計算機仿真技術(shù)很難全面模擬真實的使用環(huán)境，使用機器人原型技術(shù)對關(guān)鍵步驟進行實際操作能夠有效減少開發(fā)時間和成本[1-2]。在產(chǎn)品的處理、操作和包裝過程中，將一些傳統(tǒng)的設(shè)備安裝到機器人末端執(zhí)行器上，可以讓工業(yè)機器人快速精確地執(zhí)行事先設(shè)定好的步驟，從而確定出合理的加工方式[3-4]。Pallansch等[5]提出了一種基于計算機仿真的食品加工設(shè)備生產(chǎn)方法，但該方法很難對實際使用過程中的動力環(huán)境等進行模擬。Gungor等[6]提出了一種基于動力學的計算機仿真算法，該方法既考慮了使用中的動力學問題，也考慮了不同產(chǎn)品加工材料之間的差異，具有較好的使用價值，但其在非標準環(huán)境中的處理效果較差。

文章擬提出一種使用機器人原型技術(shù)設(shè)計食品加工設(shè)備的方法，其主要步驟包括通用處理和個性化處理兩種操作方式。通用處理步驟主要是以所需設(shè)計的物品為目標，對外形、尺寸參數(shù)、動力學特性等進行合理的設(shè)計，例如鑄造工業(yè)零件時，可以將一個工業(yè)零件拆分為標準件和非標準件，以機器人原型為基礎(chǔ)，作為非標準件研制末端執(zhí)行器，可以較好地提高工業(yè)零件的生產(chǎn)效率。個性化處理主要是指在標準化處理流程上，添加一些特殊的處理工藝，如在通用拉面制造設(shè)備中后端加入控制器，可得到多種不同粗細的產(chǎn)品。個性化處理工藝需對加入器件的大小、參數(shù)以及阻力等進行定制化設(shè)計，從而獲得最大的生產(chǎn)效益。

文章通過機器人原型技術(shù)在食品加工及包裝機械設(shè)計中的3個應(yīng)用實例，詮釋機器人原型技術(shù)在食品加工設(shè)備設(shè)計和制造中的巨大優(yōu)勢和實際價值，旨在為降低開發(fā)新型食品設(shè)備成本提供一種新的思路。

1 機器人原型技術(shù)

目前，工業(yè)機器人已成為一種綜合性的自動化技術(shù)，既是先進的工業(yè)軟硬件的結(jié)合，也是計算機集成制造系統(tǒng)、自動化工廠以及柔性制造體系等現(xiàn)代化制造體系的主要構(gòu)成成分，已被應(yīng)用于加工制造等各個領(lǐng)域，尤其是單元以及生產(chǎn)線制造等。

機器人原型是已通過測試和檢驗的機器人產(chǎn)品，在食品加工及包裝機械設(shè)備研發(fā)中，使用機器人原型可以實現(xiàn)其大部分功能，通過開發(fā)末端執(zhí)行器可實現(xiàn)個性化功能，并且通過一次次的迭代設(shè)計可完善末端執(zhí)行器的個性化功能，達到提高設(shè)計效率、減少設(shè)備研發(fā)過程浪費的目的。

2 應(yīng)用實例

2.1 夾緊和吸附末端執(zhí)行器的改進迭代

傳統(tǒng)制造過程中，產(chǎn)品的夾緊和吸附是通過制造設(shè)備的末端執(zhí)行器實現(xiàn)的，可適用于大部分的面食制做場景，但不適用于意大利面。意大利面具有堅硬、易碎、潮濕、黏稠的特點，通用的夾緊型末端執(zhí)行器會破壞意大利面的表層。張艷麗等[7]提出了一種使用真空夾吸器的制作方案，主要是通過使用帶有一系列孔的平板，從而減小局部受力情況并為整體提供支撐。測試表明，盡管其可以成功拾取意大利面并置于托盤上，但是意大利面表面的淀粉殘渣與夾持器板仍會產(chǎn)生粘連，影響其釋放。周霏等[8]設(shè)計了一種基于滾筒的意大利面制作設(shè)備。其原理是當滾筒通過產(chǎn)品時，產(chǎn)品和滾筒之間的任何連接都可以隨著滾筒的脫落而斷裂，其具體過程如圖1所示。

Radkhah等[9]研究表明，可以采用6軸機器人作為原型機器人來搭載“滾筒”末端執(zhí)行器。在機器人手腕上安裝一根直徑為50 mm的碳纖維管作為滾筒，制作一個以鋁為材質(zhì)的鏟子并將其安裝至滾筒上(見圖2)，旋轉(zhuǎn)手腕即可將意大利面抬起。多次重復(fù)試驗表明，該系統(tǒng)在意大利面制作過程中具有可靠性。研究[10]發(fā)現(xiàn)，影響意大利面取放質(zhì)量的因素主要有：① 滾筒滾動前，鏟子距離意大利面下方的距離(掃掠距離)；② 滾筒后方自由垂下的意大利面片長度(懸掛長度)；③ 鏟子與滾筒之間的間隙大小(δ1)；④ 滾筒最低點與意大利面表面的距離(δ2)。通過反復(fù)的操作試驗，優(yōu)化影響意大利面取放質(zhì)量的4個參數(shù)，結(jié)果見表1。

綜上，根據(jù)系統(tǒng)原型便可構(gòu)建預(yù)生產(chǎn)模型，即使用一個單一的旋轉(zhuǎn)滾子作為執(zhí)行機構(gòu)，兩個氣動氣缸定位夾持器。結(jié)果表明，該原型機器人只需3.6 s即可準確夾持一根意大利面，并將其放于塑料餐盤中。

2.2 末端執(zhí)行器的分組操作改進

三明治制作過程中，餡料一次性放于第一片面包上，再通過在三明治頂部放置第2片面包即可完成三明治的制作。配料前，第2片面包的上半部分需涂一層黃油和蛋黃醬，因此將其放至第一片面包上之前，需先將其進行倒置。為了完成這一系列操作，使用Puma 560作為原型機器人，該原型機器人可以搭載不同的末端執(zhí)行器。面包片倒置操作的末端執(zhí)行器如圖3所示：面包置于一個100 mm2的平板上，夾持器安裝于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上，當滾子旋轉(zhuǎn)180°后，夾持器反轉(zhuǎn)；當夾持器的運動足夠快時，面包由于加速度的原因而倒立。

1. 滾子 2. 鏟臂 3. 意大利面 4. 傳送帶

圖2 使用CRS機器人演示夾持器的運動

表1 最佳系統(tǒng)參數(shù)

由于平板與面包片之間僅有較小的摩擦力，無相應(yīng)的抓取力，這種末端執(zhí)行器在翻轉(zhuǎn)過程中如果出現(xiàn)一個小位移，便會導致面包擺放不正確。因此需要準確控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速，由圖4可知，最佳角速度為9 rad/s左右。

改進后的面包片抓取操作的末端執(zhí)行器如圖5所示。夾持器由一個130 mm×125 mm的聚縮醛樹脂材料制作成類似“槳”的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在“槳”的表面有一個較窄的溝槽，形成一個略小于面包片的矩形。當抓取器上產(chǎn)生真空時，通道中的氣壓會降低，當與面包片接觸時，面包兩邊的壓差會產(chǎn)生抓取力。為了測試抓取器的性能，再次將抓取器安裝至Puma機器人上，并進行多次測試。

當面包片夾持器夾持面包時，氣流會加速面包水分的流失，導致面包變干燥，不利于銷售。試驗結(jié)果表明，在所有的速度范圍內(nèi)，夾持器均能很好地夾緊面包，當夾持時間低于1 s時，水分損失并不顯著。根據(jù)這個系統(tǒng)原型便可構(gòu)建預(yù)生產(chǎn)模型，如圖6所示。多次試驗表明，該機器人制作三明治的速度為35個/min。

1. 機器人手腕 2. 面包 3. 爪

圖4 末端執(zhí)行器測試圖

圖5 真空夾持器

2.3 末端執(zhí)行器的包裝操作改進

在塑料盒的封盒中，存在塑料盒與蓋子的位置匹配問題。最常見的方法是將蓋子從塑料盒上向下傾斜一定角度，夾在下邊緣每個角上的夾子便可與塑料盒子的邊緣進行配對。潛意識中，操作者需一直檢查塑料盒與蓋子之間的作用力并不斷調(diào)整，以實現(xiàn)正確的定位。這一動作通常對機器人來說是不可用的，因為在大多數(shù)情況下，機器人只能按編好的程序進行規(guī)則重復(fù)的動作，如果蓋子的位置有任何錯誤都將導致放置失敗。

因此，采用機器人原型和末端執(zhí)行器構(gòu)建新機器的模擬原型。設(shè)計一個尺寸為135 mm×175 mm的平板，使平板接觸蓋子的整個表面，從而使所施加的力可以均勻地作用于蓋子上，以此來增加系統(tǒng)的可靠性，其具體操作如圖7所示。

如圖7所示，采用透明的籃子支撐物支撐機械臂，當一個垂直的力施加至籃子上時，這種結(jié)構(gòu)可以扣住籃子，吸收施加在籃子上的力，以保證籃子的側(cè)面不會彎曲。多次試驗結(jié)果證明，該種方式并不會對籃子或蓋子造成損害。

為了確保蓋蓋子過程中，機器人能夠在一系列的路徑下進行正常運動，蓋子必須在公差范圍內(nèi)進行運動。對每個路徑進行50次測試，并記錄鎖合失敗的次數(shù)，結(jié)果見表2。

1. 三明治 2. 末端執(zhí)行器 3. 模擬繩送帶 4. 包裝向?qū)?5. 機器人

1. 籃子支撐物 2. 籃子 3. 蓋子 4. 平板爪 5. 機器人

表2 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的可接受公差范圍

3 結(jié)論

機器人原型技術(shù)在食品加工及包裝設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用，所需的許多單獨過程均可以使用定制的末端執(zhí)行器進行原型化，再進行測試，最后評估方案的適用性和可靠性。試驗表明，使用機器人可以在節(jié)省時間和經(jīng)濟成本的情況下，構(gòu)建完整的原型機并對其進行測試。確定公差和關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)意味著在構(gòu)建完整的原型時，可以有很高的參考標準，保證其可靠地按預(yù)期運行，減少了最終生產(chǎn)前需要修改的設(shè)計次數(shù)，提高了研制效率。