李東福，李 強(qiáng)

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái)265500)

0 引言

隨著生活水平的提高，大眾對(duì)雞蛋的規(guī)格也提出了要求，更傾向于購(gòu)買大小質(zhì)量均一的雞蛋。國(guó)外市場(chǎng)對(duì)進(jìn)口的雞蛋規(guī)格也有嚴(yán)格的要求，雞蛋質(zhì)量須為52～82 g，要求根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的具有42個(gè)蛋托的托盤來(lái)進(jìn)行分揀與配送。

目前蛋類分選主要有3種方式。第1種是采用肉眼觀察的方式進(jìn)行分等，該方式既累眼睛，蛋類分等結(jié)果也不精確。第2種是采用大規(guī)模蛋類分選生產(chǎn)線、大型流水線稱量分揀，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大不夠靈活，該方式成本高昂且雞蛋的破碎率高，中小養(yǎng)殖場(chǎng)無(wú)力承擔(dān)[1-2]。第3種是采用光電傳感器對(duì)雞蛋的大小進(jìn)行拍照測(cè)量，再轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，這樣測(cè)量雞蛋的質(zhì)量實(shí)際受光線和雞蛋內(nèi)部填充率的影響偏差較大，本質(zhì)上是根據(jù)外觀進(jìn)行分等，而且價(jià)格高昂。

根據(jù)技術(shù)需求設(shè)計(jì)一種自動(dòng)分選雞蛋的設(shè)備，采用自動(dòng)分選雞蛋平臺(tái)可以及時(shí)檢測(cè)并剔除不符合標(biāo)準(zhǔn)的雞蛋，有效地節(jié)約時(shí)間、空間和勞動(dòng)力[3]。

1 分選機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

1.1系統(tǒng)組成

新型雞蛋自動(dòng)分選機(jī)由機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和外殼3部分組成。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)組成如圖1所示。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)軸、凸輪組、升降條、導(dǎo)柱、直線軸承、模座、固定板、撐蛋柱和撐蛋爪組成。電子控制系統(tǒng)由電源、稱量傳感器、彩燈電路板、顯示器和按鍵等組成。外殼主要由顯示器罩、上殼和底座組成，其中上殼上開(kāi)設(shè)有42個(gè)孔，以保證撐蛋柱和撐蛋爪可以實(shí)現(xiàn)自由升降。

圖1 機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of mechanical execution system

1.2工作原理

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。當(dāng)工人將一托盤雞蛋放在分選機(jī)臺(tái)面上的上下兩個(gè)定位塊中間時(shí)，由上下兩個(gè)定位塊為托盤定位，按動(dòng)啟動(dòng)按鈕，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸上安裝有12個(gè)凸輪，每個(gè)凸輪在傳動(dòng)軸上徑向呈120°夾角分布，則將12個(gè)凸輪分成3組，每組凸輪在傳動(dòng)軸圓周上的角度位置是相同的。設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的初始位置為使凸輪組1處在最高位置，當(dāng)一組凸輪轉(zhuǎn)到最高的位置時(shí)，將升降條頂?shù)阶罡呶恢?，升降條上安裝有稱量傳感器、撐蛋柱和撐蛋爪，此時(shí)撐蛋爪將雞蛋頂?shù)阶罡呶恢?，與其他雞蛋分離，避免了與相鄰雞蛋的相互碰撞、干擾，保證了稱蛋的精度。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)暫停轉(zhuǎn)動(dòng)，雞蛋就停在最高位置處。此時(shí)單片機(jī)將稱量傳感器測(cè)得的每一個(gè)雞蛋的質(zhì)量顯示在屏幕上，并用不同的顏色標(biāo)識(shí)，同時(shí)在每一個(gè)雞蛋下方的彩燈電路板上都對(duì)應(yīng)有一個(gè)可以顯示多種顏色的燈，質(zhì)量合格的雞蛋以綠色來(lái)顯示，質(zhì)量太小和太大的雞蛋用紅色來(lái)顯示，質(zhì)量與合格標(biāo)準(zhǔn)相差不大的雞蛋下方的燈顯示藍(lán)色。工人則將不合格的蛋都分揀出來(lái)，當(dāng)一組雞蛋分揀完畢后，步進(jìn)電機(jī)再次轉(zhuǎn)動(dòng)1/3圈，則該機(jī)器重復(fù)上述運(yùn)行過(guò)程。通過(guò)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)3次帶動(dòng)3組凸輪頂升雞蛋將整托盤雞蛋稱量分等、分揀完畢。

圖2 系統(tǒng)工作流程Fig.2 Working flow chart of the system

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1主軸系統(tǒng)

雞蛋分選機(jī)的主傳動(dòng)軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。主軸在箱體內(nèi)靠?jī)蓚€(gè)軸承固定，可以在360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸上開(kāi)設(shè)有12個(gè)鍵槽，每個(gè)鍵槽在軸向上是等距的，在徑向上相鄰鍵槽之間呈120°夾角，每個(gè)鍵槽內(nèi)均安裝有平鍵，鍵槽的兩端設(shè)有卡簧槽，卡簧槽內(nèi)安裝有卡簧，兩個(gè)卡簧之間與平鍵相對(duì)應(yīng)安裝有凸輪。

1.鍵 2.軸 3.上軸承座 4.凸輪組2 5.卡簧 6.凸輪組3 7.凸輪組2 8.凸輪組3 9.凸輪組2 10.凸輪組3 11.凸輪組2 12.凸輪組3 13.下軸承座 14.凸輪組1 15.凸輪組1 16.凸輪組1 17.凸輪組1圖3 主傳動(dòng)軸系統(tǒng)Fig.3 Main drive shaft system

2.2升降機(jī)構(gòu)

稱量頂升部件由稱量傳感器、撐蛋柱和撐蛋爪組成，撐蛋爪采用橡膠材料制成。稱量傳感器通過(guò)螺柱安裝在升降條上，撐蛋柱安裝在稱量傳感器的一端，撐蛋爪安裝在撐蛋柱上端。稱量頂升部件的結(jié)構(gòu)如圖4所示，安裝了稱量頂升部件和步進(jìn)電機(jī)的升降機(jī)構(gòu)如圖5所示。

2.3凸輪設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將單個(gè)雞蛋從雞蛋托盤中頂升35 mm的高度才能保證在現(xiàn)有蛋爪的撐托下不與其周圍相鄰的雞蛋發(fā)生接觸，就不會(huì)影響稱量的精度，即

1.撐蛋爪 2.稱量傳感器 3.螺柱 4.撐蛋柱圖4 稱量頂升部件Fig.4 Weighing and lifting components

1.固定板 2.撐蛋爪 3.升降條9 4.稱量傳感器 5.升降條12 6.導(dǎo)柱 7.升降條11 8.升降條10 9.升降條8 10.升降條7 11.升降條6 12.升降條5 13.升降條4 14.升降條3 15.升降條2 16.升降條1 17.稱量傳感器 18.步進(jìn)電機(jī) 19.模座圖5 升降機(jī)構(gòu)Fig.5 Lifting mechanism

使該雞蛋在升起的撐蛋爪內(nèi)發(fā)生歪斜仍能保證與其他雞蛋不發(fā)生觸碰。雖然頂升雞蛋的高度越高，就越不會(huì)發(fā)生雞蛋稱量時(shí)相互干涉，但考慮到雞蛋頂升越高，需要的凸輪就越大，機(jī)器設(shè)備的尺寸就需要做的更大，將增加成本和占用更多的空間，所以這里確定凸輪的升程為35 mm，有利于滿足雞蛋間不干涉和控制設(shè)備整體尺寸的要求。

為了使凸輪頂升雞蛋的過(guò)程中，雞蛋受到的沖擊力最小，防止雞蛋從撐蛋爪上掉落，凸輪的輪廓曲線采用等加速度曲線，如圖6所示[4]。

2.4凸輪拓?fù)鋬?yōu)化

凸輪的材料選擇45號(hào)鋼，彈性模量206 000 MPa，泊松比0.28，密度7.85 g/cm3，凸輪的體積22 784 mm3。將在Creo軟件中建立的凸輪三維模型導(dǎo)入Abaqus軟件中，在凸輪一側(cè)的最高點(diǎn)建立參考點(diǎn)，將該參考點(diǎn)與所在凸輪一側(cè)的曲面進(jìn)行耦合，在該點(diǎn)施加垂直于凸輪曲面大小為10 N的集中載荷，對(duì)凸輪的安裝孔進(jìn)行6個(gè)自由度的全約束。添加載荷和約束后的模型如圖7所示，對(duì)凸輪劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小2 mm，單元類型為六面體二次完全積分單元C3D20，共劃分3 980個(gè)單元，單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果如圖8所示。

圖6 凸輪運(yùn)動(dòng)曲線Fig.6 Movement curve of the cams

圖7 施加載荷和添加約束Fig.7 Applying loads and adding constraints

圖8 劃分網(wǎng)格后的模型Fig.8 Model after meshing

在優(yōu)化過(guò)程中，選擇凸輪傳動(dòng)表面為凍結(jié)荷載區(qū)域，選擇凸輪安裝孔為凍結(jié)邊界條件區(qū)域，選擇整個(gè)凸輪應(yīng)變能作為優(yōu)化目標(biāo)，選擇凸輪體積作為優(yōu)化的約束條件，設(shè)定優(yōu)化響應(yīng)限制比例為0.25，優(yōu)化過(guò)程應(yīng)變能與凸輪體積變化曲線如圖9所示，凸輪拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果模型如圖10所示?？紤]到凸輪最大受力的對(duì)稱性，在Creo軟件中對(duì)凸輪優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)稱修補(bǔ)，修補(bǔ)后的模型如圖11所示，修補(bǔ)后凸輪總體積為8 345.19 mm3。

圖9 凸輪應(yīng)變能與凸輪體積變化曲線Fig.9 Strain energy and volume change curve of the cam

圖10 凸輪拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果模型Fig.10 Topology optimization result model of the cam

圖11 用Creo軟件修補(bǔ)模型Fig.11 Repairing model with Creo

優(yōu)化后凸輪組的整體減少質(zhì)量Mt的計(jì)算方法如式(1)所示。

Mt=n(V1-V2)ρ

(1)

式中n——凸輪組凸輪總數(shù)量

V1——質(zhì)量減少前凸輪體積，mm3

V2——質(zhì)量減少后凸輪體積，mm3

ρ——凸輪材料密度，g/mm3

經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化后凸輪組共12個(gè)凸輪的總減少質(zhì)量為1 360.136 g。

2.5凸輪組運(yùn)動(dòng)分析及電機(jī)功率計(jì)算

主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中凸輪組與升降條接觸，不考慮直線軸承的滾子滾動(dòng)摩擦力，采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)計(jì)算，采用Creo軟件機(jī)構(gòu)分析凸輪組在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的最大扭矩，在Creo軟件中添加升降條、直線軸承和凸輪質(zhì)量屬性，凸輪材料參數(shù)如表1所示。

表1 凸輪組參數(shù)

建立運(yùn)動(dòng)分析模型如圖12所示，得到如圖13所示的凸輪組扭矩與時(shí)間分布圖。

圖12 凸輪組運(yùn)動(dòng)分析模型Fig.12 Motion analysis model of cam group

圖13 凸輪組扭矩與時(shí)間分布Fig.13 Torque and time distribution of cam group

電機(jī)功率計(jì)算方法如式(2)所示[5]。

P=λnT最大/9 550η

(2)

式中T最大——凸輪組承受最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的扭矩，N·mm

n——凸輪轉(zhuǎn)速，r/min

λ——安全系數(shù)，一般取值為1.5

η——傳動(dòng)效率

由圖13可知主軸帶動(dòng)頂升系統(tǒng)的最大扭矩T最大=8 000 N·mm。

選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=20 r/min，系統(tǒng)的傳動(dòng)效率η=0.95。

經(jīng)過(guò)計(jì)算實(shí)際所需功率P=26.45 W，選擇額定功率為30 W的步進(jìn)電機(jī)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)核心是單片機(jī)控制板，整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分設(shè)計(jì)及選型主要包含電源模塊、HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路、42個(gè)稱量傳感器、STM32F103單片機(jī)、按鍵模塊、LCD12864液晶顯示器和彩燈電路板。核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖14所示。

圖14 核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.14 Design of core control system

3.1電源模塊

整個(gè)電源模塊由變壓整流電路、直流降壓穩(wěn)壓模塊組成，變壓整流電路將220 V交流電轉(zhuǎn)換成12 V直流電，再通過(guò)進(jìn)一步的變壓，為STM32F103單片機(jī)、42個(gè)稱量傳感器、HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路、彩燈電路板、LCD12864液晶顯示器以及步進(jìn)電機(jī)提供正常工作的電壓，本系統(tǒng)將電源模塊和彩燈電路板集成在一塊主板上，如圖15所示。

3.2HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路

HX711是一款專為高精度稱量傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片[6]。

HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路將42個(gè)稱量傳感器傳來(lái)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后轉(zhuǎn)換成24位的數(shù)字信號(hào)，等待STM32F103單片機(jī)讀取后進(jìn)行質(zhì)量換算處理，轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路如圖16所示。

圖15 集成供電模塊的彩燈電路板Fig.15 Color lamp circuit board with integrated power supply module

圖16 HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路Fig.16 HX711 analog-to-digital conversion chip and its peripheral circuits

3.3稱量傳感器

稱量傳感器采用的是雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式稱量傳感器，其內(nèi)部采用惠斯通電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，電橋?qū)⑤敵鲆粋€(gè)電壓信號(hào)，該電壓和4個(gè)橋壁的應(yīng)變片感受到的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比[7]。其典型結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式稱量傳感器Fig.17 Two-hole cantilever parallel beam strain gauge load cell

3.4STM32F103單片機(jī)

STM32F103系列由意法半導(dǎo)體集團(tuán)設(shè)計(jì)，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN。其強(qiáng)大的功能和編程的易用性為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活性高且價(jià)廉的方案[8]。

3.5按鍵模塊和LCD12864液晶顯示器

按鍵模塊主要由5個(gè)功能機(jī)械按鍵和11個(gè)數(shù)字輸入鍵組成，分別為置零按鍵、設(shè)置按鍵、校正按鍵、返回按鍵、點(diǎn)動(dòng)按鍵及0～9數(shù)字鍵和一個(gè)“.”數(shù)字鍵。置零按鍵用于將寄存器中存儲(chǔ)的已測(cè)量數(shù)據(jù)清零。設(shè)置按鍵用于設(shè)置用戶需要的質(zhì)量等級(jí)，當(dāng)用戶需要對(duì)蛋類進(jìn)行按質(zhì)量分揀時(shí)，用戶需要先設(shè)置質(zhì)量等級(jí)[9]。校正按鍵用于為42個(gè)稱量傳感器校正標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量參數(shù)，返回按鍵用于使液晶屏幕的顯示內(nèi)容返回到主稱量顯示界面，該界面顯示有42個(gè)稱量傳感器的測(cè)量讀數(shù)，液晶顯示器采用LCD12864液晶顯示器。該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，具備低電壓低功耗等特點(diǎn)[10]。液晶顯示器顯示設(shè)置界面如圖18所示。單片機(jī)、按鍵與液晶顯示器集成在一個(gè)電路板上。

圖18 液晶顯示器的設(shè)置界面Fig.18 Setting interface of LCD display

4 雞蛋分選機(jī)試驗(yàn)

決定雞蛋分選精度的要素有稱量傳感器的精度，雞蛋支撐柱的安裝精度，撐蛋爪的形狀，以及上述零件的加工質(zhì)量精度，還有對(duì)每個(gè)稱量傳感器的校正精度。蛋質(zhì)量等級(jí)由單片機(jī)自動(dòng)分等判斷，并在電路板上以不同顏色顯示，效果如圖19所示。本設(shè)備通過(guò)掌握零部件的加工質(zhì)量，精準(zhǔn)的零部件安裝，精心的軟件誤差調(diào)試，準(zhǔn)確的稱量傳感器校正，使雞蛋測(cè)量精度達(dá)到了雞蛋出口企業(yè)的要求，實(shí)機(jī)工作情況如圖20所示。

圖19 彩燈電路板顯示效果Fig.19 Display effect of colorful light circuit board

圖20 雞蛋分選機(jī)實(shí)機(jī)Fig.20 Actual image of egg sorting machine

5 結(jié)論

根據(jù)42孔位標(biāo)準(zhǔn)雞蛋托盤設(shè)計(jì)了自動(dòng)雞蛋分選機(jī)，對(duì)整盤雞蛋進(jìn)行3梯次分組稱量，稱量時(shí)雞蛋之間互不干擾，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，一整托盤的雞蛋就可以分等完畢。設(shè)計(jì)了彩燈電路板以多種色彩顯示不同等級(jí)的雞蛋，增加了分等分揀的辨識(shí)度。設(shè)計(jì)了橡膠材質(zhì)的撐蛋爪，合理設(shè)計(jì)其爪型，分選的雞蛋碎蛋率能夠保證<1‰，完全達(dá)到企業(yè)要求。每一個(gè)雞蛋稱量精準(zhǔn)，精度可達(dá)0.2 g。稱量范圍可調(diào)，不但可以為雞蛋分等，還可以為鴨蛋等蛋類自動(dòng)分等。下一步需要對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手分揀不合格的蛋進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)蛋類分等、分揀工作的完全自動(dòng)化、智能化。