郜海超 - 韓海敏 - 陳會(huì)濤 -

(1. 河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450042；2. 河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454010)

大棗色美味甜，具有益氣安神、美容養(yǎng)顏等保健作用，是中國(guó)特有產(chǎn)品[1]?；ㄉ侵袊?guó)消費(fèi)量最大、最受市場(chǎng)歡迎的堅(jiān)果食品[2]。大棗夾花生可以提高口感、充分發(fā)揮大棗和花生的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，通過(guò)檢索發(fā)現(xiàn)目前對(duì)棗夾花生的機(jī)械設(shè)備研究尚未見(jiàn)報(bào)道，借鑒大棗去核機(jī)的研究，如王華等[3-4]設(shè)計(jì)的新型大棗去核機(jī)，把三桿三點(diǎn)式順位機(jī)構(gòu)應(yīng)用在大棗的上料定位，能實(shí)現(xiàn)大棗的準(zhǔn)確定位，但是對(duì)順位后的大棗如何進(jìn)行上料未涉及，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率較低；郜海超等[5-7]設(shè)計(jì)的小型大棗去核機(jī)，采用曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了推桿結(jié)構(gòu)，但穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性無(wú)法保證；高舉[8]設(shè)計(jì)的新型大棗深加工設(shè)備，機(jī)構(gòu)龐大，主要對(duì)大棗進(jìn)行去核和切片處理，效率較高，但是其中的曲柄滑塊結(jié)構(gòu)如果應(yīng)用在小型棗夾花生一體機(jī)中易出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象；張紅等[9]提出了一種手持式大棗去核器，通過(guò)兩個(gè)按壓彈簧固定大棗，然后按住壓板去核，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大；張寶鋒等[10]采用了大型鏈?zhǔn)絺鬏斀Y(jié)構(gòu)輸送大棗，但是鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)笨重，無(wú)法應(yīng)用在小型設(shè)備中。

研究擬提出一種小型棗夾花生設(shè)計(jì)方案，推桿機(jī)構(gòu)采用空間曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，上料機(jī)構(gòu)采用三軸自定心旋轉(zhuǎn)送料結(jié)構(gòu)，能完成自動(dòng)上料、定位、去核、棗夾花生、去成品等操作，結(jié)構(gòu)便捷緊湊，以期解決針對(duì)棗夾花生大型化設(shè)備加工選材無(wú)法保證，手工操作食品衛(wèi)生保證的問(wèn)題。

1 小型棗夾花生一體機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)總體要求

(1) 結(jié)構(gòu)便攜緊湊、小型化，操作簡(jiǎn)單，效率高。

(2) 實(shí)現(xiàn)5個(gè)“自動(dòng)”：自動(dòng)上料，自動(dòng)定心，自動(dòng)去核，自動(dòng)棗夾花生，自動(dòng)推出成品。

(3) 設(shè)備柔性化加工，滿足不同類型棗和花生加工要求。

1.2 整機(jī)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)小型棗夾花生一體機(jī)(以下簡(jiǎn)稱一體機(jī))完成工作所需要的工藝流程，制定技術(shù)指標(biāo)：大棗自定心上料、自動(dòng)核果分離并頂出棗核、自動(dòng)花生定心上料并送進(jìn)棗肉中、自動(dòng)頂出成品并把成品與棗核分別存放。依據(jù)這一設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出了棗夾花生一體機(jī)，如圖1所示。該設(shè)備主要包括三軸自定心上料機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、去核機(jī)構(gòu)、棗夾花生機(jī)構(gòu)、成品推出機(jī)構(gòu)等，其中推桿機(jī)構(gòu)(空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu))主要應(yīng)用于去核機(jī)構(gòu)、棗夾花生機(jī)構(gòu)、成品推出機(jī)構(gòu)中。

整體機(jī)構(gòu)實(shí)施方案：

大棗和花生分別放在大棗料倉(cāng)11、花生料倉(cāng)10中，通過(guò)三軸自定心上料機(jī)構(gòu)13把大棗輸送到具有定位模套[5]的內(nèi)齒分度齒輪4中，實(shí)現(xiàn)大棗精準(zhǔn)定位上料。不完全齒輪3與內(nèi)齒分度齒輪4的傳動(dòng)比為3∶8。內(nèi)齒分度齒輪4上設(shè)計(jì)10個(gè)工位，主傳動(dòng)電機(jī)5主要驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒分度齒輪4、推桿機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，不完全齒輪3驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒分度齒輪4作間歇傳動(dòng)，齒輪3旋轉(zhuǎn)96°，齒輪4旋轉(zhuǎn)36°，此時(shí)，推桿機(jī)構(gòu)中推桿的沖頭在支撐板15上方，實(shí)現(xiàn)切換工位；不完全齒輪3繼續(xù)旋轉(zhuǎn)264°，內(nèi)齒分度齒輪4定位停止旋轉(zhuǎn)，而去核機(jī)構(gòu)12、花生上料機(jī)構(gòu)19、成品推出機(jī)構(gòu)7通過(guò)傳動(dòng)齒輪8、同步帶9進(jìn)行同速轉(zhuǎn)動(dòng)，各機(jī)構(gòu)推桿完成一次沖程循環(huán)。

控制系統(tǒng)包括AT89C51單片機(jī)[11]、2個(gè)位置傳感器、2個(gè)力傳感器、1個(gè)金屬傳感器、3個(gè)電機(jī)等，如圖2所示。設(shè)置霍爾傳感器檢測(cè)系統(tǒng)裝置是否在初始位置，設(shè)置力和位置傳感器用來(lái)檢測(cè)大棗上料、去核、花生上料、去成品等工序工況。

1. 定位模套 2. 軸承 3. 不完全齒輪 4. 內(nèi)齒分度齒輪 5. 主傳動(dòng)電機(jī) 6. 驅(qū)動(dòng)齒輪 7. 成品推出機(jī)構(gòu) 8. 傳動(dòng)齒輪 9. 同步帶 10. 花生料倉(cāng) 11. 大棗料倉(cāng) 12. 去核機(jī)構(gòu) 13. 三軸自定心上料機(jī)構(gòu) 14. 控制器 15. 支撐板 16. 底板 17. 托盤(pán) 18. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 19. 花生上料機(jī)構(gòu)

圖2 一體機(jī)電路控制系統(tǒng)圖Figure 2 Control system of the electric circuit of theintegrated machine

1.3 主要零部件工藝參數(shù)

根據(jù)棗夾花生加工工藝要求，制定裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 花生上料定位機(jī)構(gòu)

花生的上料定位采用三軸自定心上料機(jī)構(gòu)，包括花生上料驅(qū)動(dòng)電機(jī)、定心桶、螺旋定心柔性輥等零部件。利用三軸自定心原理，使用三個(gè)距離定心桶中心相等的螺旋定心柔性輥，相互之間夾角為120°，通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)可以達(dá)到精確定心的目的；螺旋定心柔性輥的柔性材質(zhì)和螺旋導(dǎo)向槽可實(shí)現(xiàn)花生自動(dòng)送料，如圖3所示。

定量撥叉是一體機(jī)的重要部件，利用傳感器與繼電器定量控制花生上料頻率；撐口裝置利用3個(gè)彈片受花生推力而張緊去核后大棗的內(nèi)腔，避免花生與大棗內(nèi)腔產(chǎn)生較大摩擦力影響裝填效果。工作時(shí)，定量撥叉每次輸送一顆花生，隨著推桿的前進(jìn)，花生在三軸自定心上料定位機(jī)構(gòu)離心力作用下，逐漸與3個(gè)柔性旋轉(zhuǎn)輥同時(shí)接觸，速度一致并實(shí)現(xiàn)居中定心，向下輸送至撐口裝置，撐口裝置受力向下?lián)伍_(kāi)已去核大棗內(nèi)腔，花生推送到位后，推桿返回復(fù)位，撐口裝置復(fù)位，完成花生裝填大棗內(nèi)腔作業(yè)?；ㄉ狭隙ㄎ还ぷ鳡顟B(tài)如圖4所示。

表1 一體機(jī)主要零部件工藝參數(shù)?

1. 花生上料驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2. 小主動(dòng)齒輪 3. 中間齒輪 4. 定心齒輪 5. 定心桶 6. 螺旋定心柔性輥 7. 撐口裝置

1. 去核后大棗 2. 內(nèi)齒分度齒輪 3. 定位模套 4. 撐口裝置 5. 三軸自定心上料機(jī)構(gòu) 6. 定心齒輪 7. 花生 8. 花生上料桶 9. 定量撥叉 10. 推桿

2.2 推桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，由于一體機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸較小，推桿機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，容易出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象；采用曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)[5-7]，能解決這一問(wèn)題，但因?yàn)閭鲃?dòng)都是低副連接，誤差較大，容易出現(xiàn)晃動(dòng)；而采用空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，一個(gè)移動(dòng)副，兩個(gè)球副，傳動(dòng)穩(wěn)定不會(huì)出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)模型分析 空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)三維模型如圖5(a)所示，主要包括曲柄、連桿、滑塊組成，其中曲軸為主動(dòng)件，在XOZ平面內(nèi)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1繞Y軸旋轉(zhuǎn)；滑塊為執(zhí)行件，在ZOY平面內(nèi)，沿Y軸方向移動(dòng)，連桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)2作空間運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)推桿三維模型建立空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型如圖5(b)所示，L1、L2分別為曲柄長(zhǎng)度和連桿長(zhǎng)度，α1z為曲柄與Z軸夾角，α2為連桿的空間角，A點(diǎn)坐標(biāo)為(xA，yA，zA)，B點(diǎn)坐標(biāo)為(xB，yB，zB)，建立空間矢量方程，如式(1)所示。

(1)

將式(1)各矢量向坐標(biāo)平面投影得：

(2)

圖5 推桿機(jī)構(gòu)三維模型圖及數(shù)學(xué)模型圖

將式(2)轉(zhuǎn)化后得：

(3)

(4)

由已知條件得：

(5)

將式(5)代入式(4)，可得

(6)

將式(6)關(guān)于時(shí)間t求導(dǎo)得

(7)

可見(jiàn)，推桿的速度與曲柄旋轉(zhuǎn)角速度呈正比，據(jù)此，可通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速，連桿長(zhǎng)度，滑塊的Z軸坐標(biāo)求得推桿速度。推桿速度是影響大棗和花生的上料質(zhì)量、大棗去核效果、花生裝填效果的重要因素，速度過(guò)大容易造成大棗定位不準(zhǔn)、花生破碎率高、裝填不到位等問(wèn)題，速度過(guò)小影響一體機(jī)工作效率，因此推桿速度應(yīng)同時(shí)滿足加工質(zhì)量和工作效率。

2.2.2 仿真分析 借助Matlab工具對(duì)運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析，設(shè)定曲柄旋轉(zhuǎn)半徑為50 mm，初始角度180°，角速度5 rad/s，連桿長(zhǎng)度為100 mm，滑塊的Z軸向坐標(biāo)值為40 mm，仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真分析結(jié)果可知，位移和速度均呈正弦變化，符合推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律。t=0.00～0.25 s時(shí)，推桿伸出，速度加快，直到接觸花生速度逐漸下降，推桿推力逐漸增大，推送花生向下；t=0.25～0.62 s時(shí)，推桿推送花生經(jīng)過(guò)螺旋定心柔性輥、撐口裝置、最后進(jìn)入去核后的大棗內(nèi)腔中，速度逐漸下降，因受撐口裝置作用力和棗肉摩擦力，推桿推力逐漸增大，直到花生完全推進(jìn)去核后大棗的內(nèi)腔中，速度為零，推桿實(shí)現(xiàn)最大沖程，推桿推力最大；t=0.62～1.04 s，推桿逐漸返回，推桿反向速度從零逐漸增大，推桿不受力，直到到達(dá)定量撥叉處，速度達(dá)到最大；t=1.04～1.25 s，推桿速度逐漸下降直到降為零，推桿到達(dá)起始位置。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 為驗(yàn)證推桿機(jī)構(gòu)中滑塊位移與速度分析的正確性，建立仿真模型對(duì)推桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖7(a)所示，設(shè)定曲柄旋轉(zhuǎn)起始角為180°，曲柄、連桿、滑塊均為不銹鋼材質(zhì)，位移曲線與速度曲線如圖7(b)所示。

圖6 推桿機(jī)構(gòu)中滑塊運(yùn)動(dòng)曲線圖Figure 6 The movement curve of the slider in the pushing rod device

圖7 推桿機(jī)構(gòu)中滑塊位移和速度曲線Figure 7 The displacement and velocity diagram of the slider in the pushing rod device

由圖7可知，推桿機(jī)構(gòu)中滑塊的位移和速度與曲柄長(zhǎng)度、連桿長(zhǎng)度以及滑塊位置有關(guān)，通過(guò)空間矢量方程得出滑塊的速度和位移曲線與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性，所以空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用在一體機(jī)的推桿機(jī)構(gòu)中。

3 一體機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了與前期大棗去核機(jī)樣機(jī)[5-7]的性能進(jìn)行比較，試驗(yàn)對(duì)象依然采用新鄭大棗(規(guī)格一致)。試驗(yàn)一：設(shè)定5組品相一致大棗，每組70顆。測(cè)試三軸自定心上料機(jī)構(gòu)對(duì)大棗上料性能。試驗(yàn)二：取5組，每組70顆已經(jīng)去核成功的，且品相較好的大棗，140顆河南開(kāi)封產(chǎn)花生(品相一致，大小相當(dāng))，一個(gè)大棗中裝填兩個(gè)花生。分別測(cè)試在推桿作用下花生上料定位性能和棗夾花生性能。測(cè)試操作均為同一測(cè)試條件下進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

由表2可知，5組平均上料數(shù)為66個(gè)，平均定位成功率約為94%，比前期采用振動(dòng)料斗[5]成功率93%略有提升，但成功率還是不高。原因是：三軸自定心上料機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確把大棗輸送到定位模套中，但因螺旋定心柔性輥送棗驅(qū)動(dòng)力不足，容易造成大棗送料到位不足，應(yīng)改進(jìn)柔性輥材質(zhì)，提高柔性輥螺旋槽表面的軸向硬度，降低徑向硬度。實(shí)際應(yīng)用中可采用硬度較大的螺旋槽與硬度較小的柔性輥相結(jié)合方案，這樣既能扶正定位不損壞大棗又具有足夠驅(qū)動(dòng)力輸送大棗精確到達(dá)定位模套中。

表2 一體機(jī)試驗(yàn)大棗上料數(shù)據(jù)

表3 一體機(jī)試驗(yàn)花生上料及成品數(shù)據(jù)

由表3可知，在推桿作用下花生的定心上料成功率平均97%，能夠滿足使用要求，但是棗夾花生成功率為91%，相對(duì)較低。原因主要是：撐口裝置為自動(dòng)復(fù)位，在多次裝填花生后，撐口裝置黏連了棗肉，造成撐口裝置無(wú)法復(fù)位到位，清理后滿足使用要求，實(shí)際應(yīng)用中可設(shè)計(jì)自清理?xiàng)椚庋b置或改進(jìn)撐口裝置材質(zhì)。

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)棗夾花生小型自動(dòng)化功能要求，設(shè)計(jì)出小型棗夾花生一體機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，并對(duì)花生上料機(jī)構(gòu)和推桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。通過(guò)一體機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用帶推桿助力的三軸自定心上料機(jī)構(gòu)定位成功率較高，空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用在推桿機(jī)構(gòu)中能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳動(dòng)又不會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。該設(shè)計(jì)操作便捷，尺寸小巧，但因花生為雙瓣結(jié)構(gòu)，推桿推力易造成花生兩瓣分離，從而影響裝填質(zhì)量，降低裝填成功率，針對(duì)這一問(wèn)題需進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)方案提高棗夾花生成品率。