黃桂芳，林建偉，魏觀淵，丁 蘭，蔡文鴻，魏盛軍

(福建省水產(chǎn)研究所，福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361013)

中國(guó)是海帶養(yǎng)殖大國(guó)，2021年養(yǎng)殖面積為4.7×104hm2，養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)174.2×104t(干品)以上，養(yǎng)殖規(guī)模位居世界第一[1]。海帶作為一種綠色健康食品，頗受國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者的青睞，其養(yǎng)殖、加工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，尤其海帶結(jié)是中國(guó)海帶養(yǎng)殖省份出口創(chuàng)匯的主要產(chǎn)品[2]。但目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求的海帶打結(jié)自動(dòng)化設(shè)備，海帶打結(jié)基本由人工徒手完成，不僅效率低下，且越來(lái)越多的工人因長(zhǎng)期接觸半干鹽漬海帶導(dǎo)致手指受腐蝕而逐漸變形，甚至指甲脫落，從而不愿從事這類工作，造成勞動(dòng)力緊缺。因此，有必要對(duì)海帶的自動(dòng)化打結(jié)設(shè)備進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

國(guó)外對(duì)海帶自動(dòng)打結(jié)技術(shù)進(jìn)行研究的國(guó)家主要集中在日本、德國(guó)和美國(guó)，但相關(guān)研究成果很少見刊，也未見海帶自動(dòng)打結(jié)設(shè)備被投入市場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用[3]。在中國(guó)，海帶打結(jié)的相關(guān)研究?jī)H見少量的報(bào)道，如白茂東等[3]提出雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)的設(shè)計(jì)思路與組成機(jī)構(gòu)；王瑞鑫[4]使用拓?fù)鋵W(xué)曲帶紐結(jié)理論，研究海帶成結(jié)原理及成結(jié)過程并建立數(shù)學(xué)模型和仿真模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究；王宇銳[5]對(duì)海帶成結(jié)機(jī)理和打結(jié)過程、成結(jié)過程中的形狀、海帶條與打結(jié)機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系進(jìn)行研究；王小強(qiáng)[6]對(duì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005年推出的一種自動(dòng)海帶打結(jié)機(jī)器人的穩(wěn)定性和成結(jié)率的主要影響因素進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該海帶打結(jié)機(jī)在海帶條尺寸穩(wěn)定的前提下，打結(jié)成功率達(dá)到99%；陳天池[7]通過拉伸和摩擦試驗(yàn)，研究不同試驗(yàn)條件下海帶的生物力學(xué)特性和摩擦特性，建立打結(jié)機(jī)構(gòu)整機(jī)裝配模型，完成了打結(jié)機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用仿真實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了該海帶打結(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具備的合理性；夏中峰等[8]設(shè)計(jì)一種基于可編程邏輯控制器(PLC)的海帶自動(dòng)打結(jié)機(jī)控制系統(tǒng)，其可高效率地完成海帶打結(jié)作業(yè)。雖然已有按照各種不同海帶打結(jié)原理設(shè)計(jì)的海帶自動(dòng)化打結(jié)設(shè)備的研究[9-12]，但這些設(shè)備結(jié)構(gòu)繁雜、打結(jié)不穩(wěn)定、成結(jié)率受制于海帶條質(zhì)量，無(wú)法滿足工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)要求。因此，為解決現(xiàn)有海帶打結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)繁雜、無(wú)法市場(chǎng)化應(yīng)用等難題，本研究設(shè)計(jì)1臺(tái)海帶自動(dòng)打結(jié)機(jī)，主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電子線路兩部分，通過電子線路與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化連接和協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)海帶的自動(dòng)打結(jié)，旨在為海帶打結(jié)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)方法

基于仿生學(xué)原理，在分析海帶打結(jié)過程中夾取海帶、海帶成環(huán)、海帶穿環(huán)、切斷海帶4個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)時(shí)海帶條的形狀變化和空間位置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行海帶成結(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。控制電路通過分頻網(wǎng)絡(luò)和脈沖觸發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)成結(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)與控制。

2 海帶自動(dòng)打結(jié)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)研制的海帶自動(dòng)打結(jié)機(jī)樣機(jī)由底座(未畫出)和固定在底座上的自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)A、打結(jié)送進(jìn)機(jī)械手B、成環(huán)機(jī)構(gòu)C、穿環(huán)機(jī)構(gòu)D、切料機(jī)構(gòu)E及控制以上機(jī)構(gòu)動(dòng)作的控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

注：A.自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)；B. 打結(jié)送進(jìn)機(jī)械手；C.成環(huán)機(jī)構(gòu)；D.穿環(huán)機(jī)構(gòu)；E.切料機(jī)構(gòu)；E1.切斷刀片。Notes：A. Automatic feeding mechanism；B. Knot feeding robot；C. Looped mechanism；D. Looping mechanism；E. Cutting mechanism；E1. Cutting blade.

自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)A由送料夾緊氣缸A1、送料氣缸A2、送料夾爪A3和送料滑臺(tái)A4組成，如圖2所示。送料夾緊氣缸A1驅(qū)動(dòng)送料夾爪A3夾緊海帶，由送料氣缸A2驅(qū)動(dòng)送料滑臺(tái)A4帶動(dòng)送料夾爪A3，將海帶送至成環(huán)機(jī)構(gòu)。

注：A1.送料夾緊氣缸；A2.送料氣缸；A3.送料夾爪；A4.送料滑臺(tái)。Notes：A1.Feeding clamping cylinder；A2.Feeding cylinder；A3.Feeding gripper；A4.Feeding slide.

打結(jié)送進(jìn)機(jī)械手B由控制橫向、縱向及高度方向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)氣缸B2、B4、B3和由橫向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)的送夾緊氣缸B1料以及由送料夾緊氣缸驅(qū)動(dòng)的送料夾爪B5組成，如圖3所示。打結(jié)送進(jìn)機(jī)械手的縱向驅(qū)動(dòng)氣缸B4前進(jìn)，帶動(dòng)送料夾緊氣缸B1和送料夾爪B5前進(jìn)到位后，送料夾爪A3和送料夾爪B5同時(shí)夾緊海帶，在切料氣缸E驅(qū)動(dòng)切斷刀E1切斷海帶后，驅(qū)動(dòng)氣缸B2、B4、B3分別動(dòng)作，將海帶送入穿環(huán)機(jī)構(gòu)D。

注：B1.送料夾緊氣缸；B2、B3、B4.驅(qū)動(dòng)氣缸；B5.送料夾爪。Notes：B1.Feeding clamping cylinder；B2，B3，B4.Drive cylinder；B5. Feeding gripper.

切料機(jī)構(gòu)由切料氣缸E和切料刀片E1組成，如圖1所示。海帶成環(huán)后，切料氣缸E推動(dòng)切料刀片E1適當(dāng)移位切斷海帶。

成結(jié)機(jī)構(gòu)由成環(huán)機(jī)構(gòu)C和穿環(huán)機(jī)構(gòu)D共同構(gòu)成，對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)稱為X系統(tǒng)(X1～X7)與Y系統(tǒng)(Y1～Y7)，分別實(shí)現(xiàn)海帶繞圈成環(huán)和海帶穿環(huán)成結(jié)的功能，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

注：X1.滾筒；X2.電磁閥；X3.步進(jìn)電機(jī)；X4.電刷元件；X5.夾爪；X6.紅外接收二極管；X7.軸承；Y1.直筒；Y2.電磁閥；Y3.步進(jìn)電機(jī)；Y4.齒輪齒條組件；Y5.夾爪；Y6.紅外發(fā)射二極管；Y7.微動(dòng)開關(guān)。Notes：X1.Drum；X2.Solenoid valve；X3.Stepper motor；X4. Electric brush；X5.Clamping jaw；X6.Infrared receiving diode；X7.Bearing；Y1.Straight drum；Y2.Solenoid valve；Y3.Stepper motor；Y4.Rack and pinion assembly；Y5. Clamping jaw；Y6.Infrared emitting diode；Y7.Microswitch.

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)，又稱脈沖馬達(dá)，與常用的交、直流馬達(dá)不同，其運(yùn)轉(zhuǎn)只能由脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)決定，而幾乎不受電壓、溫度等因素波動(dòng)的影響。步進(jìn)電機(jī)定位精度高、重復(fù)性好，誤差不累積，啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間短，又能帶電自鎖等，因而被廣泛應(yīng)用于精度要求比較高的數(shù)字程序控制領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電機(jī)X3和Y3的型號(hào)均為45BF01A(上海上自儀轉(zhuǎn)速表儀表電機(jī)有限公司生產(chǎn))，穩(wěn)定性和精確度等性能良好，性能參數(shù)：相數(shù)，3相；分配方式，6拍；步角，1.5°/3°；直流激磁電壓，24 V；單相靜態(tài)電流，0.2 A；保持轉(zhuǎn)矩，0.12 N·m；空載起動(dòng)頻率，400 Hz；重量，0.4 kg。

3.2 脈沖分配模塊

本設(shè)計(jì)采用的步進(jìn)電機(jī)CH250脈沖分配器(上海無(wú)線電十四廠生產(chǎn))是專為三相步進(jìn)電機(jī)脈沖控制而設(shè)計(jì)的接口電路，在配合適當(dāng)?shù)娜M功率驅(qū)動(dòng)電路后，具有控制三相步進(jìn)電機(jī)作三相雙三拍或三相單六拍的停、轉(zhuǎn)與正反轉(zhuǎn)的功能。此芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件內(nèi)部的工作電源電壓(VDD)范圍寬，為4～18 V；抗干擾能力強(qiáng)，噪聲容限電壓為35%VDD。

根據(jù)上海無(wú)線電十四廠刊發(fā)的《雙嶺手冊(cè)》產(chǎn)品介紹，CH250采用雙列直插扁平16外引線封裝(圖5)，其中R1、R2端置“1”，可分別將三相單六拍和三相雙三拍復(fù)位，進(jìn)入正常程序。時(shí)鐘端CL和時(shí)鐘允許端EN分別為時(shí)鐘脈沖輸入和控制時(shí)鐘輸入。輸入端J3L、J3r和J6L、J6r是控制步進(jìn)電機(jī)作三相雙三拍或三相單六拍運(yùn)轉(zhuǎn)。A、B、C為CH250的3個(gè)輸出端，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本機(jī)使用2個(gè)CH250脈沖分配器，分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)X3和Y3，相關(guān)引腳功能及其與其他電路的連接使用相應(yīng)的字符說(shuō)明，如圖5所示。其中，電源正端連接EN(針腳6)；電源負(fù)端連接J6r(針腳1)、J6L(針腳2)、R1(針腳9)；因本機(jī)脈沖分配器采用雙三拍工作方式，R1(針腳9)連接電源負(fù)端可使其運(yùn)行更穩(wěn)定；脈沖輸入連接CL(針腳7)；正反向控制連接C；復(fù)位/工作連接R2(針腳10)；輸出A0(針腳11)、B0(針腳12)、C0(針腳13)分別跟功率放大電路相聯(lián)并直接輸入步進(jìn)電機(jī)的三組電極，當(dāng)脈沖輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

注：EN為電源正端；J6r、J6L、R1為電源負(fù)端；C、J3L、J3r為正反向控制；CL為脈沖輸入；R2為復(fù)位/工作；VSS為電路公共接地端電壓(接地)；VDD為器件內(nèi)部的工作電源電壓；A 、B 、A0、B0、C0為輸出端。Notes：EN was positive end of power supply；J6r，J6L，R1 were negative terminals of power supply；C，J3L，J3r were forward and reverse controls；CL was pulse input；R2was reset/work；VSS was circuit common ground terminal voltage (ground)；VDD was the working power supply voltage inside the device；A，B，A0，B0，C0 were output terminals .

3.3 分頻值計(jì)算

精確設(shè)定分頻值是成結(jié)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行和精確定位的關(guān)鍵。雖然步進(jìn)電機(jī)X3與Y3型號(hào)相同，但X3為共軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，Y3通過齒輪齒條傳動(dòng)，將Y3步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)為YL(即除Y3步進(jìn)電機(jī)和Y7微動(dòng)開關(guān)外，Y系統(tǒng)的其他部件)的往復(fù)平動(dòng)，因此采用不同的方法計(jì)算X與Y系統(tǒng)的分頻值。

對(duì)X系統(tǒng)，已知步進(jìn)電機(jī)的步角為3°，即每個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)3°。由于步進(jìn)電機(jī)X3跟滾筒X1共軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此滾筒的轉(zhuǎn)角也是3°。實(shí)驗(yàn)證明，為使X系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、定位精確，滾筒需轉(zhuǎn)動(dòng)一圈半，即360°+180°=540°，為此需要540/3=180個(gè)脈沖來(lái)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)，滾筒X1才能完成海帶纏繞。當(dāng)再來(lái)180個(gè)脈沖觸發(fā)驅(qū)動(dòng)后，步進(jìn)電機(jī)X3將繼續(xù)轉(zhuǎn)過540°，從而帶動(dòng)滾筒X1回到初始位置，因此分頻網(wǎng)絡(luò)FX的分頻值為180。

Y系統(tǒng)的運(yùn)行是通過齒輪齒條將步進(jìn)電機(jī)Y3的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)閅L的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)的距離與海帶結(jié)的長(zhǎng)度相關(guān)，而計(jì)算FY分頻網(wǎng)絡(luò)的分頻值需要已知的海帶結(jié)長(zhǎng)度。如圖6所示，打結(jié)中的海帶長(zhǎng)度L與滾筒X1外徑D相關(guān)：L=(π+1)D 。海帶成結(jié)機(jī)構(gòu)滾筒X1外徑D=30 mm，經(jīng)計(jì)算海帶長(zhǎng)度為124.2 mm?？紤]夾爪占用一定的海帶寬度，因此海帶長(zhǎng)度取140 mm。

齒條、齒輪的齒距為E，齒輪的齒數(shù)為H，當(dāng)YL移動(dòng)一個(gè)海帶長(zhǎng)度L后，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為L(zhǎng)/(E×H)。由于齒輪與步進(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)動(dòng)，因此步進(jìn)電機(jī)Y3轉(zhuǎn)動(dòng)同樣圈數(shù)所需的脈沖數(shù)為FY= L/(E×H)×(360/3)，已知L=140 mm、E=3.5 mm、H=20，計(jì)算得FY=240，即此脈沖數(shù)為FY分頻網(wǎng)絡(luò)的分頻值。

3.4 分頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，X、Y兩個(gè)系統(tǒng)的分頻值分別為180和240，均是3位數(shù)，使用3個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器(BCD)串聯(lián)組成個(gè)、十、百三位數(shù)字。把代表BCD碼各數(shù)位的相關(guān)輸出端接入“與”門電路，當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到分頻值180或240時(shí)，“與”門電路輸出的電位跳變信號(hào)使后續(xù)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)。分頻網(wǎng)絡(luò)的電路如圖7所示。

圖8為完成一個(gè)海帶打結(jié)動(dòng)作所需的脈沖數(shù)。圖8橫坐標(biāo)代表過程輸入的脈沖數(shù)，縱坐標(biāo)上的“0”代表停轉(zhuǎn)，“1”代表運(yùn)轉(zhuǎn)，“-1”代表反轉(zhuǎn)。完成一個(gè)海帶打結(jié)，振蕩器共計(jì)發(fā)出660個(gè)脈沖，其中X系統(tǒng)完成海帶纏繞打圈需180個(gè)脈沖；Y系統(tǒng)完成穿梭打拔需240個(gè)脈沖；兩系統(tǒng)復(fù)位共需240個(gè)脈沖，其中在第180個(gè)脈沖時(shí)，X系統(tǒng)復(fù)位到初始狀態(tài)后停轉(zhuǎn)，YL則繼續(xù)平移，在第240個(gè)脈沖時(shí)到達(dá)原位。

4 作業(yè)及控制流程

本機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)行關(guān)鍵在于由數(shù)字電路組成的邏輯驅(qū)動(dòng)電路。為滿足成結(jié)機(jī)構(gòu)特殊運(yùn)行流程的要求，在邏輯電路中設(shè)置一些特殊的“門”，這些門電路沒有現(xiàn)成的器件可供采用，只能將其他功能的電路經(jīng)拆分、組合后使用。本機(jī)中的脈沖振蕩器、綜合門控電路、X系統(tǒng)門控電路和Y系統(tǒng)門控電路等均由這些門電路組成，其中“綜合”僅表明功能的綜合性，并非與某具體元件相對(duì)應(yīng)。

開機(jī)前，成結(jié)機(jī)構(gòu)各部件處在初始位置，如圖4所示。開機(jī)后，電路各部分處于伺服狀態(tài)。此時(shí)，如果沒有海帶輸進(jìn)X系統(tǒng)夾頭X5，紅外發(fā)射、接收二極管Y6/X6將發(fā)出信號(hào)使監(jiān)控觸發(fā)電路，一方面讓喇叭發(fā)聲報(bào)警，另一方面停止振蕩器的工作，使機(jī)構(gòu)不運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)有海帶輸進(jìn)時(shí)，送料夾緊氣缸A1驅(qū)動(dòng)送料夾爪A3夾緊海帶后，送料氣缸A2驅(qū)動(dòng)送料滑臺(tái)A4帶動(dòng)送料夾爪A3將海帶送至X系統(tǒng)夾頭X5(圖4)，此時(shí)海帶阻擋Y6/X6之間的光路，監(jiān)控觸發(fā)電路發(fā)生反轉(zhuǎn)，喇叭失聲，脈沖振蕩器起振，促使電磁閥X2吸動(dòng)夾爪X5夾住海帶前端。在綜合門控電路的控制下，脈沖信號(hào)只能先通過X系統(tǒng)的門控電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)X3帶動(dòng)滾筒X1轉(zhuǎn)動(dòng)、纏繞、打圈。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的位移量受FX分頻網(wǎng)絡(luò)控制，當(dāng)分頻值達(dá)到180時(shí)，海帶后端陷進(jìn)滾筒缺口(圖4、圖6)并橫跨缺口，此時(shí)綜合門控電路立即關(guān)閉X系統(tǒng)門控電路，X路脈沖信號(hào)中斷，滾筒停轉(zhuǎn)；同時(shí)，綜合門控電路開啟Y系統(tǒng)門控電路，Y路脈沖信號(hào)進(jìn)入，一方面使電磁閥Y2通電生磁以吸動(dòng)夾爪Y5夾住海帶后端，并由切料氣缸E驅(qū)動(dòng)切刀E1將海帶切斷；另一方面驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)Y3帶動(dòng)YL開始后退拉拔(圖4、圖6)。YL后退的距離受FY分頻網(wǎng)絡(luò)控制，當(dāng)分頻值達(dá)到240時(shí)，YL后退至預(yù)定位置并壓碰微動(dòng)開關(guān)Y7觸發(fā)相關(guān)電路，使電磁閥X2和Y2同時(shí)斷電失磁，打開夾爪X5和夾爪Y5，從而完成脫料過程。同時(shí)，綜合門控電路重新開啟X系統(tǒng)門控電路，脈沖信號(hào)同時(shí)進(jìn)入X、Y兩個(gè)系統(tǒng)門控電路，其中步進(jìn)電機(jī)X3重新轉(zhuǎn)動(dòng)(轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速均不變)復(fù)位，當(dāng)FX分頻網(wǎng)絡(luò)分頻值達(dá)到180時(shí)，回到初始位置并停轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)Y3反向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)FY分頻網(wǎng)絡(luò)分頻值達(dá)到預(yù)定值240時(shí)，回到初始位置并停轉(zhuǎn)。兩系統(tǒng)全部復(fù)位后，喇叭聲重新響起，提示再次輸送海帶?？刂屏鞒虉D如圖9所示。

5 驗(yàn)證與討論

5.1 樣機(jī)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的海帶打結(jié)機(jī)及控制系統(tǒng)的合理性與正確性，開展試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為廈門市鑫誠(chéng)氣動(dòng)液壓公司，試驗(yàn)樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用24 V直流電壓供電。鑒于市售海帶條均非標(biāo)準(zhǔn)品，長(zhǎng)度和厚度不均勻且濕度存在差異，為保障驗(yàn)證試驗(yàn)連續(xù)穩(wěn)定，本次試驗(yàn)采用厚度與寬度尺寸與市售海帶條較為相近的無(wú)紡布條作為試驗(yàn)品。驗(yàn)證結(jié)果表明，試驗(yàn)樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)品自動(dòng)進(jìn)給，在進(jìn)料速度為0.1 m/s的情況下，成結(jié)率(打結(jié)成功次數(shù)/總打結(jié)次數(shù))超過90%以上，打結(jié)速度為8～10個(gè)/min。圖10為樣機(jī)生產(chǎn)一個(gè)有結(jié)海帶的全過程。

5.2 討論

1)由于本試驗(yàn)使用的無(wú)紡布與實(shí)際生產(chǎn)的海帶存在物理性能和力學(xué)性能上的差異，因此上述樣機(jī)試驗(yàn)論證結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)果，但仍可證明本設(shè)計(jì)基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)的海帶成結(jié)機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)是可行的。

2)受試驗(yàn)條件限制，本研究前期未能開展海帶物理力學(xué)性能測(cè)試，因此后期應(yīng)進(jìn)一步開展拉伸、摩擦等性能試驗(yàn)，探討海帶力學(xué)物理性能對(duì)打結(jié)速度和成結(jié)率的影響，為海帶打結(jié)機(jī)各機(jī)構(gòu)的材料選擇提供參考。

6 結(jié)論

1)基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)的海帶成結(jié)機(jī)構(gòu)，主要由成環(huán)機(jī)構(gòu)、穿環(huán)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)3部分組成，并經(jīng)過試驗(yàn)品驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。

2)本文研制的樣機(jī)經(jīng)過試運(yùn)行階段的觀測(cè)，雖能實(shí)現(xiàn)海帶打結(jié)的基本操作，相關(guān)的運(yùn)行程序也基本符合設(shè)計(jì)要求，但應(yīng)進(jìn)一步研究：(1)開展海帶相關(guān)基本力學(xué)參數(shù)測(cè)試，為海帶打結(jié)機(jī)與海帶接觸部件如夾爪的材料和運(yùn)動(dòng)速率設(shè)計(jì)提供依據(jù)；(2)以伺服電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)，將開環(huán)控制改成閉環(huán)控制，提高控制精度和轉(zhuǎn)速，從而提高打結(jié)速度；(3)使用氣動(dòng)手指取代自制夾爪，自帶導(dǎo)桿氣缸或雙桿氣缸取代自制導(dǎo)桿，并進(jìn)一步完善控制電路的功能與結(jié)構(gòu)，采用更高性能的PLC，在降低機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、提升各動(dòng)作穩(wěn)定性的同時(shí)，進(jìn)一步增加各動(dòng)作的響應(yīng)頻次和加快動(dòng)作速度，提高打結(jié)效率；(4)用于打結(jié)的海帶條的預(yù)制備方法有待繼續(xù)研究。