多流水線型定量供料系統結構設計

李葉妮,陳吉鵬,陸 剛,陳水宣

(1.廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門大學 航空航天學院，福建 廈門 361005)

多流水線型定量供料系統結構設計

李葉妮1,2,陳吉鵬1,陸 剛1,陳水宣1

(1.廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門大學 航空航天學院，福建 廈門 361005)

針對傳統的手排面加工設備自動化程度不高的現狀，設計開發了基于伺服系統的多流水線型定量供料系統。結合國內外的面條加工機械和技術，將不同類型的流水線機構引入手排面的加工過程中，完成了定量供料系統的整機結構設計，包括存面機構、運面機構、分面機構、推桿機構及流水線機構等。通過上下位機實現電氣控制及伺服系統的聯動控制，完成快速切分等量手排面，并通過流水線自動裝盤。該系統生產效率達到了18 000片/h，加工產量提升到670 kg/h。實際應用結果顯示：該系統生成效率高，具有很好的應用前景和推廣價值。

手排面；定量供料；多流水線；伺服系統

目前，手排面加工設備自動化程度較低、產業結構不夠合理等問題較為突出，自動化設備的科技創新不可避免。在我國手排面的生產大體經歷了“傳統的純手工制作—半機械化生產—引進國外先進設備進行研究學習—基本實現全自動化大量生產”的發展過程，但有些重要環節還是依賴手工作業。因此，手排面加工裝備的自主創新與發展對掛面行業的整體創新與發展至關重要[1-4]。

通過對手排面加工企業的調研，發現普遍存在以下問題[5]：手工分面存在衛生問題；手工分面裝盤效率低下，需要大量員工；手工分面所分面質量不均勻，導致產品不穩定；

1 整機工作原理

手排面的生產流程包括以下步驟：上面、上水、拌面、熟化餳面、壓延、折條折花、蒸面、拉伸切斷、自動入盒、高壓殺菌蒸面、烘干、風冷、稱重包裝。概括手排面的制作工藝主要由3個步驟組成：面條成型加工、面條分段裝盒、面條烘干包裝[6-7]。本文研究的手排面定量供料系統屬于面條分段裝盒的工序，主要完成將蒸熟的長段面條分段裝盒，所需分段的面條為高溫蒸熟的掛面，如圖1所示。蒸好的面條規格如下，寬×高=600 mm×660 mm，正片掛面的質量約480 g/掛，經過本文設計的多流水線供料系統后獲得13份面條。由于蒸熟的面條送入本系統時是掛在鐵桿上的，經過本系統切面分2段后，在掛桿上會殘余面條長度約15 mm，因此切斷裝盤的面條每份長度約320 mm，每份重約37 g。

根據面廠給出的生產要求和現有的生產條件，設計出符合手排面生產所需的手排面自動定量供料系統，設備的整體機構如圖2所示。采用多流水線的結構，主要包含存面流水線1，送面流水線2，以及包裝裝盤流水線3。其中存面流水線是存放蒸熟的掛面，送面流水線是將存放的掛面運送到切刀的位置進行定量切面供料，包裝裝盤流水線由工人將面條裝入6格的盒子中。整機系統結合伺服系統實現了各個流水線的聯動控制及刀具的精確分段切面。

圖1 高溫蒸熟的掛面Fig.1 Hanging noodles steamed at high temperature

1.存面流水線； 2.分面流水線 ；3.裝盤流水線 圖2 手排面定量供料整機結構Fig.2 Structure of quantitative feeding noodle system

2 關鍵機構設計

2.1 存面機構

手排面定量供料機正常運行工作過程中，流水線的第一部分即存面機構系統，該部分需要實現高溫蒸熟的掛面穩定送料，需要避免出現如各根掛面桿粘合、運送速度慢、掛面桿卡桿等現象。

在存面機構設計試制的過程中，經過反復多次試驗，優化機構設計，驗證該機構的可行性。存面機構如圖3所示，能實現快速、穩定、高效單根掛面運輸。其機械設計主要的特點是利用兩個彈簧在存面機構最前端，起到對位于最前端處掛面下壓作用；同時，當最前端掛面被送面機構兩個掛鉤運送走，彈簧復位對下一根掛面下壓，保證送面機構單根運送，確保經高溫蒸煮的掛面能夠不粘連地穩定運送至分面流水線上進行分段定量供料。

1.稱重機構； 2.鏈條1； 3.掛面； 4.傳感器1 ；5.彈簧1； 6.傳感器2 ；7.彈簧2 ； 8.傳感器3 ； 9.三相異步電機1； 10.傳感器4

圖3 存面機構

Fig.3 Noodle cache structure diagram

2.2 送面機構

送面機構(圖4)采用鏈條傳動系統，通過送面機構可實現將存面機構中存放的掛面運送到分面機構進行定量分面。根據切面時間、掛面的長度要求確定兩個掛面之間間隔是1 070 mm,鏈條總長7 490 mm。在送面三相異步電機11啟動下，每根掛面往前運送，當面到位傳感器15感應到信號后，把采集到信號傳送給伺服系統作準備，掛面會沿著軌道16往下運動，因此對導軌加工精度與材料結構要求高，必須確保軌道不變形且耐磨，并且掛面運動過程不能出現脫鉤現象，才能確保掛面定量分段且不卡桿。

11.三相異步電機；12.鏈條2； 13.空桿；14.擋板；15.傳感器5；16.軌道

圖4 送面機構

Fig.4 Noodle delivery structure

2.3 分面機構

由于蒸熟的掛面垂直長度為660 mm，分段裝盤后需要再進行烘干，人工分段時如果面條分得太短，烘干后容易松散，面條分得太長，一盤面條就會超重。因此，需要設計一種合理的分面機構，使得面條的切分符合產品的要求。

圖5為分面機構，由伺服系統、齒輪組、輥刀、翻轉漏斗幾部份組成。為了滿足切斷后面條的長度與重量的要求，需要切分13段等質量的面條。分面裝置采用漏斗型的翻轉機構，由伺服電機帶動輥刀實現連續、快速、穩定的切面，翻轉漏斗將被輥刀切落的面條等分，同時通過翻轉將掛于漏斗上的面條倒落。翻轉漏斗內有5個小斗，4個大斗，經過一次分面，一次翻轉后分面，即可將切斷的面條分成等量的13份。質量誤差在5g以內。

17.伺服電機；18.傳感器6； 19.輥刀；20.軸承；21.刀盤；22.齒輪；23.同步帶

圖5 分面機構

Fig.5 Noodle cutting structure

3 主要機構分析及計算

本文的控制系統實現了手排面的定量分段加工，要求精確控制輥刀隨掛面以一定的速度運動。采用伺服電機的電子凸輪功能來實現定長剪切。通過計算和分析，決定采用臺達ECMA伺服電機和ASDA-A2伺服驅動器。

伺服電機的選型依據滾筒裝置(如圖6所示)計算，并通過關鍵參數的計算選擇合適的伺服電機。電機選型計算參數如表1所示。

圖6 設備傳動及選型計算原理Fig.6 The principle diagram of calculation of transmission and selection of equipment表1 電機選型計算參數Table.1 Motor type selection calculation parameter table

名稱符號數值單位JR減速比1/RN2工作臺移動速度V3m/min單一行程移動距離S220mm外力F0N滾輪擠壓工件反力FP62.5N滑軌摩擦系數μ0.1傳動效率η0.81加速時間tA0.257s減速時間tD0.257s停止時間tS0s滾筒直徑DR140mm軸承直徑DS30mm滾輪慣量JRO0.0002119kg·m2減速機慣量JR0.00051kg·m2聯軸器慣量JC0.00071kg·m2銜接軸慣量JS0.0002kg·m2

1) 選型計算

電機旋轉1圈導螺前進距離:

(1)

(2)

加減速度時間計算:

(3)

(4)

tM=tA+tE+tD+tR=4.699 86(s)

(5)

tP=tM+tS=4.699 86(s)

(6)

負載端相對於電機端的轉動慣量計算:

0.016 95(kg·m2)

(7)

外力與摩擦力換算成電機端等效力矩:

0.095 02(N·m)

(8)

0.234 62(N·m)

(9)

(10)

電機最高轉速判斷:

(11)

ECMA-E31320：NV≤3 000

(12)

2) 確定電機型號

電機要求：

(13)

(14)

因此選用型號 ECMA-E31320 的電機。

Ttyp(9.55)>TL(0.234 62)

(15)

(16)

3) 電機校核(ECMA-E31320)

電機加減速度最大扭矩計算：

0.237 17(N·m)

(17)

0.232 06(N·m)

(18)

單一行程扭力均方根值：

0.233 55(N·m)

(19)

伺服回生能量計算：

(20)

(21)

EE=0.104 7×N×TL×tE=0.347 09(J)

(22)

(23)

(24)

滿足以下要求：

(25)

(26)

(27)

通過以上計算與校核，最終選擇臺達的ECMA-E31320電機，根據電機與驅動器選型配套要求，選用ASD-A2-1521-U驅動器。可通過電子凸輪曲線設計同步跟蹤曲線，實現刀具的同步等量切面[8-10]。

4 應用情況

該設備目前已經投入生產，與現有的手工分面相比，手排面自動定量供料系統的生產效益和產品衛生質量有了較大的提高。手排面自動定量供料系統與手工分面的生產效率對比如表2所示。

表2 生產效率對比Table 2 Production efficiency comparison

由表2可知:所設計的手排面自動定量供料系統加工出來的每塊面質量變化范圍更為精確，機器所分面烘干后不易散開，而且加工速率和產量有了很大的提高，與手工分面相比，加工速率由原來的6 000片/h 提高到18 000 片/min，加工產量由原來220 kg/h 提升到670 kg/h。定量切面的長度為320 mm，誤差在2 mm以內，每份手排面的質量為37 g，誤差在5 g以內。該整機系統目前已經在面條加工企業使用，運行穩定，大大提高了企業的生產效率，降低了生產成本，有很好的推廣價值。

[1] 許德群,肖衡.我國包裝與食品機械發展現狀及趨勢[J].包裝與食品機械,2011,29(5):47-50.

XU Dequn,XIAO Heng.Development status and Trend of Packaging and Food Machinery in China[J].Packagin and Food Machinery,2011,29(5):47-50.

[2] 劉毅,余榮斌,王娜,等.我國食品機械產業發展策略研究[J].廣東科技,2013(18):157,161.

LIU Yi,YU Rongbin,WANG Na.Study on the development strategy of food machinery industry in China[J].Guangdong Science and Technology,2013(18):157,161.

[3] 楊祖彬,曾莉紅.基于食品安全的我國食品包裝機械技術發展路徑探討[J].包裝工程,2011 (13):117-121.

YANG Zubin,ZENG Lihong.Discussion on Technical Development Path of China’s Food Packaging Machine Based on Food Safety[J].Packaging Engineering,2011 (13):117-121.

[4] 李韋謹,張波,魏益民,等.機制面條制作工藝研究綜述[J].中國糧油學報,2011,26(6):86-90,96.

LI Weijin，ZHANG Bo,WEI Yimin,et al.Review of Technical Study on Processing Technique of Machine-made Noodle[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association.2011,26(6):86-90,96.

[5] 李葉妮,陳水宣,陸剛.手排面全自動計件系統設計[J].制造業自動化,2015,37(10):127-129.

LI Yeni,CHEN Shuixuan,LU Gang.Design of intelligent automatic manual noodle counting system[J].Manufacturing Automation,2015,37(10):127-129.

[6] 戰曉林,陶學恒,李玉光.食品機械中自動切割裝置的研發[J].包裝與食品機械,2011,29(2):47-50.

ZHAN Xiao-lin,TAO Xue-heng,LI Yu-guang.Researcha and Development on Auto Cutting Device in Food Machinery[J].Packaging and Food Machinery,2011,29(2):47-50.

[7] 孔凡真.我國食品包裝機械行業的差距與前景[J].中國包裝,2012,32(2):7-10.

KONG Fanzhen.The gap and Prospect of food packaging machinery industry in China[J].China Packaging,2012,32(2):7-10.

[8] 孫忠獻.電機技術與應用[M].福州:福建科學技術出版社,2004.

SUN Zhongxian.Motor Technology and Application[M].Fuzhou:Fujian science and Technology Publishing House,2004.

(責任編輯 楊文青)

Multi-lines Manual Quantitative Feeding System Structure Design

LI Ye-ni1,2, CHEN Ji-peng1, LU Gang1,CHEN Shui-xuan1

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Xiamen University of Technology，Xiamen 361024, China；2.School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Aiming at the low degree automation of the traditional manual processing at present, a new multi lines manual quantitative feeding automatic platform based on the servo system was designed and developed to overcome those disadvantages. The paper, which combines the domestic and international noodle processing machinery and technology, will introduce different types of manual line mechanism of the machining process. The system consists of a plurality of pipeline module, including the storage module, transport module and the assembly line module. And by realizing the linkage of electrical control and servo system controlled by PC, completing the fast segmentation and automatic loading manual equivalent surface through the pipeline, the production efficiency of the system reached 1800 slices/h, and processing increases at 670kg/h. Application of this platform proved that the system has high efficiency, and also has a certain application prospect and promotional value.

manual noodle; quantitative feeding; multi-lines; servo system

2016-10-15

福建省中青年教師教育科研項目(JA15364)；廈門市科技計劃項目(3502Z20153021，3502Z20161186)；廈門市閩臺合作項目(3502Z20151241)

李葉妮(1982—)，女，博士研究生，實驗師，主要從事機電一體化技術與機器人及機器視覺技術研究,E-mail: liyn@xmut.edu.cn。

李葉妮,陳吉鵬,陸剛,等.多流水線型定量供料系統結構設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(1):36-40.

format：LI Ye-ni, CHEN Ji-peng, LU Gang,et al.Multi-lines Manual Quantitative Feeding System Structure Design[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(1):36-40.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.01.006

TP278

A

1674-8425(2017)01-0036-05