雞蛋自動上料裝置機構分析與試驗

王樹才 陳子琦 孫振坤 馬美湖

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.華中農業大學食品科技學院， 武漢 430070)

0 引言

我國蛋品加工裝備制造比較落后[1-3]，目前還只能生產一些單機臺和小型半自動生產線，國內雞蛋加工企業大量進口歐洲、美國、日本和韓國的雞蛋自動化加工生產線。

雞蛋自動上料是雞蛋加工自動化生產中的重要環節之一，它能有效解決雞蛋加工處理過程中人工上料存在的人畜牧共患疾病傳播、勞動強度大、破損率高和生產效率低等問題。

世界上已有許多的蛋品加工處理機械制造企業，如荷蘭的MOBA公司、丹麥的SANOVO公司和日本的NABEL公司等[4-6]。MOBA最新潔蛋裝備ONIVA系列生產效率達到18萬枚/h[7]；丹麥SANOVO公司生產的液蛋和蛋粉等雞蛋深加工生產線，最大產量可以達到12萬枚/h[8]。自動化生產線的起點是自動化上料裝置。為此，不少國內外學者均對各種農產品類自動上料裝置進行了研究，如VAN DE等[9]研究了一種真空吸盤拾取雞蛋的裝置；ZHANG[10]和GARLASCHE[11]分別研究了水果和雞蛋的自動拾取裝置；蔡健榮等[12]研究了一種用于雞蛋生產線上的雞蛋上料裝置，該裝置利用吸盤上料可以作為自動上料機械手的末端執行器；張興國等[13]設計了一種禽蛋吸運機械手，對其進行了結構設計和運動規劃；苑進等[14]研究了一種禽蛋自動并聯撿拾機構，并對該機構進行了理論分析和運動規劃研究，但效率和自動化程度遠不及國外設備。

針對以上問題，本研究通過分析國外先進的雞蛋加工自動上料裝置后進行自主創新，設計雞蛋加工生產線吸盤自動上料裝置。結合理論分析[15-16]和ADAMS運動學仿真[17-18]，對其原理、結構、參數進行優化和驗證，為縮短樣機試制周期、指導樣機安裝提供理論支撐。

1 結構與工作原理

1.1 整機結構

雞蛋加工生產線自動上料裝置由載蛋盤傳送裝置、吸盤擺臂裝置和蛋盤分類回收裝置組成，如圖1所示。載蛋盤傳送裝置采用模塊帶輸送，模塊帶上安裝有蛋盤固定擋塊，用以定位載滿雞蛋的蛋盤。吸盤擺臂裝置包括：驅動擺臂往復擺動的曲柄搖桿機構和一對齒輪放大機構，保持吸盤組件運動中始終處于水平狀態的同步帶角度補償機構，以及驅動吸盤個體之間改變間距的滑塊分合機構，如圖2所示。蛋盤分類回收裝置由空蛋盤堆垛裝置和非空蛋盤反向輸送裝置組成，分別由垂直推動氣缸和水平推動氣缸推動蛋盤，蛋盤反向輸送裝置也采用模塊帶輸送。

圖1 雞蛋加工生產線自動上料裝置整機示意圖Fig.1 Schematic diagram of egg processing production line automatic feeding device 1.模塊帶 2.蛋盤固定擋板 3.載蛋盤傳送裝置 4.蛋盤 5.吸盤擺臂裝置 6.吸盤組件 7.蛋盤分類回收裝置 8.空蛋盤堆垛裝置 9.非空蛋盤反向輸送裝置

圖2 吸盤擺臂裝置結構圖Fig.2 Structure diagram of chuck swing arm device1.曲柄搖桿機構 2.齒輪放大機構 3.同步帶角度補償機構 4.滑塊分合機構 5.縱向氣缸 6.橫向氣缸 7.吸嘴

1.2 工作原理

由人工將整盤雞蛋放置在載蛋盤傳送裝置的模塊帶上，雞蛋隨模塊帶一起運動到吸蛋位置時，吸盤擺臂裝置正好運動到雞蛋的上方，并垂直壓下，在電氣系統控制下吸盤吸氣，將雞蛋整盤吸取，本裝置一次吸取2盤共60枚雞蛋，蛋盤則在重力和安裝在載蛋盤傳送裝置機架上的壓條作用下留在載蛋盤傳送裝置的模塊帶上，直到運動到蛋盤分類回收裝置處。安裝在機架上的接近開關根據高度檢測蛋盤上是否留有未吸取的雞蛋(部分雞蛋由于破損流清會粘連在蛋盤上，不能被吸盤吸取)，留有雞蛋的蛋盤(非空蛋盤)因雞蛋高出蛋盤上表面，會碰到擺動杠桿的長臂，推動杠桿的短臂靠近接近開關，在電氣系統控制下，水平推動氣缸將非空蛋盤推到蛋盤反向輸送裝置上，達到一定數量后由人工完成后續處理；空蛋盤則由垂直推動氣缸直接頂起，堆垛在氣缸上方的蛋盤架上。吸盤擺臂裝置在吸取雞蛋后，在曲柄搖桿機構、齒輪放大機構、同步帶角度補償機構的共同作用下，擺向雞蛋加工生產線；在此運動過程中，在縱向氣缸驅動下，兩盤蛋縱向分開一定距離，在橫向氣缸驅動下，滑塊分合機構將每盤蛋的5列橫向分開一定距離，以適應雞蛋加工生產線輸送蛋輥的間距(蛋盤上雞蛋的間距小于生產線上雞蛋的間距)；完成此動作后，在電氣系統控制下，吸盤吸氣閥關閉，吸盤與大氣相通，在重力作用下雞蛋落在雞蛋加工生產線，隨后，整個吸盤擺臂裝置返回吸蛋位置，各吸嘴復位，準備下一次吸蛋，完成一個上料周期。

2 吸盤擺臂裝置結構與運動分析

雞蛋加工生產線自動上料裝置中核心機械部分是吸盤擺臂裝置，它完成吸盤在載蛋盤傳送線與雞蛋加工生產線之間同步搬運雞蛋，并保持往復擺動的同時，吸蛋盤始終處于水平狀態；吸蛋盤水平位移、垂直位移要與兩輸送線的位置對應，且便于調整。由曲柄搖桿機構、齒輪放大機構和同步帶角度補償機構串聯組合而成，圖3a為該機構的機構運動簡圖。圖中：lAB=45.5 mm，lBC=687 mm，lCD=93.5 mm，lAD=672.5 mm，lEF=412 mm，大齒輪分度圓直徑和小齒輪分度圓直徑的關系為D1=3D2，A、D之間水平距離為37.5 mm，A、D之間的垂直距離為671.5 mm，A、E之間的水平距離28 mm，A、E之間垂直距離為800 mm。

圖3 吸盤擺臂裝置機構運動簡圖Fig.3 Diagrams of chuck device swing arm mechanism motion1.曲柄 2.連桿 3.大齒輪 4.小齒輪 5.下同步帶輪 6.同步帶 7.上同步帶 8.搖桿 9.擺臂 10.吸盤組件

2.1 吸盤擺臂組合機構結構分析

圖3a中AB為曲柄，其軸上安裝有用于檢測轉動位置的傳感器，與載蛋盤傳送線共用同一個電動機驅動，曲柄軸與電動機之間有減速箱等傳動系統；BC為連桿，其長度可由適量螺旋調節，用以改變擺桿EF的擺角，便于設備調試中適應雞蛋加工生產線的高度，C處用銷軸固定在大齒輪上；CD為搖桿，與大齒輪是同一構件；小齒輪轉動中心在E點，與大齒輪形成齒輪嚙合；下同步帶輪固定在機架上，中心開孔，令小齒輪軸穿過；擺臂EF剛性固連在小齒輪上，和小齒輪一起在一定角度范圍內往復擺動；擺臂EF的另一端用轉動副連接上同步帶輪，上、下同步帶輪之間用同步帶傳動；吸盤組件固連在上同步帶輪上。按照以上分析，該組合機構為平面機構，在自由度計算時，將同步帶傳動機構等價轉換為雙曲柄機構，如圖3b，則該組合機構有6個活動構件(部件1、2、3、4、6、7)，8個轉動副(A、B、C、D、E、F、G、H)，1個齒輪副。由此可見該組合機構的自由度為：F=3×6-2×8-1×1=1，可見該組合機構由一個原動件曲柄AB驅動，具有確定運動。同時，由于lAB+lBC

2.2 吸盤擺臂組合機構的運動分析

2.2.1 角度補償分析

吸蛋裝置在往復擺動的過程中，要保持吸盤始終處于水平狀態，才能將蛋盤上的蛋全部吸取，擺動時防止雞蛋脫落，釋放時以盡量低的高度將雞蛋平穩釋放到加工生產線上。如果將蛋盤組件直接固連在曲柄搖桿機構的搖桿上，蛋盤在往復擺動的過程中，角度必然隨搖桿角度的變化而發生變化。本研究設計了一對同步帶傳動完成角度的補償，一個同步帶輪固定在機架上，另一個同步帶輪安裝在擺桿末端。當搖桿擺動一定角度時，吸盤組件一方面隨搖桿擺動相同的角度，另一方面又在同步帶的驅動下沿相反方向轉動相同的角度，達到角度補償目的，使吸盤組件始終處于水平狀態，如圖4所示。

圖4 同步帶角度補償原理圖Fig.4 Timing belt compensation diagram

δ=μ

(1)

又由圖4可知

μ+ξ=ξ+η

(2)

故由式(2)得

μ=η

(3)

所以由式(2)和式(3)可以得出

δ=η

(4)

即同步帶輪反向轉動的角度補償了擺臂轉動的角度，故吸盤能始終保持與地面平行。

2.2.2 運動分析

在圖3中以A為坐標原點建立平面直角坐標系，曲柄AB沿逆時針進行轉動。

利用矢量方程解析法，建立該機構的位移、速度、加速度方程。

圖3中B點坐標方程為

(5)

式中L1——曲柄AB長度θ1——曲柄AB轉角φ1——曲柄AB初始角

根據矢量方程

lAB+lBC=lAD+lDC

(6)

C點坐標方程為

(7)

式中L2——連桿BC長度L3——搖桿CD長度φ2——連桿BC轉角φ3——搖桿CD轉角

將式(7)整理得

圖1示，PLAGL2主要表達于陽性細胞核與胞質中，PCa中PLAGL2陽性表達率(80.6%，83/103)高于良性前列腺增生(22.0%，11/50)，其中在PCa組織中弱陽性26例，陽性28例，強陽性29例，在良性前列腺增生組織中弱陽性7例，陽性4例，差異有統計學意義，χ2=55.003，P<0.001。

(8)

將式(8)兩邊取平方和得

(9)

式中xD——D點橫坐標yD——D點縱坐標

acosφ3+bsinφ3+c=0

(10)

由此可得

(11)

由于齒輪機構中

式中D1——大齒輪直徑D2——小齒輪直徑

擺桿頂端F點的水平和垂直位移分別為

(12)

式中L4——擺桿EF長度xE——E點橫坐標yE——E點縱坐標θ2——擺桿EF初始角φ4——擺桿EF轉角

將式(12)對時間t求一階導數得到擺桿頂點F的水平和垂直速度方程

(13)

將式(12)對時間t求二階導數得到擺桿頂點F的水平和垂直加速度方程

(14)

即為吸盤組件的水平和垂直加速度。

3 吸盤擺臂裝置運動學仿真

圖5 F點水平方向運動參數變化曲線Fig.5 Change curves of horizontal motion parameters for F point

對雞蛋加工生產線自動上料裝置中的吸蛋擺臂組合機構進行運動學仿真，將吸蛋擺臂部分的三維裝配圖導入ADAMS仿真軟件中，將三維結構進行簡化，對關鍵位置進行重新約束，保留關鍵的配合關系[19-20]。設置曲柄搖桿機構的曲柄勻速轉動，轉速為10 r/min，仿真得出吸盤組件中F點的水平位移、水平速度、水平加速度等運動參數隨曲柄轉角變化曲線，如圖5所示；以及吸盤組件中F點的垂直位移、垂直速度、垂直加速度等運動參數隨曲柄轉角變化曲線，如圖6所示。

圖6 F點垂直方向運動參數變化曲線Fig.6 Changing curves of vertical motion parameters for F point

從圖5可以看出，在水平方向上，當曲柄轉動到84°位置時，吸盤組件接近吸蛋位置，水平位移為-384 mm；隨后，在曲柄84°～108°之間位置時，吸盤組件水平位移基本不變，吸盤速度為零，防止吸盤位置與蛋盤中雞蛋位置錯動，在此吸蛋位置，加速度也為零，可以防止由于吸盤慣性力推翻蛋盤上的雞蛋。當曲柄轉動到252°位置時，吸盤組件接近放蛋位置，此時是水平最大位移，為440 mm；隨后，在曲柄252°～312°之間位置時，吸盤組件水平位移基本不變，吸盤速度為零，防止吸盤上雞蛋水平拋出，保證放下的雞蛋與生產線上的托蛋棍位置一一對應，在此放蛋位置，加速度也為零，可以防止由于吸盤慣性力將雞蛋水平拋出。在曲柄轉動一周的一個周期中，最大水平速度為625 mm/s，對應曲柄170°的位置，最大水平加速度為1 050 mm/s2，對應曲柄66°的位置。

從圖6可以看出，在垂直方向上，當曲柄轉動到96°位置時，吸盤到達吸蛋位置最低點，位移為810 mm，結合圖5分析，此時搖桿CD應該在極限位置，與X軸夾角為146°，這一對應關系在安裝時非常重要，是保證運動時序和位置準確的關鍵。曲柄在84°位置到96°位置對應時間內，吸盤僅垂直向下運動，在96°位置到108°位置對應時間內，吸盤僅垂直向上運動。當曲柄轉動到282°位置時，吸盤達到放蛋位置最低點，位移為760 mm，結合圖5，曲柄在252°位置到282°位置對應時間內，吸盤僅垂直向下運動，在282°位置到312°位置對應時間內，吸盤僅垂直向上運動，保證雞蛋在生產線托蛋棍上方平穩釋放，在較小的高度內自由落體落下。釋放位置有一定加速度產生正方向的慣性力和雞蛋自身重力共同作用，保證雞蛋平穩進入生產線上。在曲柄轉動一周的一個周期中，最大垂直位移1 212 mm，對應曲柄170°位置。最大垂直速度為-550 mm/s，對應曲柄66°位置。最大垂直加速度1 606 mm/s2，對應曲柄96°位置。

4 樣機試驗

雞蛋加工生產線吸盤自動上料裝置樣機如圖7所示。

現場采用直尺、量角器、測速儀和加速度儀等常規儀器測試了自動上料裝置擺桿末端最大水平位移x、最大垂直位移y、最大水平速度Vx、最大垂直速度Vy、最大水平加速度ax、最大垂直加速度ay，以及取得最大值時曲柄對應位置角θx、θy、θvx、θvy、θax、θay，并與仿真結果進行了比較，如表1所示。仿真值與實測值基本一致，位移微小的誤差主要是測量精度的原因，角度微小的誤差除因測量精度外，零部件運動中受力產生的變形也是原因之一。

5 結論

(1)采用曲柄搖桿機構、齒輪放大機構和同步帶角度補償機構進行串聯組合，機構自由度為1，在一個原動件連續轉動驅動下，保證了吸盤上料過程大角度往復擺動和吸盤組件始終水平的要求，實現了雞蛋水平搬運。

(2)ADAMS軟件仿真顯示，本研究設計確定的曲柄、連桿、搖桿、擺桿、齒輪等尺寸參數，使自動上料裝置在吸蛋和放蛋位置，吸盤水平速度為零，只有垂直速度，吸盤能夠分別對準蛋盤上的雞蛋和生產線上的托蛋輥，保證了準確吸、放雞蛋；位移、速度和加速度的變化規律均符合從載蛋盤輸送線向雞蛋加工生產線搬運雞蛋的運動要求。

(3)通過樣機試驗表明，各種運動參數仿真結果與樣機實測值誤差極小，驗證了理論分析和仿真的正確性和實用性。

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