基于步進電機粽葉包合機構系統的設計

郭霞

摘 要：此次研究是基于步進電機對粽子機中的粽葉自動包合機構進行了設計，主要完成粽子模具合并，粽葉翻板先后包裹粽子，預留繞線空間這幾部分功能；并分析粽子機包合機構中整體傳動系統，整機結構的設計以及各部分零件的尺寸確定。該機械具有生產速度快、成品高、省時省力等優點；能夠廣泛應用于學校、食堂、飯店、企事業單位和食品加工行業中。

關鍵詞：粽子機；包合機構；步進電機

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0084-02

Abstract： This research is based on the stepping motor， designs the reed leaf automatic wrapping mechanism in the zongzi machine， mainly fulfilling the functions such as zongzi mold merger， reed leaf flipping plates wrapping zongzi， reserving winding space， etc. It also analyzes the whole transmission system， the design of the whole machine structure and the determination of the dimensions of the parts in the wrapping mechanism of the zongzi machine. The machine has the advantages of high production speed， high finished product， time-saving and labor-saving， and can be widely used in schools， canteens， restaurants， enterprises and food processing industries.

Keywords： zongzi machine； wrapping mechanism； stepping motor

引言

粽子作為中國傳統節日端午節的標志性食物，深受廣大消費者的喜愛。近年來，隨著粽子需求量的不斷增加，很多粽子生產廠的生產能力面臨很大的考驗，尤其在端午節的前后，生產能力不足的問題更是十分的嚴重。

研究的主要目的是減輕不必要的勞動，讓機器代替人類去做些瑣碎的事情。

1 粽葉包合結構及原理

全自動粽子機的粽葉包合機構設計包括導軌及螺旋傳動設計、滑動設計、聯軸器和軸承的選擇以及電機的選擇。總體三維圖如圖1所示。

其工作流程是，聯接絲杠的步進電機工作時，按照所需的進給距離，電機開始運行一定的轉數，與絲杠相聯接部分，立即向右進給，直至接觸到右邊的定模箱體，完成左右模腔的閉合。隨后將粽葉放置模腔上方，且左右對稱放置；吸附粽葉部分開始運行，通過型腔內預留的通孔對粽葉進行吸附，達到粽葉基本吸附在型腔之中即可；滑動部分的步進電機開始運行，帶動翻板機構，實現將左半部分的粽葉向內閉合；隨后右半部分的翻轉機構也進行翻轉；之后，滑動部分向右滑出，露出一半包裹好的粽子，利用繞線機在露出的半邊粽子上進行繞線，完成包裝，即可取出粽子。

機構外形尺寸及重量初步估計：

機構的相關參數設定為：

材料：不銹鋼304型，密度ρ=7.9g/cm3

長度×寬度×厚度：

470mm×200mm×200mm

滑動部分機構質量估算：

m=7.9×1154×10-3+0.28=9.38kg

2 系統設計

2.1 導軌的選型與設計

（1）導軌的作用

當運動件沿著承導件作直線運動時，承導件上的導軌起支承和導向的作用，即支承運動件和保證運動件在外力（載荷及運動件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進行直線運動。

（2）導軌材料的選擇

常見的導軌基本上是燕尾形、三角形導軌，大多應用于機床上，其成本和制造的難度較大，考慮到此機構的運動部件重量、尺寸和工作載荷不大，裝置屬于小型機械，選擇導軌主要考慮經濟型、維護方便、導向精確即可。

本系統中導軌選用光軸，它具有較好的耐磨性，準確的外徑尺寸，真圓度，真直度以及表面處理。

（3）導軌額定載荷的預算

工作臺重量G=93.8N

工作臺最大載荷F=100N

因此導軌額定靜載荷為：

F+G=93.8+100=193.8N

（4）滑動導軌的計算

為了使導軌磨損均勻及提高工作壽命，導軌上的壓力應盡可能平均，許用最大比壓約為許用平均比壓的二倍，因此在實際設計實驗中，通常只計算平均比壓。

P′=[（P2+G）/BL]≤[P′]（kg/cm2）

式中P′-計算平均比壓（kg/cm2）；P2-垂直載荷（kg）；G-導軌面所承受的總重量，包括工件和工作臺的重量（kg）；B-導軌的水平投影寬度（cm）；L-與工作臺接觸的導軌面總長度（cm），對于圓周運動導軌，L=πD′，D′為原型導軌的平均直徑（cm）；[p]-許用平均比壓（kg/cm2），

P′=[（10+9.38）/2]/（1.6×24）=0.252（kg/cm2）

根據計算出來的平均比壓P′查《機械設計實用手冊》表8-7可以得出：

[P′]=0.25～0.40，p′≤[p′]

則導軌尺寸設計合理。

（5）導軌的安裝

采用導軌安裝支架，在安裝支架上加工階梯孔，將光桿安裝上去，用六角頭螺栓和墊片鎖緊定位，六角頭螺栓采用M10X25，標準：GB/T5782-2000。

2.2 絲杠的選型與設計

（1）絲杠的選型

參照設計要求發現，滑動螺旋和滾動螺旋均可滿足要求。擬選定滾動螺旋傳動方式。

滾動螺旋傳動又稱滾動絲杠，其螺桿與旋合螺母的螺紋滾道間置有適量滾動體（絕大多數滾動螺旋采用鋼球，也有少數采用滾子），使螺紋間形成滾動摩擦。在滾動螺旋的螺母上有滾動體返回通道，與螺紋滾道形成閉合回路，當螺桿（或螺母）轉動時，使滾動體在螺紋滾道內循環，由于螺桿和螺母之間為滾動摩擦，從而提高了螺旋副的效率和傳動精度。

（2）絲杠的安裝

絲杠安裝在絲杠安裝支架和定模箱上，將安裝絲杠軸承的孔加工成階梯孔，階梯孔能夠起到定位軸承的作用。

為了方便定模箱的加工制造，將定模箱上的絲杠安裝孔加工成通孔，并采用深溝球軸承、軸套及軸承端蓋進行固定、定位。

2.3 軸承設計

滾動軸承是標準件，類型很多，選用時主要根據載荷的大小、方向和性質；轉速的高低及使用要求來選擇，同時也必須考慮價格及經濟性。根據設計需求，主要成熟徑向載荷，也受一定的軸向載荷，選擇常用的深溝球軸承。

2.4 聯軸器的選擇

由此機構預選步進電機作為動力來源，其電機的輸出軸的徑向尺寸較小，工作環境溫度變化不大，所需聯軸器的承載能力較小，采用TGL鼓形齒式聯軸器。

其特點是：徑向尺寸小，承載能力大，具有一定的軸線偏移補償性能，需要潤滑和密封。常用于低速重載工作條件的軸系傳動，高精度并經動平衡的齒式聯軸器可用于高速運動，其工作環境溫度為-20～80℃。

2.5 電機設計

由于機構的設計需求，滑塊的進給速度要求平穩緩慢，機構運行啟動的力矩較小，要求電機能夠正反轉動，故初步選擇步進電機。

根據所需力矩選擇步進電機型號為：86BH2A80-404。電機安裝通過四個六角頭螺栓與電機安裝支架聯接，電機安裝支架通過螺栓與電機絲杠安裝架聯接。

3 結束語

全自動粽子機是由粽葉包合機構、填料機構、粽葉吸附機構、自動繞線機構組成。該機械具有生產速度快、成品高、省時省力等優點，能夠廣泛應用于學校、食堂、飯店、企事業單位和食品加工行業中。

參考文獻：

[1]朱龍根.簡明機械零件設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2005，6：253-269.

[2]機械設計實用手冊編委會編寫組.機械設計實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2009，4：865-888，629-749，1128-1186.

[3]王中發.實用機械設計[M].北京：北京理工大學出版社，1998，1：224-242.

[4]坂本正文.步進電機應用技術[M].北京：科學出版社，2010，5：9-49.

[5]孫鳳蘭.食品包裝機械學[M].哈爾濱：黑龍江科學計算出版社，1990，2：132-176.

[6]盧秉恒.機械制造技術基礎[M].北京：機械工業出版社，

2007，12：98-147.

[7]大連理工大學工程圖學教研室.機械制圖[M].北京：高等教育出版社，2007，7：314-341.