一種蛋皮機的研究與實踐

潘紅恩 徐紅金

摘 要 本文主要研究一種蛋皮機，實現其蛋皮制作和上下蛋皮全自動過程，包括動力源泵的組成及其工作過程、蛋皮機主體的設計及工作原理、機械手的組成和工作過程，并對蛋皮機整個工作過程進行闡述，再利用UG軟件對泵、蛋皮機主體、機械手等各組成零部件進行建模，并對建完裝置的零件模型進行裝配，實現三大組成部件運動仿真，最后三個部件有機配合運動仿真，驗證其可行性。既減輕了蛋皮制作者的勞動強度，又大幅提高了工作效率，實現自動化。

關鍵詞 蛋皮機 動力源泵 三維建模 機械手

中圖分類號：TP21;TQ57 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）07-0003-02

在家庭小作坊有很多蛋皮的加工，手工做法太慢，不適合批量生產。市面出現了半自動的蛋皮機，大大的提升了生產效率，減輕了大部分人的的勞動力。這種蛋皮機并沒有自動收蛋皮的裝置，需要操作者手動收蛋皮，如果一不小心還會被燙傷。隨著時代的變化，生產工具也在不斷地發展，蛋皮機也在慢慢隨著時代不斷改變，本課題旨在研究一種全自動蛋皮機，方便生產蛋皮機使用者，既減輕了工人勞動強度，又大幅提高了工作效率，同時也解決了衛生狀況問題[1]。

本蛋皮機主要包括動力源泵、蛋皮機主體、自動上下料機械手。

1 動力源泵設計

1.1 動力源泵的組成

動力源泵是由前端蓋、泵體、后端蓋、主動齒輪、被動齒輪、軸承、油封、齒輪軸。各密封腔是齒輪的每個凹齒與泵體的內圓腔壁和端蓋三部分組成。它們三者是影響齒輪泵的工作性能與自吸能力。

1.2 動力源泵的工作過程

電機轉動，帶動主動齒輪運動，主動齒輪帶動從動齒輪運轉。由于是外嚙合齒輪，當齒輪旋轉工作時，吸入腔一側的齒輪嚙合慢慢分開，吸入腔的容積慢慢變大，吸入腔內的壓力慢慢減少，于是使管內的雞蛋液體吸進了泵體內。雞蛋液體被齒輪分開，在齒槽內被齒輪擠壓到排出腔內部。動力源泵源源不斷的吸進雞蛋液體與排出雞蛋液體依靠外嚙合齒輪不斷的工作。動力源的壓力與流量取決于泵的型號和轉速以及介質的粘稠度。

2 機械手裝置設計

2.1 機械手的組成

關節式機械手是一種自動化生產的裝置，主要是為了配合蛋皮機方便吸取和安放蛋皮而設計出來的，機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等組成。本次設計主要向大家展示機械手的執行機構。

關節式機械手的執行機構主要是由底座、立柱、電機、大臂、小臂、手腕、吸盤、氣缸、活塞組成的。機械手的驅動系統：由氣動裝置來驅動的，主要是依靠機械手各部位的活塞通過氣壓來進行運動。機械手的控制系統：由PLC對機械手的整體運動來進行控制。

關節式機械手的手臂部件是支撐被吸取物的蛋皮、小手臂部以及手腕的重要部件。其手臂的作用是用來帶動吸盤吸取物件，并按照PLC程序的要求將蛋皮搬運到關節式機械手應該放置的位置。關節式機械手的手臂部位的運動方式是驅動手臂運動的部件（氣缸）與驅動源（氣壓、電機）相配合，才能使關節式機械手的手臂實現各種運動[2]。

關節式機械手的大臂是連接立柱和小臂的重要部件，使機械手能大幅度調整吸盤的吸取方向和位置。關節式機械手的小臂是用于連接機械手大臂及其手腕的重要部件，可以用來小幅度的調整關節式機械手吸盤的吸取位置和方向。關節式機械手的周灣是用來連接吸盤和手臂的部件，主要用來調整被抓取蛋皮的方向和位置。關節式機械手中的活塞主要分布在機械手的各個活動部位與氣缸是配套的部件。活塞的作用是使關節式機械手能夠進行靈活的旋轉和移動。關節式機械手中的氣缸主要是安裝在機械手的各個活動關節的地方。氣缸的作用是能讓關節式機械手能通過氣動的傳動方式進行傳動與活塞是一起使用的。吸盤是關節式機械手手部的執行機構，就是與蛋皮直接接觸的部件，為了使機械手吸取蛋皮的能力更強，把機械手的手部設計成了能夠通過氣動來進行吸取蛋皮的吸盤，這樣可以更方便的吸取和放置蛋皮。關節式機械手中的推力球軸承主要是由座圈、軸圈和鋼球保持架組件三部分結構所組成的[3]。

2.1.1 機械手執行機構

關節式機械手的驅動系統通常是由氣缸、氣閥、氣罐和空氣壓縮機所組成的，氣動裝置的特點是由于使用的是氣體所以原料比較方便尋找，并且能使機械手的動作比較迅速，氣動裝置的結構也很簡單，所以造價要比液壓低，因此維修方便[4]。但速度比較難控制，而且氣壓也不能太高，所以能吸取和安放的蛋皮重量比較低。

2.1.2 機械手的驅動系統設計

由于氣壓傳動系統能使機械手工人能夠快速的進行旋轉和移動，并且能快速檢測到蛋皮所在的位置，氣動裝置里的氣體并不會因為流動而產生較大的損失，該結構的造價比較低，所以本機械手采用的是氣壓的方式進行傳動的[5]。

2.1.3 機械手控制系統以及機械手的動作流程

考慮到為了能使機械手被更廣泛的使用，本文采用了點位來對機械手進行控制，主要是采用了可編程序控制器（PLC）對機械手來進行控制。當機械手運動的軌跡需要改變的時候，只需要改變PLC里面的程序就可以實現，非常方便快捷。

2.2 機械手工作過程

關節式機械手吸取和擺放蛋皮的動作：機械手手臂上升至上限位，底盤旋轉使吸盤處于蛋皮的正上方，這時蛋皮機停轉，機械手吸盤移動到蛋皮上，產生吸力，機械手把蛋皮吸取并移動至上限位，底盤再次旋轉，使機械手的吸盤處于放蛋皮處的正上方，機械手向下移動，使吸盤把蛋皮移動至桌上，吸力取消，把蛋皮放下，機械手上升至上限位，吸盤旋轉，然后重復進行上面的動作[6]。

3 蛋皮機的主體設計

包括機架、轉子、傳動鏈、驅動機構、送料裝置和至少一個電餅鐺，轉子設置在機架上，電餅鐺均設置在轉子上，傳動鏈連接所有電餅鐺，驅動機構設置在機架上并驅動傳動鏈動作，送料裝置設置在機架外側并向電餅鐺內送入蛋液。

1.機架包括底板、左立板和右立板，左立板和右立板分別垂直固定在底板的兩端，左立板和右立板對稱設置。

2.轉子主要由空心轉軸、左板、右板和電刷盤組成。

3.傳動鏈的結構由內鏈節和外鏈節組成。它又由內鏈板、外鏈板、銷軸、套筒、滾柱五個小部件組成，鏈條的優劣取決于銷軸和套筒。在設計時，鏈節數以取為偶數為宜，這樣可避免使用過渡鏈節，因為過渡鏈節會使鏈的承載能力下降。

4.蛋皮機的驅動機構主要包括電機、減速箱和帶輪。電機在整個蛋皮機機器中占據了主要位置，如果沒有了電機是無法使機器運動起來的。

5.送料裝置包括備料桶、輸送泵、主輸送管、交叉輸送管、三個噴頭和與噴頭數量相等的均料網和過濾網。用輸送泵的吸力將雞蛋液吸入泵內，通過流量控制器控制雞蛋液的送進量，使得雞蛋液進入主輸送管，其次進入分輸送管，然后通過半旋轉式開關進入過濾塞，最后使得雞蛋液進入電餅鐺的鍋內。

6.電餅鐺至少包含一個加熱板，保溫盤，左、右支撐耳，左、右無極電刷盤，兩側的小軸和單側的鏈輪。保溫盤是為了放置加熱管的，保溫盤放置在加熱板的下方。在加熱盤的兩端放置左耳，底板分部兩個孔，用來與加熱盤固定，側板則是連接小軸與機架固定，并且連接一個鏈輪，帶動加熱板進行水平旋轉。右耳則跟左耳相同，不同的則是方向相反。

當原材料進入電餅鐺的鍋面內（假設此時的位置為第一工位），此時加熱板開始工作，利用電阻熱原理進行迅速升溫，一側的帶輪開始工作，帶動電餅鐺做水平的旋轉運動，當電餅鐺運動到第六工位時，鏈輪停止工作。此時，鍋中的蛋皮已經成型，可以取出。

4 蛋皮機整體工作過程

首先，提前將蛋皮液制作好，并將蛋皮液倒入備料桶內。打開電源的總開關，通過控制器，啟動上料裝置的動力源輸送泵，并讓機架開始旋轉，同時啟動加熱電源對電餅鐺進行預加熱。此時原材料開始從備料箱經過輸送泵的自吸原理輸送到管道中，當經過流量控制器時，會顯示已經流動的原材料量的多少，當流量達到設定值，流量控制系統會反饋到主控制器中，讓動力源泵停止工作。90°閥默認開啟，原材料經過輸送管進入噴頭中，通過過濾網進行過濾，勻料網均勻的打散原料。至此，原材料才得以進入電餅鐺的鍋面內，電餅鐺開始正常工作。

當出現不可避免的狀況時，可手動調節90°閥，也可以將控制器上的按鈕直接按下，直接讓原材料流回配料箱。或是關閉總開關。

假使電餅鐺正處于最高的位置時，即蛋液噴頭的正下方時（假設此位置為第一位置，蛋皮機的主體中有六個電餅鐺，便可分為第一、二、三、四、五、六位置。可以定義轉子轉動一圈，就經過了六個位置），輸送泵送料，蛋皮液經過濾網、勻料網均勻下落到鍋面內，轉子向后轉動，在轉動的過程中，電餅鐺開始加熱。等到電餅鐺運動到第六位置時，蛋皮已經成型，此時可由機械手取出成品，退回到安全位置，并發送反饋信號給控制器。至此整個的一個工作流程結束。

5 蛋皮機的整體裝配和運動仿真

為了更好的展示蛋皮機各零部件之間的裝配關系，將蛋皮機整體進行建模，完成的底座、機架、轉子、傳動鏈、驅動機構、電餅鐺、送料裝置、動力源輸送泵以及機械手進行裝配，形成一個完整的全自動蛋皮機。在完成對全自動蛋皮機的裝配后，開始對其進行運動仿真，發現蛋皮機運行切實可行有效。

參考文獻：

[1] 劉曉強，潘紅恩，周召信.實用新型專利申請[P].申請號201821080411.6，2018-07-07.

[2] 譚曉棟，羅建祿，李慶，邱靜.機械系統的故障演化測試性建模及預計[N].《浙江大學學報（工學版）》，2015-02-04.

[3] 于惠力.機械設計與材料選擇及分析[M].北京：機械工業出版社，2019.

[4] 孫開元，李立華.圖解機構設計要點分析及應用實例[M].北京：化學工業出版社，2016.

[5] 項智博.UGNX8.0運動仿真快速入門、進階與精通[M].北京：電子工業出版社，2015.

[6] 任學軍，田衛軍，高長銀.UGNX8.0中文版三維造型設計基礎[M].北京：電子工業出版社，2017.