青飼機出料的自動套袋裝置設計*

鄭占賀，王 瑩，任文營，鄭紹成，李學永，李 凱

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.唐山鑫萬達實業股份有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

為了適應我國中小農戶的市場需求，近年來國內青飼機的研發取得了飛速發展，出現了越來越多樣化的機型，按割臺與動力設備聯接方式的不同，可將青飼機分為牽引式、自走式及懸掛式三種[1]。目前，國內一些公司與高校及科研院所合作，開展了大量的研究工作[2-8]，對青飼機整機動力系統、撿拾收獲、秸稈喂入、割臺切割及破碎等進行了不斷地改進，使得設備性能大幅度提高，但在設備收獲后對青飼料自動袋裝方面的研究較少。本文基于企業現有青飼機在裝袋過程中人工套袋工作量大、效率低的問題，對自動套袋技術進行研究，設計開發了與設備配套的套袋裝置，以提高青飼機工作的自動化程度。

1 青飼機出料的套袋原理

根據生產特點及工藝要求，目前企業現有的青飼機在田間將秸稈收割切碎并壓縮成塊后，經出料筒出料的同時自動裝入套在出料筒的青貯袋里，完成袋裝。而青貯袋套到青飼機的出料筒上需經過人工取袋、開袋、套袋三個步驟。目前，對取袋、開袋機構的研究較多，技術較成熟,常見的有真空吸附、膠帶粘取，也有采用特殊機械手爪實現抓取并開袋操作的[9-11]。我們可直接借鑒并采用現有的真空吸盤技術進行取袋及開袋操作。與其他套袋裝置的套袋要求不同，由于受出料筒尺寸的限制，青貯袋要求張開的袋口尺寸較大，現有的開袋機構無法完成，因此需要有一個撐口機構。而且青貯袋在套袋過程中，袋子要完全套在出料筒上，即袋子的底部要套到出料筒口部，偏差不超過10 mm。由此可見，所研究的自動套袋裝置，其主要功能是將袋子撐開口的同時，準確地將袋子整體套到出料筒上。所以該裝置主要由撐口機構及套袋機構組成。

2 撐口機構設計

2.1 撐口工藝方案選擇

青貯袋的撐口是整個套袋作業的重要環節，撐口質量的好壞直接關系到青貯袋能否順利套在出料筒上。撐口機構的功能就是將青貯袋內腔撐開成青飼機出料筒的截面形狀，即一個長方形，以便于將其套在出料筒上。目前，常見的撐口方案主要有往兩側撐開和從中間撐開兩種。其中，往兩側撐開就是在青貯袋袋口兩側同時施加一定的拉力，將袋口撐開，可以利用真空吸力、靜電吸力以及膠棒的粘附力實現。從中間撐開是從青貯袋袋口的中間向兩側或四周同時施加一定的推力將袋口撐開，最常見的是通過一個機械手由袋口內部往外撐開袋口。

因為對袋子撐口尺寸及形狀有較嚴格的要求，采用第一種方法實現起來比較困難，所以選擇方案二從中間撐開的方式，即要求撐口機構要從袋口中心向四周運動，從幾何圖形來看，是一個面積放大的過程。為此，可以選擇一個平面放縮機構來實現。圖1為通過4個移動副將4根桿件連接構成的純移動副放縮機構，顯然，這是一個閉環結構，當4根桿件由中心向四周移動時可構成一個長方形。圖2為直桿剪叉式放縮機構，由剛性連桿和鉸接轉動副構成，稱為純轉動副放縮機構，當4根桿件沿中心軸的方向放縮可構成一個長方形。

圖1 純移動副放縮機構 圖2 直桿剪叉式放縮機構

純轉動副放縮機構易于設計安裝，但放縮部分的邊緣不平滑；而純移動副放縮機構在進行放縮的過程中邊緣較平滑，且移動副的強度大，結構較簡單。為此，選擇純移動副的放縮機構。

2.2 撐口機構結構設計

對前述的純移動副放縮機構進行變形，得到如圖3所示的機構。該機構由8根桿件組成，其中4根桿件由中間支撐座連接在一起，位置固定，相鄰桿件間夾角為90°，可認為是一個固定桿件；其他4根桿件分別與固定桿件中的1根通過移動副連接，為可移動桿件，當可移動桿件由中心向四角移動時，機構展開，面積放大。

圖3 變形的放縮機構 圖4 撐口機構 圖5 撐口機構前視圖

基于變形的純移動副放縮機構，將撐口機構的撐袋桿固定在可移動桿件上，添加驅動以及一些輔助結構，得到所設計的撐口機構，如圖4所示，其執行部件為4個完全相同的撐袋桿，由氣缸驅動。為保證4個撐袋桿能夠同步運動，氣缸與移動副之間通過中間連接桿連接。驅動氣缸、放縮機構以及執行機構安裝在U型支架上，支架可沿底座的滑軌前后滑動，實現撐袋桿的向前伸出和向后縮回。當撐袋桿向前伸進袋子，在驅動氣缸的作用下，放縮機構展開，即撐袋桿從長方形中心沿對角線方向運動到四角，從而將青貯袋完全撐開。圖5為放縮機構展開狀態時撐口機構的前視圖，圖中長方形線框所示為撐袋桿形成的圖形，即青貯袋所要求的袋口撐開形狀。

3 套袋機構設計

3.1 自動套袋工藝過程

受設備現有結構及空間限制，設計的青貯袋的撐口操作通過撐口機構在撐袋工位完成，而套袋操作要在套袋工位，即出料筒上進行。為便于操作，撐口機構的撐口工位和出料筒開始套袋工位在同一平面內，如圖6所示。由于機械結構的限制，所設計的撐口機構無法實現送袋到套袋工位的操作，只能由套袋機構從撐口工位去取袋，然后回到套袋工位進行套袋。

1-撐袋桿;2-青貯袋;3-出料筒

因為出料筒位置固定不變，最簡單的套袋方式仍是將袋子沿著筒長度方向移動。但與傳統袋裝[12]的套袋要求不同，青貯機套袋一定要保證袋子完全套在出料筒上，即袋子的底部要套到出料筒口部，受機構尺寸及安裝空間的限制，一次套袋達不到設計要求的袋長，所以采用兩次套袋的方案，套袋的工藝流程如圖7所示。

圖7 套袋工藝過程

自動套袋的基本工藝過程如下：

(1) 取袋。包括：①套袋機構移動到撐口工位，其上的取袋機械手呈張開狀態，準備取袋；②取袋機械手逐漸閉合，握住撐口機構的撐袋桿及青貯袋四角；③撐袋桿從取袋機械手中向后退出，取袋完成。

(2) 袋子傳送。套袋機構攜帶青貯袋平移到套袋工位，準備一次套袋。

(3) 一次套袋。如圖7中第④步，套袋機構沿出料筒后移，取袋機械手將青貯袋套上出料筒一定的長度，期間套袋機構上的取袋機械手始終呈閉合狀態。

(4) 二次套袋。包括：⑤一次套袋結束后，取袋機械手張開，套袋機構沿出料筒回移，此時，青貯袋已套上出料筒；⑥套袋機械手擺動到套袋工位進行二次套袋，使青貯袋完全套上出料筒。

經過上述操作后，兩次套袋的長度之和即為整個青貯袋的袋長。

3.2 套袋機構結構設計

圖8為所設計的套袋機構，其主要由滑軌1、懸梁2、凹形擺動機構5和安裝在其上的取袋機械手3和套袋機械手4組成。其中，滑軌固定在青飼機機體上，懸梁可沿滑軌橫向移動，實現套袋機構在撐袋口工位和套袋工位的位置切換，擺動機構底板呈凹形，且其開口朝下，以適應出料筒尺寸，它既可以繞懸梁上下擺動又可以沿懸梁縱向移動。

取袋機械手和套袋機械手都安裝在凹形擺動機構上。取袋機械手由4個開閉型氣爪和8個弧形手指組成，開閉型氣爪通過固定安裝支點安裝在凹形擺動機構底板內側四個角位置，每兩個弧形手指為一組安裝在氣爪端部。當兩個手指閉合時，可形成一個完整圓形，且其內徑尺寸比撐袋桿外徑稍大。套袋機械手由擺動桿、平行四邊形機構和壓力爪組成，如圖9所示。

每兩個壓力爪為一組，安裝在擺動桿端部，通過連接桿連接兩個平行四邊形機構，再由鉸接在擺動機構上的氣缸驅動，實現同步運動。在擺動機構上，四個爪的方向與出料筒的四個角相對應。氣缸驅動兩側的平行四邊形機構，四個壓力爪就會分別壓在出料筒的四個角位置，靠摩擦力進行二次套袋操作。

1-滑軌;2-懸梁;3-取袋機械手;4-套袋機械手;5-凹形擺動機構

1-壓力爪；2-連接桿；3-擺動桿；4-氣缸；5-平行四邊形機構

4 機構裝配

為縮短設計開發周期，在機械產品設計研發過程中，運用虛擬裝配技術可以對各組成部件進行裝配與仿真，并進行可行性分析與驗證。在對自動套袋工藝過程及套袋方案分析的基礎上，在Creo軟件中對各組成機構進行實體建模與虛擬裝配，整體結構的裝配模型如圖10所示。通過牽引各機構運動，能夠達到預定位置，并未發現運動干涉現象。由此可見，各機構的設計符合設計要求。

圖10 自動套袋機構的實體裝配模型

5 結語

(1) 基于現有青飼料收獲機的工作原理及特點，參考人工套袋的過程，對自動套袋工藝方案進行了設計，包括取袋、一次套袋和二次套袋，工藝簡單、可行。

(2) 在自動套袋過程中，兩次套袋操作的原理不盡相同。第一次是通過取袋機械手弧形手指握持套袋，就如同人工套袋一樣；第二次是通過套袋機械手的壓力爪與青貯袋之間產生的摩擦力來實現套袋。

(3) 采用模塊化設計方法，對自動套袋裝置的撐口機構和套袋機構進行了結構設計，撐口機構選用放縮機構，套袋機構的取袋機械手和套袋機械手在一個擺動機構上，結構緊湊，具體尺寸參數可根據實際設備情況進行調整，以適應不同機型。

(4) 通過在Creo軟件中進行裝配與仿真，驗證了方案的可行性，所設計的工藝方案和機械機構為解決青飼機塊狀物料袋裝過程的自動化提供了一定的理論參考與技術支持。