一種全自動蛋皮機的設計研究

潘紅恩，徐紅金，黃旭宸，錢鵬

(南京信息職業技術學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

中國人的餐桌上通常不缺各式各樣豐盛的美食，特別是雞蛋餅及其包裹成的風味小吃，讓人愛不釋手。一般人工制作蛋皮，生產效率低，規模不大，衛生也難以保證。

平面轉盤式蛋皮機體積比較大，難推廣；自調平蛋皮機蛋皮成型棍是豎直的，蛋液不容易粘牢，容易脫落[1]。

本文設計的是一種平面轉盤式的蛋皮機，體積小、使用簡單方便。文中主要介紹項目整體方案，闡述全自動蛋皮機設計的三維建模及運動技術方案，最后通過運動仿真驗證蛋皮機的功能。

1 蛋皮機整體方案設計

項目設計方案如圖1所示，所研究的是一種能自動上下料、實用新型的全自動蛋皮機。設計方案主要包括三大部件：動力源裝置、蛋皮機主體、機械手抓取裝置。動力源部分為蛋皮機的運轉提供動力，可以選擇一個小型的動力泵提供能源。執行部分是蛋皮機的主體部分，由傳動鏈、送料裝置、驅動機構、轉子、機架和電餅鐺等組成。所設計的關節式機械手抓取裝置能夠實現吸取、安放、搬運蛋餅等功能。三大部件通過各機械部件的設計、三維建模、裝配及運動仿真，并完成整體調試運動仿真，達到全自動蛋皮機設計要求。

圖1 整體設計方案

2 蛋皮機的設計、三維建模及裝配

2.1 蛋皮機主體設計及三維建模

如圖2所示，蛋皮機主要包括機架、轉子、傳動鏈、送料裝置、電餅鐺、驅動機構和墊臺。項目實施中采用6個電餅鐺18個工位的方案，設計原理如下。

1—機架；2—轉子；3—傳動鏈；4—送料裝置；5—電餅鐺；6—驅動機構；7—墊臺。

轉子主要由左板、空心轉軸和右板組成。左板和右板由空心轉軸的兩端垂直連接。轉子安放在機架上，轉子上裝有電餅鐺，電餅鐺之間由傳動鏈連接。機架上設計有驅動機構，驅動傳動鏈動作。

送料裝置主要由定量主輸送管、控制箱、輸送泵、料桶、至少一根分輸送管、與分輸送管數量相等的噴頭上殼、上料電機和與噴頭上殼數量相等的均料網等組成。送料裝置設置在機架外側，把蛋液輸入電餅鐺內的每個工位。

機架包括左立板、底板和右立板。底板的兩端垂直安裝有左、右立板，左右立板對稱設置；左固定套垂直于板面設計在左立板的上部板面內側面上，左固定套與左立板相通；固定鏈輪設置在左固定套上，固定鏈輪靠近左立板的板面處，并設滾動件；在左固定套內固定安裝絕緣套且絕緣套伸出左固定套，在伸出左固定套的絕緣套外表面上裝有第一和第二耐磨銅套，且由導線連接。左右固定套同軸。在右固定套的孔內通過軸承支承轉軸。

驅動機構設計有第一帶輪、第二帶輪、電機和同步帶。電機固定在底板的背面，位于右立板的下方，電機軸上裝有第一帶輪，通過同步帶帶動第二帶輪，第二帶輪安裝在右立板端部。

電餅鐺主要由左耳、右耳、加熱盤、電餅鐺右電刷盤、電加熱管、電餅鐺左電刷盤、保溫托、右軸、左軸和同步鏈輪組成。在加熱盤的表面上有內凹鍋面，在加熱盤的下方設有電加熱管，電加熱管位于保溫托內，保溫托連接加熱盤，加熱盤的左右兩端伸出形成加熱管左右端；加熱盤的左右兩端設有左右耳，左軸垂直于左耳的外側面，在左軸上有絕緣套，電餅鐺左電刷盤安裝在左軸的絕緣套上，電餅鐺左電刷盤與加熱管左端由電連接；左軸的端部裝有同步鏈輪，同步鏈輪位于左板的外側；左板上的固定軸套與左軸的軸套孔相配；右軸垂直于右耳的外側面，在右軸上裝有絕緣套，右軸的絕緣套上裝有電餅鐺右電刷盤，加熱管右端與電餅鐺右電刷盤由電連接，右板上的固定軸套與右軸的軸套孔相配。

傳動鏈設計有第一、第二鏈條和從動鏈輪。固定鏈輪與電餅鐺左軸上相同齒數的從動鏈輪由第二鏈條連接在機架上，保持電餅鐺鍋面的平動；第一鏈條連接所有電餅鐺左軸上的同步鏈輪，這樣轉子上的所有電餅鐺都保持平動[2]。

2.2 蛋皮機主要部件的有限元分析

固定鏈輪是蛋皮機中不可缺少的傳動部件，它的強度直接影響到蛋皮機的安全可靠性，故有必要對其進行有效靜力學分析。將建立好的固定鏈輪模型導入ANSYS Mechanical中，通過加載約束(在固定鏈輪的兩側施加一個位移的約束)，應力分析(鏈輪的接觸面施加壓力)，固定鏈輪的位移圖和總應力如圖3所示(紅色表示位移大，藍色最小)。固定鏈輪安全可靠(本刊為黑白印刷，若有疑問可咨詢作者)。

圖3 固定鏈輪位移圖和總應力圖

2.3 抓取機械手控制系統

抓取機械手的執行機構由底座、立柱、電機、大臂、小臂、手腕、吸盤、氣缸和活塞等組成。機械手的驅動系統由氣動裝置來驅動，主要是依靠機械手各部位的活塞通過氣壓來進行運動[3]。采用可編程序控制器(PLC)設計機械手的控制系統。機械手吸取和擺放蛋皮的動作過程如圖4所示。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，這時蛋皮機暫停，機械手抓取吸盤移動到蛋皮上，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，吸盤把蛋皮移動至桌上，吸力取消，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[4]。

圖4 機械手動作示意圖

2.4 蛋皮機的虛擬裝配

圖5所示為蛋皮機的整體裝配圖，三大部分之間的關系為：送料裝置通過輸送泵(未畫出)由輸送管將蛋液輸送到噴頭，蛋液均勻輸送到位于下方的電餅鐺工位內，經由電餅鐺加熱后，機械手從吸盤中取出。

圖5 蛋皮機的整體裝配圖

3 蛋皮機的工作過程

蛋皮機的工作流程如圖6所示。首先制作好蛋液，并將蛋液加入與送料裝置相連的料桶內。總開關上電，通過控制器(未畫出)，動力源泵通電，啟動上料裝置，機架開始旋轉，同時電餅鐺加熱電源啟動，轉子轉動電機。蛋液開始從備料箱經過輸送泵的自吸原理輸送到管道中，經過流量控制器，可顯示已經流動的原材料量的多少。當流量達到設定值時，流量控制系統反饋到主控制器中，泵停止工作。90°閥默認開啟，蛋液經過輸送管進入噴頭中。在電餅鐺短暫處于最高位即噴頭下方時(定義此位置為第1工位，本實施例中有6個電餅鐺，定義轉子轉動1圈，就經過了6個工位)，輸送泵送料，蛋液下落到鍋面內工位，逆時針向后轉動轉子，電餅鐺運動到第6工位時，蛋餅已經成品，機械手吸取出蛋餅，退回到安全工位，同時發送反饋信號給控制器，結束一個工作流程[2]。

圖6 工作流程圖

4 蛋皮機的運動仿真

利用UG/Motion的功能給蛋皮機三維實體模型的各個部件賦予一定的運動學特性，建立運動仿真模型[5]。通過對蛋皮機運動機構的裝配分析和運動合理性分析，驗證了運動機構設計是合理的，運動解算方案求解操作結果如圖7所示。

圖7 運動解算方案求解操作結果圖

5 結語

文中闡述了全自動蛋皮機的設計方案，主要對蛋皮機主體部分進行結構設計和三維建模，并對三大部件動力源裝置、蛋皮機主體、機械手抓取裝置進行裝配和運動仿真，說明了蛋皮機的整個工作過程，并對蛋皮機主要部件進行有限元分析。通過以上仿真實驗，說明此蛋皮機理論設計可行。在實際的生產轉化過程中，根據所遇到的問題，還可以進一步優化。