自動(dòng)加工生產(chǎn)線的上料機(jī)械設(shè)計(jì)和仿真

陶帥

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院 遼寧遼陽(yáng) 111000）

上料作為我國(guó)農(nóng)副產(chǎn)品加工的重要一環(huán)，多使用人工或者半自動(dòng)裝置，對(duì)一般農(nóng)副產(chǎn)品如稻谷等，加工需要利用料斗傾斜式的半自動(dòng)上料方法。但對(duì)雞蛋、桃子等容易破損的農(nóng)副產(chǎn)品加工時(shí)，還需要依賴傳統(tǒng)人工上料方法，導(dǎo)致工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，且生產(chǎn)效率不掛鉤，無法滿足新時(shí)期自動(dòng)化、規(guī)模化、智能化生產(chǎn)線需求。國(guó)外部分發(fā)達(dá)國(guó)家早已開始研究大規(guī)模自動(dòng)上料機(jī)械，并獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)上料機(jī)械是雞蛋自動(dòng)加工生產(chǎn)線過程中比較關(guān)鍵的一環(huán)，有利于解決雞蛋加工環(huán)節(jié)人工上料存在的不足之處，如生產(chǎn)效率偏低、人畜共患疾病等問題。但國(guó)內(nèi)自動(dòng)上料機(jī)械自動(dòng)化、生產(chǎn)效率均比較低，產(chǎn)品質(zhì)量并不穩(wěn)定。有學(xué)者研究指出，在雞蛋生產(chǎn)線上的上料裝置，其可通過吸盤上料當(dāng)作自動(dòng)上料機(jī)械手末端執(zhí)行設(shè)備［1］。本文以雞蛋上料機(jī)械為對(duì)象，對(duì)其原理、主要部件等部分展開介紹，不僅可以縮短上料機(jī)械樣機(jī)試制周期，也能為上料樣機(jī)安裝提供一定的參考。

1 自動(dòng)加工生產(chǎn)線上料機(jī)械概述

雞蛋自動(dòng)加工生產(chǎn)線上料裝置主要由蛋盤分類回收、吸盤擺臂等設(shè)備組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。蛋盤分類回收主要包含空蛋盤堆垛、非空蛋盤輸送等；吸盤擺臂則由曲柄遙桿及一對(duì)齒輪放大機(jī)構(gòu)構(gòu)成，能確保吸盤組件時(shí)間運(yùn)動(dòng)中一直處在水平條件下同步帶角度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。載蛋盤裝置通過模塊帶進(jìn)行輸送，對(duì)載滿雞蛋的蛋盤進(jìn)行恰當(dāng)?shù)亩ㄎ弧Ｒ劳腥斯ぃ瑢⒄P雞蛋放在傳送設(shè)備之上，雞蛋跟隨著運(yùn)動(dòng)進(jìn)入吸蛋位置，吸盤擺臂將其運(yùn)動(dòng)到雞蛋上方，向下垂直。由電氣系統(tǒng)恰當(dāng)控制下吸盤吸氣，吸取整盤的雞蛋。該裝置能夠一次吸取兩盤雞蛋（60枚），蛋盤借助載蛋盤傳送設(shè)施受到作用的影響將載蛋盤傳輸至模塊帶上，直到運(yùn)動(dòng)至蛋盤分類回收處。在吸盤擺臂對(duì)雞蛋進(jìn)行吸取后，由于齒輪放大、曲柄遙桿等方面的影響，快速完成吸蛋擺放操作。這一環(huán)節(jié)中，由于受到縱向氣缸驅(qū)動(dòng)帶來的影響，兩盤蛋縱向分開適當(dāng)?shù)木嚯x。受到橫向氣缸驅(qū)動(dòng)的影響，滑塊分合機(jī)構(gòu)可以把每一盤雞蛋5 列橫向分開，達(dá)到雞蛋加工生產(chǎn)線中傳送蛋棍的間距要求。以上操作順利完成后，借助電力系統(tǒng)把吸盤吸氣閥進(jìn)行關(guān)閉，吸盤與大氣相連。因重力的影響，雞蛋自動(dòng)落至加工生產(chǎn)線中，隨之，吸盤擺臂設(shè)備回到吸蛋處，復(fù)位各吸嘴，準(zhǔn)備進(jìn)行下次吸蛋操作，整個(gè)上料周期完成。

圖1 上料機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 上料機(jī)械主要部件設(shè)計(jì)

2.1 蛋盤輸送設(shè)計(jì)

自動(dòng)上料機(jī)械若無法確保原材料持續(xù)不斷的供給，就不能稱為自動(dòng)上料機(jī)械［2］。雞蛋自動(dòng)加工生產(chǎn)線上料機(jī)械也不例外，為確保整盤雞蛋連續(xù)輸送至雞蛋裝置下，必須配置運(yùn)行穩(wěn)定、速度適當(dāng)及與已有蛋盤相互匹配的輸送系統(tǒng)，蛋盤輸送部分如圖2所示。

圖2 蛋盤輸送部分簡(jiǎn)圖

蛋盤需要在輸送鏈條下進(jìn)行向前運(yùn)動(dòng)，這種狀況下，要確保蛋盤與鏈條一同運(yùn)動(dòng)，不會(huì)將蛋盤拉傾斜或者翻倒。因紙質(zhì)蛋盤耐磨性不佳，極易發(fā)生損毀，因此，本次所用蛋盤均為塑料蛋盤。為確保蛋盤實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中與輸送機(jī)架保持平行，按照塑料蛋盤的形狀設(shè)計(jì)出支撐三角棍（見圖3），它們對(duì)稱安裝在蛋盤輸送機(jī)架上。加之，單排鏈條難以有效帶動(dòng)蛋盤向前移動(dòng)，此處，設(shè)計(jì)蛋盤卡棍將其固定到輸送鏈條上，蛋盤卡棍受到帶動(dòng)推進(jìn)蛋盤就會(huì)向前運(yùn)動(dòng)。

圖3 蛋盤支撐三角棍

2.2 吸盤擺動(dòng)部分

吸蛋設(shè)備必須在輸送機(jī)架與打蛋機(jī)間開展往復(fù)擺動(dòng)，從而把曲柄搖桿連續(xù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)閾u桿往復(fù)擺動(dòng)。基于此，設(shè)計(jì)相應(yīng)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)開展吸蛋往復(fù)操作。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)見圖4。

圖4 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)示意圖

曲柄搖桿不同桿長(zhǎng)計(jì)算如下：當(dāng)擺臂的長(zhǎng)度是（L）564mm，如果吸盤擺動(dòng)至蛋盤上部進(jìn)行吸蛋操作，上頂點(diǎn)與輸送機(jī)架間的高度（h）為96mm，基于此，獲得吸蛋裝置擺角（?）為162o，擺臂齒輪與擺臂進(jìn)行固定連接，而擺臂齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角事實(shí)上為擺臂擺動(dòng)角度，因兩個(gè)齒輪齒數(shù)之比為1：3，因此，搖桿固定齒輪擺角就是擺臂擺角的1/3，ψ=54o。此處，行程速度系數(shù)K為1.03，得到：

根據(jù)上述式子，代入K值，獲得極位夾角?=2.6o。

2.3 蛋盤回收部分

因吸蛋設(shè)備設(shè)計(jì)的吸嘴主要通過氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，任意系統(tǒng)并非絕對(duì)穩(wěn)定，有可能出現(xiàn)雞蛋并未完全被蛋盤吸起的情況。基于此，設(shè)計(jì)所需的蛋盤回收裝置。而空蛋盤、非空蛋盤若混合在一起，非空蛋盤僅占少數(shù)，這種情況下，必須將非空蛋盤上的雞蛋及時(shí)挑出來，這會(huì)引起不必要的麻煩，在一定程度上加大額外工作量。如果想及時(shí)回收空蛋盤、非空蛋盤，有效降低工作人員的工作量，必須設(shè)計(jì)空蛋盤及非空蛋盤這兩類回收設(shè)備。

蛋盤回收操作原理如下：若蛋盤通過測(cè)蛋擋板時(shí)，當(dāng)?shù)氨P上缺少雞蛋，并未觸動(dòng)相應(yīng)的擋板，與其緊挨著的傳感器并未觸發(fā)。如果蛋盤運(yùn)動(dòng)至收集架下方，控制系統(tǒng)及時(shí)開啟頂起氣缸，蛋盤頂至空蛋盤收集架實(shí)現(xiàn)回收空蛋盤操作［3-4］。對(duì)蛋盤進(jìn)行回收時(shí)，檢測(cè)蛋盤是否有遺留雞蛋裝置具有重要的意義，它能夠準(zhǔn)確檢測(cè)蛋盤是否遺留雞蛋，與推走、頂起氣缸運(yùn)動(dòng)存在密切的聯(lián)系。按照蛋盤尺寸，設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)蛋擋板，蛋盤中蛋與蛋兩者的距離、齒與齒的中心距均為50mm，而測(cè)蛋擋板上配置的U 型孔其中心距為25mm［5］。依據(jù)雞蛋情況，恰當(dāng)調(diào)整其安裝高度，便于提升檢測(cè)效率。

檢測(cè)雞蛋裝置工作原理為：若蛋盤存在雞蛋，雞蛋及時(shí)觸動(dòng)測(cè)蛋擋板中5 個(gè)齒中的任何一個(gè)，從而帶動(dòng)著傳感器連接件開展運(yùn)動(dòng)，順利實(shí)現(xiàn)雞蛋檢測(cè)功能。

3 整體仿真研究

虛擬樣機(jī)就是集合不同新興技術(shù)為一體的類型，對(duì)仿真技術(shù)以及制造信息實(shí)施集成處理，上述技術(shù)用在全生命周期比較復(fù)雜的系統(tǒng)內(nèi)，便于對(duì)系統(tǒng)開展全面的管理。對(duì)雞蛋自動(dòng)上料機(jī)所有機(jī)械設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)開展仿真分析［6］。開展仿真操作基礎(chǔ)在于創(chuàng)建新的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，在UG 內(nèi)打開裝配完成的三維圖，單擊開始按鈕，隨之下拉菜單選定“運(yùn)動(dòng)仿真”命令，順利進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真模塊。對(duì)上料機(jī)械開展仿真研究，現(xiàn)場(chǎng)使用量角器、加速度儀、直尺等檢測(cè)上料裝置擺桿末端最大水平度Vx、水平及垂直位移x、y、垂直速度Vy等指標(biāo)情況，及其獲取最大數(shù)值時(shí)曲柄相對(duì)位置角（?x、?vx、?ɑx、?y、?vy、?ɑy），與獲取的仿真數(shù)據(jù)展開對(duì)比，見表1。通過運(yùn)動(dòng)仿真研究，能有效優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)各零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行完善處理，進(jìn)一步確定這些部件的參數(shù)信息。通過分析發(fā)現(xiàn)，仿真數(shù)值與實(shí)測(cè)值大致相同，位移出現(xiàn)較小的誤差是由于測(cè)量精度引起的；角度存在微小誤差，除受到測(cè)量精度的影響外，零部件運(yùn)動(dòng)過程中受力變形也是常見的因素。

表1 比較仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雞蛋自進(jìn)料至包裝均通過單個(gè)、不接觸人的處理，展現(xiàn)出操作簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。雞蛋自動(dòng)上料機(jī)械使用吸盤自動(dòng)上料裝置完成自動(dòng)上料操作，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)對(duì)吸蛋裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，順利實(shí)現(xiàn)吸蛋、放蛋操作。本文在闡述雞蛋自動(dòng)上料機(jī)械工作原理基礎(chǔ)上，介紹吸盤擺動(dòng)、蛋盤回收等部分設(shè)計(jì)情況，對(duì)雞蛋自動(dòng)上料機(jī)械仿真結(jié)果證實(shí)，各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)仿真與樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)值存在較小的誤差，表明理論分析及仿真結(jié)果的正確性、實(shí)用性。