食品數(shù)控點粘機的研究

黃菊生，劉軍安，李建軍 ，盧利亞

（1.湖南工程學院 機械工程學院，湖南 411101；2.湖南省教育廳教育科學院，湖南 410205）

0 引言

食品機械現(xiàn)代化的程度是衡量一個國家食品工業(yè)發(fā)展的重要標志，它直接關(guān)系到食品制造業(yè)和加工業(yè)產(chǎn)品的科技含量以及食品深加工附加值的高低，同時，食品工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展必然帶動食品機械行業(yè)的發(fā)展。食品機械種類十分繁多，發(fā)達國家食品機械的品種多達3000種，我國大約1800種。我國還是個食品加工業(yè)大國而非食品業(yè)強國，因為支撐這一行業(yè)的機械制造業(yè)，尤其是自主裝備研發(fā)能力依然不強。食品數(shù)控點粘機是通過對自動控制、工業(yè)機械手、曲面生成算法、控制節(jié)點反求、軟件二次開發(fā)等技術(shù)的綜合應用，創(chuàng)新設計出的一種新型農(nóng)副產(chǎn)品自動化深加工機械，對我國豐富的農(nóng)林業(yè)干果資源進行藝術(shù)深加工，將各種干果點粘到不規(guī)則曲面的糕點上，生產(chǎn)出各式各樣基于曲面造型的藝術(shù)干果糕點，為提高我國農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)濟附加值提供一種新途徑[1]。

1 總體結(jié)構(gòu)

食品數(shù)控點粘機用于將干果多角度粘附于各種形狀的糕點表面上。它包括一臺垂直于水平面運動的支撐液壓缸，一臺沿水平面旋轉(zhuǎn)的單葉片擺動液壓缸，一臺沿垂直面旋轉(zhuǎn)的齒輪齒條擺動液壓缸，一臺沿水平面移動的推進液壓缸，一個磁控矩陣吸盤組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。各液壓缸和矩陣吸盤由自動控制系統(tǒng)控制，通過控制支撐液壓缸實現(xiàn)總體Y方向上的收放調(diào)整，通過控制推進液壓缸實現(xiàn)機械手臂水平方向上的移動，通過控制單葉片擺動液壓缸實現(xiàn)總體水平面120度內(nèi)回轉(zhuǎn)，通過控制齒輪齒條擺動液壓缸實現(xiàn)機械手臂豎直平面180度內(nèi)回轉(zhuǎn)，通過控制電磁鐵得失電實現(xiàn)吸盤吸附、鑲嵌的動作。也可以是以上運動的復合運動，從而實現(xiàn)機械手的多自由度運動控制、干果的多角度點粘。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，垂直于水平面運動的支撐液壓缸通過活塞桿伸出端的頂部與沿水平面旋轉(zhuǎn)的單葉片擺動液壓缸機座底部通過花鍵連接，單葉片擺動液壓缸的水平面擺動的葉片與垂直于水平面的擺動軸連接，擺動軸的伸出端頂部與沿垂直面旋轉(zhuǎn)的齒輪齒條擺動液壓缸支撐架底部通過花鍵連接，齒輪齒條擺動液壓缸橫向齒輪軸的伸出端與一導軌通過導軌前端一側(cè)的孔鍵相連，導軌的后端安裝有一沿水平面移動的推進液壓缸，推進液壓缸活塞桿通過一連接體活動套裝于導軌上，連接體另一側(cè)與豎直機械手臂桿相連，機械手臂桿底部通過連接體固連一個磁控矩陣吸盤。

2 磁控矩陣吸盤

矩陣吸盤是點粘機的執(zhí)行機構(gòu)，是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。由于傳統(tǒng)機械手逐個夾取干果效率低下，本系統(tǒng)采用4×4矩陣吸盤結(jié)構(gòu)，能夠適應大面積的的干果鑲嵌，效率高且橡膠吸盤可以適用不同的工作表面，很適合對干果進行吸附。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磁控矩陣吸盤

矩陣吸盤外殼內(nèi)由16根直角形吸管組成，構(gòu)成4×4矩陣點粘機構(gòu)。每根直角形吸管的兩端均設置有電磁機構(gòu)，分別用于控制吸管的伸縮和干果實物的點粘吸放。在直角形吸管垂直于水平面的一端外，套裝有一截伸縮管，通過電磁機構(gòu)控制其伸縮。其伸縮管的底端固連吸盤，上端設有銜鐵，中端外部為電磁線圈，上端與銜鐵之間設有復位彈簧。其電磁線圈通電，銜鐵下移壓縮復位彈簧，帶動伸縮管及吸盤向下伸出；電磁線圈斷電，銜鐵在復位彈簧作用下復位，伸縮管及吸盤向上縮回。直角形吸管平行于水平面的一端內(nèi)，套裝有一截伸縮桿，通過電磁機構(gòu)控制其移動，實現(xiàn)干果實物的吸放。其伸縮桿的外端固連有銜鐵，內(nèi)端固連一橡皮塞，中端吸管外設有電磁線圈，電磁線圈與銜鐵之間設有復位彈簧。其電磁線圈通電，銜鐵向左運動壓縮復位彈簧，帶動伸縮桿和橡皮塞通過直角形吸管排出空氣，使吸盤不吸附實物；電磁線圈斷電，復位彈簧使銜鐵向右運動帶動橡皮塞吸氣，使吸盤吸附實物。

采用矩陣吸盤既可以實現(xiàn)大面積、曲度比較小的工作面的干果鑲嵌，也可以對每一個吸盤進行單獨控制，即通過電磁線圈的通斷電來吸放銜鐵使伸縮管帶動吸盤伸縮，從而實現(xiàn)各種特殊部位的干果鑲嵌點粘，及在復雜曲面的立體糕點表面進行藝術(shù)干果的柔性點粘造型。

3 點粘路徑及控制算法

用Pro/E Wildfi re作點粘數(shù)據(jù)模型三維造型軟件，用Pro/Toolkit作二次開發(fā)工具，通過運用Pro/Toolkit對Pro/E Wildfi re的二次開發(fā)，為三維干果點粘機進行數(shù)控軟件開發(fā)。

點粘數(shù)據(jù)模型用三維造型軟件生成，但僅有曲面模型，無法完成后期矩陣吸盤所需要的曲面節(jié)點及路徑的點粘節(jié)點及控制路徑的生成，因此，必須進一步反求出各個吸盤的控制節(jié)點的坐標和路徑。具體方法是根據(jù)糕點曲面輪廓算出相應的控制節(jié)點，并把控制節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應的曲面節(jié)點矩陣模型，從數(shù)學角度完成節(jié)點的計算和磁控吸盤的位置控制。

Pro/Toolkit是Pro/E自帶的功能強大的二次開發(fā)工具，封裝了許多針對Pro/E底層資源調(diào)用的庫函數(shù)與頭文件，借助第三方編譯環(huán)境（C、VC等）進行調(diào)試。用Pro/Toolkit提供的用戶界面對話框（簡稱UI對話框）技術(shù)，在Pro/Toolkit應用程序中設計出風格與Pro/E Wildfi re系統(tǒng)具有的對話框相似的人機交互界面。UI設計包括對話框資源文件和相應的控制程序。對話框資源文件用ASCⅡ碼文本格式編寫，定義對話框的組成、外觀和屬性。控制程序用C++編寫，用來在Pro/E Wildfi re環(huán)境裝入對話框資源、顯示對話框、設置動作等。利用Pro/Toolkit進行界面設計的基本步驟為：1）編寫源文件及資源文件，包括菜單資源文件、窗口資源文件和對話框資源文件等；2）生成可執(zhí)行文件（DLL動態(tài)鏈接庫）；3）在Pro/E Wildfi re中注冊并運行。采用Pro/Toolkit和VC++6.0二次開發(fā)工具的點粘軟件開發(fā)流程如圖3所示[2!5]。

圖3 軟件開發(fā)流程圖

根據(jù)圖3的軟件開發(fā)流程，在完成菜單界面和點粘刀具及路徑算法設計后，根據(jù)在通用三維軟件內(nèi)生成的曲面模型，自動完成干果的點粘控制節(jié)點及路徑的生成，具體步驟如下：

在Pro/E Wildfi re中注冊并運行吸盤刀具庫程序，進入加工界面對話框，在“點粘刀具庫”菜單中選“生成點粘刀具庫文件”，在彈出的“點粘刀具”對話框中，選定吸盤刀具，在“點粘刀具參數(shù)設置”對話框中設置好刀具參數(shù)，即可自動根據(jù)干果點粘的曲面輪廓，生成點粘數(shù)控節(jié)點及路徑，程序運行結(jié)果如圖4 !圖6所示。

圖4 點粘路徑（Ⅰ）

圖5 點粘路徑（Ⅱ）

圖6 點粘路徑（Ⅲ）

4 結(jié)束語

點粘機是一種創(chuàng)新型自動化農(nóng)副產(chǎn)品深加工設備，該技術(shù)的深入研究與商業(yè)開發(fā)，對我國豐富的農(nóng)林業(yè)干果資源的藝術(shù)深加工、提高我國農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)濟附加值和增強國際市場競爭力提供了一種新途徑。

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