多流水線型定量供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李葉妮,陳吉鵬,陸 剛,陳水宣

(1.廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005)

多流水線型定量供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李葉妮1,2,陳吉鵬1,陸 剛1,陳水宣1

(1.廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005)

針對(duì)傳統(tǒng)的手排面加工設(shè)備自動(dòng)化程度不高的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于伺服系統(tǒng)的多流水線型定量供料系統(tǒng)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的面條加工機(jī)械和技術(shù)，將不同類型的流水線機(jī)構(gòu)引入手排面的加工過程中，完成了定量供料系統(tǒng)的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括存面機(jī)構(gòu)、運(yùn)面機(jī)構(gòu)、分面機(jī)構(gòu)、推桿機(jī)構(gòu)及流水線機(jī)構(gòu)等。通過上下位機(jī)實(shí)現(xiàn)電氣控制及伺服系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，完成快速切分等量手排面，并通過流水線自動(dòng)裝盤。該系統(tǒng)生產(chǎn)效率達(dá)到了18 000片/h，加工產(chǎn)量提升到670 kg/h。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果顯示：該系統(tǒng)生成效率高，具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

手排面；定量供料；多流水線；伺服系統(tǒng)

目前，手排面加工設(shè)備自動(dòng)化程度較低、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不夠合理等問題較為突出，自動(dòng)化設(shè)備的科技創(chuàng)新不可避免。在我國(guó)手排面的生產(chǎn)大體經(jīng)歷了“傳統(tǒng)的純手工制作—半機(jī)械化生產(chǎn)—引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行研究學(xué)習(xí)—基本實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化大量生產(chǎn)”的發(fā)展過程，但有些重要環(huán)節(jié)還是依賴手工作業(yè)。因此，手排面加工裝備的自主創(chuàng)新與發(fā)展對(duì)掛面行業(yè)的整體創(chuàng)新與發(fā)展至關(guān)重要[1-4]。

通過對(duì)手排面加工企業(yè)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普遍存在以下問題[5]：手工分面存在衛(wèi)生問題；手工分面裝盤效率低下，需要大量員工；手工分面所分面質(zhì)量不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定；

1 整機(jī)工作原理

手排面的生產(chǎn)流程包括以下步驟：上面、上水、拌面、熟化餳面、壓延、折條折花、蒸面、拉伸切斷、自動(dòng)入盒、高壓殺菌蒸面、烘干、風(fēng)冷、稱重包裝。概括手排面的制作工藝主要由3個(gè)步驟組成：面條成型加工、面條分段裝盒、面條烘干包裝[6-7]。本文研究的手排面定量供料系統(tǒng)屬于面條分段裝盒的工序，主要完成將蒸熟的長(zhǎng)段面條分段裝盒，所需分段的面條為高溫蒸熟的掛面，如圖1所示。蒸好的面條規(guī)格如下，寬×高=600 mm×660 mm，正片掛面的質(zhì)量約480 g/掛，經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的多流水線供料系統(tǒng)后獲得13份面條。由于蒸熟的面條送入本系統(tǒng)時(shí)是掛在鐵桿上的，經(jīng)過本系統(tǒng)切面分2段后，在掛桿上會(huì)殘余面條長(zhǎng)度約15 mm，因此切斷裝盤的面條每份長(zhǎng)度約320 mm，每份重約37 g。

根據(jù)面廠給出的生產(chǎn)要求和現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)出符合手排面生產(chǎn)所需的手排面自動(dòng)定量供料系統(tǒng)，設(shè)備的整體機(jī)構(gòu)如圖2所示。采用多流水線的結(jié)構(gòu)，主要包含存面流水線1，送面流水線2，以及包裝裝盤流水線3。其中存面流水線是存放蒸熟的掛面，送面流水線是將存放的掛面運(yùn)送到切刀的位置進(jìn)行定量切面供料，包裝裝盤流水線由工人將面條裝入6格的盒子中。整機(jī)系統(tǒng)結(jié)合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)流水線的聯(lián)動(dòng)控制及刀具的精確分段切面。

圖1 高溫蒸熟的掛面Fig.1 Hanging noodles steamed at high temperature

1.存面流水線； 2.分面流水線 ；3.裝盤流水線 圖2 手排面定量供料整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of quantitative feeding noodle system

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 存面機(jī)構(gòu)

手排面定量供料機(jī)正常運(yùn)行工作過程中，流水線的第一部分即存面機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，該部分需要實(shí)現(xiàn)高溫蒸熟的掛面穩(wěn)定送料，需要避免出現(xiàn)如各根掛面桿粘合、運(yùn)送速度慢、掛面桿卡桿等現(xiàn)象。

在存面機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)試制的過程中，經(jīng)過反復(fù)多次試驗(yàn)，優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的可行性。存面機(jī)構(gòu)如圖3所示，能實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、高效單根掛面運(yùn)輸。其機(jī)械設(shè)計(jì)主要的特點(diǎn)是利用兩個(gè)彈簧在存面機(jī)構(gòu)最前端，起到對(duì)位于最前端處掛面下壓作用；同時(shí)，當(dāng)最前端掛面被送面機(jī)構(gòu)兩個(gè)掛鉤運(yùn)送走，彈簧復(fù)位對(duì)下一根掛面下壓，保證送面機(jī)構(gòu)單根運(yùn)送，確保經(jīng)高溫蒸煮的掛面能夠不粘連地穩(wěn)定運(yùn)送至分面流水線上進(jìn)行分段定量供料。

1.稱重機(jī)構(gòu)； 2.鏈條1； 3.掛面； 4.傳感器1 ；5.彈簧1； 6.傳感器2 ；7.彈簧2 ； 8.傳感器3 ； 9.三相異步電機(jī)1； 10.傳感器4

圖3 存面機(jī)構(gòu)

Fig.3 Noodle cache structure diagram

2.2 送面機(jī)構(gòu)

送面機(jī)構(gòu)(圖4)采用鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)，通過送面機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)將存面機(jī)構(gòu)中存放的掛面運(yùn)送到分面機(jī)構(gòu)進(jìn)行定量分面。根據(jù)切面時(shí)間、掛面的長(zhǎng)度要求確定兩個(gè)掛面之間間隔是1 070 mm,鏈條總長(zhǎng)7 490 mm。在送面三相異步電機(jī)11啟動(dòng)下，每根掛面往前運(yùn)送，當(dāng)面到位傳感器15感應(yīng)到信號(hào)后，把采集到信號(hào)傳送給伺服系統(tǒng)作準(zhǔn)備，掛面會(huì)沿著軌道16往下運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)導(dǎo)軌加工精度與材料結(jié)構(gòu)要求高，必須確保軌道不變形且耐磨，并且掛面運(yùn)動(dòng)過程不能出現(xiàn)脫鉤現(xiàn)象，才能確保掛面定量分段且不卡桿。

11.三相異步電機(jī)；12.鏈條2； 13.空桿；14.擋板；15.傳感器5；16.軌道

圖4 送面機(jī)構(gòu)

Fig.4 Noodle delivery structure

2.3 分面機(jī)構(gòu)

由于蒸熟的掛面垂直長(zhǎng)度為660 mm，分段裝盤后需要再進(jìn)行烘干，人工分段時(shí)如果面條分得太短，烘干后容易松散，面條分得太長(zhǎng)，一盤面條就會(huì)超重。因此，需要設(shè)計(jì)一種合理的分面機(jī)構(gòu)，使得面條的切分符合產(chǎn)品的要求。

圖5為分面機(jī)構(gòu)，由伺服系統(tǒng)、齒輪組、輥刀、翻轉(zhuǎn)漏斗幾部份組成。為了滿足切斷后面條的長(zhǎng)度與重量的要求，需要切分13段等質(zhì)量的面條。分面裝置采用漏斗型的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)帶動(dòng)輥刀實(shí)現(xiàn)連續(xù)、快速、穩(wěn)定的切面，翻轉(zhuǎn)漏斗將被輥刀切落的面條等分，同時(shí)通過翻轉(zhuǎn)將掛于漏斗上的面條倒落。翻轉(zhuǎn)漏斗內(nèi)有5個(gè)小斗，4個(gè)大斗，經(jīng)過一次分面，一次翻轉(zhuǎn)后分面，即可將切斷的面條分成等量的13份。質(zhì)量誤差在5g以內(nèi)。

17.伺服電機(jī)；18.傳感器6； 19.輥刀；20.軸承；21.刀盤；22.齒輪；23.同步帶

圖5 分面機(jī)構(gòu)

Fig.5 Noodle cutting structure

3 主要機(jī)構(gòu)分析及計(jì)算

本文的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了手排面的定量分段加工，要求精確控制輥刀隨掛面以一定的速度運(yùn)動(dòng)。采用伺服電機(jī)的電子凸輪功能來實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)剪切。通過計(jì)算和分析，決定采用臺(tái)達(dá)ECMA伺服電機(jī)和ASDA-A2伺服驅(qū)動(dòng)器。

伺服電機(jī)的選型依據(jù)滾筒裝置(如圖6所示)計(jì)算，并通過關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算選擇合適的伺服電機(jī)。電機(jī)選型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖6 設(shè)備傳動(dòng)及選型計(jì)算原理Fig.6 The principle diagram of calculation of transmission and selection of equipment表1 電機(jī)選型計(jì)算參數(shù)Table.1 Motor type selection calculation parameter table

名稱符號(hào)數(shù)值單位JR減速比1/RN2工作臺(tái)移動(dòng)速度V3m/min單一行程移動(dòng)距離S220mm外力F0N滾輪擠壓工件反力FP62.5N滑軌摩擦系數(shù)μ0.1傳動(dòng)效率η0.81加速時(shí)間tA0.257s減速時(shí)間tD0.257s停止時(shí)間tS0s滾筒直徑DR140mm軸承直徑DS30mm滾輪慣量JRO0.0002119kg·m2減速機(jī)慣量JR0.00051kg·m2聯(lián)軸器慣量JC0.00071kg·m2銜接軸慣量JS0.0002kg·m2

1) 選型計(jì)算

電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈導(dǎo)螺前進(jìn)距離:

(1)

(2)

加減速度時(shí)間計(jì)算:

(3)

(4)

tM=tA+tE+tD+tR=4.699 86(s)

(5)

tP=tM+tS=4.699 86(s)

(6)

負(fù)載端相對(duì)於電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算:

0.016 95(kg·m2)

(7)

外力與摩擦力換算成電機(jī)端等效力矩:

0.095 02(N·m)

(8)

0.234 62(N·m)

(9)

(10)

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速判斷:

(11)

ECMA-E31320：NV≤3 000

(12)

2) 確定電機(jī)型號(hào)

電機(jī)要求：

(13)

(14)

因此選用型號(hào) ECMA-E31320 的電機(jī)。

Ttyp(9.55)>TL(0.234 62)

(15)

(16)

3) 電機(jī)校核(ECMA-E31320)

電機(jī)加減速度最大扭矩計(jì)算：

0.237 17(N·m)

(17)

0.232 06(N·m)

(18)

單一行程扭力均方根值：

0.233 55(N·m)

(19)

伺服回生能量計(jì)算：

(20)

(21)

EE=0.104 7×N×TL×tE=0.347 09(J)

(22)

(23)

(24)

滿足以下要求：

(25)

(26)

(27)

通過以上計(jì)算與校核，最終選擇臺(tái)達(dá)的ECMA-E31320電機(jī)，根據(jù)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器選型配套要求，選用ASD-A2-1521-U驅(qū)動(dòng)器?？赏ㄟ^電子凸輪曲線設(shè)計(jì)同步跟蹤曲線，實(shí)現(xiàn)刀具的同步等量切面[8-10]。

4 應(yīng)用情況

該設(shè)備目前已經(jīng)投入生產(chǎn)，與現(xiàn)有的手工分面相比，手排面自動(dòng)定量供料系統(tǒng)的生產(chǎn)效益和產(chǎn)品衛(wèi)生質(zhì)量有了較大的提高。手排面自動(dòng)定量供料系統(tǒng)與手工分面的生產(chǎn)效率對(duì)比如表2所示。

表2 生產(chǎn)效率對(duì)比Table 2 Production efficiency comparison

由表2可知:所設(shè)計(jì)的手排面自動(dòng)定量供料系統(tǒng)加工出來的每塊面質(zhì)量變化范圍更為精確，機(jī)器所分面烘干后不易散開，而且加工速率和產(chǎn)量有了很大的提高，與手工分面相比，加工速率由原來的6 000片/h 提高到18 000 片/min，加工產(chǎn)量由原來220 kg/h 提升到670 kg/h。定量切面的長(zhǎng)度為320 mm，誤差在2 mm以內(nèi)，每份手排面的質(zhì)量為37 g，誤差在5 g以內(nèi)。該整機(jī)系統(tǒng)目前已經(jīng)在面條加工企業(yè)使用，運(yùn)行穩(wěn)定，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，有很好的推廣價(jià)值。

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(責(zé)任編輯 楊文青)

Multi-lines Manual Quantitative Feeding System Structure Design

LI Ye-ni1,2, CHEN Ji-peng1, LU Gang1,CHEN Shui-xuan1

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Xiamen University of Technology，Xiamen 361024, China；2.School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Aiming at the low degree automation of the traditional manual processing at present, a new multi lines manual quantitative feeding automatic platform based on the servo system was designed and developed to overcome those disadvantages. The paper, which combines the domestic and international noodle processing machinery and technology, will introduce different types of manual line mechanism of the machining process. The system consists of a plurality of pipeline module, including the storage module, transport module and the assembly line module. And by realizing the linkage of electrical control and servo system controlled by PC, completing the fast segmentation and automatic loading manual equivalent surface through the pipeline, the production efficiency of the system reached 1800 slices/h, and processing increases at 670kg/h. Application of this platform proved that the system has high efficiency, and also has a certain application prospect and promotional value.

manual noodle; quantitative feeding; multi-lines; servo system

2016-10-15

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15364)；廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20153021，3502Z20161186)；廈門市閩臺(tái)合作項(xiàng)目(3502Z20151241)

李葉妮(1982—)，女，博士研究生，實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)與機(jī)器人及機(jī)器視覺技術(shù)研究,E-mail: liyn@xmut.edu.cn。

李葉妮,陳吉鵬,陸剛,等.多流水線型定量供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(1):36-40.

format：LI Ye-ni, CHEN Ji-peng, LU Gang,et al.Multi-lines Manual Quantitative Feeding System Structure Design[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(1):36-40.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.01.006

TP278

A

1674-8425(2017)01-0036-05