干果點黏機構(gòu)的研究

黃菊生

劉軍安

唐喚清

(湖南工程學院機械工程學院，湖南 湘潭 411104)

干果點黏機構(gòu)的研究

黃菊生

劉軍安

唐喚清

(湖南工程學院機械工程學院，湖南 湘潭 411104)

干果點黏機由多自由度運動機構(gòu)組成，包括X、Y、Z直線運動機構(gòu)、手臂的俯仰運動機構(gòu)、矩陣點黏機構(gòu)和載物臺旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計便于將干果多角度黏附于各種形狀的糕點表面上。其關(guān)鍵部件矩陣點黏機構(gòu)，設(shè)計采用3×3 矩陣點黏盤結(jié)構(gòu)，9個能獨立運行的點黏頭按矩陣方式安裝在點黏盤內(nèi)，可同時對多個點進行點黏。點黏頭的執(zhí)行機構(gòu)點黏針由電磁機構(gòu)驅(qū)動取放干果，點黏頭整體由電機和絲桿螺母傳動機構(gòu)驅(qū)動，控制其伸縮運動，實現(xiàn)在曲面糕點表面進行多點干果的柔性點黏造型。

干果；矩陣點黏機構(gòu)；點黏針；運動控制；曲面

干果點黏機是將各種可食用干果(如杏仁、核桃仁、花生、葡萄干等)點黏到成型糕點上，其創(chuàng)作思路來源于五谷糧食畫技術(shù)[1]。糧食畫是一種利用五谷雜糧為原料經(jīng)過手工制作工藝創(chuàng)作而成的平面點黏圖畫，而食品干果點黏機則是采用機械手自動將干果點黏到立體糕點上，使干果按照設(shè)計的圖案黏附于曲面的糕點表面，從而制作出造型各異的三維藝術(shù)糕點[2]。目前，市場上還沒有類似的干果糕點加工設(shè)備，糕點上一些點綴的果脯等大多是手工取放點黏，為此，綜合應(yīng)用機械、自動控制、CAD/CAM、曲面反求等多項技術(shù)[3-4]，創(chuàng)新設(shè)計能高效、自動點黏各種食用干果的糕點加工設(shè)備，本試驗主要對其關(guān)鍵部件矩陣點黏機構(gòu)的設(shè)計引進、結(jié)構(gòu)特點及點黏頭、點黏針的運動控制方法進行研究[5-9]。

1 干果點黏機的系統(tǒng)組成

干果點黏機的機械結(jié)構(gòu)主要由Y軸移動副、Z軸移動副、X軸移動副(手臂)、點黏頭(執(zhí)行器)、旋轉(zhuǎn)載物臺五部分組成，見圖1。Y、Z、X軸及點黏頭構(gòu)成移動式直角坐標機械手，該機械手的空間運動是3個相互垂直的直線運動，與關(guān)節(jié)型機械手比較具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易編程，而且空間直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)位置控制，可以達到較高的控制精度。整機能實現(xiàn)多自由度運動控制，即X、Y、Z方向的直線運動，手腕繞手臂的俯仰運動(點黏頭俯仰運動)和載物臺旋轉(zhuǎn)運動。

整個機械手在地面上通過一直線導向機構(gòu)和滾珠絲桿螺母機構(gòu)帶動沿Y軸做直線運動，Z軸在電機的驅(qū)動下通過絲桿螺母副帶動手臂架和手臂做上下升降運動，X軸手臂架上電機通過滾珠絲桿螺母帶動手臂做往復運動，手腕部通過電機驅(qū)動以及錐齒輪帶動點黏頭做俯仰運動，載物臺的旋轉(zhuǎn)由電機通過一級錐齒輪帶動。多自由度結(jié)構(gòu)用于將干果多角度黏附于各種形狀的糕點表面上，也可以是以上運動的復合運動，實現(xiàn)多自由度運動控制、干果的多角度點黏[10]。

圖1 干果點黏機組成

2 點黏頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 矩陣點黏機構(gòu)

點黏頭為點黏設(shè)備的執(zhí)行機構(gòu)，是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。設(shè)計采用3×3矩陣點黏盤結(jié)構(gòu)，由9個能獨立運行的點黏頭組成，按矩陣方式安裝在點黏盤內(nèi)構(gòu)成點黏機構(gòu)，可以對多個點同時點黏，以適應(yīng)大面積的干果鑲嵌，提高生產(chǎn)效率。矩陣點黏機構(gòu)的結(jié)構(gòu)見圖2、3。

圖2 矩陣點黏機構(gòu)

圖3 矩陣點黏機構(gòu)三維模型

矩陣點黏機構(gòu)中的9個點黏頭結(jié)構(gòu)完全相同，用電機電磁驅(qū)動，能獨立控制運行。每個點黏頭采用步進電機驅(qū)動絲桿螺母傳動機構(gòu)，其伸縮量可精確控制。采用這種結(jié)構(gòu)既可以實現(xiàn)大面積、曲度比較小的工作面干果多點鑲嵌，也可以通過對每一個點黏頭的單獨控制，實現(xiàn)各種特殊部位的干果點黏，及在復雜曲面的糕點表面進行干果的柔性點黏藝術(shù)造型。

2.2 點黏頭結(jié)構(gòu)

點黏頭的結(jié)構(gòu)見圖4、5，主要由步進電機、絲桿螺母傳動機構(gòu)、電磁機構(gòu)、點黏針頭機構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)特點為：

(1) 針對不同種類的干果可以用機械手抓取，也可以用吸盤吸附等方式[11]。本設(shè)計采用點黏針扎取的方式抓取干果，其結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒斜拉拔模運動結(jié)構(gòu)。抓取針設(shè)計為3根，針與點黏頭軸線呈5°，抓取牢固。

(2) 擋板設(shè)計為卡扣的結(jié)構(gòu)，可以方便擋板的加工以及點黏針的安裝。

(3) 為了讓點黏針能夠迅速取放干果，設(shè)計采用電磁線圈吸引銜鐵作為點黏針的驅(qū)動，一方面控制方式簡單，電磁鐵通斷電即可，另一方面結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

(4) 由于干果點黏精度比機床低，故采用絲杠螺母副對單個點黏頭進行伸縮調(diào)節(jié)，此外絲桿螺母副具有自鎖功能，在點黏頭旋轉(zhuǎn)移動時，可防止結(jié)構(gòu)脫落，簡化了點黏頭結(jié)構(gòu)。

(5) 點黏頭由步進電機和絲桿螺母傳動機構(gòu)驅(qū)動，伸縮行程可調(diào)范圍為0～20 mm。點黏針由電磁機構(gòu)驅(qū)動，伸出長度為5 mm，能滿足大多數(shù)體型干果的取放。

圖4 點黏頭三維模型

1. 擋板 2. 針頭 3. 導套 4. 導針輪 5. 螺栓 6. 電磁鐵擋板 7. 電磁鐵線圈 8. 導軌 9. 螺母 10. 端蓋 11. 緊固螺栓 12. 步進電機 13. 載針塊 14. 推進桿 15. 彈簧 16. 銜鐵 17. 墊片 18. 卡扣 19. 絲杠 20. 開口銷

圖5 點黏頭結(jié)構(gòu)

Figure 5 Structure of point stick head

3 點黏頭的運動控制

3.1 點黏頭的控制

每個點黏頭有相應(yīng)的電機驅(qū)動，通過給電機通斷電、正反轉(zhuǎn)及脈沖數(shù)等控制信號，可單獨控制點黏頭的運動。當電機12帶動絲杠19旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動絲桿螺母副，在螺母9的帶動下，點黏頭能定量伸縮，其伸縮量由電機的脈沖數(shù)決定。當每個點黏頭的伸縮量按一定的數(shù)據(jù)形成輸出時，可組成各種曲率不同的曲面，從而在曲率較小的三維曲面上能達到高效率的點黏[12]。

3.2 點黏針的控制

點黏針的進出完成點黏過程中的取干果與點黏干果的動作，是點黏頭的執(zhí)行元件。通過機械手臂的控制，點黏針到達預定的取干果位置后，伸出針頭，完成取干果動作。針頭的伸縮通過電磁線圈的得電與失電控制。如圖5，在點黏頭結(jié)構(gòu)中，當電磁鐵線圈7通電時，吸引銜鐵16沿導軌8運動，壓縮彈簧15，推進桿14在銜鐵的帶動下沿導套運動，此時針頭2完成一次伸出動作，達到取干果的目的。取干果后，機械手運動帶動點黏頭到達糕點點黏位置，線圈7斷電，彈簧15復位，帶動銜鐵16、推進桿14復位，針頭2收回，完成點黏過程。

點黏的運動控制過程：① 點黏準備，判斷點黏頭是否回原點，進行回原點操作，見圖6(a)左；② 電磁鐵得電，吸引銜鐵，帶動針扎取干果，見圖6(a)右；③ 機械手帶動點黏頭，將干果壓入糕點，見圖6(b)左；④ 電磁鐵失電，針收回，見圖6(b)中；⑤ 電機回原位，等待信號，見圖6(b)右。

圖6 點黏頭取放干果位置變化

3.3 點黏頭的點黏方式

點黏干果的取放參考了真空吸附原理，并在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計改進，采用矩陣盤針頭結(jié)構(gòu)而不是真空吸盤結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)不同種類干果的黏取與點黏。對于圓形干果，點黏時可以只考慮其在空間的位置，不考慮其姿態(tài)。對于非圓形干果，點黏時不但要考慮其在空間的位置，而且要考慮其姿態(tài)。干果的點黏方式見圖7。

圖7 干果點黏方式

對于不考慮形狀的點黏方式，所有干果方向一致，容易實現(xiàn)多點同時點黏，效率較高。對于考慮形狀的點黏方式，所有干果方向不同，只能采用單個點黏，效率較低，點黏頭的控制復雜?？紤]到設(shè)備的通用性及生產(chǎn)效率，本點黏機構(gòu)的設(shè)計采用不考慮形狀的點黏方式。

4 結(jié)束語

干果種類多，形狀各異，要適應(yīng)不同干果的點黏需要對干果進行分揀，以及采用不同的點黏頭。對要考慮干果位姿的精美糕點點黏，造型更加復雜，其點黏頭的設(shè)計和控制要求更高。本設(shè)計只是其中一種點黏方案和相關(guān)機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)新穎獨特，對類似設(shè)備的設(shè)計開發(fā)具有很好的參考價值。

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The study on dried-nuts point stick mechanism

HUANGJu-sheng

LIUJun-an

TANGHuan-qing

(CollegeofMechanicalEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan,Hunan411104,China)

Dried-nuts point stick machine is composed of multi-free degree movement mechanisms, including theX,Y, andZlinear motion one, the arm pitching motion one, the matrix point stick one and the objective table rotation motion one. This structure was designed for dried-nuts adhesion to the surface of the various shape cakes with multi-angle. The matrix point stick mechanism (its key components) designed to be a 3×3 matrix point stick plate structure, and nine point stick heads with running independently were installed in a point stick disc in the matrix way, with the point stick function of multiple points meanwhile. The point stick needles (point stick head executing mechanism) driven by electromagnetic mechanism were used to take and put Dried-nuts. The point stick head was driven overall by a motor and screw nut transmission mechanism to control its telescopic movement, implementing multiple point flexible point stick model of dried-nuts in curved surface cakes.

dried-nuts; matrix point stick mechanism; point stick needles; motion control; curved surface

湖南省科技廳科技計劃資助項目(編號：2011GK3142)

黃菊生(1960—)，男，湖南工程學院教授，碩士。 E-mail：huang8233@163.com

2017—04—01

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.020