基于單片機控制的大棗去核機設(shè)計與試驗

王 華 張劍鋒

(1. 商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，河南 商丘 450042；2. 鄭州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450001)

大棗不僅營養(yǎng)豐富，還具有藥用價值及很強的保健功能，在中國深受人們喜愛[1]。目前，大棗的去核方式主要有手工去核、半自動化去核、全自動化去核3種[2]。朱克慶等[3]介紹了大棗去核機的結(jié)構(gòu)及工作原理；文懷興等[4]對大棗去核機的原理進行分析，設(shè)計了一種滾珠絲杠螺母副機構(gòu)實現(xiàn)大棗去核，同時設(shè)計了一種專用夾具實現(xiàn)大棗的定位和夾緊；曹勁草等[5]設(shè)計的一種大棗去殼機可依次實現(xiàn)紅棗的上料、定位、輸送、沖核、切片、落棗等加工工序，同時利用三維軟件對大棗去核機的主要構(gòu)件進行建模和運動仿真分析。目前大棗去核定位比較困難，而現(xiàn)有的機構(gòu)不能很好地解決準(zhǔn)確定位的問題。試驗擬設(shè)計一種新型的三桿三點式順位機構(gòu)，能實現(xiàn)對大棗去核前的準(zhǔn)確定位，避免去核過程中棗破損、報廢等；同時利用單片機控制實現(xiàn)對大棗去核的速度控制，為滿足不同的去核速度要求提供技術(shù)參考，為后續(xù)設(shè)計出新型的大棗工業(yè)自動化去核裝置提供參考依據(jù)。

1 整體設(shè)計方案

由圖1可知，大棗去核機由頂板、齒輪、彈簧、底板、電磁鐵、支撐桿、萬向節(jié)、球桿等機構(gòu)組成[6]。

1. 頂板 2. 齒輪 3. 彈簧 4. 底板 5. 電磁鐵 6. 支撐桿

7. 萬向節(jié) 8. 球桿

圖1 大棗去核機的整體結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 The schematic diagram of the whole structure of date-removing machine

大棗去核機的工作過程：大棗首先進入放料機構(gòu)的料斗內(nèi)，利用電磁鐵控制大棗的進料，當(dāng)其中的一個大棗滑出后，隔板被電磁鐵提起，從而實現(xiàn)大棗有順序的逐個進入料斗中。當(dāng)大棗進入順位機構(gòu)后，電機啟動，通過傳動機構(gòu)將動力傳到順位桿，帶動順位桿勻速同向轉(zhuǎn)動，圍成圓錐形的3個順位桿的各個桿的傾斜角度為0°～ 6°，大棗通過自身重力進入順位桿機構(gòu)中，通過摩擦作用自轉(zhuǎn)，逐漸達到重心穩(wěn)定狀態(tài)，大棗擺正，順利實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。完成定位后，電機帶動絲桿向下運動，絲桿的空心套桿頭部與大棗接觸，在空心套桿的作用下，順位桿受到大棗的側(cè)向壓力，沿限位桿移動，實現(xiàn)大棗從順位機構(gòu)擠出至下方出料機構(gòu)的轉(zhuǎn)動板上，絲桿外部桿繼續(xù)向下運動，用切割力完成大棗的去核。

2 主要部件設(shè)計

2.1 料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計

料倉結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。將大棗放入料倉斗中，大棗由于自身的重力及料斗的振動順利落入料倉底部斜面，料倉轉(zhuǎn)動板將大棗隔開，料倉轉(zhuǎn)動板由料倉轉(zhuǎn)動軸與料倉連接，前端由彈簧與料倉底部連接，電磁鐵是否帶電由單片機控制，同時實現(xiàn)料倉轉(zhuǎn)動板的吸合，吸合頻率通過設(shè)置脈沖時間來控制，進而實現(xiàn)大棗進入順位系統(tǒng)的時間間隔，控制大棗進入的速度。

1. 料倉 2. 料倉轉(zhuǎn)動板 3. 料倉復(fù)位彈簧 4. 螺釘 5. 螺母 6. 電磁鐵 7. 電磁鐵固定架 8. 一字螺釘

圖2 料倉結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 2 The schematic diagram of stock bin

2.2 順位定位機構(gòu)設(shè)計

如圖3所示，順位定位機構(gòu)主要包括上頂板、順位桿、機架固定桿、連接彈簧、球頭關(guān)節(jié)、機架底座、限位螺母、十字軸萬向節(jié)、順位桿從動軸、主動軸、主動齒輪、從動齒輪等。

三桿三點式順位機構(gòu)順位原理：若大棗投料后位置不準(zhǔn)確，大棗與三桿三點接觸受力處于平衡狀態(tài)，由于受到摩擦力，大棗與三桿同步轉(zhuǎn)，經(jīng)過平衡突變和多次耦合，最終大棗的狀態(tài)必然是3個接觸點的線速度與角速度都相同；只有大棗豎直擺正，才能實現(xiàn)3個接觸點線速度與角速度都相同，此時3根桿對大棗在3個接觸點的支持力在豎直方向的分力的合力與大棗的重力平衡，在水平方向的分力又相互平衡，從而完成三桿三點順位定位。

1. 上頂板 2. 順位桿 3. 機架固定桿 4. 連接彈簧 5. 球頭關(guān)節(jié) 6. 機架底座 7. 限位螺母 8. 十字軸萬向節(jié) 9. 順位桿從動軸 10. 主動軸 11. 主動齒輪 12. 從動齒輪

圖3 順位定位機構(gòu)示意圖

Figure 3 The schematic diagrame of positioning mechanism in sequenc

2.3 去核機構(gòu)設(shè)計

如圖4所示，去核機構(gòu)主要包括空心鋁管、絲桿移動平臺、步進電機、聯(lián)軸器、絲桿等。大棗豎直擺正后，空心鋁管勻速向下運動，推桿頭與大棗接觸后，大棗對順位桿產(chǎn)生垂直壓力，使順位桿沿限位桿向外移動，同時，推桿頭將大棗從順位機構(gòu)中擠出，通過底板上的孔進入下方兩端開口的圓柱形容器棗箱中，大棗被棗箱限制定位，等待空心鋁管向下去核。

1. 絲桿頂板 2. 光軸 3. 直線軸承 4. 絲杠 5. 聯(lián)軸器 6. 深溝球軸承 7. 軸承上頂板 8. 菱形軸承座上蓋板 9. 菱形軸承座下底板 10. 菱形軸承座 11. 絲桿移動平臺 12. 空心鋁管13. 深溝球軸承固定板 14. 步進電機頂板 15. 步進電機 16. 步進電機支撐板

圖4 去核機構(gòu)示意圖

Figure 4 The schematic diagram of nuclear removal mechanism

3 控制電路總體設(shè)計

大棗去核機的電控部分主要包括單片機、電源控制模塊、電機運動模塊等。試驗裝置主要利用單片機控制步進電機、舵機等，實現(xiàn)自動去核和出料[7-8]。

3.1 單片機模塊

試驗裝置采用的單片機是STC89C52單片機，該單片機為低功耗、高靈活、高性能微控制器，擁有8位CPU，功能強大[9-10]。對設(shè)計的系統(tǒng)軟件模塊部分進行測試，在軟件開發(fā)平臺Keil5.0上對系統(tǒng)進行編程，利用仿真器將編寫的程序下載到主控芯片上，通過在線試驗與調(diào)試，驗證單片機軟件系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的動作與功能。

3.2 電源控制模塊

系統(tǒng)供電采用220 V交流電經(jīng)適配器轉(zhuǎn)化為12 V直流后供電[11]，由于步進電機的存在，利用DC-DC器件實現(xiàn)電路隔離。由圖5可知，U2(7805)將適配器輸出的12 V轉(zhuǎn)換為5 V(MVCC5.0)，0轉(zhuǎn)換為L297和L298供電，L298可實現(xiàn)兩路供電，其中一路直接供12 V點，從而實現(xiàn)隔離，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 電機運動模塊

L297為步進電機專用控制器[12]，可自動將控制器發(fā)來的脈沖序列按一定的規(guī)律分配，實現(xiàn)電機正常運轉(zhuǎn)需要的信號；L298可實現(xiàn)放大L297提供的信號。電路設(shè)計與步進電機驅(qū)動器模塊實物如圖6所示。

4 樣機試驗

4.1 方法

為驗證試驗設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，根據(jù)設(shè)計方案制作出樣機[13]。隨機挑選400顆大棗，分成5組每組80顆進行試驗。順位桿直徑為20 mm，傾斜角度為10.44°，順位桿轉(zhuǎn)速為540°/s，分析大棗的去核率、順位率、破損率等。

4.2 結(jié)果分析

表1中的試驗數(shù)據(jù)表明，試驗平均去核率在90%以上，去核效率相當(dāng)高；破損率相對較高，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能是：①大棗落入定位機構(gòu)后，三桿轉(zhuǎn)速過快，導(dǎo)致大棗受力不均而產(chǎn)生的破壞；②推桿機構(gòu)的絲桿運動過快，導(dǎo)致推桿頭與大棗接觸時大棗被壓壞。實際工作中，可以通過單片機來控制定位機構(gòu)和推桿機構(gòu)的速度以實現(xiàn)精準(zhǔn)去核。

圖5 電源控制模塊接線圖

(a) 電路設(shè)計 (b) 實物圖

表1 大棗去核試驗結(jié)果

5 結(jié)論

試驗確定了一種基于單片機控制的大棗去核機的整體設(shè)計方案。該大棗去核機結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積精巧、去核質(zhì)量高，果肉浪費少。實現(xiàn)了大棗去核過程中的自動定位、自動去核、自動出料等。但該機構(gòu)目前還不能完全應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，要實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)自動上料機構(gòu)等需進一步研究。