一種蛋皮機(jī)的研究與實踐

潘紅恩 徐紅金

摘 要 本文主要研究一種蛋皮機(jī)，實現(xiàn)其蛋皮制作和上下蛋皮全自動過程，包括動力源泵的組成及其工作過程、蛋皮機(jī)主體的設(shè)計及工作原理、機(jī)械手的組成和工作過程，并對蛋皮機(jī)整個工作過程進(jìn)行闡述，再利用UG軟件對泵、蛋皮機(jī)主體、機(jī)械手等各組成零部件進(jìn)行建模，并對建完裝置的零件模型進(jìn)行裝配，實現(xiàn)三大組成部件運動仿真，最后三個部件有機(jī)配合運動仿真，驗證其可行性。既減輕了蛋皮制作者的勞動強(qiáng)度，又大幅提高了工作效率，實現(xiàn)自動化。

關(guān)鍵詞 蛋皮機(jī) 動力源泵 三維建模 機(jī)械手

中圖分類號：TP21;TQ57 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）07-0003-02

在家庭小作坊有很多蛋皮的加工，手工做法太慢，不適合批量生產(chǎn)。市面出現(xiàn)了半自動的蛋皮機(jī)，大大的提升了生產(chǎn)效率，減輕了大部分人的的勞動力。這種蛋皮機(jī)并沒有自動收蛋皮的裝置，需要操作者手動收蛋皮，如果一不小心還會被燙傷。隨著時代的變化，生產(chǎn)工具也在不斷地發(fā)展，蛋皮機(jī)也在慢慢隨著時代不斷改變，本課題旨在研究一種全自動蛋皮機(jī)，方便生產(chǎn)蛋皮機(jī)使用者，既減輕了工人勞動強(qiáng)度，又大幅提高了工作效率，同時也解決了衛(wèi)生狀況問題[1]。

本蛋皮機(jī)主要包括動力源泵、蛋皮機(jī)主體、自動上下料機(jī)械手。

1 動力源泵設(shè)計

1.1 動力源泵的組成

動力源泵是由前端蓋、泵體、后端蓋、主動齒輪、被動齒輪、軸承、油封、齒輪軸。各密封腔是齒輪的每個凹齒與泵體的內(nèi)圓腔壁和端蓋三部分組成。它們?nèi)呤怯绊扆X輪泵的工作性能與自吸能力。

1.2 動力源泵的工作過程

電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動主動齒輪運動，主動齒輪帶動從動齒輪運轉(zhuǎn)。由于是外嚙合齒輪，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)工作時，吸入腔一側(cè)的齒輪嚙合慢慢分開，吸入腔的容積慢慢變大，吸入腔內(nèi)的壓力慢慢減少，于是使管內(nèi)的雞蛋液體吸進(jìn)了泵體內(nèi)。雞蛋液體被齒輪分開，在齒槽內(nèi)被齒輪擠壓到排出腔內(nèi)部。動力源泵源源不斷的吸進(jìn)雞蛋液體與排出雞蛋液體依靠外嚙合齒輪不斷的工作。動力源的壓力與流量取決于泵的型號和轉(zhuǎn)速以及介質(zhì)的粘稠度。

2 機(jī)械手裝置設(shè)計

2.1 機(jī)械手的組成

關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種自動化生產(chǎn)的裝置，主要是為了配合蛋皮機(jī)方便吸取和安放蛋皮而設(shè)計出來的，機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。本次設(shè)計主要向大家展示機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

關(guān)節(jié)式機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是由底座、立柱、電機(jī)、大臂、小臂、手腕、吸盤、氣缸、活塞組成的。機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)：由氣動裝置來驅(qū)動的，主要是依靠機(jī)械手各部位的活塞通過氣壓來進(jìn)行運動。機(jī)械手的控制系統(tǒng)：由PLC對機(jī)械手的整體運動來進(jìn)行控制。

關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手臂部件是支撐被吸取物的蛋皮、小手臂部以及手腕的重要部件。其手臂的作用是用來帶動吸盤吸取物件，并按照PLC程序的要求將蛋皮搬運到關(guān)節(jié)式機(jī)械手應(yīng)該放置的位置。關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手臂部位的運動方式是驅(qū)動手臂運動的部件（氣缸）與驅(qū)動源（氣壓、電機(jī)）相配合，才能使關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手臂實現(xiàn)各種運動[2]。

關(guān)節(jié)式機(jī)械手的大臂是連接立柱和小臂的重要部件，使機(jī)械手能大幅度調(diào)整吸盤的吸取方向和位置。關(guān)節(jié)式機(jī)械手的小臂是用于連接機(jī)械手大臂及其手腕的重要部件，可以用來小幅度的調(diào)整關(guān)節(jié)式機(jī)械手吸盤的吸取位置和方向。關(guān)節(jié)式機(jī)械手的周灣是用來連接吸盤和手臂的部件，主要用來調(diào)整被抓取蛋皮的方向和位置。關(guān)節(jié)式機(jī)械手中的活塞主要分布在機(jī)械手的各個活動部位與氣缸是配套的部件?；钊淖饔檬鞘龟P(guān)節(jié)式機(jī)械手能夠進(jìn)行靈活的旋轉(zhuǎn)和移動。關(guān)節(jié)式機(jī)械手中的氣缸主要是安裝在機(jī)械手的各個活動關(guān)節(jié)的地方。氣缸的作用是能讓關(guān)節(jié)式機(jī)械手能通過氣動的傳動方式進(jìn)行傳動與活塞是一起使用的。吸盤是關(guān)節(jié)式機(jī)械手手部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，就是與蛋皮直接接觸的部件，為了使機(jī)械手吸取蛋皮的能力更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部設(shè)計成了能夠通過氣動來進(jìn)行吸取蛋皮的吸盤，這樣可以更方便的吸取和放置蛋皮。關(guān)節(jié)式機(jī)械手中的推力球軸承主要是由座圈、軸圈和鋼球保持架組件三部分結(jié)構(gòu)所組成的[3]。

2.1.1 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)

關(guān)節(jié)式機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)通常是由氣缸、氣閥、氣罐和空氣壓縮機(jī)所組成的，氣動裝置的特點是由于使用的是氣體所以原料比較方便尋找，并且能使機(jī)械手的動作比較迅速，氣動裝置的結(jié)構(gòu)也很簡單，所以造價要比液壓低，因此維修方便[4]。但速度比較難控制，而且氣壓也不能太高，所以能吸取和安放的蛋皮重量比較低。

2.1.2 機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

由于氣壓傳動系統(tǒng)能使機(jī)械手工人能夠快速的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和移動，并且能快速檢測到蛋皮所在的位置，氣動裝置里的氣體并不會因為流動而產(chǎn)生較大的損失，該結(jié)構(gòu)的造價比較低，所以本機(jī)械手采用的是氣壓的方式進(jìn)行傳動的[5]。

2.1.3 機(jī)械手控制系統(tǒng)以及機(jī)械手的動作流程

考慮到為了能使機(jī)械手被更廣泛的使用，本文采用了點位來對機(jī)械手進(jìn)行控制，主要是采用了可編程序控制器（PLC）對機(jī)械手來進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手運動的軌跡需要改變的時候，只需要改變PLC里面的程序就可以實現(xiàn)，非常方便快捷。

2.2 機(jī)械手工作過程

關(guān)節(jié)式機(jī)械手吸取和擺放蛋皮的動作：機(jī)械手手臂上升至上限位，底盤旋轉(zhuǎn)使吸盤處于蛋皮的正上方，這時蛋皮機(jī)停轉(zhuǎn)，機(jī)械手吸盤移動到蛋皮上，產(chǎn)生吸力，機(jī)械手把蛋皮吸取并移動至上限位，底盤再次旋轉(zhuǎn)，使機(jī)械手的吸盤處于放蛋皮處的正上方，機(jī)械手向下移動，使吸盤把蛋皮移動至桌上，吸力取消，把蛋皮放下，機(jī)械手上升至上限位，吸盤旋轉(zhuǎn)，然后重復(fù)進(jìn)行上面的動作[6]。

3 蛋皮機(jī)的主體設(shè)計

包括機(jī)架、轉(zhuǎn)子、傳動鏈、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、送料裝置和至少一個電餅鐺，轉(zhuǎn)子設(shè)置在機(jī)架上，電餅鐺均設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，傳動鏈連接所有電餅鐺，驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)架上并驅(qū)動傳動鏈動作，送料裝置設(shè)置在機(jī)架外側(cè)并向電餅鐺內(nèi)送入蛋液。

1.機(jī)架包括底板、左立板和右立板，左立板和右立板分別垂直固定在底板的兩端，左立板和右立板對稱設(shè)置。

2.轉(zhuǎn)子主要由空心轉(zhuǎn)軸、左板、右板和電刷盤組成。

3.傳動鏈的結(jié)構(gòu)由內(nèi)鏈節(jié)和外鏈節(jié)組成。它又由內(nèi)鏈板、外鏈板、銷軸、套筒、滾柱五個小部件組成，鏈條的優(yōu)劣取決于銷軸和套筒。在設(shè)計時，鏈節(jié)數(shù)以取為偶數(shù)為宜，這樣可避免使用過渡鏈節(jié)，因為過渡鏈節(jié)會使鏈的承載能力下降。

4.蛋皮機(jī)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要包括電機(jī)、減速箱和帶輪。電機(jī)在整個蛋皮機(jī)機(jī)器中占據(jù)了主要位置，如果沒有了電機(jī)是無法使機(jī)器運動起來的。

5.送料裝置包括備料桶、輸送泵、主輸送管、交叉輸送管、三個噴頭和與噴頭數(shù)量相等的均料網(wǎng)和過濾網(wǎng)。用輸送泵的吸力將雞蛋液吸入泵內(nèi)，通過流量控制器控制雞蛋液的送進(jìn)量，使得雞蛋液進(jìn)入主輸送管，其次進(jìn)入分輸送管，然后通過半旋轉(zhuǎn)式開關(guān)進(jìn)入過濾塞，最后使得雞蛋液進(jìn)入電餅鐺的鍋內(nèi)。

6.電餅鐺至少包含一個加熱板，保溫盤，左、右支撐耳，左、右無極電刷盤，兩側(cè)的小軸和單側(cè)的鏈輪。保溫盤是為了放置加熱管的，保溫盤放置在加熱板的下方。在加熱盤的兩端放置左耳，底板分部兩個孔，用來與加熱盤固定，側(cè)板則是連接小軸與機(jī)架固定，并且連接一個鏈輪，帶動加熱板進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)。右耳則跟左耳相同，不同的則是方向相反。

當(dāng)原材料進(jìn)入電餅鐺的鍋面內(nèi)（假設(shè)此時的位置為第一工位），此時加熱板開始工作，利用電阻熱原理進(jìn)行迅速升溫，一側(cè)的帶輪開始工作，帶動電餅鐺做水平的旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)電餅鐺運動到第六工位時，鏈輪停止工作。此時，鍋中的蛋皮已經(jīng)成型，可以取出。

4 蛋皮機(jī)整體工作過程

首先，提前將蛋皮液制作好，并將蛋皮液倒入備料桶內(nèi)。打開電源的總開關(guān)，通過控制器，啟動上料裝置的動力源輸送泵，并讓機(jī)架開始旋轉(zhuǎn)，同時啟動加熱電源對電餅鐺進(jìn)行預(yù)加熱。此時原材料開始從備料箱經(jīng)過輸送泵的自吸原理輸送到管道中，當(dāng)經(jīng)過流量控制器時，會顯示已經(jīng)流動的原材料量的多少，當(dāng)流量達(dá)到設(shè)定值，流量控制系統(tǒng)會反饋到主控制器中，讓動力源泵停止工作。90°閥默認(rèn)開啟，原材料經(jīng)過輸送管進(jìn)入噴頭中，通過過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，勻料網(wǎng)均勻的打散原料。至此，原材料才得以進(jìn)入電餅鐺的鍋面內(nèi)，電餅鐺開始正常工作。

當(dāng)出現(xiàn)不可避免的狀況時，可手動調(diào)節(jié)90°閥，也可以將控制器上的按鈕直接按下，直接讓原材料流回配料箱?；蚴顷P(guān)閉總開關(guān)。

假使電餅鐺正處于最高的位置時，即蛋液噴頭的正下方時（假設(shè)此位置為第一位置，蛋皮機(jī)的主體中有六個電餅鐺，便可分為第一、二、三、四、五、六位置?？梢远x轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈，就經(jīng)過了六個位置），輸送泵送料，蛋皮液經(jīng)過濾網(wǎng)、勻料網(wǎng)均勻下落到鍋面內(nèi)，轉(zhuǎn)子向后轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動的過程中，電餅鐺開始加熱。等到電餅鐺運動到第六位置時，蛋皮已經(jīng)成型，此時可由機(jī)械手取出成品，退回到安全位置，并發(fā)送反饋信號給控制器。至此整個的一個工作流程結(jié)束。

5 蛋皮機(jī)的整體裝配和運動仿真

為了更好的展示蛋皮機(jī)各零部件之間的裝配關(guān)系，將蛋皮機(jī)整體進(jìn)行建模，完成的底座、機(jī)架、轉(zhuǎn)子、傳動鏈、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、電餅鐺、送料裝置、動力源輸送泵以及機(jī)械手進(jìn)行裝配，形成一個完整的全自動蛋皮機(jī)。在完成對全自動蛋皮機(jī)的裝配后，開始對其進(jìn)行運動仿真，發(fā)現(xiàn)蛋皮機(jī)運行切實可行有效。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉曉強(qiáng)，潘紅恩，周召信.實用新型專利申請[P].申請?zhí)?01821080411.6，2018-07-07.

[2] 譚曉棟，羅建祿，李慶，邱靜.機(jī)械系統(tǒng)的故障演化測試性建模及預(yù)計[N].《浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）》，2015-02-04.

[3] 于惠力.機(jī)械設(shè)計與材料選擇及分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[4] 孫開元，李立華.圖解機(jī)構(gòu)設(shè)計要點分析及應(yīng)用實例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

[5] 項智博.UGNX8.0運動仿真快速入門、進(jìn)階與精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[6] 任學(xué)軍，田衛(wèi)軍，高長銀.UGNX8.0中文版三維造型設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.