一種酒醅上甑機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用

文/張志勇 高志遠(yuǎn) 李 增 李 遙 夏元金（安徽金種子酒業(yè)股份有限公司）

中國(guó)白酒是世界六大蒸餾酒之一，風(fēng)味獨(dú)特，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。固態(tài)蒸餾是將糧谷類作物通過發(fā)酵后所得到的酒醅裝入甑桶內(nèi)，通過甑桶蒸餾來提取酒醅顆粒內(nèi)部的乙醇和各類風(fēng)味物質(zhì)的過程。蒸餾是白酒釀造的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，而蒸餾效率的關(guān)鍵又在于上甑操作。目前，白酒釀造領(lǐng)域存在傳統(tǒng)的人工上甑和機(jī)械化上甑兩種不同的上甑方式。傳統(tǒng)的人工上甑方法由釀酒師傅用撮箕將酒醅一層一層地均勻鋪在甑桶內(nèi)，需滿足“探汽上甑，均撒勻鋪”的操作要求，以達(dá)到產(chǎn)酒、提香的目的。人工上甑的勞動(dòng)強(qiáng)度大，且酒質(zhì)和產(chǎn)酒率均受人為因素影響較大；機(jī)械化上甑分為智能化程度高的機(jī)器人上甑和簡(jiǎn)易的機(jī)械化設(shè)備上甑，抖動(dòng)式、旋轉(zhuǎn)式為應(yīng)用較廣泛的兩類上甑機(jī)器人。既往的實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)器人上甑往往存在“探汽不準(zhǔn)、鋪料不均”等問題，影響酒質(zhì)和產(chǎn)酒率。如何實(shí)現(xiàn)人工與機(jī)械的有效結(jié)合，協(xié)調(diào)完成上甑操作并避免“探汽不準(zhǔn)、鋪料不均”等問題，滿足上甑操作的工藝要求，是白酒釀酒行業(yè)急需解決的重要問題。

為此，我單位引進(jìn)了某型號(hào)酒醅上甑機(jī)器人，并從其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和生產(chǎn)應(yīng)用等方面進(jìn)行分析和探討。應(yīng)用結(jié)果表明，該酒醅上甑機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、易清洗、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)，提高了固態(tài)發(fā)酵酒醅的上甑效率，并有利于防止原酒的蒸餾損失，設(shè)備的操作安全性能較高。

一、對(duì)上甑機(jī)器人的要求

作為白酒釀造的核心工序，上甑對(duì)有效保證酒的質(zhì)量和產(chǎn)量具有重要作用。傳統(tǒng)的上甑工藝大多采用人工布料方式，人工酒醅上甑勞動(dòng)強(qiáng)度較大，生產(chǎn)效率、質(zhì)量和出酒率受人為因素影響大，人工成本高、招工難、企業(yè)負(fù)擔(dān)較重。目前市場(chǎng)已有的上甑機(jī)器人多采用“標(biāo)準(zhǔn)多關(guān)節(jié)機(jī)器人配末端執(zhí)行布料機(jī)構(gòu)”的形式來實(shí)現(xiàn)布料，其不足在于：每次布料時(shí)均需要預(yù)先接滿酒醅料，且僅能實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)器人布一個(gè)甑，效率較低；未能對(duì)甑內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控，布料效果欠佳，出酒率與人工布料相比不具優(yōu)勢(shì)。引進(jìn)的酒醅上甑機(jī)器人避免了上甑過程中人為因素造成的不良影響，降低了用工成本，有助于實(shí)現(xiàn)釀酒的全面機(jī)械化和自動(dòng)化，解決目前市場(chǎng)上上甑機(jī)器人布料效率低的不足，提高了出酒率。

二、上甑機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及其應(yīng)用

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 左圖為酒醅上甑機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)，其中立柱部分是由動(dòng)臂和定臂構(gòu)成的立柱和用于升降立柱高度的立柱升降機(jī)構(gòu)組成，大臂部包括大臂支座、螺旋輸送機(jī)構(gòu)，小臂部包括小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、落料斗等?；O(shè)置于立柱的下方，立柱的上方通過大臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與大臂的一端連接，大臂的另一端固定連接小臂連接座，小臂連接座通過小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與小臂連接。小臂主軸為空心軸，其下端通過小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連接落料斗。螺旋輸送機(jī)構(gòu)設(shè)置于大臂支座的上部，其進(jìn)料端設(shè)有進(jìn)料斗，其出料端通過小臂主軸連通落料斗。

圖1 右圖為立柱的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，立柱升降機(jī)構(gòu)包括平衡氣缸和絲杠螺母，平衡氣缸位于基座內(nèi)，其活塞桿通過氣缸頂套和頂套法蘭與動(dòng)臂相連，動(dòng)臂上端面與大臂部相連。絲杠螺母的絲杠通過聯(lián)軸器與上下電機(jī)相連，絲杠螺母通過上下滑座與動(dòng)臂相連。

圖2 是酒醅上甑機(jī)器人大臂部與小臂部的主要結(jié)構(gòu)。大臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括位于大臂支座內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和RV 減速機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)過度法蘭與RV 減速機(jī)的輸入端連接，RV 減速機(jī)外圓與大臂支座相連，RV 減速機(jī)內(nèi)圓端面與動(dòng)臂相連。小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置于小臂連接座上，其包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速機(jī)組、皮帶輪組，旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速機(jī)組通過皮帶輪組驅(qū)動(dòng)小臂主軸旋轉(zhuǎn)。小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括相互連接的擺動(dòng)電機(jī)減速機(jī)組和減速機(jī)吊耳，減速機(jī)吊耳固定于小臂主軸上，擺動(dòng)電機(jī)減速機(jī)組與落料斗直接連接。

2.工作原理

圖1 酒醅上甑機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)

圖2 酒醅上甑機(jī)器人大臂部與小臂部的主要結(jié)構(gòu)

皮帶輸送機(jī)是配套設(shè)備，可以將酒醅輸送到上甑機(jī)器人的進(jìn)料斗（模仿工人運(yùn)送酒醅），再經(jīng)過機(jī)器人上甑將酒醅均勻鋪撒在酒甑里（模仿上甑技師作業(yè)）。配套設(shè)置的熱源檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)主要用于檢測(cè)蒸汽分布情況，并引導(dǎo)布料頭將酒醅準(zhǔn)確布撒到將要穿汽的地方（相當(dāng)于上甑技師的眼睛）。配套設(shè)置的工作面形態(tài)探測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)酒醅鋪撒的厚度或均勻性（相當(dāng)于上甑技師的眼睛）。該型號(hào)酒醅上甑機(jī)器人的立柱部可以實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，能隨著酒醅布料層面增高而上升（模仿人起身和俯身）；大臂部可以實(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)，能夠在兩個(gè)酒甑間切換（模仿一人照看兩甑）；小臂部有兩個(gè)動(dòng)作，360°旋轉(zhuǎn)和90°擺動(dòng)，可以模仿人工在酒甑上實(shí)現(xiàn)布料動(dòng)作（模仿人工手動(dòng)鋪料）。

熱源探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)主要用于檢測(cè)蒸汽分布情況，紅外傳感器用于識(shí)別熱源位置并向控制器發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，熱源探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的激光測(cè)距傳感器用于感知距離并向控制器發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)布料頭將酒醅準(zhǔn)確布撒到將要穿汽的地方。控制器通過其內(nèi)嵌的軟件結(jié)合紅外傳感器和激光測(cè)距傳感器傳來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出熱源的絕對(duì)坐標(biāo)，同時(shí)屏蔽掉紅外傳感感知的罐體內(nèi)壁的余溫，實(shí)現(xiàn)“見汽壓醅”，溫差布料法避免了酒精蒸汽散失，提高了出酒率。

3.應(yīng)用分析

白酒蒸餾的摘酒操作是釀酒的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的“看花摘酒、量質(zhì)摘酒和分段摘酒”通常取決于摘酒工的水平和經(jīng)驗(yàn)，難以保證出酒率和優(yōu)質(zhì)酒率。應(yīng)用機(jī)器人上甑后，蒸餾過程中酒花均勻、過酒較快，摘酒操作較好掌握。在生產(chǎn)應(yīng)用過程中，該型號(hào)酒醅上甑機(jī)器人還具有如下顯著特點(diǎn)：

（1）模仿人工作業(yè)。上甑設(shè)備能自動(dòng)上甑，一臺(tái)上甑機(jī)器人負(fù)責(zé)2 個(gè)或3 個(gè)酒甑，無須人工輔助；布料頭可以實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)和90°擺動(dòng)，模仿人工布料動(dòng)作，也可以自動(dòng)升降，隨著酒醅布料層面增高而上升，出料口自動(dòng)跟隨貼近料面布料，保證不砸料、不堆積、不起團(tuán)；酒醅輸送通過輸送機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)供料，將酒醅送到甑口；上甑時(shí)間可根據(jù)工藝要求在30～40 min/甑范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

（2）遵循傳統(tǒng)工藝。采用熱源識(shí)別系統(tǒng)來檢測(cè)蒸汽分布情況，并引導(dǎo)布料頭將酒醅準(zhǔn)確布撒到將要穿汽的地方，實(shí)現(xiàn)連續(xù)“探氣上甑”；采用工作面形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來檢測(cè)酒醅鋪撒的厚度或均勻性；可自動(dòng)控制酒甑、甑蓋、蒸汽大小等，也能單獨(dú)手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)蒸汽控制與機(jī)器人布料動(dòng)作聯(lián)動(dòng)。

（3）安全性較高。機(jī)器人布料時(shí)運(yùn)動(dòng)部分只能在酒甑直徑范圍內(nèi)移動(dòng)，不超出甑體范圍，所有設(shè)備活動(dòng)范圍有警示標(biāo)志，配套有機(jī)械安全防護(hù)和電氣安全防護(hù)，運(yùn)行安全；設(shè)備與原料接觸部分采用食品級(jí)材質(zhì)設(shè)計(jì)制作，設(shè)備也具備防酸、防腐、防潮等特性，衛(wèi)生安全。

（4）設(shè)備清洗方便。具有自動(dòng)清潔功能，能完成80%的清潔工作，省時(shí)省力。

（5）軟件配置可靠。軟件配備主要有機(jī)器人控制器、控制軟件、熱源檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)、工作形態(tài)探測(cè)系統(tǒng)，具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，性能穩(wěn)定可靠。

酒醅上甑機(jī)器人在進(jìn)行上甑操作時(shí)，首先通過立柱升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)立柱的高度，以使機(jī)器人能適應(yīng)相應(yīng)蒸餾甑的作業(yè)要求，小臂上的熱源感知系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)甑內(nèi)溫度并迅速確定最高溫度坐標(biāo)位置；隨后，大臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)大臂旋轉(zhuǎn)到落料區(qū)，小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn)，對(duì)落料方向進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整；最后，小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)落料斗擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最終均勻、高效地布料。如此循環(huán)作業(yè)。由于安裝了紅外成像設(shè)備，當(dāng)感知到酒甑溫度開始變化、酒醅下已有蒸汽但還未冒出時(shí)，上甑機(jī)器人的布料機(jī)構(gòu)裝置迅速而均勻地將酒醅鋪撒在酒甑內(nèi)，如此往復(fù)相應(yīng)動(dòng)作，最后蓋上甑蓋進(jìn)行蒸餾。表1 是采用機(jī)器人上甑的使用效果。

表1 采用機(jī)器人上甑的使用效果（清香型釀酒車間）

由表1 中的使用效果分析可知，機(jī)器人上甑的單甑產(chǎn)量較人工上甑的單甑產(chǎn)量平均高出4.3 kg 左右，機(jī)器人上甑時(shí)間比人工上甑時(shí)間少1.7 min，機(jī)器人上甑產(chǎn)量與時(shí)間均符合工藝要求；同時(shí)，機(jī)器人上甑出酒率與斷尾濃度均優(yōu)于人工上甑。

三、結(jié)語

機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于白酒釀造領(lǐng)域，對(duì)解決釀酒行業(yè)的工作環(huán)境差、招工難等問題具有積極的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)白酒釀造設(shè)備向機(jī)械化、智能化釀造成套設(shè)備轉(zhuǎn)型也具有重要意義。當(dāng)前，酒醅上甑機(jī)器人配旋轉(zhuǎn)酒甑是應(yīng)用較好的蒸餾方式，但實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探氣和精細(xì)化鋪料操作等較難控制，尤其是應(yīng)用于某些物料黏度較大的香型白酒時(shí)更難控制。因此，還需要進(jìn)一步改良上甑機(jī)器人，以更好地滿足各種香型白酒酒醅的上甑工藝要求。實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探氣、精細(xì)鋪料、解決漏氣等問題是酒醅上甑機(jī)器人提高上甑質(zhì)量的關(guān)鍵。上甑機(jī)器人在白酒釀造生產(chǎn)中的應(yīng)用，有利于推動(dòng)白酒釀造行業(yè)的機(jī)械化，為我國(guó)白酒產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供動(dòng)力。