一種全自動(dòng)蛋皮機(jī)的設(shè)計(jì)研究

潘紅恩，徐紅金，黃旭宸，錢鵬

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

中國(guó)人的餐桌上通常不缺各式各樣豐盛的美食，特別是雞蛋餅及其包裹成的風(fēng)味小吃，讓人愛(ài)不釋手。一般人工制作蛋皮，生產(chǎn)效率低，規(guī)模不大，衛(wèi)生也難以保證。

平面轉(zhuǎn)盤式蛋皮機(jī)體積比較大，難推廣；自調(diào)平蛋皮機(jī)蛋皮成型棍是豎直的，蛋液不容易粘牢，容易脫落[1]。

本文設(shè)計(jì)的是一種平面轉(zhuǎn)盤式的蛋皮機(jī)，體積小、使用簡(jiǎn)單方便。文中主要介紹項(xiàng)目整體方案，闡述全自動(dòng)蛋皮機(jī)設(shè)計(jì)的三維建模及運(yùn)動(dòng)技術(shù)方案，最后通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證蛋皮機(jī)的功能。

1 蛋皮機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案如圖1所示，所研究的是一種能自動(dòng)上下料、實(shí)用新型的全自動(dòng)蛋皮機(jī)。設(shè)計(jì)方案主要包括三大部件：動(dòng)力源裝置、蛋皮機(jī)主體、機(jī)械手抓取裝置。動(dòng)力源部分為蛋皮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，可以選擇一個(gè)小型的動(dòng)力泵提供能源。執(zhí)行部分是蛋皮機(jī)的主體部分，由傳動(dòng)鏈、送料裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)子、機(jī)架和電餅鐺等組成。所設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)式機(jī)械手抓取裝置能夠?qū)崿F(xiàn)吸取、安放、搬運(yùn)蛋餅等功能。三大部件通過(guò)各機(jī)械部件的設(shè)計(jì)、三維建模、裝配及運(yùn)動(dòng)仿真，并完成整體調(diào)試運(yùn)動(dòng)仿真，達(dá)到全自動(dòng)蛋皮機(jī)設(shè)計(jì)要求。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案

2 蛋皮機(jī)的設(shè)計(jì)、三維建模及裝配

2.1 蛋皮機(jī)主體設(shè)計(jì)及三維建模

如圖2所示，蛋皮機(jī)主要包括機(jī)架、轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)鏈、送料裝置、電餅鐺、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和墊臺(tái)。項(xiàng)目實(shí)施中采用6個(gè)電餅鐺18個(gè)工位的方案，設(shè)計(jì)原理如下。

1—機(jī)架；2—轉(zhuǎn)子；3—傳動(dòng)鏈；4—送料裝置；5—電餅鐺；6—驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；7—墊臺(tái)。

轉(zhuǎn)子主要由左板、空心轉(zhuǎn)軸和右板組成。左板和右板由空心轉(zhuǎn)軸的兩端垂直連接。轉(zhuǎn)子安放在機(jī)架上，轉(zhuǎn)子上裝有電餅鐺，電餅鐺之間由傳動(dòng)鏈連接。機(jī)架上設(shè)計(jì)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈動(dòng)作。

送料裝置主要由定量主輸送管、控制箱、輸送泵、料桶、至少一根分輸送管、與分輸送管數(shù)量相等的噴頭上殼、上料電機(jī)和與噴頭上殼數(shù)量相等的均料網(wǎng)等組成。送料裝置設(shè)置在機(jī)架外側(cè)，把蛋液輸入電餅鐺內(nèi)的每個(gè)工位。

機(jī)架包括左立板、底板和右立板。底板的兩端垂直安裝有左、右立板，左右立板對(duì)稱設(shè)置；左固定套垂直于板面設(shè)計(jì)在左立板的上部板面內(nèi)側(cè)面上，左固定套與左立板相通；固定鏈輪設(shè)置在左固定套上，固定鏈輪靠近左立板的板面處，并設(shè)滾動(dòng)件；在左固定套內(nèi)固定安裝絕緣套且絕緣套伸出左固定套，在伸出左固定套的絕緣套外表面上裝有第一和第二耐磨銅套，且由導(dǎo)線連接。左右固定套同軸。在右固定套的孔內(nèi)通過(guò)軸承支承轉(zhuǎn)軸。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有第一帶輪、第二帶輪、電機(jī)和同步帶。電機(jī)固定在底板的背面，位于右立板的下方，電機(jī)軸上裝有第一帶輪，通過(guò)同步帶帶動(dòng)第二帶輪，第二帶輪安裝在右立板端部。

電餅鐺主要由左耳、右耳、加熱盤、電餅鐺右電刷盤、電加熱管、電餅鐺左電刷盤、保溫托、右軸、左軸和同步鏈輪組成。在加熱盤的表面上有內(nèi)凹鍋面，在加熱盤的下方設(shè)有電加熱管，電加熱管位于保溫托內(nèi)，保溫托連接加熱盤，加熱盤的左右兩端伸出形成加熱管左右端；加熱盤的左右兩端設(shè)有左右耳，左軸垂直于左耳的外側(cè)面，在左軸上有絕緣套，電餅鐺左電刷盤安裝在左軸的絕緣套上，電餅鐺左電刷盤與加熱管左端由電連接；左軸的端部裝有同步鏈輪，同步鏈輪位于左板的外側(cè)；左板上的固定軸套與左軸的軸套孔相配；右軸垂直于右耳的外側(cè)面，在右軸上裝有絕緣套，右軸的絕緣套上裝有電餅鐺右電刷盤，加熱管右端與電餅鐺右電刷盤由電連接，右板上的固定軸套與右軸的軸套孔相配。

傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)有第一、第二鏈條和從動(dòng)鏈輪。固定鏈輪與電餅鐺左軸上相同齒數(shù)的從動(dòng)鏈輪由第二鏈條連接在機(jī)架上，保持電餅鐺鍋面的平動(dòng)；第一鏈條連接所有電餅鐺左軸上的同步鏈輪，這樣轉(zhuǎn)子上的所有電餅鐺都保持平動(dòng)[2]。

2.2 蛋皮機(jī)主要部件的有限元分析

固定鏈輪是蛋皮機(jī)中不可缺少的傳動(dòng)部件，它的強(qiáng)度直接影響到蛋皮機(jī)的安全可靠性，故有必要對(duì)其進(jìn)行有效靜力學(xué)分析。將建立好的固定鏈輪模型導(dǎo)入ANSYS Mechanical中，通過(guò)加載約束(在固定鏈輪的兩側(cè)施加一個(gè)位移的約束)，應(yīng)力分析(鏈輪的接觸面施加壓力)，固定鏈輪的位移圖和總應(yīng)力如圖3所示(紅色表示位移大，藍(lán)色最小)。固定鏈輪安全可靠(本刊為黑白印刷，若有疑問(wèn)可咨詢作者)。

圖3 固定鏈輪位移圖和總應(yīng)力圖

2.3 抓取機(jī)械手控制系統(tǒng)

抓取機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由底座、立柱、電機(jī)、大臂、小臂、手腕、吸盤、氣缸和活塞等組成。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由氣動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)，主要是依靠機(jī)械手各部位的活塞通過(guò)氣壓來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[3]。采用可編程序控制器(PLC)設(shè)計(jì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)。機(jī)械手吸取和擺放蛋皮的動(dòng)作過(guò)程如圖4所示。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(shí)蛋皮機(jī)暫停，機(jī)械手抓取吸盤移動(dòng)到蛋皮上，產(chǎn)生吸力，機(jī)械手把蛋皮吸取并移動(dòng)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(dòng)，吸盤把蛋皮移動(dòng)至桌上，吸力取消，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(dòng)作[4]。

圖4 機(jī)械手動(dòng)作示意圖

2.4 蛋皮機(jī)的虛擬裝配

圖5所示為蛋皮機(jī)的整體裝配圖，三大部分之間的關(guān)系為：送料裝置通過(guò)輸送泵(未畫出)由輸送管將蛋液輸送到噴頭，蛋液均勻輸送到位于下方的電餅鐺工位內(nèi)，經(jīng)由電餅鐺加熱后，機(jī)械手從吸盤中取出。

圖5 蛋皮機(jī)的整體裝配圖

3 蛋皮機(jī)的工作過(guò)程

蛋皮機(jī)的工作流程如圖6所示。首先制作好蛋液，并將蛋液加入與送料裝置相連的料桶內(nèi)?？傞_(kāi)關(guān)上電，通過(guò)控制器(未畫出)，動(dòng)力源泵通電，啟動(dòng)上料裝置，機(jī)架開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，同時(shí)電餅鐺加熱電源啟動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。蛋液開(kāi)始從備料箱經(jīng)過(guò)輸送泵的自吸原理輸送到管道中，經(jīng)過(guò)流量控制器，可顯示已經(jīng)流動(dòng)的原材料量的多少。當(dāng)流量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，流量控制系統(tǒng)反饋到主控制器中，泵停止工作。90°閥默認(rèn)開(kāi)啟，蛋液經(jīng)過(guò)輸送管進(jìn)入噴頭中。在電餅鐺短暫處于最高位即噴頭下方時(shí)(定義此位置為第1工位，本實(shí)施例中有6個(gè)電餅鐺，定義轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，就經(jīng)過(guò)了6個(gè)工位)，輸送泵送料，蛋液下落到鍋面內(nèi)工位，逆時(shí)針向后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，電餅鐺運(yùn)動(dòng)到第6工位時(shí)，蛋餅已經(jīng)成品，機(jī)械手吸取出蛋餅，退回到安全工位，同時(shí)發(fā)送反饋信號(hào)給控制器，結(jié)束一個(gè)工作流程[2]。

圖6 工作流程圖

4 蛋皮機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真

利用UG/Motion的功能給蛋皮機(jī)三維實(shí)體模型的各個(gè)部件賦予一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，建立運(yùn)動(dòng)仿真模型[5]。通過(guò)對(duì)蛋皮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配分析和運(yùn)動(dòng)合理性分析，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，運(yùn)動(dòng)解算方案求解操作結(jié)果如圖7所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)解算方案求解操作結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)

文中闡述了全自動(dòng)蛋皮機(jī)的設(shè)計(jì)方案，主要對(duì)蛋皮機(jī)主體部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模，并對(duì)三大部件動(dòng)力源裝置、蛋皮機(jī)主體、機(jī)械手抓取裝置進(jìn)行裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，說(shuō)明了蛋皮機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程，并對(duì)蛋皮機(jī)主要部件進(jìn)行有限元分析。通過(guò)以上仿真實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明此蛋皮機(jī)理論設(shè)計(jì)可行。在實(shí)際的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，根據(jù)所遇到的問(wèn)題，還可以進(jìn)一步優(yōu)化。