輕便型棗夾花生機的設計與試驗

郜海超，韓海敏，陳會濤

（1.河南應用技術(shù)職業(yè)學院 機電工程學院，鄭州 450042；2.河南理工大學 機械與動力工程學院，河南焦作 454010）

0 引言

紅棗是中國特有農(nóng)產(chǎn)品，在食用與醫(yī)用都有巨大應用市場，初加工和深加工是當前紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主體[1]。我國花生產(chǎn)量巨大，是最受消費者歡迎，銷量最大的堅果食品[2]。棗夾花生可以提高口感，充分發(fā)揮棗和花生的營養(yǎng)價值。檢索發(fā)現(xiàn)，目前對棗夾花生的操作主要由人工完成，存在效率低、勞動強度大和工藝簡單等問題，而且對棗夾花生的研究較少，主要體現(xiàn)在大棗的去核，如郜海超等設計的便攜型小型大棗去核機[3-5]，設備小巧，操作方便，采用曲柄移動導桿機構(gòu)簡化推桿機構(gòu)，并設計出樣機，但是穩(wěn)定性較差，曲柄移動導桿機構(gòu)均為低副連接，定位精度不高；王華等設計的新型大棗去核機[6-7]，采用三桿橢圓順位機構(gòu)，能精準定位，對如何上料未涉及，機構(gòu)尺寸大，無法應用在輕便型設備中；文懷興等[8]設計的大棗去核設備，推桿采用曲柄滑塊機構(gòu)，但在輕便型設備中，曲柄滑塊機構(gòu)容易出現(xiàn)干涉現(xiàn)象；張寶鋒等[9]設計的大型大棗去核機，采用鏈式結(jié)構(gòu)輸送大棗，但鏈傳動機構(gòu)無法應用在輕便型設備中；張紅等[10]設計的手持式大棗去核器，由人工定位大棗，借助按壓彈簧定位夾緊大棗，通過壓板去核，實現(xiàn)了輕便化要求，但自動化程度低、效率差。

本文提出輕便型棗夾花生機的設計方案，推桿采用空間曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，上料采用三軸自定心機構(gòu)，運動控制、狀態(tài)監(jiān)控采用單片機控制系統(tǒng)，能滿足上料、去核和棗夾花生等工藝要求，結(jié)構(gòu)緊湊，為后續(xù)設計輕便型設備提供參考依據(jù)。

1 輕便型棗夾花生機的總體方案設計

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

輕便型棗夾花生機（以下簡稱棗夾花生機）的主要功能是大棗和花生自動上料、自動去核、自動棗夾花生、自動推出成品，并把成品與棗核分區(qū)域存放。如圖1所示，棗夾花生機主要包括三軸自定心上料機構(gòu)、去核機構(gòu)和棗夾花生機構(gòu)等，其中推桿（空間曲柄滑塊機構(gòu)）主要應用在去核機構(gòu)、棗夾花生機構(gòu)和推成品機構(gòu)中。

圖1 棗夾花生機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of internal structure of the Jujube-clampingpeanuts machine

實施方案：大棗上料、花生上料和主傳動分別采用3個不同電機，大棗和花生分別盛放在不同的料斗中，定位模套一共10個工位，套在內(nèi)齒分度齒輪10個工位孔中，不完全齒輪與內(nèi)齒分度齒輪的傳動比為3：8。通過不完全齒輪帶動內(nèi)齒分度圓盤間歇轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)上料與加工不停機。

實施過程：三軸自定心上料機構(gòu)把大棗定位在定位模套中，大棗精準定位上料。主傳動電機通過驅(qū)動齒輪驅(qū)動不完全齒輪旋轉(zhuǎn)96°，內(nèi)齒分度齒輪旋轉(zhuǎn)36°（旋轉(zhuǎn)1個工位），此時，去核機構(gòu)、棗夾花生機構(gòu)和推成品機構(gòu)中推桿的沖頭在支撐板上方，實現(xiàn)切換工位。不完全齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)264°，內(nèi)齒分度齒輪定位停止旋轉(zhuǎn)，而推桿通過傳動齒輪和同步帶等進行同速轉(zhuǎn)動，推桿頭部的沖頭從支撐板上方?jīng)_向定位模套，完成去核、棗夾花生和推成品工藝操作，形成1次沖程循環(huán)。

1.2 控制方案設計

棗夾花生機系統(tǒng)控制如圖2所示。采用基于AT89C51單片機的控制系統(tǒng)[11]，主要有穩(wěn)壓電路、電機控制電路、AT89C51單片機和傳感器檢測反饋電路等。設置啟動鍵，通過霍爾傳感器檢測系統(tǒng)裝置是否在初始位置，設置力和位置傳感器檢測大棗上料、去核、花生上料和推成品等工序工況。

圖2 棗夾花生機系統(tǒng)控制圖Fig.2 Control system diagram of the Jujube-clamping-peanuts machine

1.3 主要設計參數(shù)

2 主要部件設計

2.1 大棗定位裝置

大棗個體間尺寸差異造成的定位困難是阻礙去核工藝的主要原因[12]，制定大棗定位零部件參數(shù)主要依據(jù)是大棗縱徑和橫徑差異。大棗外形尺寸：縱徑 27～48 mm，橫徑 20～43 mm；內(nèi)核尺寸：縱徑 14.6～33 mm，橫徑 3.6～10 mm[13]。設計定位模套如圖 3（a）所示，采用免洗彈性材料制成[14]，外輪廓為圓柱形，內(nèi)輪廓為倒錐形，便于上料和定位。內(nèi)齒分度齒輪如圖3（b）所示，工位孔與定位模套外輪廓為過渡配合，一周10個工位孔，可進行多工位多工序同步操作，提高加工效率。

圖3 大棗定位機構(gòu)三維圖Fig.3 The 3-D solid model of the jujube positioning mechanism

2.2 花生上料定位機構(gòu)

根據(jù)工藝要求進行花生上料定位，花生三軸自定心上料機構(gòu)主要包括驅(qū)動電機、齒輪傳動機構(gòu)、定心筒與螺旋定心柔性輥、撐口裝置等零部件，如圖4所示。利用三旋轉(zhuǎn)軸關(guān)于圓心等距，夾角120°自定心原理，設計3個同速轉(zhuǎn)動帶螺旋導向槽的螺旋定心柔性輥，柔性材質(zhì)使傳送物料時柔性輥與花生形成較大摩擦力，從而實現(xiàn)把花生自定心去核后向大棗內(nèi)腔送料。撐口裝置主要用來撐開去核后的大棗內(nèi)腔，避免送料時，因花生與棗肉摩擦而出現(xiàn)褶皺、變形和無法裝填等現(xiàn)象。

圖4 花生上料定位機構(gòu)三維圖Fig.4 The 3-D solid model of the peanut feeding and positioning mechanism

2.3 推桿機構(gòu)設計

推桿常采用曲柄滑塊機構(gòu)、曲柄移動導桿機構(gòu)和空間曲柄滑塊機構(gòu)等。其中曲柄滑塊機構(gòu)在輕便型設備中易出現(xiàn)干涉，曲柄移動導桿機構(gòu)因傳動副均為低副，傳動精度不高，故棗夾花生機采用空間曲柄滑塊機構(gòu)。

2.3.1 運動模型分析

推桿機構(gòu)三維模型和數(shù)學模型如圖5所示，推桿可簡化為空間曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄L1在XOZ平面繞Y軸旋轉(zhuǎn)，連桿長度為L2，滑塊在ZOY平面沿Y軸移動。

圖5 推桿機構(gòu)三維模型圖及數(shù)學模型圖Fig.5 The 3-D solid model and the diagram of mathematical model of the pushing rod device

建立數(shù)學模型如圖5（b）所示，假定α1z為L1與Z軸夾角，α2為L2的空間角，A點坐標為（xA，yA，zA），B 點坐標為（xB，yB，zB），建立矢量方程如式（1）：

將式（1）各矢量向坐標平面投影得：

整理得：

2.3.2 仿真分析

對數(shù)學模型進行仿真分析，結(jié)果如圖6所示。根據(jù)棗夾花生機尺寸要求，曲柄半徑50 mm，連桿長度100 mm，滑塊Z值40 mm，假定曲柄初始角度180°，旋轉(zhuǎn)角速度5 rad/s。

圖6 推桿機構(gòu)中滑塊運動曲線圖Fig.6 The movement curve of the slider in the pushing rod device

滑塊速度和位移均按照正弦運動規(guī)律變化，沒有出現(xiàn)速度和位移突變現(xiàn)象，符合推桿應用要求。t=0～0.25 s時，花生通過定量撥叉上料完畢，推桿逐漸推出，到達三軸自定心柔性輥處，速度達到最大；t=0.25～0.62 s時，推桿推著花生通過三軸自定心柔性輥，位移逐漸增大，速度逐漸下降，花生接觸撐口裝置，速度降到0，接著逐漸打開撐口裝置，花生送進去核大棗內(nèi)腔，位移達到最大，反向速度逐漸增大；t=0.62～1.04 s，推桿返回，撐口裝置復位，為減少推桿與螺旋定心柔性輥的摩擦力，推桿反向速度逐漸增大，直到完全脫離，推桿反向速度達到最大；t=1.04～1.25 s，速度逐漸下降，推桿復位，完成1次棗夾花生工藝過程。

2.3.3 運動學分析

利用Adams建立棗夾花生機模型進行運動學分析。如圖7（a）所示，設定曲柄起始角為π，滑塊推桿、連桿和曲柄均采用尼龍材質(zhì)，分析結(jié)果如圖7（b）所示。

圖7 推桿機構(gòu)中滑塊位移和速度曲線Fig.7 The displacement and velocity diagram of the slider in the pushing rod device

滑塊運動分析結(jié)果與仿真結(jié)果一致，驗證數(shù)學模型正確合理，因此棗夾花生機推桿可以采用空間曲柄滑塊機構(gòu)。

3 棗夾花生樣機試驗

為驗證棗夾花生機大棗上料和棗夾花生性能，采用棗夾花生實驗樣機分別進行2項試驗，試驗對象采用新疆灰棗（外形規(guī)格一致，品相一致）。試驗1：測試5組，每組60顆，測試三軸自定心柔性輥上料大棗定心性能。試驗2：取60顆已經(jīng)去核成功大棗，120顆山東萊西產(chǎn)花生（外形規(guī)格一致，品相一致），1顆大棗裝填2顆花生，測試推桿作用下花生上料性能和棗夾花生性能。2個試驗均在同一測試條件下進行，實驗樣機見圖8。

圖8 棗夾花生實驗樣機Fig.8 Prototype for the simulation test of the jujube-clamping-peanuts machine

表1試驗數(shù)據(jù)表明，5組平均上料數(shù)為56個，平均定位成功率約為94%，比采用上料輥有提升，但是成功率還是不高。三軸自定心柔性輥可以準確把大棗輸送到定位模套中，但因柔性輥送棗驅(qū)動力不足，容易造成大棗送料到位不足，實際應用中可考慮改進柔性輥材質(zhì)。

表1 棗夾花生機試驗數(shù)據(jù)（一）Tab.1 Data of the simulation experiment using the jujube-clamping-peanuts machine（1）

表2試驗數(shù)據(jù)表明，推桿作用下花生的定心上料成功率平均96%，能夠滿足使用要求，但是棗夾花生成功率為92%，相對較低。分析原因，已經(jīng)炒熟的花生，受力容易分離成兩瓣，造成無法裝填，影響成品率，后續(xù)研究可考慮在花生瓣中添加蜂蜜，既能防止花生分離又能提高口感。

表2 棗夾花生機試驗數(shù)據(jù)（二）Tab.2 Data of the simulation experiment using the jujube-clamping-peanuts machine（2）

4 結(jié)語

根據(jù)棗夾花生工藝設計一種基于單片機控制的輕便型棗夾花生機，每1.25 s可完成1次棗夾花生操作。棗夾花生機外形尺寸為280×300 mm，設計輕便，生產(chǎn)效率高。采用空間曲柄滑塊機構(gòu)傳動、三軸自定心柔性輥上料，解決小空間傳動機構(gòu)干涉和上料成功率不高問題。樣機試驗表明，設備性能穩(wěn)定，上料成功率94%以上，滿足大棗和花生上料要求。可在類似需求的裝備中推廣應用。