海帶打結(jié)機(jī)的成結(jié)機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計

黃桂芳，林建偉，魏觀淵，丁 蘭，蔡文鴻，魏盛軍

(福建省水產(chǎn)研究所，福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013)

中國是海帶養(yǎng)殖大國，2021年養(yǎng)殖面積為4.7×104hm2，養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)174.2×104t(干品)以上，養(yǎng)殖規(guī)模位居世界第一[1]。海帶作為一種綠色健康食品，頗受國內(nèi)外消費者的青睞，其養(yǎng)殖、加工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，尤其海帶結(jié)是中國海帶養(yǎng)殖省份出口創(chuàng)匯的主要產(chǎn)品[2]。但目前國內(nèi)外尚無可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求的海帶打結(jié)自動化設(shè)備，海帶打結(jié)基本由人工徒手完成，不僅效率低下，且越來越多的工人因長期接觸半干鹽漬海帶導(dǎo)致手指受腐蝕而逐漸變形，甚至指甲脫落，從而不愿從事這類工作，造成勞動力緊缺。因此，有必要對海帶的自動化打結(jié)設(shè)備進(jìn)行研究與設(shè)計。

國外對海帶自動打結(jié)技術(shù)進(jìn)行研究的國家主要集中在日本、德國和美國，但相關(guān)研究成果很少見刊，也未見海帶自動打結(jié)設(shè)備被投入市場進(jìn)行應(yīng)用[3]。在中國，海帶打結(jié)的相關(guān)研究僅見少量的報道，如白茂東等[3]提出雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)的設(shè)計思路與組成機(jī)構(gòu)；王瑞鑫[4]使用拓?fù)鋵W(xué)曲帶紐結(jié)理論，研究海帶成結(jié)原理及成結(jié)過程并建立數(shù)學(xué)模型和仿真模型進(jìn)行計算機(jī)仿真研究；王宇銳[5]對海帶成結(jié)機(jī)理和打結(jié)過程、成結(jié)過程中的形狀、海帶條與打結(jié)機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系進(jìn)行研究；王小強(qiáng)[6]對哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005年推出的一種自動海帶打結(jié)機(jī)器人的穩(wěn)定性和成結(jié)率的主要影響因素進(jìn)行仿真實驗研究，結(jié)果表明該海帶打結(jié)機(jī)在海帶條尺寸穩(wěn)定的前提下，打結(jié)成功率達(dá)到99%；陳天池[7]通過拉伸和摩擦試驗，研究不同試驗條件下海帶的生物力學(xué)特性和摩擦特性，建立打結(jié)機(jī)構(gòu)整機(jī)裝配模型，完成了打結(jié)機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計，并利用仿真實驗分析驗證了該海帶打結(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計方案具備的合理性；夏中峰等[8]設(shè)計一種基于可編程邏輯控制器(PLC)的海帶自動打結(jié)機(jī)控制系統(tǒng)，其可高效率地完成海帶打結(jié)作業(yè)。雖然已有按照各種不同海帶打結(jié)原理設(shè)計的海帶自動化打結(jié)設(shè)備的研究[9-12]，但這些設(shè)備結(jié)構(gòu)繁雜、打結(jié)不穩(wěn)定、成結(jié)率受制于海帶條質(zhì)量，無法滿足工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)要求。因此，為解決現(xiàn)有海帶打結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)繁雜、無法市場化應(yīng)用等難題，本研究設(shè)計1臺海帶自動打結(jié)機(jī)，主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電子線路兩部分，通過電子線路與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化連接和協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)海帶的自動打結(jié)，旨在為海帶打結(jié)的機(jī)械化、自動化和智能化生產(chǎn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 設(shè)計方法

基于仿生學(xué)原理，在分析海帶打結(jié)過程中夾取海帶、海帶成環(huán)、海帶穿環(huán)、切斷海帶4個關(guān)鍵狀態(tài)時海帶條的形狀變化和空間位置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行海帶成結(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計?？刂齐娐吠ㄟ^分頻網(wǎng)絡(luò)和脈沖觸發(fā)實現(xiàn)對成結(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動與控制。

2 海帶自動打結(jié)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)計研制的海帶自動打結(jié)機(jī)樣機(jī)由底座(未畫出)和固定在底座上的自動送料機(jī)構(gòu)A、打結(jié)送進(jìn)機(jī)械手B、成環(huán)機(jī)構(gòu)C、穿環(huán)機(jī)構(gòu)D、切料機(jī)構(gòu)E及控制以上機(jī)構(gòu)動作的控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

注：A.自動送料機(jī)構(gòu)；B. 打結(jié)送進(jìn)機(jī)械手；C.成環(huán)機(jī)構(gòu)；D.穿環(huán)機(jī)構(gòu)；E.切料機(jī)構(gòu)；E1.切斷刀片。Notes：A. Automatic feeding mechanism；B. Knot feeding robot；C. Looped mechanism；D. Looping mechanism；E. Cutting mechanism；E1. Cutting blade.

自動送料機(jī)構(gòu)A由送料夾緊氣缸A1、送料氣缸A2、送料夾爪A3和送料滑臺A4組成，如圖2所示。送料夾緊氣缸A1驅(qū)動送料夾爪A3夾緊海帶，由送料氣缸A2驅(qū)動送料滑臺A4帶動送料夾爪A3，將海帶送至成環(huán)機(jī)構(gòu)。

注：A1.送料夾緊氣缸；A2.送料氣缸；A3.送料夾爪；A4.送料滑臺。Notes：A1.Feeding clamping cylinder；A2.Feeding cylinder；A3.Feeding gripper；A4.Feeding slide.

打結(jié)送進(jìn)機(jī)械手B由控制橫向、縱向及高度方向運動的驅(qū)動氣缸B2、B4、B3和由橫向運動驅(qū)動氣缸驅(qū)動的送夾緊氣缸B1料以及由送料夾緊氣缸驅(qū)動的送料夾爪B5組成，如圖3所示。打結(jié)送進(jìn)機(jī)械手的縱向驅(qū)動氣缸B4前進(jìn)，帶動送料夾緊氣缸B1和送料夾爪B5前進(jìn)到位后，送料夾爪A3和送料夾爪B5同時夾緊海帶，在切料氣缸E驅(qū)動切斷刀E1切斷海帶后，驅(qū)動氣缸B2、B4、B3分別動作，將海帶送入穿環(huán)機(jī)構(gòu)D。

注：B1.送料夾緊氣缸；B2、B3、B4.驅(qū)動氣缸；B5.送料夾爪。Notes：B1.Feeding clamping cylinder；B2，B3，B4.Drive cylinder；B5. Feeding gripper.

切料機(jī)構(gòu)由切料氣缸E和切料刀片E1組成，如圖1所示。海帶成環(huán)后，切料氣缸E推動切料刀片E1適當(dāng)移位切斷海帶。

成結(jié)機(jī)構(gòu)由成環(huán)機(jī)構(gòu)C和穿環(huán)機(jī)構(gòu)D共同構(gòu)成，對應(yīng)簡稱為X系統(tǒng)(X1～X7)與Y系統(tǒng)(Y1～Y7)，分別實現(xiàn)海帶繞圈成環(huán)和海帶穿環(huán)成結(jié)的功能，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

注：X1.滾筒；X2.電磁閥；X3.步進(jìn)電機(jī)；X4.電刷元件；X5.夾爪；X6.紅外接收二極管；X7.軸承；Y1.直筒；Y2.電磁閥；Y3.步進(jìn)電機(jī)；Y4.齒輪齒條組件；Y5.夾爪；Y6.紅外發(fā)射二極管；Y7.微動開關(guān)。Notes：X1.Drum；X2.Solenoid valve；X3.Stepper motor；X4. Electric brush；X5.Clamping jaw；X6.Infrared receiving diode；X7.Bearing；Y1.Straight drum；Y2.Solenoid valve；Y3.Stepper motor；Y4.Rack and pinion assembly；Y5. Clamping jaw；Y6.Infrared emitting diode；Y7.Microswitch.

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)，又稱脈沖馬達(dá)，與常用的交、直流馬達(dá)不同，其運轉(zhuǎn)只能由脈沖信號驅(qū)動，轉(zhuǎn)速由脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)決定，而幾乎不受電壓、溫度等因素波動的影響。步進(jìn)電機(jī)定位精度高、重復(fù)性好，誤差不累積，啟動、制動時間短，又能帶電自鎖等，因而被廣泛應(yīng)用于精度要求比較高的數(shù)字程序控制領(lǐng)域。本設(shè)計中的步進(jìn)電機(jī)X3和Y3的型號均為45BF01A(上海上自儀轉(zhuǎn)速表儀表電機(jī)有限公司生產(chǎn))，穩(wěn)定性和精確度等性能良好，性能參數(shù)：相數(shù)，3相；分配方式，6拍；步角，1.5°/3°；直流激磁電壓，24 V；單相靜態(tài)電流，0.2 A；保持轉(zhuǎn)矩，0.12 N·m；空載起動頻率，400 Hz；重量，0.4 kg。

3.2 脈沖分配模塊

本設(shè)計采用的步進(jìn)電機(jī)CH250脈沖分配器(上海無線電十四廠生產(chǎn))是專為三相步進(jìn)電機(jī)脈沖控制而設(shè)計的接口電路，在配合適當(dāng)?shù)娜M功率驅(qū)動電路后，具有控制三相步進(jìn)電機(jī)作三相雙三拍或三相單六拍的停、轉(zhuǎn)與正反轉(zhuǎn)的功能。此芯片結(jié)構(gòu)簡單，器件內(nèi)部的工作電源電壓(VDD)范圍寬，為4～18 V；抗干擾能力強(qiáng)，噪聲容限電壓為35%VDD。

根據(jù)上海無線電十四廠刊發(fā)的《雙嶺手冊》產(chǎn)品介紹，CH250采用雙列直插扁平16外引線封裝(圖5)，其中R1、R2端置“1”，可分別將三相單六拍和三相雙三拍復(fù)位，進(jìn)入正常程序。時鐘端CL和時鐘允許端EN分別為時鐘脈沖輸入和控制時鐘輸入。輸入端J3L、J3r和J6L、J6r是控制步進(jìn)電機(jī)作三相雙三拍或三相單六拍運轉(zhuǎn)。A、B、C為CH250的3個輸出端，經(jīng)驅(qū)動后推動步進(jìn)電機(jī)。本機(jī)使用2個CH250脈沖分配器，分別用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)X3和Y3，相關(guān)引腳功能及其與其他電路的連接使用相應(yīng)的字符說明，如圖5所示。其中，電源正端連接EN(針腳6)；電源負(fù)端連接J6r(針腳1)、J6L(針腳2)、R1(針腳9)；因本機(jī)脈沖分配器采用雙三拍工作方式，R1(針腳9)連接電源負(fù)端可使其運行更穩(wěn)定；脈沖輸入連接CL(針腳7)；正反向控制連接C；復(fù)位/工作連接R2(針腳10)；輸出A0(針腳11)、B0(針腳12)、C0(針腳13)分別跟功率放大電路相聯(lián)并直接輸入步進(jìn)電機(jī)的三組電極，當(dāng)脈沖輸入時，步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)。

注：EN為電源正端；J6r、J6L、R1為電源負(fù)端；C、J3L、J3r為正反向控制；CL為脈沖輸入；R2為復(fù)位/工作；VSS為電路公共接地端電壓(接地)；VDD為器件內(nèi)部的工作電源電壓；A 、B 、A0、B0、C0為輸出端。Notes：EN was positive end of power supply；J6r，J6L，R1 were negative terminals of power supply；C，J3L，J3r were forward and reverse controls；CL was pulse input；R2was reset/work；VSS was circuit common ground terminal voltage (ground)；VDD was the working power supply voltage inside the device；A，B，A0，B0，C0 were output terminals .

3.3 分頻值計算

精確設(shè)定分頻值是成結(jié)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運行和精確定位的關(guān)鍵。雖然步進(jìn)電機(jī)X3與Y3型號相同，但X3為共軸同步轉(zhuǎn)動，Y3通過齒輪齒條傳動，將Y3步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)為YL(即除Y3步進(jìn)電機(jī)和Y7微動開關(guān)外，Y系統(tǒng)的其他部件)的往復(fù)平動，因此采用不同的方法計算X與Y系統(tǒng)的分頻值。

對X系統(tǒng)，已知步進(jìn)電機(jī)的步角為3°，即每個脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動3°。由于步進(jìn)電機(jī)X3跟滾筒X1共軸同步轉(zhuǎn)動，因此滾筒的轉(zhuǎn)角也是3°。實驗證明，為使X系統(tǒng)運行穩(wěn)定、定位精確，滾筒需轉(zhuǎn)動一圈半，即360°+180°=540°，為此需要540/3=180個脈沖來觸發(fā)驅(qū)動，滾筒X1才能完成海帶纏繞。當(dāng)再來180個脈沖觸發(fā)驅(qū)動后，步進(jìn)電機(jī)X3將繼續(xù)轉(zhuǎn)過540°，從而帶動滾筒X1回到初始位置，因此分頻網(wǎng)絡(luò)FX的分頻值為180。

Y系統(tǒng)的運行是通過齒輪齒條將步進(jìn)電機(jī)Y3的轉(zhuǎn)動變?yōu)閅L的往復(fù)直線運動，移動的距離與海帶結(jié)的長度相關(guān)，而計算FY分頻網(wǎng)絡(luò)的分頻值需要已知的海帶結(jié)長度。如圖6所示，打結(jié)中的海帶長度L與滾筒X1外徑D相關(guān)：L=(π+1)D 。海帶成結(jié)機(jī)構(gòu)滾筒X1外徑D=30 mm，經(jīng)計算海帶長度為124.2 mm?？紤]夾爪占用一定的海帶寬度，因此海帶長度取140 mm。

齒條、齒輪的齒距為E，齒輪的齒數(shù)為H，當(dāng)YL移動一個海帶長度L后，齒輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為L/(E×H)。由于齒輪與步進(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)動，因此步進(jìn)電機(jī)Y3轉(zhuǎn)動同樣圈數(shù)所需的脈沖數(shù)為FY= L/(E×H)×(360/3)，已知L=140 mm、E=3.5 mm、H=20，計算得FY=240，即此脈沖數(shù)為FY分頻網(wǎng)絡(luò)的分頻值。

3.4 分頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

經(jīng)計算，X、Y兩個系統(tǒng)的分頻值分別為180和240，均是3位數(shù)，使用3個十進(jìn)制計數(shù)器(BCD)串聯(lián)組成個、十、百三位數(shù)字。把代表BCD碼各數(shù)位的相關(guān)輸出端接入“與”門電路，當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到分頻值180或240時，“與”門電路輸出的電位跳變信號使后續(xù)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)。分頻網(wǎng)絡(luò)的電路如圖7所示。

圖8為完成一個海帶打結(jié)動作所需的脈沖數(shù)。圖8橫坐標(biāo)代表過程輸入的脈沖數(shù)，縱坐標(biāo)上的“0”代表停轉(zhuǎn)，“1”代表運轉(zhuǎn)，“-1”代表反轉(zhuǎn)。完成一個海帶打結(jié)，振蕩器共計發(fā)出660個脈沖，其中X系統(tǒng)完成海帶纏繞打圈需180個脈沖；Y系統(tǒng)完成穿梭打拔需240個脈沖；兩系統(tǒng)復(fù)位共需240個脈沖，其中在第180個脈沖時，X系統(tǒng)復(fù)位到初始狀態(tài)后停轉(zhuǎn)，YL則繼續(xù)平移，在第240個脈沖時到達(dá)原位。

4 作業(yè)及控制流程

本機(jī)的精準(zhǔn)運行關(guān)鍵在于由數(shù)字電路組成的邏輯驅(qū)動電路。為滿足成結(jié)機(jī)構(gòu)特殊運行流程的要求，在邏輯電路中設(shè)置一些特殊的“門”，這些門電路沒有現(xiàn)成的器件可供采用，只能將其他功能的電路經(jīng)拆分、組合后使用。本機(jī)中的脈沖振蕩器、綜合門控電路、X系統(tǒng)門控電路和Y系統(tǒng)門控電路等均由這些門電路組成，其中“綜合”僅表明功能的綜合性，并非與某具體元件相對應(yīng)。

開機(jī)前，成結(jié)機(jī)構(gòu)各部件處在初始位置，如圖4所示。開機(jī)后，電路各部分處于伺服狀態(tài)。此時，如果沒有海帶輸進(jìn)X系統(tǒng)夾頭X5，紅外發(fā)射、接收二極管Y6/X6將發(fā)出信號使監(jiān)控觸發(fā)電路，一方面讓喇叭發(fā)聲報警，另一方面停止振蕩器的工作，使機(jī)構(gòu)不運轉(zhuǎn)。當(dāng)有海帶輸進(jìn)時，送料夾緊氣缸A1驅(qū)動送料夾爪A3夾緊海帶后，送料氣缸A2驅(qū)動送料滑臺A4帶動送料夾爪A3將海帶送至X系統(tǒng)夾頭X5(圖4)，此時海帶阻擋Y6/X6之間的光路，監(jiān)控觸發(fā)電路發(fā)生反轉(zhuǎn)，喇叭失聲，脈沖振蕩器起振，促使電磁閥X2吸動夾爪X5夾住海帶前端。在綜合門控電路的控制下，脈沖信號只能先通過X系統(tǒng)的門控電路，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)X3帶動滾筒X1轉(zhuǎn)動、纏繞、打圈。滾筒轉(zhuǎn)動的位移量受FX分頻網(wǎng)絡(luò)控制，當(dāng)分頻值達(dá)到180時，海帶后端陷進(jìn)滾筒缺口(圖4、圖6)并橫跨缺口，此時綜合門控電路立即關(guān)閉X系統(tǒng)門控電路，X路脈沖信號中斷，滾筒停轉(zhuǎn)；同時，綜合門控電路開啟Y系統(tǒng)門控電路，Y路脈沖信號進(jìn)入，一方面使電磁閥Y2通電生磁以吸動夾爪Y5夾住海帶后端，并由切料氣缸E驅(qū)動切刀E1將海帶切斷；另一方面驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)Y3帶動YL開始后退拉拔(圖4、圖6)。YL后退的距離受FY分頻網(wǎng)絡(luò)控制，當(dāng)分頻值達(dá)到240時，YL后退至預(yù)定位置并壓碰微動開關(guān)Y7觸發(fā)相關(guān)電路，使電磁閥X2和Y2同時斷電失磁，打開夾爪X5和夾爪Y5，從而完成脫料過程。同時，綜合門控電路重新開啟X系統(tǒng)門控電路，脈沖信號同時進(jìn)入X、Y兩個系統(tǒng)門控電路，其中步進(jìn)電機(jī)X3重新轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速均不變)復(fù)位，當(dāng)FX分頻網(wǎng)絡(luò)分頻值達(dá)到180時，回到初始位置并停轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)Y3反向轉(zhuǎn)動，當(dāng)FY分頻網(wǎng)絡(luò)分頻值達(dá)到預(yù)定值240時，回到初始位置并停轉(zhuǎn)。兩系統(tǒng)全部復(fù)位后，喇叭聲重新響起，提示再次輸送海帶?？刂屏鞒虉D如圖9所示。

5 驗證與討論

5.1 樣機(jī)試驗

為檢驗所設(shè)計的海帶打結(jié)機(jī)及控制系統(tǒng)的合理性與正確性，開展試驗樣機(jī)運行驗證試驗，試驗地點為廈門市鑫誠氣動液壓公司，試驗樣機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)采用24 V直流電壓供電。鑒于市售海帶條均非標(biāo)準(zhǔn)品，長度和厚度不均勻且濕度存在差異，為保障驗證試驗連續(xù)穩(wěn)定，本次試驗采用厚度與寬度尺寸與市售海帶條較為相近的無紡布條作為試驗品。驗證結(jié)果表明，試驗樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)試驗品自動進(jìn)給，在進(jìn)料速度為0.1 m/s的情況下，成結(jié)率(打結(jié)成功次數(shù)/總打結(jié)次數(shù))超過90%以上，打結(jié)速度為8～10個/min。圖10為樣機(jī)生產(chǎn)一個有結(jié)海帶的全過程。

5.2 討論

1)由于本試驗使用的無紡布與實際生產(chǎn)的海帶存在物理性能和力學(xué)性能上的差異，因此上述樣機(jī)試驗論證結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映實際結(jié)果，但仍可證明本設(shè)計基于仿生學(xué)原理設(shè)計的海帶成結(jié)機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)是可行的。

2)受試驗條件限制，本研究前期未能開展海帶物理力學(xué)性能測試，因此后期應(yīng)進(jìn)一步開展拉伸、摩擦等性能試驗，探討海帶力學(xué)物理性能對打結(jié)速度和成結(jié)率的影響，為海帶打結(jié)機(jī)各機(jī)構(gòu)的材料選擇提供參考。

6 結(jié)論

1)基于仿生學(xué)原理設(shè)計的海帶成結(jié)機(jī)構(gòu)，主要由成環(huán)機(jī)構(gòu)、穿環(huán)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)3部分組成，并經(jīng)過試驗品驗證了該設(shè)計的合理性。

2)本文研制的樣機(jī)經(jīng)過試運行階段的觀測，雖能實現(xiàn)海帶打結(jié)的基本操作，相關(guān)的運行程序也基本符合設(shè)計要求，但應(yīng)進(jìn)一步研究：(1)開展海帶相關(guān)基本力學(xué)參數(shù)測試，為海帶打結(jié)機(jī)與海帶接觸部件如夾爪的材料和運動速率設(shè)計提供依據(jù)；(2)以伺服電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)，將開環(huán)控制改成閉環(huán)控制，提高控制精度和轉(zhuǎn)速，從而提高打結(jié)速度；(3)使用氣動手指取代自制夾爪，自帶導(dǎo)桿氣缸或雙桿氣缸取代自制導(dǎo)桿，并進(jìn)一步完善控制電路的功能與結(jié)構(gòu)，采用更高性能的PLC，在降低機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、提升各動作穩(wěn)定性的同時，進(jìn)一步增加各動作的響應(yīng)頻次和加快動作速度，提高打結(jié)效率；(4)用于打結(jié)的海帶條的預(yù)制備方法有待繼續(xù)研究。