基于VB的揣面機的機構分析與仿真
2024-12-31 00:00:00肖佳俊孫亮波
機械 2024年11期
摘要：為解決手工揣面費時費力且供不應求以及傳統(tǒng)揣面機效率低且面團不光滑的一系列問題，在分析了手工揣面的動作要領的基礎上，基于仿生原理，機械原理和VB編程模擬，設計了曲柄滑塊機構和六桿機構并進行運動分析進而建立數(shù)學模型，得到了揣面的運動軌跡，并利用VB可視化編程環(huán)境，驗證了該仿生機構的可行性與正確性。該程序為機器的制造提供了數(shù)據(jù)基礎，為仿生機械領域以及面食行業(yè)機械化提供了新的實例，進一步促進了揣面環(huán)節(jié)的機械化。
關鍵詞：VB編程；仿生；揣面機；曲柄滑塊；六桿機構
中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.11.009
文章編號：1006-0316 （2024） 11-0064-07
Mechanism Analysis and Simulation of the"Dough Kneading"Machine Based on VB
XIAO Jiajun，SUN Liangbo
（ School of Mechanical Engineering， Wuhan Polytechnic University， Wuhan"430048， China ）
Abstract：Manual dough kneading faces the problems of being time-consuming， labor-intensive， and understaffed， as well as the low efficiency and unsmooth dough caused by traditional dough kneading machines."To address the issues， the essential techniques of manual dough kneading is analyzed， and based on biomimetic principles， mechanical principles and VB programming simulation， a crank slider mechanism and a six-bar mechanism are designed， and the motion analysis is then carried out to establish a mathematical model， from which the kneading motion trajectory is determined. And "The feasibility and correctness of the biomimetic mechanism is verified by utilizing the VB visual programming environment. This program provides a data foundation for machine manufacturing， offers new examples for biomimetic machinery and noodle industry mechanization， which further advances the mechanization of the dough kneading process.
Key words：VB programming；bionics；dough kneading machine；crank slider；six-bar mechanism
揣面的好壞，直接影響到面團的質量，揣面作為揉面中最費力氣的一個環(huán)節(jié)，具備著很高的自動化發(fā)展前景[1]，在電算法對機構分析中用VB語言重新開發(fā)更具有推廣性[2]。面食是我國傳統(tǒng)的主食品，具有悠久的歷史和廣大的群眾基礎，在整個食品行業(yè)中占據(jù)居民消費的重要地位[3]。
目前，發(fā)酵面食機械裝備行業(yè)起步晚，在國內食品機械中屬于較落后的一個行業(yè)[4]。受西方面點影響，我國自主研發(fā)的面食加工機械故障率較高，耗能較大，做工比較粗糙使用年限較短[5]。揉面機是一種常用的面食機械，通常用一對等直徑軋輥對滾實現(xiàn)面團碾壓[6]，手工揉面相對機制面制得的面條蒸煮、質構特性最佳，其面筋網(wǎng)絡對淀粉顆粒的包裹更致密[7]。其中揣面可使面團進一步均勻、增勁、柔潤、光滑或酥軟等，是調制面團的關鍵。雷恩揉面機的揉面方式是最接近于人工揉面的動作的新型揉面機，得到的面團相比更均勻致密，更具高彈性[8]，但與手工制面依舊有不少差距。
本文旨在VB可視化程序中開發(fā)該仿生揣面機的運動分析和仿真系統(tǒng)。將該仿生機構進行可視化仿真與科學計算不僅可以促進新型面食機械發(fā)展，而且還對面點自動化生產(chǎn)有著很大的實用價值，為揣面機提供更優(yōu)的方案與數(shù)據(jù)支撐。
1 設計思路
揣面即用手將面團拉伸均勻后，將面團分為上下兩部分，重疊后再進行擠壓，只有這樣做出的面往往才更加筋道。如此這番往復的循環(huán)運動即為揣面的核心動作要領。根據(jù)平面機構原理，該揣面機可分為上下兩個機構（六桿機構和曲柄滑塊機構），且通過同步帶公用一個電機來實現(xiàn)。在Visual Basic環(huán)境中，對上述機構進行編程，利用VB的圖形處理功能將結果顯示為動態(tài)的機構簡圖，并且給出一個循環(huán)中的運動線路，最后再可通過VB可視化控件進行機構的仿真與分析，設計思路如圖1所示。
2 程序設計
2.1 用戶界面設計
本程序使用了一個窗體和一個模塊。窗體按功能可分為三個部分即：①參數(shù)調試，設置2個Frame框架、10個Textbox文本和10個Label圖形控件以方便分別管理參數(shù)和調試參數(shù)；②開關控件，通過CommandButton控制仿真開關以及參數(shù)刷新；③圖像顯示部分，即通過Picturebox和Timer顯示動態(tài)機構簡圖和運動軌跡。
2.2 控制的移動
采用控制的移動技術實現(xiàn)機構運動的動畫的方式可分兩種：一種是在程序運行過程中隨時更改控制的位置坐標的left，top屬性。另一種是對控制調用move方法來達到所需的動畫[9]。這里的控制可以是命令按鈕、文本框、圖形框、等。本文選取第一種機構中所需點坐標如圖2所示。
通過Option Explicit語句聲明模塊中的所有變量，這樣可以避免變量因名稱拼寫等錯誤，“Option Explicit”可以加快程序的運行速度，它節(jié)省了在程序運行時動態(tài)分配變量存儲空間的時間。當確認好機構的基本骨架后，通過在模塊創(chuàng)建過程Public Sub，在此將過程命名為DrawMechanism。該仿真只需用到直線控件和圓形控件來畫同步輪，同步帶與連桿機構，進而做到機構運動的可視化，各個圖形定義的源程序就不再一一贅述。改變各個連桿尺寸后，必須重新運行程序才能看到新的機構動畫，為了方便，應用refresh后在每次數(shù)據(jù)更新時候就可以立即刷新。
為使機構中各參數(shù)都能夠直觀的被輸入和更改，本程序通過將尺寸的定義寫入Commandbotton的控件中，通過控件texbox控
制桿lab、lbc、、、、lfg、lgh、的
長度，盆底半徑R和原動件的轉速，改變機構的參數(shù)并用按鈕刷新數(shù)據(jù)，進而直觀的表現(xiàn)出機構的動態(tài)變化。O2、O3處于豎直關系，定義O1、O3的初始坐標值如下：
（1）
式中：為點O2的橫坐標大小；為點O2的縱坐標大??；為O2到O3的距離。
執(zhí)行Command1_Click（）事件后，編寫事件Private Sub Form_Load（）。目的是為了載入窗體，創(chuàng)建坐標系。如果設置坐標系為Picture1.Scale（-500， 500）-（500， -500）此時，可以在上一事件click中規(guī)定：
（2）
式中：為點O1的橫坐標大??；為點O1的縱坐標大小；為點O3的橫坐標大小；為點O3的縱坐標大小。
2.3 曲柄滑塊機構
整個曲柄滑塊機構原動件為桿，所以在仿真中需要實現(xiàn)的自傳。在VB中，動點A
可通過轉角自加的方式實現(xiàn)，改變v的大小就改變了電機轉速，即：
（3）
式中：θ1為的轉角大??；v為的自加轉角。
曲柄滑塊機構的其他坐標屬性可分別用正弦函數(shù)，余弦函數(shù)以及勾股定理進行編譯。動點A繞O1做圓周運動，A點的坐標與O1點的坐標之間的關系可由下式得出：
（4）
式中：xa為點A的橫坐標大小；ya為點A的縱坐標大?。粸?em>O1到A的距離；θ1為的轉角大小。
動點B在坐標系中做水平運動，易知yb為一固定值。運用勾股定理，結合的值可求出xb的值，即：
（5）
式中：xb為點B的橫坐標大??；yb為點B的縱坐標大小；為O1到A的距離；lab為點A到點B的距離；θ1為的轉角大小。
由曲柄滑塊機構的特性可將點B、C、C1、C2、C3、D、E看作一個整體，其內部的坐標之間存在如下的定值關系：
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）
（11）
式中：xa、yb為B的坐標值；xc、yc為C的坐標值；xd、yd為D的坐標值；xe、ye為E的坐標值；xc1、yc1為C1的坐標值；xc2、yc2為C2的坐標值；xc3、yc3為C3的坐標值；R為盤底半徑。
2.4 六桿機構
該六桿機構可看作四邊形O3FGH，已知O3、lfg、lgh、的長度。動點F的動態(tài)坐標值求解同動點A，聲明兩個單精度數(shù)值ang2和v，使ang2＝ang2＋v。
滑塊F在桿上做的是簡諧振動，若H
為復合鉸鏈，此時機構自由度為2，機構簡圖如圖3所示。若將H點焊死，機構自由度為1，機構簡圖如圖4所示。
平面機構自由度計算如下：
（12）
H點焊死后，連接lgf做一條線段得到三角形GHF，即把桿lgh，桿和桿合并為同一構件。簡化后的數(shù)學模型如圖5所示。
此時∠HO3Z的值固定，即桿和桿的擺角相等，聲明A1作為擺角的形參。同時桿只要大于即可，可以給一任意較大值，這里給到400。
對F點、H點、G點分析，得出節(jié)點仿真軌跡的數(shù)學描述。已知桿l1、l2、l3的長度，現(xiàn)討論G、H、F三點的求解方法，結合圖5的以及圖6的易知F點和Z點關于O2的函數(shù)關系為：
（13）
式中：xf為點F的橫坐標大??；yf為點F的縱坐標大??；為O2到F的距離；θ2為的轉角大小。
（14）
式中：xz為點Z的橫坐標大??；yz為點Z的縱坐標大??；A1為的擺角大小。
桿的長度為定值，且桿3h在以O3為原點的坐標系中在第二三象限擺動，同理F點，可知H與O3的函數(shù)關系如下：
（15）
設ljh＝150，則J點坐標的表達式為：
（16）
式中：xh、yh為H的坐標值；xj、yj為點J的坐標值；為桿的大小；A1為的擺角大小。
此時，主程序中需填加模塊定義擺角A2：
（ByVal x1 As Double， ByVal y1 As Double， ByVal x2 As
Double， ByVal y2 As Double）。令A1 = A2（o3x， o3y， fx， fy），"A1 = A2 （hx， hy， gx， gy）
已知xo1＝280、yo1＝-275、xo3＝150、yo3＝-40，現(xiàn)討論Vb中擺角A2區(qū)間為（0≤A2≤360）時，lgh或或在坐標系中關于x軸的最小夾角，公式如下：
（17）
當連桿位于坐標軸情況時的討論如下：
（18）
式中：x1、y1、x2、y2為連桿長度的形參；A2為擺角的形參。
添加模塊CountRRR （ByVal x1 As Double， ByVal y1 As Double， ByVal x3 As Double， ByVal y3 As Double， ByVal l1 As Integer， ByVal l2 As Integer）主程序中令hx=x1，"hy=y1，"fx=x3，"fy=y3，"Lgh=l1，"Lfg=l2，"gx=X，"gy=Y。
已知動點F、H的坐標值和桿l1、l2、l3的長度，求動點G的坐標表達式，可先設lgh關于
x軸的偏角w1，由勾股定理得如下表達式：
（19）
設變量A、B、C為：
（20）
根據(jù)復數(shù)矢量法得到偏角w1的表達式為：
（21）
動點G的坐標表達式為：
（22）
式中：X、Y、x1、y1、x2、y2為點G、F、H的坐標值；l1、l2、l3為桿長的形參。
桿長l1、l2為用戶給出的數(shù)值，此時代碼中要驗證三角形性質，如不滿足公式（23），則退出程序。
（23）
六桿機構的函數(shù)同DrawMechanism線條繪制寫入模塊，模塊可以提高代碼的可讀性，可擴展性和可維護性，以及代碼的運行速度。這里主要涉及到代碼的復用性，所以這里引用模塊，同理動點J的坐標也是通過調用模塊A2與H的坐標求得。上述程序均通過窗口的Timer運行，同時要訪問模塊DrawMechanism Me.Picture1繪出圖形。
3"運行結果分析
為了更好表現(xiàn)出揣面機仿生運動的效果，還可增加揣面頭繪制運動曲線的程序，其代碼如下：
Dim L As Integer
n = n + 1
Pj（n）.X = jx
Pj（n）.Y = jy
Picture1.DrawWidth = 2
For L = 1 To n - 1
Picture1.Line （Pj（L）.X， Pj（L）.Y）-（Pj（L + 1）.X， Pj（L + 1）.Y）， RGB（250， 0， 0）
Next L
If n gt;= 360 Then n = 0
End Sub
本文結合仿生原理對現(xiàn)有揣面機進行改進，基于以上對揣面機機構運動的分析，實現(xiàn)了該仿生揣面機的仿真。該程序可實時觀察機構的運動和指定點軌跡的動態(tài)生成過程[10]，筆者通過對各個參數(shù)的調試，選取合適的比例，截取了機構運動的動畫和一次循環(huán)后揣面頭運動軌跡，結果如圖6所示。
結果表明，運動曲線呈月牙狀，符合仿生學原理對揣面機的要求。同時改變電機轉速還可以滿足對面團面筋形成程度的不同要求，改變lgh的長度可以改變揣面時的幅度大小。
4"結論
仿真結果顯示，程序成功實現(xiàn)了仿生揣面機的機構分析與仿真，設計時，要先選取需求對用的功能即編程方式與方法并針對核心部件進行數(shù)學建模，然后整理出程序設計流程，根據(jù)流程設計編寫程序。如果要設計機構確定參
數(shù)的變化對輸出的影響，可以采用VB的可視化編程，直觀地找到合理的設計值[11]。
這里采用VB作為開發(fā)語言有兩點優(yōu)勢：
（1）可以直觀的分析機構運行的效果并且自主更改參數(shù)實現(xiàn)優(yōu)化，還可以在源程序的基礎上添加程序；
（2）經(jīng)濟性。設計成本很低，還可以為企業(yè)引用或開發(fā)新型仿生揣面機器提供參考。
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基金項目：國家自然科學基金（51875418）
作者簡介：肖佳俊（2002－），男，湖北襄陽人，主要研究方向為機械工程，E-mail：1330581293@qq.com。
*通信作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門人，博士，教授，主要研究方向為機械設計及理論、機械創(chuàng)新設計、機構學，E-mail：4117499@qq.com。
