自动蚕茧切削辅助装备的研究及设计

徐国庆， 卢 腊， 李 扬， 赵志雄， 杨 岩,2(.重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054；2.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

研究与技术

自动蚕茧切削辅助装备的研究及设计

徐国庆1， 卢 腊1， 李 扬1， 赵志雄1， 杨 岩1,2
(1.重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054；2.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

针对目前人工切削蚕茧所需劳动力大，效率低的缺点，结合不同种类蚕茧的形态物理特征及蚕茧切削的相关要求，提出了一款能够完成蚕茧切口任务的自动化蚕茧切削装备，包括机械部分和自动控制系统。该机械能够实现蚕茧的黏结分离、运输、夹持固定和自动剪切等步骤，有效地完成蚕茧的切削任务。文章就整机的控制调速系统进行了描述，对切削过程建立了数学模型，确立了夹持装置与切削装置的速度关系，为系统速度控制最优化提供了理论依据，并通过实验验证了整体装备的成功率和效率。

蚕茧；自动剪切；结构设计；控制系统；速度匹配

中国蚕业生产遍及全国28个省(自治区、直辖市)的1 300个县，至2014年底，全国桑园面积82.8万hm2(1 242万亩)，桑蚕茧发种量1 626万张，桑蚕茧产量64万t，年产茧量和丝类产量分别占世界总产量的75%以上和70%左右，是第二大生产国印度的8倍多，丝绸工业企业年实现销售收入800亿元。中国是世界蚕桑的起源国和传播国，蚕桑生产已有5 500多年的历史[1-3]，具有庞大而又较为完备的生产体系，是国计民生的重要组成部分[4]。蚕蛹营养丰富，含有较高的蛋白质、油脂、不饱和脂肪酸和微量元素等物质，是人们喜爱的食品之一，除了直接食用外，蚕蛹在食品、饲料、化工、医药和纺织等工业中有广泛的应用[5-7]。而茧丝绸商品是中国的一种十分重要的出口创汇商品[8-11]。

养蚕业在每年育种时，为了保证优良蚕种的杂交优势，需要在桑蚕孵化前将蚕茧割开，从中取出蚕蛹并进行同亲本雌雄辨别分离，以免蚕蛾进行同亲本繁殖，从而丧失杂交优势，影响蚕丝质量。目前的桑蚕茧削口仍然以手工削口为主，然而手工削茧的作业方式存在很大的弊端，不仅劳动强度大，生产效率低，经常有操作人员被割伤现象，而且生产成本高。随着中国自动化装备水平的不断提高，已研制出少量的蚕茧自动化切削装备，但很多设计出的装置都不能够很好地满足通用性要求，还容易损伤蚕茧，使里面的蚕蛹受到伤害，尤其是在蚕茧品种不同，规格尺寸分散较大的情况下，这种问题就更加严重。为此，提出一种新的能够完成蚕茧切口任务的自动化蚕茧切削装备，该装备不仅能够有效地完成蚕茧的分离、运输、夹持和剪切等步骤，还能通过检测控制系统自动完成对整体机械的调整，提高切削成功率和效率。

1 总体方案原理设计

本设计主要由蚕茧的黏结分离装置、输送装置、夹持装置及切削装置组成。工作时，蚕茧处于储料仓中，黏结分离装置使蚕茧成无黏结状态落入传送带及挡板之间，在挡板及传送带的共同作用下输送至夹持轮，通过夹持轮及电热丝切削装置的相对运动切削出符合要求的切口，其原理如图1所示。

1.储料仓，2.黏结分离装置，3.传送带，4.挡板，5.夹持轮，6.切削轮，7.电热丝图1 系统结构原理Fig.1 Schematic diagram of system structure

2 机械执行系统设计

2.1 蚕茧黏结分离装置

黏结分离装置主要由活动盖板、壳体、转轴、旋叶、出料口组成(图2)。上料口挡板呈上端宽下端窄的V型，且下端的距离与蚕茧的直径相匹配。

黏结分离装置工作时，蚕茧处于储料仓中，转轴旋转带动旋叶运动，并使之击打活动盖板，蚕茧在活动盖板打开和重力的作用落入到相邻两个旋叶之间，并随旋叶旋转直到到达壳体底部的出料口落到传送带上。旋叶完全经过活动盖板的后，活动盖板与旋叶分离，并在弹簧的作用下关闭。

1.活动盖板，2.壳体，3.旋叶，4.转轴，5.出料口图2 黏结分离装置结构示意Fig.2 Structure diagram of bonding separation device

2.2 蚕茧输送装置

蚕茧输送装置主要由传送带及处于传送带上方的仅有一个蚕茧大小宽度的两块平行挡板组成(图3)。挡板出口与传送带表面之间的距离小于0.5 cm，且后方设置一挡板，使挡板传送带之间形成一仅有一个出口的空间。为防止蚕蛹可能无法落到蚕茧的底部或蚕茧在传送带上翻滚或滑落，将传送带倾斜15°～45°以保证传送效果。同时设置一活动盖板以防止蚕茧呈上下重叠的情况发生，保证蚕茧一个一个的输送到夹持机构上。

图3 输送结构示意Fig.3 Structure diagram of transportation structure

2.3 夹持机构

夹持机构由两个沿传送带宽度方向的中心线对称设置的两个夹持轮及用于驱动夹持轮旋转的电机组成(图4)。夹持轮与传送带的上表面之间的距离小于蚕茧的直径，夹持轮外表面采用弹性橡胶制成。两个夹持轮的相对侧之间的距离为蚕茧直径的85%～95%(蚕茧一般长3～4 cm，直径为1.7～2.1 cm)，且该侧的线速度方向均与所述传送带的前进方向一致。这样，既能够保证夹持的效果，同时也不会伤及蚕茧内的蚕蛹。

图4 夹持机构Fig.4 Clamping device

2.4 切削装置

切削装置由圆形凹轮和电热丝组成(图5)。蚕茧从夹持机构的另一侧伸出时，借由圆形凹轮由下自上的自转运动，使安装于圆形凹轮之上的事先预热好的高温电热丝与蚕茧发生接触，并随着圆形凹轮和蚕茧的相对运动对蚕茧进行指定的切割。

式中，kc为围岩级别及坑道支护类型影响系数，对有被覆的地下工程，kc≈2.5；m为填塞系数； kd为破坏系数，对中等强度岩石，kd≈0.53。

图5 切削装置Fig.5 Cutting device

3 自动控制系统设计

3.1 系统构成及控制原理

控制系统以单片机为核心，主要由电机驱动电路、步进电机、管状电机、传感器等组成，如图6所示。

图6 控制系统构成示意Fig.6 The structure diagram of control system

根据控制简便和整机装备控制的准确性要求，结合所设计结构等因素，本装置各部分电机皆选用步进电机进行驱动，各部分的传感器选用对射式HD-DS25型号的传感器，电机及传感器具体型号参数见表1、表2。

表1 步进电机参数
Tab.1 Stepper motor parameters

型号保持力矩/(N·cm)转动惯量/(g·cm2)电流/A质量/kgHSTM4225.5540.80.28HSTM5788.230020.7

表2 对射式传感器参数
Tab.2 Correlative sensor parameters

型号感应距离/cm响应时间/ms工作电压/V接收角度/(°)HD-DS252524.5～5.5<10

系统中以各个传感器的信号作为输入量，单片机对各数据进行处理，将处理结果反馈给各个电机，形成闭环控制。从而调整整体机械的流畅性以达到避免整体机械堵塞，以及提高切削效率和成功率的目的，其控制流程如图7所示。

首先在整体机械开启之前，对电热丝进行通电，待确定电热丝加热到一定温度后，开启整机控制系统。控制系统先对各个模块进行初始化设置，然后启动上方的落料装置，通过驱动管状电机进而带动与管状电机相连的旋叶，使蚕茧成无黏结状态落入传送带上。蚕茧在传送带和挡板的共同作用下输送至夹持轮，夹持轮夹紧蚕茧并按照一定的速率向切削装置方向前进。当蚕茧前端接触对射式传感器的光束时，单片机驱动切削装置带动已经加热的电热丝运动，并与蚕茧发生接触旋，进而将蚕茧进行切削。蚕茧被切削完后，蚕茧从传送带上自然落到指定的收集处。若传送装置挡板处的蚕茧过多，通过安装在此处的蚕茧堆积量传感器对单片机发出信号进而调整黏结分离装置、输送装置和切削装置的电机速度，从而提高切削效率。

图7 控制流程示意Fig.7 Diagram of control flow

3.2 切削速度匹配

图8 夹持-切削运动模型Fig.8 Clamping-cutting motion model

由图8的运动模型确立了切削轨迹的水平位移S和竖直位移H。

(1)

(2)

式中：S为蚕茧在切削过程中的水平位移；H为蚕茧在切削起始点时对应直径；v1为夹持滚轮的线速度；r为电热丝到旋转中心的距离；ω为切削装置角速度。

由式(1)和式(2)得到v1与ω之间的关系式为：

(3)

4 实 验

为测试蚕茧切削装备的切削效率和成功率，通过已定的方案搭建出该装备的实体模型(图9)，并通过3组切削实验验证了该装备的切削效果和成功率(表3)。实验数据表明：自动蚕茧切削辅助装备对蚕茧的切削完成率大于50%，符合切削要求的占完成切削的蚕茧的60%以上，平均切削时间为15 s左右。该装置未能成功完成切削的主要原因是：夹持轮夹持力不足，未能保证切削时蚕茧处于固定姿态，同时由于电热丝材料温度等性质限制，导致切削时间较长。为达到生产需求，进一步提高效率和成功率，今后将进一步优化整机各部件，并拟更换切削方式加以解决。

图9 实体模型及切削效果展示Fig.9 Entity model and cutting effect display

表3 实验结果Tab.3 The experimental results

5 结 论

本设计考虑了蚕茧的形态特征及切削的相关要求，结合了单片机、传感器等元件进行机电一体化控制。该装置结构紧凑，机构易于安装，造价低廉，具有较好的应用性和市场推广前景。本装置还有一些不足之处，由于实体模型的局限性和电热丝本身材料及温度的限制，整机的切削效果不够稳定且切削的效率并不高，尚需改进。

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The research and design of automatic cocoon cutting equipment

XU Guoqing1, LU La1, LI Yang1, ZHAO Zhixiong1, YANG Yan1,2
(1.College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts of Ministry of Education, Chongqing 400054, China)

Manual cocoon cutting has s high labor cost and low efficiency. Thus, the automatic cocoon cutting equipment was developed by combining form physical characteristics of different kinds of cocoons and cocoon cutting requirements. The equipment consists of mechanical components and automatic control system. The process of separation, transportation, clamping and cutting for cocoons can be successfully achieved by this machine. It can effectively complete cocoon cutting task. The speed regulating system of this machine was discussed in this paper and the mathematical model of cutting process was established. The mathematical model not only determined the speed relationship between clamping device and cutting device, but also provided the theoretical basis for optimization of speed control. The success rate and efficiency of this machine were verified by experiments.

cocoon; automatic cutting; structure design; control system; speed matching

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.01.005

2016-07-30;

2016-11-30 基金项目: 重庆市重点产业共性关键技术创新专项项目(cstc2015zdcy-ztzx80005)

徐国庆(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为智能农业机械设计与研究。通信作者：杨岩，教授，yangyan@cqut.edu.cn。

TS142.221.1

A

1001-7003(2017)01-0026-05引用页码:011105