自动加工生产线的上料机械设计和仿真

陶帅

（辽宁建筑职业学院 辽宁辽阳 111000）

上料作为我国农副产品加工的重要一环，多使用人工或者半自动装置，对一般农副产品如稻谷等，加工需要利用料斗倾斜式的半自动上料方法。但对鸡蛋、桃子等容易破损的农副产品加工时，还需要依赖传统人工上料方法，导致工作人员劳动强度大，且生产效率不挂钩，无法满足新时期自动化、规模化、智能化生产线需求。国外部分发达国家早已开始研究大规模自动上料机械，并获得较好的经济效益。自动上料机械是鸡蛋自动加工生产线过程中比较关键的一环，有利于解决鸡蛋加工环节人工上料存在的不足之处，如生产效率偏低、人畜共患疾病等问题。但国内自动上料机械自动化、生产效率均比较低，产品质量并不稳定。有学者研究指出，在鸡蛋生产线上的上料装置，其可通过吸盘上料当作自动上料机械手末端执行设备［1］。本文以鸡蛋上料机械为对象，对其原理、主要部件等部分展开介绍，不仅可以缩短上料机械样机试制周期，也能为上料样机安装提供一定的参考。

1 自动加工生产线上料机械概述

鸡蛋自动加工生产线上料装置主要由蛋盘分类回收、吸盘摆臂等设备组成，其结构如图1所示。蛋盘分类回收主要包含空蛋盘堆垛、非空蛋盘输送等；吸盘摆臂则由曲柄遥杆及一对齿轮放大机构构成，能确保吸盘组件时间运动中一直处在水平条件下同步带角度补偿机构。载蛋盘装置通过模块带进行输送，对载满鸡蛋的蛋盘进行恰当的定位。依托人工，将整盘鸡蛋放在传送设备之上，鸡蛋跟随着运动进入吸蛋位置，吸盘摆臂将其运动到鸡蛋上方，向下垂直。由电气系统恰当控制下吸盘吸气，吸取整盘的鸡蛋。该装置能够一次吸取两盘鸡蛋（60枚），蛋盘借助载蛋盘传送设施受到作用的影响将载蛋盘传输至模块带上，直到运动至蛋盘分类回收处。在吸盘摆臂对鸡蛋进行吸取后，由于齿轮放大、曲柄遥杆等方面的影响，快速完成吸蛋摆放操作。这一环节中，由于受到纵向气缸驱动带来的影响，两盘蛋纵向分开适当的距离。受到横向气缸驱动的影响，滑块分合机构可以把每一盘鸡蛋5 列横向分开，达到鸡蛋加工生产线中传送蛋棍的间距要求。以上操作顺利完成后，借助电力系统把吸盘吸气阀进行关闭，吸盘与大气相连。因重力的影响，鸡蛋自动落至加工生产线中，随之，吸盘摆臂设备回到吸蛋处，复位各吸嘴，准备进行下次吸蛋操作，整个上料周期完成。

图1 上料机械结构示意图

2 上料机械主要部件设计

2.1 蛋盘输送设计

自动上料机械若无法确保原材料持续不断的供给，就不能称为自动上料机械［2］。鸡蛋自动加工生产线上料机械也不例外，为确保整盘鸡蛋连续输送至鸡蛋装置下，必须配置运行稳定、速度适当及与已有蛋盘相互匹配的输送系统，蛋盘输送部分如图2所示。

图2 蛋盘输送部分简图

蛋盘需要在输送链条下进行向前运动，这种状况下，要确保蛋盘与链条一同运动，不会将蛋盘拉倾斜或者翻倒。因纸质蛋盘耐磨性不佳，极易发生损毁，因此，本次所用蛋盘均为塑料蛋盘。为确保蛋盘实际运动过程中与输送机架保持平行，按照塑料蛋盘的形状设计出支撑三角棍（见图3），它们对称安装在蛋盘输送机架上。加之，单排链条难以有效带动蛋盘向前移动，此处，设计蛋盘卡棍将其固定到输送链条上，蛋盘卡棍受到带动推进蛋盘就会向前运动。

图3 蛋盘支撑三角棍

2.2 吸盘摆动部分

吸蛋设备必须在输送机架与打蛋机间开展往复摆动，从而把曲柄摇杆连续运动变为摇杆往复摆动。基于此，设计相应的曲柄摇杆机构开展吸蛋往复操作。曲柄摇杆机构见图4。

图4 曲柄摇杆机构示意图

曲柄摇杆不同杆长计算如下：当摆臂的长度是（L）564mm，如果吸盘摆动至蛋盘上部进行吸蛋操作，上顶点与输送机架间的高度（h）为96mm，基于此，获得吸蛋装置摆角（Ø）为162o，摆臂齿轮与摆臂进行固定连接，而摆臂齿轮转动角事实上为摆臂摆动角度，因两个齿轮齿数之比为1：3，因此，摇杆固定齿轮摆角就是摆臂摆角的1/3，ψ=54o。此处，行程速度系数K为1.03，得到：

根据上述式子，代入K值，获得极位夹角Ø=2.6o。

2.3 蛋盘回收部分

因吸蛋设备设计的吸嘴主要通过气动系统进行控制，任意系统并非绝对稳定，有可能出现鸡蛋并未完全被蛋盘吸起的情况。基于此，设计所需的蛋盘回收装置。而空蛋盘、非空蛋盘若混合在一起，非空蛋盘仅占少数，这种情况下，必须将非空蛋盘上的鸡蛋及时挑出来，这会引起不必要的麻烦，在一定程度上加大额外工作量。如果想及时回收空蛋盘、非空蛋盘，有效降低工作人员的工作量，必须设计空蛋盘及非空蛋盘这两类回收设备。

蛋盘回收操作原理如下：若蛋盘通过测蛋挡板时，当蛋盘上缺少鸡蛋，并未触动相应的挡板，与其紧挨着的传感器并未触发。如果蛋盘运动至收集架下方，控制系统及时开启顶起气缸，蛋盘顶至空蛋盘收集架实现回收空蛋盘操作［3-4］。对蛋盘进行回收时，检测蛋盘是否有遗留鸡蛋装置具有重要的意义，它能够准确检测蛋盘是否遗留鸡蛋，与推走、顶起气缸运动存在密切的联系。按照蛋盘尺寸，设计相应的测蛋挡板，蛋盘中蛋与蛋两者的距离、齿与齿的中心距均为50mm，而测蛋挡板上配置的U 型孔其中心距为25mm［5］。依据鸡蛋情况，恰当调整其安装高度，便于提升检测效率。

检测鸡蛋装置工作原理为：若蛋盘存在鸡蛋，鸡蛋及时触动测蛋挡板中5 个齿中的任何一个，从而带动着传感器连接件开展运动，顺利实现鸡蛋检测功能。

3 整体仿真研究

虚拟样机就是集合不同新兴技术为一体的类型，对仿真技术以及制造信息实施集成处理，上述技术用在全生命周期比较复杂的系统内，便于对系统开展全面的管理。对鸡蛋自动上料机所有机械设计完成后，对其运动学开展仿真分析［6］。开展仿真操作基础在于创建新的运动场景，在UG 内打开装配完成的三维图，单击开始按钮，随之下拉菜单选定“运动仿真”命令，顺利进入运动仿真模块。对上料机械开展仿真研究，现场使用量角器、加速度仪、直尺等检测上料装置摆杆末端最大水平度Vx、水平及垂直位移x、y、垂直速度Vy等指标情况，及其获取最大数值时曲柄相对位置角（Øx、Øvx、Øɑx、Øy、Øvy、Øɑy），与获取的仿真数据展开对比，见表1。通过运动仿真研究，能有效优化设计参数，对各零部件的设计进行完善处理，进一步确定这些部件的参数信息。通过分析发现，仿真数值与实测值大致相同，位移出现较小的误差是由于测量精度引起的；角度存在微小误差，除受到测量精度的影响外，零部件运动过程中受力变形也是常见的因素。

表1 比较仿真与实测结果

4 结语

综上所述，鸡蛋自进料至包装均通过单个、不接触人的处理，展现出操作简单、可靠性高等特点。鸡蛋自动上料机械使用吸盘自动上料装置完成自动上料操作，通过曲柄摇杆机构对吸蛋装置往复运动进行控制，顺利实现吸蛋、放蛋操作。本文在阐述鸡蛋自动上料机械工作原理基础上，介绍吸盘摆动、蛋盘回收等部分设计情况，对鸡蛋自动上料机械仿真结果证实，各项运动参数仿真与样机实测数值存在较小的误差，表明理论分析及仿真结果的正确性、实用性。