饅頭胚自動擺盤機設計與研究

郝用興 張明慧 馬子領 馬少丹（華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450011）

饅頭加工所用的設備主要由加水罐、和面機、壓面機、提升機、成型機、整形機、擺盤機、醒發(fā)箱、蒸柜及輔助設備組成。在饅頭的實際生產中，和面機、成型機、醒發(fā)箱、蒸柜的使用已經非常普遍，而饅頭胚的擺盤工作還是以人工擺放為主，饅頭的自動擺盤技術還非常短缺。由此可見，研發(fā)出一種可代替人工進行擺盤的饅頭胚自動擺盤機顯得非常必要。

饅頭胚自動擺盤機已有旋轉推板式生面團自動排放機和旋轉溜管式生面團自動排放機兩種形式［1，2］。前者擺放后的饅頭胚不整齊，實際使用中還需要人工整理；后者由于饅頭胚是順著管道滾落下來的，僅適合圓形饅頭。基于上述兩種方案的特點，本研究提出一種結構簡單、價格低廉、既適合圓形饅頭又適合方形饅頭，且擺放整齊的饅頭胚自動擺盤機，可以將從饅頭成型機生產出來的各種形狀的饅頭胚整齊地成排放置到托盤中。

1 機構方案

1.1 應用環(huán)境

擺盤機緊隨成型機之后工作，可以將成型后的饅頭胚自動抓取、擺放到托盤上。所以機構方案需要按照成型機的參數(shù)進行設計。

擺盤機結構設計的主要依據：① 饅頭胚的大小；② 成型機輸送出來的饅頭胚之間的間距；③ 饅頭成型機的生產率；④ 成型機的外形尺寸。

目前，市場上饅頭成型機的制品重量為30～250g，查文獻資料［3］知饅頭面團的密度為ρ＝1.17g/cm3，則饅頭面團的體積為25.64～213.68cm3。根據公式v＝a3得出，a＝2.95～5.98cm，于是以尺寸為60mm×60mm×60mm的方饅頭為抓取對象。

從成型機輸送出來的饅頭胚之間的間距約為10mm。

在饅頭加工企業(yè)中，考慮到人工擺放饅頭胚的速率，成型機的生產率為1個左右。本機以成型機的生產率2個為設計依據。

目前市場上投入使用的、普遍的成型機的外形尺寸為：4 520mm×650mm×1 460mm。

1.2 設計方案

擺盤機的工作要求是將成型機生產出來的饅頭胚整齊地成排放置到饅頭托盤中。

抓取和放置是模仿人手進行饅頭胚擺盤所必須有的動作。

為了保證放置于托盤上的饅頭胚擁有合理的間距，擺盤機需要有一個增加相鄰饅頭胚間距的動作（即分距）。

由于饅頭胚質地松軟，在托盤的移動過程中，極易發(fā)生傾倒、翻轉的狀況。為了保證饅頭胚狀態(tài)的穩(wěn)定，擺盤機需要有一個向下按壓饅頭胚的動作（即按壓）。

因此，通過設計一個模仿人手抓取饅頭的長條弧形板手指，并兼有抓取、分距、放置、按壓等功能的機械手爪，再由一個可以帶動機械手爪進行快速移動的移動機構，實現(xiàn)饅頭胚抓取、放置的連續(xù)動作。

1.3 工作原理

饅頭胚自動擺盤機工作原理見圖1，成型后的饅頭胚4呈直線排列，隨成型機的輸送帶6沿著V1方向移動；當6個饅頭胚通過了光電傳感器5時，給機械手爪7一個信號使其抓取饅頭胚4，然后移動機構3帶動機械手爪7移動到托盤1上方，并將饅頭胚4放置到托盤1上。接著移動機構3帶動機械手爪7回到初始位置等待下一次抓放，同時放置托盤的輸送帶2沿著V2方向移動一定距離并停止，至此完成一個工作循環(huán)。當一個托盤擺滿以后，由人工將托盤移走。

圖1 饅頭胚自動擺盤機工作原理Figure 1 Working principle diagram of dough wobble－plate machine

2 結構設計

饅頭胚自動擺盤機主要由機架、移動氣缸、手爪、托盤及輸送機A、B組成（見圖2），其中手爪是本機的核心部分。

2.1 機架

機架安裝在輸送機A和輸送機B上，用于固定移動機構，實現(xiàn)饅頭胚抓取工作的平穩(wěn)進行。

2.2 移動氣缸

移動氣缸安裝在機架上，可帶動手爪進行往復運動，實現(xiàn)饅頭胚的快速移動。本機的移動氣缸為無桿氣缸。

圖2 饅頭胚自動擺盤機結構Figure 2 The structure of dough wobble－plate machine

2.3 手爪

手爪固定在移動氣缸的滑塊上，由底板、支撐架、手爪開合機構、壓板、饅頭夾板、夾板同步連接器、抓取氣缸、按壓氣缸、分離氣缸構成（見圖3）。氣缸帶動連桿運動使手爪開合，實現(xiàn)饅頭胚的抓取、分距、放置和按壓的動作［4－6］。

圖3 機械手爪結構Figure 3 The structure of manipulator

底板用于連接手爪和移動機構；支撐架是手爪的骨架；手爪開合機構完成抓取、放置動作；饅頭壓板用于饅頭放置時向下按壓饅頭以保證饅頭放到托盤上后狀態(tài)穩(wěn)定不翻倒；饅頭夾板用于夾取饅頭，由3節(jié)組成，兩端的兩節(jié)在分離氣缸的帶動下可以向兩側移動一段距離，以保證饅頭放置后擁有合理的間距；夾板同步連接器有兩個，每個由兩個連桿通過銷連接組合而成，用于保證兩側的可動夾板同步移動；抓取氣缸、按壓氣缸、分離氣缸是驅動部件，用于驅動相應的執(zhí)行部件。

2.4 托盤

托盤只有三面有邊沿，以方便手爪通過，可以放置8排饅頭，每排6個。

2.5 輸送機

輸送機A為成型機的輸送裝置，用于輸送成型機中切割好的饅頭胚。輸送機B平行并略低于成型機的輸送機A，用于放置托盤并帶動托盤向前移動。

3 驅動控制設計

氣動系統(tǒng)通常由能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調節(jié)裝置、輔助裝置及傳動介質等組成［5］。本研究中氣缸為執(zhí)行裝置，電磁閥為控制裝置。氣缸由電磁閥控制，具有簡單易用，安裝方便、反應速度快等優(yōu)點。

3.1 工作過程

根據自動擺盤機的基本結構和工作原理，其工作流程圖見圖4。

3.2 氣動控制系統(tǒng)設計

饅頭胚自動擺盤機的抓取、移動、分距、放置、按壓等動作，均可采用節(jié)流調速閥調速回路來實現(xiàn)，采用共同氣源供氣，形成的氣動系統(tǒng)圖見圖5［7－9］。其工作原理：當電磁閥YAi（i＝1～8）得電時，氣源經工作壓力控制回路后，經電磁閥n（n＝13～16）后，氣流再經單向節(jié)流閥m（m＝1～8）進入氣缸p（p＝9～12）左腔或右腔，推動氣缸桿伸出或縮回。

圖4 自動擺盤機工作流程圖Figure 4 The flow chart of wobble－plate machine

圖5 自動擺盤機的氣壓傳動系統(tǒng)Figure 5 The pneumatic system schematic of wobble－plate machine

4 仿真試驗

將本機的三維模型導入ADAMS中，按照實際情況設定樣機相關參數(shù)［10－12］，得到饅頭胚自動擺盤機虛擬樣機模型（見圖6）。通過ADAMS運動仿真，可以繪出機械手爪某一點在抓取過程中的位移曲線（見圖7），從位移曲線上能夠簡單直觀地看出，手爪的抓取過程平穩(wěn)，能夠保證饅頭胚自動擺盤機的可靠性和可行性。因此可以得出：機構的設計方案能夠滿足自動擺盤機所需的功能要求。

圖6 自動擺盤機虛擬樣機模型Figure 6 The wobble－plate machine virtual prototype model

圖7 機械手爪的位移曲線Figure 7 The displacement curve of gripper

采用計算機虛擬仿真試驗及理論分析計算，得到本機的主要技術參數(shù)為：產能7 200個/h，功率17kW，耗氣量638dm3/min，外形尺寸1 058mm#2 000mm#1 082mm，成品率100%。

5 結論

結合擺盤機的功能需求，完成了饅頭胚自動擺盤機設計與研究。本機具有結構簡單，適應性廣，整個裝置可拆卸、更換零件，具有較長的使用壽命等特點，能一次擺放到位整齊。運用氣壓原理，對整機進行驅動控制設計，采用氣壓驅動，簡化了結構，降低了成本，并且氣壓驅動方式非常適合多機共用一個氣源的工廠生產模式。該機與成型機配套使用后，可以代替人工進行饅頭胚的擺盤工作，滿足饅頭生產中對安全衛(wèi)生、節(jié)省人力和提高效率的要求。

1 周全申，朱慶方，朱克慶.旋轉溜管式生面團自動排放機［J］.鄭州糧食學院學報，1999，20（1）：22～24.

2 周全申，朱克慶，李廣玉.旋轉推板式生面團自動排放機構［J］.鄭州糧食學院學報，1998，19（1）：41～44.

3 李彥蓉.饅頭成型機的研究與設計［J］.農機化研究，2008（4）：111～113.

4 黃賢新.工業(yè)機器人機械手設計［J］.裝備制造技術，2012（3）：220～221.

5 Pettersson A，Davis S，Gray J O，et al.Design of a magnetorheological robot gripper for handling of delicate food products with varying shapes［J］.Journal of Food Engineering，2010，98（3）：332～338.

6 Bhagata U，Shirinzadeha B，Clark L，et al.Design and analysis of a novel flexure－based 3－DOF mechanism［J］.Mechanism and Machine Theory，2014，74：173～187.

7 左健民.液壓與氣壓傳動［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999：4～5.

8 張萍萍.基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設計［D］.四川：電子科技大學，2013.

9 李常品，曾勝，康成良.兩工位全自動平衡機氣動控制系統(tǒng)的設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2008（10）：64～67.

10 管小清，呂志強.工業(yè)碼垛機器人動力學仿真分析與研究［J］.食品與機械，2013，29（1）：149～151.

11 陳賽克，凌軒.基于Solidworks齒輪連桿機構的運動仿真［J］.食品與機械，2012，28（6）：177～179.

12 張少文，吳學梅.新型烹飪機器人鍋具運動機構的設計及運動學仿真［J］.食品與機械，2013，29（4）：92～94.