自動(dòng)蠶繭切削輔助裝備的研究及設(shè)計(jì)

徐國(guó)慶， 盧 臘， 李 揚(yáng)， 趙志雄， 楊 巖,2(.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054；2.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

研究與技術(shù)

自動(dòng)蠶繭切削輔助裝備的研究及設(shè)計(jì)

徐國(guó)慶1， 盧 臘1， 李 揚(yáng)1， 趙志雄1， 楊 巖1,2
(1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054；2.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

針對(duì)目前人工切削蠶繭所需勞動(dòng)力大，效率低的缺點(diǎn)，結(jié)合不同種類蠶繭的形態(tài)物理特征及蠶繭切削的相關(guān)要求，提出了一款能夠完成蠶繭切口任務(wù)的自動(dòng)化蠶繭切削裝備，包括機(jī)械部分和自動(dòng)控制系統(tǒng)。該機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)蠶繭的黏結(jié)分離、運(yùn)輸、夾持固定和自動(dòng)剪切等步驟，有效地完成蠶繭的切削任務(wù)。文章就整機(jī)的控制調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了描述，對(duì)切削過(guò)程建立了數(shù)學(xué)模型，確立了夾持裝置與切削裝置的速度關(guān)系，為系統(tǒng)速度控制最優(yōu)化提供了理論依據(jù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了整體裝備的成功率和效率。

蠶繭；自動(dòng)剪切；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)；速度匹配

中國(guó)蠶業(yè)生產(chǎn)遍及全國(guó)28個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)的1 300個(gè)縣，至2014年底，全國(guó)桑園面積82.8萬(wàn)hm2(1 242萬(wàn)畝)，桑蠶繭發(fā)種量1 626萬(wàn)張，桑蠶繭產(chǎn)量64萬(wàn)t，年產(chǎn)繭量和絲類產(chǎn)量分別占世界總產(chǎn)量的75%以上和70%左右，是第二大生產(chǎn)國(guó)印度的8倍多，絲綢工業(yè)企業(yè)年實(shí)現(xiàn)銷售收入800億元。中國(guó)是世界蠶桑的起源國(guó)和傳播國(guó)，蠶桑生產(chǎn)已有5 500多年的歷史[1-3]，具有龐大而又較為完備的生產(chǎn)體系，是國(guó)計(jì)民生的重要組成部分[4]。蠶蛹營(yíng)養(yǎng)豐富，含有較高的蛋白質(zhì)、油脂、不飽和脂肪酸和微量元素等物質(zhì)，是人們喜愛(ài)的食品之一，除了直接食用外，蠶蛹在食品、飼料、化工、醫(yī)藥和紡織等工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用[5-7]。而繭絲綢商品是中國(guó)的一種十分重要的出口創(chuàng)匯商品[8-11]。

養(yǎng)蠶業(yè)在每年育種時(shí)，為了保證優(yōu)良蠶種的雜交優(yōu)勢(shì)，需要在桑蠶孵化前將蠶繭割開(kāi)，從中取出蠶蛹并進(jìn)行同親本雌雄辨別分離，以免蠶蛾進(jìn)行同親本繁殖，從而喪失雜交優(yōu)勢(shì)，影響蠶絲質(zhì)量。目前的桑蠶繭削口仍然以手工削口為主，然而手工削繭的作業(yè)方式存在很大的弊端，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，經(jīng)常有操作人員被割傷現(xiàn)象，而且生產(chǎn)成本高。隨著中國(guó)自動(dòng)化裝備水平的不斷提高，已研制出少量的蠶繭自動(dòng)化切削裝備，但很多設(shè)計(jì)出的裝置都不能夠很好地滿足通用性要求，還容易損傷蠶繭，使里面的蠶蛹受到傷害，尤其是在蠶繭品種不同，規(guī)格尺寸分散較大的情況下，這種問(wèn)題就更加嚴(yán)重。為此，提出一種新的能夠完成蠶繭切口任務(wù)的自動(dòng)化蠶繭切削裝備，該裝備不僅能夠有效地完成蠶繭的分離、運(yùn)輸、夾持和剪切等步驟，還能通過(guò)檢測(cè)控制系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)整體機(jī)械的調(diào)整，提高切削成功率和效率。

1 總體方案原理設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由蠶繭的黏結(jié)分離裝置、輸送裝置、夾持裝置及切削裝置組成。工作時(shí)，蠶繭處于儲(chǔ)料倉(cāng)中，黏結(jié)分離裝置使蠶繭成無(wú)黏結(jié)狀態(tài)落入傳送帶及擋板之間，在擋板及傳送帶的共同作用下輸送至夾持輪，通過(guò)夾持輪及電熱絲切削裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切削出符合要求的切口，其原理如圖1所示。

1.儲(chǔ)料倉(cāng)，2.黏結(jié)分離裝置，3.傳送帶，4.擋板，5.夾持輪，6.切削輪，7.電熱絲圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Schematic diagram of system structure

2 機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 蠶繭黏結(jié)分離裝置

黏結(jié)分離裝置主要由活動(dòng)蓋板、殼體、轉(zhuǎn)軸、旋葉、出料口組成(圖2)。上料口擋板呈上端寬下端窄的V型，且下端的距離與蠶繭的直徑相匹配。

黏結(jié)分離裝置工作時(shí)，蠶繭處于儲(chǔ)料倉(cāng)中，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋葉運(yùn)動(dòng)，并使之擊打活動(dòng)蓋板，蠶繭在活動(dòng)蓋板打開(kāi)和重力的作用落入到相鄰兩個(gè)旋葉之間，并隨旋葉旋轉(zhuǎn)直到到達(dá)殼體底部的出料口落到傳送帶上。旋葉完全經(jīng)過(guò)活動(dòng)蓋板的后，活動(dòng)蓋板與旋葉分離，并在彈簧的作用下關(guān)閉。

1.活動(dòng)蓋板，2.殼體，3.旋葉，4.轉(zhuǎn)軸，5.出料口圖2 黏結(jié)分離裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of bonding separation device

2.2 蠶繭輸送裝置

蠶繭輸送裝置主要由傳送帶及處于傳送帶上方的僅有一個(gè)蠶繭大小寬度的兩塊平行擋板組成(圖3)。擋板出口與傳送帶表面之間的距離小于0.5 cm，且后方設(shè)置一擋板，使擋板傳送帶之間形成一僅有一個(gè)出口的空間。為防止蠶蛹可能無(wú)法落到蠶繭的底部或蠶繭在傳送帶上翻滾或滑落，將傳送帶傾斜15°～45°以保證傳送效果。同時(shí)設(shè)置一活動(dòng)蓋板以防止蠶繭呈上下重疊的情況發(fā)生，保證蠶繭一個(gè)一個(gè)的輸送到夾持機(jī)構(gòu)上。

圖3 輸送結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure diagram of transportation structure

2.3 夾持機(jī)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)由兩個(gè)沿傳送帶寬度方向的中心線對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)夾持輪及用于驅(qū)動(dòng)夾持輪旋轉(zhuǎn)的電機(jī)組成(圖4)。夾持輪與傳送帶的上表面之間的距離小于蠶繭的直徑，夾持輪外表面采用彈性橡膠制成。兩個(gè)夾持輪的相對(duì)側(cè)之間的距離為蠶繭直徑的85%～95%(蠶繭一般長(zhǎng)3～4 cm，直徑為1.7～2.1 cm)，且該側(cè)的線速度方向均與所述傳送帶的前進(jìn)方向一致。這樣，既能夠保證夾持的效果，同時(shí)也不會(huì)傷及蠶繭內(nèi)的蠶蛹。

圖4 夾持機(jī)構(gòu)Fig.4 Clamping device

2.4 切削裝置

切削裝置由圓形凹輪和電熱絲組成(圖5)。蠶繭從夾持機(jī)構(gòu)的另一側(cè)伸出時(shí)，借由圓形凹輪由下自上的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使安裝于圓形凹輪之上的事先預(yù)熱好的高溫電熱絲與蠶繭發(fā)生接觸，并隨著圓形凹輪和蠶繭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)蠶繭進(jìn)行指定的切割。

式中，kc為圍巖級(jí)別及坑道支護(hù)類型影響系數(shù)，對(duì)有被覆的地下工程，kc≈2.5；m為填塞系數(shù)； kd為破壞系數(shù)，對(duì)中等強(qiáng)度巖石，kd≈0.53。

圖5 切削裝置Fig.5 Cutting device

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成及控制原理

控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)、管狀電機(jī)、傳感器等組成，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)構(gòu)成示意Fig.6 The structure diagram of control system

根據(jù)控制簡(jiǎn)便和整機(jī)裝備控制的準(zhǔn)確性要求，結(jié)合所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等因素，本裝置各部分電機(jī)皆選用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，各部分的傳感器選用對(duì)射式HD-DS25型號(hào)的傳感器，電機(jī)及傳感器具體型號(hào)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
Tab.1 Stepper motor parameters

型號(hào)保持力矩/(N·cm)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(g·cm2)電流/A質(zhì)量/kgHSTM4225.5540.80.28HSTM5788.230020.7

表2 對(duì)射式傳感器參數(shù)
Tab.2 Correlative sensor parameters

型號(hào)感應(yīng)距離/cm響應(yīng)時(shí)間/ms工作電壓/V接收角度/(°)HD-DS252524.5～5.5<10

系統(tǒng)中以各個(gè)傳感器的信號(hào)作為輸入量，單片機(jī)對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果反饋給各個(gè)電機(jī)，形成閉環(huán)控制。從而調(diào)整整體機(jī)械的流暢性以達(dá)到避免整體機(jī)械堵塞，以及提高切削效率和成功率的目的，其控制流程如圖7所示。

首先在整體機(jī)械開(kāi)啟之前，對(duì)電熱絲進(jìn)行通電，待確定電熱絲加熱到一定溫度后，開(kāi)啟整機(jī)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，然后啟動(dòng)上方的落料裝置，通過(guò)驅(qū)動(dòng)管狀電機(jī)進(jìn)而帶動(dòng)與管狀電機(jī)相連的旋葉，使蠶繭成無(wú)黏結(jié)狀態(tài)落入傳送帶上。蠶繭在傳送帶和擋板的共同作用下輸送至夾持輪，夾持輪夾緊蠶繭并按照一定的速率向切削裝置方向前進(jìn)。當(dāng)蠶繭前端接觸對(duì)射式傳感器的光束時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)切削裝置帶動(dòng)已經(jīng)加熱的電熱絲運(yùn)動(dòng)，并與蠶繭發(fā)生接觸旋，進(jìn)而將蠶繭進(jìn)行切削。蠶繭被切削完后，蠶繭從傳送帶上自然落到指定的收集處。若傳送裝置擋板處的蠶繭過(guò)多，通過(guò)安裝在此處的蠶繭堆積量傳感器對(duì)單片機(jī)發(fā)出信號(hào)進(jìn)而調(diào)整黏結(jié)分離裝置、輸送裝置和切削裝置的電機(jī)速度，從而提高切削效率。

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

3.2 切削速度匹配

圖8 夾持-切削運(yùn)動(dòng)模型Fig.8 Clamping-cutting motion model

由圖8的運(yùn)動(dòng)模型確立了切削軌跡的水平位移S和豎直位移H。

(1)

(2)

式中：S為蠶繭在切削過(guò)程中的水平位移；H為蠶繭在切削起始點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)直徑；v1為夾持滾輪的線速度；r為電熱絲到旋轉(zhuǎn)中心的距離；ω為切削裝置角速度。

由式(1)和式(2)得到v1與ω之間的關(guān)系式為：

(3)

4 實(shí) 驗(yàn)

為測(cè)試蠶繭切削裝備的切削效率和成功率，通過(guò)已定的方案搭建出該裝備的實(shí)體模型(圖9)，并通過(guò)3組切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝備的切削效果和成功率(表3)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：自動(dòng)蠶繭切削輔助裝備對(duì)蠶繭的切削完成率大于50%，符合切削要求的占完成切削的蠶繭的60%以上，平均切削時(shí)間為15 s左右。該裝置未能成功完成切削的主要原因是：夾持輪夾持力不足，未能保證切削時(shí)蠶繭處于固定姿態(tài)，同時(shí)由于電熱絲材料溫度等性質(zhì)限制，導(dǎo)致切削時(shí)間較長(zhǎng)。為達(dá)到生產(chǎn)需求，進(jìn)一步提高效率和成功率，今后將進(jìn)一步優(yōu)化整機(jī)各部件，并擬更換切削方式加以解決。

圖9 實(shí)體模型及切削效果展示Fig.9 Entity model and cutting effect display

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The experimental results

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)考慮了蠶繭的形態(tài)特征及切削的相關(guān)要求，結(jié)合了單片機(jī)、傳感器等元件進(jìn)行機(jī)電一體化控制。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)構(gòu)易于安裝，造價(jià)低廉，具有較好的應(yīng)用性和市場(chǎng)推廣前景。本裝置還有一些不足之處，由于實(shí)體模型的局限性和電熱絲本身材料及溫度的限制，整機(jī)的切削效果不夠穩(wěn)定且切削的效率并不高，尚需改進(jìn)。

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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 基金項(xiàng)目: 重慶市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目(cstc2015zdcy-ztzx80005)

徐國(guó)慶(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與研究。通信作者：楊巖，教授，yangyan@cqut.edu.cn。

TS142.221.1

A

1001-7003(2017)01-0026-05引用頁(yè)碼:011105