肉鴨掏膛機改進設計與仿真分析及試驗

王道路 葉金鵬 丁有河 蔣俊強 郭 楠

(中國農業機械化科學研究院，北京 100083)

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肉鴨掏膛機改進設計與仿真分析及試驗

王道路 葉金鵬 丁有河 蔣俊強 郭 楠

(中國農業機械化科學研究院，北京 100083)

針對中國肉鴨屠宰過程中，機械自動化程度低、生產效率低、設備依賴進口等問題，設計一種自動掏膛機。闡述掏膛機整機結構與工作原理，對其關鍵部件掏膛機械手單元進行分析，并結合凸輪曲線相關理論進行協調性設計和曲線修正與優化，利用creo3.0建立多軌跡空間圓柱凸輪的三維模型，并進行運動學仿真，對主軸進行了扭轉剛度校核。驗證試驗結果表明：該型掏膛機在不同產量下，平均內臟器官數量完整度為94.5%，平均內臟器官形態完整度為91.06%。

肉鴨；屠宰；掏膛機；機械手；凸輪；仿真分析

掏膛機是為家禽屠宰加工中的掏膛作業設計的一種專用設備。目前該類型設備主要依賴進口，中國國產設備不成熟，與進口設備相比，性能上存在一定差距[1-2]。國內外市場上的家禽屠宰設備也以肉雞屠宰設備為主，肉鴨的屠宰設備相對較少。

近年來，中國也逐漸開展了自動掏膛設備的研究與設計[3-4]，研究應用對象主要是肉雞掏膛設備，對于肉鴨掏膛設備的研究較少，目前，只有中國農業機械化科學研究院進行了肉鴨掏膛機的研究。自動掏膛機研究領域也主要集中在掏膛機械手方面，其中馬鵬巍等[5-6]分別設計了扒取式和夾取式肉雞掏膛機械手；王麗紅等[7-9]在分析研究掏膛機械手的基礎上分別設計了2種掏膛機。目前中國諸多學者和工程師已經成功探索研究了扒取式、夾取式等形式的掏膛機械手。從現有掏膛機的結構形式上看，扒取式和夾取式2種形式的機械手都要通過多軌跡空間圓柱凸輪來控制。這種結構方案能夠保證掏膛工藝與生產線輸送鏈完全同步，與進口的相關設備基本一致。本研究所設計的肉鴨掏膛機由QNZ15型掏膛機改進而來，在分析研究扒取式掏膛機械手的工藝路徑參數后，設計了扒取式掏膛機械手單元的運動規律。在此基礎上進行了多軌跡空間圓柱凸輪的三維建模與運動學仿真分析。最后通過樣機試驗，驗證了掏膛機的掏膛效果和工作能力。

1 掏膛機結構與工作原理

1.1 整機結構

QNZ24型掏膛機是在QNZ15型掏膛機的基礎上改進而成，主要由升降機構、機架、固胸機構、壓緊機構、轉架、鏈輪、清洗噴淋系統、頭脖定位機構以及多軌跡空間圓柱凸輪組成，整機結構見圖1。整機由24組機械手單元組成，24組機械手單元沿轉架圓周均勻分布。調節升降機構可以對多軌跡空間圓柱凸輪和轉架的高度進行調節，以適應不同生產工況。清洗噴淋系統對完成掏膛作業的掏膛機械手單元進行沖洗清潔。

整機由輸送鏈帶動頂部鏈輪，鏈輪驅動轉架繞多軌跡空間圓柱凸輪轉動，多軌跡空間圓柱凸輪保持不動。

1.2 工作原理

工作時，肉鴨胴體隨懸掛輸送鏈沿切向，進入掏膛機。

1. 升降機構 2. 機架 3. 固胸機構 4. 壓緊機構 5. 掏膛機械手 6. 轉架 7. 鏈輪 8. 清洗噴淋系統 9. 頭脖定位機構 10. 多軌跡空間圓柱凸輪

(a) 主視圖

由于肉鴨胴體的懸掛間距和24組掏膛機械手單元在轉架上的分布間距一致，所以進入掏膛機后，肉鴨胴體與掏膛機械手單元一一對應，從而保證了同步在線加工。進入掏膛機后，固胸機構和壓緊機構在多軌跡空間圓柱凸輪的控制下，同時協調完成對肉鴨胴體的固胸和壓緊。輸送鏈繼續帶動轉架和肉鴨胴體轉動，掏膛機械手在多軌跡空間圓柱凸輪的驅動下開始掏膛作業。當肉鴨胴體轉動到接近鏈輪與輸送鏈的另一端相切的位置時，掏膛機械手完成掏膛作業，并準備釋放取出的內臟器官，同時固胸和壓緊機構開始逐漸釋放肉鴨胴體。

1.3 整機主要技術參數

QNZ24型掏膛機的作業技術參數見表1。

表1 QNZ24型掏膛機技術參數

2 關鍵部件設計與分析

2.1 掏膛機械手單元設計與分析

掏膛機械手單元主要由掏膛機械手機構、壓緊機構、頭脖定位機構、固胸機構四部分組成，見圖2。其中掏膛動作由掏膛機械手機構完成，其余3個部分起輔助定位夾緊作用。

2.1.1 掏膛機械手運動分析 扒取式掏膛機械手動作分為5步，依次是入膛、分離內臟、取出內臟、放開內臟、復位，見圖3。扒取式掏膛機械手的工作原理是，肉鴨胴體隨懸掛輸送線進入設備，倒鉤形的機械手保持固定的張開角度，在禽體從輸送線進入定位夾緊機構后，垂直進入肉鴨胴體內腔底部，然后向下擺動壓緊肉鴨食管，利用倒鉤結構將肉鴨內臟拉出。隨后機械手張開，釋放拉出來的肉鴨內臟，清洗機構清洗機械手，機械手回位準備下一次作業。掏膛機械手通過圓柱凸輪控制實現上述動作。機械手的結構主要有1個上下移動的移動從動件和1個在移動從動件基礎上擺動的擺動從動件。

1. 掏膛機械手機構 2. 壓緊機構 3. 頭脖定位機構 4. 固胸機構

圖3 扒取式掏膛機械手

根據已有經驗[5,8]設計扒取式掏膛機械手的工藝動作，確定：從起始位置開始，掏膛機械手擺動從動件張開角為10°，入膛位移201 mm；分離內臟時，掏膛機械手擺動從動件逆時針擺動10°卡緊食管，并向上移動270 mm取出內臟；機械手擺動從動件順時針擺動10°釋放內臟，并復位準備下一次掏膛作業。

2.1.2 凸輪從動件運動協調設計 將上述掏膛機械手的位移和角度轉化為移動從動件和擺動從動件在空間圓柱凸輪上的從動件運動規律。同時為了配合掏膛機械手機構完成掏膛作業，擬定了掏膛機械手單元的固胸機構，頭脖定位機構以及壓緊機構，3種機構的運動規律，見圖4。

圖4 從動件運動規律

2.1.3 凸輪從動件運動規律分析 為獲得更好運動性能，使得從動件在推動負載時時間短、平穩、圓滑、無振動、耗能小，需要分別優化凸輪移動從動件運動規律和擺動從動件運動規律。一般凸輪曲線應滿足連續性條件，或者說位移函數必須具有連續的一階導數和二階導數[10-12]。

早期的QNZ15型掏膛機設計產量為3 000只/h，整機運轉速度較低，因此選用圓弧運動規律進行修正。圓弧過渡曲線雖然使位移曲線光滑，速度曲線連續，但加速度不連續，導致機構運動精度差，機械手末端振動明顯，影響掏膛效果。因此，QNZ24型掏膛機選用擺線曲線修正見式(1)。

(1)

式中：

S——無量綱化的位移；

T——無量綱化的角度。

該型凸輪曲線是一種雙停留曲線，主要特點是1個運動循環周期內有2次停留。另外，雙停留擺線曲線在端點連續而無沖擊，通常應用于中速凸輪機構。所以選用該型通用凸輪曲線對從動件的運動進行修正。通過式(1)修正后的從動件運動規律函數表達式：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.1.4 凸輪壓力角計算 壓力角是影響凸輪機構運動和動力傳遞的一個重要參數，關系到機構能否正常傳遞運動。不同的從動件有不同的壓力角計算公式。從圖2可以看出從動件類型主要是直動從動件和擺動從動件。根據式(7)、(8)計算各從動件的各段最大壓力角，見表2、3。由表2、3可知，各個從動件的最大壓力角都≤45°，滿足空間凸輪機構對壓力角的一般要求——絕對值≤55°～60°，因此掏膛機的從動件壓力角符合空間凸輪機構對壓力角的要求。

直動從動件圓柱凸輪壓力角計算公式：

(7)

式中：

yh——從動件行程，mm；

θh——凸輪分度角，rad；

Vm——最大無量綱速度；

表2 直動從動件壓力角

Rc——凸輪有效半徑，mm。

擺動從動件壓力角計算公式：

(8)

表3 擺動從動件壓力角

式中：

τh——擺動從動件擺動角度，(°)；

l——擺動件擺桿長度，mm；

c——轉動中心距，mm。

2.2 多軌跡空間圓柱凸輪的建模與分析

在凸輪機構設計中，凸輪輪廓形狀主要取決于從動件的輸出運動規律。傳統的凸輪輪廓求解方法有2種：① 作圖法，這種方法簡單而且精度低；② 通過復雜的方程運算求得凸輪輪廓的方程，進而獲得準確的凸輪輪廓，這種方法計算量大，而且對數學矢量理論有較高的要求。這2種方法在設計平面凸輪時還可以，當對象換成空間凸輪時，坐標系由二維變成三維，計算量更大，計算方法也更加復雜。多軌跡空間圓柱凸輪是一種非標準凸輪，同時也沒有統一規范的設計方法。

2.2.1 基于Creo3.0的多軌跡空間圓柱凸輪精確建模 控制扒取式掏膛機械運動的凸輪具有多條軌跡輪廓，協同控制掏膛機械手單元的運動。這種凸輪輪廓的作圖法設計比較困難，若采用傳統的計算方法求解凸輪輪廓，需要有一定的編程能力，增加了凸輪設計的難度。本研究利用PTC公司的Creo3.0軟件實現了空間凸輪輪廓的快速求解[13-15]。首先，在軟件中建立扒取式掏膛機的虛擬樣機模型(見圖5)，并根據運動要求完成相應的裝配連接定義。然后，分別對移動從動件、擺動從動件以及機械手機架添加用戶定義的伺服電機和1個勻速運動的伺服電機?！拜喞敝羞x擇“位置”，“模”設定為“用戶定義”，并將優化后的凸輪曲線式(2)～(6)輸入到表達式中。定義完成后可以得出如圖6所示的從動件位移曲線。

在“機構分析”模塊中，選擇“位置分析”，設定終止時間為360 s。運行后，在“分析”中選擇“軌跡曲線”，在移動從動件滾子軸上和擺動從動件滾子軸上，分別選2個基準點進行測量曲線軌跡。

圖5 機構裝配

圖6 機械手單元各從動件位移曲線

保存分析結果后，打開凸輪模型。選擇移動從動件滾子軸上2個基準點所繪制的空間曲線，建立去除材料的掃描特征。將截面垂直于其中一條曲線，并用另一條曲線控制截面的旋轉，這一點對于擺動從動件的凸輪輪廓尤其重要，見圖7(b)。掃描完成后，空間圓柱凸輪的輪廓也隨之建立。同理建立了其他機構的凸輪輪廓，并建立完整多軌跡空間圓柱凸輪，見圖8。該法簡單直觀，適合快速的項目研發和設計。

2.2.2 凸輪機構運動學分析 在建立好的空間圓柱凸輪模型的基礎上，使用“槽連接”，將扒取式掏膛機械手的三維模型連同機架裝配成虛擬樣機。由于自動掏膛機在實際使用中是靠勻速的輸送鏈條驅動的，所以虛擬樣機的機架上添加1個勻速轉動的伺服電機，見圖9。同時在測量模塊建立各種運動學測量，見圖10。

圖7 空間圓柱凸輪機構位置分析以及輪廓的掃描特征建立

圖8 多軌跡空間圓柱凸輪三維模型

CS是一組進行性加重的中樞神經系統遺傳變性疾病，其發病機制是ERCC6、ERCC8基因發生突變，細胞內DNA受到損傷后，由ERCC6基因編碼的CSB不能將損傷的DNA進行修復，并且以損傷的DNA作為模板進行mRNA轉錄并進行蛋白質翻譯；ERCC8基因編碼的CSA蛋白亦不能修復損傷的DNA，并且導致損傷的DNA累積，后續的轉錄及翻譯過程終止，因此CS的臨床表現可能是修復缺陷與轉錄缺陷共同作用的結果[7，8]。

掏膛機產量計算公式：

p=24×n×60，

(9)

式中：

p——掏膛機每小時產量，只/h；

n——掏膛機轉速，r/min。

根據式(9)，分別設置掏膛機不同產量下的轉速，并在“機構分析”模塊中“類型”選為“運動學”，運行后保存結果。測量機械手的末端基準點的軌跡見圖8，與圖3中的設計軌跡一致，說明掏膛機械手軌跡符合預定工藝路徑。在回放模塊中，進行碰撞檢測，結果顯示無碰撞報警，說明凸輪槽以及滾子尺寸合適。

圖9 虛擬樣機

圖10 建立測量

測量掏膛機械手的2個從動件運動的速度和加速度曲線見圖11。通過曲線可以看出，經過優化，各個從動件的速度和加速度曲線連續而且平滑，說明機構能平穩運行。對比不同產量下各從動件加速度曲線，可以看出amax與掏膛機轉速n成正比，說明隨著轉速的增加，掏膛機械手在整個工藝路徑中對肉鴨胴體的作用力也不斷增加。

2.3 主軸的扭轉剛度校核

圖11 產量4 000只/h時各從動件速度和加速度曲線

軸的扭轉剛度校核計算公式：

(10)

(11)

式中：

T——軸所受的扭矩，N·mm；

G——軸的材料的剪切彈性模量，MPa；

Ip——軸截面的極慣性矩，mm4；

d——主軸直徑，mm。

軸的扭轉剛度條件

(12)

式中：

[φ]——軸每米長的允許扭轉角，°/m。

掏膛機主軸材料為3Cr13，固軸的剪切彈性模量8.1×104MPa。取許用扭轉角[φ]為0.4°/m 。經驗算，φ=0.3°滿足軸的剛度扭轉條件。

3 樣機試驗

為進一步研究和驗證QNZ24型掏膛機的實際掏膛效果，設計進行了掏膛機樣機驗證試驗。

3.1 試驗條件

整機樣機在中國農機院某設備生產基地完成試制和組裝，樣機見圖12。試驗用肉鴨品種為某肉鴨屠宰企業生產用的標準北京鴨，平均胴體重量為3 kg，胴體形態完整。試驗前對肉鴨胴體進行開膛至胸骨處為止。

圖12 試驗樣機

3.2 試驗方法

從肉鴨腹腔中可取出的內臟器官具有食用價值的是心臟、肝和肌胃，因此重點考察這3個器官的取出和破損情況。試驗主要考察樣機在各種產量下，取出內臟數量的完整度和形態完整度。試驗設計為每種產量對應1組試驗，每組試驗選用10只平均胴體重量約為3 kg的肉鴨進行試驗。

3.3 試驗結果及分析

由表4可知，器官數量完整度的平均值為94.52%，器官形態的完整度平均值為91.34%，說明該機性能穩定，對胴體重量在3 kg左右的肉鴨，有良好的掏膛效果，指標基本符合肉鴨屠宰生產線要求。隨著產量的提高，器官數量完整度和器官形態完整度均呈現不同程度的下降，其中器官形態完整度下降較為明顯，主要由于產量提高，掏膛機械手掏膛時對肉鴨內臟的沖擊變大，其中對肝的破壞尤其顯著。

表4 試驗結果記錄表

4 結論

(1) 美國PTC公司的Creo3.0軟件能夠很好地完成多軌跡空間圓柱凸輪的精確建模，并且通過對掏膛機械手機構進行運動學仿真分析，加快該型專用設備的研發。

(2) 通過樣機試驗驗證，該型掏膛機械手掏膛效果良好，整機工作性能穩定。

(3) 該機的設計思路可以應用到其他家禽屠宰設備的研發設計中，有利于加快自動化家禽屠宰設備的國產化進程。

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Design and experiment of QNZ24 type eviscerating machine for duck

WANG Dao-lu YE Jin-peng DING You-he JIANG Jun-qiang GUO Nan

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

In order to solve the problems in duck slaughter machinery process, including low level of automation and low production efficiency, an automatic eviscerating machine was researched and designed. Moreover, the machine structure and its working principle were analyzed. The key components of the manipulator unit were analyzed, designed in coordination and corrected its cam curves based on the related theory of cam. Creo3.0 was used to establish the three-dimensional model of multiple trails cylindrical cam, and the kinematics simulation was analyzed in the software at the same time, to support the cam. Spindle was analyzed and rigidity check. The test results showed that under different production, the average integrity rate of number of internal organs was 94.5%, and the average morphological integrity was 91.06%.

duck; slaughter; Eviscerating machine; manipulator; cam; simulation analysis

國家“十二五”科技支撐項目(編號：2015BAD19B00)

王道路，男，中國農業機械化科學研究院在讀碩士研究生。

葉金鵬(1957—)，男，中國農業機械化科學研究院研究員，碩士生導師。E-mail：yejinpeng@263.net

2017—03—02

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.06.019