鮮蓮子全自動(dòng)通芯機(jī)定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

陳 斌 ，朱建錫，鄭 濤，張加清 ，葉烺晴

（1.浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江金華 321017；2.永康市第一中學(xué)，浙江金華 321300）

蓮子是我國的特產(chǎn)之一，湖南、江西、福建、浙江等省都是聞名的蓮子產(chǎn)區(qū)[1-2]。從2001年以來，蓮子市場(chǎng)需求量每年都有明顯的增長(zhǎng)[3]。鮮蓮子采摘后烘干前需要去除蓮仁里有苦味的蓮芯，使蓮仁更美味的同時(shí)，又獲得經(jīng)濟(jì)、藥用價(jià)值較高的蓮芯。

在蓮子通芯加工的過程中，蓮子通芯機(jī)因其具有自動(dòng)化程度和工作效率高，而且保證蓮仁品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)在蓮子加工中已得到使用。根據(jù)查閱研究文獻(xiàn)，近年來研究學(xué)者已在通芯裝置[4-5]、通芯方式[6-7]等方面對(duì)通芯機(jī)進(jìn)行了研究，但對(duì)蓮子通芯機(jī)的定位機(jī)構(gòu)研究和設(shè)計(jì)相對(duì)較少，然而定位機(jī)構(gòu)是蓮子通芯機(jī)的重要機(jī)構(gòu)之一，定位機(jī)構(gòu)對(duì)于降低蓮子破損率和保證蓮子品質(zhì)具有重要作用。因此，對(duì)通芯機(jī)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。

1 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 蓮子定位的設(shè)計(jì)方案

蓮子定位的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。下滾輪都向同一方向旋轉(zhuǎn)，在滾輪的摩擦力、蓮子的重力和慣性的作用下，蓮子不斷調(diào)整位姿，根據(jù)能量最小原理，最終蓮子長(zhǎng)徑與滾輪軸線接近平行，然后上滾輪再向下壓，完成蓮子的定位。蓮子定位機(jī)構(gòu)將通芯鋼針位置與蓮子直徑關(guān)聯(lián)起來，蓮子定位機(jī)構(gòu)中的彈簧設(shè)計(jì)使得不同直徑蓮子的軸線與鋼針軸線保持一致，實(shí)現(xiàn)蓮子的精準(zhǔn)定位。

圖1 蓮子定位過程

1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)對(duì)蓮仁短徑的測(cè)量統(tǒng)計(jì)：蓮子蓮仁短徑分布范圍為14.7～17.3mm，最大短徑平均為16.5mm。因此設(shè)計(jì)的滾輪夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)能夠滿足以上蓮仁的定位夾持。以平均短徑16.5mm為設(shè)計(jì)參數(shù)，通過繪制幾何圖形可知，當(dāng)設(shè)計(jì)的滾輪直徑為14mm，外凸緣直徑為18mm，滾輪中心矩為23.36mm，下滾輪中心與蓮仁中心所成的角度可達(dá)100°，兩滾輪之間最小距離為9.36mm，能夠充分滿足對(duì)不同蓮仁的夾持要求。

圖2 蓮仁定位夾持幾何圖形

1.3 滾輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過繪制幾何圖形與參考蓮仁平均長(zhǎng)徑尺寸，遵照機(jī)械設(shè)計(jì)原理和基本力學(xué)知識(shí)，確定滾輪外徑為14mm，凸緣外徑為18mm，內(nèi)徑為7mm，長(zhǎng)度為34mm。其中，下滾輪需要能夠在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，因此設(shè)有鍵槽與驅(qū)動(dòng)軸配合；上滾輪在蓮仁定位的過程中需要能夠?qū)崿F(xiàn)空轉(zhuǎn)，因此在滾輪的兩端處各安裝一個(gè)軸承。

圖3 定位機(jī)構(gòu)上下滾輪

1.4 滾輪轉(zhuǎn)速確定與電機(jī)選型

根據(jù)滾動(dòng)導(dǎo)正原理，分析滾輪轉(zhuǎn)速對(duì)蓮子定位效果的影響。電機(jī)通過同步帶輪帶動(dòng)雙輥輪同方向旋轉(zhuǎn)，并通過變頻器來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，蓮子導(dǎo)正的仿真試驗(yàn)表明：蓮子較好的導(dǎo)正轉(zhuǎn)速在240～310r/min范圍內(nèi)，蓮子導(dǎo)正后跳動(dòng)平穩(wěn)；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過350r/min，蓮子導(dǎo)正效果明顯變差，甚至?xí)粷L輪旋轉(zhuǎn)帶出定位通芯區(qū)域。綜合設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定負(fù)載轉(zhuǎn)速為280r/min，通過查閱相關(guān)電機(jī)知識(shí)與產(chǎn)品資料，最終確定選擇直流電壓為12V，額定負(fù)載轉(zhuǎn)速為280r/min的直流減速電機(jī)作為滾輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2 定位機(jī)構(gòu)試驗(yàn)

基于通芯機(jī)定位機(jī)構(gòu)，研究人員進(jìn)行了大量的蓮仁定位試驗(yàn)，結(jié)果表明：通芯機(jī)定位機(jī)構(gòu)機(jī)械性能穩(wěn)定，能滿足不同規(guī)格的蓮仁有效定位，最大定位誤差小于0.3mm，能夠滿足通芯機(jī)的定位要求。

圖4 全自動(dòng)通芯機(jī)定位機(jī)構(gòu)

3 結(jié) 語

（1）蓮子定位機(jī)構(gòu)中的彈簧設(shè)計(jì)保證不同規(guī)格蓮子的軸線與鋼針軸線保持一致，實(shí)現(xiàn)蓮子的精準(zhǔn)定位。

（2）定位機(jī)構(gòu)機(jī)械性能穩(wěn)定，最大定位誤差小于0.3mm，能夠滿足通芯機(jī)的定位要求。