禽類加工流水線自動上料系統的結構設計

李 淵

(陜西國防工業職業技術學院智能制造學院，陜西 西安 710300)

目前禽類加工行業中的分割階段和后處理階段已全面實現自動化，但在前處理階段的筐體上料搬運方面，國內還是主要靠人工搬運[1-2]。人工搬運嚴重影響著加工效率，同時也不利于工人的身體健康。為了解決上述人工上料問題，本文對禽類加工流水線的自動上料系統進行結構設計，使筐體上料作業實現自動化，大大降低了生產成本、提高了企業競爭力，在激烈的產業競爭中，自動上料系統的應用對于禽類加工行業具有重要意義。

1 禽類筐體自動上料系統的結構設計

本文設計的自動上料系統結構主要包含升降設備、取放裝置、搬運裝置3個機構單元。該筐體自動上料系統是以禽類生產加工中使用的元寶形筐體為對象進行設計。其工作過程為：升降設備舉升滿載筐體至一定高度，取放裝置抓取頂層筐體，然后搬運裝置將夾有筐體的取放裝置拖動到指定位置，隨后釋放筐體，再次回到起始位置抓取筐體。

1.1 升降設備的結構設計

1.1.1升降機構的三維模型

升降機構主要由上料平臺、升降液壓缸、整體支架、傳動鏈條和運動軸承等組成，整體三維模型如圖1所示。其工作原理為液壓桿進行垂直升降運動，運動軸承與液壓桿同方向運動，傳動鏈條繞過運動軸承一端固定在整體支架上，另一端帶動上料平臺進行升降運動，通過控制液壓桿的位移，來實現上料平臺的升降。

圖1 升降設備三維模型

1.1.2升降設備主要尺寸

1)升降機構中載物平臺和液壓缸行程的確定。如圖2所示，本文設計的升降設備在滿載狀態下可承載8筐貨物，頂層筐體的筐沿(取放裝置卡爪作用的位置)到取放裝置的距離為260 mm。底層筐體的筐沿到取放裝置的距離為260×7+260=2 080，即上料平臺總行程為2 080 mm。因為升降設備采用動滑輪結構，故升降液壓缸行程為1 040 mm。因此升降設備的總行程設計為2 300 mm，升降液壓缸行程為1 050 mm。

圖2 上料平臺運動距離示意圖

2)載物平臺及液壓缸所受載荷的計算。

升降設備的上料平臺與升降液壓缸受力分析示意圖如圖3所示，槽鋼受力的大小為滿載時上料平臺、軸承以及其他上升裝置的重力總和，用F表示。升降設備采用動滑輪結構，則升降液壓缸受到的壓力為2F。

圖3 升降設備受力分析示意圖

從圖3中可得出F的計算公式為：

F=(M1+M2+M3+M4)g

(1)

式中：M1為8個筐體滿載的質量，M1=280 kg;M2為上料平臺的質量，M2=100 kg；M3為上料平臺和立柱槽鋼之間連接件的質量，M3=35 kg;M4為其他附件質量，M4=15 kg;g為重力加速度。

通過式(1)計算得出F=4 214 N。升降液壓缸承受的載荷是2F，為8 428 N。上料平臺所受載荷G1為

G1=(M1+M2)g=3 724(N)

上料平臺三維模型如圖4(a)所示，上料平臺的上表面必須保證能夠放置底面尺寸為740 mm×540 mm的載物筐體，并在滿載時進行平穩的升降運動。上料平臺表面選用3 mm厚的花紋鋼板，其尺寸設計為900 mm×700 mm?；y鋼板下的框架整體采用材料為45鋼的方管作為支撐，其主體結構如圖4(b)所示。

圖4 上料平臺模型

在工作狀態下，上料平臺處于靜力平衡狀態時，可將上料平臺簡化為兩根懸臂梁共同受均布載荷的模型。相同載荷時，建立的懸臂梁模型只要滿足載荷要求，實際模型則絕對安全。根據懸臂梁模型，上料平臺和槽鋼接觸的地方是彎矩、變形最大的位置。根據上料平臺的尺寸，得出懸臂梁模型中臂長l=0.9 m。上料平臺整體所受載荷為3 724 N，則其中一根方管所受載荷為1 862 N。因此分布在一根方管上的均布載荷q=2 068.9 N/m。根據均布載荷彎矩公式[3]：

(2)

可得M=837.9 N·m。45鋼的屈服極限[σ]=355 MPa，抗彎截面系數的計算公式為[3]:

(3)

式中：1.5為安全系數[4]；W為抗彎截面系數；Mmax為懸臂梁模型中的最大彎矩。由式(3)計算可知選取方管的抗彎截面系數應大于3.54 cm3，根據GB 6728—2002標準，選取尺寸為40 mm×40 mm×2.5 mm的方管，其抗彎截面系數為4.106 cm3，滿足設計要求。

1.2 取放裝置的結構設計

取放裝置的基本功能是完成筐體的夾取和松放，其結構示意圖如圖5所示，下蓋上面安裝的零件包括圓柱導軌連接件、側板、方形直線導軌和搬運液壓缸連接件。

因為方形導軌制造簡便且制造精度高[5]，因此取放裝置采用方形直線導軌副作為機構導向部件。裝置下蓋安裝2個方形直線導軌副，在方形直線導軌副上固定安裝滑架，滑架可沿方形直線副導軌往復運動，實現筐體的夾取和松放功能。其液壓缸工作行程以保證2個滑架夾緊筐體時的尺寸略小于筐體寬度為準。取放裝置上蓋的上方安裝有2個取放液壓缸，用于為滑架提供動力，上蓋的兩側均固接有側板，用于與下蓋安裝連接。上蓋上方的取放液壓缸通過連接件與滑架連接，取放液壓缸的伸縮控制滑架在直線導軌副上運動，完成筐體夾取和松放的動作。

圖5 取放裝置方案三結構圖

1.3 搬運裝置的結構設計

搬運裝置的三維模型如圖6所示，搬運裝置包括框架、導軌支架、圓柱導軌、搬運液壓缸和液壓缸連接件等。

圖6 搬運裝置三維模型

搬運裝置的工作原理是搬運液壓缸通過液壓缸連接件與取放裝置相連，帶動取放裝置在升降設備與禽類運輸流水線上方循環往復運動，筐體長度為740 mm，取放裝置夾取載物筐體后的水平運動距離設計為900 mm，完成將筐體搬運到禽類運輸流水線上的動作。

圓柱導軌所承受最大載荷是工作時搬運裝置和1個滿筐的重力總和，共計1 323 N。根據承受載荷確定圓柱導軌的型號為SCS40UU，其最大可承受的動載荷為2 160 N?？蚣苤黧w梁選用材料為45鋼，規格為100 mm×60 mm×5 mm(GB/T3094)矩形管。

2 各部分液壓缸的確定

作為液壓系統的執行元件，上料系統的液壓缸均采用活塞式液壓缸，該系統的機械部分屬于工程類機械，因此選定液壓缸的類型為10～16 MPa高壓液壓缸。

由第1節可知，升降機構中升降液壓缸所受載荷為8 428 N，其推力需要大于計算得出的負載[6]，并按照計算得出負載的1.5倍設計，故推力取F=13 kN。

抓取機構中，抓取液壓缸伸縮控制滑架在直線導軌副上運動，完成筐體夾取和松放的動作?；茉诜叫沃本€導軌副上運動時，受到方形直線導軌副的滑軌和滑塊間的滾動摩擦，摩擦力很小，因此該液壓缸的選取主要考慮抓取行程。

搬運液壓缸通過液壓缸連接件與抓放裝置相連，其作用是帶動抓放裝置在升降設備和禽類運輸流水線之間運動。搬運液壓缸工作時只受到圓柱導軌和滑塊的滾動摩擦，受到的摩擦力很小，故液壓缸的選型主要考慮搬運行程。綜上，各部分液壓缸的設計參數見表1。該自動上料系統的樣機如圖7所示。

表1 液壓缸參數

圖7 自動上料系統樣機

3 結束語

本文針對企業在禽類生產加工過程中人工搬運筐體存在的不足，設計了一種新型禽類筐體自動上料系統。首先，根據禽類生產加工流程進行了自動上料系統中升降、取放以及搬運3個機構單元的結構設計；其次，通過結構設計完成了核心參數的確定以及液壓缸的選型。通過試運行表明，該自動上料系統極大提高了企業的生產效率，能夠進一步提高企業的競爭力，具有良好的市場前景。