小型棗夾花生一體機設計

郜海超 - 韓海敏 - 陳會濤 -

(1. 河南應用技術職業學院機電工程學院，河南 鄭州 450042；2. 河南理工大學機械與動力工程學院，河南 焦作 454010)

大棗色美味甜，具有益氣安神、美容養顏等保健作用，是中國特有產品[1]?；ㄉ侵袊M量最大、最受市場歡迎的堅果食品[2]。大棗夾花生可以提高口感、充分發揮大棗和花生的營養價值，通過檢索發現目前對棗夾花生的機械設備研究尚未見報道，借鑒大棗去核機的研究，如王華等[3-4]設計的新型大棗去核機，把三桿三點式順位機構應用在大棗的上料定位，能實現大棗的準確定位，但是對順位后的大棗如何進行上料未涉及，而且結構復雜，效率較低；郜海超等[5-7]設計的小型大棗去核機，采用曲柄移動導桿機構，簡化了推桿結構，但穩定性、準確性無法保證；高舉[8]設計的新型大棗深加工設備，機構龐大，主要對大棗進行去核和切片處理，效率較高，但是其中的曲柄滑塊結構如果應用在小型棗夾花生一體機中易出現“卡死”現象；張紅等[9]提出了一種手持式大棗去核器，通過兩個按壓彈簧固定大棗，然后按住壓板去核，效率低，勞動強度大；張寶鋒等[10]采用了大型鏈式傳輸結構輸送大棗，但是鏈式傳動機構笨重，無法應用在小型設備中。

研究擬提出一種小型棗夾花生設計方案，推桿機構采用空間曲柄滑塊結構，上料機構采用三軸自定心旋轉送料結構，能完成自動上料、定位、去核、棗夾花生、去成品等操作，結構便捷緊湊，以期解決針對棗夾花生大型化設備加工選材無法保證，手工操作食品衛生保證的問題。

1 小型棗夾花生一體機的總體方案設計

1.1 設計總體要求

(1) 結構便攜緊湊、小型化，操作簡單，效率高。

(2) 實現5個“自動”：自動上料，自動定心，自動去核，自動棗夾花生，自動推出成品。

(3) 設備柔性化加工，滿足不同類型棗和花生加工要求。

1.2 整機設計方案

根據小型棗夾花生一體機(以下簡稱一體機)完成工作所需要的工藝流程，制定技術指標：大棗自定心上料、自動核果分離并頂出棗核、自動花生定心上料并送進棗肉中、自動頂出成品并把成品與棗核分別存放。依據這一設計指標，提出了棗夾花生一體機，如圖1所示。該設備主要包括三軸自定心上料機構、驅動機構、去核機構、棗夾花生機構、成品推出機構等，其中推桿機構(空間曲柄滑塊機構)主要應用于去核機構、棗夾花生機構、成品推出機構中。

整體機構實施方案：

大棗和花生分別放在大棗料倉11、花生料倉10中，通過三軸自定心上料機構13把大棗輸送到具有定位模套[5]的內齒分度齒輪4中，實現大棗精準定位上料。不完全齒輪3與內齒分度齒輪4的傳動比為3∶8。內齒分度齒輪4上設計10個工位，主傳動電機5主要驅動內齒分度齒輪4、推桿機構。工作時，不完全齒輪3驅動內齒分度齒輪4作間歇傳動，齒輪3旋轉96°，齒輪4旋轉36°，此時，推桿機構中推桿的沖頭在支撐板15上方，實現切換工位；不完全齒輪3繼續旋轉264°，內齒分度齒輪4定位停止旋轉，而去核機構12、花生上料機構19、成品推出機構7通過傳動齒輪8、同步帶9進行同速轉動，各機構推桿完成一次沖程循環。

控制系統包括AT89C51單片機[11]、2個位置傳感器、2個力傳感器、1個金屬傳感器、3個電機等，如圖2所示。設置霍爾傳感器檢測系統裝置是否在初始位置，設置力和位置傳感器用來檢測大棗上料、去核、花生上料、去成品等工序工況。

1. 定位模套 2. 軸承 3. 不完全齒輪 4. 內齒分度齒輪 5. 主傳動電機 6. 驅動齒輪 7. 成品推出機構 8. 傳動齒輪 9. 同步帶 10. 花生料倉 11. 大棗料倉 12. 去核機構 13. 三軸自定心上料機構 14. 控制器 15. 支撐板 16. 底板 17. 托盤 18. 電機驅動器 19. 花生上料機構

圖2 一體機電路控制系統圖Figure 2 Control system of the electric circuit of theintegrated machine

1.3 主要零部件工藝參數

根據棗夾花生加工工藝要求，制定裝置主要設計參數如表1所示。

2 主要部件設計

2.1 花生上料定位機構

花生的上料定位采用三軸自定心上料機構，包括花生上料驅動電機、定心桶、螺旋定心柔性輥等零部件。利用三軸自定心原理，使用三個距離定心桶中心相等的螺旋定心柔性輥，相互之間夾角為120°，通過同步旋轉可以達到精確定心的目的；螺旋定心柔性輥的柔性材質和螺旋導向槽可實現花生自動送料，如圖3所示。

定量撥叉是一體機的重要部件，利用傳感器與繼電器定量控制花生上料頻率；撐口裝置利用3個彈片受花生推力而張緊去核后大棗的內腔，避免花生與大棗內腔產生較大摩擦力影響裝填效果。工作時，定量撥叉每次輸送一顆花生，隨著推桿的前進，花生在三軸自定心上料定位機構離心力作用下，逐漸與3個柔性旋轉輥同時接觸，速度一致并實現居中定心，向下輸送至撐口裝置，撐口裝置受力向下撐開已去核大棗內腔，花生推送到位后，推桿返回復位，撐口裝置復位，完成花生裝填大棗內腔作業?；ㄉ狭隙ㄎ还ぷ鳡顟B如圖4所示。

表1 一體機主要零部件工藝參數?

1. 花生上料驅動電機 2. 小主動齒輪 3. 中間齒輪 4. 定心齒輪 5. 定心桶 6. 螺旋定心柔性輥 7. 撐口裝置

1. 去核后大棗 2. 內齒分度齒輪 3. 定位模套 4. 撐口裝置 5. 三軸自定心上料機構 6. 定心齒輪 7. 花生 8. 花生上料桶 9. 定量撥叉 10. 推桿

2.2 推桿機構設計

經實踐驗證，由于一體機結構尺寸較小，推桿機構采用曲柄滑塊機構，容易出現“卡死”現象；采用曲柄移動導桿結構[5-7]，能解決這一問題，但因為傳動都是低副連接，誤差較大，容易出現晃動；而采用空間曲柄滑塊機構，一個旋轉副，一個移動副，兩個球副，傳動穩定不會出現“卡死”現象。

2.2.1 運動模型分析 空間曲柄滑塊機構三維模型如圖5(a)所示，主要包括曲柄、連桿、滑塊組成，其中曲軸為主動件，在XOZ平面內，長度為L1繞Y軸旋轉；滑塊為執行件，在ZOY平面內，沿Y軸方向移動，連桿長度為L2作空間運動。

根據推桿三維模型建立空間曲柄滑塊機構數學模型如圖5(b)所示，L1、L2分別為曲柄長度和連桿長度，α1z為曲柄與Z軸夾角，α2為連桿的空間角，A點坐標為(xA，yA，zA)，B點坐標為(xB，yB，zB)，建立空間矢量方程，如式(1)所示。

(1)

將式(1)各矢量向坐標平面投影得：

(2)

圖5 推桿機構三維模型圖及數學模型圖

將式(2)轉化后得：

(3)

(4)

由已知條件得：

(5)

將式(5)代入式(4)，可得

(6)

將式(6)關于時間t求導得

(7)

可見，推桿的速度與曲柄旋轉角速度呈正比，據此，可通過電機轉速，連桿長度，滑塊的Z軸坐標求得推桿速度。推桿速度是影響大棗和花生的上料質量、大棗去核效果、花生裝填效果的重要因素，速度過大容易造成大棗定位不準、花生破碎率高、裝填不到位等問題，速度過小影響一體機工作效率，因此推桿速度應同時滿足加工質量和工作效率。

2.2.2 仿真分析 借助Matlab工具對運動模型進行分析，設定曲柄旋轉半徑為50 mm，初始角度180°，角速度5 rad/s，連桿長度為100 mm，滑塊的Z軸向坐標值為40 mm，仿真結果如圖6所示。

從仿真分析結果可知，位移和速度均呈正弦變化，符合推桿運動規律。t=0.00～0.25 s時，推桿伸出，速度加快，直到接觸花生速度逐漸下降，推桿推力逐漸增大，推送花生向下；t=0.25～0.62 s時，推桿推送花生經過螺旋定心柔性輥、撐口裝置、最后進入去核后的大棗內腔中，速度逐漸下降，因受撐口裝置作用力和棗肉摩擦力，推桿推力逐漸增大，直到花生完全推進去核后大棗的內腔中，速度為零，推桿實現最大沖程，推桿推力最大；t=0.62～1.04 s，推桿逐漸返回，推桿反向速度從零逐漸增大，推桿不受力，直到到達定量撥叉處，速度達到最大；t=1.04～1.25 s，推桿速度逐漸下降直到降為零，推桿到達起始位置。

2.2.3 運動學分析 為驗證推桿機構中滑塊位移與速度分析的正確性，建立仿真模型對推桿進行運動學分析如圖7(a)所示，設定曲柄旋轉起始角為180°，曲柄、連桿、滑塊均為不銹鋼材質，位移曲線與速度曲線如圖7(b)所示。

圖6 推桿機構中滑塊運動曲線圖Figure 6 The movement curve of the slider in the pushing rod device

圖7 推桿機構中滑塊位移和速度曲線Figure 7 The displacement and velocity diagram of the slider in the pushing rod device

由圖7可知，推桿機構中滑塊的位移和速度與曲柄長度、連桿長度以及滑塊位置有關，通過空間矢量方程得出滑塊的速度和位移曲線與運動學分析結果一致，從而驗證了計算模型的正確性，所以空間曲柄滑塊機構可以應用在一體機的推桿機構中。

3 一體機樣機實驗驗證

為了與前期大棗去核機樣機[5-7]的性能進行比較，試驗對象依然采用新鄭大棗(規格一致)。試驗一：設定5組品相一致大棗，每組70顆。測試三軸自定心上料機構對大棗上料性能。試驗二：取5組，每組70顆已經去核成功的，且品相較好的大棗，140顆河南開封產花生(品相一致，大小相當)，一個大棗中裝填兩個花生。分別測試在推桿作用下花生上料定位性能和棗夾花生性能。測試操作均為同一測試條件下進行，測試結果見表2和表3。

由表2可知，5組平均上料數為66個，平均定位成功率約為94%，比前期采用振動料斗[5]成功率93%略有提升，但成功率還是不高。原因是：三軸自定心上料機構可以準確把大棗輸送到定位模套中，但因螺旋定心柔性輥送棗驅動力不足，容易造成大棗送料到位不足，應改進柔性輥材質，提高柔性輥螺旋槽表面的軸向硬度，降低徑向硬度。實際應用中可采用硬度較大的螺旋槽與硬度較小的柔性輥相結合方案，這樣既能扶正定位不損壞大棗又具有足夠驅動力輸送大棗精確到達定位模套中。

表2 一體機試驗大棗上料數據

表3 一體機試驗花生上料及成品數據

由表3可知，在推桿作用下花生的定心上料成功率平均97%，能夠滿足使用要求，但是棗夾花生成功率為91%，相對較低。原因主要是：撐口裝置為自動復位，在多次裝填花生后，撐口裝置黏連了棗肉，造成撐口裝置無法復位到位，清理后滿足使用要求，實際應用中可設計自清理棗肉裝置或改進撐口裝置材質。

4 結論

為實現棗夾花生小型自動化功能要求，設計出小型棗夾花生一體機整體機械結構，并對花生上料機構和推桿機構進行了重點分析。通過一體機樣機實驗驗證，采用帶推桿助力的三軸自定心上料機構定位成功率較高，空間曲柄滑塊機構應用在推桿機構中能實現穩定傳動又不會出現卡死現象。該設計操作便捷，尺寸小巧，但因花生為雙瓣結構，推桿推力易造成花生兩瓣分離，從而影響裝填質量，降低裝填成功率，針對這一問題需進一步修正設計方案提高棗夾花生成品率。