“8”字交叉繞面裝置的設計

滕淑珍，戴本堯，匡娜，黃昕辰，郎嘉鵬（浙江工貿職業技術學院，浙江 溫州 325000）

0 引言

近年來，隨著中國經濟持續快速的發展和人們消費水平的提高，導致國內一些物價上漲，隨之而來的是企業的用工成本增加。對于一些工作強度大、時間長、動作簡單的服裝、食品行業及一些小型加工企業，招工成了大難題。2000年開始，溫州市不少勞動密集型企業出現招不到工人、留不住工人的現象，企業不得不向智能機械化轉型。

浙閩沿海有一種傳統面食——素面，也叫紗面，是一種非常細的手工面條，其直徑通常小于1.3 mm，長度大于2 m，各縣均有制作，歷史悠久。素面具有營養豐富、容易消化等特點。然而制作素面非常費時間，年輕人都不愿意干，而年紀大的人又往往出現體力跟不上的情況。因此，雖然溫州素面市場很大，但是產能跟不上，且招工困難，即使招到也難以留住工人，這就迫使素面制作企業尋找可替代的機械，以機械化代替手工。

目前市場上對面條機械的研究設計大部分是針對普通掛面生產的，有整機設備，如全自動面條機[1]、家用面條機[2]，也有單工序設備，如壓面機[3]、和面機[4]、磨面機[5]、削面機[6]、揉面機[7]、揣面機[8]，此外也有對特殊面條加工的研究，如魚面加工機械[9]，但是找不到使面條變細變長的設備。

綜上所述，分析現有的面條制造技術及相關設備，針對制作素面的一道工序——繞面（如圖1），設計開發了一種全自動纏繞的機器，可以多層同步、快速、交叉、自動纏繞。

圖1 手工制作的繞面工藝

1 工作原理

1.1 整體功能結構

繞面裝置的整體結構如圖2所示，由底座、搖擺機構、進給機構、后退機構、控制系統5大部分組成。

圖2 繞面裝置的裝配示意圖

根據手工制作工具，設計該設備的相關設計參數為以下幾個部分：1）適用范圍。面條、電線電纜、紡織用線等需要作“曲線”纏繞的線，以浙閩素面為主。2）繞面行程為100 ～500 mm。3）繞面間距為0～20 mm。4）繞面桿直徑為8～10 mm。5）繞面桿間距為50～150 mm。

1.2 工作原理

繞面裝置工作過程主要是通過擺動機構上下擺動繞面桿，與進給機構的直線運動垂直交叉運行，重復進行，使得面條呈“8”字均勻纏繞在繞面桿上。首先驅動擺動機構上的繞面桿向上擺動到極限位置，然后暫停，此時驅動進給機構向前送料，到極限位置后暫停，然后擺動機構帶動繞面桿向下擺動到極限位置，暫停，然后進給機構向相反方向送料，到極限位置后暫停，此時驅動后退機構的伺服電動機，帶動擺動機構向后退一個單位距離。重復上述動作，等繞線桿子上繞滿面條，此時由行程開關控制，所有動力裝置自動停止，繞線工作完畢。

2 繞面機的結構設計

2.1 搖擺機構的結構設計

搖擺機構是繞面裝置的重要組成部分，繞面桿固定在搖擺機構上，面條纏繞在繞面桿上，當搖擺機構工作時，帶動與其連接的繞面桿上下擺動，桿上的面條一端在桿子上，另一端在送料管的出口處。搖擺機構擺動時不允許出現繞面桿掉落、彎曲變形等情況，并且一組繞面桿繞面結束時要快速、便捷地撤出繞面桿，以便下一組繞面桿繼續繞面。

上下換向擺動動作是不連續的，在一個方向行程結束后需要停頓一段時間再換向擺動，停頓期間其他機構動作，因此選用方便換向控制旋轉氣缸、電磁換向閥、交流伺服電動機作為搖擺機構的驅動結構。旋轉氣缸與繞面桿之間設計一個連接件，此結構要求與旋轉氣缸同步轉動，因此，連接件的一側與旋轉氣缸成剛性連接，另一側與繞面桿成剛性連接。旋轉氣缸與連接件不需要頻繁拆裝，因此可以用緊固件連接。繞面桿需要頻繁拆裝，因此采用快換結構連接，可采用半圓孔的固定方式；繞面桿工作過程中主要受到彎曲變形的力，需要考慮其變形量，因此采用控制繞線桿夾角的方法來預防其工作時的受力變形，一般情況角度控制在5°以內。擺動機構的結構示意圖如圖3所示。

圖3 擺動機構的結構示意圖

繞面桿全程繞滿面條后，繞面工序完成，接著取下纏滿面條的繞面桿進行后續的醒面、開面、晾曬等工序，新的空的繞面桿則重新被安裝到擺動機構進行新一輪的繞面工序。通過快換結構中活動夾頭的松開或夾緊實現繞面桿的拆卸和安裝。纏滿面條的繞面桿與面條一直纏繞在一起，直到面條晾曬后才切斷面條，使得面與桿分離。

2.2 進給機構的結構設計

進給機構是送料機構，即將面條連續輸送到搖擺機構上，因此進給機構的一端連接待加工的原始面條，另一端連接搖擺機構，考慮到面條是柔性物體，在受力情況下容易斷，因此不能讓面條本身受力過大，需要減輕送料、纏繞過程中所受到的拉力。在原始面條這一端送料的整個行程中增加滑輪輔助面條前行，減輕阻力；在上繞面桿前增加一個推送動力，此動力通過帶電動機的空心管的轉動實現。輔助滑輪轉動帶動面條前進，因此輔助輪可選U型滑輪，通過滾動軸承與軸連接，根據輸送阻力大小，可以設定1～2個主動輪（根據行程的大小可以適當增加主動輪數量）。主動輪即主動輸送輪，分為一級輸送輪（輸送的起點）和二級輸送輪（輸送的終點），需連接小電動機，其他輔助輪則不需要連電動機，確定位置并固定即可。進給機構的結構示意圖如圖4所示。

圖4 進給機構的結構示意圖

進料管（如圖5）內部為空心，可將面條藏于其內部，使其保持干凈、衛生，為了將面條從送料管的進口處連接到出口處，可將管子上部做成開口的切槽結構，既方便觀察，又容易拉出面頭。進料管在工作時做直線運動，因此管子固定在一個滑臺上，滑臺底部沿導軌做直線運動，導軌采用典型的燕尾槽結構，進料管的運動曲線如圖6所示。滑臺的一側與標準氣缸剛性連接，可采用Y型SC氣缸前叉連接件和緊固件連接。

圖5 進料管結構

圖6 進料管的運動曲線

2.3 后退機構的結構設計

后退機構的作用是使繞面桿給面條纏繞預留空間，當繞面桿上纏繞一圈面條后，如果繼續纏繞第二圈，則兩圈面條會重疊，影響后續的開面工序。因此后退機構應該帶著繞面桿一起后退，以確保每一圈面條間距均勻地纏繞在繞面桿上。繞面桿在后退一定距離后又要重新擺動，因此，后退機構需要帶動整個搖擺機構向相反方向直線運動。

由于原始面條受前道工序（盤面）的大小，以及初次醒面的時長、溫度、濕度等的影響，面條粗細有誤差，因此，后退的速度應該可調，故采用絲桿螺母、伺服電動機來實現，其后退機構的結構如圖7所示。

圖7 后退機構的結構示意圖

2.4 底座的結構設計

底座材料應根據使用環境確定。本機構屬于食品機械，對環境要求較高，設備不得有污染、生銹等不良情況，因此需要用防銹材料。底座受力較大，其結構需要平穩、牢固，因此可采用鋁型材搭成底座框架，外表面用不銹鋼板覆蓋。食品機械中與食品直接接觸的部位，其材料應該用不銹鋼，由于面條中含有鹽分，因此對設備不銹鋼要求較高，建議使用304或316不銹鋼。

底座是支撐整個裝置的基石，要求結構平穩、緊湊，其大小應該考慮底座上需要安裝的其他機構、零部件的結構和大小。本裝置底座上安裝有搖擺機構、進給機構、后退機構、各電氣控制元件。整體外形為長方體結構（如圖8），長度為后退機構的總長，加上繞面桿長度，再加上送料輔助輪的安裝距離，考慮到總長度太長不易搬運，因此送料輔助輪單獨做一個底座，使用時移到合適位置即可；寬度為進給機構的行程，加上安裝余量；高度應考慮人體站立時靜態尺寸，底座高度加上繞面桿與底座的距離，應適合成年人站立時手能輕松拿取的高度，而繞面桿與底座的距離應大于繞面桿間距，底座高度可參考鉗工桌的高度，取600～800 mm。鋁型材搭建底座需考慮拆裝方便，因此盡可能采用配套的連接件、緊固件。

圖8 底座外形結構

2.5 控制系統的結構設計

擺動機構、進給機構和后退機構都是需要協調的，每個動作執行時，其余動作要停止。擺動機構和進給機構的氣缸各連接一個電磁換向閥，可以根據需要換向，采用單片機驅動控制這些動作，加上傳感器、行程開關等，可實現自動化操作，其流程如圖9所示。

圖9 電氣控制流程圖

3 試驗驗證

將上述設計的繞面裝置制造出試驗樣機，進行試驗驗證，如圖10所示。將盆里同一批面的面條分成人工和機器兩個大組進行繞面試驗，人工組又分為熟練工和新手兩組，以10對繞面桿為一個計時單位，取平均值計算出繞滿一對繞面桿的時間。機器的纏繞速度是可調的，單層時間控制在2～5 min，更快則容易斷條。將人工與機器的效率、外觀進行對比，得到表1所示的試驗結果。通過試驗驗證，該裝置可以實現面條呈“8”字交叉纏繞在繞面桿上，運行平穩，效率高。

表1 人工與機器的對比結果

圖10 試驗樣機

4 結語

通過分析當前傳統手工業制作素面的情況，針對耗時最多的一道工序，提出了一種呈“8”字纏繞效果的自動化繞面機。繞面機采用了氣動與電動相結合的方式，實現了全自動控制，具有省力、高效、清潔、自動化程度高的特點，大大降低了企業的用工成本。實現繞面機功能的關鍵是上下擺動、前后進給、擺動架后退幾個關鍵動作協調、有序，為此建立三維模型，進行仿真運動分析。針對不同面條的粗細、軟硬程度對繞面桿的彎曲產生不同變形，設計繞面桿夾角可調、快換的結構，增加了繞面機的實用性，提高了生產效率。