基于VB的揣面機(jī)的機(jī)構(gòu)分析與仿真

摘要：為解決手工揣面費(fèi)時(shí)費(fèi)力且供不應(yīng)求以及傳統(tǒng)揣面機(jī)效率低且面團(tuán)不光滑的一系列問(wèn)題，在分析了手工揣面的動(dòng)作要領(lǐng)的基礎(chǔ)上，基于仿生原理，機(jī)械原理和VB編程模擬，設(shè)計(jì)了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和六桿機(jī)構(gòu)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型，得到了揣面的運(yùn)動(dòng)軌跡，并利用VB可視化編程環(huán)境，驗(yàn)證了該仿生機(jī)構(gòu)的可行性與正確性。該程序?yàn)闄C(jī)器的制造提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為仿生機(jī)械領(lǐng)域以及面食行業(yè)機(jī)械化提供了新的實(shí)例，進(jìn)一步促進(jìn)了揣面環(huán)節(jié)的機(jī)械化。

關(guān)鍵詞：VB編程；仿生；揣面機(jī)；曲柄滑塊；六桿機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.11.009

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 11-0064-07

Mechanism Analysis and Simulation of the"Dough Kneading"Machine Based on VB

XIAO Jiajun，SUN Liangbo

（ School of Mechanical Engineering， Wuhan Polytechnic University， Wuhan"430048， China ）

Abstract：Manual dough kneading faces the problems of being time-consuming， labor-intensive， and understaffed， as well as the low efficiency and unsmooth dough caused by traditional dough kneading machines."To address the issues， the essential techniques of manual dough kneading is analyzed， and based on biomimetic principles， mechanical principles and VB programming simulation， a crank slider mechanism and a six-bar mechanism are designed， and the motion analysis is then carried out to establish a mathematical model， from which the kneading motion trajectory is determined. And "The feasibility and correctness of the biomimetic mechanism is verified by utilizing the VB visual programming environment. This program provides a data foundation for machine manufacturing， offers new examples for biomimetic machinery and noodle industry mechanization， which further advances the mechanization of the dough kneading process.

Key words：VB programming；bionics；dough kneading machine；crank slider；six-bar mechanism

揣面的好壞，直接影響到面團(tuán)的質(zhì)量，揣面作為揉面中最費(fèi)力氣的一個(gè)環(huán)節(jié)，具備著很高的自動(dòng)化發(fā)展前景^[1]，在電算法對(duì)機(jī)構(gòu)分析中用VB語(yǔ)言重新開(kāi)發(fā)更具有推廣性^[2]。面食是我國(guó)傳統(tǒng)的主食品，具有悠久的歷史和廣大的群眾基礎(chǔ)，在整個(gè)食品行業(yè)中占據(jù)居民消費(fèi)的重要地位^[3]。

目前，發(fā)酵面食機(jī)械裝備行業(yè)起步晚，在國(guó)內(nèi)食品機(jī)械中屬于較落后的一個(gè)行業(yè)^[4]。受西方面點(diǎn)影響，我國(guó)自主研發(fā)的面食加工機(jī)械故障率較高，耗能較大，做工比較粗糙使用年限較短^[5]。揉面機(jī)是一種常用的面食機(jī)械，通常用一對(duì)等直徑軋輥對(duì)滾實(shí)現(xiàn)面團(tuán)碾壓^[6]，手工揉面相對(duì)機(jī)制面制得的面條蒸煮、質(zhì)構(gòu)特性最佳，其面筋網(wǎng)絡(luò)對(duì)淀粉顆粒的包裹更致密^[7]。其中揣面可使面團(tuán)進(jìn)一步均勻、增勁、柔潤(rùn)、光滑或酥軟等，是調(diào)制面團(tuán)的關(guān)鍵。雷恩揉面機(jī)的揉面方式是最接近于人工揉面的動(dòng)作的新型揉面機(jī)，得到的面團(tuán)相比更均勻致密，更具高彈性^[8]，但與手工制面依舊有不少差距。

本文旨在VB可視化程序中開(kāi)發(fā)該仿生揣面機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析和仿真系統(tǒng)。將該仿生機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化仿真與科學(xué)計(jì)算不僅可以促進(jìn)新型面食機(jī)械發(fā)展，而且還對(duì)面點(diǎn)自動(dòng)化生產(chǎn)有著很大的實(shí)用價(jià)值，為揣面機(jī)提供更優(yōu)的方案與數(shù)據(jù)支撐。

1 設(shè)計(jì)思路

揣面即用手將面團(tuán)拉伸均勻后，將面團(tuán)分為上下兩部分，重疊后再進(jìn)行擠壓，只有這樣做出的面往往才更加筋道。如此這番往復(fù)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)即為揣面的核心動(dòng)作要領(lǐng)。根據(jù)平面機(jī)構(gòu)原理，該揣面機(jī)可分為上下兩個(gè)機(jī)構(gòu)（六桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)），且通過(guò)同步帶公用一個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在Visual Basic環(huán)境中，對(duì)上述機(jī)構(gòu)進(jìn)行編程，利用VB的圖形處理功能將結(jié)果顯示為動(dòng)態(tài)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并且給出一個(gè)循環(huán)中的運(yùn)動(dòng)線路，最后再可通過(guò)VB可視化控件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的仿真與分析，設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 用戶界面設(shè)計(jì)

本程序使用了一個(gè)窗體和一個(gè)模塊。窗體按功能可分為三個(gè)部分即：①參數(shù)調(diào)試，設(shè)置2個(gè)Frame框架、10個(gè)Textbox文本和10個(gè)Label圖形控件以方便分別管理參數(shù)和調(diào)試參數(shù)；②開(kāi)關(guān)控件，通過(guò)CommandButton控制仿真開(kāi)關(guān)以及參數(shù)刷新；③圖像顯示部分，即通過(guò)Picturebox和Timer顯示動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2 控制的移動(dòng)

采用控制的移動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)的方式可分兩種：一種是在程序運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)更改控制的位置坐標(biāo)的left，top屬性。另一種是對(duì)控制調(diào)用move方法來(lái)達(dá)到所需的動(dòng)畫(huà)^[9]。這里的控制可以是命令按鈕、文本框、圖形框、等。本文選取第一種機(jī)構(gòu)中所需點(diǎn)坐標(biāo)如圖2所示。

通過(guò)Option Explicit語(yǔ)句聲明模塊中的所有變量，這樣可以避免變量因名稱(chēng)拼寫(xiě)等錯(cuò)誤，“Option Explicit”可以加快程序的運(yùn)行速度，它節(jié)省了在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配變量存儲(chǔ)空間的時(shí)間。當(dāng)確認(rèn)好機(jī)構(gòu)的基本骨架后，通過(guò)在模塊創(chuàng)建過(guò)程Public Sub，在此將過(guò)程命名為DrawMechanism。該仿真只需用到直線控件和圓形控件來(lái)畫(huà)同步輪，同步帶與連桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)而做到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可視化，各個(gè)圖形定義的源程序就不再一一贅述。改變各個(gè)連桿尺寸后，必須重新運(yùn)行程序才能看到新的機(jī)構(gòu)動(dòng)畫(huà)，為了方便，應(yīng)用refresh后在每次數(shù)據(jù)更新時(shí)候就可以立即刷新。

為使機(jī)構(gòu)中各參數(shù)都能夠直觀的被輸入和更改，本程序通過(guò)將尺寸的定義寫(xiě)入Commandbotton的控件中，通過(guò)控件texbox控

制桿l_ab、l_bc、、、、l_fg、l_gh、的

長(zhǎng)度，盆底半徑R和原動(dòng)件的轉(zhuǎn)速，改變機(jī)構(gòu)的參數(shù)并用按鈕刷新數(shù)據(jù)，進(jìn)而直觀的表現(xiàn)出機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。O₂、O₃處于豎直關(guān)系，定義O₁、O₃的初始坐標(biāo)值如下：

（1）

式中：為點(diǎn)O₂的橫坐標(biāo)大小；為點(diǎn)O₂的縱坐標(biāo)大小；為O₂到O₃的距離。

執(zhí)行Command1_Click（）事件后，編寫(xiě)事件Private Sub Form_Load（）。目的是為了載入窗體，創(chuàng)建坐標(biāo)系。如果設(shè)置坐標(biāo)系為Picture1.Scale（-500， 500）-（500， -500）此時(shí)，可以在上一事件click中規(guī)定：

（2）

式中：為點(diǎn)O₁的橫坐標(biāo)大小；為點(diǎn)O₁的縱坐標(biāo)大小；為點(diǎn)O₃的橫坐標(biāo)大小；為點(diǎn)O₃的縱坐標(biāo)大小。

2.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

整個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)原動(dòng)件為桿，所以在仿真中需要實(shí)現(xiàn)的自傳。在VB中，動(dòng)點(diǎn)A

可通過(guò)轉(zhuǎn)角自加的方式實(shí)現(xiàn)，改變v的大小就改變了電機(jī)轉(zhuǎn)速，即：

（3）

式中：θ₁為的轉(zhuǎn)角大小；v為的自加轉(zhuǎn)角。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的其他坐標(biāo)屬性可分別用正弦函數(shù)，余弦函數(shù)以及勾股定理進(jìn)行編譯。動(dòng)點(diǎn)A繞O₁做圓周運(yùn)動(dòng)，A點(diǎn)的坐標(biāo)與O₁點(diǎn)的坐標(biāo)之間的關(guān)系可由下式得出：

（4）

式中：x_a為點(diǎn)A的橫坐標(biāo)大小；y_a為點(diǎn)A的縱坐標(biāo)大小；為O₁到A的距離；θ₁為的轉(zhuǎn)角大小。

動(dòng)點(diǎn)B在坐標(biāo)系中做水平運(yùn)動(dòng)，易知y_b為一固定值。運(yùn)用勾股定理，結(jié)合的值可求出x_b的值，即：

（5）

式中：x_b為點(diǎn)B的橫坐標(biāo)大小；y_b為點(diǎn)B的縱坐標(biāo)大小；為O₁到A的距離；l_ab為點(diǎn)A到點(diǎn)B的距離；θ₁為的轉(zhuǎn)角大小。

由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特性可將點(diǎn)B、C、C₁、C₂、C₃、D、E看作一個(gè)整體，其內(nèi)部的坐標(biāo)之間存在如下的定值關(guān)系：

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

（11）

式中：x_a、y_b為B的坐標(biāo)值；x_c、y_c為C的坐標(biāo)值；x_d、y_d為D的坐標(biāo)值；x_e、y_e為E的坐標(biāo)值；x_c1、y_c1為C₁的坐標(biāo)值；x_c2、y_c2為C₂的坐標(biāo)值；x_c3、y_c3為C₃的坐標(biāo)值；R為盤(pán)底半徑。

2.4 六桿機(jī)構(gòu)

該六桿機(jī)構(gòu)可看作四邊形O₃FGH，已知O₃、l_fg、l_gh、的長(zhǎng)度。動(dòng)點(diǎn)F的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)值求解同動(dòng)點(diǎn)A，聲明兩個(gè)單精度數(shù)值ang2和v，使ang2＝ang2＋v。

滑塊F在桿上做的是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，若H

為復(fù)合鉸鏈，此時(shí)機(jī)構(gòu)自由度為2，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。若將H點(diǎn)焊死，機(jī)構(gòu)自由度為1，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算如下：

（12）

H點(diǎn)焊死后，連接l_gf做一條線段得到三角形GHF，即把桿l_gh，桿和桿合并為同一構(gòu)件。簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

此時(shí)∠HO₃Z的值固定，即桿和桿的擺角相等，聲明A₁作為擺角的形參。同時(shí)桿只要大于即可，可以給一任意較大值，這里給到400。

對(duì)F點(diǎn)、H點(diǎn)、G點(diǎn)分析，得出節(jié)點(diǎn)仿真軌跡的數(shù)學(xué)描述。已知桿l₁、l₂、l₃的長(zhǎng)度，現(xiàn)討論G、H、F三點(diǎn)的求解方法，結(jié)合圖5的以及圖6的易知F點(diǎn)和Z點(diǎn)關(guān)于O₂的函數(shù)關(guān)系為：

（13）

式中：x_f為點(diǎn)F的橫坐標(biāo)大小；y_f為點(diǎn)F的縱坐標(biāo)大小；為O₂到F的距離；θ₂為的轉(zhuǎn)角大小。

（14）

式中：x_z為點(diǎn)Z的橫坐標(biāo)大小；y_z為點(diǎn)Z的縱坐標(biāo)大小；A₁為的擺角大小。

桿的長(zhǎng)度為定值，且桿_3h在以O₃為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中在第二三象限擺動(dòng)，同理F點(diǎn)，可知H與O₃的函數(shù)關(guān)系如下：

（15）

設(shè)l_jh＝150，則J點(diǎn)坐標(biāo)的表達(dá)式為：

（16）

式中：x_h、y_h為H的坐標(biāo)值；x_j、y_j為點(diǎn)J的坐標(biāo)值；為桿的大小；A₁為的擺角大小。

此時(shí)，主程序中需填加模塊定義擺角A₂：

（ByVal x1 As Double， ByVal y1 As Double， ByVal x2 As

Double， ByVal y2 As Double）。令A(yù)1 = A2（o3x， o3y， fx， fy），"A1 = A2 （hx， hy， gx， gy）

已知x_o1＝280、y_o1＝-275、x_o3＝150、y_o3＝-40，現(xiàn)討論Vb中擺角A₂區(qū)間為（0≤A₂≤360）時(shí)，l_gh或或在坐標(biāo)系中關(guān)于x軸的最小夾角，公式如下：

（17）

當(dāng)連桿位于坐標(biāo)軸情況時(shí)的討論如下：

（18）

式中：x₁、y₁、x₂、y₂為連桿長(zhǎng)度的形參；A₂為擺角的形參。

添加模塊CountRRR （ByVal x1 As Double， ByVal y1 As Double， ByVal x3 As Double， ByVal y3 As Double， ByVal l1 As Integer， ByVal l2 As Integer）主程序中令hx=x1，"hy=y1，"fx=x3，"fy=y3，"Lgh=l1，"Lfg=l2，"gx=X，"gy=Y。

已知?jiǎng)狱c(diǎn)F、H的坐標(biāo)值和桿l₁、l₂、l₃的長(zhǎng)度，求動(dòng)點(diǎn)G的坐標(biāo)表達(dá)式，可先設(shè)l_gh關(guān)于

x軸的偏角w₁，由勾股定理得如下表達(dá)式：

（19）

設(shè)變量A、B、C為：

（20）

根據(jù)復(fù)數(shù)矢量法得到偏角w₁的表達(dá)式為：

（21）

動(dòng)點(diǎn)G的坐標(biāo)表達(dá)式為：

（22）

式中：X、Y、x₁、y₁、x₂、y₂為點(diǎn)G、F、H的坐標(biāo)值；l₁、l₂、l₃為桿長(zhǎng)的形參。

桿長(zhǎng)l₁、l₂為用戶給出的數(shù)值，此時(shí)代碼中要驗(yàn)證三角形性質(zhì)，如不滿足公式（23），則退出程序。

（23）

六桿機(jī)構(gòu)的函數(shù)同DrawMechanism線條繪制寫(xiě)入模塊，模塊可以提高代碼的可讀性，可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，以及代碼的運(yùn)行速度。這里主要涉及到代碼的復(fù)用性，所以這里引用模塊，同理動(dòng)點(diǎn)J的坐標(biāo)也是通過(guò)調(diào)用模塊A₂與H的坐標(biāo)求得。上述程序均通過(guò)窗口的Timer運(yùn)行，同時(shí)要訪問(wèn)模塊DrawMechanism Me.Picture1繪出圖形。

3"運(yùn)行結(jié)果分析

為了更好表現(xiàn)出揣面機(jī)仿生運(yùn)動(dòng)的效果，還可增加揣面頭繪制運(yùn)動(dòng)曲線的程序，其代碼如下：

Dim L As Integer

n = n + 1

Pj（n）.X = jx

Pj（n）.Y = jy

Picture1.DrawWidth = 2

For L = 1 To n - 1

Picture1.Line （Pj（L）.X， Pj（L）.Y）-（Pj（L + 1）.X， Pj（L + 1）.Y）， RGB（250， 0， 0）

Next L

If n gt;= 360 Then n = 0

End Sub

本文結(jié)合仿生原理對(duì)現(xiàn)有揣面機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，基于以上對(duì)揣面機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析，實(shí)現(xiàn)了該仿生揣面機(jī)的仿真。該程序可實(shí)時(shí)觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和指定點(diǎn)軌跡的動(dòng)態(tài)生成過(guò)程^[10]，筆者通過(guò)對(duì)各個(gè)參數(shù)的調(diào)試，選取合適的比例，截取了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)和一次循環(huán)后揣面頭運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)曲線呈月牙狀，符合仿生學(xué)原理對(duì)揣面機(jī)的要求。同時(shí)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速還可以滿足對(duì)面團(tuán)面筋形成程度的不同要求，改變l_gh的長(zhǎng)度可以改變揣面時(shí)的幅度大小。

4"結(jié)論

仿真結(jié)果顯示，程序成功實(shí)現(xiàn)了仿生揣面機(jī)的機(jī)構(gòu)分析與仿真，設(shè)計(jì)時(shí)，要先選取需求對(duì)用的功能即編程方式與方法并針對(duì)核心部件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后整理出程序設(shè)計(jì)流程，根據(jù)流程設(shè)計(jì)編寫(xiě)程序。如果要設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)確定參

數(shù)的變化對(duì)輸出的影響，可以采用VB的可視化編程，直觀地找到合理的設(shè)計(jì)值^[11]。

這里采用VB作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）可以直觀的分析機(jī)構(gòu)運(yùn)行的效果并且自主更改參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，還可以在源程序的基礎(chǔ)上添加程序；

（2）經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)成本很低，還可以為企業(yè)引用或開(kāi)發(fā)新型仿生揣面機(jī)器提供參考。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51875418）

作者簡(jiǎn)介：肖佳俊（2002－），男，湖北襄陽(yáng)人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，E-mail：1330581293@qq.com。

*通信作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門(mén)人，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)學(xué)，E-mail：4117499@qq.com。