米線切割機翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計與改進

　　摘要: 以給某米線生產(chǎn)企業(yè)研制的一臺米線切割機為研究對象，介紹了米線切割機的組成及工作原理。針對米線切割 機上料總成中存在的晃動過大、發(fā)生錯桿、掉桿、部分零部件磨損嚴重等問題，對其翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行改進設(shè)計，并利用 Adams軟件對其運動軌跡進行模擬仿真，有效減少了運動中的剛性沖擊，再通過 SolidWorks 軟件對改進前后的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進 行三維建模并利用 Simulation 插件進行靜力學(xué)分析。有限元分析結(jié)果表明改進后的機構(gòu)在很大程度上增加了機構(gòu)運動的平 穩(wěn)性，更好地實現(xiàn)送料總成有序、不間斷地穩(wěn)定送料，實現(xiàn)了米線切割機連續(xù)穩(wěn)定地作業(yè)。

　　關(guān)鍵詞: 翻轉(zhuǎn)機構(gòu); 運動仿真; 靜力分析; 結(jié)構(gòu)改進

　　0 前言

　　切割機在食品生產(chǎn)、加工中應(yīng)用十分廣泛，可以 對各種塊狀、條狀、片狀食品進行切割。目前對于條 狀食品的切割有粉絲切割機、面條切割機、米線切割 機等等，將長條狀的粉絲、米線、面條切割成短短的 一扎，從而方便了食品的包裝、銷售。但是，單就從 米線的生產(chǎn)過程中，這些米線的切割還并未實現(xiàn)自動 化生產(chǎn)。

　　這些米線的切割是以人工為主，機器輔助， 即工人手工從烘干架上取下幾桿米線，然后抱到切割 機上輔助切割。在這種環(huán)境下，工人的體力勞動強度 高而且工作風(fēng)險也比較大。 米線切割機正是用來解放人力，用機器來替代人 工自動執(zhí)行將烘干后的米線輸送到切割刀片附近并完 成切割，再自動送出進行包裝，從而減少了人力以及工作風(fēng)險，實現(xiàn)全自動加工。而原有的米線切割機送 料總成在運行過程中存在晃動問題，導(dǎo)致氣缸、旋轉(zhuǎn) 軸等零部件磨損嚴重，甚至發(fā)生錯桿、掉桿等情況。 且由于其動作頻繁，導(dǎo)致送料總成成為了米線切割機 中故障率最高的工位。

　　為了保障設(shè)備的正常運行，降 低設(shè)備的故障率，在原來送料總成的基礎(chǔ)上，對機構(gòu) 進行改進，設(shè)計了一種新型的送料總成翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，通 過 SolidWorks 軟 件 對 設(shè) 備 進 行 三 維 建 模 并 分 析、 Adams軟件對改進機構(gòu)簡圖進行模擬仿真，得到了翻 轉(zhuǎn)機構(gòu)工作速度、加速度等數(shù)據(jù)，并對設(shè)備的運動狀 態(tài)進行擬合，解決了錯桿、掉桿的問題。

　　1 米線切割機的工作原理

　　以給某米線生產(chǎn)企業(yè)研制的一臺米線切割機為研 究對象，采用模塊化設(shè)計思想進行設(shè)計[1]，其主要由切割總成、工作總成、送料總成及相關(guān)附件裝置組成。切割總成包括兩部 分組成，一部分為: 三相異步電機提供動力，通過 V 帶傳動從而帶動裝有五片鋸片的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動; 另一部分為: 伺服電機提供動力驅(qū)動滾珠絲杠，在直線導(dǎo)軌的 導(dǎo)向作用下實現(xiàn)切割平臺的往復(fù)直線運動。

　　工作總成 主要分有牽引機構(gòu)、主壓機構(gòu)、副壓機構(gòu)、出料輸送 機構(gòu)四部分，牽引機構(gòu)是伺服電機通過減速器減速、 同步帶傳動，拉動牽引手臂沿著直線導(dǎo)軌直線往復(fù)運 動; 主壓機構(gòu)和副壓機構(gòu)都是氣缸作為動力源，利用 直線軸承的導(dǎo)向作用實現(xiàn)往復(fù)直線運動帶動固定有海 綿的尼龍板完成壓緊與松開的動作; 出料輸送機構(gòu)由 電機帶動滾筒來實現(xiàn)傳送帶的載物傳送。

　　送料總成由 傳送系統(tǒng)、閘門機構(gòu)、取料機構(gòu)以及翻轉(zhuǎn)機構(gòu)組成， 傳送系統(tǒng)由步進電機通過鏈傳動從而帶動米線桿的輸 送; 閘門機構(gòu)上安裝有計數(shù)裝置，當數(shù)目達到要求， 由氣缸通過 Y 接頭連接帶有錐度的鋼軸完成隔離作 用; 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)是由氣缸作用于焊接在旋轉(zhuǎn)軸中間的鐵 柄完成翻轉(zhuǎn)動作，位于翻轉(zhuǎn)板頂端兩側(cè)通過螺紋連接 有取料機構(gòu)，取料機構(gòu)是由氣缸作用于取料勾并通過 直線滑軌的導(dǎo)向作用實現(xiàn)其功能。工作時，搭載有米線的米線桿通過鏈條將數(shù)桿米 線送到閘門機構(gòu)附近，由計數(shù)裝置數(shù)三桿，閘門機構(gòu) 關(guān)閉。

　　翻板機構(gòu)通過翻轉(zhuǎn)帶動取料機構(gòu)到達固定位 置，由取料機構(gòu)進行取料，再由翻轉(zhuǎn)機構(gòu)將取完的三 桿米線送入工作總成上牽引機構(gòu)的牽引手臂里，牽引 手臂拉動米線到達給定位置后主壓機構(gòu)和副壓機構(gòu)完 成將米線壓緊的動作。然后三相異步電機帶動鋸片轉(zhuǎn) 軸轉(zhuǎn)動，再由伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠實現(xiàn)切割平臺的 往復(fù)運動從而完成切割。完成切割后，出料輸送機構(gòu)將 切好后的米線輸送到捆扎口進行打包，如此循環(huán)動作。

　　2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的改進

　　2. 1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的第一次改進

　　翻轉(zhuǎn)板與旋轉(zhuǎn)軸為一個整體，旋轉(zhuǎn)軸中間焊接有一根鐵柄，旋轉(zhuǎn)軸 與底座之間為轉(zhuǎn)動副連接。氣缸推出和拉回的往復(fù)直 線運動通過作用于鐵柄實現(xiàn)翻板由豎直位置翻轉(zhuǎn)到水 平位置。由于零件安裝的預(yù)留空間有限，氣缸作用的 鐵柄較短，而翻轉(zhuǎn)板尺寸相對較大，且翻轉(zhuǎn)板在受不 均衡重載條件下往復(fù)翻轉(zhuǎn)，故翻轉(zhuǎn)板在繞軸翻轉(zhuǎn)過程 中會產(chǎn)生一定幅度的晃動，從而帶動位于翻轉(zhuǎn)板頂部 的取料機構(gòu)存在一定程度的晃動。

　　由此造成的后果: ( 1) 送料總成的安全性下降，會發(fā)生錯桿、掉桿等 情況; ( 2) 加速了零部件的磨損，例如軸承的損壞， 氣缸在晃動過程中加速磨損。針對這些問題，對原機 構(gòu)進行了第一次改進[2-3]，遵循減少成本的原則，并 未對原機構(gòu)的運動狀態(tài)進行改動，而是氣缸的作用點 改變，使原來由費力杠桿改為省力結(jié)構(gòu)。

　　第一次改進的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)仍采用氣缸作為動力源， 由于力的作用點發(fā)生改變，考慮零件安裝的空間限 制，氣缸的行程由原來的 300 mm 調(diào)整為 1 000 mm， 在翻轉(zhuǎn)過程中也很好地解決了翻板在轉(zhuǎn)動過程中的晃 動。但是由于氣缸在推出的最大位置時整體長度大于 2 000 mm，因自重和運動，氣缸整體會彎曲變形并產(chǎn) 生震動，故加速氣缸活塞桿的疲勞斷裂以及活塞的磨 損[4]，導(dǎo)致機器不能長期穩(wěn)定運行。針對這些亟需解 決的問題，再次對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行改進，并保證原有的 功能。

　　2. 2 新翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

　　2. 2. 1 新翻轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)

　　新翻轉(zhuǎn)機構(gòu)整體采用演化的平面四連桿機構(gòu)[5]， 并且用伺服電機作為驅(qū)動力[6]，從根本上消除了因氣 缸磨損而出現(xiàn)故障以及翻轉(zhuǎn)板受不平衡載荷晃動造成 錯桿、掉桿，增加了米線切割機運行的平穩(wěn)性，延長 其使用壽命。伺服電機通過減 速器將動力傳給主動軸，主動軸與從動軸由鏈條進行 傳動[7]。

　　鏈條端部的鏈節(jié)經(jīng)過去除滾子和套筒而將銷 軸與連接塊的孔配合形成一個封閉的鏈條。在原有翻轉(zhuǎn)板兩側(cè)安裝了兩個帶有軌道槽的鐵板，一根階梯軸 穿過軌道槽，兩端分別與鏈條上連接塊的孔配合。故 實現(xiàn)了鏈條帶動連接塊和階梯軸沿著斜面上下平動， 也就帶動了翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)。為了減少階梯軸在運動 過程中與軌道槽的滑動摩擦，特意在軸上裝有軸承， 再用螺釘鎖緊擋圈限制軸承沿軸向竄動，避免了滑動 摩擦造成的零部件磨損[8]。

　　2. 2. 2 新翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的理論計算

　　已知翻轉(zhuǎn)板的工作狀態(tài): 初始在與水平面夾角為 99°的位置，取料后向下翻轉(zhuǎn)到與水平面夾角為 9°的 位置送料; 送完料后再翻轉(zhuǎn)到初始位置。

　　3 翻轉(zhuǎn)板的有限元分析

　　在整個翻轉(zhuǎn)機構(gòu)中，翻轉(zhuǎn)板承載著取料機構(gòu)、物料和自身重力在外力推動下實現(xiàn)精確取料和送料，有較大的應(yīng)力集中和形變。針對改進前后的翻轉(zhuǎn)板利用 SolidWorks 軟件 Simulation 插件對改進前后的翻轉(zhuǎn)板 建立模型進行靜力學(xué)分析[11-12]。

　　機械論文投稿刊物：《機床與液壓》(MachineTool&Hydraulics)雜志創(chuàng)刊于1973年，由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管，中國機械工程學(xué)會、廣州機械科學(xué)研究院聯(lián)合主辦的全國性科技刊物，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，國內(nèi)統(tǒng)一刊號：CN44-1259/TH，國際標準刊號：ISSN1001-3881，郵發(fā)代號：46-40，國外代號：BM550，國內(nèi)外公開發(fā)行，2004年從雙月刊變更為月刊，2010年從月刊變更為半月刊。

　　4 結(jié)論

　　以全自動米線切割機的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)為研究對象，針對原始翻轉(zhuǎn)機構(gòu)工作過程中運行晃動、錯桿、掉桿等 問題，進行了改進設(shè)計。在改進過程中，不斷改進機 構(gòu)運動方式，最終采用了演化四連桿機構(gòu)。然后再針 對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在運動過程城中出現(xiàn)的剛性沖擊，利用 Adams 軟件進行運動仿真，再通過控制伺服電機對其 運動進行相近擬合，有效地減少了運動過程中沖擊、 振動。

　　最后利用 SolidWorks 軟件 Simulation 插件對改 進前后的翻轉(zhuǎn)板進行靜力學(xué)分析，有限元分析結(jié)果表 明: 翻轉(zhuǎn)板原始結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)改進前后位移都很大程度 減小，增加了機構(gòu)運動的平穩(wěn)性。通過對全自動米線 切割機翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的改進，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)工作過程中運行晃 動、錯桿、掉桿等問題得到了很好的解決，更好地實 現(xiàn)了送料總成有序、不間斷地穩(wěn)定送料，實現(xiàn)了全自 動米線切割機連續(xù)穩(wěn)定作業(yè)。

　　參考文獻:

　　[1]馬力，張志，朱釩，等.液壓拉深機模塊化設(shè)計方法研究 [J].機床與液壓，2000( 4) : 70-71.

　　[2]盧圣春.塑料件樣品模具結(jié)構(gòu)改進設(shè)計[J].機床與液壓，2010，38( 18) : 102-103.

　　[3]林娟穎，劉曉穎，蔡伯陽，等.動梁式龍門銑床傳動部件 基座結(jié)構(gòu)改進設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究，2017，33( 5) : 197-199.

　　作者：朱家誠，魏澤旭，方明進，王亞東

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