米線切割機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

　　摘要: 以給某米線生產(chǎn)企業(yè)研制的一臺(tái)米線切割機(jī)為研究對(duì)象，介紹了米線切割機(jī)的組成及工作原理。針對(duì)米線切割 機(jī)上料總成中存在的晃動(dòng)過(guò)大、發(fā)生錯(cuò)桿、掉桿、部分零部件磨損嚴(yán)重等問題，對(duì)其翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并利用 Adams軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬仿真，有效減少了運(yùn)動(dòng)中的剛性沖擊，再通過(guò) SolidWorks 軟件對(duì)改進(jìn)前后的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn) 行三維建模并利用 Simulation 插件進(jìn)行靜力學(xué)分析。有限元分析結(jié)果表明改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)在很大程度上增加了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平 穩(wěn)性，更好地實(shí)現(xiàn)送料總成有序、不間斷地穩(wěn)定送料，實(shí)現(xiàn)了米線切割機(jī)連續(xù)穩(wěn)定地作業(yè)。

　　關(guān)鍵詞: 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu); 運(yùn)動(dòng)仿真; 靜力分析; 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　0 前言

　　切割機(jī)在食品生產(chǎn)、加工中應(yīng)用十分廣泛，可以 對(duì)各種塊狀、條狀、片狀食品進(jìn)行切割。目前對(duì)于條 狀食品的切割有粉絲切割機(jī)、面條切割機(jī)、米線切割 機(jī)等等，將長(zhǎng)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(guò)程中，這些米線的切割還并未實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化生產(chǎn)。

　　這些米線的切割是以人工為主，機(jī)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(jī)上輔助切割。在這種環(huán)境下，工人的體力勞動(dòng)強(qiáng)度 高而且工作風(fēng)險(xiǎn)也比較大。 米線切割機(jī)正是用來(lái)解放人力，用機(jī)器來(lái)替代人 工自動(dòng)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(dòng)送出進(jìn)行包裝，從而減少了人力以及工作風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)加工。而原有的米線切割機(jī)送 料總成在運(yùn)行過(guò)程中存在晃動(dòng)問題，導(dǎo)致氣缸、旋轉(zhuǎn) 軸等零部件磨損嚴(yán)重，甚至發(fā)生錯(cuò)桿、掉桿等情況。 且由于其動(dòng)作頻繁，導(dǎo)致送料總成成為了米線切割機(jī) 中故障率最高的工位。

　　為了保障設(shè)備的正常運(yùn)行，降 低設(shè)備的故障率，在原來(lái)送料總成的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型的送料總成翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通 過(guò) SolidWorks 軟 件 對(duì) 設(shè) 備 進(jìn) 行 三 維 建 模 并 分 析、 Adams軟件對(duì)改進(jìn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖進(jìn)行模擬仿真，得到了翻 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作速度、加速度等數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)進(jìn)行擬合，解決了錯(cuò)桿、掉桿的問題。

　　1 米線切割機(jī)的工作原理

　　以給某米線生產(chǎn)企業(yè)研制的一臺(tái)米線切割機(jī)為研 究對(duì)象，采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)[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(jī)提供動(dòng)力，通過(guò) V 帶傳動(dòng)從而帶動(dòng)裝有五片鋸片的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng); 另一部分為: 伺服電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，在直線導(dǎo)軌的 導(dǎo)向作用下實(shí)現(xiàn)切割平臺(tái)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

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

　　送料總成由 傳送系統(tǒng)、閘門機(jī)構(gòu)、取料機(jī)構(gòu)以及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成， 傳送系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)從而帶動(dòng)米線桿的輸 送; 閘門機(jī)構(gòu)上安裝有計(jì)數(shù)裝置，當(dāng)數(shù)目達(dá)到要求， 由氣缸通過(guò) Y 接頭連接帶有錐度的鋼軸完成隔離作 用; 翻轉(zhuǎn)機(jī)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(dòng)作，位于翻轉(zhuǎn)板頂端兩側(cè)通過(guò)螺紋連接 有取料機(jī)構(gòu)，取料機(jī)構(gòu)是由氣缸作用于取料勾并通過(guò) 直線滑軌的導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)其功能。工作時(shí)，搭載有米線的米線桿通過(guò)鏈條將數(shù)桿米 線送到閘門機(jī)構(gòu)附近，由計(jì)數(shù)裝置數(shù)三桿，閘門機(jī)構(gòu) 關(guān)閉。

　　翻板機(jī)構(gòu)通過(guò)翻轉(zhuǎn)帶動(dòng)取料機(jī)構(gòu)到達(dá)固定位 置，由取料機(jī)構(gòu)進(jìn)行取料，再由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將取完的三 桿米線送入工作總成上牽引機(jī)構(gòu)的牽引手臂里，牽引 手臂拉動(dòng)米線到達(dá)給定位置后主壓機(jī)構(gòu)和副壓機(jī)構(gòu)完 成將米線壓緊的動(dòng)作。然后三相異步電機(jī)帶動(dòng)鋸片轉(zhuǎn) 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)切割平臺(tái)的 往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而完成切割。完成切割后，出料輸送機(jī)構(gòu)將 切好后的米線輸送到捆扎口進(jìn)行打包，如此循環(huán)動(dòng)作。

　　2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

　　2. 1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的第一次改進(jìn)

　　翻轉(zhuǎn)板與旋轉(zhuǎn)軸為一個(gè)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(dòng)副連接。氣缸推出和拉回的往復(fù)直 線運(yùn)動(dòng)通過(guò)作用于鐵柄實(shí)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(duì)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(guò)程 中會(huì)產(chǎn)生一定幅度的晃動(dòng)，從而帶動(dòng)位于翻轉(zhuǎn)板頂部 的取料機(jī)構(gòu)存在一定程度的晃動(dòng)。

　　由此造成的后果: ( 1) 送料總成的安全性下降，會(huì)發(fā)生錯(cuò)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(dòng)過(guò)程中加速磨損。針對(duì)這些問題，對(duì)原機(jī) 構(gòu)進(jìn)行了第一次改進(jìn)[2-3]，遵循減少成本的原則，并 未對(duì)原機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行改動(dòng)，而是氣缸的作用點(diǎn) 改變，使原來(lái)由費(fèi)力杠桿改為省力結(jié)構(gòu)。

　　第一次改進(jìn)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)仍采用氣缸作為動(dòng)力源， 由于力的作用點(diǎn)發(fā)生改變，考慮零件安裝的空間限 制，氣缸的行程由原來(lái)的 300 mm 調(diào)整為 1 000 mm， 在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中也很好地解決了翻板在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的晃 動(dòng)。但是由于氣缸在推出的最大位置時(shí)整體長(zhǎng)度大于 2 000 mm，因自重和運(yùn)動(dòng)，氣缸整體會(huì)彎曲變形并產(chǎn) 生震動(dòng)，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(jī)器不能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)這些亟需解 決的問題，再次對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并保證原有的 功能。

　　2. 2 新翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

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

　　新翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)整體采用演化的平面四連桿機(jī)構(gòu)[5]， 并且用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)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(dòng)造成 錯(cuò)桿、掉桿，增加了米線切割機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，延長(zhǎng) 其使用壽命。伺服電機(jī)通過(guò)減 速器將動(dòng)力傳給主動(dòng)軸，主動(dòng)軸與從動(dòng)軸由鏈條進(jìn)行 傳動(dòng)[7]。

　　鏈條端部的鏈節(jié)經(jīng)過(guò)去除滾子和套筒而將銷 軸與連接塊的孔配合形成一個(gè)封閉的鏈條。在原有翻轉(zhuǎn)板兩側(cè)安裝了兩個(gè)帶有軌道槽的鐵板，一根階梯軸 穿過(guò)軌道槽，兩端分別與鏈條上連接塊的孔配合。故 實(shí)現(xiàn)了鏈條帶動(dòng)連接塊和階梯軸沿著斜面上下平動(dòng)， 也就帶動(dòng)了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)。為了減少階梯軸在運(yùn)動(dòng) 過(guò)程中與軌道槽的滑動(dòng)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(dòng)，避免了滑動(dòng) 摩擦造成的零部件磨損[8]。

　　2. 2. 2 新翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的理論計(jì)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(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，翻轉(zhuǎn)板承載著取料機(jī)構(gòu)、物料和自身重力在外力推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)精確取料和送料，有較大的應(yīng)力集中和形變。針對(duì)改進(jìn)前后的翻轉(zhuǎn)板利用 SolidWorks 軟件 Simulation 插件對(duì)改進(jìn)前后的翻轉(zhuǎn)板 建立模型進(jìn)行靜力學(xué)分析[11-12]。

　　機(jī)械論文投稿刊物：《機(jī)床與液壓》(MachineTool&Hydraulics)雜志創(chuàng)刊于1973年，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)、廣州機(jī)械科學(xué)研究院聯(lián)合主辦的全國(guó)性科技刊物，面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN44-1259/TH，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN1001-3881，郵發(fā)代號(hào)：46-40，國(guó)外代號(hào)：BM550，國(guó)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(dòng)米線切割機(jī)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，針對(duì)原始翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中運(yùn)行晃動(dòng)、錯(cuò)桿、掉桿等 問題，進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。在改進(jìn)過(guò)程中，不斷改進(jìn)機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式，最終采用了演化四連桿機(jī)構(gòu)。然后再針 對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程城中出現(xiàn)的剛性沖擊，利用 Adams 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，再通過(guò)控制伺服電機(jī)對(duì)其 運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相近擬合，有效地減少了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沖擊、 振動(dòng)。

　　最后利用 SolidWorks 軟件 Simulation 插件對(duì)改 進(jìn)前后的翻轉(zhuǎn)板進(jìn)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(jìn)前后位移都很大程度 減小，增加了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。通過(guò)對(duì)全自動(dòng)米線 切割機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中運(yùn)行晃 動(dòng)、錯(cuò)桿、掉桿等問題得到了很好的解決，更好地實(shí) 現(xiàn)了送料總成有序、不間斷地穩(wěn)定送料，實(shí)現(xiàn)了全自 動(dòng)米線切割機(jī)連續(xù)穩(wěn)定作業(yè)。

　　參考文獻(xiàn):

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　　作者：朱家誠(chéng)，魏澤旭，方明進(jìn)，王亞東

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