□ 吳孜越 □ 李蒙蒙 □ 李志豪 □ 龍海洋

河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南洛陽 471003

1　研究背景

隨著工業(yè)4.0的推出，非標(biāo)自動化行業(yè)逐漸進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化和智能化，迎來了重大機(jī)遇［1］。工業(yè)4.0時代，智能服務(wù)已經(jīng)滲入到人們的生活中。隨著微電子的快速發(fā)展，控制器的功能也越來越強(qiáng)大［2］，大大方便了工業(yè)應(yīng)用。國產(chǎn)控制器現(xiàn)已快速發(fā)展［3］，在諸如半導(dǎo)體、機(jī)器人、食品包裝等行業(yè)都有應(yīng)用，且系統(tǒng)穩(wěn)定、快速、精準(zhǔn)。當(dāng)然，也應(yīng)重視機(jī)械部件設(shè)計，合理的機(jī)械部件設(shè)計可以大大降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度［4］，成本相應(yīng)也會減小。筆者設(shè)計的全自動蛋糕機(jī)主要可實現(xiàn)蛋糕的自動化生產(chǎn)，其總裝示意圖如圖1所示。

▲圖1 全自動蛋糕機(jī)總裝示意圖

全自動蛋糕機(jī)可在大城市設(shè)置網(wǎng)點，制作出蛋糕供人們食用。這一蛋糕機(jī)可以節(jié)約蛋糕加工輔助時間，減少工人使用量［5］，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此可更好地適應(yīng)市場競爭。

蛋糕的生產(chǎn)過程主要包括8個步驟。

（1）推模。由推模部件將蛋糕模推至加熱旋轉(zhuǎn)盤指定部位。

（2）注料。通過擠壓將奶油擠至蛋糕模中，由刀片將面團(tuán)切割成片狀后注入蛋糕模。

（3）翻面。將內(nèi)圈烘烤好的蛋糕翻轉(zhuǎn)面后繼續(xù)烘烤。

（4）定位。翻轉(zhuǎn)面后各個蛋糕的位置會產(chǎn)生偏差，經(jīng)校準(zhǔn)定位后使蛋糕擺正。

（5）打標(biāo)。在蛋糕表面打印有關(guān)標(biāo)志。

（6）脫模。使蛋糕從蛋糕模中脫落。

（7）蛋糕模傳遞。將已脫落蛋糕的蛋糕模經(jīng)傳遞機(jī)構(gòu)傳送至指定位置。

（8）蛋糕傳遞。將烘烤熟的蛋糕經(jīng)傳遞機(jī)構(gòu)傳送至指定位置。

2　主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

全自動蛋糕機(jī)主要包括注料、翻面、定位、打標(biāo)、推模、脫模六個部件。

2.1　注料

注料部件由步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動凸輪軸旋轉(zhuǎn)，凸輪軸上的凸輪做勻速轉(zhuǎn)動，凸輪從動件頂桿做往復(fù)運動，從而完成面料的吸進(jìn)與壓出。單向閥的單向?qū)ㄐ阅芸梢源_保每次壓出的面料相等，不產(chǎn)生面料泄漏現(xiàn)象。注料部件三維造型如圖2所示。

凸輪機(jī)構(gòu)是注料部件中的一個重要組成部分，如圖3所示。凸輪具體結(jié)構(gòu)采用作圖法進(jìn)行設(shè)計，其行程為15 mm。

▲圖2 注料部件

▲圖3 凸輪機(jī)構(gòu)

2.2　翻面

翻面部件的作用是將蛋糕模從轉(zhuǎn)盤的內(nèi)圈送至中圈，同時完成蛋糕模的翻轉(zhuǎn)，使蛋糕進(jìn)行雙面烘烤，其三維造型如圖4所示。翻面部件由電機(jī)、直角翻板、電磁剪刀機(jī)械手三部分組成。電機(jī)提供翻轉(zhuǎn)動力源，選用步進(jìn)電機(jī)，由脈沖控制轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度。直角翻板將電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為蛋糕模從內(nèi)圈到中圈的翻轉(zhuǎn)運動。電磁剪刀機(jī)械手由電磁鐵和剪刀手組成，通過電磁鐵的通斷電來實現(xiàn)機(jī)械手的張開與閉合，完成蛋糕模的抓取與松開動作。

▲圖4 翻面部件

2.3　定位和打標(biāo)

考慮到定位和打標(biāo)部件在轉(zhuǎn)盤停留期間只需上下運動，且均為輕載工況，因此可選用平底從動件盤形凸輪［7］。定位和打標(biāo)兩部件采用相同外形的凸輪，凸輪時序見表1。使用MATLAB軟件進(jìn)行凸輪參數(shù)化設(shè)計，其中凸輪輪廓線設(shè)計如圖5所示。

表1　凸輪時序

定位部件的定位頭為豎直上下運動，電機(jī)驅(qū)動凸輪機(jī)構(gòu)完成定位運動。從動件運動至凸輪的遠(yuǎn)休止部分時，定位頭位于運動位置的最上端，能滿足蛋糕模自由通過。從動件運動至凸輪的近休止部分時，定位部件使蛋糕模準(zhǔn)確定位。整個運動節(jié)拍與蛋糕機(jī)的運動相協(xié)調(diào)。定位部件三維造型如圖6所示。

打標(biāo)部件的打標(biāo)模也為豎直上下運動，電機(jī)驅(qū)動凸輪機(jī)構(gòu)完成打標(biāo)運動。從動件運動至凸輪的遠(yuǎn)休止部分時，打標(biāo)模位于運動位置的最上端，能滿足蛋糕模自由通過。從動件運動至凸輪的近休止部分時，打標(biāo)模接觸蛋糕表面，并對其產(chǎn)生一定的壓力，完成打標(biāo)。整個運動節(jié)拍與蛋糕機(jī)的運動相協(xié)調(diào)［8］。打標(biāo)部件三維造型如圖7所示。

▲圖5 凸輪輪廓線設(shè)計圖

▲圖6 定位部件

2.4　推模

推模部件的作用是將脫掉蛋糕的蛋糕模從轉(zhuǎn)盤的外圈送至內(nèi)圈，使蛋糕機(jī)繼續(xù)注料加工新的蛋糕。推模部件三維造型如圖8所示。

▲圖7 打標(biāo)部件

當(dāng)?shù)案鈾C(jī)轉(zhuǎn)盤處于初始停止?fàn)顟B(tài)時，轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈無蛋糕模，圓弧推頭處會有一個新的蛋糕模。步進(jìn)電機(jī)接收到信號后工作，伸縮桿向外伸長，將外圈新的蛋糕模推向內(nèi)圈，然后縮回到原位。如此循環(huán)往復(fù)，就可以將蛋糕模從轉(zhuǎn)盤的外圈送至內(nèi)圈，使蛋糕機(jī)連續(xù)工作。

▲圖8 推模部件

2.5　脫模

脫模部件采用箱體結(jié)構(gòu)。蛋糕?；厥昭b置設(shè)置于大轉(zhuǎn)盤上，由主傳動直接帶動，操作方便。電機(jī)通過不完全齒輪帶動齒輪轉(zhuǎn)動90°，且?guī)虞S轉(zhuǎn)動，軸再帶動推桿和推模手運動至打模頭下方。此時電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)180°，打模頭下降28 mm，使蛋糕脫離蛋糕模。電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)180°，打模頭上升28 mm，回到原位，電機(jī)再逆時針旋轉(zhuǎn)90°，脫模裝置復(fù)位。脫模部件三維造型如圖9所示。

▲圖9 脫模部件

設(shè)計出各個部件后，繪制出全自動蛋糕機(jī)整體三維模型。將三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，對其運動和溫度場等進(jìn)行分析，結(jié)果表明所設(shè)計的蛋糕機(jī)結(jié)構(gòu)合理。在完成仿真后，制造了全自動蛋糕機(jī)實物，如圖10所示。

▲圖10 全自動蛋糕機(jī)實物圖

3　控制系統(tǒng)設(shè)計

全自動蛋糕機(jī)電控部分由8軸GUC-800控制器、擴(kuò)展輸入輸出模塊、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、直流電機(jī)、繼電器、限位開關(guān)等組成，編程采用CPAC平臺OtoStudio軟件［9-10］。根據(jù)實際需求，使用限位開關(guān)來判斷各電機(jī)是否完成相應(yīng)動作和回零。GUC-800控制器控制7臺步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)推模、注料、換料、翻模、定位、打標(biāo)和脫模，并控制1臺直流電機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。

全自動蛋糕機(jī)電氣柜布置如圖11所示，圖中①為220 V/24 V開關(guān)電源，②為GUC-800控制器，③為擴(kuò)展輸入輸出模塊，④為220 V、6 A空氣開關(guān)，⑤為繼電器，⑥為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，⑦為外接限位信號端子板。

▲圖11 全自動蛋糕機(jī)電氣柜布置圖

全自動蛋糕機(jī)控制部分包括輸入輸出、調(diào)試、參數(shù)、控制系統(tǒng)四個主要界面。輸入輸出界面的主要功能是在蛋糕機(jī)運行過程中檢測各運動過程是否正常，如果發(fā)現(xiàn)信號異常，需要立刻采取急停措施，并且將報警信息傳遞至操作者。輸入輸出界面主要包括啟動、停止、急停等功能按鍵。調(diào)試界面主要用于各個單軸的運動調(diào)試，主要包括定位工藝、推模工藝、注料工藝、翻模工藝等內(nèi)容。在調(diào)試界面中可以改變各工藝的速率，以檢測蛋糕機(jī)各個部分是否正常工作。操作者可以設(shè)定正方向或負(fù)方向進(jìn)行檢測，同時可以檢測轉(zhuǎn)盤的溫度。當(dāng)轉(zhuǎn)盤溫度超過設(shè)定值之后，系統(tǒng)會發(fā)出報警。參數(shù)界面可用于檢測注料部件中三個不同作用的倉，判斷其注料是否正常。

綜上所述，在CPAC平臺上利用OtoStudio軟件進(jìn)行全自動蛋糕機(jī)動作程序的編寫及可視化界面的設(shè)計，通過可視化界面可以對蛋糕機(jī)進(jìn)行操作。全自動蛋糕機(jī)自動化控制界面如圖12所示。

▲圖12 全自動蛋糕機(jī)自動化控制界面

4　結(jié)束語

筆者對全自動蛋糕機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，完成了全自動蛋糕機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，所設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)是可行的?；谌S造型，制造出全自動蛋糕機(jī)實物，并利用CPAC平臺設(shè)計了蛋糕機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了蛋糕的自動化生產(chǎn)。

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