鄭占賀，王 瑩，任文營，鄭紹成，李學(xué)永，李 凱

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.唐山鑫萬達(dá)實(shí)業(yè)股份有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

為了適應(yīng)我國中小農(nóng)戶的市場需求，近年來國內(nèi)青飼機(jī)的研發(fā)取得了飛速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多樣化的機(jī)型，按割臺(tái)與動(dòng)力設(shè)備聯(lián)接方式的不同，可將青飼機(jī)分為牽引式、自走式及懸掛式三種[1]。目前，國內(nèi)一些公司與高校及科研院所合作，開展了大量的研究工作[2-8]，對(duì)青飼機(jī)整機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、撿拾收獲、秸稈喂入、割臺(tái)切割及破碎等進(jìn)行了不斷地改進(jìn)，使得設(shè)備性能大幅度提高，但在設(shè)備收獲后對(duì)青飼料自動(dòng)袋裝方面的研究較少。本文基于企業(yè)現(xiàn)有青飼機(jī)在裝袋過程中人工套袋工作量大、效率低的問題，對(duì)自動(dòng)套袋技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了與設(shè)備配套的套袋裝置，以提高青飼機(jī)工作的自動(dòng)化程度。

1 青飼機(jī)出料的套袋原理

根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)及工藝要求，目前企業(yè)現(xiàn)有的青飼機(jī)在田間將秸稈收割切碎并壓縮成塊后，經(jīng)出料筒出料的同時(shí)自動(dòng)裝入套在出料筒的青貯袋里，完成袋裝。而青貯袋套到青飼機(jī)的出料筒上需經(jīng)過人工取袋、開袋、套袋三個(gè)步驟。目前，對(duì)取袋、開袋機(jī)構(gòu)的研究較多，技術(shù)較成熟,常見的有真空吸附、膠帶粘取，也有采用特殊機(jī)械手爪實(shí)現(xiàn)抓取并開袋操作的[9-11]。我們可直接借鑒并采用現(xiàn)有的真空吸盤技術(shù)進(jìn)行取袋及開袋操作。與其他套袋裝置的套袋要求不同，由于受出料筒尺寸的限制，青貯袋要求張開的袋口尺寸較大，現(xiàn)有的開袋機(jī)構(gòu)無法完成，因此需要有一個(gè)撐口機(jī)構(gòu)。而且青貯袋在套袋過程中，袋子要完全套在出料筒上，即袋子的底部要套到出料筒口部，偏差不超過10 mm。由此可見，所研究的自動(dòng)套袋裝置，其主要功能是將袋子撐開口的同時(shí)，準(zhǔn)確地將袋子整體套到出料筒上。所以該裝置主要由撐口機(jī)構(gòu)及套袋機(jī)構(gòu)組成。

2 撐口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 撐口工藝方案選擇

青貯袋的撐口是整個(gè)套袋作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，撐口質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到青貯袋能否順利套在出料筒上。撐口機(jī)構(gòu)的功能就是將青貯袋內(nèi)腔撐開成青飼機(jī)出料筒的截面形狀，即一個(gè)長方形，以便于將其套在出料筒上。目前，常見的撐口方案主要有往兩側(cè)撐開和從中間撐開兩種。其中，往兩側(cè)撐開就是在青貯袋袋口兩側(cè)同時(shí)施加一定的拉力，將袋口撐開，可以利用真空吸力、靜電吸力以及膠棒的粘附力實(shí)現(xiàn)。從中間撐開是從青貯袋袋口的中間向兩側(cè)或四周同時(shí)施加一定的推力將袋口撐開，最常見的是通過一個(gè)機(jī)械手由袋口內(nèi)部往外撐開袋口。

因?yàn)閷?duì)袋子撐口尺寸及形狀有較嚴(yán)格的要求，采用第一種方法實(shí)現(xiàn)起來比較困難，所以選擇方案二從中間撐開的方式，即要求撐口機(jī)構(gòu)要從袋口中心向四周運(yùn)動(dòng)，從幾何圖形來看，是一個(gè)面積放大的過程。為此，可以選擇一個(gè)平面放縮機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。圖1為通過4個(gè)移動(dòng)副將4根桿件連接構(gòu)成的純移動(dòng)副放縮機(jī)構(gòu)，顯然，這是一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)4根桿件由中心向四周移動(dòng)時(shí)可構(gòu)成一個(gè)長方形。圖2為直桿剪叉式放縮機(jī)構(gòu)，由剛性連桿和鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成，稱為純轉(zhuǎn)動(dòng)副放縮機(jī)構(gòu)，當(dāng)4根桿件沿中心軸的方向放縮可構(gòu)成一個(gè)長方形。

圖1 純移動(dòng)副放縮機(jī)構(gòu) 圖2 直桿剪叉式放縮機(jī)構(gòu)

純轉(zhuǎn)動(dòng)副放縮機(jī)構(gòu)易于設(shè)計(jì)安裝，但放縮部分的邊緣不平滑；而純移動(dòng)副放縮機(jī)構(gòu)在進(jìn)行放縮的過程中邊緣較平滑，且移動(dòng)副的強(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)較簡單。為此，選擇純移動(dòng)副的放縮機(jī)構(gòu)。

2.2 撐口機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)前述的純移動(dòng)副放縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形，得到如圖3所示的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由8根桿件組成，其中4根桿件由中間支撐座連接在一起，位置固定，相鄰桿件間夾角為90°，可認(rèn)為是一個(gè)固定桿件；其他4根桿件分別與固定桿件中的1根通過移動(dòng)副連接，為可移動(dòng)桿件，當(dāng)可移動(dòng)桿件由中心向四角移動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)展開，面積放大。

圖3 變形的放縮機(jī)構(gòu) 圖4 撐口機(jī)構(gòu) 圖5 撐口機(jī)構(gòu)前視圖

基于變形的純移動(dòng)副放縮機(jī)構(gòu)，將撐口機(jī)構(gòu)的撐袋桿固定在可移動(dòng)桿件上，添加驅(qū)動(dòng)以及一些輔助結(jié)構(gòu)，得到所設(shè)計(jì)的撐口機(jī)構(gòu)，如圖4所示，其執(zhí)行部件為4個(gè)完全相同的撐袋桿，由氣缸驅(qū)動(dòng)。為保證4個(gè)撐袋桿能夠同步運(yùn)動(dòng)，氣缸與移動(dòng)副之間通過中間連接桿連接。驅(qū)動(dòng)氣缸、放縮機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在U型支架上，支架可沿底座的滑軌前后滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)撐袋桿的向前伸出和向后縮回。當(dāng)撐袋桿向前伸進(jìn)袋子，在驅(qū)動(dòng)氣缸的作用下，放縮機(jī)構(gòu)展開，即撐袋桿從長方形中心沿對(duì)角線方向運(yùn)動(dòng)到四角，從而將青貯袋完全撐開。圖5為放縮機(jī)構(gòu)展開狀態(tài)時(shí)撐口機(jī)構(gòu)的前視圖，圖中長方形線框所示為撐袋桿形成的圖形，即青貯袋所要求的袋口撐開形狀。

3 套袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)套袋工藝過程

受設(shè)備現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及空間限制，設(shè)計(jì)的青貯袋的撐口操作通過撐口機(jī)構(gòu)在撐袋工位完成，而套袋操作要在套袋工位，即出料筒上進(jìn)行。為便于操作，撐口機(jī)構(gòu)的撐口工位和出料筒開始套袋工位在同一平面內(nèi)，如圖6所示。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，所設(shè)計(jì)的撐口機(jī)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)送袋到套袋工位的操作，只能由套袋機(jī)構(gòu)從撐口工位去取袋，然后回到套袋工位進(jìn)行套袋。

1-撐袋桿;2-青貯袋;3-出料筒

因?yàn)槌隽贤参恢霉潭ú蛔儯詈唵蔚奶状绞饺允菍⒋友刂查L度方向移動(dòng)。但與傳統(tǒng)袋裝[12]的套袋要求不同，青貯機(jī)套袋一定要保證袋子完全套在出料筒上，即袋子的底部要套到出料筒口部，受機(jī)構(gòu)尺寸及安裝空間的限制，一次套袋達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的袋長，所以采用兩次套袋的方案，套袋的工藝流程如圖7所示。

圖7 套袋工藝過程

自動(dòng)套袋的基本工藝過程如下：

(1) 取袋。包括：①套袋機(jī)構(gòu)移動(dòng)到撐口工位，其上的取袋機(jī)械手呈張開狀態(tài)，準(zhǔn)備取袋；②取袋機(jī)械手逐漸閉合，握住撐口機(jī)構(gòu)的撐袋桿及青貯袋四角；③撐袋桿從取袋機(jī)械手中向后退出，取袋完成。

(2) 袋子傳送。套袋機(jī)構(gòu)攜帶青貯袋平移到套袋工位，準(zhǔn)備一次套袋。

(3) 一次套袋。如圖7中第④步，套袋機(jī)構(gòu)沿出料筒后移，取袋機(jī)械手將青貯袋套上出料筒一定的長度，期間套袋機(jī)構(gòu)上的取袋機(jī)械手始終呈閉合狀態(tài)。

(4) 二次套袋。包括：⑤一次套袋結(jié)束后，取袋機(jī)械手張開，套袋機(jī)構(gòu)沿出料筒回移，此時(shí)，青貯袋已套上出料筒；⑥套袋機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)到套袋工位進(jìn)行二次套袋，使青貯袋完全套上出料筒。

經(jīng)過上述操作后，兩次套袋的長度之和即為整個(gè)青貯袋的袋長。

3.2 套袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8為所設(shè)計(jì)的套袋機(jī)構(gòu)，其主要由滑軌1、懸梁2、凹形擺動(dòng)機(jī)構(gòu)5和安裝在其上的取袋機(jī)械手3和套袋機(jī)械手4組成。其中，滑軌固定在青飼機(jī)機(jī)體上，懸梁可沿滑軌橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)套袋機(jī)構(gòu)在撐袋口工位和套袋工位的位置切換，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)底板呈凹形，且其開口朝下，以適應(yīng)出料筒尺寸，它既可以繞懸梁上下擺動(dòng)又可以沿懸梁縱向移動(dòng)。

取袋機(jī)械手和套袋機(jī)械手都安裝在凹形擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上。取袋機(jī)械手由4個(gè)開閉型氣爪和8個(gè)弧形手指組成，開閉型氣爪通過固定安裝支點(diǎn)安裝在凹形擺動(dòng)機(jī)構(gòu)底板內(nèi)側(cè)四個(gè)角位置，每兩個(gè)弧形手指為一組安裝在氣爪端部。當(dāng)兩個(gè)手指閉合時(shí)，可形成一個(gè)完整圓形，且其內(nèi)徑尺寸比撐袋桿外徑稍大。套袋機(jī)械手由擺動(dòng)桿、平行四邊形機(jī)構(gòu)和壓力爪組成，如圖9所示。

每兩個(gè)壓力爪為一組，安裝在擺動(dòng)桿端部，通過連接桿連接兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，再由鉸接在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上的氣缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上，四個(gè)爪的方向與出料筒的四個(gè)角相對(duì)應(yīng)。氣缸驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的平行四邊形機(jī)構(gòu)，四個(gè)壓力爪就會(huì)分別壓在出料筒的四個(gè)角位置，靠摩擦力進(jìn)行二次套袋操作。

1-滑軌;2-懸梁;3-取袋機(jī)械手;4-套袋機(jī)械手;5-凹形擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

1-壓力爪；2-連接桿；3-擺動(dòng)桿；4-氣缸；5-平行四邊形機(jī)構(gòu)

4 機(jī)構(gòu)裝配

為縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)可以對(duì)各組成部件進(jìn)行裝配與仿真，并進(jìn)行可行性分析與驗(yàn)證。在對(duì)自動(dòng)套袋工藝過程及套袋方案分析的基礎(chǔ)上，在Creo軟件中對(duì)各組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模與虛擬裝配，整體結(jié)構(gòu)的裝配模型如圖10所示。通過牽引各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，能夠達(dá)到預(yù)定位置，并未發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象。由此可見，各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 自動(dòng)套袋機(jī)構(gòu)的實(shí)體裝配模型

5 結(jié)語

(1) 基于現(xiàn)有青飼料收獲機(jī)的工作原理及特點(diǎn)，參考人工套袋的過程，對(duì)自動(dòng)套袋工藝方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括取袋、一次套袋和二次套袋，工藝簡單、可行。

(2) 在自動(dòng)套袋過程中，兩次套袋操作的原理不盡相同。第一次是通過取袋機(jī)械手弧形手指握持套袋，就如同人工套袋一樣；第二次是通過套袋機(jī)械手的壓力爪與青貯袋之間產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)套袋。

(3) 采用模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)自動(dòng)套袋裝置的撐口機(jī)構(gòu)和套袋機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，撐口機(jī)構(gòu)選用放縮機(jī)構(gòu)，套袋機(jī)構(gòu)的取袋機(jī)械手和套袋機(jī)械手在一個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)緊湊，具體尺寸參數(shù)可根據(jù)實(shí)際設(shè)備情況進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同機(jī)型。

(4) 通過在Creo軟件中進(jìn)行裝配與仿真，驗(yàn)證了方案的可行性，所設(shè)計(jì)的工藝方案和機(jī)械機(jī)構(gòu)為解決青飼機(jī)塊狀物料袋裝過程的自動(dòng)化提供了一定的理論參考與技術(shù)支持。