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      蛋胚分揀線雞蛋批量吸取真空吸盤系統方案

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-13 09:54:17    作者:黃 超    瀏覽次數:62    評論:0
      導讀

      蛋胚分揀線雞蛋整層抓取,采用鼎達信真空吸盤,儲能裝置,真空泵,完成蛋胚定位、吸持、落盤整個分揀過程中,在負壓為-20 kPa時,蛋胚分揀成功率99.89%,胚蛋吸持中跌落率為0,胚漿吸出率極低,滿足生產需求。

      0 引 言

      “雞胚法”是生物疫苗制造業的主要生產方式,即將毒種注入雞胚(蛋胚)中,使毒種伴隨雞胚的發育自然繁殖,雞胚繼續發育3 d左右,每枚大約含有8~12 mL的半成品抗原[1-2]。蛋胚孵化培養9~11 d后,向蛋胚注射毒種(俗稱接種)。接種后繼續孵化2~3 d,進行尿囊液提?。ㄋ追Q收獲)。在流感疫苗接種和收獲前,均需要對蛋胚進行成活性檢測,同時剔除死胚和弱胚蛋,即是蛋胚分揀。

      蛋胚成活性自動檢測、自動分揀以及蛋盤自動裝卸機械手,成為疫苗制造行業不可或缺的蛋胚自動檢測分揀成套設備。法國、美國、荷蘭等國家已實現蛋胚成活性自動識別和分揀,其設備主要包含蛋盤自動裝卸機構、蛋胚成活性識別部分、蛋胚自動分揀部分。國外設備的識別部分,一次完成42枚蛋胚的識別,因此分揀機構也完成42枚蛋胚分揀。國內蛋胚成活性識別研究有單寶明實現的單枚圖像識別方法,徐彥偉等實現的單枚多信息融合識別技術,電子科技集團41所采用42枚胚蛋識別方式已產品化[3-6]。為了匹配胚蛋識別速度,提高胚蛋分揀效率,本文設計一種單次分揀168枚分揀裝置。

      以42枚蛋胚分揀的真空泵提供負壓方式,采用擴展方式用于168枚蛋盤分揀。在試驗測試時,出現漏撿、跌落和胚漿吸出現象。通過對供氣管線的負壓檢測,發現存在的問題主要有:負壓管路增多,負壓管線增長造成管路之間的負壓不均,導致分揀時蛋胚吸出胚漿,蛋胚吸持不住、或者分揀盤移動時蛋胚跌落等分揀問題。為解決上述問題,設計以真空發生器為核心的蛋胚成活性分揀機器人真空吸盤裝置。

      1 蛋胚分揀機器人吸盤裝置

      1.1 蛋胚分揀執行結構

      真空吸盤裝置是蛋胚成活性分揀機器人的重要組成部分,真空吸盤裝置完成蛋胚的吸持、移位、落盤的功能。裝置由氣動控制系統和蛋胚分揀執行機構2部分組成。氣動控制系統由蓄能器、真空發生器、電磁換向閥、真空吸盤和管線構成,完成蛋胚的吸持。蛋胚分揀執行機構主要由分揀支架、4個平行升降氣缸、同步帶傳動模組、傳動帶、分揀盤組成,完成蛋胚的移位,如圖1所示。

      蛋胚分揀執行機構,是驅動分揀盤完成蛋胚分揀的自動裝置。蛋盤在傳送帶的帶動下,定位至真空分揀盤下方。4個平行氣缸驅動真空分揀盤下降,吸盤和待分揀蛋胚耦合、吸持,氣缸縮回帶動分揀盤上升,在同步帶傳動模組的驅動下,真空分揀盤定位至蛋胚回收處,將蛋胚落盤,周而復始完成蛋胚的分揀[7-11]。分揀盤吸持蛋胚在同步帶傳動模組的驅動下,沿導軌實現一個勻加減速和勻速的平動。兼顧分揀效率與分揀裝置的平穩性,控制系統驅動分揀盤在啟停時的慣性不足以引起分揀裝置的晃動,經試驗測試確定勻加減速的時間是300 ms,勻速是1 m/s,因此分揀盤吸持蛋胚徑向加減速度為

      3.3 m/s2。升降部分采用氣缸,調整氣缸的節流閥,控制氣缸的加減速度為6.4 m/s2。

      圖1 蛋胚分揀執行機構
      Fig.1 Egg embryo sorting actuating mechanism

      1.2 蛋胚分揀氣動系統

      蛋胚分揀氣動系統的4個平行升降氣缸,是蛋胚分揀執行機構的一部分,完成蛋胚分揀盤的升降功能。氣動系統的主要功能是產生負壓,驅動吸盤吸持蛋胚。為解決168枚分揀的負壓回路增加,導致負壓不均的問題,采用真空發生器產生負壓,實現獨立回路負壓控制方式,解決回路之間的相互影響,負壓系統采用空氣壓縮機和真空發生器產生負壓,替代真空泵提供負壓方式。負壓氣動回路由空氣壓縮機、儲能器、電磁換向閥、節流閥、真空發生器、管線和真空吸盤組成,每一路真空吸盤均有獨立的電磁換向閥控制通斷,實現168枚蛋盤每個蛋位的獨立控制,達到任意蛋位分揀的目的。負壓氣動回路如圖2所示。

      圖2 蛋胚分揀氣動系統
      Fig.2 Pneumatic system of egg embryo sorting

      蛋胚分揀負壓系統由168路獨立負壓回路組成,每路蛋胚吸持能力受儲能器的高壓氣體供給能力,真空發生器的負壓特性,吸盤的吸持能力,連接管線的響應能力的影響。參考待分揀蛋胚的質量,確定蛋胚吸持臨界負壓,以此為設計依據,對以上4個方面進行分析、試驗、設計。

      2 蛋胚分揀機器人吸盤裝置關鍵部件及參數

      2.1 蛋胚吸持負壓值的確定及緩沖改進

      在蛋胚和吸盤氣流場組成的氣固兩相流體系統中,當吸盤接近蛋胚時,蛋胚在吸盤附近會與氣流場產生復雜的相互耦合作用,在吸盤較遠處,蛋胚對吸盤氣流的影響較小,此時可以忽略氣流場與蛋胚之間的相互耦合作用。蛋胚受到吸盤口垂直向上的氣流作用,蛋胚受到的力有向上的繞流阻力R(N)、浮力F(N)和向下的重力G(N)。假設蛋胚為球形,則根據流體力學知識得[12-16]

      式中Cd為阻尼系數,其與蛋胚形狀、表面狀態和雷諾數有關,阻尼系數參照三維旋轉橢球體長短軸比例小于2∶1時,層流Cd阻尼系數為0.27[17-20];ρ為空氣的密度,標準狀況(25 ℃,101 kPa)下為1.169 kg/m3;ds為胚蛋的半徑,m(測試100枚胚蛋的平均直徑為42 mm,測試時胚蛋的大頭向上);vt為作用在蛋胚上的氣流速度,m/s。

      對于球型胚蛋浮力

      式中sρ為蛋胚的密度,蛋胚的平均密度為1 100 kg/m3。m為蛋胚的質量(kg);

      式(1)、(2)和(3)代入式(4)可得吸起球型蛋胚的臨界氣流速度為

      當吸盤的氣流速度大于胚蛋吸起臨界氣流速度時,胚蛋克服重力的阻礙,當距離吸孔某處氣流速度大于蛋胚臨界氣流速度時,蛋胚即開始被吸起,隨著被吸起的蛋胚越來越接近吸孔,吸孔處氣流場與蛋胚之間將產生復雜的耦合作用,蛋胚加速運動至吸盤口上,此時由吸盤內部靜負壓提供吸力平衡蛋胚的重力。

      由于蛋胚是不規則的球形,因此隨著蛋胚在氣流方向上投影面積的變化,受到的繞流阻力R也不斷變化,所以對于蛋胚,臨界氣流速度為一個范圍值。蛋胚懸浮臨界氣流速度通過試驗測得為10~12 m/s,按照吸盤入口處氣流速度為12 m/s,進行胚蛋吸持試驗發現。分揀接種前的蛋胚,不存在吸力不足胚蛋跌落,而在分揀入庫胚蛋(接種后的蛋胚),發現有胚漿被吸出現象(因接種后蛋胚氣室處留有針孔)。

      蛋胚吸起時,蛋胚與吸盤存在接觸和非接觸2種情況,當蛋胚與吸盤非接觸時,是高速氣流對蛋胚向上的繞阻力將蛋胚吸起,需要大負壓。當蛋胚與吸盤接觸時,是吸盤內外壓力差將蛋胚吸起,需求負壓小。若存在這2種情況,選取大負壓,蛋胚吸持后,蛋胚內的壓力大于吸盤內的壓力,胚漿流出。為了解決這一現象,需要在吸持前,每枚蛋胚都能與吸盤接觸,降低系統負壓。分揀盤安裝吸盤后,如圖3a吸盤的高度一致,蛋盤與分揀盤平行,每個蛋位到對應的吸盤高度一樣。由于蛋胚大小不一,分揀時,部分蛋胚與吸盤非接觸。因此優化吸盤安裝方式,采用圖3b的安裝方式,蛋胚的高度不一,由緩沖桿來彌補,在分揀時,每枚蛋胚均能與吸盤接觸,極大地降低了氣動系統的負壓值。

      圖3 吸盤安裝機構示意圖
      Fig.3 Schematic diagram of sucker mounting mechanism

      改進吸盤吸持方式后,吸盤需要產生的吸力為

      式中d為吸盤的有效內徑(m);P0為環境大氣壓力(101.3 kPa);P為吸盤入口區域的氣體平均壓力(Pa);g為重力加速度(9.8 m/s2)。即采用緩沖桿吸持胚蛋時,需要的負壓值為P-P0=89.108- 101.3=-12.192 kPa。

      2.2 真空發生器的特性分析及選擇

      空氣壓縮機產生的高壓氣體,經電磁換向閥,直連真空發生器,避免由于連接氣管的氣體喘流帶來的壓降。依據分揀執行機構的控制特性,蛋胚在分揀過程中受到的軸向加速度為6.4 m/s2,徑向加速度為3.3 m/s2。因此吸盤不僅需要提供克服蛋胚重力的吸力,還需提供克服蛋胚加速運動的吸力,克服加速軸向最小力吸力為0.062 5× 6.4=0.4 N,徑向最小吸力為0.062 5×3.3=0.2 N。軸向吸力需同時克服蛋胚重力0.062 5×9.8=0.61 N,因此吸盤需要負壓值為-12.192×(1+6.4/9.8)=-19.8 kPa,真空發生器的型號選擇需滿足蛋胚吸持所需負壓值。電磁換向閥采用德力西4V210-08,真空發生器采用德力西CV-15HS,空氣壓縮機采用5 L的捷順JS3001,對真空發生器的供氣壓力與負壓關系進行試驗,將真空發生器負壓端連接吸盤,通過給真空發生器提供壓力為100~700 kPa的高壓氣體,在真空發生器的負壓端連接壓力表,測試吸盤開口和耦合蛋胚時真空發生器負壓端的壓力值。試驗結果如圖4所示。吸盤與蛋胚耦合時的最大負壓為-58 kPa,吸盤開口時的最大負壓為-47 kPa,負壓值均大于蛋胚吸持所需壓力-12.192 kPa。蛋胚與吸盤緊密接觸,所需吸持負壓值為-12.192 kPa。由于蛋胚表面斑點、黏著污物的影響,吸盤與蛋胚之間存在縫隙,降低了吸盤的吸力,為了安全吸持,將吸持負壓提高至-20 kPa。由圖4所示真空發生器在吸盤開口、吸持蛋胚時,只要供氣壓力大于240 kPa,產生的負壓大于-20 kPa,滿足蛋胚吸持壓力,因此蓄能器的供氣壓力不能小于240 kPa。

      圖4 真空發生器吸持特性
      Fig. 4 Vacuum generator suction characteristics

      2.3 吸盤選擇及吸持力影響分析

      吸盤的形狀及尺寸,決定了蛋胚在吸持轉移過程的可靠性。蛋胚的吸持不僅與負壓值有關,還與吸盤與蛋胚的耦合情況有關。蛋胚分揀過程分為蛋胚垂直吸持和水平移動,因此吸持綜合力包含了蛋胚的垂直吸力和徑向力[21-26]。垂直吸力主要克服胚蛋的自重和吸盤變形的反作用力,徑向力主要克服吸盤水平運動時的加減加速度帶來的沖擊。

      試驗采用2種吸盤進行,吸盤選取能夠耦合蛋胚的氣室,蛋胚的氣室最大截面直徑宜為30~35 mm,因此選擇吸盤1為最小孔徑為12 mm、耦合吸盤外徑34 mm,吸盤2為最小孔徑為15 mm、耦合吸盤外徑為30 mm。在負壓值為-20 kPa,分別測試胚蛋吸持時,所能承受的最大軸向力和最大徑向力。挑揀大小不同的胚蛋30枚,在同一個吸盤控制位,采取更換吸盤的方式進行試驗,試驗測得軸向力和徑向力如圖5所示。

      經試驗測試吸盤1的最小軸向吸持力為1.12 N,最小徑向吸持力為0.22 N。吸盤2的最小軸向吸持力為1.72 N,最小徑向吸持力為0.15 N。綜合軸向和徑向吸持力需求,選擇吸盤1。

      圖5 不同吸盤的吸力特性
      Fig.5 Suction characteristic of different sucker

      2.4 儲能器的容積設計

      蛋胚分揀過程中,真空發生器需要提供持續的負壓,因此要求儲能器能夠提供足夠流量的高壓氣體。儲能器容積設計,按照氣體能量守恒方程進行計算。電磁換向閥啟動后,壓力管道內容積為V1、初始壓力為P1的氣體,與儲氣罐內容積為V2、壓力為P2的氣體相互擴散混合,若平衡后的壓力達到啟動壓力P,則可求得儲能器容積

      蛋胚分揀時,需要負壓不小于-20 kPa,參照圖6真空發生器的負壓與流量關系,在負壓值為-20 kPa時,所需高壓氣體的流量為45 L/min,蛋胚吸持等待時間、氣缸上升時間、分揀盤在同步帶傳動模組驅動下行走1.3 m耗時之和t=3.5 s。由圖4真空發生器的特性知,蛋胚可靠吸持負壓為-20 kPa時,真空發生器的供氣壓力應為0.24 MPa,與廠家提供的參考供氣壓力0.4 MPa進行耗氣量對比試驗。由測試真空發生器的參數知,當真空發生器產生-20 kPa壓力時,真空發生器的耗氣量為45 L/min,胚蛋從吸持到分揀完成耗時t=3.5 s,因此一路吸盤完成一個分揀循環,需要2.625 L的高壓氣體,即蓄能器的容量不能小于441 L。

      圖6 真空發生器供氣量與負壓特性
      Fig.6 Characteristics of vacuum generator air supply and negative pressure

      2.5 氣管長度與吸持響應時間的關系試驗分析

      氣管越短,真空吸盤越能夠快速吸持蛋胚,減少分揀盤等待時間,提高分揀效率。同時吸盤將胚蛋放回回收框時,電磁換向閥動作,切斷真空發生器的高壓進氣,使得負壓腔壓力升高,大于胚蛋吸持的臨界負壓,胚蛋落下。由于待分揀蛋盤的寬度為500 mm,考慮蛋盤傳送機構的邊沿,吸盤固定板需要水平移動600 mm。如果將真空發生器固定在吸盤固定板上,將增加其轉動慣量,降低其靈活性,增加設備功耗。為了兼顧吸盤的動態響應特性和整機的效率,將真空發生器固定在桁架的中上方,抽氣管的長度約為600 mm。

      因此需要對氣管長度與吸持響應時間進行試驗,啟動空氣壓縮機,達到額定氣壓時,啟動電磁換向閥,對真空發生器供高壓氣體,使得真空發生器能夠提供穩定負壓。為了精確測量氣管長度對吸盤響應時間的影響,在真空發生器與吸盤氣管之間設有直通電磁閥,當直通電磁閥開啟時,氣管開始進入負壓,使得吸盤吸持胚蛋。調整真空吸盤與胚蛋耦合、更換不同長度的氣管,測試對同一個胚蛋吸持的響應時間。試驗采用CANEN750D相機拍攝,依據播放幀數確定吸持響應時間??刂葡到y同時控制直通換向閥和相機,作為計時的起點,當三層硅膠吸盤,吸起胚蛋脫離蛋盤至最高位置時為時間結束點。圖7為氣管長度與吸持響應時間的關系,在管線在600 mm長時,響應時間為10 ms,負壓系統的最長管線為600 mm,因此分揀盤下降吸持蛋胚的等待時間不能低于10 ms。

      圖7 氣管長度與吸持響應特性(負壓0.025 MPa)
      Fig.7 Characteristics of tracheal length and suction response (Negative pressure of 0.025 MPa)

      3 胚蛋分揀試驗

      為了驗證分揀機器人真空吸盤裝置的有效性和可靠性,采用多種模式分揀測試。2017年3月分揀試驗在某生物疫苗廠的照蛋間進行為期7 d的性能測試,驗證負壓系統負壓值選取的合理性。依據最大待分揀率50%,人工挑選待分揀蛋胚隨機放置蛋盤中,分別按照-15、-20、-25 kPa的負壓值分揀80盤蛋胚,驗證不同情況下的分揀性能。當分揀機構接收分揀信息后,步進電機驅動機構帶動分揀盤[27-30],定位至蛋位上方。吸盤下壓胚蛋,真空吸盤發生微形變,使得吸盤和胚蛋有效耦合。按照待分揀蛋位信息,打開對應蛋位的直動式電磁換向閥,使得真空發生器工作,產生負壓吸起胚蛋。升降聯動氣缸抬起吸盤后,在步進電機驅動機構的帶動下平移至回收框上方,將胚蛋放下。真空吸盤裝置測試如圖8a所示。

      圖8 真空吸盤裝置測試及應用
      Fig.8 Testing and application of vacuum suction device

      試驗結果表明(表1),在負壓為-15 kPa時,無胚漿吸出,但蛋胚跌落率較高;負壓為-25 kPa時,無蛋胚跌落,但胚漿吸出率較高;負壓為-20 kPa時,無蛋胚跌落,胚漿吸出率低。因此蛋胚分揀負壓值設置為-20 kPa,蛋胚分揀成功率99.89%,胚蛋吸持中跌落率為0,滿足蛋胚分揀的需求,與理論計算值接近。采用儲能器集中供高壓,真空發生器獨立控制方式,縮短了負壓回路長度,有效解決了真空腔的壓力不均,所導致的胚蛋吸力不足而跌落和負壓過大吸出胚漿的現象。每個蛋位吸盤采用緩沖機構,有效解決了因蛋胚高度不一帶來的吸盤與蛋胚耦合問題。經試驗,真空分揀裝置的蛋胚分揀性能滿足高效可靠蛋胚分揀要求。同時將該裝置安裝在6自由度機械人上如圖8b所示,用于錯位分揀。分揀機器人真空吸盤裝置,替代了人工分揀,結合識別機構,實現了蛋胚檢測和分揀的自動化,提高了胚蛋的分揀效率。

      表1 接種蛋胚分揀測試結果
      Table 1 Inoculated egg embryo sorting test results

      4 結 論

      1)采用高壓儲能器驅動真空發生器提供負壓,每個吸盤獨立負壓回路控制,解決了集中負壓式帶來的壓力不均,避免了胚蛋吸持時的跌落和無法吸持現象。

      2)通過對氣管的動態響應性、真空發生器性能、吸盤形狀、儲能器容積等影響負壓回路供壓因素分析,優化了負壓回路,采用皺褶式吸盤和吸盤緩沖桿,使吸盤和蛋胚在吸持前,能夠很好地耦合,降低了蛋胚吸持負壓值,解決了蛋胚吸持時的胚漿吸出問題,也提高了系統的動態響應性。

      3)蛋胚成活性分揀機器人真空吸盤裝置接收待分揀蛋位信息,完成蛋胚定位、吸持、落盤整個分揀過程中,在負壓為-20 kPa時,蛋胚分揀成功率99.89%,胚蛋吸持中跌落率為0,胚漿吸出率極低,滿足生產需求。

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      (文/黃 超)
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