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      籽瓜挖瓤機真空吸盤式轉位機構應用方案

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-13 10:06:20    瀏覽次數:13    評論:0
      導讀

      針對現有的設計中籽瓜挖瓤機工作過程中瓜皮易被鋼針劃破和瓜易從托盤掉落等問題,設計了一種新型的半瓜真空吸盤式轉位機構。通過理論分析得出吸盤直徑為50 mm,吸盤吸持面積為19.6,吸盤個數為4,真空壓力為0.04 MPa。該轉位機構托掛盤結構采用真空吸盤對半瓜進行吸附,結構合理,實用性強,挖瓤效率高。這對于提高籽瓜的利用率,增加農民收入和提高籽瓜機械化程度具有重要意義。

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      籽瓜,類屬葫蘆科,也稱“打瓜”,具有悠久的栽培歷史,甘肅和新疆等省份是其主要的種植地區[1-2]。籽瓜具有潤肺、利尿和健脾的功效,還對肥胖癥和糖尿病有輔助醫療作用。籽瓜種植在荒漠和綠洲沙地,栽培管理模式粗放,其相關研究比較薄弱,因此籽瓜的加工利用是籽瓜產業可持續發展的關鍵[3-5]。

      籽瓜挖瓤機是集籽瓜挖瓤、分離和取籽功能于一體的機械,是籽瓜全利用加工生產線的關鍵設備[6]。相關科研機構已經研究出一系列籽瓜挖瓤裝置,但仍存在作業周期長、勞動成本高和適應能力差等問題??傮w來看,我國籽瓜挖瓤取籽機的研究仍處于初始階段,機械化水平遠遠落后于其他農產品加工機械,仍存在許多亟待解決的問題[7-9]。

      現有的籽瓜挖瓤機轉位機構采用的是鋼針式,在工作過程中瓜皮易被鋼針劃破,同時半瓜易從托盤掉落。針對這些問題,筆者設計了一種新型真空吸盤式轉位機構。在現有轉位機構的基礎上設計了一種真空吸盤,以提高半瓜在挖瓤過程中的穩定性,增加挖瓤效率。這對于提高籽瓜的利用率,增加農民收入和提高籽瓜機械化程度具有重要意義。

      1 籽瓜挖瓤機的整機結構和工作原理

      籽瓜挖瓤機的裝配圖如圖1所示,主要由上瓜機構、真空吸盤式轉位機構、挖瓤刀升降機構和傳動系統組成。

      籽瓜挖瓤的工作可分為4個過程:上瓜并切為兩個半瓜、真空吸盤式將半瓜轉動到挖瓤位置、挖刀旋轉實現挖瓤、瓜瓤與瓜皮分離。其機構分別為上瓜機構、真空吸盤式轉位機構、挖瓤刀架升降機構和瓤皮分離裝置。

      籽瓜挖瓤機位為含有4個執行構件的執行機構。其中挖刀的轉動由專門的電機驅動,屬于獨立的驅動裝置。而刀架升降機構、插瓜架轉位機構、上瓜機構屬于集中驅動的傳動系統,這些機構的運動動作順序和時序有嚴格的配合協調要求,必須綜合協調考慮。其特點是:①各執行機構的運動呈現周期性變化,每隔一定時間,其執行機構的位移、速度和加速度就重復一次,完成一個工作循環;②各執行構件的動作必須按時序要求相互協調,才能正常的工作。

      圖1 籽瓜挖瓤機整機結構簡圖
      1.電動機 2.挖刀升降架組件 3.挖刀軸 4.小帶輪 5.大帶輪 6.電動機 7.挖刀組件 8.槽輪撥盤 9.槽輪 10.籽瓜托架組件 11.送瓜凸輪 12.送瓜杠桿 13.滑套 14.機架 15.真空吸盤式轉位機構

      2 真空吸盤式轉位機構的設計

      圖2為籽瓜加工轉位托掛盤機構的結構圖,其工作部分包括真空吸盤裝置、籽瓜切割裝置、槽輪轉位機構、真空發生器等。

      圖2 籽瓜加工轉位托掛盤機構簡圖
      1.架體一 2.橫梁 3.軸承座 4.轉桿 5.連桿 6.吸盤 7.光電開關接收器 8.圓環板 9.光電開關發射器 10.架體二 11.長桿 12.方鋼管 13.刀片 14.驅動電機 15.真空發生器 16.管道 17.旋轉電機

      本機構的真空發生裝置由光電開關控制,當真空吸盤運動到與水平位置夾角為20°時,真空吸盤開始吸附待切半瓜,真空吸盤上的光接收器與光發生器發出的信號產生對射,真空發生裝置的電產生通路,真空吸盤產生負壓,半瓜被吸附在真空吸盤上;當真空吸盤運動到半瓜挖瓤時,真空吸盤的固定支桿與豎直方向成45°的夾角,真空吸盤上的光接收器與光發生器發出的信號再次發生對射,真空發生裝置的電產生短路,真空吸盤的負壓消失,瓜從真空吸盤掉落。

      2.1 槽輪轉位機構的設計

      轉位機構的設計方案如圖3所示。

      圖3 轉位機構設計方案

      轉位機構的工作要求主要有三點:①轉位準確、可靠;②在一個轉位周期中,要求實現“運動-停止-運動-停止”的間歇運動;③運動和停歇時間嚴格按照運動需協調的要求。傳動方案選擇雙圓銷四槽輪機構。

      根據籽瓜挖瓤機總體設計方案對夾持籽瓜的轉位機構的使用要求和具體條件,結合挖瓤機的運動協調性的要求,選擇轉位準確可靠的四槽輪間歇運動機構完成籽瓜挖瓤機的轉位操作過程。

      在每個籽瓜的挖瓤過程中,都要經過“吸附半瓜-轉位一定角度-停止1 s(挖刀挖瓤)-轉位(同時瓤皮分離)”等過程。

      由于籽瓜挖瓤機要求各個機構動作需嚴格協調,因此,選擇合適的轉位機構成為一個需重點解決的問題,而槽輪機構具有結構簡單、實現轉位準確可靠的優點,因此,經過與其他機構的比較后決定選擇槽輪機構。

      而在每個籽瓜的挖瓤過程中,都要經過“插瓜-轉位、切瓜-半瓜轉位-停止(挖瓤)-再轉位-瓤皮分離”的過程。

      2.2 真空吸盤的設計

      真空吸盤通過接管與真空設備接通,然后與待提升籽瓜接觸,啟動真空設備,使吸盤內產生負氣壓,吸牢待提升物,開始搬送待提升物。當待提升物搬送至目的地時,真空吸盤開始平穩充氣,吸盤內的氣壓開始由負變成零,真空吸盤開始脫離待提升物,完成提升重物工作。

      真空吸盤有多種材料,其中橡膠制成的吸盤耐高溫,硅橡膠制成的吸盤牽引力較大,聚氨酯制成的吸盤耐磨。在實際生產中,要求吸盤具有耐油性,則可以考慮使用聚氨酯、丁腈橡膠或含乙烯基的聚合物等材料來制造吸盤。一般為了避免物料的表面被劃傷,最好選擇丁腈橡膠或硅橡膠制成的帶有波紋管吸盤,其具有較大的扯斷力,因而廣泛應用于各種吸持裝置,如圖4所示。

      圖4 真空吸盤三維立體圖

      為了確保真空吸盤能正常工作,應該考慮一定的安全系數。根據理論研究和實踐經驗,真空吸盤的安全系數N一般取2.5,所以許用提升重量應該,滿足式(1)。

      許用提升重量

      (1)

      由表1可知,當工件重量為3 kg時,許用提升重量為19.6 N,欲使安全系數達到要求,只需滿足式(2):

      (2)

      所以吸盤直徑D為50 mm,吸盤吸持面積A為19.6,吸盤個數n為4,真空壓力P為0.04 MPa(負壓)。真空壓力不同,吸盤的橡膠厚度和吸附物的摩擦系數也不同,有效吸盤直徑也會縮小10%。

      表1 吸盤直徑、面積、垂直提升力參數表

      2.3 光電開關的設計

      圖5為光電開關的工作原理圖。采用集成電路技術和SMT表面安裝工藝制造的開關器件,具有延時、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區域穩定和自診斷等智能化功能,這是一種脈沖調制主動式的光電探測系統型電子開關,它有紅色光和藍色光等冷光源,可無損傷迅速控制各種物質的狀態和動作,其輸出回路和輸入回路是電隔離的(即電緣絕),可以在許多場合得到應用[10]。圖6是光電開關的工作示意圖,光電開關是傳感器的一種,它通過轉化發射端和接收端之間光的強弱為電流的變化,以達到探測的目的。

      圖5 光電開關工作原理圖 圖6 對射式光電開關工作示意圖

      2.4 真空發生器

      圖7為真空發生器的結構示意圖,由先收縮后擴張的拉瓦爾噴管、負壓腔、和接收管等組成,有供氣口、排氣口和真空口,當供氣壓力高于閾值時,噴管射出的超聲速射流。由于氣體的粘性,高速射流卷吸走負壓腔內的氣體,使該腔形成很低的真空度,在真空口A處粘結真空吸盤,靠真空壓力和吸盤吸取物體。真空發生器用于產生真空,結構簡單,體積小,無可動機械部件,安裝和使用都很方便,應用廣泛,真空發生器產生的真空度可達到88 kPa。壓空氣通過收縮的噴騰后,從噴嘴噴射出的高速氣流卷吸收周圍的靜止流體,從而在接受室形成負壓,誘導二次真空。

      圖7 真空發生器結構示意圖
      1.拉瓦爾噴管 2.負壓腔 3.接收管 4.排氣口

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      針對現有的設計中籽瓜挖瓤機工作過程中瓜皮易被鋼針劃破和瓜易從托盤掉落等問題,設計了一種新型的半瓜真空吸盤式轉位機構。通過理論分析得出吸盤直徑為50 mm,吸盤吸持面積為19.6,吸盤個數為4,真空壓力為0.04 MPa。該轉位機構托掛盤結構采用真空吸盤對半瓜進行吸附,結構合理,實用性強,挖瓤效率高。這對于提高籽瓜的利用率,增加農民收入和提高籽瓜機械化程度具有重要意義。

      參考文獻:

      [1] 鐘逸巖, 楊自萍, 孟 剛.籽西瓜挖瓤機的研究[J].農業工程學報,1993,9(1):57-63.

      [2] 宋慶陽,同長虹,黃曉鵬.籽瓜挖瓤機刀架升降裝置的設計[J].甘肅農業大學學報,2010,45(3):136-139.

      [3] 黃曉鵬,同長虹,萬芳新.籽瓜挖瓤機設計與試驗[J].農業機械學報,2011,42(1):90-94.

      [4] 李寶筏.農業機械學[M].北京:中國農業出版社,1999.

      [5] 北京農業工程大學. 農業機械學[M].上冊.北京:農業出版社,1994.

      [6] 南京農業大學. 農業機械學[M].北京:中國農業出版社,1996.

      [7] 高連興.農業機械化概論[M].北京:中國農業大學出版社,2011.

      [8] 余友泰.農業機械化工程[M].上海:中國展望出版社,1987.

      [9] 韋中超,廖浚宏,張 準,等.主動紅外對射式光電防盜報警器[J].光電技術應用,2013,28(2):1-4.

      [10] 嚴世華,祝世杰.紅外搜索跟蹤系統作用距離分析與計算[J].光電技術應用,2011,26(2):39-41.

      [11] 韓 鵬.基于單片機AT89S52的紅外防盜報警系統的設計[J].才智,2011(3):53.

      [12] 李朝青.單片機原理及接口技術(簡明修訂版)[M].北京:北京航空航天大學出版社,1999.


       
      關鍵詞: 挖瓤機 轉位機構
      (文/小編)
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