小型羊胴體自動分割系統(tǒng)設計

張 浩，熊利榮，戴 鵬，鮑秀蘭

(華中農業(yè)大學工學院，武漢 430070)

肉類是人類飲食的重要組成部分，而羊肉作為高蛋白、低脂肪類的健康食品，在我國的肉類生產和消費中占有舉足輕重的地位[1-2]。2019年，我國羊肉產量達到了488萬t，同比增長2.6%。人均羊肉消費量由2016年的3.48 kg上升到2019年的3.76 kg，年均增長2.6%[2-4]。可見，羊肉產品市場的有很大的發(fā)展空間，我國消費者對羊肉產品的需求呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。

盡管我國羊肉需求日益增長，但由于與屠宰相關的機械化設備發(fā)展較晚，直到20世紀90年代初，我國屠宰設備制造企業(yè)才開始進行家畜屠宰自動化設備的研究[5]，其中羊屠宰設備的研究最為滯后，直至現(xiàn)在我國大型羊肉加工企業(yè)中進行羊屠宰的方式仍是以人工為主，機械設備僅起輔助作用，如內蒙古美洋洋食品有限公司的生產線，需要人工全程參與。此外，相關企業(yè)大多數為小型企業(yè)，加工規(guī)模小，加工環(huán)節(jié)多為對羊肉的初加工，產品的精深加工水平低，品質參差不齊，產業(yè)鏈條松散，覆蓋整個產業(yè)鏈的大型企業(yè)數量少，且對屠宰技術方面缺少研究[6-7]，使得目前我國市場上的優(yōu)質優(yōu)價羊肉非常少，在國際上缺乏競爭力，影響了我國羊業(yè)市場的經濟效益[8]。

放眼國際，國外一些養(yǎng)羊業(yè)發(fā)達的國家已經研發(fā)出了能夠自動分割整羊的機械設備，并且順利應用在了屠宰生產線上[9-10]。如新西蘭SCOTT公司研發(fā)的全自動羊胴體分割流水線，運用機器視覺技術，采用多機械手協(xié)作的方式夾持羊胴體進行自動化分割。但國外進口設備價格昂貴，如果沒有掌握核心生產技術，純粹從國外進口設備，將會大大提高生產成本[11]。此外，國內外羊消費習慣的巨大差異，也導致了國外設備無法直接應用于國內企業(yè)。

因此，基于目前國內羊胴體分割流水線自動化程度低且分割質量差，國外設備價格昂貴，適應性差的現(xiàn)狀，本研究針對自動分割過程中，羊胴體難以靈活夾持的難題，設計了一套專用夾具，并結合現(xiàn)代控制技術，研發(fā)出一套自動分割羊胴體系統(tǒng)，提高羊胴體分割的自動化程度，實現(xiàn)在該領域研究零的突破。

1 系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)整體結構如圖1所示。該系統(tǒng)由電動推拉裝置、夾具、控制柜、工業(yè)機器人、電主軸、主軸夾具及胴體運輸線等組成。

圖1 系統(tǒng)總體方案設計Figure 1 Overall structure diagram of the system

該系統(tǒng)共有兩套電動推拉裝置。其一端為胴體裝夾工位，另一端為胴體分割工位。在羊胴體輸送線將胴體運輸至裝夾工位時，兩套電動推拉裝置的推拉動作交替進行，完成胴體的裝夾與分割。工業(yè)機器人完成一只胴體的分割后，旋轉180°進行下一只胴體的分割，從而使得分割操作不間斷進行。由于夾具在分割工位的停留位置固定，因此工業(yè)機器人的分割軌跡也是固定的，在系統(tǒng)運行前將機器人的分割軌跡做好軌跡規(guī)劃， 之后機器人只需按程序重復分割動作便可完成分割操作。

2 硬件及控制系統(tǒng)設計

2.1 專用夾具的設計

系統(tǒng)研究對象為去腿剝皮后的羊胴體，羊齡6個月，品種為小寒尾羊。通過前期調研了解到，國內的規(guī)?；蛲涝坠緦钛虻膩碓从休^為嚴格的把控，羊齡控制在6～7個月，且多數公司僅針對單一品種的羊進行加工，其中又以小寒尾羊最為典型。再加上羊群普遍采用規(guī)?；B(yǎng)殖，使得羊個體大小的差異很小，為本系統(tǒng)中專用夾具的通用性奠定了良好的基礎。

為確保夾具設計的準確性，使用三維激光掃描儀對羊胴體進行掃描后，在SolidWorks軟件中進行了胴體的1∶1建模，胴體模型如圖2所示。

圖2 羊胴體模型示意圖Figure 2 Schematic diagram of sheep carcass model

夾具設計采用仿形內模與外部弧形夾板共同配合夾緊的工作方式，其結構如圖3所示。

圖3 夾具結構Figure 3 Fixture structure diagram

進行羊胴體裝夾時，先將羊胴體由前方套入仿形內模2，然后扳動氣動開關，氣缸3活塞彈出，帶動弧形夾板5轉動壓緊羊胴體；氣缸6活塞彈出，夾緊羊尾椎；羊頸夾緊機構9在彈簧作用下夾緊羊頸，羊胴體夾緊完成。

其中，仿形內模為核心組件，其結構如圖4所示。

圖4 仿形內模結構Figure 4 Structural drawing of profiling internal mold

仿形內模呈棱臺狀，其上開有5道縱向分割槽與一道橫向分割槽，分別對應分割軌跡規(guī)劃中除羊頸分割外的6次走刀路徑（羊頸伸出夾具體外，分割路徑對應弧形夾板上的鏤空槽）。內模形狀仿照羊胴體胸腔內部的曲線參數設計，可以在夾緊時保證與羊胴體胸腔有較大的貼合度，用于從內部撐起胴體的脊椎、兩肋和前胸；內模后端設計有一處羊角狀凹槽，利用胴體的尾椎進行裝夾時的定位[12-13]。

弧形左夾板和弧形右夾板安裝在仿形內模兩側，受氣缸驅動相對仿形內模進行張開、夾緊動作，其上設有鏤空槽，位置與仿形內模上的分割槽相對應；兩塊夾板在內模后端側面分別通過轉動機構與迷你氣缸連接，通過氣缸的伸縮對弧形夾板施加靠近或遠離仿形內模的扭矩。氣缸的尾部由擺尾支架固定，在伸縮的同時會在支架上進行擺動，以滿足機構的自由度要求。仿形內模后端安裝尾椎鎖緊組件，受圖3中氣缸6的驅動將羊胴體的尾椎壓緊在夾具上?；⌒巫髪A板、弧形右夾板前端均安裝有羊頸自動壓緊機構，在弧形夾板夾緊羊胴體時該機構的壓緊卡爪受羊頸擠壓向外撐出，在彈簧彈力作用下將羊頸壓緊，防止分割時發(fā)生晃動及分割完成后掉落。圖5為羊頸壓緊機構局部放大圖。

圖5 羊頸壓緊機構局部Figure 5 Partial drawing of ram neck pressing mechanism

2.2 流水線電動推拉裝置的設計

分割流水線的設計以當前工廠中普遍使用的運輸線為基礎，在其上增設兩套電動推拉裝置，從而大大提高本系統(tǒng)在后期推廣中的適應性。電動推拉裝置結構如圖6所示。

圖6 電動推拉裝置結構Figure 6 Structure drawing of electric push-pull device

電動推拉裝置由底架、電動推桿、夾具連接盤、滑塊、薄型氣缸和導軌等組成，2條導軌間隔400 mm，每條導軌上設有2個滑塊，4個滑塊通過螺栓連接在夾具連接盤4個角，電動推桿的頂部與夾具連接盤的一側通過螺母固定，使得夾具可以在電動推桿的帶動下在導軌上來回滑動。電動推桿推出時，工人進行羊胴體的裝卸；電動推桿拉回時，機械手帶動刀具進行胴體的分割。夾具被拉回到指定位置時，推拉裝置底架上兩個薄型氣缸的活塞頂起，桿頭伸進夾具連接盤的孔中，對夾具進行固定，保證分割過程中夾具不發(fā)生位置變化。

2.2.1 電動推桿及導軌滑塊的選型 本研究中設計的專用夾具重量約為60 kg，羊胴體每只重量（12±2）kg，設計中采用雙導軌傳送的方式，在保證承重能力的前提下，充分考慮分割過程中機械臂對夾具體產生的壓力，選用型號為HGH35CA的直線導軌，并配套安裝4個滑塊。

電動推桿的選型應從行程、推力、進給速度和穩(wěn)定性等方面綜合考慮。工業(yè)機器人放置于羊胴體輸送線的側方，距離輸送線約500 mm，考慮到輸送線的寬度以及機器人本體的寬度，為保證夾具在導軌上有足夠的移動距離，電動推桿的行程應在600 mm以上；通過計算摩擦力F選取合適的電機，摩擦力計算公式如下

式中F為摩擦力，N；μ為滑動摩擦系數；N為正壓力，N。

其中滑塊與導軌間摩擦系數理論值一般為0.003左右，但受加工、裝配和防塵件等因素影響,實際在0.02～0.05左右[14]。由于試驗中采用雙導軌傳送，受導軌安裝平行度影響，實際摩擦系數將有所增大，因此μ取0.15，由此計算得出每個滑塊與導軌的摩擦力為102.9～108.78 N，即總摩擦力為411.6～35.12 N。為充分滿足工作需求，選用86電機進行驅動，最大推力為900 N。同時，為防止夾具在導軌上急停時的慣性沖擊對電動推桿造成損傷，在保證效率的前提下，應選取較小的步進速度。綜上，選用了參數如表1所示的電動推桿用于本研究。

表1 往復式步進電機電動推桿參數Table 1 Parameters of electric push rod

2.2.2 氣缸的選型 本套裝置中所用的不同型號的氣缸共有3種，其中迷你氣缸2種，薄型氣缸一種，選型時從推力、行程和活塞速度等方面綜合考慮。3種型號氣缸的各項數據如表2所示。

表2 氣缸參數Table 2 Cylinder parameter table

2.3 控制系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)選用西門子S7-200系列PLC作為控制器，PLC在電動推拉裝置中起到核心控制作用[15]。其與外部設備電路接線示意圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)電路接線示意圖Figure 7 System circuit wiring diagram

控制系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)流程圖Figure 8 Control system flow chart

該系統(tǒng)工作流程如下：電動推拉裝置上電并按下啟動鍵后，PLC發(fā)出指令通過EM253模塊控制步進電機正轉，裝有羊胴體的夾具在導軌上由裝夾工位向分割工位移動，到達指定位置后觸發(fā)限位開關，夾具停止移動；隨后PLC中的定時計數器I開始工作，定時期間機械手控制刀具進行分割作業(yè)。計時結束后PLC向EM253模塊發(fā)送指令控制電機反轉，夾具由分割工位向裝夾工位移動，觸發(fā)終點處的限位開關后移動停止，PLC中定時計數器II開始工作，期間進行羊胴體的裝卸操作。計時結束后電機正轉，進入下一循環(huán)。

2.4 機器人末端執(zhí)行器夾具的設計

本研究中，機器人末端執(zhí)行器選用電主軸，通過電主軸上刀具的高速旋轉進行羊胴體的分割，由機械手的移動控制刀具進給，進行既定軌跡的走刀。研究選用華中數控公司的HSR-620L型六自由度機器人，工作空間半徑1.6 m。電主軸安裝于機器人末端時，與法蘭盤之間的角度不同，進行軌跡規(guī)劃所形成的路徑也將完全不同，本研究僅采用2種具有代表性的角度（0°與90°）進行設計，即電主軸平行于法蘭盤與電主軸垂直于法蘭盤兩種夾具方案。設計時充分考慮走刀時機器人5軸的旋轉角度，防止夾具或刀具在分割過程中與機械臂發(fā)生干涉，其結構如圖9和圖10所示。經過RobotStudio軟件的運動仿真驗證，2種方案的分割路徑均滿足機器人的工作范圍要求，但電主軸平行于法蘭盤的夾具方案在軌跡規(guī)劃中切割軌跡間的過渡軌跡較短，效率更高，因此最終試驗采用電主軸平行于法蘭盤的夾具方案進行分割。

圖9 電主軸平行于法蘭盤夾具方案Figure 9 Fixture scheme of motor spindle parallel to flange

圖10 電主軸垂直于法蘭盤夾具方案Figure 10 Fixture scheme of motor spindle perpendicular to flange

表3 SDQ65-0.8F-24K電主軸參數Table 3 Motor spindle parameter table

電主軸是保證羊胴體分割順利進行的核心設備，已知所購買工業(yè)機器人末端負載為20 kg，考慮到電主軸高速旋轉時的震動以及分割時所受阻力，電主軸的重量應盡量??；同時，為保證分割效率，在刀具足夠鋒利的前提下，電主軸的轉速應盡量高。綜合考慮以上因素，本系統(tǒng)選用型號為SDQ65-0.8F-24K的電主軸，其參數如下表所示。

3 系統(tǒng)測試及試驗設計

3.1 刀具的選擇試驗

本研究擬選用高速旋轉型刀具完成羊胴體分割，不同刀具的選用直接決定最終分割的質量。從強度、硬度、耐磨性、分割效率及經濟性等方面綜合考慮，選出了直徑均為6 mm的55°三刃銑刀、60°螺旋鉸刀與玉米銑刀3種刀具，通過本試驗對3種刀具進行對比，選擇出最適合后期試驗的刀具。

3.1.1 試驗材料 取一新鮮羊胴體（羊齡6個月，品種為小寒尾羊），割取羊肋排6根，分為3組，每組2根，分別命名為A組、B組和C組。

3.1.2 試驗方法 試驗時將刀具裝于電主軸上，轉速調為15 000 r·min-1，試驗人員穿戴防護手套手持羊肋排推向刀具進行分割，觀察分割時刀具及肋排狀態(tài)，對比分割難易程度、分割后刀具上的碎屑殘留及肋排分割面光滑度。

3.1.3 試驗結果與分析 表中A組使用55°三刃銑刀分割，B組使用60°螺旋鉸刀分割，C組使用玉米銑刀分割。

在單一場景下,不考慮缺煤以及水電和火電機組出力的扣減,結合電網的基本數據,對電力電量平衡分析模型進行了仿真分析,得到了以下優(yōu)化結果。

表4 刀具分割效果對比Table 4 Cutting effect comparison table

試驗結果表明：60°螺旋鉸刀在較高的轉速下切割時在進給方向上仍有非常大的阻力，無法完成切割，不滿足使用要求。玉米銑刀與55°三刃銑刀均可完成切割，但切割時會有肉屑飛出，骨頭分割面較粗糙。其中玉米銑刀分割時穩(wěn)定性最高，但是由于分割時肉屑粘刀現(xiàn)象嚴重，使得分割時所受阻力越來越大，因此無法進行連續(xù)切割；55°三刃銑刀分割時阻力較小，分割后基本無碎屑殘留，不影響后續(xù)分割，分割時穩(wěn)定性也滿足試驗要求。經過3種刀具分割試驗效果對比，直徑6 mm的55°三刃銑刀切割效果最好，滿足后期試驗的可能性最高。

3.2 羊胴體分割試驗

3.2.1 試驗材料 試驗材料選取去腿剝肉后的羊胴體若干只，每只重量（12±2）kg，羊齡6個月，品種為小寒尾羊。冷凍保存，試驗開始前1 h從冰箱中取出，使羊胴體組織中的冰渣充分融化。

3.2.2 試驗方法 將羊胴體裝夾于夾具上，使其在導軌上移動至指定位置，通過控制工業(yè)機器人帶動刀具執(zhí)行指定路徑的分割。分割刀具使用定做加長的55°三刃銑刀，直徑6 mm，刀長150 mm，刃長80 mm，分割時刀具轉速為15 000 r·min-1。試驗現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 羊胴體分割試驗現(xiàn)場Figure 11 Sheep carcass segmentation test site

3.2.3 試驗要求 按照農業(yè)行業(yè)標準NY/T 1564-2007《羊肉分割技術規(guī)范》[16]本系統(tǒng)將羊胴體的分割為羊頸、脊椎、尾椎、肋排和胸腹腩5部分。其中肋排與胸腹腩各2塊，即整只羊胴體共分為7塊。

圖12 分割技術規(guī)范Figure 12 Segmentation specification

為了實現(xiàn)這一分割要求，在夾具設計中已在仿形內模與弧形夾板上留出了寬25 mm的分割槽，進行羊胴體分割時刀具循分割槽位置進行分割。在進行分割路徑規(guī)劃時遵循過渡路徑盡量短的原則，以減少分割時間，保證分割效率。試驗中所采用的分割路徑如圖13所示，其中各路徑作用如下：路徑1將胴體腹部切開；路徑2與路徑7將兩扇肋骨分割為肋排與胸腹腩；路徑3切下羊頸；路徑4與路徑6切下羊脊椎；路徑5切下羊尾椎。

圖13 羊胴體分割路徑規(guī)劃Figure 13 Sheep carcass cutting path planning

3.2.4 試驗結果與分析 （1）試驗共進行了7刀的分割，各路徑分割所用時長統(tǒng)計如下表所示。

由表5可知，7條路徑的有效分割時長共100.6 s，又測得七條分割路徑總長度為2 006 mm，可知刀具的平均進給速度為19.9 mm·s-1。分割過程中各路徑間的過渡路徑共用時30.6 s，即完成1只羊的分割總用時131.2 s。機器人完成1次分割后移動至下一胴體所用時長為23.4 s，可知在刀具轉速15 000 r·min-1、進給速度19.9 mm·s-1的情況下，此流水線上完成一輪分割循環(huán)（2只羊的分割）總用時309.2 s，即分割每只羊所用時間為154.6 s。

表5 胴體分割時長Table 5 Carcass cutting time table

圖14 分割斷面示意圖Figure 14 Cutting section diagram

由圖可知，胴體的分割斷面較為粗糙，此為刀具通過高速旋轉進行分割的工作方式造成，會對分割路徑上約6 mm寬度的骨、肉造成浪費，但不會影響羊胴體的食用價值。

（3）胴體分割后的各部位如圖15所示。

圖15 胴體各部位示意圖Figure 15 Schematic diagram of each part of the carcass

4 討論與結論

該系統(tǒng)以多自由度工業(yè)機器人為操作主體，以高速旋轉的銑刀為執(zhí)行器，以電動推拉裝置構成循環(huán)流水線，探索設計出了一套自動化羊胴體分割裝置，有效解決了家畜類胴體難以靈活夾持的難題，填補了我國在該領域研究的空白。本研究對羊胴體專用夾具及循環(huán)流水線的結構進行了構思與設計，通過對指定位置的羊胴體進行分割路徑規(guī)劃，在工業(yè)機器人與電動推拉裝置2套獨立控制系統(tǒng)的相互配合下，完成整只羊胴體的分割操作，運行穩(wěn)定，且操作便捷。試驗結果表明，專用夾具能夠很好的完成對羊胴體的夾緊，循環(huán)流水線能夠順利完成對多只羊胴體的輸送，工業(yè)機器人能夠成功完成對羊胴體全部路徑的分割，分割每只羊所用時間為154.6 s，總體上滿足項目預期設計要求。

后續(xù)研究中，可以在羊胴體位置識別中加入機器視覺，從而在分割中依據羊胴體大小的不同實現(xiàn)分割路徑及分割深度的實時規(guī)劃，以提高本套設備的通用性，并達成更為智能化的羊胴體自動分割。