食用菌料袋熱熔剪口裝置的設(shè)計與應(yīng)用

林志偉，林明山

（1.閩南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建漳州 363000；2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，福建漳州 363000）

0 引言

食用菌產(chǎn)品是一種高蛋白、低脂肪，維生素含量高且具有藥用和食療價值的食品。隨著其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，食用菌已實現(xiàn)工廠化種植［1］。其生產(chǎn)流程中，培養(yǎng)料自動化裝袋是使用機(jī)械化作業(yè)的方式將木屑、作物秸稈和野草等作為培養(yǎng)基裝填到耐高溫的塑料袋后扎口封袋［2］。裝袋后因伸出扎口的袋口余量較長，在滅菌、噴淋過程中容易積水感染雜菌，不利于某些產(chǎn)品種植，因此生產(chǎn)中需剪短袋口。

自動化培養(yǎng)料裝袋機(jī)工藝流程：上袋-填料-提袋-扎口-堆袋。為保持流水線自動化操作，實現(xiàn)自動化配套剪口功能，在扎口與堆袋之間新增袋口修剪工序，設(shè)計圖1所示的具備提袋-扎口-剪口工序的扎口一體機(jī)。其工作原理：夾袋裝置的雙側(cè)氣動夾爪夾持填料后的培養(yǎng)基包裝袋內(nèi)外側(cè)邊緣后，氣動升降架提升料袋至垂直懸掛狀態(tài)，鋁釘扎口裝置壓緊袋口并扎上扣釘；接著由剪口裝置完成過長袋口的修剪；隨后扎口裝置和剪口裝置復(fù)位，升降架下行，氣爪松開，料袋掉落送出。

圖1 扎口一體機(jī)Fig.1 The integrated packaging machine

剪口裝置需完成2 個動作：一是伸出熱熔切刀至扎口位置（定義為X 方向）；二是切刀夾緊袋口并完成剪口（定義為Y 方向）。由于整個生產(chǎn)工序流程是流水式自動化操作，不能影響生產(chǎn)效率，且機(jī)臺的空間布局受限，這2 個方向的動作要求在同一個裝置協(xié)同完成。

1 剪口裝置設(shè)計

針對上述2 個功能需求，經(jīng)數(shù)次生產(chǎn)研究和試驗提出一種如圖2（a）所示的具有X-Y 正交協(xié)同運(yùn)動的熱熔剪口裝置。其中，固定槽形凸輪、滾子Ⅰ、曲柄、連桿和左切刀組件組成凸輪連桿機(jī)構(gòu)［3-4］，實現(xiàn)X 向單側(cè)停歇的往復(fù)運(yùn)動。滾子Ⅱ、右切刀組件和軌道板組成凸輪滑塊機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)Y向單側(cè)停歇的往復(fù)運(yùn)動。

參照圖2（b）機(jī)構(gòu)簡圖，剪口裝置的基本工作原理：曲柄的轉(zhuǎn)動，帶動內(nèi)嵌于槽形凸輪溝槽中的滾子Ⅰ沿凸輪理論廓線滾動，與滾子Ⅰ鉸接的連桿將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動傳遞給左切刀（滑塊Ⅰ），由于滾子Ⅰ與曲柄的中心距隨凸輪廓線變化，左切刀可沿底板滑槽方向（X 向）做圖2（c）所示的單側(cè)停歇伸縮運(yùn)動。右切刀（滑塊Ⅱ）與左切刀固連的導(dǎo)向軸組成移動副，且其上安裝的滾子Ⅱ嵌于固定軌道板的導(dǎo)槽中，右切刀與左切刀一起沿X 向運(yùn)動的同時，還相對于左切刀沿Y 向做圖2（c）所示的單側(cè)停歇張合運(yùn)動。

為實現(xiàn)裝置所驅(qū)動的熱熔切刀完成如圖2（c）的協(xié)同運(yùn)動，保證剪口過程充分熔斷袋口（X向停歇）和切斷絲線（Y 向停歇），圍繞驅(qū)動切刀組X 和Y 向單側(cè)停歇往復(fù)運(yùn)動的凸輪連桿機(jī)構(gòu)和凸輪滑塊機(jī)構(gòu)及其主要部件進(jìn)行設(shè)計，以完善剪口裝置的使用功能。

圖2 剪口裝置結(jié)構(gòu)及原理Fig.2 The structure and principle of the cutting device

2 機(jī)構(gòu)與主要部件設(shè)計

2.1 X 向單側(cè)停歇機(jī)構(gòu)設(shè)計

X 向單側(cè)停歇運(yùn)動采用凸輪-連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，該類機(jī)構(gòu)等效于可變曲柄長度的曲柄連桿機(jī)構(gòu)［5］。主要部件槽形凸輪的理論廓線分解為圖3所示的3 段：α角范圍內(nèi)，凸輪廓線是一段以連桿桿長r 為半徑，左切刀組（滑塊Ⅰ）與連桿鉸接中心的右極限點Cs為圓心的凹圓?。沪媒欠秶鷥?nèi)，凸輪廓線是以O(shè) 點為圓心，轉(zhuǎn)動半徑為R 的凸圓弧；β角范圍內(nèi)，凸輪MN 段廓線是連接2 段圓弧的過渡曲線。

圖3 槽形凸輪理論廓線Fig.3 The theoretical pitch curve of grooved cam

當(dāng)給定O 點、Cs點和Ce點位置以及R、H0、r、α、β、γ等參數(shù)后，可繪制出如圖3所示的凸輪理論廓線。其中，β角所對應(yīng)的過渡曲線段需要逐點求解，其求解過程即為確定二級桿組OBC 中B 點坐標(biāo)的過程［6］。

2.2 凸輪過渡曲線設(shè)計

為在2 段圓弧之間添加連續(xù)、光滑的過渡曲線［7］，保證滾子在過渡曲線段獲得良好的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能，采用C2連續(xù)且良好保凸性的三次非均勻B 樣條曲線構(gòu)造過渡曲線。

擁有n+1 個控制頂點，且次數(shù)為k 的B 樣條數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中Bi,k（u）為B 樣條的節(jié)點矢量U=（u0，u1，…，un+k+1）定義的k 次基函數(shù)，Pi為控制頂點，且uk≤u ≤un+1。

根據(jù)邊界條件、運(yùn)動規(guī)律和約束條件等選擇邊界插值點與中間插值點，可控制過渡曲線的形狀。當(dāng)邊界條件滿足式（2）時，過渡曲線在2 段圓弧連接處滿足C1連續(xù)。

式中 Ts，Te── 過渡曲線段初始點和終止點坐標(biāo)；

Ps，Pe── 第1 段圓弧終止點和第2 段圓弧起始點坐標(biāo)；

us，ue── 過渡曲線初始點和終止點節(jié)點矢量；

kM，kN── 第1 段圓弧終止點和第2 段圓弧起始點切矢量。

除邊界插值點約束，額外添加滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律的內(nèi)部插值點，可控制過渡曲線的基本形狀。當(dāng)曲柄逆時針轉(zhuǎn)動，鉸接點從M 運(yùn)動至N 時，對應(yīng)切刀組沿X 負(fù)方向回程，因此過渡曲線極徑在X 軸方向投影長度應(yīng)嚴(yán)格遞減。設(shè)曲線內(nèi)部插值點Tj坐標(biāo)為（Txj，Tyj），插值點總數(shù)為m，選用五次函數(shù)運(yùn)動規(guī)律描述橫坐標(biāo)Txj：

式中，1 ≤Txj＜m-1，且滿足：

式中的λ為插值點縱坐標(biāo)調(diào)整參數(shù)，可通過改變其數(shù)值以滿足附加約束條件，完善曲線的局部形狀［8］。通過給定上述插值點坐標(biāo)，經(jīng)累積弦長計算和歸一化處理可求解三次非均勻B 樣條曲線的節(jié)點矢量，其數(shù)學(xué)表達(dá)如式（5）-（7）：

經(jīng)編程計算，確定插值點個數(shù)m=3，控制頂點數(shù)量為5。插值點（T0，T1，T2）和控制點（P0，P1，P2，P3，P4）關(guān)系為［9］：

將式（5）-（7）求解的節(jié)點矢量和式（8）獲得的控制點坐標(biāo)代入B 樣條曲線方程（1）可初步求解過渡曲線方程。然而滿足上述條件的曲線方程有無數(shù)條，從制造工藝和運(yùn)動規(guī)律考慮，給出以下2 種約束條件迭代優(yōu)化非邊界插值點縱坐標(biāo)調(diào)整參數(shù)：

（1）設(shè)Re和Rs為過渡曲線邊界點的曲率半徑，為避免凸輪實際廓線產(chǎn)生尖點，附加式（9）的不等式約束條件：

（2）當(dāng)過渡曲線邊界臨近點橫坐標(biāo)C（u）x過大，曲線形狀外凸，導(dǎo)致切刀組在右極限位置短暫停歇之后，繼續(xù)外伸碰撞扎口裝置。在邊界拼接處C1 連續(xù)性下，引入不等式（10）限定過渡曲線經(jīng)過初始點M 后在X 方向僅有微小增量：

由式（9）和（10）給出的約束條件實際上是限定過渡曲線邊界區(qū)域的上下限，完善曲線的局部形狀。按照上述分析，給出圖4（a）的迭代計算流程，選取5 種調(diào)整參數(shù)所控制的曲線，繪制圖4（b）。其中，滿足邊界條件、運(yùn)動規(guī)律和約束條件的過渡曲線相關(guān)參數(shù)如下：

圖4 凸輪過渡曲線求解Fig.4 The solution of transition curve of the cam

2.3 Y 向運(yùn)動軌道板導(dǎo)槽設(shè)計

參考圖2，3，右切刀與左切刀沿X 向間歇運(yùn)動的同時，其相對左切刀的Y 向位移由其裝配的滾子Ⅱ在軌道板導(dǎo)槽中的位置決定。導(dǎo)槽由水平段和傾斜段組成，其中心線沿X 軸投影對應(yīng)分解為l1，l2兩段。當(dāng)滾子Ⅰ中心從M 點運(yùn)動至N 點時，曲柄逆時針旋轉(zhuǎn)β角，左切刀沿X 向左移l1，右切刀保持Y 向閉合；當(dāng)曲柄繼續(xù)旋轉(zhuǎn)γ角時，左切刀沿X 向左移至l2左極限位置，右切刀逐漸張開至最大開度。右切刀Y 向閉合過程與上述描述相反。

由于裝置X 向伸縮行程H0與Y 向張合行程H 均為定值，導(dǎo)槽傾角ψ由長度l1決定：當(dāng)l1取值過大時，Y 向閉合時間長，斜面傾角ψ隨之增大，滾子摩擦阻力大，機(jī)構(gòu)存在較大阻力；當(dāng)l1過小時，Y 向閉合時間短，閉合速度慢，不利于剪口動作。根據(jù)剪口需求，經(jīng)模擬仿真和實物試驗，最后選擇傾角ψ=52.7°，此時l1=6.4 mm。

3 運(yùn)動仿真與試驗

根據(jù)扎口后袋口尺寸與剪口裝置安裝尺寸，取X 向行程H0=39.2 mm，Y 向行程H=35.1 mm，右極限位置與轉(zhuǎn)動中心距離=86 mm，固定凸輪半徑r=22.2 mm，凹圓弧半徑R=69 mm，曲柄沿逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為90°/s。按照上述機(jī)構(gòu)設(shè)計過程在數(shù)字化建模軟件UG NX 中完成機(jī)構(gòu)建模，并在其sim 模塊中進(jìn)行運(yùn)動仿真。

圖5中可變曲柄極徑變化過程連續(xù)、平滑。可變曲柄變化范圍為17～22.2 mm，與槽形凸輪設(shè)計尺寸吻合。切刀組X 向速度變化規(guī)律說明可變曲柄驅(qū)動切刀組在X 向的運(yùn)動速度連續(xù)平穩(wěn)，這得益于由式（2）定義的槽形凸輪過渡曲線邊界條件。切刀組X 向加速度變化規(guī)律說明其在圓弧與過渡曲線連接處有波動，這是式（2）未嚴(yán)格控制二階導(dǎo)數(shù)導(dǎo)致。但是，由于三次B 樣條曲線的C2 連續(xù)性，切刀組X 向加速度不會出現(xiàn)突變?？紤]到剪口過程僅要求切刀組位移準(zhǔn)確且速度平穩(wěn)，而對加速度無過多限制，所以圖5表示的曲柄-連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動切刀組X 向單側(cè)停歇往復(fù)的運(yùn)動規(guī)律滿足工程需求。另外，切刀組Y 向速度Vy=Vxtanψ，則Y 向單側(cè)停歇往復(fù)運(yùn)動同樣連續(xù)、平穩(wěn)，無凸點、拐點，滿足剪口技術(shù)要求。

圖5 曲柄極徑及切刀組X 向位移Fig.5 The polar radius of crank and the X-direction displacement of cutters

X-Y 雙向協(xié)同運(yùn)動見表1。可以得出如下結(jié)論：

表1 X-Y 雙向協(xié)同運(yùn)動Tab.1 X- and Y-direction cooperative motion

（1）切刀組X 與Y 向協(xié)同運(yùn)動過程中均有短暫停歇，切刀組X 向伸縮行程為86.1-46.9=39.2 mm，Y 向的張合行程為35.1 mm，與所設(shè)定的運(yùn)動參數(shù)吻合。

（2）運(yùn)動循環(huán)過程中，在0.2s/20°時刻，左切刀從右極限位置開始回程，右切刀保持Y 向閉合；0.6s/60°后，右切刀沿Y 向逐漸張開。左切刀推程時，在3.4s/300°時刻，右切刀Y 向已完全閉合，而左切刀X 向尚未運(yùn)動至右極限位置，直到3.8s/340°時刻，左切刀運(yùn)動至右極限位置，并保持短暫停歇。

（3）切刀組X 向回程時，右切刀Y 向延遲張開；切刀組X 向推程時，右切刀Y 向提前閉合，即切刀組Y 閉合時間略超過切刀組X 向停歇時間，該效果由軌道板中的水平段距離產(chǎn)生。裝置通過切刀組Y 向提前閉合與延時張開，可分別實現(xiàn)袋口的預(yù)壓緊和熱熔后塑料絲線的剪切，滿足熱熔與切斷的技術(shù)要求。

將完成運(yùn)動驗證后的剪口裝置，制造出樣機(jī)，安裝至某食用菌棒料自動包裝機(jī)上，配合夾袋裝置和扎口裝置進(jìn)行剪口試驗。培養(yǎng)料袋為耐120°蒸汽消毒的聚丙烯塑料袋，扎口后袋口直徑20～30 mm，切刀電熱絲溫度900 ℃。樣機(jī)連續(xù)工作，表2是8 次實際應(yīng)用的結(jié)果。結(jié)果表明，裝置可通過調(diào)整曲柄轉(zhuǎn)速控制切刀組的熱熔保持時間（X 向停歇）與切斷時間（Y 向停歇）。熱熔和切斷時間過長，袋口邊緣會出現(xiàn)燒焦的現(xiàn)象，且剪口效率低；熱熔和切斷時間過短，塑料未能充分熔斷，袋口邊緣會出現(xiàn)明顯拉絲現(xiàn)象。裝置在18～20 rad/min 的曲柄轉(zhuǎn)速下，可獲得齊邊無拉絲的效果。另外，在剪口裝置右切刀塊背面安裝支撐彈簧，通過調(diào)整其預(yù)緊螺絲可為閉合后的切刀提供足夠的壓緊力，切斷塑料絲線。

表2 剪口裝置應(yīng)用結(jié)果Tab.2 The application results of the cutting device

4 結(jié)語

研制一種可裝配于食用菌培養(yǎng)料自動裝袋機(jī)的熱熔剪口裝置。裝置安裝一對熱熔切刀在伸縮（X 向）與張合（Y 向）的同時，可單側(cè)短暫停歇。切刀組Y 向閉合時間略超過X 向停歇時間，既為耐高溫塑料袋提供一定的熔斷時間，又保證熔斷后絲線的完全切斷。調(diào)試后的樣機(jī)生產(chǎn)效率穩(wěn)定在1000～1200 袋/h，符合食用菌培養(yǎng)料袋包裝效率的市場需求，裝置結(jié)構(gòu)簡單，適合耐熱塑料的修剪，可在有類似需求的裝備中推廣應(yīng)用。