白 茂 東, 楊 繼 新, 王 學(xué) 俊, 陶 學(xué) 恒, 王 慧 慧

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心， 遼寧 大連 116034；2. 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

平結(jié)式雙條海帶打結(jié)新方法

白 茂 東1,2, 楊 繼 新1, 王 學(xué) 俊1, 陶 學(xué) 恒1, 王 慧 慧1

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心， 遼寧 大連 116034；2. 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

介紹了國(guó)內(nèi)外海帶打結(jié)機(jī)研發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有普通海帶打結(jié)機(jī)的組成機(jī)構(gòu)，海帶打結(jié)機(jī)在機(jī)構(gòu)組成和控制系統(tǒng)等方面的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合現(xiàn)有技術(shù),提出了雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)的設(shè)計(jì)思想與組成結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)用型海帶打結(jié)機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

海帶；打結(jié)機(jī)；控制系統(tǒng)

0 引 言

海帶是人們非常喜歡食用的經(jīng)濟(jì)藻類，但其生產(chǎn)規(guī)?；潭炔桓?，難以在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上形成較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。海帶條或海帶絲的價(jià)格僅為海帶結(jié)價(jià)格的30%，因此僅僅出售未加工過(guò)的海帶不能獲得應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前海帶結(jié)的加工主要以人工為主，而海水的腐蝕作用對(duì)工人的身體健康有著極大的影響，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求很高的海帶結(jié)生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)量供不應(yīng)求[1]。海帶食品的加工主要分為簡(jiǎn)單加工和深加工，所謂簡(jiǎn)單加工，就是把海帶經(jīng)過(guò)凈化、軟化、熟化、脫水、干燥、殺菌等工藝加工成海藻絲、卷、末、粉或輔以調(diào)味料的復(fù)合型食品；深加工就是提取海帶的有效成分或者以海帶的簡(jiǎn)單加工產(chǎn)品作為添加劑制成的食品。而作為海帶初加工中的海帶自動(dòng)打結(jié)問(wèn)題卻始終是世界范圍內(nèi)的難點(diǎn)問(wèn)題，因此海帶加工企業(yè)迫切需要海帶自動(dòng)化加工設(shè)備，以解決海帶自動(dòng)化加工的實(shí)際問(wèn)題[2]。

普通海帶自動(dòng)打結(jié)機(jī)依據(jù)的基本原理主要有：基于人手協(xié)調(diào)打結(jié)的打結(jié)機(jī)理、基于螺旋夾爪的打結(jié)成結(jié)機(jī)理、拓?fù)鋵W(xué)中的曲帶扭結(jié)理論和懸鏈線理論。這些理論為最終實(shí)現(xiàn)海帶打結(jié)的智能化自動(dòng)生產(chǎn)奠定必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)[2-4]。

1 國(guó)內(nèi)外海帶打結(jié)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外海帶打結(jié)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)海帶自動(dòng)打結(jié)技術(shù)的研究在2008年之前主要集中在日本、德國(guó)和美國(guó)，相關(guān)研究的報(bào)告很少見于期刊發(fā)表，而近幾年日本主要對(duì)海帶進(jìn)行深加工研究并取得可觀的經(jīng)濟(jì)成果，而其對(duì)海帶結(jié)的需求主要從中國(guó)進(jìn)口，國(guó)外也沒(méi)有海帶自動(dòng)打結(jié)設(shè)備投入市場(chǎng)應(yīng)用。

1.2 國(guó)內(nèi)海帶打結(jié)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)在自動(dòng)海帶打結(jié)機(jī)上作了大量的研究工作，研制了基于人手打結(jié)原理的第一代自動(dòng)海帶打結(jié)機(jī)和基于螺旋夾爪打結(jié)的第二代自動(dòng)海帶打結(jié)機(jī)[4]。產(chǎn)品合格率最高為70%。陳水明以及福建水產(chǎn)研究所也相繼申請(qǐng)了海帶打結(jié)設(shè)備的發(fā)明專利，然而打結(jié)成功率制約著海帶打結(jié)設(shè)備的市場(chǎng)應(yīng)用[5]。

青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了一種應(yīng)用海帶加工作業(yè)的海帶打結(jié)機(jī)[6]。主要包括機(jī)架、PLC控制系統(tǒng)和氣動(dòng)控制系統(tǒng)，機(jī)架上設(shè)置有上料裝置、物料輸送裝置、打結(jié)裝置和切割裝置，采用獨(dú)創(chuàng)的由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的圓盤式上料裝置、3對(duì)打結(jié)指通過(guò)密切配合模擬手工打結(jié)過(guò)程完成海帶打結(jié)、切割，快速方便的獨(dú)特割刀結(jié)構(gòu)，有效地提高了打結(jié)效率和連貫性。

李春泥等[7]發(fā)明的海帶打結(jié)方法及裝置，包括一次折疊裝置、二次折疊裝置、三次折疊裝置和夾持拉伸裝置及其相互匹配連接。其打結(jié)方法分為以下幾個(gè)步驟：首先將海帶條一次折疊成兩端交錯(cuò)的D形，其次將一次折疊后的海帶條運(yùn)行二次折疊，折疊成兩端交錯(cuò)的環(huán)形，再次將二次折疊后的海帶條運(yùn)行三次折疊，折疊成兩端交錯(cuò)的回形，最后將三次折疊后的海帶條運(yùn)行夾持拉伸打結(jié)[7]。

吳初昆[8]發(fā)明的全自動(dòng)海帶打結(jié)機(jī)，包括上料機(jī)構(gòu)、真空吸料機(jī)構(gòu)、送料板機(jī)構(gòu)、主軸鉗機(jī)構(gòu)、帶刀鉗機(jī)構(gòu)和出料鉗機(jī)構(gòu)。上料機(jī)構(gòu)用于向上提供海帶，送料板機(jī)構(gòu)設(shè)置在上料機(jī)構(gòu)前方用于導(dǎo)料，真空吸料機(jī)構(gòu)設(shè)置在送料板機(jī)構(gòu)的一側(cè)用于真空吸料，主軸鉗機(jī)構(gòu)和帶刀鉗機(jī)構(gòu)分別設(shè)置在送料板機(jī)構(gòu)前方左右兩側(cè)，真空吸料機(jī)構(gòu)和帶刀鉗機(jī)構(gòu)設(shè)置在同側(cè)，出料鉗機(jī)構(gòu)設(shè)置在帶刀鉗機(jī)構(gòu)前方用于夾出打結(jié)好的海帶。

李哲[9]設(shè)計(jì)發(fā)明的雙螺旋海帶打結(jié)機(jī)，包括底座和固定在底座上的打結(jié)機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)。打結(jié)機(jī)構(gòu)包括打結(jié)滑板，打結(jié)步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)軸，螺旋形打結(jié)夾爪。夾緊機(jī)構(gòu)包括夾緊氣缸，夾緊夾爪。采用螺旋形打結(jié)夾爪通過(guò)螺旋運(yùn)動(dòng)完成海帶打結(jié)作業(yè)，將復(fù)雜的打結(jié)動(dòng)作簡(jiǎn)化成連續(xù)的螺旋運(yùn)動(dòng)，使一次打結(jié)在1 s內(nèi)完成，可自動(dòng)完成海帶打結(jié)作業(yè)。

我國(guó)雖然已經(jīng)設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)普通海帶打結(jié)的自動(dòng)化設(shè)備，但是這些設(shè)備普遍存在打結(jié)不穩(wěn)定，打結(jié)成功的效率不高，不能夠滿足工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)要求。

2 典型普通海帶打結(jié)機(jī)裝置特點(diǎn)

海帶打結(jié)機(jī)總體組成主要分為兩大部分：打結(jié)機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。整機(jī)機(jī)構(gòu)由3個(gè)工位組成：一工位是備料機(jī)構(gòu)；二工位是送料機(jī)構(gòu)；三工位由切斷機(jī)構(gòu)、擋料機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、打結(jié)機(jī)構(gòu)四部分組成。3個(gè)工位之間的切換均為自動(dòng)完成[1]。其中打結(jié)機(jī)的核心機(jī)構(gòu)是打結(jié)機(jī)構(gòu)，裝置的其他機(jī)構(gòu)分布皆是以打結(jié)機(jī)構(gòu)為核心進(jìn)行布置，并為打結(jié)機(jī)構(gòu)服務(wù)。打結(jié)裝置的總體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 打結(jié)裝置總體結(jié)構(gòu)布局圖

普通海帶打結(jié)機(jī)打結(jié)功能的實(shí)現(xiàn)是裝置自身在控制系統(tǒng)的作用下操作完成的，整個(gè)打結(jié)過(guò)程無(wú)人工干預(yù)，而打結(jié)功能的實(shí)現(xiàn)主要包括氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)、調(diào)速電機(jī)的控制和夾具機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，因此需要設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)對(duì)打結(jié)的每個(gè)過(guò)程步驟進(jìn)行精確控制。通常使用傳感器元件和基于PLC的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2是基于PLC的海帶打結(jié)控制原理圖。哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的雙螺旋海帶打結(jié)機(jī)生產(chǎn)的海帶產(chǎn)品如圖3所示。

普通海帶打結(jié)機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)主要包括海帶打結(jié)的成環(huán)機(jī)構(gòu)和打結(jié)機(jī)構(gòu)，這也是制約海帶打結(jié)實(shí)用化的最主要因素。海帶成環(huán)困難必然會(huì)造成海帶打結(jié)困難，同時(shí)也影響單條海帶成結(jié)的穩(wěn)定性，海帶打結(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理勢(shì)必會(huì)影響海帶打結(jié)的效率，這是海帶打結(jié)機(jī)難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的主要原因，而且我國(guó)現(xiàn)有的海帶打結(jié)機(jī)主要實(shí)現(xiàn)的是單條海帶打結(jié)，海帶打結(jié)形式單一，缺少多樣化發(fā)展。至今，我國(guó)海帶打結(jié)總的技術(shù)水平仍處在研究、試驗(yàn)與開發(fā)階段，要達(dá)到真正意義的實(shí)用，還有很長(zhǎng)的一段路要走。

圖2 基于PLC的海帶打結(jié)控制原理圖

圖3 雙螺旋海帶打結(jié)機(jī)打出的海帶結(jié)

3 雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)

雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)是依據(jù)平結(jié)打結(jié)原理設(shè)計(jì)制造的一種區(qū)別于普通海帶打結(jié)機(jī)的新型海帶自動(dòng)打結(jié)設(shè)備，其生產(chǎn)的海帶結(jié)也是平結(jié)式海帶結(jié)，與普通海帶結(jié)相比具有更加突出的優(yōu)點(diǎn)和市場(chǎng)適應(yīng)性。雙條平結(jié)式海帶結(jié)效果如圖4所示。

圖4 雙條平結(jié)式海帶結(jié)效果圖

3.1 雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)結(jié)構(gòu)

雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括底座和固定在底座上的支撐機(jī)構(gòu)、移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)以及固定在支撐部件上的送料機(jī)構(gòu)、纏繞機(jī)構(gòu)和固定在底座支撐架上的打結(jié)機(jī)構(gòu)。打結(jié)裝置總體由完全相同的兩大部分倒置裝配組合而成。

1.支架；2.送料夾爪；3.纏繞氣缸；4.纏繞夾爪；5.纏繞環(huán)；6.滑臺(tái)；7.滑臺(tái)推動(dòng)氣缸；8.滑臺(tái)導(dǎo)軌；9.打結(jié)夾爪；10.打結(jié)氣缸；11.傾斜氣缸；12.可轉(zhuǎn)支架；13.底座

圖5 雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.5 The structure diagram of double strip butt type kelp knotting machine

支撐機(jī)構(gòu)和移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)主要包括固定在底座上的支撐板，固定在底座上用來(lái)連接打結(jié)機(jī)構(gòu)的支架，固定在底座上的滑臺(tái)底座和與其相連接的滑臺(tái)以及固定在底座上的氣缸座和固定在氣缸座上的推動(dòng)氣缸。

纏繞機(jī)構(gòu)包括固定在滑臺(tái)上的伸縮氣缸和固定在氣缸前面的纏繞夾爪，纏繞夾爪和送料夾爪成同一水平面。纏繞夾爪圍繞纏繞環(huán)進(jìn)行纏繞運(yùn)動(dòng)，纏繞中經(jīng)在25～35 mm，纏繞中心線與打結(jié)夾爪中軸線垂直。

打結(jié)機(jī)構(gòu)由固定在底座可旋轉(zhuǎn)支架上的打結(jié)氣缸、纏繞環(huán)和固定在氣缸上的打結(jié)夾爪組成。打結(jié)夾爪其長(zhǎng)度方向與打結(jié)中心垂直，兩打結(jié)夾爪間距離為50 mm。

雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)依據(jù)平結(jié)打結(jié)原理通過(guò)纏繞運(yùn)動(dòng)完成海帶打結(jié)作業(yè)，將復(fù)雜的打結(jié)動(dòng)作簡(jiǎn)化成連續(xù)的纏繞伸縮運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)合理，打結(jié)可靠，是一種理想的平結(jié)海帶打結(jié)機(jī)，其裝置總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2 雙條平結(jié)式海帶打結(jié)實(shí)現(xiàn)

雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)的具體作業(yè)方式為：由送料機(jī)構(gòu)將海帶條送至固定在支架上的送料夾爪，送料夾爪將海帶條運(yùn)送至固定在纏繞氣缸上的纏繞夾爪，纏繞夾爪夾住海帶在纏繞氣缸的作用下沿氣缸伸縮方向向后運(yùn)動(dòng)到纏繞環(huán)的后方，此時(shí)纏繞夾爪保持不動(dòng)，滑臺(tái)在滑臺(tái)推動(dòng)氣缸的作用下，沿著滑臺(tái)導(dǎo)軌向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)纏繞夾爪運(yùn)動(dòng)過(guò)纏繞環(huán)時(shí)，滑臺(tái)推動(dòng)氣缸停止運(yùn)動(dòng)，纏繞氣缸伸出帶動(dòng)纏繞夾爪運(yùn)動(dòng)到圖5所示位置，纏繞動(dòng)作完成。此時(shí)，相同的倒置裝置也完成相同動(dòng)作，兩個(gè)海帶條同時(shí)完成繞環(huán)動(dòng)作。

圖6 雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)裝置總體結(jié)構(gòu)圖

繞環(huán)動(dòng)作完成后，打結(jié)機(jī)構(gòu)開始作用，首先套裝在纏繞環(huán)中的打結(jié)夾爪在打結(jié)氣缸的作用下伸出，此時(shí)打結(jié)夾爪的位置處在完成繞環(huán)的海帶條的下部，打結(jié)夾爪張開并同時(shí)夾住送料夾爪和纏繞夾爪中的海帶條，送料夾爪和纏繞夾爪在打結(jié)夾爪完成夾持后松開，并在相關(guān)作用部件下回歸原位。此時(shí)，打結(jié)整體機(jī)構(gòu)在固定在支架上的傾斜氣缸的作用下，沿著傾斜氣缸收縮方向向后運(yùn)動(dòng)，打結(jié)氣缸在底部可轉(zhuǎn)支架的作用下發(fā)生傾斜，海帶環(huán)同時(shí)從纏繞環(huán)上脫開。打結(jié)夾爪在打結(jié)氣缸的作用下向后收縮，帶動(dòng)夾持住的海帶條完成打結(jié)工作。最后，打結(jié)夾爪松開，平結(jié)海帶條打結(jié)完成，打結(jié)機(jī)構(gòu)在傾斜氣缸的作用下回歸原位。圖7是海帶打結(jié)工作循環(huán)圖。

圖7 海帶打結(jié)工作循環(huán)圖

雙條平結(jié)式海帶打結(jié)機(jī)采用平結(jié)打結(jié)原理，利用兩條海帶條進(jìn)行平結(jié)打結(jié)，有效地避免了海帶條環(huán)繞成環(huán)的不穩(wěn)定問(wèn)題，同時(shí)平結(jié)式打結(jié)裝置將復(fù)雜的單條海帶打結(jié)簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的伸縮運(yùn)動(dòng)，提高了打結(jié)效率，其實(shí)用性和可行性將為我國(guó)海帶打結(jié)相關(guān)設(shè)備的發(fā)展提供重要的參考價(jià)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著市場(chǎng)對(duì)海帶結(jié)的需求增加和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、科技工作者對(duì)海帶打結(jié)的研究探索，目前在海帶打結(jié)問(wèn)題上已經(jīng)取得了重大的科研成果，相關(guān)的海帶自動(dòng)打結(jié)設(shè)備也已經(jīng)基本成型，其成果值得肯定。但同時(shí)也應(yīng)該看到相關(guān)的海帶打結(jié)設(shè)備還存在打結(jié)不穩(wěn)定和打結(jié)效率不能滿足市場(chǎng)化生產(chǎn)的問(wèn)題，這嚴(yán)重制約著海帶加工業(yè)的發(fā)展。因此，應(yīng)該一方面組織各方面技術(shù)力量，對(duì)有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)；另一方面，將已獲得的研究成果盡快推出到市場(chǎng)應(yīng)用。

[1] 王宇銳.海帶打結(jié)原理研究及海帶打結(jié)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].威海:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[2] 劉培香.海帶打結(jié)機(jī)器人的發(fā)明者——記哈工大(威海)李哲博士[N].哈爾濱工業(yè)大學(xué)報(bào),2005-12-03(6).

[3] 王瑞鑫.海帶打結(jié)原理及機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性研究[D].威海:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[4] 王小強(qiáng).基于螺旋夾爪的海帶打結(jié)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].威海:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[5] KANG H, WEN J T . EndoBot: a robotic assistant in minimally invasive surgeries[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Seoul: IEEE, 2001: 2033-2036.

[6] 青島農(nóng)業(yè)大學(xué).海帶打結(jié)機(jī)及打結(jié)方法:104770779A[P].2015-07-15.

[7] 李春泥.海帶打結(jié)方法及裝置:104041863A[P].2014-09-17.

[8] 吳初昆.全自動(dòng)海帶打結(jié)機(jī):103300426A[P].2013-09-18.

[9] 李哲.雙螺旋海帶打結(jié)機(jī):103271390A[P].2013-09-04.

New method of double flat kelp knotting

BAI Maodong1,2, YANG Jixin1, WANG Xuejun1, TAO Xueheng1, WANG Huihui1

( 1.National Engineering Research Center of Seafood, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China；2.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

The present situation of the research and development of kelp knot tying machine at home and abroad was introduced, and the composition of common kelp knot tying machine was analyzed. The key technologies of kelp knot tying machine in mechanism composition and control system were discussed. The structure and composition design of double flat type kelp knotting machine combining with existing technologies was proposed, to laid the foundation for the design and development of practical kelp knotted machine.

kelp; knotting machine; control system

2016-01-13.

國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(2012FU125X03)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201505029)；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014026003)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀科技人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LR2013023).

白茂東(1989-)，男，博士研究生；通信作者：楊繼新(1969-)，女，教授.

TH162

A

1674-1404(2017)04-0300-04

白茂東,楊繼新,王學(xué)俊,陶學(xué)恒,王慧慧.平結(jié)式雙條海帶打結(jié)新方法[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(4):300-303.

BAI Maodong, YANG Jixin, WANG Xuejun, TAO Xueheng, WANG Huihui. New method of double flat kelp knotting[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(4): 300-303.