劉曉偉，寇子明，白秀秀

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024，2.礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，太原 030024）

0 引言

我國(guó)是掛面生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，目前我國(guó)掛面年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)1 000萬(wàn)噸，但其中90%屬于中低端產(chǎn)品，以空心掛面為代表的高端掛面仍供不應(yīng)求［1-2］?？招膾烀嬉蚱淇诟袕楉g、容易消化吸收，深受消費(fèi)者喜歡，但受限于其復(fù)雜的制作工藝，大量工序依靠工人手工操作，生產(chǎn)效率低，難以滿足市場(chǎng)需求。

近年來(lái)，一些生產(chǎn)廠家將普通掛面的機(jī)械化生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用到了空心掛面生產(chǎn)中［3］，實(shí)現(xiàn)部分工序的自動(dòng)化生產(chǎn)，但一些空心掛面特有的工序仍依靠人工操作?？招膾烀嫔a(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行多次醒面，面片被卷成粗條后放入面盆中靜置醒面。將面條連續(xù)均勻地盤(pán)放在面盆中的過(guò)程稱(chēng)為盤(pán)條，手工盤(pán)條時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間彎腰操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大且工作效率低。

目前有關(guān)盤(pán)條裝置的研究很少。陸昌實(shí)等［4］發(fā)明了一種掛面用盤(pán)條裝置，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜難以推廣。張祖梁等［5］發(fā)明了一種線面加工用自動(dòng)盤(pán)條裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈巧，但僅適用于線面，通用性差。因此，需要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)的自動(dòng)盤(pán)條裝置，以降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高空心掛面的生產(chǎn)效率。

1 面條盤(pán)放軌跡研究

1.1 阿基米德螺線簡(jiǎn)介

一個(gè)點(diǎn)以固定的速度離開(kāi)另一個(gè)點(diǎn)的同時(shí)，又以固定的角速度繞該點(diǎn)旋轉(zhuǎn)而形成的軌跡叫做阿基米德螺線［6］，又稱(chēng)為等距曲線。阿基米德螺線的極坐標(biāo)方程［7］：

其中，a為起始點(diǎn)到極坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；θ為極角；b為螺旋系數(shù)，是常數(shù)。

阿基米德螺線的笛卡爾坐標(biāo)方程：

在笛卡爾坐標(biāo)系下引入角速度和線速度概念后，阿基米德螺線方程變?yōu)椋?/p>

其中，（x0，y0）為阿基米德螺線起始點(diǎn)坐標(biāo)；v為直線運(yùn)動(dòng)速度；w為圓周運(yùn)動(dòng)角速度。v和w均為常數(shù)。

1.2 不同參數(shù)對(duì)阿基米德螺線軌跡的影響

為了利用阿基米德螺線軌跡進(jìn)行面條盤(pán)放，研究平移速度和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)盤(pán)條軌跡的影響，利用Matlab軟件畫(huà)出不同平移速度和旋轉(zhuǎn)速度變化下阿基米德螺線形狀的變化。

圖1（a）為相同w時(shí)，不同v對(duì)阿基米德螺線形狀的影響。圖1（b）為相同v時(shí)，不同w對(duì)阿基米德螺線形狀的影響。從圖1（a）可以看出，單獨(dú)改變平移速度v時(shí)，阿基米德螺線整體直徑隨著v變大而變大，螺距也隨之變大，但其圈數(shù)相同。從圖1（b）可以看出，當(dāng)v相同，改變旋轉(zhuǎn)速度w時(shí)，圈數(shù)隨著w變大而變大，螺距隨之增大，但阿基米德螺線整體直徑相同。因此得出結(jié)論，v控制著阿基米德螺線的大小，即面條盤(pán)放范圍，w控制著阿基米德螺線的圈數(shù)，即盤(pán)條圈數(shù)，單獨(dú)改變v和w都會(huì)使螺距發(fā)生變化。

圖1 不同參數(shù)對(duì)阿基米德螺線的影響Fig.1 Influence of different parameters on the Archimedes spiral

為使螺距等于面條的直徑，必須使w和v滿足以下關(guān)系：

其中，D為面條直徑。

1.3 等速阿基米德螺線運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

常規(guī)的阿基米德螺線由勻速圓周運(yùn)動(dòng)和勻速直線運(yùn)動(dòng)合成，其線速度一直在改變，但盤(pán)條作業(yè)受限于前一道工序卷?xiàng)l的速度，需要保持盤(pán)條的速度為勻速，因而需要不斷改變旋轉(zhuǎn)速度和平移速度，以保持盤(pán)條線速度與卷?xiàng)l速度一致。

為了驗(yàn)證等速阿基米德螺線的合理性，在Adams軟件中搭建簡(jiǎn)化仿真模型，如圖2所示。

圖2 等速阿基米德螺線運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型Fig.2 Isokinetic Archimedes spiral kinematics simulation model

旋轉(zhuǎn)桿左側(cè)末端開(kāi)孔處與大地設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，平移塊與旋轉(zhuǎn)桿之間設(shè)置為平移副。首先測(cè)量平移塊質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)中心的距離，將其定義為參數(shù)R；然后采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)方法分別設(shè)定w和v。設(shè)置盤(pán)條速度為150 mm/s，面條直徑為30 mm，w為（150/R）rad/s，v為（716.2/R）mm/s。設(shè)置仿真時(shí)間為50 s，步數(shù)為2 500步。

圖3（a）為旋轉(zhuǎn)角速度曲線圖，隨著旋轉(zhuǎn)半徑的增大，角速度和角加速度都在逐漸減小，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)桿做變角加速度圓周運(yùn)動(dòng)。圖3（b）為平移速度曲線圖，平移塊相對(duì)旋轉(zhuǎn)桿平移的速度和加速度隨旋轉(zhuǎn)半徑的增大而減小，說(shuō)明平移運(yùn)動(dòng)為變加速度直線運(yùn)動(dòng)。圖3（c）為平移塊質(zhì)心絕對(duì)速度曲線圖，平移塊質(zhì)心絕對(duì)速度最高為151.2 mm/s，隨時(shí)間變化越來(lái)越接近150 mm/s。原因在于靠近旋轉(zhuǎn)中心處旋轉(zhuǎn)速度快，受限于采樣頻率，其速度誤差較大，但最大速度偏差率為0.8%，基本可以認(rèn)為其以150 mm/s做勻速運(yùn)動(dòng)。

圖3 各速度仿真結(jié)果Fig.3 Speed simulation results

平移塊質(zhì)心軌跡如圖4所示，曲線螺距均勻穩(wěn)定在30 mm，證明變速圓周運(yùn)動(dòng)和變速直線運(yùn)動(dòng)合成等速阿基米德螺線的合理性。

圖4 平移塊質(zhì)心軌跡Fig.4 Translation of the trajectory of the block centroid

2 盤(pán)條裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

自動(dòng)盤(pán)條裝置主要由橫移模組、縱移模組、送面機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，如圖5所示。

圖5 自動(dòng)盤(pán)條裝置示意圖Fig.5 Schematic three-dimensional diagram of the automatic coiling device

縱移模組安裝在機(jī)架上，其作用是帶動(dòng)橫移模組與送面機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)，使面條在盤(pán)條層數(shù)增加時(shí)及時(shí)上移，留出盤(pán)條空間。橫移模組安裝在縱移模組的移動(dòng)板上，其作用是帶動(dòng)送面機(jī)構(gòu)左右移動(dòng)，提供盤(pán)條時(shí)的平移運(yùn)動(dòng)，模組內(nèi)部通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平移運(yùn)動(dòng)。送面機(jī)構(gòu)安裝在橫移模組的移動(dòng)板上，在隨平移機(jī)構(gòu)移動(dòng)的同時(shí)，自身旋轉(zhuǎn)將面條輸送到面盆中。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架底座上，通過(guò)自身旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)面盆旋轉(zhuǎn)，提供盤(pán)條時(shí)的圓周運(yùn)動(dòng)［8］。

工作時(shí)，盤(pán)條裝置將面條沿阿基米德螺線軌跡盤(pán)放在面盆中。由于阿基米德螺線的等距特性，面條之間既排列精密又受力均勻。開(kāi)始盤(pán)條工作時(shí)，橫移模組和縱移模組首先帶動(dòng)輸面機(jī)構(gòu)復(fù)位，將面條送至最大盤(pán)條直徑處；之后啟動(dòng)送面電機(jī)，當(dāng)面條與面盆底部接觸時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)橫移電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)。面條在摩擦力作用下隨面盆一同做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)橫移電機(jī)帶動(dòng)面條向旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)，減小旋轉(zhuǎn)半徑，此時(shí)面條在盆內(nèi)由外向內(nèi)盤(pán)放。當(dāng)送面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至最小盤(pán)條半徑處時(shí)，第1層面條盤(pán)滿，平移方向改變，縱移模組帶動(dòng)送面機(jī)構(gòu)上移1個(gè)面條直徑高度，面條開(kāi)始由內(nèi)向外盤(pán)放，直至第2層面條盤(pán)滿。如此循環(huán)往復(fù)，直至面條放滿整個(gè)面盆，盤(pán)條工作結(jié)束。

2.2 送面機(jī)構(gòu)

送面機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將面條輸送至面盆中，并利用2個(gè)送面輪對(duì)面條進(jìn)行整圓，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 送面機(jī)構(gòu)Fig.6 Noodle delivery mechanism

送面電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)主動(dòng)送面輪與主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪嚙合從而帶動(dòng)從動(dòng)送面輪旋轉(zhuǎn)，因此主、從送面輪轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反。送面輪依靠與面條間的摩擦力輸送面條，面條穿過(guò)導(dǎo)嘴后進(jìn)入面盆。導(dǎo)嘴可以在盤(pán)條過(guò)程中防止面條晃動(dòng)，始終保持面條以垂直姿態(tài)與面盆底部接觸。

2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

如圖7所示，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)減速器增加扭矩后帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤(pán)與減速器通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承相連接，因此可以承受較大軸向載荷，保證面盆內(nèi)盤(pán)滿面條時(shí)仍可穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

圖7 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.7 Rotating mechanism

3 盤(pán)條裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制要求及方案

盤(pán)條裝置執(zhí)行部件分別為旋轉(zhuǎn)電機(jī)、橫移電機(jī)、縱移電機(jī)和送面電機(jī)?？刂浦攸c(diǎn)在于實(shí)時(shí)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)與橫移電機(jī)的轉(zhuǎn)速，要求盤(pán)條裝置可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置不同盤(pán)條速度與面條直徑。PLC自動(dòng)計(jì)算出各電機(jī)轉(zhuǎn)速并實(shí)時(shí)控制。各電機(jī)速度控制方案見(jiàn)圖8，其中R'為送面輪半徑。

圖8 電機(jī)速度控制方案Fig.8 Motor speed control scheme

3.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)盤(pán)條工藝要求，系統(tǒng)選用可靠性好、性?xún)r(jià)比高的臺(tái)達(dá)DVP系列PLC，具體型號(hào)為DVP32ES311T，通過(guò)產(chǎn)生高速脈沖實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的速度及位置控制。選用臺(tái)達(dá)ASD-A3-0721-E型伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，臺(tái)達(dá)DOP-110CS型操作觸摸屏。選用性?xún)r(jià)比較高的電感式接近開(kāi)關(guān)控制橫移電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化編程，分為自動(dòng)運(yùn)行模塊、手動(dòng)運(yùn)行模塊、參數(shù)設(shè)置模塊和監(jiān)控報(bào)警模塊等。自動(dòng)運(yùn)行模塊與手動(dòng)運(yùn)行模塊之間采用互鎖結(jié)構(gòu)，同一時(shí)間只能在1種模式下運(yùn)行。通過(guò)參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)定盤(pán)條速度和面條直徑等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同工況的自動(dòng)運(yùn)行。監(jiān)控報(bào)警模塊可以實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，方便設(shè)備發(fā)生故障時(shí)及時(shí)維護(hù)［9-10］。

自動(dòng)運(yùn)行模式下，按下盤(pán)條開(kāi)始按鈕，各電機(jī)自動(dòng)復(fù)位，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)以及平移伺服電機(jī)反饋回來(lái)的位置信息，自動(dòng)計(jì)算出各電機(jī)的速度；然后PLC將脈沖信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)被觸發(fā)時(shí)，橫移電機(jī)改變轉(zhuǎn)向，進(jìn)行下一層面條的盤(pán)放。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行流程如圖9所示。

圖9 自動(dòng)控制流程圖Fig.9 Automatic control flow chart

4 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，試制自動(dòng)盤(pán)條裝置樣機(jī)，并進(jìn)行效果測(cè)試，試驗(yàn)樣機(jī)如圖10所示。

圖10 自動(dòng)盤(pán)條裝置樣機(jī)Fig.10 Prototype of automatic coiling device

4.1 試驗(yàn)流程

首先利用真空和面機(jī)將面粉與鹽水混合攪拌5 min，真空度為-0.06 MPa，面團(tuán)含水量為50%；然后通過(guò)連續(xù)壓延機(jī)組將面團(tuán)壓成3 mm厚的薄片；最后利用卷?xiàng)l機(jī)將面片卷成20，30，40 mm粗的面條。

盤(pán)條開(kāi)始前，首先進(jìn)行空載測(cè)試，驗(yàn)證盤(pán)條機(jī)的動(dòng)作是否正確；然后將盤(pán)條機(jī)各執(zhí)行部件復(fù)位，將面條穿入送面輪后，按下自動(dòng)盤(pán)條開(kāi)始按鈕，開(kāi)始自動(dòng)盤(pán)條試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

盤(pán)條效果如圖11所示，3種直徑面條的測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)試結(jié)果表明，面條盤(pán)放均勻緊密，軌跡呈阿基米德螺線，驗(yàn)證了勻速阿基米德螺線仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。面條未出現(xiàn)大角度折彎及纏繞，且盤(pán)條效率較高，證明設(shè)計(jì)的自動(dòng)盤(pán)條裝置完全可以代替人工進(jìn)行空心掛面盤(pán)條工作。

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters

圖11 面條盤(pán)放效果Fig.11 Noodle plate placement effect

4.3 結(jié)果分析

由測(cè)試結(jié)果可知，面條直徑越大，允許的最小盤(pán)條半徑越大，原因在于面條的直徑越大，其自身抗拒彎曲的能力越強(qiáng)，因此需要更大的盤(pán)放半徑來(lái)減小自身的彎曲。最大盤(pán)條速度則取決于最小盤(pán)條半徑，轉(zhuǎn)盤(pán)在最小盤(pán)條半徑處的轉(zhuǎn)速最高。轉(zhuǎn)盤(pán)的最高轉(zhuǎn)速一定時(shí)，最小盤(pán)條半徑越大，其盤(pán)條速度越快。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種利用阿基米德螺線軌跡進(jìn)行空心掛面盤(pán)條的方法。通過(guò)對(duì)阿基米德螺線軌跡的研究發(fā)現(xiàn)，平移速度v控制著阿基米德螺線的大小，即面條盤(pán)放范圍；旋轉(zhuǎn)速度w控制著阿基米德螺線的圈數(shù)，即盤(pán)條圈數(shù)。并通過(guò)Adams軟件仿真驗(yàn)證等速阿基米德螺線的合理性，為自動(dòng)盤(pán)條裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

依據(jù)所提出的盤(pán)條方法完成空心掛面自動(dòng)盤(pán)條裝置的結(jié)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。盤(pán)條裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、占地面積小。試驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)盤(pán)條裝置盤(pán)條效果良好，可以替代人工進(jìn)行面條盤(pán)放，應(yīng)用到企業(yè)可以減少人工使用量、提高生產(chǎn)規(guī)范性、提升生產(chǎn)效率，能帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對(duì)于條狀柔性體的盤(pán)放具有一定的參考價(jià)值。