0 引 言
籽瓜，类属葫芦科，也称“打瓜”，具有悠久的栽培历史，甘肃和新疆等省份是其主要的种植地区[1-2]。籽瓜具有润肺、利尿和健脾的功效，还对肥胖症和糖尿病有辅助医疗作用。籽瓜种植在荒漠和绿洲沙地，栽培管理模式粗放，其相关研究比较薄弱，因此籽瓜的加工利用是籽瓜产业可持续发展的关键[3-5]。
籽瓜挖瓤机是集籽瓜挖瓤、分离和取籽功能于一体的机械，是籽瓜全利用加工生产线的关键设备[6]。相关科研机构已经研究出一系列籽瓜挖瓤装置，但仍存在作业周期长、劳动成本高和适应能力差等问题。总体来看，我国籽瓜挖瓤取籽机的研究仍处于初始阶段，机械化水平远远落后于其他农产品加工机械，仍存在许多亟待解决的问题[7-9]。
现有的籽瓜挖瓤机转位机构采用的是钢针式，在工作过程中瓜皮易被钢针划破，同时半瓜易从托盘掉落。针对这些问题，笔者设计了一种新型真空吸盘式转位机构。在现有转位机构的基础上设计了一种真空吸盘，以提高半瓜在挖瓤过程中的稳定性，增加挖瓤效率。这对于提高籽瓜的利用率，增加农民收入和提高籽瓜机械化程度具有重要意义。
1 籽瓜挖瓤机的整机结构和工作原理
籽瓜挖瓤机的装配图如图1所示，主要由上瓜机构、真空吸盘式转位机构、挖瓤刀升降机构和传动系统组成。
籽瓜挖瓤的工作可分为4个过程：上瓜并切为两个半瓜、真空吸盘式将半瓜转动到挖瓤位置、挖刀旋转实现挖瓤、瓜瓤与瓜皮分离。其机构分别为上瓜机构、真空吸盘式转位机构、挖瓤刀架升降机构和瓤皮分离装置。
籽瓜挖瓤机位为含有4个执行构件的执行机构。其中挖刀的转动由专门的电机驱动，属于独立的驱动装置。而刀架升降机构、插瓜架转位机构、上瓜机构属于集中驱动的传动系统，这些机构的运动动作顺序和时序有严格的配合协调要求，必须综合协调考虑。其特点是：①各执行机构的运动呈现周期性变化，每隔一定时间，其执行机构的位移、速度和加速度就重复一次，完成一个工作循环；②各执行构件的动作必须按时序要求相互协调，才能正常的工作。
图1 籽瓜挖瓤机整机结构简图
1.电动机 2.挖刀升降架组件 3.挖刀轴 4.小带轮 5.大带轮 6.电动机 7.挖刀组件 8.槽轮拨盘 9.槽轮 10.籽瓜托架组件 11.送瓜凸轮 12.送瓜杠杆 13.滑套 14.机架 15.真空吸盘式转位机构
2 真空吸盘式转位机构的设计
图2为籽瓜加工转位托挂盘机构的结构图，其工作部分包括真空吸盘装置、籽瓜切割装置、槽轮转位机构、真空发生器等。
图2 籽瓜加工转位托挂盘机构简图
1.架体一 2.横梁 3.轴承座 4.转杆 5.连杆 6.吸盘 7.光电开关接收器 8.圆环板 9.光电开关发射器 10.架体二 11.长杆 12.方钢管 13.刀片 14.驱动电机 15.真空发生器 16.管道 17.旋转电机
本机构的真空发生装置由光电开关控制，当真空吸盘运动到与水平位置夹角为20°时，真空吸盘开始吸附待切半瓜，真空吸盘上的光接收器与光发生器发出的信号产生对射，真空发生装置的电产生通路，真空吸盘产生负压，半瓜被吸附在真空吸盘上；当真空吸盘运动到半瓜挖瓤时，真空吸盘的固定支杆与竖直方向成45°的夹角，真空吸盘上的光接收器与光发生器发出的信号再次发生对射，真空发生装置的电产生短路，真空吸盘的负压消失，瓜从真空吸盘掉落。
2.1 槽轮转位机构的设计
转位机构的设计方案如图3所示。
图3 转位机构设计方案
转位机构的工作要求主要有三点：①转位准确、可靠；②在一个转位周期中，要求实现“运动-停止-运动-停止”的间歇运动；③运动和停歇时间严格按照运动需协调的要求。传动方案选择双圆销四槽轮机构。
根据籽瓜挖瓤机总体设计方案对夹持籽瓜的转位机构的使用要求和具体条件，结合挖瓤机的运动协调性的要求，选择转位准确可靠的四槽轮间歇运动机构完成籽瓜挖瓤机的转位操作过程。
在每个籽瓜的挖瓤过程中，都要经过“吸附半瓜-转位一定角度-停止1 s(挖刀挖瓤)-转位(同时瓤皮分离)”等过程。
由于籽瓜挖瓤机要求各个机构动作需严格协调，因此，选择合适的转位机构成为一个需重点解决的问题，而槽轮机构具有结构简单、实现转位准确可靠的优点，因此，经过与其他机构的比较后决定选择槽轮机构。
而在每个籽瓜的挖瓤过程中，都要经过“插瓜-转位、切瓜-半瓜转位-停止(挖瓤)-再转位-瓤皮分离”的过程。
2.2 真空吸盘的设计
真空吸盘通过接管与真空设备接通，然后与待提升籽瓜接触，启动真空设备，使吸盘内产生负气压，吸牢待提升物，开始搬送待提升物。当待提升物搬送至目的地时，真空吸盘开始平稳充气,吸盘内的气压开始由负变成零，真空吸盘开始脱离待提升物，完成提升重物工作。
真空吸盘有多种材料，其中橡胶制成的吸盘耐高温，硅橡胶制成的吸盘牵引力较大，聚氨酯制成的吸盘耐磨。在实际生产中，要求吸盘具有耐油性，则可以考虑使用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料来制造吸盘。一般为了避免物料的表面被划伤，最好选择丁腈橡胶或硅橡胶制成的带有波纹管吸盘，其具有较大的扯断力，因而广泛应用于各种吸持装置，如图4所示。
图4 真空吸盘三维立体图
为了确保真空吸盘能正常工作，应该考虑一定的安全系数。根据理论研究和实践经验,真空吸盘的安全系数N一般取2.5，所以许用提升重量应该，满足式(1)。
许用提升重量
(1)
由表1可知，当工件重量为3 kg时，许用提升重量为19.6 N，欲使安全系数达到要求，只需满足式(2)：
(2)
所以吸盘直径D为50 mm，吸盘吸持面积A为19.6，吸盘个数n为4，真空压力P为0.04 MPa(负压)。真空压力不同，吸盘的橡胶厚度和吸附物的摩擦系数也不同，有效吸盘直径也会缩小10%。
表1 吸盘直径、面积、垂直提升力参数表
2.3 光电开关的设计
图5为光电开关的工作原理图。采用集成电路技术和SMT表面安装工艺制造的开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能，这是一种脉冲调制主动式的光电探测系统型电子开关，它有红色光和蓝色光等冷光源，可无损伤迅速控制各种物质的状态和动作，其输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘绝)，可以在许多场合得到应用[10]。图6是光电开关的工作示意图，光电开关是传感器的一种，它通过转化发射端和接收端之间光的强弱为电流的变化，以达到探测的目的。
图5 光电开关工作原理图 图6 对射式光电开关工作示意图
2.4 真空发生器
图7为真空发生器的结构示意图，由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管、负压腔、和接收管等组成，有供气口、排气口和真空口，当供气压力高于阈值时，喷管射出的超声速射流。由于气体的粘性，高速射流卷吸走负压腔内的气体，使该腔形成很低的真空度，在真空口A处粘结真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸取物体。真空发生器用于产生真空，结构简单，体积小，无可动机械部件，安装和使用都很方便，应用广泛，真空发生器产生的真空度可达到88 kPa。压空气通过收缩的喷腾后,从喷嘴喷射出的高速气流卷吸收周围的静止流体，从而在接受室形成负压，诱导二次真空。
图7 真空发生器结构示意图
1.拉瓦尔喷管 2.负压腔 3.接收管 4.排气口
3 结 论
针对现有的设计中籽瓜挖瓤机工作过程中瓜皮易被钢针划破和瓜易从托盘掉落等问题，设计了一种新型的半瓜真空吸盘式转位机构。通过理论分析得出吸盘直径为50 mm，吸盘吸持面积为19.6，吸盘个数为4，真空压力为0.04 MPa。该转位机构托挂盘结构采用真空吸盘对半瓜进行吸附，结构合理，实用性强，挖瓤效率高。这对于提高籽瓜的利用率，增加农民收入和提高籽瓜机械化程度具有重要意义。
参考文献:
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