平结式双条海带打结新方法

白 茂 东, 杨 继 新, 王 学 俊, 陶 学 恒, 王 慧 慧

( 1.大连工业大学 国家海洋食品工程技术研究中心， 辽宁 大连 116034；2. 大连理工大学 机械工程学院， 辽宁 大连 116024 )

平结式双条海带打结新方法

白 茂 东1,2, 杨 继 新1, 王 学 俊1, 陶 学 恒1, 王 慧 慧1

( 1.大连工业大学 国家海洋食品工程技术研究中心， 辽宁 大连 116034；2. 大连理工大学 机械工程学院， 辽宁 大连 116024 )

介绍了国内外海带打结机研发技术现状，分析了现有普通海带打结机的组成机构，海带打结机在机构组成和控制系统等方面的关键技术。结合现有技术,提出了双条平结式海带打结机的设计思想与组成结构，为设计开发实用型海带打结机奠定了基础。

海带；打结机；控制系统

0 引 言

海带是人们非常喜欢食用的经济藻类，但其生产规模化程度不高，难以在国内外市场上形成较强的竞争力。海带条或海带丝的价格仅为海带结价格的30%，因此仅仅出售未加工过的海带不能获得应有的经济效益[1]。目前海带结的加工主要以人工为主，而海水的腐蚀作用对工人的身体健康有着极大的影响，导致国内外市场需求很高的海带结生产效率低下，产量供不应求[1]。海带食品的加工主要分为简单加工和深加工，所谓简单加工，就是把海带经过净化、软化、熟化、脱水、干燥、杀菌等工艺加工成海藻丝、卷、末、粉或辅以调味料的复合型食品；深加工就是提取海带的有效成分或者以海带的简单加工产品作为添加剂制成的食品。而作为海带初加工中的海带自动打结问题却始终是世界范围内的难点问题，因此海带加工企业迫切需要海带自动化加工设备，以解决海带自动化加工的实际问题[2]。

普通海带自动打结机依据的基本原理主要有：基于人手协调打结的打结机理、基于螺旋夹爪的打结成结机理、拓扑学中的曲带扭结理论和悬链线理论。这些理论为最终实现海带打结的智能化自动生产奠定必不可少的技术基础[2-4]。

1 国内外海带打结机发展现状

1.1 国外海带打结机发展现状

国外对海带自动打结技术的研究在2008年之前主要集中在日本、德国和美国，相关研究的报告很少见于期刊发表，而近几年日本主要对海带进行深加工研究并取得可观的经济成果，而其对海带结的需求主要从中国进口，国外也没有海带自动打结设备投入市场应用。

1.2 国内海带打结机发展现状

哈尔滨工业大学(威海)在自动海带打结机上作了大量的研究工作，研制了基于人手打结原理的第一代自动海带打结机和基于螺旋夹爪打结的第二代自动海带打结机[4]。产品合格率最高为70%。陈水明以及福建水产研究所也相继申请了海带打结设备的发明专利，然而打结成功率制约着海带打结设备的市场应用[5]。

青岛农业大学研发了一种应用海带加工作业的海带打结机[6]。主要包括机架、PLC控制系统和气动控制系统，机架上设置有上料装置、物料输送装置、打结装置和切割装置，采用独创的由步进电动机带动的圆盘式上料装置、3对打结指通过密切配合模拟手工打结过程完成海带打结、切割，快速方便的独特割刀结构，有效地提高了打结效率和连贯性。

李春泥等[7]发明的海带打结方法及装置，包括一次折叠装置、二次折叠装置、三次折叠装置和夹持拉伸装置及其相互匹配连接。其打结方法分为以下几个步骤：首先将海带条一次折叠成两端交错的D形，其次将一次折叠后的海带条运行二次折叠，折叠成两端交错的环形，再次将二次折叠后的海带条运行三次折叠，折叠成两端交错的回形，最后将三次折叠后的海带条运行夹持拉伸打结[7]。

吴初昆[8]发明的全自动海带打结机，包括上料机构、真空吸料机构、送料板机构、主轴钳机构、带刀钳机构和出料钳机构。上料机构用于向上提供海带，送料板机构设置在上料机构前方用于导料，真空吸料机构设置在送料板机构的一侧用于真空吸料，主轴钳机构和带刀钳机构分别设置在送料板机构前方左右两侧，真空吸料机构和带刀钳机构设置在同侧，出料钳机构设置在带刀钳机构前方用于夹出打结好的海带。

李哲[9]设计发明的双螺旋海带打结机，包括底座和固定在底座上的打结机构和夹紧机构。打结机构包括打结滑板，打结步进电机，转轴，螺旋形打结夹爪。夹紧机构包括夹紧气缸，夹紧夹爪。采用螺旋形打结夹爪通过螺旋运动完成海带打结作业，将复杂的打结动作简化成连续的螺旋运动，使一次打结在1 s内完成，可自动完成海带打结作业。

我国虽然已经设计出实现普通海带打结的自动化设备，但是这些设备普遍存在打结不稳定，打结成功的效率不高，不能够满足工业化的大规模生产要求。

2 典型普通海带打结机装置特点

海带打结机总体组成主要分为两大部分：打结机结构和控制系统。整机机构由3个工位组成：一工位是备料机构；二工位是送料机构；三工位由切断机构、挡料机构、夹紧机构、打结机构四部分组成。3个工位之间的切换均为自动完成[1]。其中打结机的核心机构是打结机构，装置的其他机构分布皆是以打结机构为核心进行布置，并为打结机构服务。打结装置的总体结构布局如图1所示。

图1 打结装置总体结构布局图

普通海带打结机打结功能的实现是装置自身在控制系统的作用下操作完成的，整个打结过程无人工干预，而打结功能的实现主要包括气缸的伸缩运动，伺服电机、调速电机的控制和夹具机构的运动，因此需要设计控制系统对打结的每个过程步骤进行精确控制。通常使用传感器元件和基于PLC的控制系统来实现。图2是基于PLC的海带打结控制原理图。哈尔滨工业大学设计的双螺旋海带打结机生产的海带产品如图3所示。

普通海带打结机的基本组成结构主要包括海带打结的成环机构和打结机构，这也是制约海带打结实用化的最主要因素。海带成环困难必然会造成海带打结困难，同时也影响单条海带成结的稳定性，海带打结机构设计不合理势必会影响海带打结的效率，这是海带打结机难以实现产业化生产的主要原因，而且我国现有的海带打结机主要实现的是单条海带打结，海带打结形式单一，缺少多样化发展。至今，我国海带打结总的技术水平仍处在研究、试验与开发阶段，要达到真正意义的实用，还有很长的一段路要走。

图2 基于PLC的海带打结控制原理图

图3 双螺旋海带打结机打出的海带结

3 双条平结式海带打结机

双条平结式海带打结机是依据平结打结原理设计制造的一种区别于普通海带打结机的新型海带自动打结设备，其生产的海带结也是平结式海带结，与普通海带结相比具有更加突出的优点和市场适应性。双条平结式海带结效果如图4所示。

图4 双条平结式海带结效果图

3.1 双条平结式海带打结机结构

双条平结式海带打结机结构如图5所示，主要包括底座和固定在底座上的支撑机构、移动滑台机构以及固定在支撑部件上的送料机构、缠绕机构和固定在底座支撑架上的打结机构。打结装置总体由完全相同的两大部分倒置装配组合而成。

1.支架；2.送料夹爪；3.缠绕气缸；4.缠绕夹爪；5.缠绕环；6.滑台；7.滑台推动气缸；8.滑台导轨；9.打结夹爪；10.打结气缸；11.倾斜气缸；12.可转支架；13.底座

图5 双条平结式海带打结机结构示意图

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

支撑机构和移动滑台机构主要包括固定在底座上的支撑板，固定在底座上用来连接打结机构的支架，固定在底座上的滑台底座和与其相连接的滑台以及固定在底座上的气缸座和固定在气缸座上的推动气缸。

缠绕机构包括固定在滑台上的伸缩气缸和固定在气缸前面的缠绕夹爪，缠绕夹爪和送料夹爪成同一水平面。缠绕夹爪围绕缠绕环进行缠绕运动，缠绕中经在25～35 mm，缠绕中心线与打结夹爪中轴线垂直。

打结机构由固定在底座可旋转支架上的打结气缸、缠绕环和固定在气缸上的打结夹爪组成。打结夹爪其长度方向与打结中心垂直，两打结夹爪间距离为50 mm。

双条平结式海带打结机依据平结打结原理通过缠绕运动完成海带打结作业，将复杂的打结动作简化成连续的缠绕伸缩运动，其结构合理，打结可靠，是一种理想的平结海带打结机，其装置总体结构如图6所示。

3.2 双条平结式海带打结实现

双条平结式海带打结机的具体作业方式为：由送料机构将海带条送至固定在支架上的送料夹爪，送料夹爪将海带条运送至固定在缠绕气缸上的缠绕夹爪，缠绕夹爪夹住海带在缠绕气缸的作用下沿气缸伸缩方向向后运动到缠绕环的后方，此时缠绕夹爪保持不动，滑台在滑台推动气缸的作用下，沿着滑台导轨向前运动，当缠绕夹爪运动过缠绕环时，滑台推动气缸停止运动，缠绕气缸伸出带动缠绕夹爪运动到图5所示位置，缠绕动作完成。此时，相同的倒置装置也完成相同动作，两个海带条同时完成绕环动作。

图6 双条平结式海带打结机装置总体结构图

绕环动作完成后，打结机构开始作用，首先套装在缠绕环中的打结夹爪在打结气缸的作用下伸出，此时打结夹爪的位置处在完成绕环的海带条的下部，打结夹爪张开并同时夹住送料夹爪和缠绕夹爪中的海带条，送料夹爪和缠绕夹爪在打结夹爪完成夹持后松开，并在相关作用部件下回归原位。此时，打结整体机构在固定在支架上的倾斜气缸的作用下，沿着倾斜气缸收缩方向向后运动，打结气缸在底部可转支架的作用下发生倾斜，海带环同时从缠绕环上脱开。打结夹爪在打结气缸的作用下向后收缩，带动夹持住的海带条完成打结工作。最后，打结夹爪松开，平结海带条打结完成，打结机构在倾斜气缸的作用下回归原位。图7是海带打结工作循环图。

图7 海带打结工作循环图

双条平结式海带打结机采用平结打结原理，利用两条海带条进行平结打结，有效地避免了海带条环绕成环的不稳定问题，同时平结式打结装置将复杂的单条海带打结简化成简单的伸缩运动，提高了打结效率，其实用性和可行性将为我国海带打结相关设备的发展提供重要的参考价值。

4 结 语

随着市场对海带结的需求增加和科学技术的发展，以及国内外科研机构、科技工作者对海带打结的研究探索，目前在海带打结问题上已经取得了重大的科研成果，相关的海带自动打结设备也已经基本成型，其成果值得肯定。但同时也应该看到相关的海带打结设备还存在打结不稳定和打结效率不能满足市场化生产的问题，这严重制约着海带加工业的发展。因此，应该一方面组织各方面技术力量，对有关的关键技术进行攻关；另一方面，将已获得的研究成果尽快推出到市场应用。

[1] 王宇锐.海带打结原理研究及海带打结机器人系统设计[D].威海:哈尔滨工业大学,2011.

[2] 刘培香.海带打结机器人的发明者——记哈工大(威海)李哲博士[N].哈尔滨工业大学报,2005-12-03(6).

[3] 王瑞鑫.海带打结原理及机构动态特性研究[D].威海:哈尔滨工业大学,2008.

[4] 王小强.基于螺旋夹爪的海带打结关键技术研究[D].威海:哈尔滨工业大学,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] 青岛农业大学.海带打结机及打结方法:104770779A[P].2015-07-15.

[7] 李春泥.海带打结方法及装置:104041863A[P].2014-09-17.

[8] 吴初昆.全自动海带打结机:103300426A[P].2013-09-18.

[9] 李哲.双螺旋海带打结机: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.

国家海洋食品工程技术研究中心项目(2012FU125X03)；海洋公益性行业科研专项(201505029)；辽宁省自然科学基金项目(2014026003)；辽宁省高等学校优秀科技人才支持计划项目(LR2013023).

白茂东(1989-)，男，博士研究生；通信作者：杨继新(1969-)，女，教授.

TH162

A

1674-1404(2017)04-0300-04

白茂东,杨继新,王学俊,陶学恒,王慧慧.平结式双条海带打结新方法[J].大连工业大学学报,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.