阅读说明：本技术 窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备及方法 (Nest hole self-positioning long-diameter striking type high-dewed walnut shell breaking and kernel taking equipment and method ) 是由 李长河 刘明政 张紫薇 张小虎 李心平 车稷 何光赞 杨会民 吐鲁洪·吐尔迪 李佳 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备及方法。其中该装备包括喂料定位装置,其用于将核桃以长径姿态出料；链板送料装置,其用于通过窝眼固定出料的长径姿态核桃并将核桃送至一次破壳装置；一次破壳装置,其用于模仿人工敲击破壳实现破壳动作；二次破壳装置,其包括螺旋滑道,所述螺旋滑道可旋转,以使得一次破壳装置处理后的核桃在重力作用下沿螺旋滑道向下滚动,实现对核桃的二次破壳；壳仁分离装置,其利用压强差产生的气压动力,以分离壳仁。(The invention provides a nest eye self-positioning long-diameter hitting type high-dewed walnut shell breaking and kernel taking device and method. The device comprises a feeding positioning device, a feeding positioning device and a discharging positioning device, wherein the feeding positioning device is used for discharging walnuts in a long-diameter posture; the chain plate feeding device is used for fixing the discharged walnuts in the long-diameter posture through the cells and feeding the walnuts to the primary shell breaking device; the primary shell breaking device is used for simulating manual knocking shell breaking to realize shell breaking action; the secondary shell breaking device comprises a spiral slideway, and the spiral slideway can rotate so that the walnuts processed by the primary shell breaking device roll downwards along the spiral slideway under the action of gravity to realize secondary shell breaking of the walnuts; and the shell and kernel separating device utilizes the air pressure power generated by the pressure difference to separate the shell and kernel.)

窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备及方法

技术领域

本发明属于核桃破壳加工技术领域，尤其涉及一种窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前我国核桃产业的发展仍然存在一些不利因素，例如：1)核桃生产标准化程度低，果实品质难以保证，核桃生产经营者农民存在比较严重的老龄化情况。从而致使核桃生产的相关标准措施无法落实到位，整体标准化水平较低。2)组织化程度较低，加工研究滞后，尽管各地核桃基地的政府在产业开发时做了大量工作，鼓励支持成了果业协会等核桃产业组织，但此类型组织形式多比较松散，并没有风险承担能力。我国核桃加工研究存在一定的滞后性，这使得核桃发展速度受到限制。3)随着核桃产量和市场需求不断增加，而果农对核桃加工疏于管理，核桃深加工成为科研和生产中日益凸显的问题。在核桃破壳取仁的诸多方式中，人们往往采用手工的方法对核桃进行破壳，然而这种破壳取仁的工作效率极低，而且人工成本较高，再加上核桃外壳硬而厚、不规则以及核桃内部多分隔、核仁脆等特点，给核桃的破壳取仁工序带来了很大的困难。

针对上述存在问题，科技工作者们提供了大量的技术支持，理论思路，例如：

青岛理工大学的李长河等发明了自动输送定位的核桃破壳装置及其使用方法(专利号：ZL201610225509.5)。它包括设于机架的至少一个核桃固定机构和至少两根撞击杆，核桃固定机构的上方设有核桃喂料斗，核桃破壳模具开有核桃定位孔，在核桃定位孔的两侧各设有用于覆盖核桃定位孔的定位定量送料滑块，核桃破壳模具的侧壁开有至少两个与核桃定位孔相通的开孔，多根撞击杆在移动机构的带动下穿过与每根撞击杆对应的开孔撞击设置于核桃定位孔内的核桃；

青岛理工大学的李长河，王玉成等发明了一种自定位预破壳同向螺旋自分级柔性挤压核桃破壳取仁装置(专利号：ZL201611045149.7)。它包括固定于机架上的间歇性送料装置、预破壳装置、柔性破壳装置和分离装置，间歇性送料装置为预破壳装置间歇批量送料，预破壳装置包括相互配合的挤压部和落料部，挤压部往复运动与落料部配合挤压核桃以使其产生裂纹，落料部往复运动使挤压后核桃掉落至柔性破壳装置，柔性破壳装置对核桃进行破壳，再通过分离装置将破壳后的壳、仁分离存储。由多个系统集成，结构紧凑，不仅降低了机器制造成本，还缩减了机器运行的占地面积，有利于机械的小型、高效化。结构设计可实现拼接组合等多种连接配合工作，能够满足各种生产规模、生产场所的需要，同时也适用于家庭，应用更加广泛。

石河子大学的郑霞等发明了一种基于预处理核桃的破壳机(专利号：CN201910939581.8)。它包括机架、叶轮喂料装置和对辊挤压装置；叶轮喂料装置通过叶轮喂料，使核桃有序的落入对辊挤压装置，保证喂料效率；对辊挤压装置的辊子进行结构优化，其辊子上V形环槽与辊段交替设置，避免核桃相互干涉，提高破壳效率，同时一个辊子固定设置，另一个辊子可调，以适应不同大小的核桃破壳，并提高露仁率；叶轮喂料装置和对辊挤压装置均选用链传动形式驱动，并使两者的驱动速度相匹配，使物料流畅，保证破壳机工作的连续性，提高效率；辊子的外表面包裹有PVC带，减少核桃下料时的跳动，提高挤压效率，同时PVC带增大核桃在挤压工作区的适应性，得到较高的露仁率。该装置提高了喂料效率，使破壳率和露仁率有一定程度的提高，但其所加工的核桃需提前经过预处理，自动化程度低。

青岛理工大学的李长河、刘明政等发明了一种凸轮滚子式核桃水平破壳挤压系统(专利号：CN201911168497.7)。它包括固定于机架的喂料装置、破壳装置、落料装置,喂料装置设于破壳装置上方,破壳装置下方设置落料装置；喂料装置包括喂料箱,喂料箱内设置间歇式喂料辊,间歇式喂料辊一侧安装喂料挡板,另一侧安装可调喂料刮板机构,间歇式喂料辊内设有相隔的喂料槽；破壳装置包括挤压箱体,挤压箱体内相对安装动齿形挤压板和定齿形挤压板,动齿形挤压板远离定齿形挤压板一侧安装挤压凸轮,动齿形挤压板和定齿形挤压板分别具有多个齿隙；核桃通过喂料装置后落在动齿形挤压板和定齿形挤压板的间隙,挤压凸轮带动齿形挤压板进行周期性往复运动,与定齿形挤压板同步配合对核桃进行挤压破壳。

发明人发现，以上破壳取仁机整体存在的不足是：现有破壳装置的破壳效果并不理想，普遍存在单位能耗高，经济性差的缺点，核桃的破壳效果虽然能满足商业发展的需要，但在核桃破壳效率和整仁率方面还存在很大问题，由于核桃本身形状不规则，大小不一，破壳时受此影响，不同的核桃破壳程度不同，有的只是核桃壳表面出现裂纹，但未完全破壳，有的核桃碎仁过多，大大降低了商业价值，由此得到的核桃仁的品质要求如整仁率和人工破壳还有一定的差距，核仁损失率较高，破壳效果较差，破壳质量较低，往往需要多次重复破壳，经济效益低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备，其集喂料定位、送料、破壳、壳仁分离四大功能于一体，提高了核桃破壳率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备，包括：

喂料定位装置，其用于将核桃以长径姿态出料；

链板送料装置，其用于通过窝眼固定出料的长径姿态核桃并将核桃送至一次破壳装置；

一次破壳装置，其用于模仿人工敲击破壳实现破壳动作；

二次破壳装置，其包括螺旋滑道，所述螺旋滑道可旋转，以使得一次破壳装置处理后的核桃在重力作用下沿螺旋滑道向下滚动，实现对核桃的二次破壳；

壳仁分离装置，其利用压强差产生的气压动力，以分离壳仁。

为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备的工作方法，其集喂料定位、送料、破壳、壳仁分离四大功能于一体，提高了提高核桃破壳率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备的工作方法，包括：

将核桃以长径姿态出料；

通过窝眼固定出料的长径姿态核桃并将核桃送至一次破壳装置；

模仿人工敲击破壳实现破壳动作；

利用可旋转的螺旋滑道，以使得一次破壳装置处理后的核桃在重力作用下沿螺旋滑道向下滚动，实现对核桃的二次破壳；

利用压强差产生的气压动力，以分离壳仁。

本发明的有益效果是：

本发明集喂料定位、送料、破壳、壳仁分离四大功能于一体的窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备，采用喂料定位装置实现间歇、有序喂料，核桃自定位以长径姿态精准落料；采用链板送料装置，实现在窝眼内持续固定核桃姿态，有序送料；采用一次破壳装置中偏心凸轮的往复运动实现一对一破壳动作，提高核桃破壳率；采用壳仁分离装置利用真空泵产生的压强差实现可控性强的壳仁分离动作。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备轴测图；

图2为窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备俯视图；

图3为窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备去机架主视图；

图4为窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备去机架轴测图；

图5为喂料定位装置轴测图；

图6为喂料定位装置俯视图；

图7为下料管局部剖视图；

图8为振动盘轴测图；

图9(a)为振动盘B-B剖面正视图；

图9(b)为振动盘B-B剖面俯视图；

图10为下料管轴测图；

图11为光电感应装置轴测图；

图12为动力装置轴测图；

图13为动力装置俯视图；

图14为动力装置主视图；

图15为链板送料装置与一次破壳装置轴测图；

图16为单链排全剖视图；

图17为链板与窝眼轴测图；

图18为窝眼剖视图；

图19为一次破壳装置轴测图；

图20为一次破壳装置主视图；

图21为二次破壳装置轴侧图；

图22为螺旋滑道剖视图；

图23为凸轮轴轴侧图；

图24为仿生机械臂动作原理图1；

图25为仿生机械臂动作原理图2；

图26为仿生机械臂动作原理图3；

图27为凸轮推程从动件位移线图；

图28为偏置直动从动件盘形凸轮的轮廓曲线图；

图29为壳仁分离装置轴测图；

图30为壳仁分离装置主视图；

图31为壳仁分离装置俯视图；

图32为真空泵、真空管道及真空阀门轴测图；

图33为下料筒轴测图；

图34为下料筒主视图；

图35为下料筒剖视图；

图36(a)为分离轨道局部E-E剖面正视图；

图36(b)为分离轨道局部E-E剖面俯视图；

图37为下料筒中下落物体的受力分析图；

图38为核桃仁在分离轨道上的受力分析图；

图中I-喂料定位装置，II-动力装置，III-链板送料装置，IV-一次破壳装置，V-二次破壳装置，VI-壳仁分离装置。

I-01-光电感应装置1，I-02-振动盘，I-03-三棱柱，I-04-直震轨道，I-05-直震器，I-06-下料管，I-07-光电感应装置2，I-08-振动盘支撑架，I-09-下料管阀门；

II-01-主动轴，II-02-传送带1，II-03-传送带2，II-04-电动机1，II-04-减速器1；

III-01-承重轮，III-02-链板，III-03-窝眼，III-04-主动链轮，III-05-定位螺钉，III-06-十字花刀式四处突起；

IV-01-销轴，IV-02-滚动螺钉，Ⅳ-03-敲击锤，Ⅳ-04-拉环，Ⅳ-05-仿生机械臂，Ⅳ-06-横杆，Ⅳ-07-复位弹簧，Ⅳ-08-凸轮轴，Ⅳ-09-偏心凸轮；

V-01-收料滚筒，Ⅴ-02-收料斗，Ⅴ-03-固定锥齿轮，Ⅴ-04-螺旋滑道，Ⅴ-05-侧壁，Ⅴ-06-直齿锥齿轮，Ⅴ-07-固定环，Ⅴ-08-传送带3，Ⅴ-09-减速器2，V-10-电动机2；

VI-01-真空装置，VI-02-真空管道1，VI-03-真空装置支撑架，VI-04-下料筒，VI-05-核桃壳收集处，VI-06-分离轨道支撑架，VI-07-分离轨道，VI-08-核桃仁收集处，VI-0101-真空阀门，VI-0102-真空管道2，VI-0103-真空泵，VI-0401-下料筒上底面，VI-0402-下料筒侧曲面，VI-0403-下料筒下底面。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，发明人发现，现有核桃破壳装置的破壳效果并不理想，普遍存在单位能耗高，经济性差的缺点，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种一种窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备。

下面结合附图对本实施例公开的窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备做进一步的说明：

参照附图1-图4所示，窝眼自定位长径击打式高露仁核桃破壳取整仁装备包括喂料定位装置I、动力装置II、链板送料装置III、一次破壳装置IV、二次破壳装置V和壳仁分离装置VI，所述喂料定位装置I位于机架左上方，动力装置II位于喂料定位装置下方I，链板送料装置III位于机架中间，将核桃从喂料定位装置I送至一次破壳装置IV，二次破壳装置V位于一次破壳装置IV下方，壳仁分离装置VI位于机架右下方，与二次破壳装置V下部相连接。

参照附图5-图11所示，喂料定位装置包括光电感应装置1I-01、振动盘I-02、三棱柱I-03、直振轨道I-04、直震器I-05、下料管I-06、光电感应装置2I-07，振动盘支撑架I-08和下料管阀门I-09，两个并行放置的振动盘I-02位于振动盘支撑架I-08上，光电感应装置1I-01位于振动盘内部轨道的出口处，如图8、图9(a)和图9(b)所示振动盘I-02内部轨道螺旋上升，振动盘上的直震轨道I-04与下料管I-06外壁焊接内部连通，直震器I-05位于直震轨道I-04下方，共有四个，三棱柱I-03位于两并行放置的直振轨道I-04中间进口处，如图6所示下料管I-06进口处不规则梯形，上底面为曲面，侧壁为V型槽，保证核桃在下料管I-06中下落时，仍然是长径姿态下落，下料管I-06出口处与进口处形状相同，下料管I-06出口处设有阀门I-09，光电感应装置2I-07位于下料管下方前排窝眼处。

所述振动盘的材料为不锈钢；在其他实施例中，振动盘也可采用其他材料构成。

所述振动盘底座下表面设置有多个支撑脚，所述支撑脚设置有三个，所述支撑脚设置在底座下表面的边侧；

所述振动盘包括盘体，所述盘体设置有螺旋上升的轨道；所述盘体包括支撑底部以及自支撑底部的边缘起沿所述支撑底部的轴向一侧延伸而成的环形侧部；所述支撑底部的表面成圆形；螺旋上升的轨道设置在环形侧部的内壁上；

所述并行放置的两个振动盘的振动料斗中螺旋上升的轨道的旋向不同，V型槽滑道左侧的振动盘内螺旋上升的轨道旋向为逆时针，V型槽滑道右侧的振动盘内螺旋上升的轨道旋向为顺时针。

本实施例的V型槽滑道宽度比核桃横径稍大一点，从而保证核桃以长径方向进入V型槽滑道；本实施例的光电感应装置有三个，其中两个放置在振动盘料斗的出口处，实现满料停振，另外一个安装在与下料管正对的前一排窝眼的正上方，实现精准落料；本实施例采用喂料定位装置，使核桃固定以长径姿态有序、间歇地进入破壳装置，避免了核桃在送料过程中卡阻、搭桥，提高了送料效率与质量。

参照附图12-图14所示，动力装置包括主动轴II-01，传送带1II-02，传送带2II-03，电动机1II-04，减速器1II-05，主动轴II-01放置于机架上，通过传送带1II-02与减速器1II-05相连，减速器1II-05通过传动带2II-03与电动机1II-04相连；

参照附图15-18所示，链板送料装置III包括承重轮III-01、链板III-02、窝眼III-03和主动链轮III-04，电动机1II-04和减速器1II-05通过传送带1II-02为主动轴II-01提供动力，主动轴II-01与主动链轮III-04用键连接，主动链轮III-04在带传动作用下顺时针转动，链排与主动链轮III-04相互啮合，在主动链轮III-04的带动下顺时针向前运动，链板III-02与窝眼III-03通过定位螺钉III-05固连，窝眼III-03内部有十字花刀式四处凸起III-06沿窝眼III-03底部周向均匀分布。

在本实施例中十字花刀式四处凸起沿窝眼内壁均匀周向分布，与水平面呈60°夹角。在其他实施例中，十字花刀式四处凸起与水平面也可为其他角度。

本实施例采用链板送料装置，链板上窝眼底部设有十字花刀式四处凸起，与水平面呈60°夹角，使核桃被击打破壳时核桃底部四点受力，其破壳效果远益于单向击打破壳。

参照附图19-图20所示，一次破壳装置IV包括销轴IV-01，滚动螺钉IV-02，敲击锤IV-03，拉环IV-04，仿生机械臂IV-05，横杆IV-06，复位弹簧IV-07，凸轮轴IV-08，偏心凸轮IV-09，其中销轴IV-01和滚动螺钉Ⅳ-02通过螺栓连接，销轴与拉杆焊接在一起，拉杆与仿生机械臂Ⅳ-05通过拉环Ⅳ-04连接，仿生机械臂通过横杆Ⅳ-06与机架相连，复位弹簧Ⅳ-07也通过横杆与机架相连，凸轮轴Ⅳ-08与偏心凸轮Ⅳ-09焊接在一起，图示四个销轴互不相连，可分别拆卸，方便维修更换，图23所示的凸轮轴安装在机架上，机架与凸轮轴间有滚动轴承，为严格保证敲击锤精准敲打窝眼，承重轮III-01与凸轮轴IV-08通过链传动连接，通过链传动为凸轮轴提供转动的动力，图示凸轮轴顺时针旋转；敲击锤安装在仿生机械臂的前端，是破壳作业的关键单元，敲击锤的质量与仿生机械臂的有效作用长度决定了作业过程中的破壳能量的大小，仿生机械臂的中后端安装有复位弹簧，复位弹簧上端连接着仿生机械臂，而下端通过横杆固定在机架之上，在凸轮推动机械臂上抬的过程中，弹簧通过机械拉伸蓄积弹性势能，在下落过程中，释放能量，与敲击锤的自重共同作用，转变为所需的破壳能量。通过对弹簧预紧力的调节可以在一定程度上对破壳能量的大小进行微调。仿生机械臂安装在横杆上，横杆与机架焊接在一起，仿生机械臂可绕横杆自由转动，完成抬起下落动作。拉杆与销轴焊接在一起，拉杆与销轴的焊接角度为90度。

本实施例的仿生机械臂沿垂直于窝眼轴心线的方向布置并可摆动地安装在机架上；所述仿生机械臂的一端位于窝眼的上方用于对位于其下方的窝眼中的核桃进行敲击；所述偏心凸轮焊接在凸轮轴上，且每当偏心凸轮转动一周，偏心凸轮通过推动滚动螺钉，拉动仿生机械臂进行一次敲击动作；所述仿生机械臂的下方且位于其摆动支撑点远离窝眼的一侧设有竖直安装在机架上的弹簧。

本实施例采用一次破壳装置，通过偏心凸轮控制仿生敲击锤升起、落下，以及通过设计特殊的窝眼，可以实现对核桃高效率的破壳，并且不损伤核桃仁；仿生机械臂一对一击打窝眼中的核桃，核桃被逐个击打，长径受力，极大的提高了破壳效率。

参照附图21-图22所示，二次破壳装置V包括收料滚筒V-01、收料斗V-02、固定锥齿轮V-03、螺旋滑道V-04，侧壁V-05，直齿锥齿轮V-06、固定环V-07，传送带V-08以及螺旋滑道上的障碍突起，收料滚筒V-01与收料斗Ⅴ-02焊接在一起，侧壁Ⅴ-05与直齿锥齿轮Ⅴ-06通过固定环Ⅴ-07连接，电动机2Ⅴ-10通过传送带3Ⅴ-08带动直齿锥齿轮转动，直齿锥齿轮V-06与固定锥齿轮V-03啮合，固定锥齿轮与螺旋滑道V-04焊接在一起，固定锥齿轮V-03带动螺旋滑道V-04转动。螺旋滑道旋向向上，滑道上设置有许多障碍突起，核桃在滚落的过程中与障碍突起反复碰撞，实现二次破壳。

所述收料滚筒入口处为矩形，出口处为圆形的锥形收料滚筒；

螺旋滑道外侧有自螺旋滑道底部边缘起沿轴向延伸而成的环形侧壁；

锥齿轮一个固定安装在螺旋滑道顶部中心，另一个通过固定环固定安装在螺旋滑道环形侧壁上；本实施例采用螺旋碎壳滑道实现二次破壳，螺旋碎壳滑道的滑道面上设有大量圆滑的障碍凸起，较硬的核桃壳在多次碰撞过程中被二次碰碎，可以实现对核桃的彻底破壳，由于障碍凸起圆滑，不会损伤核桃仁，提高了整仁率。

参照附图24-图28所示，仿生机械臂的动作24所示，水平面为零势能面，动作时B点受拉向上运动，带动锤头向上提升，转过一个角度θ，B点处拉力消失，锤头A在重力和弹簧拉力的作用下向下运动。整个系统为保守系统，重力势能与弹性势能转化为动能，即可获得所需破壳能量。A点为锤头质点；B点为拉杆作用点；C点为仿生机械臂质点；D点为弹簧拉力点；O点为仿生机械臂旋转点；m_2为锤头质量；m_1为仿生机械臂质量；F为弹簧拉力；θ为仿生机械臂的摆角。

仿生机械臂在运动过程中，忽略摇臂，过程中满足能量守恒方程，则物体转动动能关系式如式(3-1)所示。

由式得：

式中为仿生机械臂与敲击锤对旋转点的转动惯量，kg·m²；

式中：m_i为质点系中各质点的质量，g；

v_i为质点系中各质点的速度，m/s；

r_i为质点系中各质点到O点的距离，mm；

k为弹簧的刚度系数；

ω为角速度，rad/s；

Δδ＝l_ODsinθ为弹簧的形变量，mm；

l_OD为弹簧拉力点到旋转点的距离，mm；

l_OC为仿生机械臂质点到旋转点的距离，mm；

l_OA为敲击锤到旋转点的距离，mm；

θ为仿生机械臂摆动角度，(°)；

const为常量。

将上式对时间求导。则有仿生机械臂运动的微分方程：

令

则有：

由式(4)可知，敲击锤的能量与仿生机械臂的摆动角度呈正相关。因此在弹簧规格型号确定的情况下，通过对凸轮轮廓曲线的设计便可控制敲击锤的能量。

下面对凸轮与滚动螺钉失去接触的前一瞬间仿生机械臂的运动进行分析，由于拉杆与销轴焊接在一起，则可视其为一个构件，而销轴与凸轮通过滚动螺钉接触，且凸轮推动滚动螺钉直动，销轴绕滚动螺钉旋转，则整个机构可以简化为图25所示的曲柄滑块机构。构件4为主动件，构件2为从动件，利用三心定理可以求出构件2与构件4的瞬心P₂₄，由于选定的凸轮推程的运动规律为等加速等减速运动，则可知在凸轮与滚动螺钉失去接触的前一瞬间，构件4的速度为：

v＝0 (4)

由于构件2与构件4在瞬心P₂₄点处的速度相同，则：

由式(4)(5)可得：

ω＝0 (6)

查阅相关文献可知，单个核桃所需破壳能量集中在0.6-0.9J，故而考虑到参数化设计的特殊而又不失一般性，在本次设计中，将破壳能量设计为0.8J。这样可以保证高破壳率的同时减少果仁损失。

则仿生机械臂的参数特性如表1所示。

表1机械臂参数特性

如图26所示，当仿生机械臂上升45°时，可得滚动螺钉上升的高度l_FF′约为110mm，因此取凸轮推程h为110mm。

以下为凸轮的详细设计：

凸轮的轮廓曲线取决于从动件的运动规律，选取合适的从动件运动规律是设计合理凸轮轮廓曲线的关键。在本设计中核桃的破壳过程为一次重敲击，故而凸轮设计为一个可升离式凸轮，包括一个升程段和一个休止段。凸轮敲击段的轮廓曲线长度约为动作周期，即凸轮转角约为150°。

考虑到凸轮处于低中速运行状态，且仿生机械臂的工作过程只要求凸轮转过某一角度δ₀°时，推杆完成一行程h，至于推杆在完成此行程过程中的运动规律如何，则不作严格要求，在此情况下，为了便于加工，则采用多项式运动规律，由于一次多项式运动规律具有刚性冲击，而高次多项式运动规律太过于复杂，故而采用二次多项式运动规律即等加速等减速运动。

等加速等加速运动是指推杆在一个行程h中，先作等加速运动，后作等减速运动，且加速度与减速度的绝对值相等。当凸轮开始作等加速运动时，显然其位移为：

当等加速阶段结束时，推杆的位移为：

由此可得：

整理后得推杆在等加速运动阶段的运动方程式为：

同理可得推杆在等减速运动阶段的运动方程式为：

代入数据可得如27图所示凸轮推程时从动件的位移线图

利用反转法求得偏置直动从动件盘形凸轮的轮廓曲线如图28所示

偏心凸轮的参数如表1所示：

表2凸轮部分参数

参照附图29-图36(b)所示，壳仁分离装置VI包括真空装置VI-01、真空管道VI-02、真空装置支撑架VI-03、下料筒VI-04、核桃壳收集处VI-05、分离轨道支撑架VI-06、分离轨道VI-07，核桃仁收集处VI-08，真空阀门VI-0101，真空管道2VI-0102，真空泵VI-0101，下料筒上底面VI-0401、下料筒侧曲面VI-0402下料筒下底面VI-0403，其中真空管道VI-02与核桃壳收集处VI-05连接，真空阀门VI-0101来改变气流方向，调节气流量大小，切断或接通管路，核桃壳收集处VI-05位于分离轨道VI-07右侧下方，下料筒VI-04位于分离轨道VI-06上方，其上底面和下底面都为圆形，侧曲面的投影曲线斜率差为90度，下料筒VI-04内部打通，如图28所示，分离轨道内部底面有坡度，当核桃壳、仁在下料筒VI-04中下落时，受压强差的影响密度较轻的核桃壳将顺着下料筒VI-04被推至分离轨道右侧，直接落入核桃壳收集处VI-05，若核桃壳落在分离轨道上，将在气压动力及重力的作用下滚落至核桃壳收集处，最终被收集起来。而核桃仁由于密度大，下落时间短，不能被气压动力推动，则顺利落在分离轨道上，然后在重力作用下滚落，最终落入核桃仁收集处被收集起来。

下料筒两侧投影曲线斜率差为90°，即下料筒高度为下底面半径的二分之一，侧壁斜率的变化与核桃轨迹方向的变化一致，由竖直方向变为水平方向，可减少核桃与壁面的碰撞，使分离过程顺畅、高效。

所选真空泵为2xz-2型旋片式真空泵，其极限压力为0.06帕，一方面可满足壳仁分离所需压强差，另一方面其结构较简单，使用方便，能从大气压力下起动，可直接排入大气，偏心质量较小，维护简便。

分离轨道核桃仁收集处倾斜度α取值范围为35°～50°，当核桃仁落在分离轨道上后，倾斜度可使核桃仁在轨道面上受到的重力作用大于气压动力和摩擦力的作用，使得核桃仁能沿分离轨道缓慢滚落，减少与壁面的碰撞冲击，一段时间后可顺利落入核桃仁收集处中。

本实施例采用壳仁分离装置，由于壳仁分离所需的气压动力可控性强，装置中分离轨道倾斜度可调整，对不同物料、同一物料不同品种都可实现壳仁分离，可广泛应用于不同的生产环境。

参照附图37-图38所示，下面详细介绍壳仁分离装置适用压强差的范围，如图37所示为下料筒中下落物体的受力分析图，因空气阻力对壳仁下落的影响极小，故忽略不计。图37中，F_压为由压强差提供的气压动力，G为下落物体的重力。当核桃壳从下料筒VI-04最左侧下落时,此时至核桃壳收集处VI-05水平距离最大，若在此处开始下落的核桃壳能顺利在气压动力和重力的作用下落入核桃壳收集处，则下料筒下底面VI-0403间任意位置处的核桃壳都能满足分离条件。

在x方向上：Fx＝PS′

在y方向上：Fy＝G

Fx＝ρVa

Fy＝ρVg

式中：ρ-核桃壳密度

V-核桃壳体积

a-核桃壳在x方向上加速度

g-核桃壳在y方向上加速度

Fx-核桃壳x方向上合力

Fy-核桃壳y方向上合力

P-为压强差

S′-气压动力与核桃仁的接触面积

在x方向上有

在y方向上有

式中：X-核桃壳在x方向上移动距离，h-核桃壳在y方向上移动距离

要使核桃壳落在分离轨道上之前落在核桃壳收集处，需满足

X＞B，即

式中：X-核桃在x方向上移动距离，B-下料筒底面距核桃壳收集处的最大距离

当核桃仁在下料筒底面VI-0403最右侧下落时，距核桃壳收集处VI-05水平距离最小，若此时核桃仁能在气压动力作用下顺利落在桃壳收集处VI-05左侧，则在下料筒底面VI-0403间任意位置处的核桃仁都满足分离条件，同理可得：

X＜b，即

式中：ρ′-核桃仁的密度，V′-核桃仁的体积，S′-气压动力与核桃仁的接触面积，X-核桃在x方向上移动距离，b-下料筒底面距核桃壳收集处的最小距离。

如图30所示为核桃仁在分离轨道上的受力分析图。

在x方向上，Fx＝Fv·cosα-Ff-Gsinα，Fv＝PS

在Y方向上，Fn＝Gsinα

式中：Fx-x方向上合力

Fn-y方向上合力

Ff-核桃壳所受摩擦力

G-核桃壳重力

P-压强差

S-气压动力与核桃壳接触面积

要使核桃壳能在气压动力作用下被推至核桃壳收集处VI-05

需满足：

Fv·cosα＞Ff+Gsinα，即

同理核桃仁需满足

Fv·cosα＜Gsina-Ff，即

式中：Fv-核桃壳所受气压动力

Fv′-核桃壳所受气压动力

Ff-核桃壳所受摩擦力

Ff′-核桃仁所受摩擦力

μ-核桃壳与滑道面间动摩擦因数

μ′-核桃仁与滑道面间动摩擦因数

S-气压动力与核桃壳接触面积

S′-气压动力与核桃仁接触面积

本装置为达到工作10h分离700kg壳仁的目的，故采用B＝500mm，b＝50mm，h＝150mm根据核桃壳、仁在分离轨道上的滑动实验设定，核桃壳、仁在滑道上所受的摩擦力，由核桃壳、仁在分离轨道上的滑动实验确定，根据摩擦力和重力之间的关系式，测得μ＝μ1＝0.28，由此计算出分离轨道与水平夹角α≈45度(实际设备中α角为可调，其取值范围为35°～50°，即分离轨道的斜度可调)

要使核桃仁下滑，核桃壳在气压动力作用下上升，必须同时满足式(8)(9)(10)(11)

式中核桃仁密度ρ＝1.23g/cm³，核桃壳密度ρ1≈0.47g/cm³.

整理计算得：

2457kpa＜P＜28.8kpa (16)

参照公式(8)(9)(10)(11)可知，装置所需压强差与分离轨道倾斜度α和核桃壳仁与分离轨道的摩擦因数μ有关，通过调节这二者的取值，可实现对气压动力大小的调节。所以，本装置所需压强差应在上述范围内，才能使产生的气压动力既能使较轻的核桃壳被推至核桃壳收集处VI-05右侧，又能使密度较大的核桃仁顺利沿分离轨道VI-07下滑。需要注意的是，由于核桃仁在下落时，具有很小的初速度(本部分讨论中略去不计)，所以分离轨道底面倾斜度的最高点位置可适当右移。

本实施例的该装置的工作原理为：

核桃通过喂料定位装置实现自定位送料，振动盘内部脉冲电磁铁以一定频率振动，使核桃沿振动盘轨道以一定速度上升，当经过螺旋滑道的末端时，核桃被分为两股，进入筛选装置，筛选装置中三棱柱和V型槽相互配合使得核桃以长径姿态躺倒进入下料管中，核桃进入下料管后，由于下料管底部设有阀门，核桃不会直接下落，只有当前一排窝眼上方的光电感应装置检测到窝眼通过时，控制器控制下料管阀门打开，此时核桃以长径姿态垂直落入下料管正下方的窝眼中；当核桃堆满下料管和筛选装置，振动盘料斗出口处的光电感应装置长时间检测到有核桃时，控制器控制振动盘停振，实现满料停振，一段时间后，振动盘复振。核桃以长径姿态垂直落入链板上的窝眼中，窝眼底部采用十字花刀式四处凸起，可以使核桃被击打时四点受力，从而加强破壳效果；电动机通过带传动带动主动链轮顺时针转动，主动链轮与链排(此处链排可与主动链轮啮合，不是严格意义上的链条)啮合，链排在主动链轮带动下顺时针转动向前送料，直至将核桃送至承重轮处，由于每一排窝眼前后距离固定，所以链板送料装置可实现核桃精准、间歇、有序送料。核桃被送至承重轮处，链排带动承重轮转动，再经由带传动带动凸轮轴顺时针转动，凸轮轴与偏心凸轮焊接，偏心凸轮推动滚动螺钉，从而推动销轴上升，销轴通过拉杆拉起敲击锤，同时与仿生机械臂相连的复位弹簧被拉伸，复位弹簧与仿生机械臂通过拉环连接；凸轮继续顺时针转动，与销轴上的滚动螺钉突然失去接触，敲击锤在重力及弹簧拉力的作用下，敲击窝眼中的核桃，实现一次破壳。经一次破壳后的核桃随链排转动在重力作用下落入收料斗中，收料斗将核桃集中送入螺旋滑道上方，电动机通过锥齿轮带动螺旋滑道旋转，核桃在重力作用下沿螺旋滑道向下滚动。为防止核桃在滚落过程中发生卡阻，所以使螺旋滑道的旋向向上，与核桃滚落方向相反，这样不仅可以防止核桃卡阻还可以增加碰撞次数，在反复碰撞过程中实现二次破壳，强化破壳效果，使壳仁分离更加完全。经过二次破壳装置后，核桃在下料筒下落，由于真空泵提供的负压低于大气压，所以在壳仁分离装置内形成压强差，进而在下料筒内部产生气压动力，利用核桃壳的密度小于核桃仁的密度，通过调节压强差来调节气压动力的大小，实现壳仁分离，负压式分离装置中的分离轨道分为左右两部分，与下料筒正对及左侧部分为核桃仁收集处分离轨道，右侧部分为核桃壳收集处分离轨道；气压动力可以将核桃壳推动足够距离，使核桃壳落在核桃壳收集处的分离轨道，一段时间后，核桃壳落在分离轨道上，在重力及气压动力作用下沿核桃壳收集处的分离轨道落入核桃壳收集处，而核桃仁由于密度大，气压动力只能推动核桃仁很短距离，由此核桃仁可以顺利下落在核桃仁收集处的分离轨道上，进而沿分离轨道滚动下滑落入核桃仁收集处中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。