可梳理式多功能自動(dòng)切菜機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

楊志成 張景勝 黃春娥 董玉梅

YANG Zhi－cheng ZHANG Jing－sheng HUANG Chun－eDONG Yu－mei

（北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023）

（Biochemical Engineering College of Beijing Union University，Beijing 100023，China）

多功能切菜機(jī)是對(duì)蔬菜加工的一種自動(dòng)化機(jī)械，可將洗好的蔬菜加工為菜絲、餡、菜塊、菜丁。目前國內(nèi)外食品機(jī)械廠已生產(chǎn)有多種不同型號(hào)的多功能切菜機(jī)，典型如廣州某公司生產(chǎn)的XZ－680A多功能切菜機(jī)；北京某公司生產(chǎn)的ZC－801切菜機(jī)，均已在餐飲生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用［1－4］。然而，切菜機(jī)在使用過程中也存在一些問題，如，壓緊機(jī)構(gòu)壓緊度固定，使得技術(shù)工人在加工不同品種的蔬菜時(shí)必須換刀，需頻繁調(diào)試；在實(shí)際應(yīng)用中，不同的蔬菜要求切割長短不一，寬窄不同，而送菜電機(jī)速度固定，缺乏梳理，所切蔬菜因?yàn)槠錂M置沒有被切割，或被連切數(shù)刀不斷的情況時(shí)有發(fā)生，還需要工人進(jìn)行后續(xù)的手工處理［5－8］。因此，需要一種能夠自動(dòng)調(diào)整壓緊度、自動(dòng)梳理送菜的多功能切菜機(jī)，可以將蔬菜加工成所需的各種形狀，而且不橫刀不連刀?；诖?，本課題組自主研制一種拋擲式自動(dòng)多功能切菜機(jī)，裝置采用可編程控制器和觸摸屏控制，具有自動(dòng)化程度高、操作方便、切割效率高，傳動(dòng)速度可調(diào)的特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 多功能切菜機(jī)的功能

本裝置的創(chuàng)新點(diǎn)是用4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力帶動(dòng)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪對(duì)蔬菜進(jìn)行整理、切削等。其工作裝置采用可編程控制器和觸摸屏控制，具有自動(dòng)化程度高、操作方便、切割效率高，傳動(dòng)速度可調(diào)的特點(diǎn)。流程是：

將蔬菜投放到投菜口→經(jīng)導(dǎo)流板下滑→高度傳感器判斷蔬菜高度、重量→機(jī)器爪整理→傳送帶輸送→壓緊機(jī)構(gòu)按牢→刀柵分割→刀片切削

與傳統(tǒng)切菜機(jī)比較增加了將蔬菜投放到投菜口→經(jīng)導(dǎo)流板下滑→高度傳感器判斷蔬菜高度、重量→機(jī)器爪整理等工序。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理 梳理式多功能切菜機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1，傳統(tǒng)的多功能切菜機(jī)總體結(jié)構(gòu)見圖2。主要由動(dòng)力部分（單相異步電機(jī)、傳送帶等）、梳理機(jī)構(gòu)（梳理電機(jī)、導(dǎo)流板、機(jī)器爪等）、壓緊機(jī)構(gòu)（從動(dòng)輪、傳送帶、壓緊彈簧、調(diào)整螺母等）和切菜部分（切削電動(dòng)機(jī)、刀片、刀柵）四部分組成。

該機(jī)工作時(shí)，各電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，工作人員將菜放置投菜口1，蔬菜從投菜口沿導(dǎo)流板2下滑至底部。高度傳感器3預(yù)先測量蔬菜高度，重量傳感器4稱量出蔬菜的重量，將這些信號(hào)傳送到控制器。底部的傳送帶5將菜送至梳理部分的機(jī)器爪7梳理，機(jī)器爪順逆運(yùn)動(dòng)，將菜形成豎向擺放，再經(jīng)過壓緊機(jī)構(gòu)11壓緊。蔬菜在進(jìn)入壓緊機(jī)構(gòu)之前，控制器提前控制壓緊電機(jī)13動(dòng)作，保證壓緊機(jī)構(gòu)壓緊蔬菜，且不將其損壞。壓緊機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪11帶動(dòng)傳送帶2轉(zhuǎn)動(dòng)，減少蔬菜經(jīng)過時(shí)的阻力。壓緊機(jī)構(gòu)在壓緊彈簧的作用下，將菜抓緊。蔬菜經(jīng)過刀柵18被加工成條狀蔬菜，經(jīng)過切削電機(jī)19帶動(dòng)的刀片20，蔬菜被加工成目標(biāo)形狀。

圖1 傳統(tǒng)多功能切菜機(jī)的總體結(jié)構(gòu)Figure 1 General structure of the multifunctional machine of cutting vegetables

圖2 多功能切菜機(jī)的總體結(jié)構(gòu)Figure 2 The overall structure of the traditional cutting machine

1.2.2 梳理機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 切菜機(jī)加工原料需要清洗，清洗完的蔬菜往往雜亂無序。如果不進(jìn)行人工整理，普通切菜機(jī)切出的菜料的大小、形狀差異較大、影響了后續(xù)加工的速度及質(zhì)量。為此，自制了拋擲式梳理器，結(jié)構(gòu)見圖3。由圖3可知，梳理機(jī)構(gòu)采用凸輪機(jī)構(gòu)耦合蝸輪蝸桿傳動(dòng)。由梳理電機(jī)、導(dǎo)流板、傳送帶、橢圓凸輪機(jī)構(gòu)、機(jī)器爪、復(fù)位彈簧等組成。按照投菜人的習(xí)慣，投菜口采用上大下小的設(shè)計(jì)，導(dǎo)流板傾斜角度采用30～45°，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，角度小造成菜料積壓，原料供應(yīng)不均勻；角度大，菜料直接進(jìn)入導(dǎo)流室，起不到導(dǎo)流效果。經(jīng)過試驗(yàn)確定，導(dǎo)流板采用水平夾角37°設(shè)計(jì)，保證了蔬菜縱向有序地進(jìn)入壓緊系統(tǒng)，獲得較好的結(jié)果。蔬菜進(jìn)入投料口后，輸送帶將蔬菜送往切菜機(jī)構(gòu)，電機(jī)3的動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)多個(gè)橢圓凸輪機(jī)構(gòu)，每個(gè)橢圓凸輪機(jī)構(gòu)分別與下面的內(nèi)軸外軸相連，內(nèi)外軸又與絲杠24和帶羅紋的機(jī)器爪7相連，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外軸不動(dòng)，內(nèi)軸形成上下相對(duì)位移，構(gòu)成了機(jī)器爪的張合，把蔬菜很好的調(diào)理好。

圖3 梳理機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Figure 3 The structure diagram of carding mechanism

1.2.3 壓緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 切菜機(jī)切菜需要壓緊機(jī)構(gòu)將菜邊抓實(shí)邊輸送，這樣切菜機(jī)的刀片才能切斷蔬菜。如果將菜抓得太緊，蔬菜易變形、潰爛，影響菜品質(zhì)量。如果抓得不緊，刀片經(jīng)過時(shí)，蔬菜容易脫落，造成連刀。由于蔬菜纖維含量、鮮嫩水分不同，壓緊度也應(yīng)不同，設(shè)計(jì)壓緊彈簧的調(diào)整裝置勢在必行，一方面可以調(diào)整壓緊機(jī)構(gòu)的松緊度，另一方面可以調(diào)整壓緊機(jī)構(gòu)的起始點(diǎn)。為此，專門設(shè)計(jì)了具有強(qiáng)度和零點(diǎn)調(diào)整功能的壓緊機(jī)構(gòu)。

為了適應(yīng)自動(dòng)快速的需求，壓緊機(jī)構(gòu)采用自動(dòng)化設(shè)計(jì)。如圖4所示，該結(jié)構(gòu)主要包括：電動(dòng)機(jī)4、絲杠、皮帶輪、傳動(dòng)帶、傳送帶、壓緊彈簧、調(diào)零螺母、平衡桿、支點(diǎn)等。

圖4 壓緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Figure 4 The structure diagram of pressing mechanism

2 多功能切菜機(jī)控制系統(tǒng)硬件及程序設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)切菜機(jī)控制響應(yīng)速度、質(zhì)量、安全度要求，控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，見圖5?？刂破髟O(shè)備包括觸摸屏和可編程控制器，操作類設(shè)備包括啟動(dòng)開關(guān)、應(yīng)急按鈕。控制設(shè)備觸摸屏為歐姆龍公司生產(chǎn)，直接監(jiān)控PLC運(yùn)行狀態(tài)，起到現(xiàn)場監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息、控制系統(tǒng)的作用。控制器選擇了歐姆龍公司的PLC作為下位機(jī)。它由有數(shù)字量I／O口為24點(diǎn)入／16點(diǎn)出。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為4個(gè)電機(jī)、4個(gè)電磁閥，它們?nèi)坎捎?4 V直流電源。傳感器主要是接近開關(guān)檢測投放蔬菜狀態(tài)及數(shù)量，旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行位置進(jìn)行精確的檢測。輔助電器包括交流接觸器、中間繼電器和它們的常開、常閉觸點(diǎn)、及其它們的互鎖電路。它們的使用提高了控制電路的安全性、解決了控制電路信號(hào)之間的不匹配問題，簡化了PLC梯形圖的編寫。急停按鈕更是現(xiàn)場操作工人特殊情況下最直接、最有效的安全保障。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 5 The structure of control system

2.2 控制器系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序由一個(gè)主程序和若干子程序組成，主程序包括系統(tǒng)初始化子程序，壓緊機(jī)構(gòu)調(diào)試子程序、梳理機(jī)構(gòu)子程序和應(yīng)急子程序。主程序流程見圖6。

（1）初始化子程序：初始化子程序主要包括傳感器的參數(shù)檢測，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等參數(shù)的初始值設(shè)定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置復(fù)位，上位機(jī)與下位機(jī)通訊、報(bào)警等。

圖6 主程序流程圖Figure 6 The main program flow chart

（2）梳理機(jī)構(gòu)子程序：梳理機(jī)構(gòu)子程序包括電機(jī)的啟動(dòng)停止控制、速度控制；特殊情況下的反轉(zhuǎn)控制，4個(gè)機(jī)器爪的順序控制等。

（3）壓緊機(jī)構(gòu)調(diào)試子程序：壓緊機(jī)構(gòu)調(diào)試子程序負(fù)責(zé)把重量傳感器、高度傳感器檢測的信息送到控制器中，由控制器計(jì)算出最佳位置來控制電機(jī)2的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)及其速度。以此減少蔬菜潰爛的同時(shí)，降低了連刀率。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

采用回歸法檢驗(yàn)切菜機(jī)梳理機(jī)構(gòu)機(jī)器爪整理作用度。以蔬菜梳理機(jī)構(gòu)加入的機(jī)器爪數(shù)量值和蔬菜的橫刀率測量值，考察兩者之間的相關(guān)性。測定結(jié)果見表1，利用 MATLAB優(yōu)化工具箱中的最小二乘曲線擬合函數(shù)lsqcurvefit得到了比較理想的非線性回歸函數(shù)為y＝2.033＋9.142×e－0.86x。其樣本決定系數(shù)為R2＝0.999，模型的擬合優(yōu)度很好。因此設(shè)置4個(gè)機(jī)器爪最為經(jīng)濟(jì)合理。通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，橫刀率由原來的11.2%下降到2.25%。廢品率由原來的1.5%下降到0.15%。

表1 橫刀率測試結(jié)果Table 1 Results of the horizontal rate

4 結(jié)論

采用梳理功能的切菜機(jī)，通過投擲蔬菜方式，減少人工梳理環(huán)節(jié)、提高作業(yè)質(zhì)量和速度。采用可調(diào)彈簧強(qiáng)度和零點(diǎn)的方法改進(jìn)壓緊機(jī)構(gòu)，改善了成品蔬菜的品相。試驗(yàn)表明，橫刀率、連刀率大大下降，這為后續(xù)的蔬菜加工提供了基礎(chǔ)。

工人的勞動(dòng)強(qiáng)度與工作中的參與度有關(guān)。適度增加設(shè)備的自動(dòng)化程度，合理配置現(xiàn)代控制設(shè)備，有助于減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低機(jī)械傷害風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，保證切菜過程中菜品菜形一致，為實(shí)現(xiàn)加工技術(shù)裝備的標(biāo)準(zhǔn)化提供了可能。同時(shí)，改變傳統(tǒng)食品機(jī)械勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高的觀念，有利于帶動(dòng)中國食品機(jī)械的轉(zhuǎn)型和餐飲業(yè)的發(fā)展。

1 Shimon Y.N of springer handbook of automation［M］.Germa－ny：Springer Verlag，2009.

2 肖仁鵬，馬鑫，劉四新，等.椰子自動(dòng)剝衣機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2012，28（1）：142～143.

3 段佳麗，滕立新，趙然，等.北京市城區(qū)中小學(xué)校自供營養(yǎng)午餐管理現(xiàn)狀［J］.中國學(xué)校衛(wèi)生，2012（2）：162～164.

4 戴相朝，王國扣.食品機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化工作的基本要求與重點(diǎn)任務(wù)［J］.食品工業(yè)科技，2013，34（16）：27～29.

5 白曉麗，伍毅.面向制造和裝配的食品機(jī)械設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2012，28（1）：146～148.

6 韓青榮.中國肉類機(jī)械的發(fā)展和未來［J］.食品工業(yè)科技，2012，33（6）：24～26.

7 馮永剛.QC－5001型多用切菜機(jī)的研制與開發(fā)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30（1）：85～88.

8 付宏升，張景黎，梁凱.新型食品機(jī)械開發(fā)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.食品研究與開發(fā)，2012，33（12）：117～120.