海參清洗剖切一體化設(shè)備設(shè)計

楊 勝,孫永軍,鞠文明,閆程振,李國正,王凱歌

(1 哈爾濱理工大學(xué)威海研究院,威海 264200;2 山東好當(dāng)家海洋發(fā)展股份有限公司,威海 264200)

海參在自然狀態(tài)下,其外表覆蓋黏液,內(nèi)部含有沙粒、內(nèi)臟等,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[1]。目前國內(nèi)剝離海參內(nèi)臟的方式多為人工清洗和剖切,存在清洗不徹底、生產(chǎn)效率低、成本高且難以形成規(guī)模化生產(chǎn)等問題[2-3],對海參自動化加工設(shè)備需求日益迫切。

近年來許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,徐文其等[4]設(shè)計了利用水槽底部噴出的壓縮空氣泡沫清洗海參的設(shè)備,但存在泡沫密度難以控制,并可能導(dǎo)致海參產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),出現(xiàn)吐腸現(xiàn)象,清洗后的海參品質(zhì)無法得到保障。王宏宇[5]設(shè)計了一種利用滾刷清洗海參的裝置,該裝置雖然可以實現(xiàn)海參清洗與剖切,但需要對海參進(jìn)行腌漬前處理操作,不能對活海參直接處理,此外,滾刷式清洗結(jié)構(gòu)極易損傷海參疣足。日本關(guān)西地區(qū)多采用一款能夠完整取出海參內(nèi)臟的注射式設(shè)備[6],該設(shè)備雖然可以保證海參加工質(zhì)量,但操作煩瑣不適合流水線生產(chǎn)?？傮w上,現(xiàn)有海參清洗剖切設(shè)備存在清洗質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低等問題,對海參清洗與內(nèi)臟剖切一體化設(shè)備研究相對較少[7]。

設(shè)計了一套新型海參清洗剖切一體化設(shè)備,該設(shè)備采用超聲波清洗海參外部黏液和內(nèi)部砂子等雜質(zhì),利用輥子剖切裝置清理海參內(nèi)臟,并使用PLC軟件搭建控制系統(tǒng)。該設(shè)備不但可實現(xiàn)活海參深度清洗與內(nèi)臟剖切自動化處理,同時可保證海參體壁、內(nèi)臟等完整性,有效保證海參加工質(zhì)量。此外,設(shè)備有效提升勞動效率、降低勞動強(qiáng)度,具有重要的實際意義。

1 設(shè)備的整體方案設(shè)計

1.1 設(shè)備的功能設(shè)計

海參清洗剖切機(jī)主要功能是實現(xiàn)海參深度清洗及內(nèi)臟剖切。此外,還要求其清洗裝置能實現(xiàn)海參大小分流,翻轉(zhuǎn)裝置能夠?qū)⒏共窟M(jìn)行識別與翻轉(zhuǎn)。為滿足工廠自動化流水線處理海參的需求,該設(shè)備需滿足以下要求:機(jī)架應(yīng)該具有良好的強(qiáng)度,滿足耐腐蝕要求;控制海參清洗和剖切節(jié)拍,確保清洗節(jié)拍大于剖切節(jié)拍;設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,便于操作與維修;設(shè)備必須具備安全設(shè)施,包括緊急停按鈕和警報燈,以確保操作人員的安全[8]。

1.2 設(shè)備的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

海參結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1a可以看出海參背部布滿疣足且表皮層帶有黏液易黏附沙礫等雜質(zhì)。此外海參的腹部有白色觸須且內(nèi)含有胃腸等器官,這些器官與體壁之間連接緊密,如圖1b所示[9]。

圖1 海參

針對海參結(jié)構(gòu)特征與加工要求,設(shè)計方案如下:設(shè)備啟動后,PLC控制傳送帶輸送海參、超聲波清洗裝置深度清洗海參,分流板對海參大小進(jìn)行分類;分類后的海參進(jìn)入升降翻轉(zhuǎn)裝置前,通過工業(yè)相機(jī)拍照將海參信息錄入至PLC,PLC接收到信號后啟動翻轉(zhuǎn)裝置,使海參調(diào)整到均為腹部朝下狀態(tài);到達(dá)剖切裝置后,輥筒與圓盤刀剖切海參內(nèi)臟,最后內(nèi)臟進(jìn)入料盤并回收海參。所設(shè)計的海參清洗剖切設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 海參清洗剖切設(shè)備

由圖2可知,海參清洗剖切一體化設(shè)備主要由清洗裝置、升降翻轉(zhuǎn)裝置和剖切裝置組成。

2 設(shè)備關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 清洗裝置

清洗裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中清洗裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、PVC擋板式傳送帶[10]、加鹽裝置、超聲波發(fā)生器、高壓水霧噴頭、Y形分流板、6061型材支架組成。

圖3 清洗裝置結(jié)構(gòu)圖

海參表面具有黏液、同時疣足易損壞,使用具有擋板的光滑傳送帶能夠有效防止海參傾斜移動時滑落并保證海參不破損[11-12],同時傳送帶傾斜度為45°。此外,為保證海參體表不被破壞,超聲波頻率穩(wěn)定在40 kHz[13]。加鹽裝置進(jìn)行實時監(jiān)測,使水體鹽度保持在35‰左右,能夠有效清理海參體內(nèi)泥沙,同時避免海參因鹽分過高發(fā)生吐腸反應(yīng)[14]。高壓水霧噴頭對海參進(jìn)行二次清洗,保證好的清潔度[15]。為方便后工序海參有序分類回收及提高剖切效率,使用Y形分流板將海參分為多種規(guī)格尺寸[16]。此外6061型材有效地降低了海水對支架的腐蝕[17]。

清洗裝置處理海參過程為:放置海參至傳送帶→超聲波發(fā)生器清理海參體表→加鹽器使海參吐沙→高壓水霧噴頭進(jìn)行二次清洗→進(jìn)入Y形分流板分流。

2.2 升降翻轉(zhuǎn)裝置

升降翻轉(zhuǎn)裝置主要由視覺相機(jī)、升降裝置和翻轉(zhuǎn)裝置組成,如圖4所示。升降裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、絲杠式剪叉機(jī)構(gòu)組成;翻轉(zhuǎn)裝置由步進(jìn)電機(jī)、主動輥筒、從動輥筒構(gòu)成。

圖4 升降翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)圖

為方便后續(xù)剖切,所有海參腹部需為朝下狀態(tài)。采用視覺相機(jī)完成海參腹部狀態(tài)檢測,視覺相機(jī)將拍照腹部狀態(tài)實時傳輸至PLC[18],PLC控制升降翻轉(zhuǎn)裝置對腹部朝上或側(cè)向的海參進(jìn)行翻轉(zhuǎn)[19-20],腹部朝下的海參不做處理。由于該裝置需連續(xù)、高頻率工作,則選用結(jié)構(gòu)簡單、精度高、使用壽命長的絲杠和穩(wěn)定性好的剪叉機(jī)構(gòu)組成升降機(jī)構(gòu)帶動上部翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上下移動。根據(jù)活海參尺寸來看,上下移動行程最大尺寸為60 mm。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)控制輥筒對向轉(zhuǎn)動,以保證兩側(cè)海參朝不同方向翻轉(zhuǎn)[21],為了防止個別尺寸過大,海參翻轉(zhuǎn)過程中發(fā)生破損,輥子對向間隙為20 mm。

2.3 剖切裝置

剖切裝置主要由三相異步電動機(jī)、上輥筒、下輥筒、同步帶、圓盤刀、硬毛刷、料盤組成,如圖5所示。

圖5 剖切裝置結(jié)構(gòu)圖

在該裝置中,利用同步帶使上輥筒同步轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)海參勻速向后運(yùn)動。下輥筒與上輥筒交叉分布,同時下輥筒對向轉(zhuǎn)動[22]。海參受到上下輥筒的擠壓,腹部在摩擦力的作用下展開,便于圓盤刀及硬毛刷剝離內(nèi)臟[23-24],內(nèi)臟進(jìn)入料盤、同時回收海參。為保證海參能夠穩(wěn)定前進(jìn)、腹部充分展開,同時不因擠壓力過大而受到破壞,將上輥筒間距設(shè)置為20 mm,下輥筒間距設(shè)置為30 mm。

3 設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制要求

受外界因素干擾時,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由軟硬件的穩(wěn)定性決定?？刂葡到y(tǒng)的不穩(wěn)定會導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行的波動和停機(jī),影響加工質(zhì)量對企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失[25]?？衫每删幊踢壿嬁刂破?PLC)穩(wěn)定性高的特點,來保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定[26]。具體要求如下[27]:

(1)初始運(yùn)行狀態(tài)。所有設(shè)備均處于初始狀態(tài),通電后需按動啟動按鈕方可運(yùn)行。

(2)自動清洗。能夠?qū)}度進(jìn)行實時檢測,并在鹽度未達(dá)標(biāo)時進(jìn)行自動加鹽;能夠根據(jù)海參的上料與否,控制超聲波發(fā)生器和高壓噴頭的啟動。

(3)自動翻轉(zhuǎn)與剖切。能夠?qū)⒌母共繝顟B(tài)進(jìn)行識別并進(jìn)行有選擇的翻轉(zhuǎn);能夠?qū)⑦M(jìn)行剖切、同時回收海參與內(nèi)臟。

(4)自動停止機(jī)制。如果光電傳感器在20 s內(nèi)未檢測到海參位置信息,設(shè)備將自動停止運(yùn)行。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

(1)清洗裝置。為使海參內(nèi)外得到全面清洗,選用型號為57BYG250H-8的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動傳送帶輸送海參。選用DEC-621鹽度傳感器,檢測清洗用水鹽度。選用E3F-5DN1-5L型對射式光電開關(guān),檢測海參的位置。用于清洗的超聲波發(fā)生器,選型為KMD-M2。

(2)升降翻轉(zhuǎn)裝置。視覺相機(jī)選用型號為LT-USB5MP,對海參的正反進(jìn)行識別。選用型號為IBT30-N15NA的接近開關(guān),限定升降翻轉(zhuǎn)裝置升降距離。選用型號為J-5718HPG1040的步進(jìn)電機(jī),用于驅(qū)動翻轉(zhuǎn)。檢測海參位置的光電開關(guān)選型同清洗模塊選型。用于輔助下料的步進(jìn)電機(jī),選型為J-8618HPG10416。

(3)剖切裝置。驅(qū)動上下輥筒運(yùn)行的三相異步電動機(jī)選型為Y90S-4(JB/T 10391—2002)。通過檢測圓盤刀和硬質(zhì)毛刷與海參的距離以控制剖切和內(nèi)臟剔除深度,其光電開關(guān)選型同清洗模塊選型。

針對上述對系統(tǒng)的功能設(shè)計和選型要求,在控制系統(tǒng)中,主模塊的輸入和輸出端子數(shù)量分別為24和16個,而擴(kuò)展模塊則擁有共8個輸入和輸出端子。綜上所述,PLC選型為西門子的SIMATIC S7-200 SMART,其配備有32個輸入和24個輸出端子,主模塊選型為SMART 200 CPU ST40、擴(kuò)展模塊選型為EM DT16、附件模塊選型為S-120-24[28-29]。系統(tǒng)的輸入輸出分配如表1所示。硬件系統(tǒng)架構(gòu)[30]如圖6所示。

表1 PLC端口輸入輸出分配表

圖6 控制系統(tǒng)硬件配置框圖

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

海參清洗剖切一體化設(shè)備的控制流程如下[31]:按動啟動按鈕后,啟動指示燈亮,各機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行。清洗裝置內(nèi)鹽度傳感器實時監(jiān)測水體的鹽度,當(dāng)鹽度低于35‰時自動加鹽。光電開關(guān)檢測1 min內(nèi)是否有海參通過,當(dāng)有海參通過時,超聲波發(fā)生器和高壓噴頭工作。反之,停止工作。

視覺相機(jī)判別海參的腹部是否朝下,對腹部朝上或側(cè)立的海參進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。剖切機(jī)構(gòu)的下輥筒運(yùn)轉(zhuǎn),將海參繃緊。上輥筒轉(zhuǎn)動,驅(qū)使海參被剖切。若整個裝置不發(fā)生斷電、無停止指令則各裝置繼續(xù)工作。反之,停止工作。當(dāng)有裝置發(fā)生故障時,警示燈亮,裝置停止運(yùn)行。反之,正常工作,控制流程圖,如圖7所示。

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗方法

為論證海參清洗剖切一體化設(shè)備的作業(yè)穩(wěn)定性和加工效果,依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案搭建樣機(jī)進(jìn)行試驗,如圖8所示。試驗分兩階段進(jìn)行,第一階段進(jìn)行各因素加工效果試驗,第二階段進(jìn)行與人工作業(yè)生產(chǎn)對比試驗。前階段為驗證整機(jī)系統(tǒng)和各裝置的適用性和可靠性,確定設(shè)備的運(yùn)行最佳工藝參數(shù),進(jìn)行各因素獨立試驗,確定最佳工藝參數(shù);以最佳工藝參數(shù)為基礎(chǔ),進(jìn)行生產(chǎn)實測,進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及加工效果。

圖8 海參清洗剖切設(shè)備圖

4.2 最佳工藝參數(shù)試驗

設(shè)備清洗裝置傳送帶速度、剖切裝置上下輥筒間距是影響設(shè)備加工效率的主要因素且相互獨立。首先進(jìn)行不同傳送帶速度對應(yīng)清洗裝置清洗海參的試驗,每次試驗選用200只大小不等的活海參,不同傳送帶速度條件下海參破損情況、其他情況(海參無破損且雜質(zhì)清理未達(dá)到要求)、清洗總時間,記錄如表2所示。

表2 海參清洗試驗統(tǒng)計表

根據(jù)表2試驗結(jié)果可知,清洗過程中的海參破損及其他情況的數(shù)量基本隨著傳送帶速度的提高而增加,而相應(yīng)的合格數(shù)量也相應(yīng)下降。5種傳送帶速度清洗后的不合格數(shù)量分別為15只、6只、21只、24只和27只,則相應(yīng)的不合格率分別為7.5%、3%、10.5%、12%和13.5%,對應(yīng)的清洗速度分別為2只/min、3只/min、4只/min、5只/min、6.6只/min。因此,清洗裝置選擇傳動帶速度為0.03 m/s時,對應(yīng)不合格率3%最低、清洗速度3只/min較高,設(shè)備性能最佳。

選用經(jīng)清洗裝置處理后的1 000只大小不等海參,分為5組進(jìn)行剖切海參的試驗。在剖切裝置上下輥筒不同間距試驗條件下海參破損情況、其他情況(海參無破損且內(nèi)臟清理未達(dá)到要求),如表3所示。

表3 海參剖切試驗統(tǒng)計表

試驗結(jié)果中,剖切過程中的海參破損的數(shù)量隨著上下輥筒間距變大而幾乎不變,說明輥筒間距對海參破損影響很小,可以忽略不計。其他情況記為剖切不合格數(shù)量分別為2只、3只、8只、11只和14只,相對應(yīng)的不合格率分別為1%、1.5%、4%、5.5%和7%。因此,在剖切裝置中上下輥筒間距設(shè)置為30 mm時,剖切合格率達(dá)到最高。

4.3 設(shè)備與人工作業(yè)的對比試驗

生產(chǎn)對比試驗中挑選4人分別處理200只活海參與一臺海參清洗剖切一體化設(shè)備作業(yè)進(jìn)行對比,其中設(shè)備工藝參數(shù)分別設(shè)置為:清洗裝置傳送帶速度0.03 m/s,剖切裝置上下輥筒間距30 mm,記錄各作業(yè)清洗合格率、剖切合格率等,試驗結(jié)果如表4所示。

表4 對比試驗統(tǒng)計表

試驗結(jié)果中,人工作業(yè)清洗、剖切、總平均合格率為95.5%、89%、85.02%,而設(shè)備對應(yīng)為97%、98.5%、95.5%,前者各項明顯均低于后者,因此,設(shè)備的使用可提高清洗剖切質(zhì)量。此外,人工作業(yè)平均總效率為30.75 只/h、設(shè)備總效率為70 只/h,表明設(shè)備極大地提高了海參加工效率。如果能夠使用設(shè)備代替人工,不但能提高效率和釋放勞動力,還可實現(xiàn)海參自動化批量加工。

5 討論

徐文其等[4]研究表明,使用氣泡清洗技術(shù)可以對活海參周圍身體進(jìn)行有效、低損傷、全方位的洗滌,但通入清洗水體的氣流量難以控制,容易導(dǎo)致海參的清洗不合格率和損傷率提高。本研究選擇超聲波發(fā)生器不但能夠較好地控制清洗水的氣泡密度,同時與加鹽裝置的配合使用可以更好地保證海參內(nèi)外深度清洗。范勇[10]研究表明,斜坡?lián)醢迨缴狭蠙C(jī)構(gòu)能有效解決臍橙輸送效率低、損傷率高等問題,該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便,綜合考慮海參在清洗裝置中作業(yè)特點,采用擋板式上料機(jī)構(gòu)輸送海參。韓東銳等[32]研究表明,6061鋁合金對常溫海水具有較好的抗腐蝕性能,鑒于鋁型材加工方便且強(qiáng)度滿足要求,本研究采用6061鋁型材為設(shè)備支架。

呂興霜等[33]研究表明,海參是一種海洋棘皮動物,在清洗過程中容易受外部環(huán)境刺激產(chǎn)生輕微自溶,嚴(yán)重時吐腸等,故在清洗過程中存在破損或雜質(zhì)清理不干凈。王宏宇[5]研究表明,曲柄搖桿式圓盤剖切裝置能夠清除海參內(nèi)臟,但機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大,本研究采用電機(jī)直接驅(qū)動圓盤進(jìn)行剖切內(nèi)臟,結(jié)構(gòu)緊湊、效率高。在剖切試驗過程中,由于海參大小不統(tǒng)一,上下輥筒間距固定,因此剖切過程中存在一定的破損率。盛景亮[34]研究表明,PLC技術(shù)可提升機(jī)械設(shè)備的自動化、智能化水平,提升生產(chǎn)效率,本研究采用SIMATIC S7-200 SMART實現(xiàn)設(shè)備自動化控制,對比試驗中設(shè)備的作業(yè)效率明顯高于人工作業(yè)效率。

6 結(jié)論

本研究設(shè)計的一款海參清洗剖切一體化設(shè)備,由清洗裝置、升降翻轉(zhuǎn)裝置、剖切裝置及PLC控制系統(tǒng)組成,能夠?qū)崿F(xiàn)對新鮮海參進(jìn)行清洗、剖切及收集功能。通過設(shè)備加工海參試驗論證,得出清洗裝置選擇傳送帶速度0.03 m/s,剖切裝置上下輥筒間距30 mm為設(shè)備最佳工藝參數(shù),各因素之間是相互獨立的。研究表明,設(shè)備的清洗、剖切、總合格率分別為97%、98.5%、95.5%,且設(shè)備的作業(yè)效率是人工作業(yè)效率的2倍。說明該裝置結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行平穩(wěn)、極大提高了工作效率,實現(xiàn)了海參清洗剖切一體化加工,為實現(xiàn)海參全程自動化加工打下基礎(chǔ)。

□