林 雪 陈长卿 侯长安 张加清 郑 涛

LIN Xue 1 CHEN Chang－qing 1 HOU Chang－an 2 ZHANG Jia－qing 1 ZHENG Tao 1

（1.浙江省农业机械研究院，浙江 金华 321000；2.兰溪健发食品机械有限公司，浙江 兰溪 321100）

（1.Zhejiang Academy of Agricultural Machinery，Jinhua，Zhejiang 321000，China；2.Lanxi Jianfa Food Machinery Co.，LTD，Lanxi，Zhejiang 321100，China）

食品自动切割装置是一种典型的食品机械，通过对物料进行机械剪切，得到期望的形状和尺寸，广泛地应用于食品加工工艺的不同工序［1］。由于机械剪切特性及食品粘刀的影响，传统食品切割装置不仅需要定期清理刀具，而且还极易损坏食品的整体外形，大大降低了装置的生产效率［2］。尤其当加工对象为奶油、巧克力、固体油脂等易粘刀的软性或弹性物料时，对生产效率及生产成本的影响尤为明显［3］。目前广泛使用的BKQ－600／720蛋糕切割机采用普通不锈钢切刀，虽然能达到全自动切割，但是切口处易破损、崩边，需要经常进行停机处理，生产效率较低。除此之外，整机缺少智能化控制系统，只能完成单一类型的切割任务，无法通过程序的设定实现多种切割方案。

超声技术是通过超声波产生、传播及接收物理过程完成的，可以利用它的能量来改变材料的某些状态［4］。超声技术在振动切割方面应用十分广泛，超声振动除能对普通材料进行加工外，还能对高硬、软、薄、脆等材料及食品进行加工［5］。超声振动切割是超声加工技术的重要组成部分，有着比普通切割优异的加工性能，它是通过在常规的切割刀具上施加高频振动，使刀具和工件发生间断性的接触，从而使传统切割模式发生了根本性的变化［6］。超声波切割既不需要锋利的刃口，也不需要很大的切割压力。因此，不会造成被切割材料的崩边、破损。同时，由于超声波切割刀在振动时的摩擦阻力极小，被切割食品不易粘在刀片上，基本杜绝了粘刀现象的发生［7］。当待切割物是软性、弹性或粘性食品时，超声波切割的效果尤为明显。除此之外，超声波切割的另一大优点是，在切割的同时，切割部位有熔合作用，切割部位被完美地封边，可防止被切割食品组织的松散。

针对传统及现有食品切割装置的不足之处，本研究设计的超声波食品切割机拟将超声波振动技术和智能化技术引入到食品切割机的设计中，利用超声波的能量，将被切割材料的局部加热熔化，配以食品工作台旋转运动装置与水平直线运动装置，实现360°任意角度切割材料的目的，且通过智能化触摸屏可实现上百种切割方案。

1 切割机结构及工作原理

超声波切割机主要由机箱、食品切割装置、工作台旋转装置、工作台水平运动装置以及控制面板组成。整体结构三视图见图1。

图1 超声波食品切割机三视图Figure 1 Ultrasonic food cutting machine layout

在超声波切割机中，超声波发生器将超声波传递到切割刀上，并使其产生一定幅度的颤振。颤振频率与超声波频率保持一致，范围为20～40 k Hz。这种振幅人眼不易察觉，但能在瞬间对蛋糕、披萨、冷冻食品等进行高速切割。利用智能超声波切割刀实现平面内360°的自动切割。切割刀片采用钛合金材料，可以极大降低食品粘刀现象发生的几率并提高切割效率，其生产速度可达30刀／min，且厚度偏差仅为0.4 mm，整机技术参数见表1。

表1 技术参数Table 1 Technical parameters

1.1 食品切割装置

食品切割装置主要通过将超声波能量转变为振动方式并加载到智能超声波切割刀上，并通过气缸驱动切割刀上下运动实现对食品的切割，其结构及工作原理：机箱1两侧机架板2上装有升降导轨6，升降导轨6上横有机架板2的一横板与升降气缸5相连，刀架总成3连接智能超声波切割刀4，超声波发生器7连接智能超声波切割刀4使其上下轻微振动，升降气缸5活塞轴装在刀架总成3上，升降气缸5工作时，升降活塞上下运动，带动刀架总成3及智能超声波切割刀4上下往复运动，实现对食品的切割控制。考虑到加工对象外型尺寸的差异，切刀向下切割的极限位置必须是可调节的。某些食品其分子粘结不是那么的坚固，留有少许未切断组织不会影响食品品质，但有些食品需要完全切断，因此特设计下限位调节机构以实现对切刀下切深度的调节，见图2。

图2 下限位调节机构Figure 2 Adjusting apparatus of lower limit position

智能超声波切割刀是超声波食品切割机中至关重要的构件，其材料的选择及结构设计决定了食品切割的效果。智能超声波切割刀的结构见图3，整体采用钛合金材料以及独特的加工工艺制成。刀体上横向设有台阶而纵向开有4个刀具槽，且刀具槽垂直于刀具台阶方向。刀体及刀具槽的尺寸与位置均通过详尽的力学分析以及大量仿真与试验工作来确定。由此设计的切割刀振幅均匀、内部应力小，切割效果良好，切面平整光滑，与超声波切割机其他部件配合良好，不易破损、断裂，有较长的使用寿命［8］。

图3 智能超声波切割刀Figure 3 Intelligent ultrasonic cutting knife

1.2 食品工作台旋转装置

食品工作台旋转装置由工作台8、旋转轴11、电机9及锥齿轮10等四部分组成，可带动承载食品的工作台任意角度转动，进而配合切割刀切割出不同样式以满足食品的各种外观要求。旋转装置的工作原理是，旋转轴11上端固定在工作台8下，下端连接旋转齿轮10，旋转电机9通过旋转齿轮12带动旋转齿轮10旋转，从而带动工作台8旋转。最终实现工作台上食品在360°范围之内的任意角度摆放。其旋转角度通过PLC程序进行控制，定位快速且准确可靠，极大提高了切割效率。

1.3 工作台水平运动装置

待切割食品通过矩形食品托盘置于工作台承重台板上，承重台板通过螺栓固定于工作台上，如图4所示，其边缘处固定有多个PU柱，并围成一个矩形，食品可以通过食品托盘放入这个矩形中。

图4 承重台板Figure 4 Loading bedplate

为达到对整盘食品的切割与控制，特设计工作台水平运动装置，通过带传动带动工作台及其上面的承重台板沿水平方向往复运动以达到对整盘食品的切割。其工作原理：工作台8两底面连接有同步带13，同步带13通过齿轮14与同步电机17相连。同步电机17工作时带动同步带13从而带动工作台8沿水平导轨15作水平直线运动。

1.4 控制面板

超声波食品切割机通过PLC程序设置具体切割参数，其触摸屏控制面板见图5。用户可以根据待切割食品形状进行选择，以矩形切割为例，其操作界面见图6，输入相应的参数值后，程序会自动进行运算，并根据计算结果对食品进行切割。常见切割效果见图7。

图5 形状选择界面Figure 5 Interface for shape selection

图6 切割参数选择界面Figure 6 Interface for cutting parameters selection

图7 常见形状切割效果图Figure 7 Cutting effect for common shape

2 工作流程

超声波食品切割机的工作流程：将待切割食品托盘放置于工作台8承重台板上，接通气管、电源。电源通过控制箱16调整参数，并打开开关按扭，使超声波发生器7开始工作，此动作在电源接通时一直持续。同步电机17及旋转电机9开始工作，使工作台8锁死在设定的水平位置及角度处并停止工作，保证工作台在切割过程中不发生位置的变化。当工作台锁死后，智能超声波切割刀4开始向下切割食品，完成后升降气缸5向上升至最高位置并停止工作。此时，同步电机17再次启动，将工作台移动至第2个设定位置后停止工作，升降气缸5继续开始工作，带动智能超声波切割刀4再次切割食品，如此往复到水平设定参数完成，接着旋转电机9带动工作台旋转到下一设定角度后再次完成水平方向的切割，如此往复，直到旋转设定参数与水平设计参数均完成，此时整盘食品切割完毕。升降气缸5和旋转电机9回归原位并停止工作。然后，同步电机17带动工作台8至8"的位置且固定于此位置，待工作人员取出食品后，再带动工作台回到起始位置。

3 结论

本研究涉及的超声波食品切割机可以把整盘的片状产品切割成方形、三角形、菱形、平行四边形等其它指定的多边形，避免了手工切割的分块不均匀现象，不会造成被切割食品的崩边、破损，切割效果极佳。设计的触摸屏操作系统，可储存上百种切割方案，可根据用户的需求变化自主选择不同方案。超声波食品切割机的切面干净、整洁且美观，食品分块的大小和重量精确一致。目前，本超声波食品切割机主要用于切割较柔软的食品。当待切割食品的硬度超过花生、果仁、坚果壳时，刀具容易破损，从而影响整机切割效率。对此将需进一步研究与改进，扩大切割对象范围，提高应用价值。

1 战晓林，陶学恒，李玉光.食品机械中自动切割装置的研发［J］.包装与食品机械，2011（2）：47～78.

2 石一兵.食品切割机设计［J］.包装与食品机械，1992（1）：1～2.

3 白晓丽，伍毅.面向制造和装配的食品机械设计［J］.食品与机械，2012，28（1）：146～147.

4 辛雅宁.一种新型超声电源换能系统的研究设计［D］.西安：西北工业大学，2005.

5 段忠福.超声波振动辅助车削加工机理分析［D］.上海：上海交通大学，2010.

6 谢欣平.超声变幅杆的瞬态动力学研究［D］.镇江：江苏科技大学，2011.

7 侯长安.超声波蛋糕切割机：中国，203156811［P］.2013— 08—28.

8 周胜利，姚志远，沙金.超声切割刀动力学分析和结构优化设计［J］.中国机械工程，2013（2）：1 631～1 632.