可梳理式多功能自动切菜机的研究与设计

2014-05-03杨志成张景胜黄春娥董玉梅

食品与机械 2014年3期

杨志成张景胜黄春娥董玉梅

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

（北京联合大学生物化学工程学院，北京 100023）

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

多功能切菜机是对蔬菜加工的一种自动化机械，可将洗好的蔬菜加工为菜丝、馅、菜块、菜丁。目前国内外食品机械厂已生产有多种不同型号的多功能切菜机，典型如广州某公司生产的XZ－680A多功能切菜机；北京某公司生产的ZC－801切菜机，均已在餐饮生产中得到广泛应用［1－4］。然而，切菜机在使用过程中也存在一些问题，如，压紧机构压紧度固定，使得技术工人在加工不同品种的蔬菜时必须换刀，需频繁调试；在实际应用中，不同的蔬菜要求切割长短不一，宽窄不同，而送菜电机速度固定，缺乏梳理，所切蔬菜因为其横置没有被切割，或被连切数刀不断的情况时有发生，还需要工人进行后续的手工处理［5－8］。因此，需要一种能够自动调整压紧度、自动梳理送菜的多功能切菜机，可以将蔬菜加工成所需的各种形状，而且不横刀不连刀。基于此，本课题组自主研制一种抛掷式自动多功能切菜机，装置采用可编程控制器和触摸屏控制，具有自动化程度高、操作方便、切割效率高，传动速度可调的特点。

1 结构与原理

1.1 多功能切菜机的功能

本装置的创新点是用4个电机的转动力带动主动轮、从动轮对蔬菜进行整理、切削等。其工作装置采用可编程控制器和触摸屏控制，具有自动化程度高、操作方便、切割效率高，传动速度可调的特点。流程是：

将蔬菜投放到投菜口→经导流板下滑→高度传感器判断蔬菜高度、重量→机器爪整理→传送带输送→压紧机构按牢→刀栅分割→刀片切削

与传统切菜机比较增加了将蔬菜投放到投菜口→经导流板下滑→高度传感器判断蔬菜高度、重量→机器爪整理等工序。

1.2 整机结构设计

1.2.1 整机结构和工作原理梳理式多功能切菜机的整机结构见图1，传统的多功能切菜机总体结构见图2。主要由动力部分（单相异步电机、传送带等）、梳理机构（梳理电机、导流板、机器爪等）、压紧机构（从动轮、传送带、压紧弹簧、调整螺母等）和切菜部分（切削电动机、刀片、刀栅）四部分组成。

该机工作时，各电机同时启动，工作人员将菜放置投菜口1，蔬菜从投菜口沿导流板2下滑至底部。高度传感器3预先测量蔬菜高度，重量传感器4称量出蔬菜的重量，将这些信号传送到控制器。底部的传送带5将菜送至梳理部分的机器爪7梳理，机器爪顺逆运动，将菜形成竖向摆放，再经过压紧机构11压紧。蔬菜在进入压紧机构之前，控制器提前控制压紧电机13动作，保证压紧机构压紧蔬菜，且不将其损坏。压紧机构从动轮11带动传送带2转动，减少蔬菜经过时的阻力。压紧机构在压紧弹簧的作用下，将菜抓紧。蔬菜经过刀栅18被加工成条状蔬菜，经过切削电机19带动的刀片20，蔬菜被加工成目标形状。

图1 传统多功能切菜机的总体结构Figure 1 General structure of the multifunctional machine of cutting vegetables

图2 多功能切菜机的总体结构Figure 2 The overall structure of the traditional cutting machine

1.2.2 梳理机构的设计切菜机加工原料需要清洗，清洗完的蔬菜往往杂乱无序。如果不进行人工整理，普通切菜机切出的菜料的大小、形状差异较大、影响了后续加工的速度及质量。为此，自制了抛掷式梳理器，结构见图3。由图3可知，梳理机构采用凸轮机构耦合蜗轮蜗杆传动。由梳理电机、导流板、传送带、椭圆凸轮机构、机器爪、复位弹簧等组成。按照投菜人的习惯，投菜口采用上大下小的设计，导流板倾斜角度采用30～45°，根据经验，角度小造成菜料积压，原料供应不均匀；角度大，菜料直接进入导流室，起不到导流效果。经过试验确定，导流板采用水平夹角37°设计，保证了蔬菜纵向有序地进入压紧系统，获得较好的结果。蔬菜进入投料口后，输送带将蔬菜送往切菜机构，电机3的动力输出轴带动多个椭圆凸轮机构，每个椭圆凸轮机构分别与下面的内轴外轴相连，内外轴又与丝杠24和带罗纹的机器爪7相连，当凸轮转动时，外轴不动，内轴形成上下相对位移，构成了机器爪的张合，把蔬菜很好的调理好。

图3 梳理机构结构简图Figure 3 The structure diagram of carding mechanism

1.2.3 压紧机构的设计切菜机切菜需要压紧机构将菜边抓实边输送，这样切菜机的刀片才能切断蔬菜。如果将菜抓得太紧，蔬菜易变形、溃烂，影响菜品质量。如果抓得不紧，刀片经过时，蔬菜容易脱落，造成连刀。由于蔬菜纤维含量、鲜嫩水分不同，压紧度也应不同，设计压紧弹簧的调整装置势在必行，一方面可以调整压紧机构的松紧度，另一方面可以调整压紧机构的起始点。为此，专门设计了具有强度和零点调整功能的压紧机构。

为了适应自动快速的需求，压紧机构采用自动化设计。如图4所示，该结构主要包括：电动机4、丝杠、皮带轮、传动带、传送带、压紧弹簧、调零螺母、平衡杆、支点等。

图4 压紧机构结构简图Figure 4 The structure diagram of pressing mechanism

2 多功能切菜机控制系统硬件及程序设计

2.1 控制系统硬件结构设计

根据切菜机控制响应速度、质量、安全度要求，控制系统包括控制器、传感器和执行机构，见图5。控制器设备包括触摸屏和可编程控制器，操作类设备包括启动开关、应急按钮。控制设备触摸屏为欧姆龙公司生产，直接监控PLC运行状态，起到现场监测、统计数据信息、控制系统的作用。控制器选择了欧姆龙公司的PLC作为下位机。它由有数字量I／O口为24点入／16点出。执行机构为4个电机、4个电磁阀，它们全部采用24 V直流电源。传感器主要是接近开关检测投放蔬菜状态及数量，旋转编码器对电机的转速和运行位置进行精确的检测。辅助电器包括交流接触器、中间继电器和它们的常开、常闭触点、及其它们的互锁电路。它们的使用提高了控制电路的安全性、解决了控制电路信号之间的不匹配问题，简化了PLC梯形图的编写。急停按钮更是现场操作工人特殊情况下最直接、最有效的安全保障。

图5 控制系统结构Figure 5 The structure of control system

2.2 控制器系统程序设计

系统程序由一个主程序和若干子程序组成，主程序包括系统初始化子程序，压紧机构调试子程序、梳理机构子程序和应急子程序。主程序流程见图6。

（1）初始化子程序：初始化子程序主要包括传感器的参数检测，定时器、计数器等参数的初始值设定，执行机构位置复位，上位机与下位机通讯、报警等。

图6 主程序流程图Figure 6 The main program flow chart

（2）梳理机构子程序：梳理机构子程序包括电机的启动停止控制、速度控制；特殊情况下的反转控制，4个机器爪的顺序控制等。

（3）压紧机构调试子程序：压紧机构调试子程序负责把重量传感器、高度传感器检测的信息送到控制器中，由控制器计算出最佳位置来控制电机2的启动、停止、正反转及其速度。以此减少蔬菜溃烂的同时，降低了连刀率。

3 验证实验

采用回归法检验切菜机梳理机构机器爪整理作用度。以蔬菜梳理机构加入的机器爪数量值和蔬菜的横刀率测量值，考察两者之间的相关性。测定结果见表1，利用 MATLAB优化工具箱中的最小二乘曲线拟合函数lsqcurvefit得到了比较理想的非线性回归函数为y＝2.033＋9.142×e－0.86x。其样本决定系数为R2＝0.999，模型的拟合优度很好。因此设置4个机器爪最为经济合理。通过验证实验，横刀率由原来的11.2%下降到2.25%。废品率由原来的1.5%下降到0.15%。