刘瑞歌，宋 锋，范丁文

（滨州学院 机电工程学院，山东滨州 256600）

0 引言

肉串是中国的特色食品，以其风味独特、食用方便而受到广大消费者的喜爱，尤其在炎热的夏季，烧烤已经成为我们日常生活中的休闲方式之一［1］。随着地摊经营的开放，肉串的需求量供不应求［2-3］。目前国内肉串加工方式主要以手工和半自动穿串为主［4-7］，主要存在以下问题：劳动强度大、食品卫生安全性差、生产效率低，不利于大批量生产［8-9］。为克服以上不足，设计一种结构简单，操作方便的小型自动穿串机。

穿串机采用直流减速电机、推杆电机、激光传感器、红外传感器与电磁铁等器件配合带传动［10］，巧妙利用曲柄摇杆机构使盛签盒不断处于运动状态，在单片机控制下实现自动定位、停止、穿串、补签等功能，实现穿串的自动化，从而达到解放劳动力、提高生产效率的目的，有一定的应用和参考价值。

1 自动穿串机的结构设计及工作原理

1.1 结构设计

自动穿串机是集自动传输肉块、定点停止、快速插签、自动补充竹签的一体化自动穿串机器。由整体骨架和六大功能模块组成，结构如图1所示。六大功能模块分别为传送机构、光电传感器识别机构、电动推杆扣合机构、自动补签机构、滑块顶针机构以及STM32单片机控制机构，具有重量轻、易于组装、结构紧凑、成本较低、稳定性好等特点。传送带位于最左边，电动推杆扣合机构位于传送机构的上方，以实现肉块定点停止后的固定待穿工作。自动补签机构位于机器中部，由12V减速电机、曲柄摇杆机构、盛签盒、滑轨和底部带有矩形空腔的底板组成。滑块顶针装置位于机器右边，处于底板同一水平面。STM32单片机控制机构位于机器的右下角。该布局具有结构紧凑、运行协调的特点，可以实现多种功能。

图1 自动穿串机的结构Fig.1 Structure of automatic threading machine

1.2 工作原理

在放签盒内放入竹签。将整理好的肉块放在盛肉板上，将盛肉板放到传送带上，点击开始按钮，减速电机带动同步轮顺时针转动，盛肉板在皮带的带动下向右传动。当位于盛肉板左侧的激光传感器检测到运动中盛肉板上的特殊标记时，减速电机停止转动，皮带使盛肉板平缓停下。推杆电机伸出，上盖板下压，与盛肉板扣合，形成一个特殊的间隙，物料被紧紧固定在其间。放签盒上的步进电机开始带动齿轮转动，促使放签盒内的竹签单根拨出，直到位于齿轮下游的红外传感器检测到有单根竹签通过，步进电机停止转动。单根竹签落入放签盒下方的盛签盒中，电磁铁被吸下弹，使橡胶压板压住竹签，给竹签一个向下的力。曲柄摇杆在减速电机的带动下转动，摇臂连接在盛签盒上，盛签盒被固定在不锈钢三节轨道上做往复运动。当盛签盒下底板上的槽口与盛签板上的槽口重合，竹签被挤入盛签板的凹槽内，随后曲柄摇杆停止转动，下底板将槽口盖住，形成一个密闭的空间，防止顶针与竹签发生错位，电磁铁失电回弹，橡胶压板上提。直流减速电机顺时针转动法兰螺母带动滑块做进给运动，滑块上的顶针顶着竹签顺利从盛肉板与上盖板的空隙中穿过，将肉块穿串。在盛肉板与盛签板之间有一红外传感器，在机器进行推签动作时，若未识别到竹签经过，则盛签盒内的竹签未进入盛签板的凹槽内，机器重复曲柄摇杆转动及以后动作。随后，直流减速电机逆时针转动，法兰螺母带动滑块退回，回到初始状态，推杆电机回缩，上盖板抬起，减速电机恢复转动，盛肉板恢复移动，机器完成一个周期，激光传感器等待下一个特殊标记点。

2 关键技术的具体实现

2.1 识别装置

雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号［11］。激光漫反射传感器是新型数字量激光测量仪器，可用来识别灰度，优点是能实现无接触远距离测量，速度快、精度高、量程大，抗光、电干扰能力强等，为机器精确运转打下了基础。全自动穿串机利用黑色砂纸做底，散射能力强，在砂纸的指定部位粘贴反光膜，激光脉冲照射到砂纸上，元件接收的散射光不足以被识别，在经过反光膜时，激光脉冲大部分被反射回元件，被识别到，产生电信号的变化。红外传感器采用E3F-DS30C4型漫反射感应直流光电开关，在检测到有竹签经过时，发送信号，使步进电机停止转动［12］。多种传感器搭配使用，即降低了机器的制作成本，又物尽其用，使机器能协调运作。

2.2 自动排签补签装置

减速电机转动，曲柄摇杆在减速电机的带动下转动，摇臂连接在盛签盒上，盛签盒被固定在不锈钢三节轨道上，开始做往复运动，当盛签盒下底板上的槽口与盛签板上的槽口重合时，竹签被挤入盛签板的凹槽内，随后曲柄摇杆停止转动，下底板将槽口盖住，形成一个密闭的空间，可以防止顶针与竹签发生错位，电磁铁失电回弹，橡胶压板上提［13］。直流减速电机开始顺时针转动，法兰螺母带动滑块做进给运动，滑块上的顶针顶竹签顺利从盛肉板与上盖板的空隙中穿过，将肉块穿串。在盛肉板与盛签板之间有一红外传感器，在机器进入推签动作时，若未识别到竹签经过，即可判断为盛签盒内的竹签未进入盛签板的凹槽内，则曲柄摇杆重复转动，开始后续动作流程。

自动补签装置原理结构图如图2所示。

图2 自动补签装置Fig.2 Automatic stick replenishment device

自动补签分为多个过程，首先是放签盒内将单个竹签分离出来，随后分离出来的竹签进入盛签盒被电磁铁压住后随盛签盒往复运动，经过盛签板槽口时落入槽口最后被下底板压住，完成自动补签。

2.3 肉块固定装置

图3中移动式PE盛肉板可灵活取拿摆放、清洗方便、可随意变换种类，满足不同的需求。边缘涂有供激光传感器识别的特殊标记，可与上盖板配合形成特殊空腔，用来固定物料。上盖板采用食品级ABS树脂材料，轻盈又坚韧，能抵御强烈的撞击，柔韧性好，接触食物安全，用来配合盛肉板完成物料的固定，效果极佳。直流电机驱动电动推杆，推杆有200 mm行程，推力达到1 300 N，合金材质，伸缩动作平稳，可为上盖板提供足够的动力完成下压动作。

图3 肉块固定装置Fig.3 Meat fixing device

食品级ABS材料接触物料更加卫生，灵活的扣合模式可以适合多种物料穿串作业。

2.4 进给装置

如图4，采用12V775型直流减速电机，带动丝杠强力转动。T8型丝杠配套螺纹法兰，将丝杠的转动转为法兰块的进给运动。滑轨配套滑块与法兰以特殊形式联接，法兰带动滑块做进给运动。直径为8mm的光轴，长为400 mm，与滑块通过焊接联接，作为推动竹签的顶针。自主设计滚珠丝杠滑台，大大降低了机器的制造成本。

图4 进给装置Fig.4 Feeding device

3 结语

小型自动穿串机是集自动传送装置、自动穿串装置和自动补签装置的新型机器，能实现自动定位、停止、穿串、补签等功能。不仅能大大提高生产效率而且还能满足消费者对产品的质量要求，能够充分地代替人工，实现穿串的自动化。除此之外，还具有成本低、卫生安全的特点，减少人力物力的浪费，保障人员的安全，能给个体和企业带来便利并增加经济效益，具有一定应用和参考价值。