張瀚卿 龍亮亮 張 燕

（海南大學機電工程學院，海南 ?？?570228）

椰子作為中國主要的經濟作物之一，是一種大型的棕櫚科植物，其樹高可達20 m 以上，葉長可達6 m，主要產于華南熱帶的沿海地區(qū)。椰子果肉有很高的營養(yǎng)價值，可制成各種營養(yǎng)豐富的椰子類食品。椰子水主要用于生產椰鮮果（也稱納塔），富含糖、礦物質、蛋白質、氨基酸及其他微量成分。椰纖果的用途廣泛，不僅可以作為添加劑和新型食品加工半成品，還可作為新型生物材料。椰子殼表面堅硬，受撞擊時易裂開。果仁俗稱椰肉，為椰殼所包覆，可供食用［1］。椰子作為多年生的熱帶木本油料作物和食品能源作物，具有很高的綜合經濟價值，在醫(yī)療、衛(wèi)生、保健、食品等行業(yè)均有應用。

目前中國椰子加工企業(yè)有300家左右，但是大部分企業(yè)加工量比較小，未能形成產業(yè)化規(guī)模化［2］。少數如海南天際、春光等具有一定規(guī)模的專業(yè)化的椰子綜合加工企業(yè)也僅僅是實現了椰子加工后續(xù)工序的機械化。椰子加工的第一步都是去掉外殼。因為椰子的外衣非常厚實，所以去掉椰衣后有利于椰子的運輸和后續(xù)加工。海南的椰子剝衣工作主要靠工人手工或借助簡單的工具完成。這種手工剝除椰衣勞動強度大，效率低，費時費工，而且危險性很大［3］。

目前，國內外有許多相關機構和人員都在從事椰子剝衣這方面的研究，并且取得了很大的進展。比如，有利用六角刀具扎入椰衣旋轉剝開椰衣的自動剝衣機［4］。雖然傳感器和計算機技術以及液壓技術的應用能使機器的自動化程度得到較大的提高，但是這些技術在椰子剝衣機方面的應用還較少［5］。而且這些椰子剝衣機在工作的過程中都必須要有工人的參與，沒有辦法實現完全的自動化。因此設計一種全自動的椰子剝衣機，運用工業(yè)流水線式的加工方式對椰子進行加工，不僅能夠提高椰子剝衣速率，還能夠減少椰子剝衣的損傷率，減少在剝衣過程中對工作人員的傷害。本試驗的設計全部由PLC控制。

1 全自動剝衣機的工作原理

1．1 總體設計思路

采用工業(yè)上常用的流水線生產方式，將椰子的整個剝衣過程分成3個部分：上料、剝衣、卸料，這3個工位加工部件分別固定在一個大圓盤對應的位置上，在大圓盤上安裝分度盤，來控制圓盤按角度旋轉。并且在同一圓周上安裝3個三角卡盤，每兩個卡盤之間成120°（見圖1），用來保證3個工位的加工同時進行，提高加工效率。當椰子完成一個加工后，控制電機，讓轉盤轉動120°進行下一次的加工。在整個過程中，全部由PLC程序控制，只需要提前輸入程序，就可以讓整個加工過程自動進行。這樣既可以完全省去人員的勞動力，也可以提高椰子剝皮的效率。

1．2 上料裝置和卸料裝置

工業(yè)機械手是近年來自動控制領域中出現的一種新型技術，已成為現代制造生產系統中不可缺少的組成部分［5］。機械手可以完成如搬物、裝配、切割、噴染等多種作業(yè)，應用面非常廣泛。目前，中國機械手的發(fā)展非常迅速，功能越來越先進，靈活性也越來越高。

圖1 椰子衣加工過程示意圖Figure1 The Schematic diagram of working process

上料裝置和卸料裝置都用機械手來控制，這里采用簡單的氣壓控制式機械手［6］（見圖2）。在第一工位時，機械手從放料箱中取出椰子，并且將椰子放在第一轉盤上的三角卡盤上，在第三工位時，機械手主要將椰子從轉盤上取下來放在收集箱中。在兩個過程中機械手的運動相同，因此可以采用同一類型的機械手控制。

圖2 機械手加工過程示意圖Figure2 The Schematic diagram of manipulator’s work process

機械手的初始位置停止在原點，啟動按鈕打開后，機械手將依次完成下降——加緊椰子（定時1s）——上升——順時針旋轉180°——下降——松開椰子（定時1s）——上升——逆時針旋轉180°的過程。由相應的限位開關來控制。夾緊和放松動作則有氣壓上的M 型三位五通型電磁換向閥控制。

1．3 椰子剝皮裝置

在以往的設計中因為椰子大致是橢圓形的。為了讓刀具沿著剝皮機的外輪廓走，需要人工控制刀具的進給，尤其是在剝衣機上進行剝皮的時候。在原有椰子剝衣機的基礎上進行改良，用渦輪蝸桿機構來控制刀具的下降和旋轉，用一個電機控制整個剝衣過程。

整體的設計如圖3所示。

圖3 椰子剝衣機的機構簡圖Figure3 Coconut shell dryer’s structure diagram

椰子剝機的基本工作原理：當椰子轉到第二工位后，電動機正轉打開，帶動渦輪轉動，通過渦輪與蝸桿的嚙合作用，帶動蝸桿向下運動并且轉動。在蝸桿軸上安裝有刀具盤，刀具盤通過鍵槽安裝在蝸桿軸上。刀具盤上通過鉸鏈與6把刀具連接。刀具與刀具之間通過彈簧連接在一起。刀具盤的下方用彈簧連接有三腳頂針。開始時刀具頂尖和三足頂尖處于同一水平面上（見圖4），當刀具下降到碰到椰子的時候三腳頂針通過彈簧彈力的作用將椰子固定住。刀具碰到椰子后在壓力的作用下被分開，邊旋轉剝皮，邊下降。當刀具下降到一定位置碰到行位開關后。電動機開始反轉。蝸桿向上運動，刀具收回，直到碰到行程開關后電動機停止。在整個椰子剝皮的過程中，在第二工位旁邊安裝空氣動力壓縮機，將剝下來的椰衣從工作臺上吹下來。

圖4 刀具盤處的設計Figure4 The design of tool tray

1．4 刀具的設計

椰子由外果皮、中果皮、內果皮、種皮、種仁（胚乳）、胚、椰子水等部分構成。外表皮光滑，與中果皮相連接；中果皮俗稱椰衣，為厚而疏松的棕色纖維層，不易剝除；外果皮俗稱椰殼，呈黑褐色。因為主要要求去除椰子的外表皮和中果皮，大部分是纖維層。所以這里刀具不采用平刃，而采用鋸齒刃。通過實踐研究得出結論，在對切割繩索等軟性物料時，鋸齒刃比平刃快。椰衣是纖維狀的，椰衣和椰殼的硬度不一樣，刀具采用鋸齒形刀具，這樣能保證在不損壞椰子內殼的情況下剝衣。椰子是圓形的，為了保證大部分的椰衣都能被剝掉，這里用帶有一定弧度的刀具。

2 軟件設計

2．1 總程序的設計

PLC 由微處理器（CPU）、輸入輸出（I／O）模塊、存儲器（EPROM、ROM）、外設I／O 接口、電源等組成。其中各個部分又通過總線（電源總線、地址總線、控制總線、數據總線）連接［7］。分析椰子剝衣整體過程，得出椰子剝衣的整體流程圖見圖5。

圖5 全自動椰子剝衣機的流程圖Figure5 The flow chart of Automatic coconut shell dryer

2．2 PLC的選用及I／O 口的分配

本設計采用三菱公司生產的FX2NX系列中的FX2N－32M 型。FX2N 系列可編程控制器具有很強的抗干擾能力和很高的可靠性，對工作電源沒有特殊的要求，適用于普通的工業(yè)環(huán)境，因而選用此類型的PLC。FX2N 系列的PLC具有指令功能完善、儲存容量大、運行速度快等特點，它能完成邏輯位置控制、模擬量控制、數據排列、數據檢索、順序控制、平方根以及浮點數運算、三角函數運算等多項功能［6］?？梢娝x的PLC滿足要求，I／O 口的分配如表1所示。

每個卡盤上只有1個工位上有工件檢測裝置壓力繼電器X2，在另外2個工位上沒有其他的檢測裝置。這里采用的是為3個工位設置3 個標志，分別用輔助繼電器M10～M12控制。當第一工位上的檢測裝置檢測到工件存在時設置M10為1，轉盤轉動后，用左移指令FNC32RCL 將M10～M12左移一個位元。這樣3個工位的啟動輔助繼電器控制機器的運行。這樣可以避免發(fā)生空工位的現象。

PLC控制的順序功能圖見圖6。

用P10代表子程序符號。因為在裝、卸椰子時機械手的運動基本上相同，程序也相同，可以用同一個程序控制。為了使程序簡單清晰，這里將機械手的程序編寫子程序。在主程序執(zhí)行的過程中用子程序調用指令FNC01CALL 配合FNC02SRET 指令使用一起調用子程序。

機械手的控制程序見圖7。

表1 I／O 口的分配Table1 The assignment of I／O ports

圖6 主程序順序功能圖Figure6 The Sequential Function Chart of main process

圖7 機械手的控制程序Figure7 The control program of manipulator

3 主要技術參數

椰子整個剝衣過程中，電機功率選為2kW，蝸桿模數選用m ＝8，分度圓直徑90mm，完全由PLC程序控制，3個工位可以同時工作，這樣可以大大提高生產效率，減少勞動力。對由于椰子品種差異和含水量造成的形狀、硬度不同，都能夠完成工作任務。根據實體樣機驗證，該剝衣機可剝衣300多個以上，并且損傷率控制在5%以內。比前人［8］研究的剝衣機更簡單，故障率更低。

用于大批量的椰子生產，將機械和電子緊密結合在一起，實現椰子剝衣過程的全自動化。將椰子的上料，剝皮，卸料在一個工藝中完成。這樣不僅可以減少勞動力，而且便于工廠的統一化生產。同時，如果要進行椰子的其他加工，例如椰子打孔，也可以使用本研究的系統設計。

1 李秀娟，李小慧．新鮮椰子的綜合加工［J］．食品科技，1999（1）：47～49．

2 肖紅，易美華．椰子的開發(fā)利用［J］．海南大學學報（自然科學版），2003，6（2）：183～189．

3 趙松林．椰子綜合加工技術［M］．北京：中國農業(yè)出版社，2007：35～42．

4 肖仁鵬，馬鑫，劉四新，等．椰子自動剝衣機的設計［J］．食品與機械，2012，28（1）：142～143．

5 尚江坤，張燕．椰子剝衣機研制的現狀和展望［J］．安徽農業(yè)科學，2012，40（6）：3 803～3 805．

6 黃偉，胡青龍．機械手PLC 控制系統的設計［J］．機電工程技術，2008（37）：11．

7 廖常初．PLC 的順序控制編程方法［J］．工業(yè)自動化（香港），1997（8）：153～156．

8 張旭飛，張燕，梁棟．基于PLC 的椰子切割機的設計與控制研究［J］．農機化研究，2012（3）：199～202．