金行龍+殷錕+張小康+曹鴻鵬

摘 要：針對現(xiàn)實需求，文中設(shè)計了一款全自動穿串機，該穿串機由推簽氣缸，推簽杠，升降滑塊等組成。經(jīng)驗證，該穿串機在理想狀況下的速度可達4 000串/h，極大地提高了穿串速率并節(jié)約了人力成本，具有較大的應(yīng)用價值與較廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：自動化；單片機；氣缸

1 作品簡介

該產(chǎn)品是一種多用途高效穿串機，由推簽氣缸、推簽杠、升降滑塊等組成。推簽氣缸固定在長方形底座的后部中間位置，推簽氣缸內(nèi)部的伸縮推桿連接著長條形的推簽杠，推簽杠的前部有固定在底座上的滑塊導軌和升降滑塊及穿串上模。升降滑塊連接滑塊氣缸，升降滑塊的下方，在底座上固定著分段的橫向車軌道和運載橫向車，底座前部設(shè)有前排橫向車軌道，底座左側(cè)后部固定著左縱向車氣缸和前部連接的左縱向車。本產(chǎn)品可在竹簽上穿制各種肉串、軟骨串、海味串或其它食品串。

本產(chǎn)品可以在很大程度上實現(xiàn)穿肉的自動化，解放勞動力。且該產(chǎn)品體積小，效率高，適用于中小型燒烤店，具有很大的實用價值。穿串機如圖1所示。

2 工作原理

2.1 項目主要結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計的自動穿串機包括上料機構(gòu)，傳送機構(gòu)，自動擺簽機構(gòu)和穿插機構(gòu)。由電動機提供動力源，運用單片機及液壓氣壓控制機傳動。

2.1.1 主要機構(gòu)

（1）上料機構(gòu)

上料機構(gòu)由肉塊或其他食品的擺放模具（下模盒體）和固定肉塊位置的上模盒體組成，可保證穿插過程的穩(wěn)定性與精確性。

（2）傳送機構(gòu)

傳送機構(gòu)可有效保證下模盒體能夠精確與上模合體配合，同時自動輸送與輸出上模合體，大大提高了生產(chǎn)效率。

（3）自動擺簽機構(gòu)

排簽盒與排簽板接觸，通過曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)排簽盒的運動，排簽盒空隙與排簽板的簽槽重合時，下簽控制器作用，自動下簽，實現(xiàn)擺簽。

（4）穿插機構(gòu)

穿針在排簽板內(nèi)由于壓簽推板的作用可實現(xiàn)穿插肉塊的功能。

2.1.2 電動機及電磁離合器

由于該設(shè)計由電動機提供動力，所以應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求計算好電動機的參數(shù)，配備電磁離合器，實現(xiàn)機械傳動與液壓傳動雙向驅(qū)動。

2.1.3 時間繼電器

為了讓電動機按照一定的方式工作，使其實現(xiàn)“自動”功能，必須用單片機設(shè)計程序或通過PLC來控制整個系統(tǒng)的運行，也可直接用時間繼電器控制。由于時間繼電器具有使用簡單、方便等特點，故選擇時間繼電器。

2.2 項目的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析

2.2.1 上料機構(gòu)的選擇及設(shè)計

（1）下模盒體

下模盒體由聯(lián)動體、調(diào)節(jié)器等部分組成。通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)器即可調(diào)節(jié)間距（通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)器帶動齒輪軸間接帶動齒條運動即可調(diào)節(jié)間距），實現(xiàn)模仁多樣功能。下模盒體如圖2所示。

（2）上模合體

上模盒體通過液壓驅(qū)動，與下模盒體配合。上模盒體的固定板下降與肉塊接觸，保證穿插過程的精確性與穩(wěn)定性。

2.2.2 傳送機構(gòu)的設(shè)計

下模合體由聯(lián)動體、調(diào)節(jié)器等組成。通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)器即可調(diào)節(jié)間距（通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)器帶動齒輪軸間接帶動齒條運動，即可調(diào)節(jié)間距），實現(xiàn)模仁功能多樣性。帶傳動圖如圖3所示。

（1）皮帶輪傳動（V帶）

電磁離合器控制電機輸出軸聯(lián)接皮帶輪的V帶，通過皮帶輪將穿串機下部的輸出動力輸送到上部，皮帶輪轉(zhuǎn)動，通過輸送軸將動力輸送到其他部分。

（2）傳送帶傳送（平帶）

傳送帶平帶與皮帶輪輸出軸相連，軸的轉(zhuǎn)動帶動平帶轉(zhuǎn)動，傳送帶與下模盒體聯(lián)接，帶的運動帶動下模盒體的運動，從而實現(xiàn)與上模盒體的配合。傳送帶的傳動效果平穩(wěn)、準確，有力保障傳送效果。

2.2.3 穿插機構(gòu)

穿插機構(gòu)如圖4所示。模具一次可排多個簽子，不僅提高了效率，還節(jié)約了能源。

1.簽子 2.壓簽觸頭 3.上壓板 4.壓簽板 5 .排簽板

從圖5中可以看到，簽子既不在壓簽板和排簽板形成的形腔內(nèi)，也不在上壓簽板與排簽板形成的形腔內(nèi)。當液壓缸動作時，簽子的一端與壓簽觸頭接觸，一端在上壓簽板與排簽板形成的形腔內(nèi)，因此在穿菜或穿其它食品的過程中，簽子受力出現(xiàn)微小彎曲，如圖5所示。

此時將簽子從排簽板的槽中推出，此后，壓缸在電磁閥換向動作后，反向運動，當壓簽板反向運動到預定位置時，上模盒體向上運動帶動上壓簽板向上運動，脫離排簽板。

2.2.4 自動擺簽機構(gòu)的設(shè)計

（1）排簽盒的設(shè)計

當曲柄滑塊機構(gòu)運動時，排簽盒體也一起運動，運動一段很小的距離后排簽盒體底部與排簽板接觸，此時的下簽控制器抵抗彈簧力順時針轉(zhuǎn)動，下簽控制軸同向轉(zhuǎn)動，下簽控制觸頭亦同向轉(zhuǎn)動，如圖7所示。此時下簽間隙打開。

（2）曲柄滑塊機構(gòu)

皮帶輪轉(zhuǎn)動帶動曲柄轉(zhuǎn)動，利用曲柄滑塊機構(gòu)的運動特點，實現(xiàn)滑塊的往復運動。而排簽盒就相當于滑塊，可在排簽板上往復運動，實現(xiàn)擺簽。曲柄滑塊機構(gòu)如圖8所示。

2.3 液氣控制原理設(shè)計

液壓控制原理如圖9所示。虛線左邊為上壓板控制；右邊為壓簽板控制。

1.油缸；2.油缸；3.單向閥；4.2位3通電磁閥；5.2位3通電磁閥；6.2位4通電磁閥；7.2位3通電磁閥；8.3位4通電磁閥

圖9 液壓控制原理圖

（1） 上壓板工作系統(tǒng)控制說明

圖中8為3位4通閥，中位機選擇O型是因為驅(qū)動上壓板的液壓缸不工作時會自鎖，保持其工作位置；其它兩換向位分別控制上行和下行；7為2位3通閥，可通過換向接通不同的工作系統(tǒng)。

（2） 壓簽板工作系統(tǒng)控制說明endprint

如圖9虛線右邊所示，其為帶補償措施的串聯(lián)液壓缸同步回路。當2為4通電磁閥右位接入時，兩液壓缸活塞同時下行，若缸1的活塞先運動到底，它就觸動行程開關(guān)a使閥5通電，壓力油經(jīng)閥5和液控單向閥3向缸2的B腔補油，推動活塞運動到底，消除誤差。若缸2先到底，則觸動行程開關(guān)b使閥4通電，控制壓力油使液控單向閥回油，活塞即可繼續(xù)運動到底。

2.4 單片機控制設(shè)計

（1） 具體實現(xiàn)方法

采用接受和忽略中斷進行控制。P0口作為數(shù)據(jù)輸出口，工作時，單片機接受響應(yīng)，將P0置數(shù)，P0口再輸出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，通過一個邏輯電路做相應(yīng)的邏輯運算來控制各對應(yīng)驅(qū)動終端的運動狀態(tài)。P0口輸出結(jié)構(gòu)功能設(shè)計見表1所列。

1.3位4通電磁閥閥；2.2位3通電磁閥；3.2位4通電磁閥

2.5 工作原理小結(jié)

備料模塊由30 W交流電機、傳送帶、上下模具組成。

傳送帶在30 V交流電機的帶動下將帶有原料的下模與上模重合，上模下移完成壓模，等待打簽，打簽結(jié)束后，上下模分開，穿好的肉串被傳送帶送出。

經(jīng)過多次實驗，我們加密了下模的溝回，并將上模做成針狀方便肉的壓實，且能適應(yīng)更多肉類。

備簽模塊由滾筒式上簽器，備簽槽，壓簽器組成。

滾筒式上簽器在15 V交流電機的帶動下滾動并將放在備簽槽中的竹簽嵌入槽中，壓簽器的運動可保證一槽一簽，防止多簽入槽，引發(fā)失誤。竹簽到位后觸發(fā)光電傳感器，停止動作，完成備簽。

打簽模塊由打簽板，氣動裝置，導簽器，接觸限位開關(guān)組成。

備料與備簽就緒后，汽缸帶動打簽板推動竹簽沿槽運動，完成打簽。

為了保證打簽過程順利進行，避免折簽的狀況出現(xiàn)，我們在竹簽入口處設(shè)置了導簽器，以使快速移動的竹簽準確插入肉中。

動力模塊由電機和氣動系統(tǒng)組成。

（1）電機：在備料與備簽過程中，由于電機帶動傳送帶移動與滾筒式上簽器的運動比較慢，需要隨時停止，隨時啟動，故采用小功率交流電機作為動力。

（2）氣動系統(tǒng)：打簽與壓模過程中運動均為直線，需要較大的壓力與較快的速度，所以選用由汽缸、空壓機組成的氣動系統(tǒng)作為動力。

控制模塊作為整個串肉機五大模塊有效配合的中心，控制系統(tǒng)是完成所有動作的保證。我們采用單片機作為控制中心，配合五大電渦流傳感器與一個激光回歸反射式光電傳感器，共同完成整個系統(tǒng)的控制。

3 創(chuàng)新點

（1）功能完備、衛(wèi)生安全：采用先進的單片機技術(shù)，放置傳感器進行閉環(huán)控制，使氣動與電動相結(jié)合，實現(xiàn)自動上簽，自動穿肉。

（2）適應(yīng)性廣：適用于各種簽類，能穿各種串制品；通過使用不同的模具調(diào)整肉串長短。

（3）穩(wěn)定性強：采用直流電機和氣壓泵，附加電磁離合器，保證動力輸出的穩(wěn)定性。壓模結(jié)構(gòu)的設(shè)計提高了穿串的精確度與穩(wěn)定性。

（4）省空間、高效率：合理的空間布局與模塊化設(shè)計大大節(jié)省了占地空間，4 000串/h的效率大量節(jié)約了人力資源。

4 市場前景

（1）通過單片機和安裝在各運動末端中斷按鈕的有效結(jié)合實現(xiàn)了自動穿串，不僅減少了額外的能源消耗，同時還減輕了原始人工的勞力負擔。

（2）多種菜品自動穿串的實現(xiàn)，使得自動穿串機的實用范圍大大增加，大大提高了穿串機的實用性和可推廣性。

（3）進行虛擬運動仿真后，加上額外人工填充時間，在理想的工作情況下，基本效率是720串/min，能達到餐廳在不使用保鮮柜的條件下滿足即時需求，提高效率并減少經(jīng)濟成本的要求。

（4）應(yīng)用范圍：面向個體燒烤店的串制品加工，安全衛(wèi)生，效率較高；面向工廠-超市-家庭供貨的工廠化串制品生產(chǎn)；燒烤連鎖店的集中供貨生產(chǎn)，節(jié)約成本。

目前國內(nèi)和國外的市場上都還沒有類似的自動穿串設(shè)備，該全自動穿串機一旦大規(guī)模投入市場，將會很大程度解決我國餐飲業(yè)穿串緊張的問題，并取得世界領(lǐng)先地位。endprint