蔡寬麒

陳振斌1

張家豪2

劉博藝3

(1. 海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2. 海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，海南 ?？?570228；3. 海南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

基于PLC與胡克定律的椰子自動開孔機(jī)設(shè)計(jì)

蔡寬麒1

陳振斌1

張家豪2

劉博藝3

(1. 海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2. 海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，海南 海口 570228；3. 海南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

依據(jù)椰衣厚、韌性大的特點(diǎn)，通過研究椰子的傳送、開孔等過程，設(shè)計(jì)出基于PLC與胡克定律相結(jié)合的椰子自動開孔機(jī)。整機(jī)利用凸輪組和彈簧連桿組周期性釋放和存儲勢能，從而完成椰子開孔過程中錐子周期性進(jìn)入和退出。利用PLC進(jìn)行開孔椰子計(jì)數(shù)、椰子的喂入和開孔過程中皮帶的啟停控制。該機(jī)可提升椰子開孔的安全性、效率和椰子綜合利用率，實(shí)現(xiàn)椰子開孔收集椰子水的機(jī)械化和自動化。

椰子；開孔機(jī)；胡克定律

椰子是棕櫚科椰子屬植物，是一種擁有2 000多年種植歷史的熱帶水果[1]。椰子水是存于椰子腔內(nèi)的一種天然果汁[2-4]，富含碳水化合物、礦物質(zhì)、維生素、氨基酸等人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)[5-8]，其特有的清淡椰香風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值備受消費(fèi)者青睞。歐美地區(qū)最暢銷的椰子水品牌，美國著名品牌“唯他可可”(Vita Coco)，在中國部分城市推出了330 mL以及1 L裝的兩款原味椰子水產(chǎn)品[9]。然而，中國天然椰子水生產(chǎn)過程中機(jī)械化程度低，效率低。導(dǎo)致椰子水從原料到成品的時(shí)間很難滿足不超過72 h的要求。中國擁有近300家椰子加工企業(yè)，企業(yè)均采用人工開椰殼[10]，生產(chǎn)效率低，無法滿足天然椰子水規(guī)模化生產(chǎn)要求。

目前，國內(nèi)外關(guān)于椰子開孔收集椰子水技術(shù)的深入研究較少[11]，大部分還處于手動機(jī)械和半自動機(jī)械狀態(tài)[12-13]，如：曾南春等[14]研制的一種新型開椰器，由一根帶鋸齒的空心不銹鋼管構(gòu)成，利用人力將把手主體延伸出來的環(huán)形鋸齒狀空心末端壓入椰殼內(nèi)，在椰殼表面形成孔洞，實(shí)現(xiàn)椰子的開孔和取汁，但需要消耗大量人力，不能滿足生產(chǎn)企業(yè)大批量開孔收集椰子水的需求。黃東升[15]所研制的一種自動椰子取汁機(jī)，在沿傳送帶運(yùn)行方向設(shè)有取汁工位，在取汁工位上、下分別設(shè)有鉆孔裝置、取汁裝置和頂果裝置。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對椰子的鉆孔取汁功能，但是機(jī)械負(fù)載過大，而且該設(shè)計(jì)還存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高，鉆頭受力大、磨損嚴(yán)重、壽命短，同時(shí)運(yùn)行噪音大、穩(wěn)定性差等問題。La Epe等[16]發(fā)明了由馬達(dá)驅(qū)動的椰子開孔機(jī)器，由齒輪、開孔桿、電動馬達(dá)和復(fù)合傳動鏈組成，生產(chǎn)效率為24個(gè)/h，其勞動力需求為每人每小時(shí)220個(gè)椰子,該機(jī)消耗勞動力大，自動化水平不高。

本研究設(shè)計(jì)一種能自動開椰子收集椰子水的機(jī)器。其原理是利用電動機(jī)轉(zhuǎn)動凸輪壓縮彈簧升高產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，使得電機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為彈簧彈性勢能和錐子的重力勢能，凸輪結(jié)束壓縮時(shí)，勢能轉(zhuǎn)化為錐子的動能并在短時(shí)間內(nèi)釋放將椰殼擊穿，隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)繼而再次壓縮彈簧使錐子自動收回，準(zhǔn)備下一次開孔，開孔后的椰子通過傳送帶離開工作臺并進(jìn)行椰汁收集，整個(gè)工作過程周期性進(jìn)行。整機(jī)工作結(jié)合PLC及其外部傳感器設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對傳送帶的運(yùn)動速度、椰子喂入時(shí)間等的閉環(huán)控制以及對機(jī)器的工作效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。該機(jī)操作簡單方便、勞動力資源消耗少、椰肉和椰殼的損傷率低、效率高，能夠滿足椰子開孔收集椰子水的自動化和規(guī)?；a(chǎn)的要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為基于PLC與胡克定律相結(jié)合的椰子自動開孔機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。整機(jī)由彈簧連桿裝置、凸輪組裝置、皮帶輪裝置、傳動裝置、電動機(jī)和啟動裝置等組成。

1. 電動機(jī) 2. 電線A 3. 插頭 4. 減速器 5. 鐵柱 6. 彈簧 7. 連錐鐵柱 8. 空心鋼管 9. 皮帶輪A 10. 傳動軸 11. 皮帶 12. 皮帶輪B 13. 出水管 14. 底座 15. 凸輪A 16. 大號滾輪 17. 檔板 18. 集椰汁水箱 19. 凸輪B 20. 小號滾輪 21. 支撐桿 22. 距離傳感器X1(型號為LJ18A3-8-Z) 23. M4 光電開關(guān)傳感器X224. 電線B 25. 顯示屏 26. 中間繼電器 27. 交流接觸器 28. PLC

圖1 椰子自動開孔機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 The schematic diagram of automatic coconuts tapping machine based on the PLC combined with hooke's law

本研究從7個(gè)技術(shù)參數(shù)對椰子自動開孔機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，外形尺寸長3 500 mm，寬2 050 mm，高1 310 mm；整機(jī)重量約450 kg；采用約3 kW的配套動力；椰子通過皮帶水平進(jìn)料，皮帶的移動速度為2 m/s。整機(jī)的開孔率≥95%，取汁產(chǎn)量約13.4 kg/min。

1.2 工作原理

本研究將凸輪組和彈簧連桿組組合，利用電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能和空心鋼管的重力勢能，結(jié)合熱力學(xué)第一定律、動量定理中將勢能轉(zhuǎn)化為動能[17-19]，并在短時(shí)間內(nèi)釋放，在錐子與椰殼接觸處產(chǎn)生巨大壓強(qiáng)，將椰殼擊穿，該機(jī)械能做到周期性釋放和存儲，從而實(shí)現(xiàn)椰子開孔過程中錐子的進(jìn)入和退出；通過PLC的外部傳感器設(shè)備，獲取椰子的位置，以調(diào)節(jié)傳送帶的運(yùn)動速度，從而實(shí)現(xiàn)椰子的適時(shí)喂入；最后，通過PLC中的計(jì)數(shù)裝置，對機(jī)器的工作效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

1.3 傳動過程

椰子自動開孔機(jī)的傳動過程見圖2。將電動機(jī)插上電源，通過皮帶輪A將電動機(jī)產(chǎn)生的能量傳遞給差速器，在差速器的作用下使其動力與原來方向成90°，并通過皮帶輪B傳遞給凸輪A，其中皮帶輪中兩轉(zhuǎn)子大小不同，且2個(gè)皮帶輪相互平行，中間有可旋轉(zhuǎn)式傳動軸B。傳動軸B上含有凸輪A，通過凸輪A轉(zhuǎn)動帶動滾輪上升，滾輪緊連著彈簧連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)滾輪上升時(shí)壓縮彈簧，產(chǎn)生彈性勢能，當(dāng)輪盤升到足夠高時(shí)，滾輪與凸輪分離，連錐鐵柱受到重力作用和彈力作用，對傳送帶送來的椰子產(chǎn)生一個(gè)沖力，通過錐子將這些動能作用于椰子的一個(gè)點(diǎn)上，將椰子打穿，然后通過皮帶輪運(yùn)出。其中皮帶輪C將轉(zhuǎn)矩傳遞給傳動軸C，并帶動凸輪B轉(zhuǎn)動，從而帶動活動門的升降，擋住椰子防止其在被擊穿時(shí)，因?yàn)槭芰Σ痪鶎?dǎo)致椰子從皮帶輪上滾落。

圖2 椰子自動開孔機(jī)的工作流程

2 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)和參數(shù)分析

2.1 彈簧連桿裝置設(shè)計(jì)與分析

2.1.1 彈簧連桿裝置運(yùn)動過程 圖3為彈簧連桿裝置，該裝置由連錐鐵柱殼、連錐鐵柱芯、彈簧拼接而成。連錐鐵柱殼后部的空心半徑較小，以便于卡住彈簧，前部分連錐鐵柱殼的內(nèi)徑大可以使連錐鐵柱芯順利通過，連錐鐵柱殼左邊伸出圓柱型管，利于彈簧連桿結(jié)構(gòu)的固定，右邊為半弧形擋板，使得彈簧返回原長時(shí)可以阻止其過度下降而造成機(jī)器損壞。連錐鐵柱芯邊上與支架焊接，支架上連接滾輪，滾輪尺寸和凸輪上的凹槽相匹配，以防止凸輪帶著滾輪上升時(shí)滾輪與凸輪發(fā)生偏離，彈簧與連錐鐵柱芯運(yùn)動同步，當(dāng)彈簧壓縮時(shí)連錐鐵柱芯上升，彈簧儲存彈性勢能，當(dāng)滾輪與凸輪脫離時(shí)，彈性勢能瞬間釋放，滾輪和連錐鐵柱芯到達(dá)最低點(diǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)一周后，與滾輪相結(jié)合凸輪帶動滾輪再次上升，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

1. 彈簧 2. 連錐鐵柱 3. 滾輪 4. 空心鋼管

2.1.2 彈簧連桿的參數(shù)設(shè)計(jì) 本研究所設(shè)計(jì)的彈簧其作用在于將外力轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詣菽苄问酱鎯?，然后利用能量使連桿快速地豎直向下運(yùn)動。圖4為彈簧連桿機(jī)構(gòu)在彈簧空載、受到壓縮和做功狀態(tài)下的示意圖。為了防止彈簧連桿裝置在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，承受交變載荷導(dǎo)致其超過疲勞強(qiáng)度或發(fā)生共振而崩壞，將彈簧設(shè)計(jì)為雙彈簧嵌套式，并且以椰子為研究對象進(jìn)行了受力分析，見圖5。

1. 彈簧 2. 連錐鐵柱 3. 滾輪 4. 空心鋼管 5. 尖錐

圖5 椰子受力分析圖

為使得椰子能順利開孔，根據(jù)圖 5建立椰子水平和豎直方向的力學(xué)平衡方程：

(1)

式中：

f——皮帶對椰子的摩擦力，N；

r——椰子半徑，mm；

f′——單位皮帶對椰子的摩擦力，N；

N3——基部對椰子的支持力，N；

N2、N1——皮帶對椰子的橫向支持力，N；

G——椰子的自身重力，N；

F——彈簧工作作用力，N。

基于胡克定律：

F=kx，

(2)

式中：

k——彈簧勁度系數(shù)，N/m；

x——彈簧伸長量，m；

F——彈力，N。

參照彈簧設(shè)計(jì)手冊[20]，設(shè)計(jì)的彈簧為不銹彈簧鋼材質(zhì)的圓柱壓縮彈簧，其主要參數(shù)見表1。

表1 彈簧的主要參數(shù)

2.2 錐子的受力分析和設(shè)計(jì)

在打入椰子時(shí)，錐子先承受椰子徑向的壓應(yīng)力，后承受椰衣對錐子側(cè)向的反作用力，見圖6。為了使錐子進(jìn)入椰衣更省力，將錐口做成尖圓弧狀。椰子殼由于成熟程度不同，椰衣硬度也不同，通常用于加工的椰子椰衣厚度為1.7～2.3 cm，所以取椰衣的平均厚度2 cm。對錐子進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，其中F與錐子底面半徑的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(3)

式中：

F——椰子開孔所需的受力，N；

S2C2——錐子底面積，mm2；

S2——錐子頂面積，0.012 8 mm2；

εm——機(jī)械效率，0.97；

p——進(jìn)錐口的壓強(qiáng)，1 MPa。

錐口尖角按式(4)計(jì)算：

(4)

式中：

β——錐口尖角，(°)；

SS2——錐子高度，30 mm；

S2C——錐子底面半徑，20 mm。

錐子底面積為圓形，由式(3)可求出錐子底面積大小，結(jié)合圓的面積公式，可求得錐子底面半徑S2C≈20 mm。結(jié)合式(4)可求得其錐口尖角為14.26°。錐子三視圖見圖7。如果錐身過長會使錐子強(qiáng)度、剛度下降，而過短則又無法將殼完全穿透。錐口前角如果過大，錐口過鈍必然使椰子開孔所需力增大，而過小又使錐口的強(qiáng)度變小，在開孔過程中易彎曲而產(chǎn)生故障。結(jié)合海南人工使用鋼制刺錐開孔情況，確定該椰子開孔機(jī)使用鋼制錐子。

圖6 錐子尖端受力分析圖

圖7 錐子三視圖

2.3 皮帶的設(shè)計(jì)

2.3.1 椰子在皮帶輪上的運(yùn)動過程 由人工將椰子正立，并置于上皮帶的倒圓臺型凹槽中，當(dāng)皮帶輪轉(zhuǎn)動時(shí)，椰子會隨之在皮帶輪上穩(wěn)定移動。當(dāng)椰子隨著皮帶輪平移到鋼錐正下方時(shí)，活動門關(guān)閉，鋼錐下降將椰子擊穿，此時(shí)鋼錐的尖端正好處在圓臺內(nèi)，隨后凸輪轉(zhuǎn)動，帶動連錐鐵柱上升，當(dāng)尖錐末端離開椰子時(shí)，活動門開啟，皮帶輪繼續(xù)帶著已開孔的椰子前進(jìn)，由于傳送帶左右有擋板阻擋，所以椰子水和碎渣不會到處飛濺，造成污染。其中椰子水經(jīng)過濾紙，濾網(wǎng)流入槽中收集。

2.3.2 皮帶尺寸分析 成熟椰子直徑為250～330 mm，故設(shè)計(jì)皮帶輪上表層圓臺缺口槽的圓弧部分半徑為150 mm，下表層圓臺缺口槽的圓弧部分為200 mm。在皮帶的下方為4個(gè)支座支撐的椰子水收集箱；收集箱中設(shè)計(jì)離心過濾系統(tǒng)，可將椰子水中的椰殼、椰青絲等雜物分離，再通過出口中的4個(gè)濾網(wǎng)進(jìn)行過濾采集。其設(shè)計(jì)圖見圖8。

圖8 皮帶設(shè)計(jì)圖

2.4 凸輪的設(shè)計(jì)

凸輪是本機(jī)械中最重要的裝置之一，其功能是壓縮彈簧連桿機(jī)構(gòu)的彈簧，并使彈簧連桿裝置能夠按照豎直軌跡做往復(fù)運(yùn)動，為了使得所設(shè)計(jì)的凸輪裝置結(jié)構(gòu)簡單、避免從動件與凸輪接觸磨損快，將凸輪設(shè)計(jì)為盤型凸輪，在從動件頂部安裝滾輪，其優(yōu)點(diǎn)在于耐磨損，可承受較大的載荷。凸輪設(shè)計(jì)示意圖見圖9。

3 電控部分的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng) I/O 口的分配

機(jī)器采用 PLC 控制，用于解決現(xiàn)有椰子開孔取汁自動化程度低、工作可靠性與協(xié)調(diào)性差等問題[21-22]。根據(jù)椰子自動開孔機(jī)的自動控制需求，將該機(jī)器I/O分配情況列出。依據(jù)所述I/O分配的順序和工作要求畫出梯形圖見圖10。

O1. 凸輪的旋轉(zhuǎn)中心 O2. 位滾輪的滾動中心 P. 滾輪和凸輪相切點(diǎn)

圖9 凸輪設(shè)計(jì)示意圖

Figure 9 CAM design diagram

X0. 光電開關(guān)傳感器，表示椰子到達(dá)錐子下方，用來控制皮帶輪B的啟停 X1. 距離傳感器，表示擋板到達(dá)指定位置后再次上升，用來控制皮帶輪B的啟停 Y0. 皮帶輪B的啟停 D0. 寄存器 T0. 與X0相連的計(jì)時(shí)器 T1. 與X1相連的計(jì)時(shí)器 M. 刀具的運(yùn)動

圖10 椰子開孔機(jī)控制系統(tǒng)梯形圖

Figure 10 The sequential function diagram of control system

3.2 PLC控制過程

椰子自動開孔機(jī)的電控部分包括距離傳感器、光電開關(guān)傳感器、顯示屏、中間繼電器、交流接觸器、PLC。其工作流程：首先電機(jī)控制傳送帶轉(zhuǎn)動，傳送帶帶動椰子傳送到錐子下方時(shí)，X0感應(yīng)到椰子，PLC接收到由X0傳來的電信號。PLC發(fā)送皮帶輪B停止轉(zhuǎn)動的信號，傳送帶停止轉(zhuǎn)動。同時(shí)PLC的D0的數(shù)字加1。當(dāng)擋板距離傳送帶20 cm以內(nèi)時(shí)，裝在擋板中間的X1將停止向PLC輸出信號。當(dāng)擋板從傳送帶上上升到20 cm安全高度時(shí)，由于裝在擋板中間的X1離傳送帶超過20 cm，X1再次向PLC發(fā)出信號。PLC收到信號，說明已完成(椰子開洞然后擋板上升到足以讓椰子通過的安全高度)這一過程。PLC發(fā)送皮帶輪B開始轉(zhuǎn)動的信號，皮帶輪B再次開始轉(zhuǎn)動。

4 結(jié)論

(1) 運(yùn)用電子機(jī)械相結(jié)合的方式，利用凸輪裝置和彈簧連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合胡克定律，使得勢能周期性地存儲、釋放以及轉(zhuǎn)化為動能，從而做到周期性快速開孔，并且能保持椰殼完整性；PLC以及光電傳感器可使得椰子開孔效率可視化、并且完成皮帶在椰子的喂入和開孔過程中的啟停。對椰子自動開孔機(jī)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，力求在達(dá)到開孔率較高的前提下，使得各機(jī)構(gòu)更加緊湊、簡便。

(2) 椰子自動開孔機(jī)的設(shè)計(jì)和研制，將解決取椰子水時(shí)勞動力資源消耗大，椰肉、椰殼的損傷率高、生產(chǎn)效率和安全系數(shù)過低等問題，提高了椰子的利用率和經(jīng)濟(jì)效益，對中國椰子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

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The design of coconut automatic tapping machine base on PLC and Hooke law

CAIKuan-qi1

CHENZhen-bin1

ZHANGJia-hao2

LIUBo-yi3

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China; 2.AgriculturalCollege,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China; 3.InformationScience,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China)

In order to solve the problem in the process of coconut juicing during labor consumption, inefficiency, wasting of coconut resources and other issues, we designed an automatic coconuts tapping machine based on the PLC combined with Hooke's Law, machine group and the cam spring link group release, and storage of potential energy regularly. With the studying by the transfer of coconut, opening and other processes, and completing the process of coconut punch awl periodic entry and exit, we also used PLC (Programmable Logic Controller) to make coconut opening efficiency visualized, feeding and opening of coconut during belt start-stop control. The machine was found to show excellent performance, working stably and safely and easily operated. The machine could promise a prospect of automation coconut juicing application.

Programmable Logic Controller; equipment; coconut; juicing; Hooke's law

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：51166002)；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：617048)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(編號：201610589003)

蔡寬麒，男，海南大學(xué)在讀本科生。

陳振斌(1968—)，男，海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，博士。E-mail: zhenbin1208@hainu.edu.cn

2017—04—28

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.022