朱家誠，苗凱，武林

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米線自動切割一體機(jī)的研制

朱家誠，苗凱，武林

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

針對人工切割米線勞動強(qiáng)度大、工作效率低并且存在安全隱患等缺點，通過分析米線的產(chǎn)品特點確定其加工需求。按照模塊化設(shè)計理念，將整機(jī)分成幾個功能模塊，并對各功能模塊的工作原理和驅(qū)動方式進(jìn)行構(gòu)思和系統(tǒng)性設(shè)計，研發(fā)了一種米線自動切割一體機(jī)。采用PLC對其控制，并運(yùn)用SolidWorks建立其三維模型，對關(guān)鍵部件進(jìn)行理論計算及ANSYS有限元分析，詳細(xì)論證了方案的可行性。

米線切割；自動化控制；食品機(jī)械；有限元分析

米線[1-2]的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，帶動了米線生產(chǎn)加工機(jī)械裝備的發(fā)展。米線生產(chǎn)工序復(fù)雜，針對其中的切割工序，目前還是人工切割，無法滿足企業(yè)發(fā)展的需求。

采用并行設(shè)計思想[3]，制定出米線自動切割一體機(jī)方案，論證了方案的可行性，對切割部分采用四個工作位同時進(jìn)行的加工方式，最后對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。該米線自動切割一體機(jī)操作簡潔，減輕了人工切割米線的勞動強(qiáng)度，保證了人身安全，提高了生產(chǎn)效率。

1 方案設(shè)計與分析

先對米線自動切割機(jī)一體機(jī)進(jìn)行功能分析與分割，按照模塊化設(shè)計思路[4]，對每個功能模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計與分析，最后采用自上而下設(shè)計方法，對各功能模塊進(jìn)行虛擬裝配[5]。另外再對關(guān)鍵部位做必要的理論計算和應(yīng)力分析。

1.1 功能分析與分解

經(jīng)機(jī)房烘干后的一桿米線，沿桿長方向排列的寬度400 mm，長度1300 mm，每三桿米線一起切割，切割成四段，每段長度約320 mm。工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程

米線懸掛在由鏈傳動機(jī)構(gòu)構(gòu)成的生產(chǎn)線上，米線由鏈傳動機(jī)構(gòu)牽引在生產(chǎn)線上前進(jìn)，到達(dá)目標(biāo)位置后，將三桿米線一起取下，并牽引到切割工作平臺上，完成退桿后，進(jìn)行米線切割工作，接著將切好的四段米線移出至預(yù)定位置。切割時采用硬質(zhì)合金鋼圓鋸片作為切割刀具[6]，同時在米線下架時為了避免翻轉(zhuǎn)平臺上的米線將生產(chǎn)線上的米線托起，導(dǎo)致米線從生產(chǎn)線掉落，通過分析與運(yùn)動模擬，將翻轉(zhuǎn)平臺的兩個極限位置設(shè)計成傾斜狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 工作示意圖

設(shè)計了米線下架結(jié)構(gòu)和米線并聯(lián)加工的工作方式，實現(xiàn)了米線的自動上料和切割，除了能滿足設(shè)計要求，還可加工不同規(guī)格的米線。

根據(jù)功能分析與分割的結(jié)果，將米線自動切割機(jī)一體機(jī)分為下架模塊、牽引模塊、壓緊模塊、切割模塊、出料模塊等。各模塊關(guān)系確定后，對各模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計[7]。

1.2 下架模塊

下架模塊的功能是將烘干后的米線從生產(chǎn)線上取下架，其關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)是抓取機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。抓取機(jī)構(gòu)的執(zhí)行構(gòu)件抓鉤采用對稱位置設(shè)計，布置在翻轉(zhuǎn)平臺兩側(cè)，抓鉤采用鍵連接和緊定螺釘連接的方式固結(jié)在同一根軸上，軸通過軸承裝在翻轉(zhuǎn)平臺上，抓鉤氣缸采用非對稱位置布置且與同側(cè)抓鉤采用肘接頭連接，驅(qū)動抓鉤執(zhí)行動作。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由氣動元件和翻轉(zhuǎn)平臺組成，其氣缸布置在中間位置。機(jī)架上裝有緩沖構(gòu)件，用來緩沖翻轉(zhuǎn)平臺翻下時產(chǎn)生的沖擊。翻轉(zhuǎn)平臺兩側(cè)裝有擋板，防止米線在下架過程中從兩側(cè)散開。

1.翻轉(zhuǎn)平臺 2.機(jī)架 3.翻轉(zhuǎn)氣缸 4.抓鉤氣缸 5.軸承及軸 6.抓鉤

米線到達(dá)目標(biāo)位置后，抓鉤氣缸推動抓鉤，抓取三桿米線頭部的桿子，然后翻轉(zhuǎn)氣缸推動翻轉(zhuǎn)平臺，停在半空中，待判斷拉手到位后，繼續(xù)下翻至極限位置將桿子壓入到拉手中。

1.3 牽引模塊

米線下架后，牽引模塊將米線遷移至目標(biāo)位置且平鋪在出料模塊輸送帶上，如圖4所示。

牽引模塊由左右拉手機(jī)構(gòu)、同步帶傳動機(jī)構(gòu)和直線滑軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。左拉手裝在雙軸氣缸軸端，氣缸裝在折彎件上，左右拉手對稱固定在三聯(lián)件兩端，三聯(lián)件兩端分別與直線滑軌和同步帶固結(jié)。左拉手的主要功能：主壓緊壓緊米線后，將米線頭部的桿子左端向后推，使桿子與米線松動，便于牽引模塊將米線桿整體退桿。

1.從動帶輪 2.米線 3.同步帶 4.右拉手 5.直線滑軌 6.主動帶輪及伺服驅(qū)動

1.4 壓緊模塊

壓緊模塊包括主壓緊模塊和副壓緊模塊，如圖5、圖6所示。主副壓緊模塊動作不一致，兩者都是由氣缸驅(qū)動，前者由四根導(dǎo)向軸導(dǎo)向，后者由圓柱滑軌導(dǎo)向。

1.長枕頭 2.移動框架 3.導(dǎo)向軸 4.氣缸 5.固定框架 6.短枕頭

1.固定框架 2.端壓板 3.圓柱滑軌 4.移動框架 5.氣缸 6.壓板

枕頭兩側(cè)有壓板，空腔填充海綿，用松緊帶包包裹。主壓緊壓緊米線時，中間的海綿被擠壓，成拱形；兩側(cè)的壓板與出料模塊的寬輸送帶表面壓緊，米線被收攏在兩側(cè)壓板之間。保證切割米線時，米線不會擠出壓板外側(cè)，完全被切割。主壓緊模塊中的短枕頭和副壓緊模塊共同壓緊位于退桿位置的這段米線。

1.5 切割模塊

切割模塊是米線切割一體機(jī)的主要動力部分，如圖7所示，由伺服驅(qū)動系統(tǒng)、滾珠絲杠副傳動機(jī)構(gòu)、直線滑軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中五片鋸片由緊定襯套和法蘭盤等距對稱地裝在軸上，由三相異步電機(jī)驅(qū)動。

1.移動平臺 2.軸 3.絲杠及伺服電機(jī) 4.鋸片 5.機(jī)架 6.直線滑軌 7.三相異步電機(jī) 8.帶輪

1.6 出料模塊

出料模塊由四根寬輸送帶和五根窄輸送帶交錯繞在同一個主動滾筒上組成，并由伺服系統(tǒng)驅(qū)動，如圖8所示。米線先是牽引到四根寬輸送帶上，出料模塊在壓緊模塊松開米線后再將切好的米線移出至五根窄輸送帶上。

1.7 米線自動切割一體機(jī)總體結(jié)構(gòu)

功能模塊經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計之后，根據(jù)總體構(gòu)思和裝配原理，將各功能模塊集成設(shè)計成米線自動切割一體機(jī)，建立三維模型，如圖9所示。

2 切割力計算

采用硬質(zhì)合金圓鋸片作為切割米線的刀具。切割過程中，鋸片旋轉(zhuǎn)的同時有橫向移動，所以切割力有切向力F和徑向力F，如圖10所示。為保證切斷米線，下面以切向力計算為主。

1.伺服驅(qū)動部分 2窄輸送帶 3.主動滾筒 4.寬輸送帶

1.下架模塊 2.切割模塊 3.出料模塊 4.主壓緊模塊 5.牽引模塊 6.副壓緊模塊

式中：為傳動比；d1、d2分別為主從動帶輪基準(zhǔn)直徑，mm；1為Y132S-4三相異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；2為鋸片軸轉(zhuǎn)速，r/min。

圖10 米線切割局部鋸片受力示意圖

式中：1為軸的傳遞功率，kW；為帶傳動效率，為0.92～0.97，?。?.95；為Y132S-4三相異步電機(jī)額定功率，kW。

式中：為軸所受的扭矩，N·m。

式中：F為每個鋸片所受的切向力，N；為鋸片的半徑，mm。

由于干米線很脆，這個力能夠保證將米線切斷，若米線切不斷，會使鋸片卡住不動，導(dǎo)致電機(jī)燒毀等問題出現(xiàn)。此外，如果米線切不斷，由于移動平臺繼續(xù)往前移動，可能將米線擠到壓板外側(cè)。

3 鋸總成中軸的應(yīng)力分析

軸是鋸總成中關(guān)鍵的受力部分，建立三維模型，然后對其進(jìn)行應(yīng)力分析[8]。先對軸添加位移約束，再添加軸承支撐力400 N，扭矩38.8 N·m，壓軸力180 N，每個鋸片的切向力31 N，忽略鋸片重量。由圖11可知，軸的應(yīng)力集中在帶輪的定位軸肩處，最大應(yīng)力約為7.8 MPa，沒有超過軸的材料45鋼的屈服極限。由圖12可知，軸的最大變形位于第一個鋸片附近，最大變形量約為0.02 mm。米線切割精度要求不高，變形量滿足使用要求。

4 控制部分

為實現(xiàn)設(shè)備自動化，便于智能化管理，遵循“穩(wěn)定、便捷”的原則[9]。切割聲音大，粉塵比較嚴(yán)重，酸性氣味濃，基于上述工作環(huán)境及PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、可調(diào)整性好及易操作性的特點，選用PLC作為控制程序，并采用人機(jī)操作界面。程序采用梯形圖進(jìn)行編寫，通過控制輸入信號、輸出信號對整個系統(tǒng)的流程進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)如圖13所示。

采用觸摸屏和PLC雙向通訊的方式，實時監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過觸摸屏可以設(shè)定設(shè)備工作狀態(tài)的運(yùn)動數(shù)值。在控制程序的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)都加入了錯誤報警，一旦有故障出現(xiàn)，指示燈閃爍且觸摸屏顯示錯誤信息，設(shè)備就會立即停止工作，防止出現(xiàn)不必要的意外事故。

圖11 軸的應(yīng)力云圖

圖12 軸的位移云圖

圖13 控制系統(tǒng)執(zhí)行圖

5 總結(jié)

米線自動切割一體機(jī)為實現(xiàn)不同直徑規(guī)格的米線切割加工提供了新的解決方案，從米線的下架、切割到出料實現(xiàn)了完全自動化，節(jié)省了勞動力、減輕了勞動強(qiáng)度、降低了時間成本。采用四個工作位同時切割四段米線的加工方式，相比于一段米線切完接著切下一段的加工方式，生產(chǎn)效率得到了極大提高。

米線自動切割一體機(jī)依然還有很大的改進(jìn)空間，比如下架模塊，可以用向下傾斜布置的鏈傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)米線下架，米線可從生產(chǎn)線上由鏈條帶下來，米線頭部的桿子直接落入到左右拉手中。另外鋸片固定在軸上的方式可以用脹套代替緊定襯套，脹套端面上由多個螺栓連接，脹套連接會更加可靠。

該設(shè)備已經(jīng)研制成功，通過實際生產(chǎn)應(yīng)用，其呈現(xiàn)的問題得到了進(jìn)一步完善。

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Development of Automatic Cutting Machine for Rice Noodle

ZHU Jiacheng，MIAO Kai，WU Lin

( School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009, China)

For the artificial cutting rice noodle labor intensity, low efficiency and the existence of security risks and other shortcomings, by analyzing the product characteristics of rice noodles,the processing needs is determined. In accordance with the modular design concept, the machine is divided into several functional modules, and the working principle and the driving way of each functional module are conceived and systematically designed, developed a noodle automatic cutting machine. Using PLC to control it, and Solidworks is used to build its three-dimensional model, the key components is theoretically calculated and analyzed by ANSYS software, the feasibility of the program is demonstrated in detail.

rice noodle cutting；automatic control；food machinery；finite element analysis

TH16

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.012

1006－0316 (2018) 05－0043－06

2017－06－26

朱家誠（1959－），男，安徽合肥人，博士，教授，主要研究方向為機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計、軟件開發(fā)；苗凱（1988－），男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要研究方向為機(jī)電裝備成套技術(shù)與系統(tǒng)。