丑維新，鄭霞，馬蓉，田學艷，岑紅蕾，張恩銘

(石河子大學機械電氣工程學院，農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000)

核桃是我國重要的經(jīng)濟樹種，也是一種十分重要的食用油料資源，其果仁營養(yǎng)價值很高[1].據(jù) 2017年發(fā)布的《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2016年我國核桃產(chǎn)量已經(jīng)高達364.517萬t[2]，其中新疆核桃產(chǎn)量為79.46萬t，僅次于云南，居全國第二.但是核桃破殼取仁一直是制約我國核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸.

大量的研究表明對核桃進行預處理有助于核桃破殼，更好地提高破殼率和整仁率.袁巧霞等[3]通過對銀杏分別進行干燥和冷凍預處理試驗，發(fā)現(xiàn)干燥預處理有助于提高一次脫殼率，其一次脫殼率高達96%；高警等[4]利用沸水預處理對核桃進行了先煮沸和自然冷卻的預處理試驗，研究結(jié)果表明經(jīng)過預處理的核桃破殼力比未處理的減少了36%；鄭甲紅等[5]設(shè)計了鋸口擠壓式核桃破殼機，結(jié)果顯示，劃口預處理有助于提高破殼率，增加高露仁率.Tung Liang等[6-7]研究了劃口預處理對核桃破殼特性的影響，結(jié)果表明，劃口預處理可提高露仁率，降低碎仁率，露仁率可達到98%，僅有2%的核仁殘留在核桃殼中；肖紅偉[8]設(shè)計了激光板栗劃口機，發(fā)現(xiàn)對板栗進行劃口，再進行烤箱內(nèi)氣體射流沖擊爆破試驗，其爆破率可達98%；鄭霞等[9]進行了適宜核桃殼劃口位置的研究，試驗表明當劃口位置在核桃肚部時，核桃破殼力和破殼形變量均明顯減少，與未劃口的核桃相比，破殼力減少了139 N，破殼形變量減少了0.37 mm.本文將激光切割技術(shù)應用于核桃劃口，即利用經(jīng)過聚焦后的高功率、高密度激光束照射核桃，核桃外殼在被照射之處迅速燒蝕熔化，使其外殼上形成一道激光切縫，從而完成核桃激光劃口加工過程.

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

試驗裝置如圖1所示.激光劃口裝置由上料單元、物料傳輸單元、激光加工單元、動力系統(tǒng)、出料單元、控制系統(tǒng)6部分組成.控制系統(tǒng)由變頻器和激光控制系統(tǒng)組成；物料運輸單元可以實現(xiàn)核桃的有效排序并運輸；動力部分由電機和鏈傳動系統(tǒng)等組成，核桃運輸速度可調(diào)；激光控制系統(tǒng)由激光電源、功率調(diào)節(jié)器和PLC系統(tǒng)等組成.

激光劃口機的工作原理是：將分級過的核桃放入四桿機構(gòu)投料板2中；打開核桃“V”字形運輸帶3的驅(qū)動電源16，為防止堵料，四桿機構(gòu)投料板的驅(qū)動電機17轉(zhuǎn)速可調(diào)；核桃在四桿機構(gòu)投料板2的推動作用下會進入“V”字形運輸帶3窩眼孔中，為保證核桃有效定位，且不在“V”字形運輸帶3運輸過程中形成堵料，采用變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動電機16的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)“V”字形運輸帶3的速度可調(diào)；激光發(fā)生器12水平固定在激光發(fā)生器固定支座13上，因激光發(fā)生器12為玻璃制品，為防止擠壓破損，激光發(fā)生器固定支座13加持部分采用PVC材料；激光發(fā)生器12產(chǎn)生的水平激光通過激光反射鏡和聚焦鏡11，變成垂直激光束，又經(jīng)聚焦鏡，激光束以高能量聚集，集中照射在途經(jīng)激光切割頭4下方的核桃表面，劃口過程中采用冷水機14對激光發(fā)生器12進行冷卻；為防止核桃在激光燒蝕過程中產(chǎn)成的碳渣對激光切割頭4造成堵塞，采用空氣壓縮機15對其進行吹除處理；操作激光控制面板7上的激光功率調(diào)節(jié)旋鈕，可實現(xiàn)核桃在不同功率下的劃口預處理試驗.

1：機架；2：四桿機構(gòu)投料板；3：“V”字形運輸帶；4：激光切割頭；5：激光管安全罩；6：離焦量調(diào)節(jié)裝置；7：激光控制面板；8：電控箱；9：接料斗；10：減速器；11：激光反射和聚焦鏡；12：激光發(fā)生器；13：激光發(fā)生器固定支座；14：水冷機；15：空氣壓縮機；16：輸送帶驅(qū)動電動機；17：四桿機構(gòu)投料板驅(qū)動電動機.1：Rack；2：Four-bar linkage batch feeder ；3：V-shaped conveyor belt；4：Laser device；5：Laser tube safety cover；6：The device of defocus adjusting；7：Control panel of laser；8：Electric control panel；9：Fill up the device；10：Reducer；11：Laser reflection mirrors and focused mirrors；12：Laser generator；13：The fixed device of laser generator；14：Water cooler；15：Air compressor；16：The electric motor of conveying belt；17：The electric motor of four-bar linkage.圖1 核桃劃口裝置Figure 1 Walnut cutting device

2 關(guān)鍵零部件選型與設(shè)計

2.1 激光反射和聚焦鏡

反射鏡是激光反射光路系統(tǒng)中的主要光學元件，其質(zhì)量的好壞，直接影響著激光加工的工作性能.反射鏡在工作過程中將吸收一定的能量，這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，由于反射鏡材料的熱膨脹、局部熱應力以及反射鏡固定時的機械應力等原因，從而使鏡面產(chǎn)生形變，影響光束的傳輸質(zhì)量，嚴重的甚至使反射鏡炸裂，使系統(tǒng)不能有效地進行工作[10-13].鑒于此，在考慮反射鏡表面熱形變的情況下，選用硅、鉬和銅等材料作反射鏡是比較理想的.硅鏡具有成本低、耐用性強、熱學性質(zhì)穩(wěn)定的特點；鉬鏡中的雜質(zhì)含量過高以及致密性較差，其表面粗糙度大于硅鏡[14].因此，本設(shè)計選用硅鏡基材的反射鏡.

光聚焦鏡是把激光束沿軸向聚焦到工件上的光學元件，激光聚焦光斑直徑d、焦深b以及焦點處的功率密度Pf的關(guān)系為：

(1)

(2)

(3)

式中，f為透鏡焦距(m)；λ為激光波長(m)；D為激光束直徑(m)；P為激光功率(W)；Pf為激光焦點處的功率密度(w/m2).

本設(shè)計選用二氧化碳激光器，其功率為130 W，波長為1.06×10-5m，光束直徑為5×10-3m；激光聚焦透鏡所選焦距為75 mm.根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)計算出其光斑直徑為2.01×10-4m，焦深為1.96×10-2m，激光焦點功率密度為4.1×109W/m2.在核桃劃口過程中，分級過的核桃大小和形狀均存在差異，但其差異均小于10 mm，因此19.6 mm的焦深能夠解決分級后的不同大小核桃劃口工藝問題，鋼材切割要求功率密度在108～109W/m2之間，可見4.1×109W/m2的激光功率密度足以使核桃外殼燒蝕掉.

2.2 激光發(fā)生器

2.2.1 激光發(fā)生器選型 根據(jù)工作物質(zhì)的不同，激光發(fā)生器可分為固體激光發(fā)生器、氣體激光發(fā)生器、液體激光發(fā)生器、半導體激光發(fā)生器、自由電子激光發(fā)生器[13].氣體激光器結(jié)構(gòu)簡單，造價低，操作方便，工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好，能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作.CO2激光器既能連續(xù)工作又能脈沖工作，輸出功率穩(wěn)定，能量轉(zhuǎn)換效率高，并且CO2激光器的輸出波長分布在9～18 μm波段[15].考慮到核桃的物理特性，核桃殼為木制材料，劃口過程處于大氣窗口，CO2激光器發(fā)射的激光對人眼的危害要比其他光小.因此基于前期調(diào)研和預試驗，選用功率為130 W，波長為10.6 μm的CO2激光發(fā)生器.

2.2.2 激光發(fā)生器的布置 根據(jù)激光光路的不同，把激光管的安裝方式分為水平安裝和垂直安裝兩種，其中垂直安裝即激光器中心線垂直于水平面的安裝方式，其特點是固定安裝，光路需要兩次反射，給光路對焦過程帶來了極大的不便，但其冷卻方便，對冷水機要求低；水平安裝即激光器的中心線平行于水平面的安裝方式，其特點是光路簡單，一般在調(diào)節(jié)過程與激光發(fā)生器只需要對焦一次，方便離焦量調(diào)節(jié).本設(shè)計為方便離焦量調(diào)節(jié)，采用激光器水平安裝的方式.激光發(fā)生器的布置如圖2所示.

1：激光發(fā)生器；2：反射鏡Ⅰ；3：反射鏡Ⅱ.1：Laser generator；2：Laser reflection mirrors Ⅰ；3：Laser reflection mirrors Ⅱ.圖2 激光發(fā)生器安裝方式Figure 2 Laser installation way

2.3 “V”字形運輸帶

為了使核桃在喂料后能夠?qū)崿F(xiàn)自動攤鋪和按行排列，設(shè)計了“V”字形運輸帶，以實現(xiàn)物料按行排序；為避免核桃在劃口過程中翻轉(zhuǎn)，在“V”字形軌道底部設(shè)有球形窩眼，以實現(xiàn)激光加工時核桃的有效定位；“V”字形運輸帶安裝在鏈節(jié)上從而為保證激光劃口核桃的位置和劃口的質(zhì)量提供必要條件.“V”字形運輸帶結(jié)構(gòu)如圖3所示.

1：球狀窩眼；2：光孔.1：Spherical fossa；2：Unthreaded hole.圖3 “V”字形運輸帶Figure 3 V-shaped conveying belt for walnut

2.4 離焦量調(diào)節(jié)機構(gòu)

離焦量調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖4所示，該設(shè)備采用渦輪蝸桿升降裝置，該升降調(diào)節(jié)裝置具有精度高、操作簡單、摩擦力矩小等優(yōu)點，絲杠長100 mm，調(diào)節(jié)底座上開有螺紋孔，機架上開有通槽，調(diào)節(jié)底座安裝在機架上，螺栓通過螺紋孔將機架與調(diào)節(jié)裝置安裝在一起，其上部通過螺紋孔與激光管防護罩底座連接.設(shè)備運作時，通過旋轉(zhuǎn)手輪帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪內(nèi)部的螺紋帶動絲桿做直線運動，從而實現(xiàn)激光管整體的上下移動.

1：手輪；2：底座；3：蝸輪；4：滾珠絲桿；5：滾珠螺母；6：軸；7：蝸桿.1：Handwheel；2：Base；3：Worm gear；4：Ball screw；5：Ball nuts；6：Axis；7：Worm.圖4 離焦量調(diào)節(jié)裝置Figure 4 Regulating device for defocusing amount

3 核桃激光劃口裝置性能試驗

3.1 試驗設(shè)計

選取橫徑接近(35±0.14)mm的‘扎343’核桃，不考慮核桃含水率、核桃形狀等因素的影響，以核桃運輸速度(A)，激光輸出功率(B)以及離焦量(C)作為試驗的3個因素進行研究.

單因素試驗：通過固定其他因素，變動一個試驗因素的方法，研究A、B和C 3個因素對核桃劃痕率、劃口率與劃傷率指標的影響規(guī)律，每個參數(shù)下選取50個核桃進行重復試驗[16].

正交試驗：以單因素試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，進行正交優(yōu)化試驗，試驗選用L9(34)正交試驗表[17-18]，共進行9組試驗，每組試驗各取核桃50個，其中A分別是22、25、28 mm/s(記為A1、A2、A3)，B分別是100、115、130 W(記為B1、B2、B3)，C分別是2、0、-2 mm(記為C1、C2、C3).

3.2 試驗指標

衡量激光劃口質(zhì)量的重要依據(jù)，首先是劃口的有效性，其次是是否傷及核桃仁.把未劃透核桃殼的核桃記為劃痕；劃透核桃殼且未傷及核仁的核桃，記為劃口合格產(chǎn)品；劃透但傷核仁的核桃記為劃傷.試驗指標為劃痕率η1，劃口率η2，劃傷率η3.

(4)

(5)

(6)

式中，N0為劃口核桃總個數(shù)；N1為未劃透核桃個數(shù)；N2為劃透但未傷仁核桃個數(shù)；N3為劃透但傷仁核桃個數(shù).

3.3 核桃運輸速度對劃口質(zhì)量的影響

由圖5可知，在不同的核桃運輸速度下，核桃劃口率隨著運輸速度的增大先增大后降低，當速度為25 mm/s時，劃口率高達91%，此時，劃傷率最高，為6%；當速度為22 mm/s時，劃傷率最低，為1%；當運輸速度為28 mm/s時，核桃的劃痕率最高，為19%，劃傷率為2%.因此當核桃運輸速度大于28 mm/s或小于22 mm/s都將引起劃口率的下降.

3.4 激光功率對劃口質(zhì)量的影響

由圖6可知，劃口率隨著激光功率的增大而增大，當激光功率為130 W時，劃口率達到最大值，為90%；當功率為100 W時，此時劃傷率最低，為1%；隨著激光功率增大，劃口率逐漸增大，劃傷率也逐漸增大，當功率為130 W時，劃傷率最大，為6%；因此，為了保證激光劃口率，激光功率小于100 W，劃痕率會增大，激光功率大于130 W，劃傷率則會增大.

圖5 核桃運輸速度對劃口質(zhì)量的影響Figure 5 Effect of conveying speed of walnut on cutting quality

圖6 激光功率對核桃劃口質(zhì)量的影響Figure 6 Effect of laser power on the quality of walnut scratch

3.5 離焦量對劃口質(zhì)量的影響

由圖7可知，當離焦量為0 mm時，劃口率為82%，此時因為激光能量高度聚集，劃傷率最大，為10%，劃痕率最低，為8%；當離焦量為-2 mm時，劃口率為79%，劃傷率為3%；當離焦量為2 mm時，劃口率最大，達到了88%，劃傷率最低，為2%；可見，離焦量取正值有助于提高劃口率，對后續(xù)破殼有利.

3.6 核桃劃口質(zhì)量的正交試驗

表1為3種試驗因素在不同的水平因素組合下的核桃劃口指標的試驗結(jié)果分析.從表2中可以看出，劃痕率的極差RB>RA>RC，各因素從主到次的順序為：B、A、C；劃口率的極差RA>RB>RC，各因素從主到次的順序為：A、B、C；劃傷率的極差RC>RB>RA，各因素從主到次的順序為：C、B、A.

圖7 離焦量對核桃劃口質(zhì)量的影響Figure 7 Effect of defocusing on the quality of walnut cut

表1 劃口質(zhì)量正交試驗方案與試驗結(jié)果

從表2可以看出，ki的大小反應了不同因素對相應指標的影響大小，對于3個指標：劃痕率越小越好，劃口率越大越好，劃傷率越小越好.對于不同的指標而言，不同因素的影響程度不同，激光功率對劃痕率的影響最大，對劃口率和劃傷率的影響次之；離焦量對劃傷率的影響最大，對劃痕率和劃口率的影響最?。缓颂疫\輸速度對劃口率的影響最大.由表1看出其最優(yōu)組合條件為A2B3C1，即在核桃運輸速度25 mm/s，激光功率130 W，離焦量為2mm試驗條件下，核桃劃口的劃痕率為7%，劃口率為91%，劃傷率為2%.激光劃口效果見圖8所示.

圖8 核桃激光劃口實物圖Figure 8 Laser cutting result of walnut

表2 劃口質(zhì)量正交試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種基于激光加工的核桃劃口機，該劃口機主要由四桿機構(gòu)給料裝置、“V”字形輸送裝置、傳動系統(tǒng)、激光劃口裝置、激光控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和吹氣除渣系統(tǒng)組成，可以實現(xiàn)核桃等堅果類的有效劃口.

2) 單因素試驗表明：核桃運輸速度大于28 mm/s或小于22 mm/s都將引起劃口率的下降，當速度為25 mm/s時，劃口率高達91%，此時，劃傷率最高，為6%；隨著激光功率的增大，劃口率增大，當激光功率為130 W時，劃口率達到最大值，為90%，劃傷率為6%；當離焦量為2 mm時，劃口率最大，達到了88%，劃傷率最低，為2%.可見，離焦量取正值有助于提高劃口率，有利于核桃的后續(xù)破殼加工.

3) 正交試驗表明：當核桃運輸速度25 mm/s，激光功率130 W，離焦量2 mm時，劃痕率為7%，劃口率為91%，劃傷率為2%，劃口效果最好.