張 聰

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510630)

椰青采摘后，在成為商品銷售前，為方便包裝和儲運，需要切削綠色的外皮，加工成露出白色內(nèi)皮的形狀規(guī)格統(tǒng)一的“圓形屋”狀。

傳統(tǒng)的椰青切削成型，主要依靠大量的人工勞動實現(xiàn)。生產(chǎn)時，工人們手工完成切削外圓柱面、切削圓錐頂、砍平底部等一系列工作，勞動強度大，工作繁重且具有一定的危險性。

現(xiàn)有的果蔬去皮技術(shù)及設備有多種形式，對于外形比較大的瓜果類如哈密瓜、冬瓜、菠蘿等，一般是通過人工上料方式，單果裝夾，果體旋轉(zhuǎn)，移動仿形刀削皮[1-3]；至于一些小水果如蘋果、臍橙等，則采用單果進料，多工位間歇轉(zhuǎn)盤式的去皮設備，借鑒軸類零件車削加工的方法進行削皮[4-6]。由于椰青不但需要切削外皮，還要加工成特定的形狀，因此上述技術(shù)和設備均不適用于椰青的自動化切削成型加工。

為解決椰青切削成型的難題，近年出現(xiàn)了一些半自動機械，結(jié)構(gòu)簡單，基本原理仿照電動臺鉆的形式：改裝的鉆頭部位插進椰青端部，帶動果體旋轉(zhuǎn)；首先，側(cè)面布置的刨削刀與椰青接觸進行圓柱面切削；然后，椰青與下方布置的錐面刨削刀接觸進行錐頂切削；最后，取下椰青，用鍘刀切平其端部。整個加工過程中都需要人工輔助，逐個加工。這些半自動機械的應用，只是稍微減輕了工人的勞動量。

采用手工操作外加半自動機械工具進行椰青加工，是目前普遍的生產(chǎn)現(xiàn)狀。至今還未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)的自動化加工技術(shù)及設備的研究。本研究擬設計開發(fā)出椰青在線連續(xù)切削成型設備，使椰青切削加工成型實現(xiàn)全流程自動化。

1 椰青切削成型工藝流程

椰青切削成型過程如圖1所示。

要實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，需要解決多個技術(shù)難題，包括椰青的連續(xù)定位輸送，在線運行過程切削外圓柱面和頂部圓錐面，以及底端部切割分離等，最終才能形成“圓形屋”狀產(chǎn)品。

確定椰青切削成型工藝流程如圖2所示。

圖2 椰青切削成型工藝流程圖Figure 2 Process flow chart of young coconut cutting

2 設備總體設計

椰青果實外形為卵球狀，因自然生長而大小不一，在進入自動化設備切削加工前，首先需要進行分級，才能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。實際生產(chǎn)中，需將椰青原果按橫徑尺寸以10 mm為級差分成若干級別，每一個級別對應一套切削系統(tǒng)。按前述工藝流程，進行設備總體設計，可采取2種結(jié)構(gòu)形式，其一，回轉(zhuǎn)式多工序加工機型；其二，直線式多工序加工機型。由于生產(chǎn)時，要求多級別原果同時加工，因此需配置多級別的切削系統(tǒng)。從生產(chǎn)線布局上考慮，直線式機型因結(jié)構(gòu)緊湊，可并列排放并直接對應銜接分級通道出口，因此視為首選。

切削成型設備可設計為多通道并聯(lián)的形式，每一個通道為一個獨立的切削系統(tǒng)，對應一個尺寸級別的椰青原果。只要分別調(diào)整各個通道的切削參數(shù)，即可同時加工出相應級別的成型產(chǎn)品。

按工藝流程，綜合分析各因素，形成本設備的總體設計。圖3為一個級別通道的切削加工系統(tǒng)，系統(tǒng)中各部分組合成一條連續(xù)自動化生產(chǎn)線。椰青原料自右至左直線運動，經(jīng)歷5個區(qū)間，最終被加工成圓形屋狀產(chǎn)品[7-8]。

3 設備關(guān)鍵裝置的結(jié)構(gòu)及原理

椰青切削成型設備的關(guān)鍵裝置包括：椰青定位輸送裝置、同步運行果體切削成型裝置、椰青端部切割分離裝置。

圖3 設備總體結(jié)構(gòu)簡圖Figure 3 Overall structure diagram of equipment

3.1 椰青定位輸送裝置

要實現(xiàn)椰青連續(xù)在線自動加工，首先需要解決椰青的輸送問題，也就是需要設計一套輸送裝置，確保椰青進入生產(chǎn)線后，能夠定間距及穩(wěn)定地列隊行進，以方便其后的自動化加工處理。

3.1.1 椰青定位輸送裝置結(jié)構(gòu)設計 裝置設計如圖4所示，主要由定位盤1、輸送鏈2、鏈軌3及相關(guān)的鏈輪傳動機構(gòu)和動力源等組成。定位盤1等間距安裝在2條平行輸送鏈2上[9]。

1.定位盤 2.輸送鏈 3.鏈軌

定位盤是主要部件，其安裝截面圖如圖5所示。定位盤主要由基座4、輪盤5、針錐6、滑動頂桿7、彈簧11和滾輪12組成。

4.基座 5.輪盤 6.針錐 7.滑動頂桿 8.軸用擋圈 9.軸承 10.孔用擋圈 11.彈簧 12.滾輪

圖5 定位盤安裝截面圖
Figure 5 Section diagram of position plate installation

基座4底部為方座，方座中心有圓柱凸臺，凸臺柱面與軸承10內(nèi)圈配合?；行募庸び腥壨?，上下為圓孔，中部為方孔。

輪盤5為環(huán)形盤狀結(jié)構(gòu)，輪外圓周面加工有均勻細密的直條紋，如齒輪一般。輪盤的上表面，圓周均布3支針錐6，針錐尖端向上，底端緊定在輪盤環(huán)面上。

輪盤的內(nèi)孔與軸承外圈配合安裝，因此輪盤可繞基座凸臺中心自由旋轉(zhuǎn)。

基座中心方孔與滑動頂桿7配合?；瑒禹敆U7的上端是圓盤體，下端輪座裝配有一個滾輪12。向上推動滾輪，可使滑動頂桿7克服彈簧力上升。

定位盤的基座兩側(cè)各有2個安裝螺孔，通過螺釘固定在兩側(cè)輸送鏈的鏈板支座上。

3.1.2 椰青定位輸送運行原理 兩條平行輸送鏈在鏈輪驅(qū)動下往復循環(huán)運行時，即可帶動定位盤自右往左直線運行。

椰青進入本設備前，需排列送進，并且保證其蒂部方向一致，在椰青抵達上料位置時通過機械手抓取，依次放置在定位盤上方，由3支針錐定位。其后，只要對椰青施加一定的向下壓力，致使針錐插入椰青皮內(nèi)，即可把椰青緊定在定位盤上。

在入料區(qū)域，采用一套連續(xù)式果體壓合緊定裝置[10]，如圖6所示。裝置安裝于定位盤輸送鏈上方，由驅(qū)動鏈帶動若干個壓合器13，對應定位盤同步運行。壓合器13是一個帶壓頭的伸縮機構(gòu)，運行過程受壓合導軌15曲線的影響，迫使壓頭產(chǎn)生自上而下的壓合動作，把進入?yún)^(qū)域的椰青果體逐一壓緊在定位盤上表面，以致針錐刺穿并深入椰青表皮內(nèi)。

13.壓合器 14.驅(qū)動鏈 15.壓合導軌 16.鏈軌

3.2 同步運行果體切削成型裝置

椰青經(jīng)過壓合緊定裝置被固定在定位盤后，隨輸送鏈往前輸送。下一工序即可進行表皮的切削，同步進行：其一是切削圓柱面，其二是切削圓錐頂。

同步運行果體切削成型裝置的設計如圖7所示。在定位盤輸送鏈兩側(cè)，分別布置有一套柱面切削裝置和一套錐面切削裝置[11-12]。

圖7上部為柱面切削裝置，是一套由鏈條18驅(qū)動柱面切削器17循環(huán)運行的裝置。驅(qū)動鏈18全程范圍按定間距依次安裝多個柱面切削器17，而且需確保其間距與定位盤1的安裝間距一致。

17.柱面切削器 18.驅(qū)動鏈 19.切削導軌 20.錐面切削器 21.驅(qū)動鏈 22.切削導軌 23.調(diào)速皮帶 24.壓軌 25.鏈軌 26.鏈軌

圖7 同步運行果體切削成型裝置
Figure 7 Synchronous running fruit cutting device

圖7下部為錐面切削裝置，安裝形式與柱面切削裝置相似。

柱面切削裝置和錐面切削裝置均與定位盤輸送鏈同步運行，運動方向如圖7箭頭所示。

3.2.1 切削裝置結(jié)構(gòu)形式 如圖8所示，柱面切削裝置布置在定位盤輸送鏈上方左側(cè)，驅(qū)動鏈18上下各一，平行布置，在上下鏈條的鏈板支座裝配柱面切削器17；錐面切削裝置布置在定位盤輸送鏈上方右側(cè)，驅(qū)動鏈21上下各一，平行布置，在上下鏈條的鏈板支座裝配錐面切削器20。

柱面切削器17與錐面切削器20結(jié)構(gòu)相近，均由基座、中心滑桿、刨削刀等組成。推動切削器中心滑桿端部的滾輪，可驅(qū)使中心滑桿水平左右移動，從而帶動刨削刀作進退運動。

如圖9所示，柱面切削器的滾輪沿導軌19滾動到高位，受導軌曲線軌跡的影響，驅(qū)使柱面刨削刀由左至右推進，完成進刀行程；錐面切削器的滾輪沿導軌22滾動到高位，受導軌曲線軌跡的影響，驅(qū)使錐面刨削刀由右至左推進，完成進刀行程。

1.定位盤 2.輸送鏈 3.鏈軌 17.柱面切削器 18.驅(qū)動鏈 20.錐面切削器 21.驅(qū)動鏈

圖8 同步運行果體切削成型裝置A-A視圖
Figure 8 Synchronous running fruit cutting device (A-A view)

19.切削導軌 22.切削導軌 23.調(diào)速皮帶 24.壓軌 25.鏈軌 26.鏈軌

圖9 同步運行果體切削成型裝置B-B視圖
Figure 9 Synchronous running fruit cutting device (B-B view)

3.2.2 定位盤旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 圖7所示，定位盤輸送鏈在切削區(qū)域運行，在此范圍內(nèi)，需要進行椰青的切削。當采用固定的刀具對水果進行圓周切削時，水果必須要自轉(zhuǎn)，才能達到理想的切削效果。因此，需要設計一套機構(gòu)，使得進入切削區(qū)域的定位盤在直線運行過程實現(xiàn)自轉(zhuǎn)，從而帶動緊固其上的椰青自轉(zhuǎn)。

定位盤旋轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖10所示，由調(diào)速皮帶23和壓軌24組成。調(diào)速皮帶23是一套由輥筒帶動運行的平皮帶裝置，通過獨立電機驅(qū)動，可調(diào)速。調(diào)速皮帶23平行安裝在輸送鏈2側(cè)面，皮帶內(nèi)表面固定安裝一條壓軌24。壓軌24向外壓緊皮帶，使皮帶外表面貼合定位盤1的輪盤。即皮帶處于定位盤輪盤和壓軌之間的壓緊狀態(tài)(圖9)。

3.2.3 在線連續(xù)切削工作原理 參照圖7，定位盤裝載椰青由右至左運行進入切削區(qū)域后，其上的輪盤貼合調(diào)速皮帶23表面，在摩擦力作用下滾動，形成直線運動過程的自轉(zhuǎn)狀態(tài)，自轉(zhuǎn)方向如圖10所示(逆時針)。

與此同時，調(diào)速皮帶23在輥筒帶動下如圖10所示方向循環(huán)運行。皮帶的運行，導致其上滾動的輪盤加速旋轉(zhuǎn)。因此，只要調(diào)節(jié)皮帶的運行線速，即可調(diào)整輪盤的自轉(zhuǎn)速度，從而，使緊固定位盤的椰青以合適的速度自轉(zhuǎn)。

1.定位盤 2.輸送鏈 23.調(diào)速皮帶 24.壓軌

在切削區(qū)域，分布兩側(cè)的柱面切削裝置和錐面切削裝置與定位盤輸送鏈同步運行，即每個椰青均與1個柱面切削器和1個錐面切削器對應并同步運行。

柱面切削器17運行經(jīng)過切削導軌19，錐面切削器20運行經(jīng)過切削導軌22，各自的滾輪分別沿接觸的導軌軌跡運行。圖7所示的①、②、③、④ 4個位置點的工作狀況如下：

(1)第①位置點：定位盤進入調(diào)速皮帶范圍，開始帶動椰青自轉(zhuǎn)。柱面切削器17和錐面切削器20分別接近各自的導軌，柱面刨削刀和錐面刨削刀均保持原始位置狀態(tài)，見圖8。

(2)第②位置點：定位盤繼續(xù)帶動椰青自轉(zhuǎn)。柱面切削器17和錐面切削器20已分別進入各自的導軌運行。柱面切削器17的滾輪受導軌19曲線軌跡的影響，推動其刨削刀實現(xiàn)“進刀”動作，逐漸靠近并接觸自轉(zhuǎn)中的椰青，連續(xù)刨削其側(cè)面圓周的表皮；與此同時，錐面切削器20的滾輪受導軌22曲線軌跡的影響，推動其刨削刀實現(xiàn)“進刀”動作，逐漸靠近并接觸自轉(zhuǎn)中的椰青，連續(xù)刨削其頂部斜面的表皮。

(3)第③位置點：定位盤繼續(xù)帶動椰青自轉(zhuǎn)。柱面切削器17的滾輪運行至導軌19的曲線頂點，其刨削刀被完全推出，即“進刀”至最終狀態(tài)(進刀行程用Hh表示)，把椰青刨削成圓柱面；錐面切削器20的滾輪運行至導軌22的曲線頂點，其刨削刀也被完全推出，即“進刀”至最終狀態(tài)(進刀行程用Hz表示)，把椰青頂部刨削成圓錐面，如圖9所示。

(4)第④位置點：定位盤帶動椰青離開調(diào)速皮帶范圍，停止自轉(zhuǎn)。柱面切削器17和錐面切削器20分別離開各自的導軌，在彈簧力作用下帶動各自的刨削刀 “退刀”至原始狀態(tài)。

圖7中，Lh是柱面切削行程，在此過程柱面切削器17的滾輪自導軌19的曲線低點運行至頂點；Lz是錐面切削行程，在此過程錐面切削器20的滾輪自導軌22曲線低點運行至頂點。由于柱面切削和錐面切削同步進行，因此設定Lh=Lz。

3.3 果體端部連續(xù)切割分離裝置

椰青經(jīng)過上述外圓柱面切削和圓錐頂切削后，還需進行端部切平，才能完成最終產(chǎn)品成型。圖11為果體端部連續(xù)切割分離裝置結(jié)構(gòu)圖，該裝置主要由4部分組成，包括定位盤及其輸送鏈、鏈條驅(qū)動的頂壓裝置、電動鋸齒刀32、頂升導軌31等[13-14]。

3.3.1 電動鋸齒刀和頂升導軌的結(jié)構(gòu)及安裝形式 對椰青進行端部切割的執(zhí)行機構(gòu)采用一套獨立動力的電動鋸齒刀32，其刀條在動力驅(qū)動下作直線式高頻往復運動。電動鋸齒刀固定安裝在定位盤運行經(jīng)過的位置，其刀刃橫跨輸送鏈2，并與輸送鏈前進方向形成一定的斜夾角(圖12)。電動鋸齒刀32的高度位置可調(diào)節(jié)，保證其刀刃的平面處于定位盤針錐上方合適的高度(圖11)。

1.定位盤 2.輸送鏈 27.頂壓器 28.驅(qū)動鏈 29.頂壓導軌 30.鏈軌 31.頂升導軌 32.電動鋸齒刀 33.導板

圖11 果體端部連續(xù)切割分離裝置
Figure 11 Continuous cutting and separating device for the end of fruit body

1.定位盤 2.輸送鏈 31.頂升導軌 32.電動鋸齒刀

在定位盤輸送鏈下方，沿輸送鏈的運行方向，固定安裝一條頂升導軌31。當定位盤經(jīng)過頂升導軌的范圍時，其上的滾輪將貼合導軌曲線軌跡滾動。

3.3.2 頂壓裝置結(jié)構(gòu)及安裝形式 在定位盤輸送鏈上方，布置一套由鏈條驅(qū)動循環(huán)運行的頂壓裝置。該裝置由頂壓器27、驅(qū)動鏈28、頂壓導軌29、鏈軌30等組成。

頂壓器27定間距安裝在驅(qū)動鏈28上，與定位盤上下一一對應。工作時頂壓器27與定位盤1運行線速度保持一致，同步運行。

頂壓器27是1個帶錐套的伸縮機構(gòu)，運行過程受頂壓導軌29曲線的影響，迫使錐套產(chǎn)生自上而下的壓合動作，壓緊進入?yún)^(qū)域的椰青錐頂。

3.3.3 工作原理 當已被切削外柱面和圓錐頂?shù)囊嚯S定位盤輸送進入圖11所示區(qū)域時，上部的頂壓器剛好運行至其上方，一一對應椰青頂部，一起同步運行。

在運行過程中，頂壓器27運行經(jīng)過頂壓導軌29，定位盤1運行經(jīng)過頂升導軌31，各自的滾輪分別沿接觸的導軌軌跡運行。圖11中①、②、③、④、⑤ 5個位置點的工作狀況如下：

(1)①—②位置：定位盤1接近頂升導軌31。在此過程，頂壓器27進入導軌29，其上的滾輪貼合導軌滾動，由導軌曲線最高點運行至最低點，推動錐套向下運動，壓合椰青錐頂。

(2)②—③位置：定位盤1進入頂升導軌31，其滾輪貼合導軌滾動，由曲線最低點運行至最高點的過程中，形成一個向上的推動力，迫使定位盤的滑動頂桿7克服彈簧力向上運動，從而推動椰青脫離針錐上升。

與此同時，頂壓器27的滾輪由頂壓導軌29的曲線最低點向最高點運行，致使其上的錐套在彈簧力作用下向上移動。

定位盤滑動頂桿的上升運動，與頂壓器錐套的上升運動是同步進行的，確保椰青在脫離針錐的上升過程，始終被穩(wěn)固地夾持在滑動頂桿和錐套之間。

(3)③—④位置：椰青被穩(wěn)定地夾持在滑動頂桿和錐套之間，保持固定的高度，向前運行并經(jīng)過電動鋸齒刀32，其端部被橫向布置的刀刃切割，形成完全斷裂的割縫。

(4)④—⑤位置：定位盤的滾輪沿頂升導軌曲線由高點運行至低點，直至脫離軌道，致使其上的滑動頂桿在彈簧力作用下，帶動椰青下降復位。與此同時，頂壓器的滾輪脫離導軌，錐套復位。

(5)位置點⑤之后：定位盤進入鏈輪回轉(zhuǎn)位，裝載其上的椰青向下跌落，椰青的端部分離。通過導板33可分別卸出椰青成品和椰青端部。

4 設備關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的計算及設定

由上述可知，椰青的圓柱面和圓錐頂切削，以及最后的端部切割分離是加工中的關(guān)鍵工序，特別是前者會影響產(chǎn)品最終成型質(zhì)量。待處理的椰青是在直線運動和連續(xù)自轉(zhuǎn)的過程中，同時進行圓柱面和圓錐頂切削的，其切削效果及效率受多個參數(shù)影響，包括定位盤輸送線速度vd及其轉(zhuǎn)速n、切削時間t、柱面刨削刀進給速度vh和錐面刨削刀進給速度vz等。

已知定位盤輪盤直徑D，設定定位盤輸送線速度vd和調(diào)速皮帶線速度vp，則可求在切削成型區(qū)中定位盤轉(zhuǎn)速n，如式(1)。

(1)

式中：

n——定位盤轉(zhuǎn)速，r/s；

vd——定位盤輸送線速，mm/s；

vp——調(diào)速皮帶線速，mm/s；

D——定位盤輪盤直徑，mm。

椰青的圓柱面和圓錐頂切削同步進行，切削時間相同，可由式(2)計算：

(2)

式中：

tq——切削時間，s；

Lh——柱面切削行程，mm；

Lz——錐面切削行程，mm。

刨削刀的進給速度計算：

(3)

式中：

vh——柱面刨削刀進給速度，mm/s；

Hh——柱面刨削刀進刀行程，即導軌19的切削行程段的曲線最低點至最高點的高度差值，mm。

(4)

式中：

vz——錐面刨削刀進給速度，mm/s；

Hz——錐面刨削刀進刀行程，即導軌22的切削行程段的曲線最低點至最高點的高度差值，mm。

由此確定刨削刀的進給量，即椰青每轉(zhuǎn)一周，切削刀切入外皮的深度。

(5)

(6)

式中：

fh——柱面刨削刀進給量，mm/r；

fz——錐面刨削刀進給量，mm/r。

最后，可通過式(7)計算設備的加工速率。

(7)

式中：

Q——設備加工速率(單通道)，個/min；

P——定位盤間距，mm。

已知椰青原果需適當分級才能進行有效的切削加工，在試驗中，采用橫徑φ150～160 mm的椰青原果作為處理對象，加工成柱面直徑為φ130 mm、高140 mm的成型產(chǎn)品，確定設備設計關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1所示。

5 結(jié)語

該設備的切削系統(tǒng)為直線式布置，由定位輸送裝置、同步運行果體切削成型裝置、端部連續(xù)切割分離裝置三大核心部分組成，相互之間通過傳動系統(tǒng)實現(xiàn)同步運行。椰青原果經(jīng)過分級后，進入對應的切削通道，依次經(jīng)歷多工序處理：定間距列隊輸送、壓合緊定于定位盤、柱面和錐面同步切削、端部切割分離，最終實現(xiàn)產(chǎn)品成型。常見椰青原果的橫徑規(guī)格為140～180 mm，采用4通道并聯(lián)切削系統(tǒng)對應4級別原果，可滿足實際生產(chǎn)需要。按單通道加工速率90個/min計算，4通道機型可達360個/min，可代替80～100臺傳統(tǒng)的手工輔助的半自動切削機。

該設備還需要進一步完善椰青原果入料的自動化設計，擬采用機器視覺技術(shù)分辨椰青蒂部并自動定向排列，以提高機械手的抓果速度和定位置放的準確度。

表1 設備設計關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key design parameters of equipment