羅慧，揭大東，沈培玉

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

0 引言

金槍魚是一種大型遠(yuǎn)洋性重要商品食用魚, 常見于眾多深海魚類加工工廠。金槍魚肉質(zhì)鮮美[1],各種營養(yǎng)成分、礦物質(zhì)及維生素含量高。近年來,人們的生活品質(zhì)不斷提高, 以金槍魚為代表的深海魚類的需求也在不斷增加,同時(shí)金槍魚的儲(chǔ)存及運(yùn)輸也比較復(fù)雜。經(jīng)專家論證[2]，為了保證金槍魚的魚肉質(zhì)量, 其儲(chǔ)存溫度一般為-50 ℃，而且證明隨著金槍魚凍結(jié)-解凍的次數(shù)的增加, 其硬度、彈性、咀嚼性均明顯降低,所以廣泛認(rèn)為冷凍加工是最好的方法。

冷凍金槍魚的去皮作為金槍魚食材加工過程中的必不可少的環(huán)節(jié),需要消耗大量人力資源和時(shí)間。因此,減少勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)加工效率對(duì)去皮加工這一商業(yè)化生產(chǎn)過程的發(fā)展尤為重要。經(jīng)過深入了解發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有金槍魚加工具有以下幾個(gè)問題[3]：1）生產(chǎn)效率低下。現(xiàn)有國內(nèi)冷凍金槍魚去皮大多采用人工去皮,利用刨刀推切去皮。2）勞動(dòng)環(huán)境惡劣。工人的生產(chǎn)工間溫度較低,不適于工人長(zhǎng)期作業(yè)。3）勞動(dòng)力質(zhì)量下降。由于工作條件艱苦,勞動(dòng)力趨向老齡化,企業(yè)招聘困難。

針對(duì)傳統(tǒng)的人工去皮加工存在的問題, 以及通過對(duì)金槍魚加工過程的深入了解，設(shè)計(jì)了一款新型高效的自動(dòng)金槍魚去皮機(jī)。

1 去皮方案設(shè)計(jì)

金槍魚去皮的目的是易于運(yùn)輸與存儲(chǔ), 同時(shí)去皮完成后要盡可能地保持金槍魚肉質(zhì),口感不變。傳統(tǒng)的人工去皮是用刨刀切入魚身之間,對(duì)刨刀施加壓力,使其緊貼魚身, 沿著魚身曲線對(duì)整個(gè)魚身進(jìn)行刨削, 完成去皮加工。同時(shí)金槍魚去皮前有切頭、去尾、分割、去內(nèi)臟等操作，最后金槍魚去皮前的外形如圖1所示。

根據(jù)冷凍金槍魚人工去皮的原理,設(shè)計(jì)合理的去皮方案。去皮過程包括魚身定位與夾緊和刀具分角度去皮,因此要設(shè)計(jì)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2 金槍魚去皮裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述去皮方案,為了提高去皮范圍,裝置設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和刀具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),分角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其具體機(jī)構(gòu)如圖2 所示。裝置主要由支撐平臺(tái)、傳送帶、定位與夾緊機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀具、動(dòng)力源組成。

圖1 金槍魚去皮前外形

1.支撐平臺(tái) 2.傳送帶 3.光電發(fā)射器 4.支撐板（右） 5.固定夾緊板 6.力傳感器 7.魚身 8.舵機(jī)9.刀具連桿 10.彈簧1 11.刀具 12.去皮氣缸13.移動(dòng)夾緊板 14.支撐板（左） 15.帶座軸承16.傳動(dòng)主軸 17.聯(lián)軸器 18.減速器 19.伺服電動(dòng)機(jī)1 20.光電接收器

2.1 定位與夾緊機(jī)構(gòu)

魚身定位是由光電發(fā)射器3和光電接收器20組成，它們能通過被遮擋的時(shí)長(zhǎng)和被接收的時(shí)長(zhǎng)計(jì)算出傳送帶還需運(yùn)動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)，安裝在傳送帶前端，且略高于傳送帶平面。金槍魚的夾緊機(jī)構(gòu)是由夾緊氣缸21、兩夾緊板5、13和力傳感器6組成（一夾緊板與支撐平臺(tái)1固定，另一夾緊板與氣缸相連）。夾緊氣缸本身不動(dòng)，由推桿帶動(dòng)夾緊板5運(yùn)動(dòng)。夾緊板夾緊范圍需小于魚身頭尾部截面，這樣可避免去皮時(shí)刀具與夾緊板碰撞。力傳感器可以監(jiān)測(cè)魚是否被夾緊，同時(shí)避免在魚體型不同時(shí)夾緊板由于受力過大而斷裂。其夾緊機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.2 去皮機(jī)構(gòu)

去皮機(jī)構(gòu)是冷凍金槍魚去皮裝置的核心機(jī)構(gòu)，由主要完成繞魚身轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、為去皮提供動(dòng)力的去皮氣缸和與去皮氣缸相連的連桿刀具組成，組成能分角度去皮的結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由伺服電動(dòng)機(jī)19驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可使刀具繞著魚身軸線去皮；氣缸5可以提供刀具行程的動(dòng)力，且便于控制。去皮運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵在于刀尖位置軌跡。為了適應(yīng)魚身兩端大小不同的情況，刀具前端有一滑片24，可以使整個(gè)刀具在其導(dǎo)向作用下運(yùn)動(dòng)至魚上，同時(shí)壓縮彈簧10。為保證刀具能緊貼魚身，滑片壓縮彈簧產(chǎn)生的反作用力能使刀具中間的滑輪25緊靠魚身，為后端的刀27導(dǎo)向。為了避免刀具在去皮刀尖嵌入魚身太深而導(dǎo)致刀具損壞，在刀的兩邊加入兩彈簧26，可提供一定的張力，抵消由于去皮阻力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。一般的人工去皮推刨過程中收刀時(shí)不進(jìn)行去皮加工，為了提高去皮效率，節(jié)省時(shí)間，連桿刀具上端裝有一舵機(jī)8，舵機(jī)只輸出彎矩，不承受其它力(軸向力由轉(zhuǎn)矩輸出機(jī)構(gòu)30承受)。刀具在舵機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)180°，返程也進(jìn)行去皮。其刀具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 夾緊機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 刀具結(jié)構(gòu)圖

為了保證去皮的可靠性，用Matlab對(duì)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行選擇優(yōu)化[4-5]（彈簧2剛性化，刀與刀架固定），建立模型，最后選擇較優(yōu)的尺寸。連接桿9與刀架22鉸鏈中心O至刀滾輪中心A的距離為174 mm,滾輪中心A與刀尖B距離為10 mm,鉸鏈中心O與滾輪中心A的連線與刀尖B和滾輪中心A的連線夾角為105°。尺寸如圖6所示，同時(shí)將結(jié)果帶入原模型中分析，以魚身軸線作為橫向坐標(biāo)軸，以垂直于傳送帶平面建立縱向坐標(biāo)軸，建立分析坐標(biāo)系。其理論結(jié)果如圖7所示，滿足工作要求。

圖6 刀具尺寸圖

圖7 去皮時(shí)刀尖位置Matlab分析圖

2.3 工作原理

該冷凍金槍魚去皮裝置的具體工作原理及流程：

初始時(shí)刻去皮氣缸12位于一端，支撐板4、14與傳送帶2平面角度為90°，刀具對(duì)稱面與去皮氣缸12對(duì)稱面相同，此時(shí)裝置處于初始狀態(tài)；緊接著由工人將半個(gè)冷凍金槍魚平放在傳送帶2上；傳送帶2啟動(dòng)后，當(dāng)魚身經(jīng)過光電傳感器3、20時(shí)，通過光電被遮擋→被接收→被遮擋的各段時(shí)長(zhǎng)計(jì)算出傳送帶還需運(yùn)動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)。將待去皮金槍魚準(zhǔn)確運(yùn)輸至定位夾緊處，傳送帶2停止，然后夾緊氣缸21啟動(dòng)，移動(dòng)夾緊板13在氣缸21的驅(qū)動(dòng)下與另一側(cè)固定夾緊板將魚夾緊；同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)70°左右，緊接著去皮氣缸12（總行程1200 mm）帶動(dòng)刀具從一端開始運(yùn)動(dòng)，氣缸12先空載運(yùn)動(dòng)125 mm, 隨后進(jìn)入工作階段，向前運(yùn)動(dòng)950 mm，滑片24、滑輪25、刀27依次運(yùn)動(dòng)到魚上，完成第1次去皮操作。運(yùn)動(dòng)完畢后，舵機(jī)8驅(qū)動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)180°，接著伺服電動(dòng)機(jī)19帶動(dòng)支撐板14和整個(gè)刀具繞魚身軸線反向旋轉(zhuǎn)28°，然后氣缸12帶動(dòng)連桿刀具返程運(yùn)動(dòng)950 mm,完成第2次操作。后面將第2次操作循環(huán)4次，直至第6次操作。然后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將刀具旋轉(zhuǎn)至初始位置，去皮氣缸移動(dòng)至就近一側(cè)，與此同時(shí)夾緊氣缸12復(fù)位，傳送帶2啟動(dòng)，至此完成了半條冷凍金槍魚的加工流程。此時(shí)金槍魚魚身靠近傳送帶的兩側(cè)位置仍未去皮，需要人工去除或加一工步去除，具體如圖8所示(黑色部分為已去皮部分)。

3 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有的金槍魚加工現(xiàn)狀中存在的問題，設(shè)計(jì)了一款新型高效的冷凍金槍魚去皮機(jī)構(gòu)，并在闡述裝置結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，通過Matlab建模分析，驗(yàn)證了裝置的可靠性和穩(wěn)定性。實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置可正常完成去皮操作，一人使用該裝置每分鐘可對(duì)一條魚去皮，是人工去皮速度的2～3倍，在深海魚類加工市場(chǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

此裝置存在的主要問題是：1）冷凍金槍魚魚身的體型大小不同且魚身的截面不規(guī)則，這將會(huì)導(dǎo)致了該去皮裝置的通用性降低。為了應(yīng)對(duì)這種情況，較為簡(jiǎn)單的方法是對(duì)金槍魚進(jìn)行預(yù)處理，將金槍魚按魚身體型分類。2）去皮未完全，魚身兩側(cè)仍會(huì)有殘余，需人工去除或加一工步。3）為了提升整個(gè)加工流程的自動(dòng)化程度和效率，應(yīng)將該去皮裝置按流水線產(chǎn)線分布布置[6]，并在該裝置的前后增加自動(dòng)上下料裝置，減少上下料所浪費(fèi)的時(shí)間，提高效率。

圖8 去皮后外形圖