楊保健，楊登登，曹明軒，馮嘉樞，謝炎鵬，高善旺

肉桂樹剝皮機及關(guān)鍵部件設(shè)計

楊保健1，楊登登1，曹明軒*,1，馮嘉樞1，謝炎鵬1，高善旺2

（1.五邑大學 智能制造學部，廣東 江門 529020；2.江門闔華智能科技有限公司，廣東 江門 529040）

針對目前肉桂樹手工剝皮難的問題，設(shè)計開發(fā)出了一款可用于桂樹自動剝皮的機器。該機器主要由刀具、夾具、滾珠絲桿、電機以及PLC控制部分組成。使用SolidWorks軟件對機器零部件進行建模，并利用有限元分析軟件Ansys對剝皮刀具進行力學分析，發(fā)現(xiàn)刀具在200N載荷的作用下，最大應(yīng)力為0.0012 MPa，最大變形為14.7 μm，應(yīng)力和形變均在合理范圍。采用3臺PLC分別控制刀具與桂樹的運動軌跡。最終搭建出一臺專用于肉桂樹剝皮的機器，并通過實驗驗證其剝皮效果。結(jié)果表明：剝皮刀具強度足夠，能夠在桂樹的軸向和周向兩個維度上適應(yīng)尺寸的不規(guī)則，剝皮時間相較于人手工剝皮節(jié)約87.5%。

肉桂樹；刀具結(jié)構(gòu)；剝皮；有限元分析

當前，國內(nèi)學者對肉桂的化學成分、再生技術(shù)、藥理作用及采收與加工方法等方面做了很多研究分析，并取得了一定的成果。這些研究結(jié)論對指導肉桂收割、提高產(chǎn)量、藥理認識等方面有著積極的意義。例如，王桂英[1]對肉桂的化學成分進行了分析，得出肉桂不宜過早收獲的結(jié)論；梁紅等[2-3]對桂樹剝皮再生技術(shù)進行了研究，采用該再生技術(shù)可使桂樹提高1或2年產(chǎn)出，且產(chǎn)量逐次提高，提高了桂皮的經(jīng)濟效益；劉林亞[4]對桂枝肉桂藥理作用進行了對比研究；李杰[5]對肉桂的采收與加工方法進行了說明。但是，他們的研究都沒有涉及到對桂樹如何采取機器剝皮的問題。

在我國廣東省羅定市，桂皮、桂油產(chǎn)量均占全國一半多，也是我國出口桂皮、桂油最多的縣級市，生產(chǎn)肉桂產(chǎn)品及其衍生品近200種[6]。肉桂的經(jīng)濟價值很高，它的樹皮、幼枝、未成熟果實、葉都可作藥用[7]。隨著現(xiàn)代研究的深入，肉桂還在食品飲料、香料、日用化妝品、化工等方面被廣泛使用[7]。然而直到現(xiàn)在，肉桂剝皮仍然采用純手工操作，這種傳統(tǒng)的剝皮方法不僅效率低、質(zhì)量參差不齊，且嫻熟工人少；特別是到了桂皮的收割季節(jié)，此問題更為突出。在查閱了大量文獻之后，發(fā)現(xiàn)均沒有涉及肉桂自動剝皮的相關(guān)文獻，因此針對這一剝皮難題，研究設(shè)計出了一款可自動剝皮的機器?？紤]到肉桂樹皮剝?nèi)〉耐暾裕瑢Φ毒卟牧虾徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計方面均有嚴格要求，并通過實際剝皮的效果對比，最終確定刀具的設(shè)計，給出了整體剝皮樣機的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并對關(guān)鍵部件如滾珠絲杠進行了選型和校核，選擇了適合的夾具，對剝皮刀具進行了有限元分析，最后搭建了機器模型，并進行了肉桂剝皮試驗，發(fā)現(xiàn)剝皮效率得到了提升，剝出的桂皮完整，達到預(yù)期效果。

1 總體方案設(shè)計

1.1 工作原理

整個工作流程分成五個部分，分別為裁切、上料、劃線、剝皮、下料。

首先，將肉桂樹裁切成380 mm的標準長，并裝夾在尾頂和梅花頂尖之間；然后，啟動電機帶動圓形鋸齒刀片對桂樹進行劃線，劃線是為了使剝皮刀方便進刀，劃線刀置于肉桂表面上，對應(yīng)電機驅(qū)動其沿絲桿移動，完成第一次劃線。之后，平臺返程，且肉桂在回轉(zhuǎn)電機的帶動下旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)上述步驟，完成第二次劃線。

接下來是剝皮動作，剝皮主要是依靠安裝板上的剝皮刀，刀具的刀尖從切開線的位置插入，這時刀在邊緣位置，然后刀開始沿軸線走刀，肉桂皮就會被起開，走的過程中回轉(zhuǎn)電機會回轉(zhuǎn)一個小的角度，刀走到另一邊緣后就加速回程，回程后回轉(zhuǎn)電機再將樹干回轉(zhuǎn)一個角度，再重復(fù)走刀的步驟，直到桂皮被完全剝離。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

該肉桂剝皮機由驅(qū)動部分、傳動部分、執(zhí)行部分、控制部分以及底座五部分共同構(gòu)成：

（1）驅(qū)動部分：包含1臺伺服電機、3臺步進電機和1臺直流電機；

（2）傳動部分：包含1個帶傳動和2個螺旋傳動；

（3）執(zhí)行部分：包含1個劃線刀和1把剝皮刀；

（4）控制部分：包含3臺PLC；

（5）底座：主要由型材、角碼和螺釘?shù)裙餐M成的1個支撐框架。

圖1所示為利用三維繪圖軟件設(shè)計制作的仿真模型，在這里僅展示其中一部分。

圖1 仿形剝皮刀具模型

控制流程如圖2所示。

圖2 肉桂剝皮機控制流程

2 關(guān)鍵部件選型與設(shè)計

2.1 剝皮刀的設(shè)計

目前刀具設(shè)計仍以面向刀具切削性能的主導設(shè)計思路為主，從幾何設(shè)計和物理設(shè)計兩大方面追求刀具切削效率、刀具使用壽命以及最終工件加工質(zhì)量的最優(yōu)化組合[8]。因此，剝皮刀的設(shè)計在整個剝皮過程中起著關(guān)鍵作用。分別選取45號鋼鐵、黃銅、牛角三種材料制作同等外觀的刀具，并對樣式相似的肉桂樹進行了30 min剝皮試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用鋼鐵刀具剝出的桂皮容易破損，約有60%不能達到市場采購要求；而采用鑄造黃銅制作的刀具，桂皮完整，內(nèi)部光潔，能夠較好地達到剝皮要求；最后采用牛角刀對桂樹進行剝皮，發(fā)現(xiàn)刀具耐磨性較差，剝出的皮雖然完整，但是比較浪費刀具材料，且剝皮時間一長，就會造成較大誤差，精度較低。綜上結(jié)果分析，說明選取的刀具材料如果過硬，如鋼鐵，在剝皮時會容易刮破肉桂表皮，選擇的材料如果強度不夠，不能達到剝皮的理想效果，該設(shè)計選取的刀具材料為黃銅，這種材料具有強度高、韌性好的特點。剝皮刀的外觀形狀設(shè)計如圖3所示。

圖3 剝皮刀外觀

剝皮刀幾何形狀設(shè)計成弧形，更有利于刀具與桂樹的貼合，弧形刀尖能夠更精準的深入表皮之中，中間凸起的肋板有兩個作用，一方面用來安裝刀具；另一方面可以輔助破開樹皮。

2.2 滾珠絲杠的選型與校核

滾珠絲桿是將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的機構(gòu)。

根據(jù)摩擦種類可分為滑動摩擦和滾動摩擦兩種形式，滑動絲杠螺母機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，但其摩擦阻力大、傳動效率低。滾動絲杠螺母機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。但其摩擦阻力小、傳動效率高，因此選擇滾動絲杠螺母機構(gòu)。

滾珠絲桿的工作長度為：

式中：為滾珠絲桿的工作長度，mm；為工作臺的長度，mm；為滾珠絲桿工作時需要移動的距離，mm；為滾珠絲桿在滿足移動距離的情況下所剩余的可移動距離，mm。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算可得方向滾珠絲桿工作長度＝420 mm。

取支撐跨距為440 mm，絲桿全長最大為460 mm。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算可得方向滾珠絲桿工作長度＝550 mm。

取支撐跨距為570 mm，絲桿全長最大為590 mm。

初步預(yù)判兩方向的工況為，每天開機8小時，每年按300個工作日計算，工作5年以上，根據(jù)工作要求，選取外循環(huán)管式，采用雙螺母墊片式預(yù)緊，圓螺母調(diào)隙，導珠管突出式，3級精度，定位滾珠副，絲杠材料為CrWnMn鋼；滾道硬度為58～62 HRC。

選取的滾珠絲桿參數(shù)如表1所示。

表1 X方向和Y方向滾珠絲桿參數(shù)

靜載荷為滾珠絲杠在靜止狀態(tài)下所承受載荷，為了檢驗滾珠絲杠靜額定負載是否滿足使用要求，需對靜載荷進行驗算。方向的載荷質(zhì)量大約為30 kg，可取方向滾珠絲桿承受的工作載荷x＝300 N；方向的載荷質(zhì)量大約為20 kg，取方向滾珠絲桿承受的工作載荷F＝200 N。

根據(jù)式（2）和式（3）分別計算出兩方向上的靜載荷。

方向靜載荷分別為：

式中：C為方向靜載荷；C為方向靜載荷，N；K為載荷系數(shù)，取K＝1.2；K為動載荷硬度影響系數(shù)，取K＝1.0。

絲桿彎曲振動臨界轉(zhuǎn)速計算公式為：

方向n計算如下：

將以上結(jié)果代入式（4），可計算出方向n＝11693.8 r/min。這個結(jié)果遠大于電機設(shè)定的轉(zhuǎn)速300 r/min，因此滿足使用需求。

同理可計算方向n＝4431.9 r/min，同樣，這個結(jié)果也遠大于300 r/min。

因此，經(jīng)過上述計算可知，彎曲振動臨界轉(zhuǎn)速均滿足條件，因此所選滾珠絲桿滿足使用條件。

2.3 夾具的選擇

為了使零件加工更為便捷和精確，需要加工工件與機床、刀具的位置更為精確，需要對加工工件進行固定，夾具設(shè)計和使用能夠使加工工件不受到因外力或其他因素而影響其穩(wěn)固性，在零件加工通過夾具將其固定，在加工過程中不會出現(xiàn)變形、位移和振動，使零件的精度和質(zhì)量得到有效保證[9]。在本設(shè)計案例中，如何保證桂樹只有圓周方向一個自由度，且轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，是需要解決的關(guān)鍵問題。

利用尾頂和梅花頂尖的配合，對380 mm長的肉桂樹段進行裝夾，裝夾時應(yīng)注意使尾頂頂尖與梅花頂尖的中心位于同一水平高度，并居中對齊，夾緊力的大小要適中。通過這種方式，可使桂樹僅做圓周旋轉(zhuǎn)，其他方向的自由度被有效約束。并在實驗中，發(fā)現(xiàn)桂樹轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，剝出的桂皮精度可靠，符合市場要求。

3 剝皮刀的有限元分析

剝皮刀在整個肉桂剝皮機中扮演著非常重要的角色，采取何種材料，設(shè)計什么樣的形狀，如何安裝，這些都是肉桂剝皮機能否有效剝皮的關(guān)鍵因素。黃銅由于具有優(yōu)良的力學性能、耐腐蝕性能、鑄造性能和成形性能，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)浴、電工電氣、裝備制造等諸多產(chǎn)業(yè)[10]。而作為剝皮的刀具需要滿足較高的強度、優(yōu)良的塑性，并且耐蝕耐磨，因此可以選擇黃銅作為刀具的材料。查閱機械設(shè)計手冊[11]可知：黃銅密度為8500 kg/m3；泊松比為0.36；彈性模量為90000 MPa。

由于剝皮刀在工作時主要受到兩個方向的負載。一個是來自肉桂徑向的預(yù)緊力，另一個是來自運動時產(chǎn)生的軸向摩擦力，由于軸向摩擦力相對于刀具預(yù)緊力而言是比較小的，可忽略其對刀具應(yīng)力和變形的影響。因此主要分析預(yù)緊力對刀具產(chǎn)生的作用，取預(yù)緊力大小為200 N。圖4為針對該位置進行的有限元分析。導入零件模型，定義材料屬性，劃分網(wǎng)格，添加載荷和約束，分別對模型進行應(yīng)力、變形求解，最終剝皮刀有限元分析結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 零件網(wǎng)格劃分

圖5 對零件添加載荷和約束

圖6 零件應(yīng)力分析

圖7 零件變形分析

結(jié)果表明，剝皮刀受到的應(yīng)力和變形主要集中在中間凸起的安裝肋板上，且零件在受力200 N時，最大變形量為5.91886e-8 mm，約等于14.7 μm，零件的最大應(yīng)力值為0.0012 MPa，查閱手冊可知，黃銅的抗拉強度為350 MPa[11]。有限元分析最大應(yīng)力結(jié)果遠小于材料抗拉強度，且該零件的最大變形量僅為14.7 μm，極其微小，所以材料強度完全能夠滿足刀具的正常工作，因此該設(shè)計合理可靠，滿足使用要求。

4 實驗分析

通過搭建實驗樣機，對肉桂進行剝皮，并與手工剝皮所需時間進行比較。結(jié)果表明：手工剝皮等長度的肉桂所需時間大約為30 s，而采用機器剝皮所需的時間僅為16 s。剝皮效率提升了87.5%；且桂皮未有破損，相較于人工剝皮有時會產(chǎn)生的破損，形狀更加完整。

圖8 實驗樣機試運行

5 結(jié)論

通過對桂樹生長地區(qū)羅定市的實地調(diào)研，在知悉桂樹人工剝皮方法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地設(shè)計并搭建出了一種專用于肉桂樹剝皮的發(fā)明機器。其研發(fā)具有如下的特征和意義：

（1）取代人手工剝皮，實現(xiàn)了對桂樹的自動剝皮；

（2）提高了勞動生產(chǎn)率，相較于手工剝皮的工作效率提升了87.5%；

（3）采用金屬黃銅制造的剝皮刀及弧形外觀的設(shè)計，實現(xiàn)了刀具與桂樹的周向貼合，能夠很好適應(yīng)桂樹的不規(guī)則表面；

（4）剝出來的桂皮更加完整，沒有破損，符合企業(yè)對于桂皮形狀質(zhì)量的嚴格要求，并對后續(xù)相關(guān)研究提供一定的參考價值。

[1]王桂英. 桂皮的化學成分分析[J]. 中國中藥雜志，1993（4）：208-209.

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[3]周正，仁達全，彭文權(quán). 肉桂剝皮再生試驗初報[J]. 中草藥，1994（9）：486-487.

[4]劉林亞. 中藥桂枝肉桂藥理作用的對比研究[J]. 四川中醫(yī)，1998（5）：3-5.

[5]李杰. 肉桂的采收與加工[J]. 農(nóng)村新技術(shù)，2008（14）：64-65.

[6]羅定. 桂皮、桂油產(chǎn)量均占全國一半多[J]. 國內(nèi)外香化信息，2015（2）：3-4.

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[11]成大先. 機械設(shè)計手冊[M]. 5版. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.

Design of Cinnamon Tree Peeling Machine and Its Key Parts

YANG Baojian1，YANG Dengdeng1，CAO Mingxuan1，F(xiàn)ENG Jiashu1，XIE Yanpeng1，GAO Shanwang2

( 1.Faculty of Intelligent Manufacturing, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2.Jiangmen Hehua Intelligent Technology Co., Ltd., Jiangmen 529040, China )

In order to improve the efficiency of the manual peeling of cinnamon trees, a machine which can be used for automatic peeling of cinnamon trees is designed and developed. The machine is mainly composed of cutters, fixtures, ball screws, motors and PLCs. The SolidWorks software is used to model the machine parts, and the finite element analysis software Ansys is used to carry out the mechanical analysis of the cutting tools, which indicates that the maximum stress and maximum deformation of the cutting tool are 0.0012mpa and 14.7 μm under a 200 N load, and both the stress and the deformation are within a reasonable range. 3 sets of PLC are used to control the moving track of the cutter and the cinnamon tree respectively. Finally, a machine specially designed for peeling cinnamon trees is built, and its peeling effect is verified through experiments. The results show that the cutting tool is strong enough to adapt to irregularity of size in the axial and circumferential dimensions of the tree, and the peeling time is 87.5% less than that of manual peeling.

cinnamontree；toolstructure；peeling；finite element analysis

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.004

1006－0316 (2021) 04－0020－06

2020－09－24

江門市科技計劃項目（2019030101920008832）；廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金（攀登計劃）項目（1081700513）；五邑大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202011349123）；廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目（2018KQNCX264）

楊保?。?982－），男，湖北隨州人，博士，講師，主要研究方向為智能裝備技術(shù)，E-mail：kurt.yang@163.com。*通訊作者：曹明軒（1986－），男，河北石家莊人，博士，講師，主要研究方向為智能控制，Email：2193874024@qq.com。