張 帆 范朱萱 楊維功

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

石斛具有很高的養(yǎng)生和藥用價值[1]，市場需求量和種植面積逐年增長。新鮮的石斛不易儲存，將其加工成楓斗是其主要處理途徑。由于楓斗制作工藝[2]復(fù)雜，傳統(tǒng)的楓斗的加工都采用手工加工完成，勞動強度大、勞動環(huán)境差，經(jīng)濟效益低下。

現(xiàn)行的楓斗成型設(shè)備制作的楓斗不符合行業(yè)的傳統(tǒng)制式，其形狀端部為切面，易碎易散，不宜包裝保存[3]。行業(yè)的傳統(tǒng)制式為橄欖形楓斗，形狀呈橄欖形，該形狀美觀整齊，緊致密實，易于保存。

隨著人們對楓斗的需求和產(chǎn)量不斷增加，人力資源越來越緊缺，亟待機器換人。

1 橄欖形楓斗的制作工藝流程

傳統(tǒng)橄欖形楓斗加工工藝采用人工制作完成，通過扭曲和干燥，形成現(xiàn)在市面上所看到的螺旋卷曲形狀。手工扭曲成型由3個動作組成：石斛段螺旋纏繞、延螺旋線的軸進(jìn)行軸向壓緊、牛皮紙包裹壓實。由于牛皮紙包裹后不利于脫水，又因石斛段脫水后易斷，不易扭壓成型，在包裹前需要脫去約80%的水分。為了在包裹前脫去盡量多的水分，又因高溫時石斛段不易斷，易于扭壓成型，在45 ℃左右的溫度下成型，導(dǎo)致人手長時間與高溫的石斛段接觸，造成工作環(huán)境差。機器成型解決了這個問題，可以在更高的溫度（50 ℃）下成型，使在成型前可以脫去更多的水分，達(dá)到縮短工藝流程的目的。

橄欖形楓斗自動纏繞設(shè)備的加工過程[4]為整條石斛脫去約80%的水分后，先切段，再卷制、壓緊，再烘干。具體工藝流程如下：1）剪根。先將需要處理的石斛清洗干凈，再用剪刀沿著根部將其剪下，避免剪得過多或過少的情況，剪得多了會造成石斛的浪費，剪得少了對于加工起來會產(chǎn)生困難。2）去葉。制作石斛楓斗所采用的是石斛的莖，所以剪掉根部之后應(yīng)將石斛的葉片去掉。3）炒制。將石斛莖放入溫度為110 ℃～120 ℃的烤箱中進(jìn)行翻炒，一般20 min左右直至葉鞘張開，等待石斛荊條柔軟時即可從烤箱中取出。4）剝?nèi)~鞘。將炒制后的石斛莖放在操作臺上揉搓，去除石斛的葉鞘，揉搓過程中要用力均勻，避免石斛破損或折斷。5）低溫烘干。將石斛平攤低溫烘干，為了去除石斛中的水分。6）卷制。將炒制的石斛莖放在文火上烘焙，待莖軟化之后將其邊送入自動纏繞設(shè)備進(jìn)行卷制成型。7）加箍。用專用楓斗夾夾制。將用專用楓斗夾夾制的楓斗放進(jìn)烘焙箱進(jìn)行烘焙，過程中先用70 ℃～80 ℃的中火，后用30 ℃～50 ℃的文火烘焙，烘焙要盡量保持均勻。8）降溫。待以上工藝完成之后，由于石斛經(jīng)過了高溫的洗禮，要將石斛放置于陰涼干燥通風(fēng)處降溫，這也是定型最重要的一步。9）去夾。將楓斗從楓斗夾中取出。10）復(fù)火。將整形后的楓斗置于溫度70 ℃左右的烘箱中二次烘焙，至楓斗呈金黃色略顯青暗，含水率≤8%。

2 自動纏繞設(shè)備的工作原理

通過對手工制作的操作動作進(jìn)行分析研究，成型過程可以分為3個分解動作：纏繞、壓緊、兩端進(jìn)一步壓緊。據(jù)此，模仿人工動作設(shè)計自動纏繞設(shè)備的運動機構(gòu)。

橄欖形楓斗自動纏繞設(shè)備包括進(jìn)料機構(gòu)、卷繞機構(gòu)、壓緊機構(gòu)和出料機構(gòu)。工作時，將已經(jīng)脫去約80%水分的石斛段，在50 ℃溫度條件下，由進(jìn)料機構(gòu)送入卷繞機構(gòu)，卷曲成型后，再通過壓緊機構(gòu)壓緊成型，由壓緊桿和機架的半球形凹槽將其成型為橄欖形。壓制3 s后，出料機構(gòu)開啟，壓緊桿退后，楓斗自動掉落。自動纏繞設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

3 自動纏繞設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 進(jìn)料機構(gòu)

如圖2所示，進(jìn)料機構(gòu)由成型缸左端的進(jìn)料口、上進(jìn)料滾輪、下進(jìn)料滾輪、第二旋轉(zhuǎn)電機（進(jìn)料電機M5）和進(jìn)料槽組成，上進(jìn)料滾輪裝在進(jìn)料槽的側(cè)壁上，與第二旋轉(zhuǎn)電機通過第四聯(lián)軸器聯(lián)接，下進(jìn)料滾輪裝在進(jìn)料槽的底部軸孔內(nèi)。

圖2 進(jìn)料機構(gòu)剖視圖（C-C剖視圖）

3.2 卷繞機構(gòu)

卷繞機構(gòu)由第一旋轉(zhuǎn)電機（纏繞電機M1）、聯(lián)軸器、卷料軸、壓蓋、卷料軸支架、第三聯(lián)軸器、第三直線電機（纏繞推進(jìn)電機M2）和成型缸組成。成型缸的內(nèi)腔為圓柱形空腔；為了將石斛段卷入成型缸，需要給石斛段軸向和周向2個方向的力，由于螺旋推進(jìn)機構(gòu)具有這個特性，為了增加摩擦，將石斛卷入成型缸，將卷料軸的右端成型段圓柱上切出4個軸向凹槽和周向左旋螺旋[5]凹槽，卷料軸三維模型如圖3所示；卷料軸左端與第一旋轉(zhuǎn)電機通過聯(lián)軸器聯(lián)接；卷料軸支架通過第三聯(lián)軸器與第三直線電機聯(lián)接；卷料軸支架下部設(shè)置有燕尾形導(dǎo)軌二，與機架的左上部的左燕尾槽配合。

圖3 卷料軸三維模型

3.3 壓緊機構(gòu)

壓緊機構(gòu)由壓緊桿、第一聯(lián)軸器、第一直線電機（活塞電機M3）和機架上部的立面體組成；立面體上部的通孔的右部設(shè)置有第二半圓球形凹槽，壓緊桿的左端挖出第一半圓球形凹槽，如圖4所示。壓緊桿通過第一聯(lián)軸器與第一直線電機連接。

圖4 2個半圓球形凹槽示意圖

3.4 出料機構(gòu)

出料機構(gòu)由第二直線電機（卸料電機M4）、第二聯(lián)軸器和成型缸組成；成型缸下部設(shè)置有燕尾形導(dǎo)軌一，與機架的右上部的右燕尾槽配合；成型缸通過第二聯(lián)軸器與第二直線電機聯(lián)接。

4 電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用單片機控制，采用STM32小系統(tǒng)核心板作為系統(tǒng)核心板，12/24V/7A160W雙路直流電機驅(qū)動板模塊作為電機驅(qū)動模塊，直線電機采用JGY37-545直流減速電機馬達(dá)（微型12 V/24 V全金屬齒輪加長螺紋螺桿M6），旋轉(zhuǎn)電機采用信達(dá)37直流微型減速電機（12 V/24 V齒輪慢速大力矩10 W可正反轉(zhuǎn)小馬達(dá)），微動開關(guān)采用PBS-11行程開關(guān)，進(jìn)料檢測光電開關(guān)采用M3激光對射傳感器。

5 自動纏繞設(shè)備工作流程

工作流程共有7個步驟：1）開機后，各電機、運動零件復(fù)位。2）將已經(jīng)軟化處理并按一定長度切斷后的石斛莖放入進(jìn)料槽內(nèi)，一端送進(jìn)上進(jìn)料滾輪和下進(jìn)料滾輪中間。3）卷料軸在第一旋轉(zhuǎn)電機帶動下開始轉(zhuǎn)動；同時，第二旋轉(zhuǎn)電機開始轉(zhuǎn)動，將石斛條送向成型缸的進(jìn)料口；當(dāng)激光對射傳感器檢測到石斛段的進(jìn)入后，第三直線電機開始轉(zhuǎn)動，帶動卷料軸支架向右移動，卷料軸將石斛條卷入成型缸，形成石斛卷；此步卷料軸的右端從位置一到位置四，觸到微動開關(guān)，第一旋轉(zhuǎn)電機和第二旋轉(zhuǎn)電機停止轉(zhuǎn)動。4）第三直線電機開始反向轉(zhuǎn)動，卷料軸從成型缸中向左退出；同時，第一直線電機開始轉(zhuǎn)動，使壓緊桿向左移動；卷料軸的右端退至位置一處時，觸到微動開關(guān)，第三直線電機停止轉(zhuǎn)動；壓緊桿左端的圓柱形壓緊塊的右端面從位置五到位置二時，觸到微動開關(guān)，第一直線電機停止轉(zhuǎn)動。5）停止3 s，以壓緊石斛卷。6）第二直線電機開始轉(zhuǎn)動，帶動成型缸向右移動，使成型缸10的左端從位置一移到位置三，觸到微動開關(guān)，第二直線電機停止轉(zhuǎn)動；此時楓斗已經(jīng)成型，第一直線電機開始反向轉(zhuǎn)動，壓緊桿向右移動，壓緊桿左端的圓柱形壓緊塊的右端面從位置五到位置二；楓斗自動掉落。7）第二直線電機開始反向轉(zhuǎn)動，成型缸向左移動，成型缸的左端面從位置三移到機架上的立面體的右側(cè)面接觸，觸到微動開關(guān)，至此完成1個循環(huán)，制成1個楓斗。工作流程圖（圖中扭料電機M6在該機型中不需要），如圖5所示。

圖5 工作流程圖

6 樣機制作

樣機制作的主要任務(wù)是控制系統(tǒng)調(diào)試，復(fù)雜零件的制作，復(fù)雜零件主要有卷料軸和成型缸。

6.1 SLS金屬3D打印

由于卷料軸的形狀復(fù)雜，普通的機械制作工藝難于加工。先用SLA光固化3D打印驗證其形狀的正確性。再用SLS金屬3D打印制作真實零件。

6.2 分解零件結(jié)構(gòu)制作法

為了節(jié)約成本方便制作，將成型缸拆分為缸體和進(jìn)料槽2個部分制作，如圖6所示。分別加工后再通過緊定螺釘將其裝配固定為一體，材料采用鋁合金，如圖7所示。1）設(shè)備適用范圍大，對于直徑在2 mm～5 mm的石斛段均能成功卷制。2）整機成本較低，適用于大型工廠，也適用于家庭作坊。便于推廣應(yīng)用。3）設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)均是開源的，為后期從鮮石斛條到成品楓斗的加工流水線開發(fā)提供了重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖6 成型缸分解制作

圖7 組裝后結(jié)構(gòu)

7 結(jié)論

通過樣機試制，制作的楓斗呈橄欖形，并經(jīng)權(quán)威機構(gòu)鑒定。1）設(shè)備5 s生產(chǎn)1個楓斗，制作的楓斗保持了石斛的營養(yǎng)成分，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]。2）由于進(jìn)料機構(gòu)對石斛段進(jìn)行了一定力的壓制，使楓斗在泡制時有效成分的析出量比手工制作的高出約5%。3）設(shè)備適用范圍大，對于直徑在2 mm～5 mm的石斛段均能成功卷制。4）整機成本較低，適用于大型工廠，也適用于家庭作坊，便于推廣應(yīng)用。5）設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)均是開源的，為后期從鮮石斛條到成品楓斗的加工流水線開發(fā)提供了重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。