葉一均，陳志偉，沈婷婷，嚴(yán)瑋琦，董楸煌,2，葉大鵬,2

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

豆腐皮是中國(guó)傳統(tǒng)豆制品，在中國(guó)南方和北方地區(qū)有多種名菜。與其他豆制品相比，豆腐皮富含β-胡蘿卜素、硫胺素、核黃素、卵磷脂、大豆皂醇等活性物質(zhì)，對(duì)糖尿病、高血壓、冠心病具有很好的預(yù)防作用[1]。隨著食品行業(yè)的發(fā)展，油炸豆腐皮卷因其金黃的色澤與酥脆的口感，深受人們的喜愛。但目前中國(guó)傳統(tǒng)豆制品的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展極其緩慢，長(zhǎng)期處于小作坊生產(chǎn)方式，機(jī)械化水平低、環(huán)境衛(wèi)生差、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度低、品質(zhì)不穩(wěn)定[2]。為了適應(yīng)食品加工行業(yè)面臨的新形勢(shì)，需要對(duì)豆制品采用機(jī)械化加工的形式[3]。

近年來，劉長(zhǎng)安等[4-6]設(shè)計(jì)了一系列油炸豆腐皮卷加工機(jī)械，但由于油豆腐皮表面油滑黏膩，加工機(jī)械多采用人工上料，未能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。目前，針對(duì)上料裝置，王樹才等[7]設(shè)計(jì)了一套由真空吸盤與曲柄搖桿組成的上料裝置，楊鳴亮[8]設(shè)計(jì)了一套氣缸式上料裝置；但這幾類裝置沖擊較大、不易控制。萬紅海等[9]設(shè)計(jì)了一套由真空吸盤與電機(jī)導(dǎo)軌配合的上料裝置，運(yùn)動(dòng)平緩，但整體偏大。這些上料裝置都不適合油豆腐皮的上料。基于這些問題，課題組在豆腐皮炸卷機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種齒輪齒條式豆腐皮炸卷機(jī)上料裝置，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)控制，解決油炸豆腐皮卷加工機(jī)械的自動(dòng)化上料問題。

1 豆腐皮炸卷機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 豆腐皮炸卷生產(chǎn)原理

目前，油炸豆腐皮卷主要采用人工炸卷的方式制作。工人手工從油豆腐皮摞中分離出一張油豆腐皮，夾在筷子中，放入油鍋中一邊油炸一邊旋轉(zhuǎn)卷壓，完成油炸豆腐皮卷的制作，然后提起筷子讓多余油分滴落，將油炸豆腐皮卷取下裝入盒中。

1.2 豆腐皮炸卷機(jī)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)手工油炸豆腐皮卷的生產(chǎn)過程，設(shè)計(jì)的豆腐皮炸卷機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是由運(yùn)料裝置運(yùn)送成摞的生豆腐皮至工位，上料裝置將豆腐皮單張分離并運(yùn)送至仿筷上，傳動(dòng)裝置帶動(dòng)仿筷運(yùn)動(dòng)，將豆腐皮移動(dòng)至炸卷裝置，在炸卷裝置中完成豆腐皮的炸制成卷，最后由下料裝置完成下料作業(yè)。

圖1 豆腐皮炸卷機(jī)

2 豆腐皮炸卷機(jī)上料裝置的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)豆腐皮炸卷機(jī)的設(shè)計(jì)與工作原理，上料機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)兩種功能：1）對(duì)尺寸約320 mm×100 mm、表面油滑的油豆腐皮摞，進(jìn)行單張分離與抓??；2）在運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定可調(diào)控、整體運(yùn)動(dòng)沖擊較小的情況下實(shí)現(xiàn)170 mm縱向移動(dòng)與200 mm橫向移動(dòng)的“L”型軌跡運(yùn)動(dòng)，將油豆腐皮從運(yùn)料裝置運(yùn)送至仿筷中。

2.2 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

根據(jù)上料裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)，末端執(zhí)行器需要實(shí)現(xiàn)油豆腐皮摞中單張豆腐皮的分離與抓取，由于油豆腐皮表面油滑，可使用真空吸附來完成抓取[10]，故末端執(zhí)行器采用真空吸盤。為了保證吸取豆腐皮的穩(wěn)定性，與豆腐皮中部保持水平易于上料，采用四個(gè)真空吸盤，按照130 mm×125 mm的長(zhǎng)方形尺寸放置。為保證吸盤在吸附過程中貼緊豆腐皮表面且豆腐皮摞不會(huì)過度壓縮，在吸盤上方安裝壓縮彈簧機(jī)構(gòu)，以保證吸盤吸附與裝置的可靠性。

2.3 運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)，將運(yùn)動(dòng)分解為橫向運(yùn)動(dòng)與縱向運(yùn)動(dòng)兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，將其中縱向運(yùn)動(dòng)裝置搭載在橫向運(yùn)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，通過運(yùn)動(dòng)時(shí)間與速度的配合實(shí)現(xiàn)“L”型運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于直線傳動(dòng)，由于整體運(yùn)動(dòng)距離短，環(huán)境溫度較高、充滿油污，而齒輪傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)穩(wěn)定[11]，故采用齒輪齒條的傳動(dòng)方式。由步進(jìn)電機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，確保整體的可控性與精確性。在工業(yè)方面有1/3～1/2的能量損耗在摩擦過程中，為了減少摩擦損耗、保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，故設(shè)計(jì)將運(yùn)動(dòng)裝置搭載在導(dǎo)軌滑塊所搭建的平臺(tái)上，確保其運(yùn)動(dòng)的水平與穩(wěn)定，減少整體的運(yùn)動(dòng)沖擊。

2.4 整體設(shè)計(jì)與工作原理

上料裝置整體設(shè)計(jì)如圖2所示，橫向運(yùn)動(dòng)裝置由橫向移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、兩組安裝在兩條導(dǎo)軌滑塊上的嚙合的齒輪齒條構(gòu)成。在橫向運(yùn)動(dòng)裝置的末端安裝有一塊安裝板，負(fù)責(zé)搭載縱向運(yùn)動(dòng)裝置。縱向運(yùn)動(dòng)裝置由縱向運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、齒輪齒條與導(dǎo)軌滑塊組成，電機(jī)與導(dǎo)軌固定在安裝板上。在縱向運(yùn)動(dòng)齒條的末端固定連接末端執(zhí)行器。

圖2 豆腐皮炸卷機(jī)上料裝置

上料裝置的工作原理：利用橫向運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)橫向運(yùn)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪齒條的配合，使固定在導(dǎo)軌滑塊上的橫向運(yùn)動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，帶動(dòng)固定在橫向運(yùn)動(dòng)齒條上的支撐板橫向移動(dòng)。再由固定在支撐板上的縱向運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)通過相同方式帶動(dòng)縱向運(yùn)動(dòng)齒條上下移動(dòng)。通過橫向運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)與縱向運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制配合，實(shí)現(xiàn)固定在縱向運(yùn)動(dòng)齒條上的末端執(zhí)行器完成速度平穩(wěn)、位置可控的“L”型運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行器由運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)移動(dòng)至油豆腐皮摞上，壓縮彈簧保證上料吸盤緊貼在最上層的油豆腐皮上，由真空吸盤產(chǎn)生負(fù)壓，吸取豆皮，完成豆腐皮的單張分離與抓取。

2.5 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)與軟件仿真

根據(jù)豆腐皮炸卷機(jī)整體的設(shè)計(jì)原理與工作流程，為了保證每片豆腐皮的油炸與卷制壓邊時(shí)間皆為2 s，且整體卷壓過程運(yùn)動(dòng)平緩，將上料裝置每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期設(shè)定為2 s。在運(yùn)動(dòng)過程中，S型速度曲線控制算法能提高加減速過程中的穩(wěn)定性[12]，為了保證上料過程中整體運(yùn)動(dòng)的精確、平穩(wěn)，故整體運(yùn)動(dòng)采用S型速度曲線，在運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)與末端設(shè)置有接近開關(guān)，對(duì)整體運(yùn)動(dòng)形成閉環(huán)控制。通過UG軟件對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行建模與運(yùn)動(dòng)仿真可得：豆腐皮炸卷機(jī)上料裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡滿足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)與豆腐皮炸卷機(jī)其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。

3 結(jié)論

根據(jù)油炸豆腐皮卷加工機(jī)械的研發(fā)現(xiàn)狀，針對(duì)當(dāng)前上料裝置控制精度低、沖擊大以及油豆腐皮表面油滑黏膩等問題，課題組設(shè)計(jì)了一套針對(duì)豆腐皮炸卷機(jī)的上料裝置，在保證運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)、位置可控的情況下，實(shí)現(xiàn)了油豆腐皮的單張分離與自動(dòng)化上料。該裝置可靠性高、成本較低、安裝簡(jiǎn)便，可有效實(shí)現(xiàn)油炸豆腐皮卷加工機(jī)械的自動(dòng)化上料。