曾文章 樊軍慶 張寶珍

(海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228)

椰子是一種熱帶木本油料作物，由椰衣、椰殼、椰肉、椰子水組成[1]。其中，椰肉富含蛋白質(zhì)、鈣、葡萄糖等營養(yǎng)物質(zhì)，可制成椰干、椰奶粉等營養(yǎng)產(chǎn)品[2-3]。目前中國椰肉挖取方式主要采用手工挖取和半自動挖取。手工挖取裝置如張敏[4]設(shè)計(jì)的一種開椰殼刮肉刀，其工作原理是通過擺動刀頭體使刀頭體上的兩片傾斜的波浪形刀片進(jìn)行椰肉刮取工作，但在刀片旋轉(zhuǎn)過程中可能會出現(xiàn)安全事故。半自動挖取裝置如秦興春[5]設(shè)計(jì)的一種便攜式電動椰肉切削裝置，其工作原理為刀具插入椰肉，利用電機(jī)驅(qū)動刀片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行椰肉刮取動作；目前市面上主流的電動椰子刨絲機(jī)，其工作原理為電機(jī)驅(qū)動刨絲刀旋轉(zhuǎn)刮取椰肉，但這兩種半自動椰肉挖取裝置均需人工扶持椰子或人工抓取刀具進(jìn)行椰肉挖取，刀具轉(zhuǎn)速快，其危險(xiǎn)系數(shù)也較高[6]。由于手工和半自動挖取方式生產(chǎn)效率低，且工人在使用刀具過程中時有工傷事故發(fā)生[7]，因此極大地制約了椰子產(chǎn)業(yè)化、商品化的發(fā)展。

基于目前椰肉挖取技術(shù)存在的椰肉挖取自動化水平低和安全性低等問題，擬采用分段式鉸鏈鏈接的弧形刀片、電動推桿等機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)椰肉挖取裝置，并根據(jù)椰肉挖取機(jī)的工藝過程設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)。通過模擬試驗(yàn)法使用椰肉挖取試驗(yàn)裝置對不同直徑的椰子進(jìn)行椰肉挖取試驗(yàn)，旨在提高椰肉挖取工作的效率、安全性及自動化水平。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 椰肉挖取機(jī)的結(jié)構(gòu)

椰肉挖取機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，長512 mm，寬400 mm，高710 mm。

1.2 工作原理

首先將椰子切為兩半，然后將其中的一半椰子放置在轉(zhuǎn)盤上的3個長釘上定位，同時啟動1號氣缸及2號氣缸，使1號氣缸及2號氣缸的活塞桿帶動機(jī)械手在轉(zhuǎn)盤上的滑槽內(nèi)滑動，從而使得機(jī)械手抱緊椰子。剛開始時刀架與上限位開關(guān)相接觸，然后升降電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器帶動絲桿轉(zhuǎn)動，同時由于焊接在刀架上的導(dǎo)向滑塊嵌在機(jī)架的槽內(nèi)，因此在螺母的作用下，刀架將往下運(yùn)動。當(dāng)?shù)都苓\(yùn)動至下限位開關(guān)時，升降電機(jī)斷電，刀架停止向下運(yùn)動。刀架連接的電動推桿得電推出，帶動2號滑塊在刀架的T型槽內(nèi)向下運(yùn)動，2號滑塊向下運(yùn)動的過程中將會壓緊壓縮彈簧，同時帶動1號滑塊向下運(yùn)動，通過2號鉸鏈、連桿及1號鉸鏈的作用，刀座將以刀座鉸鏈為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行逆時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動1號、2號、3號刀片逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)環(huán)形壓力傳感器受到的壓力值達(dá)到指定值時，電動推桿停止運(yùn)動，3個刀片完成切入椰肉動作，且貼合椰殼內(nèi)壁。然后轉(zhuǎn)動電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過齒輪傳動帶動轉(zhuǎn)盤進(jìn)而帶動椰子旋轉(zhuǎn)，升降電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，椰子一邊旋轉(zhuǎn)，刀架一邊緩慢上升，當(dāng)?shù)都苌仙佑|到上限位開關(guān)時，挖取椰肉工作完成，轉(zhuǎn)動電機(jī)和升降電機(jī)同時停止工作，電動推桿回位，一個工作周期結(jié)束。

1.機(jī)架 2.大齒輪 3.轉(zhuǎn)盤 4.1號氣缸YV1 5.機(jī)械手 6.3號刀片 7.2號刀片 8.1號刀片 9.刀座鉸鏈 10.1號鉸鏈 11.2號鉸鏈 12.電動推桿M1 13.2號滑塊 14.環(huán)形壓力傳感器SP1 15.刀架 16.螺母 17.升降電機(jī)M2 18.聯(lián)軸器 19.上限位開關(guān)SK1 20.下限位開關(guān)SK2 21.壓縮彈簧 22.1號滑塊 23.2號氣缸YV2 24.小齒輪 25.轉(zhuǎn)動電機(jī)M3 26.牛眼輪 27.長釘 28.連桿 29.刀片支撐板 30.絲桿 31.階梯軸 32.快接插頭組件 33.旋轉(zhuǎn)接頭圖1 椰肉挖取裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of coconut meat harvesting device

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 升降裝置的設(shè)計(jì)

升降裝置如圖2所示。直流電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲桿螺母機(jī)構(gòu)連接。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時，由于焊接在刀架上的導(dǎo)向滑塊嵌設(shè)于機(jī)架的槽內(nèi)，因此絲桿螺母機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成椰肉挖取裝置的升降運(yùn)動。

2.2 固定裝置的設(shè)計(jì)

固定裝置如圖3所示。氣缸作為動力裝置，通過活塞桿與機(jī)械手進(jìn)行連接。機(jī)械手作為椰子的水平固定裝置，嵌設(shè)于轉(zhuǎn)盤上的滑槽內(nèi)，在氣缸的作用下，機(jī)械手在轉(zhuǎn)盤上的滑槽內(nèi)進(jìn)行水平移動。長釘作為椰子的豎直固定裝置，其長度為15 mm。

1.直流電機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.絲桿 4.螺母圖2 升降裝置圖Figure 2 Drawing of lifting gear

1.氣缸 2.機(jī)械手 3.滑槽 4.長釘 5.轉(zhuǎn)盤圖3 固定裝置圖Figure 3 Drawing of fixed device

2.3 椰肉挖取裝置的設(shè)計(jì)

椰肉挖取裝置如圖4所示。該裝置利用電動推桿作為動力源，壓縮彈簧作為緩沖裝置，滑塊組、連桿和刀片支撐板作為傳動裝置，弧形刀片作為刮取椰肉裝置，壓力傳感器作為壓縮彈簧的壓力檢測裝置。

椰子具有形狀不規(guī)則的特點(diǎn)，為使刀具在挖取椰肉時與椰殼內(nèi)壁貼合程度較高，當(dāng)椰子半徑變大時，刀片支撐板需逆時針轉(zhuǎn)動使弧形刀片貼合椰殼內(nèi)壁，當(dāng)椰子半徑變小時，為避免產(chǎn)生運(yùn)動干涉，刀片支撐板需順時針轉(zhuǎn)動。因此利用電動推桿控制壓縮彈簧的壓縮量為原長的1/2，使刀具在工作時能自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向。并且借助微分原理設(shè)計(jì)三塊相互貼合的弧形刀片，如圖5所示，每塊弧形刀片分別與刀片支撐板通過鉸鏈連接，在壓縮彈簧的壓力和椰殼內(nèi)壁的反作用力的共同作用下，分段式鉸鏈連接的刀片可靈活地接觸椰殼內(nèi)壁，并增大與椰殼內(nèi)壁的貼合程度。在壓縮彈簧的上部有壓力傳感器裝置，電動推桿工作時，壓力傳感器檢測壓縮彈簧產(chǎn)生的壓力信號[8]，結(jié)合A/D輸出特性與胡克定律，可通過PLC控制壓縮彈簧的壓縮量[9-10]。

1.電動推桿 2.環(huán)形壓力傳感器 3.壓縮彈簧 4.連桿 5.弧形刀片 6.刀片支撐板 7.滑塊組 8.刀架 9.螺母圖4 椰肉挖取裝置圖Figure 4 Drawing of coconut meat digging device

圖5 弧形刀片三維圖Figure 5 Three-dimensional view of curved blade

2.4 電動推桿的選型

通過對椰肉挖取裝置進(jìn)行受力分析可得出在刀片切入椰肉時電動推桿所需的推力值。由動態(tài)靜力分析(低速不考慮慣性力)可知：

fv=f，

(1)

φ=arctan(fv)，

(2)

ρ=fvr，

(3)

式中：

f——摩擦系數(shù)；

fv——圓柱面當(dāng)量摩擦系數(shù)；

ρ——摩擦圓半徑，cm；

φ——摩擦角，°；

r——軸頸半徑，cm。

根據(jù)圖6可得平衡方程：

圖6 靜力分析圖Figure 6 Static force analysis diagram

FR21=-FR41=-FR23，

(4)

(5)

F=FR23·sin(φ+90-α)/sin(90-φ)，

(6)

式中：

M——刀片切入椰肉時所需的力矩，N；

FR21——連桿2對刀片支撐板的作用力，N；

FR41——機(jī)架對刀片支撐板的作用力，N；

FR23——連桿2對1號滑塊的作用力，N；

F——電動推桿的推力，N；

L1——弧形刀的長度，cm；

α——FR23與垂直方向的夾角，°；

ρ——摩擦圓半徑，cm；

φ——摩擦角，°；

經(jīng)過多次對成熟椰子進(jìn)行切取椰肉試驗(yàn)得出此挖取裝置切入椰肉時所需最小力矩為1.4 N·m，椰肉挖取裝置所用弧形刀的材料為不銹鋼，摩擦系數(shù)取0.15，摩擦圓半徑為1 cm，弧形刀長度為10 cm，將摩擦系數(shù)、摩擦圓半徑、弧形刀的長度和最小力矩值分別代入式(1)、式(3)和式(5)，根據(jù)式(4)和式(6)可得出電動推桿的最小推力為17.7 N。

電動推桿安裝在刀架上，當(dāng)椰肉挖取裝置工作時，電動推桿要進(jìn)入已開殼的椰子內(nèi)部，因此需選用體積較小的微型電動推桿；根據(jù)電動推桿的最小推力及安全系數(shù)確定微型電動推桿的額定推力為24 N；為使電動推桿在工作時有效地壓縮彈簧，其行程應(yīng)大于刀架內(nèi)T型槽的長度。因此選用型號為S-22N的微型電動推桿，其工作行程為100 mm、額定推力為24 N、額定電壓24 V。

3 控制部分的設(shè)計(jì)

椰肉挖取機(jī)的控制方式分為手動與自動，其具體控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程圖Figure 7 Control flow chart

手動控制部分主要是控制氣缸、轉(zhuǎn)動電機(jī)、推桿電機(jī)和升降電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾持椰子、椰子轉(zhuǎn)動、弧形刀貼合椰殼內(nèi)壁及椰肉挖取裝置升降等工作流程。

自動控制部分綜合運(yùn)用定時器、限位開關(guān)和環(huán)形壓力傳感器控制椰肉挖取工作，其具體工作過程為：模擬量輸入模塊持續(xù)檢測壓力傳感器SP1傳入的模擬信號[11-12]，同時啟動氣缸YV1和氣缸YV2固定椰子。定時器延時5 s后，升降電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，使椰肉挖取裝置下降。下限位開關(guān)SK2閉合后，升降電機(jī)M2失電，椰肉挖取裝置停止下降，電動推桿M1推出，使弧形刀切入椰肉。壓力傳感器SP1檢測到壓縮彈簧產(chǎn)生的壓力與壓縮彈簧被壓縮為原長的1/2時產(chǎn)生的壓力相等，電動推桿M1停止推出，轉(zhuǎn)動電機(jī)M3正轉(zhuǎn)并帶動椰子旋轉(zhuǎn)，升降電機(jī)M2反轉(zhuǎn)并帶動椰肉挖取裝置上升。上限位開關(guān)SK1閉合，氣缸YV1和YV2收縮。轉(zhuǎn)動電機(jī)M3和升降電機(jī)M2失電，模擬量輸入模塊停止運(yùn)行。

4 整機(jī)試驗(yàn)

4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

為確定轉(zhuǎn)動電機(jī)和升降電機(jī)的合適轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)動電機(jī)不同轉(zhuǎn)速和不同挖取重合度條件下，對直徑為14 cm左右的成熟椰子進(jìn)行椰肉挖取。已知試驗(yàn)條件為：成熟椰子數(shù)量為42個，絲桿螺距為6 mm，轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為100，110，120，130，140，200 r/min，升降電機(jī)轉(zhuǎn)速為80～500 r/min，挖取重合度為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0。其中挖取重合度為弧形刀首次與椰殼內(nèi)壁貼合時的貼合高度與椰子轉(zhuǎn)動一圈時椰肉挖取裝置移動距離的比值。由圖8可知，在轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min時，椰肉挖取有效重量比保持在60%左右，其原因在于椰子形狀不規(guī)則，轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速過快時，椰子產(chǎn)生的離心力較大，椰肉挖取機(jī)工作不穩(wěn)定，椰肉挖取效果較差。當(dāng)挖取重合度不變時，隨著轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小，椰肉挖取有效重量比逐漸增大，其原因在于電機(jī)轉(zhuǎn)速越小，刀具的角度變化率越小，刀具與椰殼內(nèi)壁貼合程度越高，但當(dāng)轉(zhuǎn)速≤130 r/min 且挖取重合度≥3時，刀具與椰殼內(nèi)壁貼合程度較高，電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對椰肉挖取效果產(chǎn)生的影響不大。為保證椰肉挖取機(jī)工作效率及效果，轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速選取130 r/min 為宜。

圖8 椰肉挖取試驗(yàn)中挖取重合度和椰肉挖取有效重量比的關(guān)系圖Figure 8 The relationship between effective weight ratio of coconut meat and the degree of overlap of the dig in coconut meat extraction experiment

當(dāng)轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速不變時，隨著挖取重合度的增加，椰肉挖取有效重量比也逐漸增大，其原因在于椰肉挖取裝置移動速度較慢，重復(fù)挖取椰肉部分多，故椰肉挖取有效重量比大。當(dāng)挖取重合度≥3時，刀具充分挖取椰肉，重合度的變化對椰肉挖取效果產(chǎn)生的影響較小。為保證椰肉挖取機(jī)挖取效果較好且工作時間效率較高，在挖取重合度為3，轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為130 r/min時，根據(jù)絲桿導(dǎo)程、齒輪傳動比、轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，得出升降電機(jī)轉(zhuǎn)速取150 r/min 為宜。

4.2 椰肉挖取試驗(yàn)

為檢驗(yàn)椰肉挖取裝置的工作性能，在海南大學(xué)工程實(shí)驗(yàn)中心使用椰肉挖取試驗(yàn)裝置對直徑范圍為12～16 cm 的不同椰子進(jìn)行椰肉挖取試驗(yàn)。已知試驗(yàn)條件為：刀片厚度3 mm，弧長20 mm，圓心角40°，成熟椰子數(shù)量50個，轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)速130 r/min，升降電機(jī)轉(zhuǎn)速150 r/min。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著椰子直徑的提升，平均挖取椰肉有效重量比也隨之提升，其原因在于椰子直徑越小，椰子體積越小，椰子規(guī)則程度越低，弧形刀片與椰殼內(nèi)壁的貼合程度較低。多組椰肉挖取試驗(yàn)證明，椰肉挖取機(jī)平均挖取椰肉所需時間不超過26 s，平均挖取有效重量比超過95%。由此可知，所設(shè)計(jì)的椰肉挖取機(jī)工作穩(wěn)定，具有一定的實(shí)用性、可行性。

表1 椰肉挖取試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of coconut flesh extraction test

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)手動挖取椰肉裝置及半自動椰肉挖取裝置在挖取椰肉方面存在自動化水平低、安全性不高等問題，設(shè)計(jì)了一種椰肉挖取機(jī)，其平均挖取椰肉所需時間不超過26 s，平均挖取有效重量比超過95%，而且工作穩(wěn)定、運(yùn)行安全。該椰肉挖取機(jī)的挖取效率仍有進(jìn)一步提升的空間，后續(xù)可通過改善弧形刀片的角度和弧形刀片長度來改善弧形刀片的設(shè)計(jì)來予以提升。