龐文武,劉曉龍,姚洽東,沈大偉,曹 旭,柴承文

(北京印刷學(xué)院,北京 102600)

美團(tuán)研究院和中國飯店協(xié)會聯(lián)合發(fā)布 《2019—2020年中國小吃產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》。 報告顯示,全國目前約有500萬小吃商戶,是餐飲業(yè)最大的品類賽道。小吃產(chǎn)業(yè)具有商戶數(shù)量多、交易規(guī)模大、從業(yè)人員多、民生聯(lián)系緊等特征,在促消費(fèi)、穩(wěn)就業(yè)和惠民生等方面發(fā)揮著巨大作用[1]。休閑食品是全世界人類生活的重要組成部分,部分原因是它的便利性、可獲得性,當(dāng)然還有它的感官品質(zhì)[2]。在中國,人們消費(fèi)食物不僅僅是為了滿足饑餓,而是為了促進(jìn)健康、治療疾病,最重要的是,建立人與人之間的關(guān)系和增強(qiáng)家庭價值觀。中國小吃長期以來一直是一種富有創(chuàng)造性和個性化的藝術(shù)[3]。作為中國傳統(tǒng)文化載體的特色食品,冰糖葫蘆深受全國多地人民的喜愛,在旅游旺季,旅游人群密集處對糖葫蘆的相對需求密度是非常大的,具有很大的市場價值。不僅僅是在國內(nèi),糖葫蘆在國外也非常受人歡迎,在俄羅斯的新年大集上,平均一天能賣到1000多串糖葫蘆[4];一位名叫蘇永邦的美國小伙,將中國的煎餅賣到了美國,其受歡迎程度讓人咋舌[5]。但目前市面上還沒有一款可以實(shí)現(xiàn)自動穿糖葫蘆的機(jī)器,因此設(shè)計(jì)這類消費(fèi)品的自動化制作裝置對于降低人力勞動成本和勞動強(qiáng)度,滿足階段性大批量生產(chǎn)的需求,具有很好的應(yīng)用價值和前景。

冰糖葫蘆的制作一般包括清洗、穿串、蘸糖。其中,穿串等步驟多為人工進(jìn)行,不僅費(fèi)時費(fèi)力,產(chǎn)量較低,而且還存在一定的衛(wèi)生安全隱患,目前,國內(nèi)外暫未有發(fā)明可自動穿串的設(shè)備以更好、更快速、更省力地對山楂進(jìn)行穿串。國內(nèi)最先出現(xiàn)的自動穿串機(jī)出現(xiàn)在一檔名為《我愛發(fā)明》[6]的節(jié)目中,發(fā)明人所發(fā)明的自動穿串機(jī)速度快,每小時最多可以穿2000串,兩個人就可以完成店里所有的肉類、菜類的穿串工作,節(jié)省了人工成本。但是上述的自動穿串機(jī)通過多個氣缸進(jìn)行壓合、推簽和穿簽工序,需要完成一個工序才能進(jìn)行下一個工序,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動狀態(tài)。東莞鼎眾自動化設(shè)備有限公司[7]提出了一種分級聯(lián)動自動穿串機(jī),通過驅(qū)動電機(jī),鏈條傳動機(jī)構(gòu)和凸輪實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動運(yùn)作,提高效率并實(shí)現(xiàn)壓合穿簽。為了提高穿串效率,簡化結(jié)構(gòu),發(fā)明人朱丁華[8]提出了快換式自動穿串機(jī),通過可分離的組合結(jié)構(gòu)載具,實(shí)現(xiàn)了簡單結(jié)構(gòu)下的快速往返。雖然目前市場上各類穿串設(shè)備五花八門,但是還沒有適合糖葫蘆的自動生成設(shè)備,因此設(shè)計(jì)自動穿糖葫蘆裝置及其控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)自動穿糖葫蘆的生產(chǎn)要求,同樣的原理皆可運(yùn)用于其他穿串系統(tǒng),具有很高的社會經(jīng)濟(jì)價值。

1 穿糖葫蘆裝置的組成原理與工藝流程

1.1 自動穿糖葫蘆裝置的組成原理

半自動穿糖葫蘆裝置由傳送帶驅(qū)動裝置、穿糖葫蘆PLC控制系統(tǒng)、穿山楂裝置組成。

傳送帶驅(qū)動裝置由電機(jī)和傳送帶組成,通過電機(jī)對應(yīng)的PLC程序控制傳送帶轉(zhuǎn)動,間隔時間即為穿山楂串所需時間。

穿山楂裝置由光電開關(guān)、山楂輸送氣缸、穿山楂氣缸和相應(yīng)的行程開關(guān)和方向控制閥組成。當(dāng)光電開關(guān)檢測到山楂,PLC控制系統(tǒng)將控制電磁閥運(yùn)行,控制氣缸向電磁閥通氣,并使活塞推動山楂到指定位置,并且完成計(jì)數(shù),當(dāng)光電開關(guān)1檢測到竹簽,PLC控制系統(tǒng)將控制電磁閥運(yùn)行,控制氣缸向電磁閥通氣,并使活塞實(shí)現(xiàn)穿山楂成串的動作。

穿糖葫蘆PLC控制系統(tǒng)由中央控制單元、存儲器、輸入輸出電路、電源部件、編程器組成,其中,中央控制單元接受從編程器輸入的用戶程序,并存入程序存儲器中;而輸入電路通過與行程開關(guān)的連接,將輸入信號經(jīng)過輸入電路轉(zhuǎn)換成中央控制單元能接受和處理的數(shù)字信號,輸出電路是PLC向外部執(zhí)行部件輸出相應(yīng)控制信號的通道。通過輸出電路,PLC可將對現(xiàn)場執(zhí)行單元如電磁閥、計(jì)時器、計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制。

即上述裝置通過電氣控制系統(tǒng)組成自動穿糖葫蘆裝置的機(jī)械驅(qū)動與控制裝置,并利用電氣控制系統(tǒng)控制各裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括電機(jī)、氣缸在內(nèi)的元件,來共同配合完成運(yùn)送山楂、穿山楂串的姿態(tài),并與傳送帶驅(qū)動系統(tǒng)配合完成運(yùn)輸動作,最后完成傳送及運(yùn)輸?shù)膭幼鳌?/p>

圖1所示為半自動穿糖葫蘆裝置氣動系統(tǒng)原理圖。

圖1 自動穿糖葫蘆裝置系統(tǒng)原理圖

1.2 自動穿糖葫蘆裝置的工藝流程

即電機(jī)控制傳送帶間歇式轉(zhuǎn)動,當(dāng)輸料裝置將山楂2輸送到工作臺3上時,相應(yīng)的檢測開關(guān)用時5秒將信號發(fā)送到主控PLC上,隨后控制程序控制氣缸1,使其活塞從初始位置伸出將山楂2推出工作臺3,中間停頓2秒,待山楂2運(yùn)動到工作臺5的中間位置后,驅(qū)動工作臺5的夾具6夾緊山楂2以防止其在后續(xù)的步驟中發(fā)生錯位。完成以上動作后,檢測竹簽的開關(guān)反饋信號給PLC的控制程序,并控制氣缸4活塞從初始位置伸出,推動工作臺5將山楂2向上輸送,在與竹簽9的配合下,山楂2正好完全穿入由傳送帶7送到工位上的竹簽9中后,氣缸4活塞停止伸長,在停止2秒的間隔后,氣缸1活塞縮回到初始位置后,氣缸4活塞再縮回到初始位置,一顆山楂完成穿入竹簽。重復(fù)以上所有步驟,直到相應(yīng)的檢測裝置檢測到兩個(或多個)山楂于同一根竹簽時,相應(yīng)的檢測裝置將信號發(fā)送到主控PLC上,停止重復(fù)以上步驟,一串糖葫蘆制作完成。隨后控制程序驅(qū)動傳送帶7步進(jìn)旋轉(zhuǎn),將已經(jīng)制成的糖葫蘆帶走,并將新的空竹簽送入工位,以進(jìn)行下一串糖葫蘆的制作。

注:竹簽的傳送帶驅(qū)動不需要考慮。

2 自動穿糖葫蘆裝置氣壓驅(qū)動及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光電開關(guān)5S用于檢測工位3上的山楂,光電開關(guān)6S用于檢測工位6上的竹簽,同時每個工作氣缸需要各兩個起始點(diǎn)和終點(diǎn)位置的行程開關(guān)。而氣缸活塞驅(qū)動系統(tǒng)由光電開關(guān)、山楂輸送氣缸、穿山楂氣缸、計(jì)時器、計(jì)數(shù)器和相應(yīng)的行程開關(guān)和方向控制閥組成。當(dāng)光電開關(guān)檢測到山楂,PLC控制系統(tǒng)將控制電磁閥運(yùn)行,控制氣缸向電磁閥通氣,并使活塞運(yùn)動,當(dāng)光電開關(guān)檢測到竹簽,PLC控制系統(tǒng)將控制電磁閥運(yùn)行,控制氣缸向電磁閥通氣,并使活塞運(yùn)動。因此在FluidSim軟件中進(jìn)行了氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),氣動控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 氣動控制系統(tǒng)圖

3 自動穿糖葫蘆裝置的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

3.1 自動穿糖葫蘆裝置的硬件系統(tǒng)配置

控制系統(tǒng)的硬件采用歐姆龍CPM1A-20CDR型PLC為主控制器,各子機(jī)構(gòu)的動作執(zhí)行采用可安裝磁性開關(guān)的雙作用通用氣缸完成,氣缸活塞的行程控制由Festo SME-8-K-LED-24型直流24V接近開關(guān)作為檢測傳感器,山楂的到位狀態(tài)由E3S-CL型反射式光電開關(guān)進(jìn)行檢測。在山楂輸送的工作過程中,檢測裝置主要針對山楂輸送到位、氣缸活塞的行程、竹簽的到位進(jìn)行檢測,并將信號反饋給輸送山楂及穿簽系統(tǒng)控制器,通過相應(yīng)的電氣和氣動控制裝置實(shí)現(xiàn)各種動作,從而完成輸送山楂、穿糖葫蘆與帶走糖葫蘆等相關(guān)工藝動作。

3.2 自動穿糖葫蘆裝置的工作流程分析

根據(jù)工作要求,設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。

控制系統(tǒng)各模塊之間協(xié)同配合完成輸送糖葫蘆及穿糖葫蘆的過程如圖3所示,通過光電傳感器檢測糖葫蘆的到位狀態(tài)和氣缸的行程的信號來控制整個輸送糖葫蘆及穿糖葫蘆工作流程的進(jìn)行,按下啟動按鈕0S之后,同時伴有亮燈,響鈴警報以此提示工作開始,3YA電機(jī)控制開關(guān)通電,并控制傳送帶轉(zhuǎn)動,帶動竹簽傳送到指定位置,隨后5S光電檢測開關(guān)檢測到工作臺上有山楂, 5秒后1YA通電,氣缸A活塞伸出將山楂推到指定位置,2S后6S光電檢測開關(guān)檢測到傳送帶上指定位置的竹簽,5秒后2YA通電,氣缸B活塞伸出,將工作臺上的山楂推入竹簽,然后計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),T0計(jì)時器定時0.2秒后觸發(fā),使1YA斷電,氣缸A收回活塞,1秒后1YA斷電,氣缸B收回,三秒后完成整個穿山楂的流程,同時計(jì)數(shù)器C1觸發(fā),若未達(dá)到指定數(shù)量時流程回到第一步,若達(dá)到指定數(shù)量時流程結(jié)束,按下停止按鈕7S。

圖3 自動穿糖葫蘆系統(tǒng)工作流程圖

山楂輸送氣缸、穿山楂氣缸、計(jì)時器、計(jì)數(shù)器的順序動作和行程控制均由相應(yīng)的行程開關(guān)和方向控制閥與PLC控制模塊配合完成。

3.3 自動穿糖葫蘆裝置的硬件與PLC端口關(guān)系配置

根據(jù)相應(yīng)的回路及控制要求設(shè)計(jì)電磁閥與活塞行程檢測開關(guān)與PLC的對應(yīng)地址關(guān)系(以歐姆龍CPM1A-20CDR型PLC端口定義為例),如表1CPMIA-20CDR地址圖所示:

表1 CPMIA-20CDR地址圖

3.4 自動穿糖葫蘆裝置的硬件與PLC端口接線圖設(shè)計(jì)

在自動串糖葫蘆裝置的開發(fā)過程中,總控硬件選擇了CPMIA-20CDR型PLC,并在CX Progammer軟件環(huán)境中基于順序功能圖語言編寫了符合前述傳送山楂、穿山楂串要求的控制程序,輸入端口X00～X11分配給控制系統(tǒng)中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)上行程開關(guān)及各點(diǎn)的光電檢測開關(guān)的反饋信號,輸出Y00～Y07分配給控制系統(tǒng)中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的電磁閥及負(fù)載,接線圖如圖4所示。

圖4 CPMIA-20CDR接線圖

3.5 自動穿糖葫蘆裝置氣控系統(tǒng)元件工作循環(huán)

以一串糖葫蘆串2個山楂為例,根據(jù)上述流程圖,列各行程開關(guān)、光電開關(guān)(檢測竹簽和山楂)、換向閥電磁鐵、活塞缸的動作循環(huán)如表2。

表2 自動穿糖葫蘆裝置氣控系統(tǒng)運(yùn)動循環(huán)表

4 結(jié)論

基于上述分析,對穿糖葫蘆裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)有了一個比較客觀全面的認(rèn)識,自動串糖葫蘆流水線的社會經(jīng)濟(jì)價值有限,首先面向的是穿糖葫蘆的工廠,但是這樣的工廠十分有限,并且大多數(shù)穿糖葫蘆的工廠無法承擔(dān)整條自動串糖葫蘆流水線的成本。對于相對高的制造價格,想要獲利還需要更加成熟的技術(shù),我們需要進(jìn)一步研究簡化結(jié)構(gòu)節(jié)省成本,降低制造價格,讓大多數(shù)穿糖葫蘆的工廠能夠接受購入自動穿糖葫蘆流水線的成本。同時我們對于自動送簽的功能設(shè)計(jì)尚未考慮,未能實(shí)現(xiàn)整個穿制工藝的自動化生產(chǎn),下一步我們要提高流水線的自動化水準(zhǔn),降低人工成本,實(shí)現(xiàn)低人工成本甚至零人工成本的全自動化理想目標(biāo)。