金行龍+殷錕+張小康+曹鴻鵬

摘 要：針對現(xiàn)實(shí)需求，文中設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)穿串機(jī)，該穿串機(jī)由推簽氣缸，推簽杠，升降滑塊等組成。經(jīng)驗(yàn)證，該穿串機(jī)在理想狀況下的速度可達(dá)4 000串/h，極大地提高了穿串速率并節(jié)約了人力成本，具有較大的應(yīng)用價(jià)值與較廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；單片機(jī)；氣缸

1 作品簡介

該產(chǎn)品是一種多用途高效穿串機(jī)，由推簽氣缸、推簽杠、升降滑塊等組成。推簽氣缸固定在長方形底座的后部中間位置，推簽氣缸內(nèi)部的伸縮推桿連接著長條形的推簽杠，推簽杠的前部有固定在底座上的滑塊導(dǎo)軌和升降滑塊及穿串上模。升降滑塊連接滑塊氣缸，升降滑塊的下方，在底座上固定著分段的橫向車軌道和運(yùn)載橫向車，底座前部設(shè)有前排橫向車軌道，底座左側(cè)后部固定著左縱向車氣缸和前部連接的左縱向車。本產(chǎn)品可在竹簽上穿制各種肉串、軟骨串、海味串或其它食品串。

本產(chǎn)品可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)穿肉的自動(dòng)化，解放勞動(dòng)力。且該產(chǎn)品體積小，效率高，適用于中小型燒烤店，具有很大的實(shí)用價(jià)值。穿串機(jī)如圖1所示。

2 工作原理

2.1 項(xiàng)目主要結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)穿串機(jī)包括上料機(jī)構(gòu)，傳送機(jī)構(gòu)，自動(dòng)擺簽機(jī)構(gòu)和穿插機(jī)構(gòu)。由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，運(yùn)用單片機(jī)及液壓氣壓控制機(jī)傳動(dòng)。

2.1.1 主要機(jī)構(gòu)

（1）上料機(jī)構(gòu)

上料機(jī)構(gòu)由肉塊或其他食品的擺放模具（下模盒體）和固定肉塊位置的上模盒體組成，可保證穿插過程的穩(wěn)定性與精確性。

（2）傳送機(jī)構(gòu)

傳送機(jī)構(gòu)可有效保證下模盒體能夠精確與上模合體配合，同時(shí)自動(dòng)輸送與輸出上模合體，大大提高了生產(chǎn)效率。

（3）自動(dòng)擺簽機(jī)構(gòu)

排簽盒與排簽板接觸，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)排簽盒的運(yùn)動(dòng)，排簽盒空隙與排簽板的簽槽重合時(shí)，下簽控制器作用，自動(dòng)下簽，實(shí)現(xiàn)擺簽。

（4）穿插機(jī)構(gòu)

穿針在排簽板內(nèi)由于壓簽推板的作用可實(shí)現(xiàn)穿插肉塊的功能。

2.1.2 電動(dòng)機(jī)及電磁離合器

由于該設(shè)計(jì)由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，所以應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算好電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，配備電磁離合器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)雙向驅(qū)動(dòng)。

2.1.3 時(shí)間繼電器

為了讓電動(dòng)機(jī)按照一定的方式工作，使其實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)”功能，必須用單片機(jī)設(shè)計(jì)程序或通過PLC來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，也可直接用時(shí)間繼電器控制。由于時(shí)間繼電器具有使用簡單、方便等特點(diǎn)，故選擇時(shí)間繼電器。

2.2 項(xiàng)目的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析

2.2.1 上料機(jī)構(gòu)的選擇及設(shè)計(jì)

（1）下模盒體

下模盒體由聯(lián)動(dòng)體、調(diào)節(jié)器等部分組成。通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)器即可調(diào)節(jié)間距（通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)器帶動(dòng)齒輪軸間接帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)即可調(diào)節(jié)間距），實(shí)現(xiàn)模仁多樣功能。下模盒體如圖2所示。

（2）上模合體

上模盒體通過液壓驅(qū)動(dòng)，與下模盒體配合。上模盒體的固定板下降與肉塊接觸，保證穿插過程的精確性與穩(wěn)定性。

2.2.2 傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

下模合體由聯(lián)動(dòng)體、調(diào)節(jié)器等組成。通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)器即可調(diào)節(jié)間距（通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)器帶動(dòng)齒輪軸間接帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，即可調(diào)節(jié)間距），實(shí)現(xiàn)模仁功能多樣性。帶傳動(dòng)圖如圖3所示。

（1）皮帶輪傳動(dòng)（V帶）

電磁離合器控制電機(jī)輸出軸聯(lián)接皮帶輪的V帶，通過皮帶輪將穿串機(jī)下部的輸出動(dòng)力輸送到上部，皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過輸送軸將動(dòng)力輸送到其他部分。

（2）傳送帶傳送（平帶）

傳送帶平帶與皮帶輪輸出軸相連，軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)平帶轉(zhuǎn)動(dòng)，傳送帶與下模盒體聯(lián)接，帶的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)下模盒體的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與上模盒體的配合。傳送帶的傳動(dòng)效果平穩(wěn)、準(zhǔn)確，有力保障傳送效果。

2.2.3 穿插機(jī)構(gòu)

穿插機(jī)構(gòu)如圖4所示。模具一次可排多個(gè)簽子，不僅提高了效率，還節(jié)約了能源。

1.簽子 2.壓簽觸頭 3.上壓板 4.壓簽板 5 .排簽板

從圖5中可以看到，簽子既不在壓簽板和排簽板形成的形腔內(nèi)，也不在上壓簽板與排簽板形成的形腔內(nèi)。當(dāng)液壓缸動(dòng)作時(shí)，簽子的一端與壓簽觸頭接觸，一端在上壓簽板與排簽板形成的形腔內(nèi)，因此在穿菜或穿其它食品的過程中，簽子受力出現(xiàn)微小彎曲，如圖5所示。

此時(shí)將簽子從排簽板的槽中推出，此后，壓缸在電磁閥換向動(dòng)作后，反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓簽板反向運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，上模盒體向上運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)上壓簽板向上運(yùn)動(dòng)，脫離排簽板。

2.2.4 自動(dòng)擺簽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）排簽盒的設(shè)計(jì)

當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，排簽盒體也一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)一段很小的距離后排簽盒體底部與排簽板接觸，此時(shí)的下簽控制器抵抗彈簧力順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，下簽控制軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)，下簽控制觸頭亦同向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7所示。此時(shí)下簽間隙打開。

（2）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。而排簽盒就相當(dāng)于滑塊，可在排簽板上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擺簽。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖8所示。

2.3 液氣控制原理設(shè)計(jì)

液壓控制原理如圖9所示。虛線左邊為上壓板控制；右邊為壓簽板控制。

1.油缸；2.油缸；3.單向閥；4.2位3通電磁閥；5.2位3通電磁閥；6.2位4通電磁閥；7.2位3通電磁閥；8.3位4通電磁閥

圖9 液壓控制原理圖

（1） 上壓板工作系統(tǒng)控制說明

圖中8為3位4通閥，中位機(jī)選擇O型是因?yàn)轵?qū)動(dòng)上壓板的液壓缸不工作時(shí)會(huì)自鎖，保持其工作位置；其它兩換向位分別控制上行和下行；7為2位3通閥，可通過換向接通不同的工作系統(tǒng)。

（2） 壓簽板工作系統(tǒng)控制說明endprint

如圖9虛線右邊所示，其為帶補(bǔ)償措施的串聯(lián)液壓缸同步回路。當(dāng)2為4通電磁閥右位接入時(shí)，兩液壓缸活塞同時(shí)下行，若缸1的活塞先運(yùn)動(dòng)到底，它就觸動(dòng)行程開關(guān)a使閥5通電，壓力油經(jīng)閥5和液控單向閥3向缸2的B腔補(bǔ)油，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)到底，消除誤差。若缸2先到底，則觸動(dòng)行程開關(guān)b使閥4通電，控制壓力油使液控單向閥回油，活塞即可繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到底。

2.4 單片機(jī)控制設(shè)計(jì)

（1） 具體實(shí)現(xiàn)方法

采用接受和忽略中斷進(jìn)行控制。P0口作為數(shù)據(jù)輸出口，工作時(shí)，單片機(jī)接受響應(yīng)，將P0置數(shù)，P0口再輸出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，通過一個(gè)邏輯電路做相應(yīng)的邏輯運(yùn)算來控制各對應(yīng)驅(qū)動(dòng)終端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。P0口輸出結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)見表1所列。

1.3位4通電磁閥閥；2.2位3通電磁閥；3.2位4通電磁閥

2.5 工作原理小結(jié)

備料模塊由30 W交流電機(jī)、傳送帶、上下模具組成。

傳送帶在30 V交流電機(jī)的帶動(dòng)下將帶有原料的下模與上模重合，上模下移完成壓模，等待打簽，打簽結(jié)束后，上下模分開，穿好的肉串被傳送帶送出。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，我們加密了下模的溝回，并將上模做成針狀方便肉的壓實(shí)，且能適應(yīng)更多肉類。

備簽?zāi)K由滾筒式上簽器，備簽槽，壓簽器組成。

滾筒式上簽器在15 V交流電機(jī)的帶動(dòng)下滾動(dòng)并將放在備簽槽中的竹簽嵌入槽中，壓簽器的運(yùn)動(dòng)可保證一槽一簽，防止多簽入槽，引發(fā)失誤。竹簽到位后觸發(fā)光電傳感器，停止動(dòng)作，完成備簽。

打簽?zāi)K由打簽板，氣動(dòng)裝置，導(dǎo)簽器，接觸限位開關(guān)組成。

備料與備簽就緒后，汽缸帶動(dòng)打簽板推動(dòng)竹簽沿槽運(yùn)動(dòng)，完成打簽。

為了保證打簽過程順利進(jìn)行，避免折簽的狀況出現(xiàn)，我們在竹簽入口處設(shè)置了導(dǎo)簽器，以使快速移動(dòng)的竹簽準(zhǔn)確插入肉中。

動(dòng)力模塊由電機(jī)和氣動(dòng)系統(tǒng)組成。

（1）電機(jī)：在備料與備簽過程中，由于電機(jī)帶動(dòng)傳送帶移動(dòng)與滾筒式上簽器的運(yùn)動(dòng)比較慢，需要隨時(shí)停止，隨時(shí)啟動(dòng)，故采用小功率交流電機(jī)作為動(dòng)力。

（2）氣動(dòng)系統(tǒng)：打簽與壓模過程中運(yùn)動(dòng)均為直線，需要較大的壓力與較快的速度，所以選用由汽缸、空壓機(jī)組成的氣動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力。

控制模塊作為整個(gè)串肉機(jī)五大模塊有效配合的中心，控制系統(tǒng)是完成所有動(dòng)作的保證。我們采用單片機(jī)作為控制中心，配合五大電渦流傳感器與一個(gè)激光回歸反射式光電傳感器，共同完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）功能完備、衛(wèi)生安全：采用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)，放置傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制，使氣動(dòng)與電動(dòng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上簽，自動(dòng)穿肉。

（2）適應(yīng)性廣：適用于各種簽類，能穿各種串制品；通過使用不同的模具調(diào)整肉串長短。

（3）穩(wěn)定性強(qiáng)：采用直流電機(jī)和氣壓泵，附加電磁離合器，保證動(dòng)力輸出的穩(wěn)定性。壓模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提高了穿串的精確度與穩(wěn)定性。

（4）省空間、高效率：合理的空間布局與模塊化設(shè)計(jì)大大節(jié)省了占地空間，4 000串/h的效率大量節(jié)約了人力資源。

4 市場前景

（1）通過單片機(jī)和安裝在各運(yùn)動(dòng)末端中斷按鈕的有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)穿串，不僅減少了額外的能源消耗，同時(shí)還減輕了原始人工的勞力負(fù)擔(dān)。

（2）多種菜品自動(dòng)穿串的實(shí)現(xiàn)，使得自動(dòng)穿串機(jī)的實(shí)用范圍大大增加，大大提高了穿串機(jī)的實(shí)用性和可推廣性。

（3）進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)仿真后，加上額外人工填充時(shí)間，在理想的工作情況下，基本效率是720串/min，能達(dá)到餐廳在不使用保鮮柜的條件下滿足即時(shí)需求，提高效率并減少經(jīng)濟(jì)成本的要求。

（4）應(yīng)用范圍：面向個(gè)體燒烤店的串制品加工，安全衛(wèi)生，效率較高；面向工廠-超市-家庭供貨的工廠化串制品生產(chǎn)；燒烤連鎖店的集中供貨生產(chǎn)，節(jié)約成本。

目前國內(nèi)和國外的市場上都還沒有類似的自動(dòng)穿串設(shè)備，該全自動(dòng)穿串機(jī)一旦大規(guī)模投入市場，將會(huì)很大程度解決我國餐飲業(yè)穿串緊張的問題，并取得世界領(lǐng)先地位。endprint