全自動椰子剝衣機

張瀚卿 龍亮亮 張 燕

（海南大學機電工程學院，海南 ?？?570228）

椰子作為中國主要的經(jīng)濟作物之一，是一種大型的棕櫚科植物，其樹高可達20 m 以上，葉長可達6 m，主要產(chǎn)于華南熱帶的沿海地區(qū)。椰子果肉有很高的營養(yǎng)價值，可制成各種營養(yǎng)豐富的椰子類食品。椰子水主要用于生產(chǎn)椰鮮果（也稱納塔），富含糖、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)、氨基酸及其他微量成分。椰纖果的用途廣泛，不僅可以作為添加劑和新型食品加工半成品，還可作為新型生物材料。椰子殼表面堅硬，受撞擊時易裂開。果仁俗稱椰肉，為椰殼所包覆，可供食用［1］。椰子作為多年生的熱帶木本油料作物和食品能源作物，具有很高的綜合經(jīng)濟價值，在醫(yī)療、衛(wèi)生、保健、食品等行業(yè)均有應(yīng)用。

目前中國椰子加工企業(yè)有300家左右，但是大部分企業(yè)加工量比較小，未能形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；?］。少數(shù)如海南天際、春光等具有一定規(guī)模的專業(yè)化的椰子綜合加工企業(yè)也僅僅是實現(xiàn)了椰子加工后續(xù)工序的機械化。椰子加工的第一步都是去掉外殼。因為椰子的外衣非常厚實，所以去掉椰衣后有利于椰子的運輸和后續(xù)加工。海南的椰子剝衣工作主要靠工人手工或借助簡單的工具完成。這種手工剝除椰衣勞動強度大，效率低，費時費工，而且危險性很大［3］。

目前，國內(nèi)外有許多相關(guān)機構(gòu)和人員都在從事椰子剝衣這方面的研究，并且取得了很大的進展。比如，有利用六角刀具扎入椰衣旋轉(zhuǎn)剝開椰衣的自動剝衣機［4］。雖然傳感器和計算機技術(shù)以及液壓技術(shù)的應(yīng)用能使機器的自動化程度得到較大的提高，但是這些技術(shù)在椰子剝衣機方面的應(yīng)用還較少［5］。而且這些椰子剝衣機在工作的過程中都必須要有工人的參與，沒有辦法實現(xiàn)完全的自動化。因此設(shè)計一種全自動的椰子剝衣機，運用工業(yè)流水線式的加工方式對椰子進行加工，不僅能夠提高椰子剝衣速率，還能夠減少椰子剝衣的損傷率，減少在剝衣過程中對工作人員的傷害。本試驗的設(shè)計全部由PLC控制。

1 全自動剝衣機的工作原理

1．1 總體設(shè)計思路

采用工業(yè)上常用的流水線生產(chǎn)方式，將椰子的整個剝衣過程分成3個部分：上料、剝衣、卸料，這3個工位加工部件分別固定在一個大圓盤對應(yīng)的位置上，在大圓盤上安裝分度盤，來控制圓盤按角度旋轉(zhuǎn)。并且在同一圓周上安裝3個三角卡盤，每兩個卡盤之間成120°（見圖1），用來保證3個工位的加工同時進行，提高加工效率。當椰子完成一個加工后，控制電機，讓轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動120°進行下一次的加工。在整個過程中，全部由PLC程序控制，只需要提前輸入程序，就可以讓整個加工過程自動進行。這樣既可以完全省去人員的勞動力，也可以提高椰子剝皮的效率。

1．2 上料裝置和卸料裝置

工業(yè)機械手是近年來自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一種新型技術(shù)，已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分［5］。機械手可以完成如搬物、裝配、切割、噴染等多種作業(yè)，應(yīng)用面非常廣泛。目前，中國機械手的發(fā)展非常迅速，功能越來越先進，靈活性也越來越高。

圖1 椰子衣加工過程示意圖Figure1 The Schematic diagram of working process

上料裝置和卸料裝置都用機械手來控制，這里采用簡單的氣壓控制式機械手［6］（見圖2）。在第一工位時，機械手從放料箱中取出椰子，并且將椰子放在第一轉(zhuǎn)盤上的三角卡盤上，在第三工位時，機械手主要將椰子從轉(zhuǎn)盤上取下來放在收集箱中。在兩個過程中機械手的運動相同，因此可以采用同一類型的機械手控制。

圖2 機械手加工過程示意圖Figure2 The Schematic diagram of manipulator’s work process

機械手的初始位置停止在原點，啟動按鈕打開后，機械手將依次完成下降——加緊椰子（定時1s）——上升——順時針旋轉(zhuǎn)180°——下降——松開椰子（定時1s）——上升——逆時針旋轉(zhuǎn)180°的過程。由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制。夾緊和放松動作則有氣壓上的M 型三位五通型電磁換向閥控制。

1．3 椰子剝皮裝置

在以往的設(shè)計中因為椰子大致是橢圓形的。為了讓刀具沿著剝皮機的外輪廓走，需要人工控制刀具的進給，尤其是在剝衣機上進行剝皮的時候。在原有椰子剝衣機的基礎(chǔ)上進行改良，用渦輪蝸桿機構(gòu)來控制刀具的下降和旋轉(zhuǎn)，用一個電機控制整個剝衣過程。

整體的設(shè)計如圖3所示。

圖3 椰子剝衣機的機構(gòu)簡圖Figure3 Coconut shell dryer’s structure diagram

椰子剝機的基本工作原理：當椰子轉(zhuǎn)到第二工位后，電動機正轉(zhuǎn)打開，帶動渦輪轉(zhuǎn)動，通過渦輪與蝸桿的嚙合作用，帶動蝸桿向下運動并且轉(zhuǎn)動。在蝸桿軸上安裝有刀具盤，刀具盤通過鍵槽安裝在蝸桿軸上。刀具盤上通過鉸鏈與6把刀具連接。刀具與刀具之間通過彈簧連接在一起。刀具盤的下方用彈簧連接有三腳頂針。開始時刀具頂尖和三足頂尖處于同一水平面上（見圖4），當?shù)毒呦陆档脚龅揭拥臅r候三腳頂針通過彈簧彈力的作用將椰子固定住。刀具碰到椰子后在壓力的作用下被分開，邊旋轉(zhuǎn)剝皮，邊下降。當?shù)毒呦陆档揭欢ㄎ恢门龅叫形婚_關(guān)后。電動機開始反轉(zhuǎn)。蝸桿向上運動，刀具收回，直到碰到行程開關(guān)后電動機停止。在整個椰子剝皮的過程中，在第二工位旁邊安裝空氣動力壓縮機，將剝下來的椰衣從工作臺上吹下來。

圖4 刀具盤處的設(shè)計Figure4 The design of tool tray

1．4 刀具的設(shè)計

椰子由外果皮、中果皮、內(nèi)果皮、種皮、種仁（胚乳）、胚、椰子水等部分構(gòu)成。外表皮光滑，與中果皮相連接；中果皮俗稱椰衣，為厚而疏松的棕色纖維層，不易剝除；外果皮俗稱椰殼，呈黑褐色。因為主要要求去除椰子的外表皮和中果皮，大部分是纖維層。所以這里刀具不采用平刃，而采用鋸齒刃。通過實踐研究得出結(jié)論，在對切割繩索等軟性物料時，鋸齒刃比平刃快。椰衣是纖維狀的，椰衣和椰殼的硬度不一樣，刀具采用鋸齒形刀具，這樣能保證在不損壞椰子內(nèi)殼的情況下剝衣。椰子是圓形的，為了保證大部分的椰衣都能被剝掉，這里用帶有一定弧度的刀具。

2 軟件設(shè)計

2．1 總程序的設(shè)計

PLC 由微處理器（CPU）、輸入輸出（I／O）模塊、存儲器（EPROM、ROM）、外設(shè)I／O 接口、電源等組成。其中各個部分又通過總線（電源總線、地址總線、控制總線、數(shù)據(jù)總線）連接［7］。分析椰子剝衣整體過程，得出椰子剝衣的整體流程圖見圖5。

圖5 全自動椰子剝衣機的流程圖Figure5 The flow chart of Automatic coconut shell dryer

2．2 PLC的選用及I／O 口的分配

本設(shè)計采用三菱公司生產(chǎn)的FX2NX系列中的FX2N－32M 型。FX2N 系列可編程控制器具有很強的抗干擾能力和很高的可靠性，對工作電源沒有特殊的要求，適用于普通的工業(yè)環(huán)境，因而選用此類型的PLC。FX2N 系列的PLC具有指令功能完善、儲存容量大、運行速度快等特點，它能完成邏輯位置控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)排列、數(shù)據(jù)檢索、順序控制、平方根以及浮點數(shù)運算、三角函數(shù)運算等多項功能［6］。可見所選的PLC滿足要求，I／O 口的分配如表1所示。

每個卡盤上只有1個工位上有工件檢測裝置壓力繼電器X2，在另外2個工位上沒有其他的檢測裝置。這里采用的是為3個工位設(shè)置3 個標志，分別用輔助繼電器M10～M12控制。當?shù)谝还の簧系臋z測裝置檢測到工件存在時設(shè)置M10為1，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動后，用左移指令FNC32RCL 將M10～M12左移一個位元。這樣3個工位的啟動輔助繼電器控制機器的運行。這樣可以避免發(fā)生空工位的現(xiàn)象。

PLC控制的順序功能圖見圖6。

用P10代表子程序符號。因為在裝、卸椰子時機械手的運動基本上相同，程序也相同，可以用同一個程序控制。為了使程序簡單清晰，這里將機械手的程序編寫子程序。在主程序執(zhí)行的過程中用子程序調(diào)用指令FNC01CALL 配合FNC02SRET 指令使用一起調(diào)用子程序。

機械手的控制程序見圖7。

表1 I／O 口的分配Table1 The assignment of I／O ports

圖6 主程序順序功能圖Figure6 The Sequential Function Chart of main process

圖7 機械手的控制程序Figure7 The control program of manipulator

3 主要技術(shù)參數(shù)

椰子整個剝衣過程中，電機功率選為2kW，蝸桿模數(shù)選用m ＝8，分度圓直徑90mm，完全由PLC程序控制，3個工位可以同時工作，這樣可以大大提高生產(chǎn)效率，減少勞動力。對由于椰子品種差異和含水量造成的形狀、硬度不同，都能夠完成工作任務(wù)。根據(jù)實體樣機驗證，該剝衣機可剝衣300多個以上，并且損傷率控制在5%以內(nèi)。比前人［8］研究的剝衣機更簡單，故障率更低。

用于大批量的椰子生產(chǎn)，將機械和電子緊密結(jié)合在一起，實現(xiàn)椰子剝衣過程的全自動化。將椰子的上料，剝皮，卸料在一個工藝中完成。這樣不僅可以減少勞動力，而且便于工廠的統(tǒng)一化生產(chǎn)。同時，如果要進行椰子的其他加工，例如椰子打孔，也可以使用本研究的系統(tǒng)設(shè)計。

1 李秀娟，李小慧．新鮮椰子的綜合加工［J］．食品科技，1999（1）：47～49．

2 肖紅，易美華．椰子的開發(fā)利用［J］．海南大學學報（自然科學版），2003，6（2）：183～189．

3 趙松林．椰子綜合加工技術(shù)［M］．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007：35～42．

4 肖仁鵬，馬鑫，劉四新，等．椰子自動剝衣機的設(shè)計［J］．食品與機械，2012，28（1）：142～143．

5 尚江坤，張燕．椰子剝衣機研制的現(xiàn)狀和展望［J］．安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（6）：3 803～3 805．

6 黃偉，胡青龍．機械手PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］．機電工程技術(shù)，2008（37）：11．

7 廖常初．PLC 的順序控制編程方法［J］．工業(yè)自動化（香港），1997（8）：153～156．

8 張旭飛，張燕，梁棟．基于PLC 的椰子切割機的設(shè)計與控制研究［J］．農(nóng)機化研究，2012（3）：199～202．