椰子自動(dòng)切口機(jī)的設(shè)計(jì)

毛 舟 樊軍慶 張信禹

（1．海南大學(xué)機(jī)電學(xué)院，海南 海口 570228；2．宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003）

海南是中國椰子主產(chǎn)區(qū)，每年總產(chǎn)量近2．4億個(gè)，而全省每年椰子需求量卻高達(dá)26億個(gè)［1，2］，但是中國大部分椰子產(chǎn)品的前期加工是采用傳統(tǒng)的手工或半手工方式加工的，加工效率低，因此，綜合成本偏高［3］。在國外，椰子的去衣、脫殼、削皮及切口等工序的機(jī)械化率也不高。在海南，主要由人工完成，其中，對(duì)椰子進(jìn)行切口的工序基本上全靠人工完成，手工切口方式具有費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下、不衛(wèi)生、不安全等一系列缺點(diǎn)，需要消耗大量的人力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且時(shí)有工傷發(fā)生［4，5］。本設(shè)計(jì)在椰子前期加工機(jī)械化研究［6］的基礎(chǔ)上，對(duì)原有切口機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)椰子夾具，使頂桿在垂直方向上運(yùn)動(dòng)距離減少的同時(shí)達(dá)到夾緊效果。

1 整機(jī)工作原理

半自動(dòng)椰子切口機(jī)的整體機(jī)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)器的工作流程：將手工或機(jī)械剝?nèi)ネ庖碌囊樱?］放在右邊的夾具上。當(dāng)椰子隨圓形工作臺(tái)轉(zhuǎn)到圓柱凸輪上時(shí)，凸輪頂起夾緊裝置往上升，在上升過程中夾具將椰子夾緊，在切削時(shí)，圓柱凸輪高度保持不變，因此夾具保持夾緊狀態(tài)。當(dāng)切削完成，伸縮裝置由圓柱凸輪最高點(diǎn)向最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，夾緊裝置松開椰子，切口完成。在切削時(shí)電機(jī)通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，刀架通過螺紋安裝到刀架支承桿上，松開固定螺母，通過調(diào)節(jié)螺母可調(diào)節(jié)刀架高度，也可以通過旋轉(zhuǎn)刀架來調(diào)節(jié)其角度，使刀具達(dá)到合適的位置。

圖1 椰子切口機(jī)結(jié)構(gòu)圖Figure1 Diagram of coconut incision machine

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1 圓柱凸輪的設(shè)計(jì)

在旋轉(zhuǎn)工作盤整體結(jié)構(gòu)中，圓柱凸輪的最重要的作用是利用其運(yùn)動(dòng)的輪廓曲線特點(diǎn)帶動(dòng)均勻分布在轉(zhuǎn)盤圓槽內(nèi)的機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)，以便能夠使裝夾在機(jī)械手內(nèi)的椰子更好的固定，實(shí)現(xiàn)切削（見圖2）。

圖2 圓柱凸輪示意圖Figure2 Diagram of cylindrical cam

圓柱凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算是根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定的尺寸，圓柱凸輪工作面最低點(diǎn)距機(jī)座的距離h1＝89cm，圓柱凸輪工作面最高點(diǎn)距地面的高度h2＝165cm，圓柱凸輪的直徑D ＝86cm，周長L ＝270cm，圓柱凸輪的展開輪廓曲線見圖3。其中夾具從圓柱凸輪最低點(diǎn)向最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，頂桿垂直向上運(yùn)動(dòng)，在此區(qū)間機(jī)械爪會(huì)慢慢加緊椰子；夾具從最高點(diǎn)向最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，頂桿垂直向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)械爪會(huì)松開椰子。

圖3 圓柱凸輪尺寸示意圖Figure3 Diagram of cylindrical cam dimensions

2．2 刀具和夾具

夾具的作用是平穩(wěn)的裝夾椰子，并能帶動(dòng)椰子上下運(yùn)動(dòng)，保證在圓盤旋轉(zhuǎn)的過程中，在水平方向上實(shí)現(xiàn)盤形切割鋸片對(duì)椰子的精準(zhǔn)切削。椰子在切削時(shí)，受到進(jìn)給力Fx 和背向力Fy，以及刀具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩，如圖4所示。在切口時(shí)裝夾不緊椰子會(huì)旋轉(zhuǎn)，因此設(shè)計(jì)一種四爪夾具，在4個(gè)方向上固定椰子，阻止椰子橫向移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，便于切削。

圖4 椰子切削受力圖Figure4 Force of coconut cutting

本系統(tǒng)針對(duì)不規(guī)則球形的椰子進(jìn)行加工，根據(jù)加工要求和生產(chǎn)需要，選擇了盤形切割鋸片進(jìn)行切削。因?yàn)榈毒咭獙?duì)椰子的球面進(jìn)行側(cè)向切割，還要保證切口平滑，切削時(shí)刀具變形不宜過大以及制作椰子飯時(shí)椰殼的美觀性，因此選用盡可能薄的盤形切割鋸片。刀具材料采用硬質(zhì)合金。

柔性機(jī)械爪結(jié)構(gòu)如圖5所示，當(dāng)柔性機(jī)械爪在圓柱凸輪上從最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)過程中，夾具心軸推動(dòng)手爪托盤向上運(yùn)動(dòng)，在彈簧的作用下手爪從張開狀態(tài)慢慢合攏，直至將椰子完全夾穩(wěn)，保證椰子不會(huì)出現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械爪中的彈簧采用硬度較大的壓簧，在保證支撐夾緊爪的同時(shí)，隨著爪托盤的上移，帶動(dòng)夾緊爪移動(dòng)，以便夾緊不同大小且形狀不規(guī)則的椰子。

圖5 柔性機(jī)械爪結(jié)構(gòu)圖Figure5 Diagram of flexible mechanical claw

柔性機(jī)械爪工作原理：將椰子放入椰子托盤上，萬向輪在圓柱凸輪上行走，當(dāng)從圓柱凸輪最低點(diǎn)往最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，頂桿在圓柱凸輪的作用下將爪托盤頂起，在彈簧的作用下，夾緊爪將椰子夾緊，由于彈簧的作用，可以夾緊形狀不規(guī)則，大小不同大的椰子。當(dāng)萬向輪從最高點(diǎn)向最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，頂桿帶動(dòng)爪托盤向下運(yùn)動(dòng)，由彈簧帶動(dòng)夾緊爪松開椰子。

2．3 傳動(dòng)系統(tǒng)

由于椰子殼非常堅(jiān)硬，因此椰子的進(jìn)給速度不宜過大，否則會(huì)出現(xiàn)進(jìn)給力過大，導(dǎo)致夾緊力不夠，椰子出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)；進(jìn)給速度比較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)切削力過小而無法將椰子殼切開，在椰子切口過程中，運(yùn)用調(diào)頻器將電機(jī)速度控制在10～15r／min，經(jīng)帶輪帶動(dòng)圓形工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。該電機(jī)選用三相異步電動(dòng)機(jī)Y80M2－4，電動(dòng)機(jī)額定功率0．75kW，滿載轉(zhuǎn)速1 390r／min，帶輪的傳動(dòng)比為i＝1。

驅(qū)動(dòng)盤形切割鋸片運(yùn)動(dòng)的電機(jī)選擇三相異步電動(dòng)機(jī)Y80M2－2，電機(jī)額定功率1．1kW，轉(zhuǎn)速為2 830r／min，帶輪傳動(dòng)比為i＝2。

3 整機(jī)調(diào)試

對(duì)椰子切口機(jī)樣機(jī)進(jìn)行切削試驗(yàn)，本次試驗(yàn)的椰子主要用于制作海南特色食品椰子飯，需要在椰殼上切開一個(gè)小口，并將切下的椰殼蓋回椰子上，在試驗(yàn)中用不同厚度的圓盤刀對(duì)椰子進(jìn)行切口，當(dāng)鋸片厚度較低時(shí)，刀具會(huì)產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致切口傾斜；當(dāng)?shù)毒吆穸容^大時(shí)，能對(duì)椰子進(jìn)行切口，但無法滿足制作椰子飯要求。因此選擇厚度為3 mm 的盤形切割鋸片。

在試驗(yàn)過程中，運(yùn)用變頻器調(diào)節(jié)進(jìn)給速度。當(dāng)進(jìn)給速度為10r／min時(shí)，椰子因進(jìn)給力過小而無法完全切口；當(dāng)進(jìn)給速度為12r／min時(shí)能完成切口；當(dāng)進(jìn)給速度為15r／min時(shí)，椰子出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)于半自動(dòng)椰子切口機(jī)，進(jìn)給速度過快不利于人工更換椰子。因此，在進(jìn)給速度為12r／min時(shí)椰子切口機(jī)切削的椰子滿足切口要求。

圓形工作臺(tái)上裝有4個(gè)夾具，當(dāng)夾緊裝置運(yùn)動(dòng)到圓柱凸輪最低點(diǎn)時(shí)取出已切口的椰子并裝上未切口的椰子。經(jīng)試驗(yàn)，椰子切口效率可達(dá)30～40個(gè)／min。

4 結(jié)論

椰子切口機(jī)對(duì)直徑10cm 左右的椰子進(jìn)行切口，切口的椰子可用來制作椰子飯。由于椰子殼非常堅(jiān)硬，采用機(jī)械切口的質(zhì)量和效率遠(yuǎn)高于手工切口。采用更薄刀具對(duì)椰子進(jìn)行切口以及椰子加工工序機(jī)械化流水線的整合還有待研究。

1 夏秋瑜，李瑞，趙松林，等．椰子的利用價(jià)值及綜合加工技術(shù)［J］．中國熱帶農(nóng)業(yè)，2007（3）：37～38．

2 肖紅，易美華．椰子的開發(fā)利用［J］．海南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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．

4 廖明保，潘友仙，黃文強(qiáng)．海南椰子產(chǎn)業(yè)的實(shí)證分析［J］．技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理研究，2005（6）：76～77．

5 王敬．海南椰子產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式研究［D］．天津：天津大學(xué)，2004．

6 樊軍慶，王高平，王文，等．自動(dòng)椰子切口機(jī)：中國，201110200247．4［P］．2011－12－21．

7 肖仁鵬，馬鑫，劉四新，等．椰子自動(dòng)剝衣機(jī)的設(shè)計(jì)［J］．食品與機(jī)械，2012，28（1）：142～143．