切分松軟食品的超聲波切割機及其工作臺的研制

林 雪 陳長卿 侯長安 張加清 鄭 濤

LIN Xue 1 CHEN Chang－qing 1 HOU Chang－an 2 ZHANG Jia－qing 1 ZHENG Tao 1

（1.浙江省農(nóng)業(yè)機械研究院，浙江 金華 321000；2.蘭溪健發(fā)食品機械有限公司，浙江 蘭溪 321100）

（1.Zhejiang Academy of Agricultural Machinery，Jinhua，Zhejiang 321000，China；2.Lanxi Jianfa Food Machinery Co.，LTD，Lanxi，Zhejiang 321100，China）

食品自動切割裝置是一種典型的食品機械，通過對物料進行機械剪切，得到期望的形狀和尺寸，廣泛地應(yīng)用于食品加工工藝的不同工序［1］。由于機械剪切特性及食品粘刀的影響，傳統(tǒng)食品切割裝置不僅需要定期清理刀具，而且還極易損壞食品的整體外形，大大降低了裝置的生產(chǎn)效率［2］。尤其當加工對象為奶油、巧克力、固體油脂等易粘刀的軟性或彈性物料時，對生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本的影響尤為明顯［3］。目前廣泛使用的BKQ－600／720蛋糕切割機采用普通不銹鋼切刀，雖然能達到全自動切割，但是切口處易破損、崩邊，需要經(jīng)常進行停機處理，生產(chǎn)效率較低。除此之外，整機缺少智能化控制系統(tǒng)，只能完成單一類型的切割任務(wù)，無法通過程序的設(shè)定實現(xiàn)多種切割方案。

超聲技術(shù)是通過超聲波產(chǎn)生、傳播及接收物理過程完成的，可以利用它的能量來改變材料的某些狀態(tài)［4］。超聲技術(shù)在振動切割方面應(yīng)用十分廣泛，超聲振動除能對普通材料進行加工外，還能對高硬、軟、薄、脆等材料及食品進行加工［5］。超聲振動切割是超聲加工技術(shù)的重要組成部分，有著比普通切割優(yōu)異的加工性能，它是通過在常規(guī)的切割刀具上施加高頻振動，使刀具和工件發(fā)生間斷性的接觸，從而使傳統(tǒng)切割模式發(fā)生了根本性的變化［6］。超聲波切割既不需要鋒利的刃口，也不需要很大的切割壓力。因此，不會造成被切割材料的崩邊、破損。同時，由于超聲波切割刀在振動時的摩擦阻力極小，被切割食品不易粘在刀片上，基本杜絕了粘刀現(xiàn)象的發(fā)生［7］。當待切割物是軟性、彈性或粘性食品時，超聲波切割的效果尤為明顯。除此之外，超聲波切割的另一大優(yōu)點是，在切割的同時，切割部位有熔合作用，切割部位被完美地封邊，可防止被切割食品組織的松散。

針對傳統(tǒng)及現(xiàn)有食品切割裝置的不足之處，本研究設(shè)計的超聲波食品切割機擬將超聲波振動技術(shù)和智能化技術(shù)引入到食品切割機的設(shè)計中，利用超聲波的能量，將被切割材料的局部加熱熔化，配以食品工作臺旋轉(zhuǎn)運動裝置與水平直線運動裝置，實現(xiàn)360°任意角度切割材料的目的，且通過智能化觸摸屏可實現(xiàn)上百種切割方案。

1 切割機結(jié)構(gòu)及工作原理

超聲波切割機主要由機箱、食品切割裝置、工作臺旋轉(zhuǎn)裝置、工作臺水平運動裝置以及控制面板組成。整體結(jié)構(gòu)三視圖見圖1。

圖1 超聲波食品切割機三視圖Figure 1 Ultrasonic food cutting machine layout

在超聲波切割機中，超聲波發(fā)生器將超聲波傳遞到切割刀上，并使其產(chǎn)生一定幅度的顫振。顫振頻率與超聲波頻率保持一致，范圍為20～40 k Hz。這種振幅人眼不易察覺，但能在瞬間對蛋糕、披薩、冷凍食品等進行高速切割。利用智能超聲波切割刀實現(xiàn)平面內(nèi)360°的自動切割。切割刀片采用鈦合金材料，可以極大降低食品粘刀現(xiàn)象發(fā)生的幾率并提高切割效率，其生產(chǎn)速度可達30刀／min，且厚度偏差僅為0.4 mm，整機技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters

1.1 食品切割裝置

食品切割裝置主要通過將超聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝臃绞讲⒓虞d到智能超聲波切割刀上，并通過氣缸驅(qū)動切割刀上下運動實現(xiàn)對食品的切割，其結(jié)構(gòu)及工作原理：機箱1兩側(cè)機架板2上裝有升降導(dǎo)軌6，升降導(dǎo)軌6上橫有機架板2的一橫板與升降氣缸5相連，刀架總成3連接智能超聲波切割刀4，超聲波發(fā)生器7連接智能超聲波切割刀4使其上下輕微振動，升降氣缸5活塞軸裝在刀架總成3上，升降氣缸5工作時，升降活塞上下運動，帶動刀架總成3及智能超聲波切割刀4上下往復(fù)運動，實現(xiàn)對食品的切割控制?？紤]到加工對象外型尺寸的差異，切刀向下切割的極限位置必須是可調(diào)節(jié)的。某些食品其分子粘結(jié)不是那么的堅固，留有少許未切斷組織不會影響食品品質(zhì)，但有些食品需要完全切斷，因此特設(shè)計下限位調(diào)節(jié)機構(gòu)以實現(xiàn)對切刀下切深度的調(diào)節(jié)，見圖2。

圖2 下限位調(diào)節(jié)機構(gòu)Figure 2 Adjusting apparatus of lower limit position

智能超聲波切割刀是超聲波食品切割機中至關(guān)重要的構(gòu)件，其材料的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了食品切割的效果。智能超聲波切割刀的結(jié)構(gòu)見圖3，整體采用鈦合金材料以及獨特的加工工藝制成。刀體上橫向設(shè)有臺階而縱向開有4個刀具槽，且刀具槽垂直于刀具臺階方向。刀體及刀具槽的尺寸與位置均通過詳盡的力學(xué)分析以及大量仿真與試驗工作來確定。由此設(shè)計的切割刀振幅均勻、內(nèi)部應(yīng)力小，切割效果良好，切面平整光滑，與超聲波切割機其他部件配合良好，不易破損、斷裂，有較長的使用壽命［8］。

圖3 智能超聲波切割刀Figure 3 Intelligent ultrasonic cutting knife

1.2 食品工作臺旋轉(zhuǎn)裝置

食品工作臺旋轉(zhuǎn)裝置由工作臺8、旋轉(zhuǎn)軸11、電機9及錐齒輪10等四部分組成，可帶動承載食品的工作臺任意角度轉(zhuǎn)動，進而配合切割刀切割出不同樣式以滿足食品的各種外觀要求。旋轉(zhuǎn)裝置的工作原理是，旋轉(zhuǎn)軸11上端固定在工作臺8下，下端連接旋轉(zhuǎn)齒輪10，旋轉(zhuǎn)電機9通過旋轉(zhuǎn)齒輪12帶動旋轉(zhuǎn)齒輪10旋轉(zhuǎn)，從而帶動工作臺8旋轉(zhuǎn)。最終實現(xiàn)工作臺上食品在360°范圍之內(nèi)的任意角度擺放。其旋轉(zhuǎn)角度通過PLC程序進行控制，定位快速且準確可靠，極大提高了切割效率。

1.3 工作臺水平運動裝置

待切割食品通過矩形食品托盤置于工作臺承重臺板上，承重臺板通過螺栓固定于工作臺上，如圖4所示，其邊緣處固定有多個PU柱，并圍成一個矩形，食品可以通過食品托盤放入這個矩形中。

圖4 承重臺板Figure 4 Loading bedplate

為達到對整盤食品的切割與控制，特設(shè)計工作臺水平運動裝置，通過帶傳動帶動工作臺及其上面的承重臺板沿水平方向往復(fù)運動以達到對整盤食品的切割。其工作原理：工作臺8兩底面連接有同步帶13，同步帶13通過齒輪14與同步電機17相連。同步電機17工作時帶動同步帶13從而帶動工作臺8沿水平導(dǎo)軌15作水平直線運動。

1.4 控制面板

超聲波食品切割機通過PLC程序設(shè)置具體切割參數(shù)，其觸摸屏控制面板見圖5。用戶可以根據(jù)待切割食品形狀進行選擇，以矩形切割為例，其操作界面見圖6，輸入相應(yīng)的參數(shù)值后，程序會自動進行運算，并根據(jù)計算結(jié)果對食品進行切割。常見切割效果見圖7。

圖5 形狀選擇界面Figure 5 Interface for shape selection

圖6 切割參數(shù)選擇界面Figure 6 Interface for cutting parameters selection

圖7 常見形狀切割效果圖Figure 7 Cutting effect for common shape

2 工作流程

超聲波食品切割機的工作流程：將待切割食品托盤放置于工作臺8承重臺板上，接通氣管、電源。電源通過控制箱16調(diào)整參數(shù)，并打開開關(guān)按扭，使超聲波發(fā)生器7開始工作，此動作在電源接通時一直持續(xù)。同步電機17及旋轉(zhuǎn)電機9開始工作，使工作臺8鎖死在設(shè)定的水平位置及角度處并停止工作，保證工作臺在切割過程中不發(fā)生位置的變化。當工作臺鎖死后，智能超聲波切割刀4開始向下切割食品，完成后升降氣缸5向上升至最高位置并停止工作。此時，同步電機17再次啟動，將工作臺移動至第2個設(shè)定位置后停止工作，升降氣缸5繼續(xù)開始工作，帶動智能超聲波切割刀4再次切割食品，如此往復(fù)到水平設(shè)定參數(shù)完成，接著旋轉(zhuǎn)電機9帶動工作臺旋轉(zhuǎn)到下一設(shè)定角度后再次完成水平方向的切割，如此往復(fù)，直到旋轉(zhuǎn)設(shè)定參數(shù)與水平設(shè)計參數(shù)均完成，此時整盤食品切割完畢。升降氣缸5和旋轉(zhuǎn)電機9回歸原位并停止工作。然后，同步電機17帶動工作臺8至8"的位置且固定于此位置，待工作人員取出食品后，再帶動工作臺回到起始位置。

3 結(jié)論

本研究涉及的超聲波食品切割機可以把整盤的片狀產(chǎn)品切割成方形、三角形、菱形、平行四邊形等其它指定的多邊形，避免了手工切割的分塊不均勻現(xiàn)象，不會造成被切割食品的崩邊、破損，切割效果極佳。設(shè)計的觸摸屏操作系統(tǒng)，可儲存上百種切割方案，可根據(jù)用戶的需求變化自主選擇不同方案。超聲波食品切割機的切面干凈、整潔且美觀，食品分塊的大小和重量精確一致。目前，本超聲波食品切割機主要用于切割較柔軟的食品。當待切割食品的硬度超過花生、果仁、堅果殼時，刀具容易破損，從而影響整機切割效率。對此將需進一步研究與改進，擴大切割對象范圍，提高應(yīng)用價值。

1 戰(zhàn)曉林，陶學(xué)恒，李玉光.食品機械中自動切割裝置的研發(fā)［J］.包裝與食品機械，2011（2）：47～78.

2 石一兵.食品切割機設(shè)計［J］.包裝與食品機械，1992（1）：1～2.

3 白曉麗，伍毅.面向制造和裝配的食品機械設(shè)計［J］.食品與機械，2012，28（1）：146～147.

4 辛雅寧.一種新型超聲電源換能系統(tǒng)的研究設(shè)計［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

5 段忠福.超聲波振動輔助車削加工機理分析［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

6 謝欣平.超聲變幅桿的瞬態(tài)動力學(xué)研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2011.

7 侯長安.超聲波蛋糕切割機：中國，203156811［P］.2013— 08—28.

8 周勝利，姚志遠，沙金.超聲切割刀動力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.中國機械工程，2013（2）：1 631～1 632.