雙彈簧回轉(zhuǎn)式椰肉椰殼分離機的設計及仿真分析

蔡寬麒 - 胡祝華 - 劉博藝 - 陳振斌 - 趙瑤池 -

(1. 海南大學機電工程學院，海南 海口 570228；2. 海南大學南海海洋資源利用國家重點實驗室，海南 ?？?570228；3. 海南大學信息科學技術學院，海南 ?？?570228)

雙彈簧回轉(zhuǎn)式椰肉椰殼分離機的設計及仿真分析

蔡寬麒1CAIKuan-qi1胡祝華2,3HUZhu-hua2,3劉博藝3LIUBo-yi3陳振斌1CHENZhen-bin1趙瑤池3ZHAOYao-chi3

(1. 海南大學機電工程學院，海南 海口 570228；2. 海南大學南海海洋資源利用國家重點實驗室，海南 ?？?570228；3. 海南大學信息科學技術學院，海南 ?？?570228)

依據(jù)椰肉與椰殼的厚度和韌性不同的特點，設計了基于單片機控制的新型雙彈簧回轉(zhuǎn)式椰肉椰殼分離機器。性能仿真結(jié)果表明，該機器工作時的有效面積比達到98.68%，平均每個椰子工作時的誤差面積不超過4%；每個椰子的平均處理用時約為12 s，每小時能夠處理椰子286個。

椰肉分離；雙彈簧回轉(zhuǎn)；刀具設計；主軸傳動裝置；云模型

椰子是一種典型的熱帶經(jīng)濟作物，擁有2 000多年的種植歷史[1]，其胚乳俗名椰肉，椰肉富含蛋白質(zhì)、碳水化合物，可制成椰干、椰蓉、椰奶粉、椰子汁、椰蛋白及無色椰子油等營養(yǎng)價值高的產(chǎn)品[2-4]，其椰殼可制成市場前景廣的椰雕或椰殼活性炭等[5-6]。椰肉和椰殼的分離目前仍處于人力或半自動化階段，椰肉的挖取工作主要依靠人工完成，無法做到一次性將椰肉自動取出，生產(chǎn)效率低、人工成本高，且易發(fā)生安全事故[7]。椰肉和椰殼的自動精準分離技術非常關鍵，目前已知的分離技術尚未達到精準自動分離的程度。目前市面上主流的電動式椰肉和椰殼分離機械是椰子刨絲機，其采用電機驅(qū)動刨絲刀旋轉(zhuǎn)對椰肉進行刮取，雖工作效率高，但由于機械工作時需要人員對椰子進行幫扶，并且刨絲刀轉(zhuǎn)速快，危險系數(shù)較高。

人工挖取椰肉大部分取決于刀片的設計[8]。例如張敏[9]發(fā)明的一種便攜式開椰殼刮椰肉刀，其本質(zhì)是通過刀具頭部的尖錐將椰子打碎，刀頭體上對稱的兩片傾斜的波浪形刀片通過刀頭體的擺動，使刀片在凹陷的弧形椰肉面上自由刨絲。此便攜式開椰殼刮椰肉刀可做到開殼挖肉一體化，但其存在椰殼完整性差、人力消耗大、效率低等問題。再如秦興春[10]發(fā)明的便攜式電動椰肉切削裝置，其工作原理將刀具插入椰肉根據(jù)需要用不同檔的電機，刀片旋轉(zhuǎn)，將椰肉逐塊割下，該機械小巧而且使用方便，但是該設備僅在一定程度上減少人力消耗，在刀具上加裝電動裝置會降低作業(yè)的安全系數(shù)，椰肉挖取的厚度依然需要人力控制，不適合高速、高效流水線式生產(chǎn)。因此，無法做到椰肉挖取的自動化和產(chǎn)業(yè)化，其中張敏[9]和秦興春[10]所設計的機器見圖1。

本研究基于胡克定律和單片機研究擬設計一種基于單片機控制的雙彈簧回轉(zhuǎn)式椰肉自動精準分離機器，并利用云模型進行仿真試驗，旨在增加椰肉分離的自動化、完整性和精準度，提高椰肉挖取的效率及安全性。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

雙彈簧回轉(zhuǎn)式椰肉椰殼分離機結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，包含下部夾緊座和上部工作刀具，上部工作刀具包括螺紋主軸裝置、刀片挖取裝置、單片機；下部夾緊座由彈簧組加緊裝置和承載裝置等部件組成。通過10個參數(shù)對整機進行設計，其中夾緊裝置外形尺寸的長、寬、高分別為800，800，1 000 mm；工作裝置外形尺寸的長、寬、高分別為500，300，600 mm；為了能使整機正常工作，輸入動力采用冗余設計：配套動力設計為3 kW，整機的重量為800 kg。該機械的進料方式為人工送料，并且利用夾緊裝置卡死，其椰肉取出率大于95%，椰殼完整率大于98%，并且每小時能處理約250個椰子。

1. 插頭 2. 電機 3. 固定板 4. 環(huán)套 5. 螺紋主軸 6. 刨絲錐頭 7. 彈簧組A 8. 刀片固定板 9. 旋轉(zhuǎn)軸 10. 彈簧組B 11. 鋼制小環(huán) 12. 圓珠 13. 固定環(huán)套 14. 椰肉擋刀 15. 弧形刀片 16. 連桿 17. 刀具承載臂 18. 錐頭溝紋 19. 平衡塊 20. 壓力傳感器 21. 單片機 22. 減速器 23. 斜齒輪A 24. 線盒 25. 電線 26. 步進電機 27. 皮帶 28. 固定圓柱 29. 傘齒輪 30. 伸縮桿 31. 對心斜齒輪 32. 夾緊底座 33. 彈簧組C 34. 夾緊塊 35. 聯(lián)軸器

圖2 機器結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 2 Structure diagram of machine

1.2 工作原理

將去汁開蓋等預處理后的椰子放入夾緊裝置中，螺紋主軸伸入椰殼中抵住底部椰肉。電機旋轉(zhuǎn)帶動螺紋主軸和刀片的旋轉(zhuǎn)，當紅外線傳感器檢測刀進入椰殼時，步進電機停轉(zhuǎn)，皮帶對圖2中所示的彈簧組A無拉力，刀具與椰殼貼合，由于椰肉和椰殼的硬度相差甚遠，因此鋼制小環(huán)之后的部分包含圓珠會刺穿椰肉，而不會刺穿椰殼，圓錐底部的小球?qū)鸵瑲みM行緊密接觸，工作時小球滾動，從而減少錐體與椰殼的阻力。在刀具承載臂進行旋轉(zhuǎn)時弧形刀片斜切入椰肉中，通過旋轉(zhuǎn)對椰殼內(nèi)的椰肉進行環(huán)形切割，椰肉順著弧形刀口進入，從弧形刀片上的孔洞刮出，當速度過快時，割出的椰條可能不沿孔洞滑出，此時刀具上的椰肉擋刀起引導作用，使椰條順著弧形刀片滑出。傘齒輪螺紋主軸的轉(zhuǎn)動帶動刨絲圓錐轉(zhuǎn)動可將底部椰肉成絲狀刨出。當?shù)毒叱休d臂向下運動接觸到刨絲錐頭時，壓力傳感器接收到傳來的壓力，并將信號傳遞給單片機由此來控制步進電機正轉(zhuǎn)，步進電機通過皮帶拉動固定圓柱，迫使彈簧組A壓縮，從而縮短刀具承載臂的半徑，使其半徑遠小于椰殼半徑，然后電機開始反轉(zhuǎn)，刀具離開椰子內(nèi)部方便下一個工作循環(huán)的入刀，自此一個工作循環(huán)完成。三維的工作流程見圖3。

圖3 機器的三維工作流程Figure 3 The three-dimensional workflow of the machine

2 關鍵部分設計和參數(shù)分析

2.1 主軸傳動裝置的設計

主軸傳動裝置由螺紋主軸、螺紋主軸頂部的斜齒輪和尾部的刨絲錐頭組成，見圖4。電機將轉(zhuǎn)速通過對心斜齒輪傳遞到螺紋主軸上時，轉(zhuǎn)速的方向與刀具的運動方向相反，環(huán)套內(nèi)的梯形螺紋與螺紋主軸的螺紋相嚙合，通過相對轉(zhuǎn)動達到刀具的上下運動,同時伴隨著旋轉(zhuǎn)運動。

為了能使刀具在工作時同時做到橫向旋轉(zhuǎn)、縱向位移，因此主軸螺紋的類型設計為梯形螺紋，可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和直線運動的互相轉(zhuǎn)換，并且做到既傳遞力又傳遞運動[11]，梯形螺紋的牙型分為基本牙型和設計牙型[12]。根據(jù)機械運動和減少的生產(chǎn)成本需求，考慮螺紋主軸損壞時易于替換，選用設計牙型，刀具的轉(zhuǎn)速上文已述為nd=2 r/s，為了滿足刀具按照螺紋下移到末端時時間不能太長，即螺距不能太寬，在設計時采用國家標準(GB/T 5796.1—2005)設計螺距為P=20 mm，并且滿足式(1)～(5)。

圖4 主軸傳動裝置分解圖Figure 4 Exploded view of spindle transmission

D1=d-p，

(1)

D4=d-2Ac，

(2)

d3=d-P-2Ac，

(3)

d2=D2=d-0.5P，

(4)

H4=0.5P+Ac，

(5)

式中：

D4——設計牙型上的內(nèi)螺紋基本大徑，mm；

D2——設計牙型上的內(nèi)螺紋基本中徑，mm；

D1——設計牙型上的內(nèi)螺紋基本小徑，mm；

d——設計牙型上的外螺紋基本大徑(公稱直徑)，mm；

d2——設計牙型上的外螺紋基本中徑，mm；

d3——設計牙型上的外螺紋基本小徑，mm；

P——螺距，mm。

其具體參數(shù)見表1。

表1 螺紋參數(shù)設計?Table 1 The design of thread parameter mm

? 在外螺紋大徑上采用0.4Ac的倒角。

2.2 刀具設計

由于椰子高度半徑不同，為了貼合椰子，在挖取椰肉時刀片的角度、力度和刀具承載臂的長度需要不斷改變，因此依據(jù)彈簧在外力的作用下設計雙彈簧式刀具，結(jié)構(gòu)見圖5，當椰子半徑小時，彈簧受力收縮，當椰子半徑大時則彈簧壓縮量小，并且彈簧在全過程都處于壓縮狀態(tài)，使得刀具承載臂1的長短可以根據(jù)椰子的半徑進行自動調(diào)整，利用兩個活動節(jié)(鋼制小環(huán)和螺栓)來增加刀片的轉(zhuǎn)動幅度，刀片口設計成弧形便于切入椰肉，并和椰內(nèi)殼相接觸，椰子在同一高度時其截面不一定為圓形，當椰子殼到螺紋曲軸的半徑改變時雙彈簧壓縮，刀片向著壓縮大的方向移動，刀口依然會緊貼椰殼，連桿起到固定刀片的作用，通過雙彈簧裝置和活動節(jié)實時調(diào)整刀的高低，以做到在全程工作中刀都能緊貼椰殼。在刀具承載臂的末端有圓珠裝置，在機器工作時鋼制小環(huán)以下的錐形部分將會刺穿椰肉止于椰殼，圓錐底部的小球?qū)鸵瑲みM行緊密接觸，工作時小球滾動，從而減少錐體與椰殼的阻力。

1. 刀具承載臂 2. 固定環(huán)套 3. 彈簧組A 4. 旋轉(zhuǎn)軸 5. 彈簧組B 6. 鋼制小環(huán) 7. 圓珠 8. 連桿 9. 弧形刀具 10. 椰肉擋刀 11. 皮帶

圖5 刀具三維圖

Figure 5 Three-dimensional map of tool

3 電控部分的設計

設計挖椰肉機器的機械器件中各部件的運動都是通過對步進電機的間接操作來實現(xiàn)的。其中，操作系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)是組成步進電機控制系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，操作系統(tǒng)把設定的動作轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給運動控制系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)控制機械裝置完成規(guī)定的動作。

3.1 控制和驅(qū)動模塊

椰肉分離機的機電控制部分采用的是處理器速度快，功耗小的C8051F系列單片機[13]，電機采用的是高精確度步進電機。整機的運動控制系統(tǒng)由控制部分、驅(qū)動部分、執(zhí)行部分組成，見圖6。驅(qū)動控制部分的組成見圖7，主要包括脈沖信號的產(chǎn)生、信號分配、功率放大、步進電機和負載。

3.2 執(zhí)行模塊的動作時序設計與實現(xiàn)

所設計的挖椰肉機器電控部分的時序邏輯見圖8。結(jié)合圖2進行執(zhí)行過程的闡述：啟動時，電機2正轉(zhuǎn)，收卷皮帶，從而拉動彈簧壓縮，使刀具組整體的長度減小，隨后電機1正轉(zhuǎn)，帶動刀具旋轉(zhuǎn)下降，同時當紅外傳感器檢測到刀具已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到椰子內(nèi)部時，電機2反轉(zhuǎn)使皮帶不再影響彈簧壓縮，彈簧壓縮量僅受椰殼半徑影響，刀具旋轉(zhuǎn)下降直至環(huán)套4與刨絲錐頭6上的壓力傳感器檢測的壓力值超過閾值時，電機2正轉(zhuǎn)，收卷皮帶帶動彈簧壓縮，使刀具組的長度減小，然后電機2開始反轉(zhuǎn)，刀具離開椰子內(nèi)部。

圖6 步進電機控制系統(tǒng)組成Figure 6 The components of the stepper motor control system

圖7 驅(qū)動控制系統(tǒng)組成方框圖Figure 7 The block diagram of driving control system

圖8 電機控制流程圖Figure 8 The flow chart of motor controlled

4 仿真試驗結(jié)果與分析

為了驗證和分析本設計挖椰肉機器的機械結(jié)構(gòu)和電控部分的合理性，進行了仿真試驗。其中包括刀具的椰肉挖取路徑的仿真和分析、所設計機械對單個椰子的挖椰肉參數(shù)測試、對單組不同半徑的椰子試驗、對多組不同半徑的椰子試驗和誤差綜合評價。所進行的仿真試驗在雙核i3處理器(2.5 GHz)下，windows 7操作系統(tǒng)的MATLAB 2010軟件中進行。

4.1 刀具的椰肉挖取路徑的仿真與分析

機械工作過程中，刀口的椰肉挖取路徑呈球面螺旋線狀。根據(jù)球面螺旋線在球坐標系下的表達式可推出其在笛卡爾坐標系中的表達式為：

(6)

式中：

r——螺旋線所處球體的半徑，mm；

theta——球坐標系中的天頂角，(°)；

phi——球坐標系中的方位角，(°)；

a——球體半徑，mm；

N——螺旋圈數(shù)。

則可推得：

l=2a/N，

(7)

(8)

(9)

式中：

l——螺距，mm；

φ——螺旋纏繞的角度，(°)；

θ——球坐標系中的天頂角，(°)；

S——螺旋線總長，mm。

根據(jù)推算得到的球體螺旋線的數(shù)學表達式和長度計算公式，對本設計挖椰肉機器的刀具的椰肉挖取過程進行了仿真與分析。

圖9為刀具挖椰肉路徑的三維仿真情況。圖形依次從上至下生成，線路生成方向為俯視順時針方向，包含了刀具行刀過程中的高度變化，由圖9可以看出，其高度是勻速周期性增加和減小的，和理論分析相符。圖10為刀具挖椰肉路徑的平面變化，由圖10可以看出，其路徑是半徑逐漸增加的圓形路線。

之后，對所設計的機械結(jié)構(gòu)在橫向、縱向位置變化的試驗結(jié)果進行了分析。圖11和圖12分別是刀具在橫向和縱向的位置變化情況，可知其運行軌跡是平穩(wěn)的，與理論分析相符。

4.2 單個椰子的挖椰肉參數(shù)的仿真測試

針對單個椰子的挖椰肉參數(shù)測試，首先設椰子的半徑為10 cm，根據(jù)上文對球形螺旋線的公式總結(jié)和分析，加入刀口寬度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的參數(shù)因素，得到的結(jié)果見圖13。

圖9 刀具的刀口椰肉挖取路徑仿真Figure 9 Coconut meat digging path simulation of tool

圖10 椰肉挖取平面路徑Figure 10 Flat path of coconut digging

圖11 刀具的橫向位置變化Figure 11 Transverse position change of the tool

圖12 刀具的縱向位置變化Figure 12 The longitudinal position change of the tool

圖14為刀口寬度分別為1，3，5，7，10 mm時刀具承載臂旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、誤差面積和刀口寬度之間的數(shù)據(jù)關系。由圖14可以看出，在刀口寬度保持不變的情況下，誤差面積隨著旋轉(zhuǎn)圈數(shù)增加呈現(xiàn)先減小后增大；在旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不變的情況下，當?shù)犊趯挾容^大時，誤差越大，反之誤差越小。由此可知，隨刀口寬度的減小和在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，誤差會呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

4.3 單組椰子的挖椰肉試驗

根據(jù)實際的機械生產(chǎn)標準和對準確率的要求，設定螺紋主軸的螺距為4 mm，刀具的刀口寬度為5 mm。按照此設計，進行了單組不同半徑的機械仿真試驗。根據(jù)調(diào)查，成熟青椰子的直徑主要在10 cm左右。因此，首先生成直徑期望為10 cm，呈正態(tài)分布的100個椰子直徑的數(shù)據(jù)，然后將其代入所設計的機械仿真試驗模型中進行試驗，輸出試驗誤差，最后將試驗結(jié)果可視化輸出，見圖15。由圖15可知，誤差面積隨椰子直徑的增加而增加，同時誤差面積主要保持在7 cm2之內(nèi)。隨后，對試驗結(jié)果中，機器誤差面積和相對應的數(shù)量分布情況進行了統(tǒng)計分析，分析結(jié)果表明，試驗結(jié)果的誤差分布呈正態(tài)分布，分布的期望是4 cm2，見圖16。

圖13 單個椰子的椰肉挖取試驗中椰肉挖取面積誤差、 刀口寬度和螺距關系圖

Figure 13 Coconut meat digging area error, blade width and pitch relationship in coconut digging experiment of single coconut

圖14 刀具承載臂旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、誤差面積和刀口寬度 之間的關系圖

Figure 14 The number revolutions of the tool carrier arm, the error area, and the width of the knife edge

其中已知條件是電動機的轉(zhuǎn)速為630 r/min，刀口長度為5 mm，螺距為4 mm。表2是機器誤差面積和相對應的數(shù)量分布的正態(tài)分布擬合結(jié)果。

采用5個指標對單組椰子進行挖取椰肉的仿真試驗，試驗結(jié)果表明：平均每個椰子的椰肉挖取用時為12.581 s，消耗能量約為0.119 W，其中每個椰子的椰肉挖取有效面積為309.85 cm2，所求出的有效面積比98.68%，并且該機械每小時可以處理椰子數(shù)量為286個。

由表2中的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在單組不同半徑的挖椰肉試驗中，挖椰肉機器工作時的有效面積比能夠達到98.68%以上(試驗中忽略了刨絲錐頭挖取的椰肉面積)，超過了95%的預定目標。

圖15 單組椰子的直徑與其對應誤差的試驗數(shù)據(jù)Figure 15 Experimental data of the diameter of single group of coconut and its corresponding error

圖16 單機器誤差的數(shù)量分布和正態(tài)分布擬合結(jié)果Figure 16 The number of single-machine error distribution and normal distribution表2 誤差面積和相對應的數(shù)量分布的正態(tài)分布擬合結(jié)果

Table 2 Error area and the corresponding distribution of the normal distribution of the number of fitting results

殘差平方和相關系數(shù)自由度調(diào)整的相關系數(shù)剩余標準差2814.60.9431450.988712.3859

4.4 多組椰子的挖椰肉試驗與誤差綜合評價

在實際工作過程中，不同地區(qū)的椰子生長和發(fā)育狀況可能不同，椰子半徑分布會有一些差異，為體現(xiàn)這一情況，使試驗與實際情況更加相符，進行了多組椰子的挖椰肉試驗并對結(jié)果進行了誤差綜合評價。試驗過程中，利用云模型發(fā)生器，以云模型所生成的“云滴”的橫坐標作為椰子的直徑，以“云滴”的縱坐標的整數(shù)倍作為該半徑下椰子的數(shù)量，每個“云滴”作為試驗中的一組椰子，其中，“云滴”的生成步驟為：

Step 1：生成正態(tài)隨機數(shù)xi(期望值為Ex，方差為En)；

Step 2：生成正態(tài)隨機數(shù)En′(期望值為En, 方差為He)；

Step4：令(xi,yi)為一個云滴；

Step5：重復Step1～Step4，直到產(chǎn)生足夠多的云滴數(shù)。

圖17為仿真試驗中通過云發(fā)生器產(chǎn)生的椰子的半徑及相對應的數(shù)量情況。圖18為多組椰子的挖椰肉試驗的誤差結(jié)果情況。

圖17 云發(fā)生器產(chǎn)生的椰子的半徑及相對應的數(shù)量

Figure17Theradiusofthecoconutproducedbythecloudgeneratorandthecorrespondingquantity

圖18 多組椰子挖椰肉試驗的誤差結(jié)果Figure 18 The results of multiple groups of coconut test error results

表3為多組椰子的挖椰肉試驗結(jié)果的具體數(shù)據(jù)，其中已知條件是電動機的轉(zhuǎn)速630 r/min，刀口長度5 mm，螺距4 mm。

由表3可知，在對300個椰子進行仿真試驗過程中，各個直徑及其相對應數(shù)量組別的試驗組總誤差不超過45 cm2。平均每只椰子的誤差不超過4.5 cm2，誤差面積不超過4%。多組椰子的仿真試驗結(jié)果證明，所設計的挖椰肉機器精確度較高，具有可行性和實用性。

5 結(jié)論

針對如今市場上自動化椰子取肉技術不完善，導致取肉過程中破損率高，椰殼無法進行后續(xù)加工等問題，創(chuàng)新性地設計了一款基于單片機控制雙彈簧回轉(zhuǎn)式椰肉椰殼分離機器。本試驗是基于機械設計方法并結(jié)合單片機精確控制來完成整機設計的，運動控制系統(tǒng)控制螺旋主軸上的刀具承載臂正反轉(zhuǎn)，從而帶動刀具沿著椰殼壁挖取椰肉。對300組椰子進行仿真試驗，試驗結(jié)果表明：設計的挖椰肉機器精確度較高，可行性和實用價值理想。該機械增加了挖椰肉的自動化程度，在解決人力消耗大，事故風險大等問題的同時，還能高效率地進行椰肉椰殼的精準分離，保證了椰殼的完整性，使得椰子利用率大幅度提高。

表3 多組椰子的挖椰肉試驗結(jié)果Table 3 Experimental results of coconut dredging in groups of coconuts

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Design and simulation analysis of coconut and coconut shell separator based on double spring rotary

(1.MechanicalandElectricalEngineeringCollege,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China; 2.StateKeyLaboratoryofMarineResourceUtilizationinSouthChinaSea,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China;3.CollegeofInformationScience&Technology,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China)

According to the different characteristics of the thickness and toughness between the coconut and coconut shell, a new double spring rotary separation machine for the coconut and coconut shell was designed based on single chip microcomputer. The simulation results showed that the machine worked at an effective area ratio of 98.68%, the average error area of each coconut was not more than 4%. In addition, the average processing time for each coconut was 12 seconds, and 286 coconuts could be processed per hour.

coconut separation; single chip microcomputer control; double spring rotation; tooling layout; main shaft driving apparatus

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.04.019