仿人工蛋餅加工機(jī)的設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

張宏 成向鵬 胡慶松 陳雷雷 李俊

【摘 要】由于目前市場(chǎng)仍大范圍采用人工制餅，并且治餅效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及市場(chǎng)供不應(yīng)求，設(shè)計(jì)了一種仿人工蛋餅加工機(jī)，能夠節(jié)省大量勞動(dòng)力，有效的提高出餅效率并且保證蛋餅的口味和安全性。通過(guò)確定裝置的蛋餅加工流程工藝及工作原理，利用Solidworks三維軟件進(jìn)行詳細(xì)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)動(dòng)力組成、傳動(dòng)裝置的的元件選型及整體裝置的匹配性設(shè)計(jì)，最終開(kāi)發(fā)出了能實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)制餅的仿人工蛋餅加工機(jī)。經(jīng)過(guò)上海市奉賢區(qū)友朋食品機(jī)械廠的實(shí)際應(yīng)用，所設(shè)計(jì)的仿人工蛋餅機(jī)工作穩(wěn)定、出餅效率高，蛋餅口味正宗，大大降低了人民的勞動(dòng)強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】三維建模;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);齒輪機(jī)構(gòu);SolidWorks;氣壓缸

中圖分類號(hào)： TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）04-0011-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.005

Design and parameter analysis of artificial cake processing machine

ZHANG Hong-cheng XIANG Peng HU Qing-song CHEN Lei-lei LI Jun

（Shanghai Ocean University，Shanghai Pudong 200120，China）

【Abstract】As the market is still widely used to make cakes by hands， and the cake efficiency is low， labor intensity is high and the market is in short supply.Designing an imitation artificial cake processing machine is urgent， which can saves a lot of labor， effectively improving the cake efficiency and guaranteeing the cake taste and safety. Through determining the processing process and working principle of the device， using Solidworks three-dimensional software to carry out detailed design of the mechanism， the power composition， the component selection of the transmission device and the matching design of the overall device， In the end， an artificial cake processing machine was developed that can realize machine automatic cake making. After the practical application of the Youpeng Food Machinery Factory in Fengxian District of Shanghai， the imitation artificial cake machine designed by the company has stable work， high cake efficiency， and authentic egg cake taste， which has greatly reduced the labor intensity of the people.

【Key words】Three dimensional model; Mechanism design; Gear mechanism; SolidWorks; Pneumatic cylinder

隨著生活節(jié)奏的加快以及人們對(duì)快餐食物的需求量的增加，傳統(tǒng)的手工制餅速度慢，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)法為消費(fèi)者提供足夠的食物量[1]。蛋餅作為大眾喜愛(ài)的快餐之一，在各個(gè)地區(qū)的銷量都很大[2]，但蛋餅的制作基本上靠人工制作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且出餅效率低，不能滿足人們的快節(jié)奏需求。結(jié)合這一實(shí)際市場(chǎng)需求情況，本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款仿人工蛋餅加工機(jī)，該款裝備能夠解放勞動(dòng)力，提高蛋餅的出餅效率，同時(shí)制作的蛋餅安全、衛(wèi)生、不影響蛋餅的口感。

目前，很多食品加工廠需要相關(guān)的自動(dòng)制餅裝置來(lái)提高食物的制作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，但由于類似相關(guān)食品自動(dòng)化加工裝備尚未成熟[3]。因此，多數(shù)食品加工公司在自行設(shè)計(jì)制作自動(dòng)化食品加工設(shè)備，如上海市奉賢區(qū)友朋食品有限公司，該公司以先進(jìn)的科技技術(shù)、精湛的加工工藝為基礎(chǔ)，專業(yè)設(shè)計(jì)制造各種食品機(jī)械設(shè)備。同時(shí)市面上也有一些不錯(cuò)的研究成果，如尹相善發(fā)明的全自動(dòng)仿手工煎餅機(jī)，這一款機(jī)器克服了傳統(tǒng)工具的局限，通過(guò)機(jī)器代替人工制作煎餅，不但出餅效率更高，一臺(tái)自動(dòng)煎餅機(jī)相當(dāng)于約20個(gè)人工，而且機(jī)器煎餅口感也更加美味，深受大眾喜歡。這一款機(jī)器已經(jīng)比較成熟，煎餅機(jī)內(nèi)部主要通過(guò)電子、液壓與氣動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)和抓片運(yùn)動(dòng)，由于機(jī)器制餅的環(huán)境相對(duì)潮濕，對(duì)電子元器件的穩(wěn)定性要求較高。所以，這款全自動(dòng)仿手工煎餅機(jī)設(shè)備造價(jià)高，不易推廣。通過(guò)走訪和調(diào)查了相關(guān)食品加工廠，本論文從設(shè)備制造成本低，制餅方式，出餅效率和安全可靠性出發(fā)提出了一種新的仿人工蛋餅加工方案。

1 功能模塊設(shè)計(jì)與原理

仿人工蛋餅加工機(jī)利用氣缸以及齒輪與齒條配合的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)四塊加工翻板的180度翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一塊蛋餅的仿人工加工。本裝備包括機(jī)架、折邊機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)和壓平輸送機(jī)構(gòu)，壓平輸送機(jī)構(gòu)側(cè)板、上輸送帶和下輸送帶，下輸送帶的前端伸出上輸送帶形成落料區(qū);折邊機(jī)構(gòu)設(shè)于壓平輸送機(jī)構(gòu)的前端，包括帶矩形框槽的折邊底座以及左長(zhǎng)翻板、右長(zhǎng)翻板、前短翻板和后短翻板，左長(zhǎng)翻板、前短翻板、右長(zhǎng)翻板和后短翻板可分別繞各自的內(nèi)側(cè)邊向矩形框槽的中心翻轉(zhuǎn);卸料機(jī)構(gòu)包括底板和卸料滑槽，卸料滑槽設(shè)于底板上且位于矩形框槽的下方，底板上開(kāi)設(shè)有卸料孔槽，卸料孔槽設(shè)于落料區(qū)的上方且與卸料滑槽的滑出端相連通。

1.1 折邊機(jī)構(gòu)

折邊機(jī)構(gòu)是完成蛋餅仿人工制作的核心部分，如圖1，該機(jī)構(gòu)由氣缸，齒輪，齒條以及兩對(duì)長(zhǎng)、短翻板組成。四個(gè)氣缸分別固定在底座上的氣缸墊座上，齒條固定在法蘭型滾珠滑塊上，法蘭型滾珠滑塊導(dǎo)軌固定在底座的導(dǎo)軌墊座上，齒條一端焊接一個(gè)螺絲，氣缸的伸縮桿一端與該螺絲連接，兩個(gè)齒輪分別與兩塊長(zhǎng)側(cè)板固定，并且保證齒輪與齒條咧合，長(zhǎng)翻板軸端固定一個(gè)齒輪，另一長(zhǎng)翻板軸端通過(guò)固定同步帶輪實(shí)現(xiàn)該對(duì)長(zhǎng)翻板同時(shí)翻轉(zhuǎn)，一對(duì)短翻板則分別由氣缸、齒輪齒條嚙合獨(dú)立分步控制完成蛋餅的仿人工制作。

1.2 卸料機(jī)構(gòu)

卸料機(jī)構(gòu)通過(guò)氣缸推動(dòng)推板，推板將加工好的蛋餅推入壓平輸送機(jī)構(gòu)，完成蛋餅的加工制作。卸料機(jī)構(gòu)推板與推桿焊接固定，推桿另一端與氣缸伸縮桿固定，氣缸與各個(gè)導(dǎo)軌零部件均固定在底座上，整個(gè)底座固定在支架上。卸料機(jī)構(gòu)工作流程圖如圖2。

1.3 壓平輸送機(jī)構(gòu)

壓平輸送機(jī)構(gòu)的工作由2個(gè)3KW三相異步電機(jī)提供動(dòng)力源，分別帶動(dòng)上下滾筒，滾筒帶動(dòng)上下傳送帶，實(shí)現(xiàn)蛋餅的壓平輸送。電機(jī)固定在U型板上，U型板固定在支架上，支架通過(guò)支架墊板零件固定在底座組成的底架上。該壓平輸送加工裝置能夠?qū)崿F(xiàn)“方形”蛋餅的壓實(shí)和傳送，其裝置主要包括上下滾筒，傳送帶，輸送墊板，球頭柄軸承，鏈輪，鏈條，軸承蓋。滾筒均通過(guò)F204軸承蓋與支架連接，傳送帶與滾筒配合安裝，輸送墊板與支架相互固定。壓平輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

2 裝置計(jì)算分析與測(cè)試

2.1 仿人工蛋餅加工機(jī)出餅效率分析

仿人工蛋餅加工機(jī)的出餅效率主要受折邊機(jī)構(gòu)長(zhǎng)、短翻板翻轉(zhuǎn)角速度與壓平輸送機(jī)構(gòu)上、下滾筒的線速度影響，且成正比關(guān)系。

仿人工的工藝主要是通過(guò)折邊機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)、短翻板翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，該折邊機(jī)構(gòu)的主要核心原理即齒輪齒條傳動(dòng)，齒條通過(guò)氣缸做直線運(yùn)動(dòng)，嚙合的齒輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒條可以看做是一個(gè)齒數(shù)無(wú)窮多的齒輪的一部分，此時(shí)，齒輪的各圓均變成直線。齒條直線線速度V與齒輪分度圓直徑d、轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：

折邊齒輪的分度圓直徑d與其模數(shù)m和齒數(shù)Z的關(guān)系為：

折邊機(jī)構(gòu)所搭配的氣缸為SDAJ超薄氣缸（雙軸復(fù)動(dòng)行程可調(diào)型），可調(diào)節(jié)行程最大為50mm，小于折邊翻板翻轉(zhuǎn)弧長(zhǎng)，滿足使用要求。通過(guò)配合內(nèi)轉(zhuǎn)外接頭與齒條緊配合，帶動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)。氣缸活塞在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程速度與氣壓、缸徑、摩擦、外部阻力都有關(guān)系，所以速度是變化的。氣缸在空載的時(shí)候假定排氣側(cè)以聲速排氣，氣缸的理論基準(zhǔn)速度，根據(jù)下式：

其中：S為排氣回路的合成有效截面積，A為排氣側(cè)活塞的有效面積，V0為氣缸的最大速度。

通過(guò)多次理論計(jì)算與試驗(yàn)，氣缸實(shí)際伸縮平均速度值為48mm/s，與理論氣缸速度值V0差值為5mm/s。依據(jù)氣缸實(shí)際伸縮速度值計(jì)算折邊機(jī)構(gòu)長(zhǎng)、短翻板翻轉(zhuǎn)角速度，由于氣缸伸縮桿與齒條為內(nèi)外螺紋孔緊配合，故氣缸伸縮速度與齒條線速度相等，為48mm/s，根據(jù)式（1）齒條直線線速度V與齒輪分度圓直徑d、轉(zhuǎn)速n的關(guān)系與式（2）齒輪各參數(shù)關(guān)系，可以計(jì)算出折邊機(jī)構(gòu)長(zhǎng)、短翻板的翻轉(zhuǎn)速度n為0.48r/s，翻轉(zhuǎn)角速度為W：

壓平輸送機(jī)構(gòu)上、下滾筒的線速度直接影響到帶傳送的速率，而滾筒的轉(zhuǎn)速與減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速及鏈傳動(dòng)效率相關(guān)。壓平輸送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置為220V臥式齒輪減速電機(jī)，電機(jī)和減速箱外殼采用高強(qiáng)度合金壓鑄成型，減速箱外殼與軸承室壓鑄成一體式，能適應(yīng)承受大力矩和沖擊負(fù)載。

現(xiàn)對(duì)仿人工蛋餅加工機(jī)的最大出餅效率進(jìn)行計(jì)算，故取臥式齒輪減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速104r/min，鏈傳動(dòng)比I1為1，根據(jù)主鏈輪轉(zhuǎn)速與電機(jī)減速箱傳動(dòng)比關(guān)系：

其中，n0減速電機(jī)轉(zhuǎn)速2600r/min;i為減速電箱傳動(dòng)比，為25;nz為主鏈輪平均轉(zhuǎn)速。

計(jì)算可得，且由于鏈輪傳動(dòng)比為1，故主、從鏈輪平均轉(zhuǎn)速均為104r/min，由于滾筒與從動(dòng)鏈輪為緊配合，保持同步運(yùn)動(dòng)，故滾筒轉(zhuǎn)速ng為104r/min。根據(jù)滾筒轉(zhuǎn)速ng與輸送帶線速度Vs關(guān)系：

計(jì)算可知，壓平輸送機(jī)構(gòu)輸送速度Vs為326.56mm/s。而一塊蛋餅經(jīng)過(guò)裝備仿人工加工需要以下工序，長(zhǎng)翻板同時(shí)翻轉(zhuǎn)1次，短翻板先后翻轉(zhuǎn)2次，再經(jīng)氣缸推板推至壓平輸送機(jī)構(gòu)，進(jìn)行最后的蛋餅壓實(shí)工藝，至此完成蛋餅加工完成，總時(shí)間為T(mén)。

其中，θ為折邊機(jī)構(gòu)長(zhǎng)、短翻轉(zhuǎn)板翻轉(zhuǎn)角度，為πrad;ld為推桿行程，為72mm;Vq為氣缸伸縮速度，48mm/s;t1為蛋餅滑落到壓平輸送帶上的時(shí)間，為1s;ls為壓平輸送帶的有效行程，為722mm。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，可知一塊蛋餅經(jīng)過(guò)本裝備加工至完成所需時(shí)間T為7.84s，即一分鐘最快可制作約7塊蛋餅。

2.2 裝置測(cè)試

仿人工蛋餅加工機(jī)通過(guò)理論的計(jì)算與設(shè)計(jì)的完善，最終在上海友朋食品機(jī)械廠進(jìn)行加工、制作并測(cè)試裝備運(yùn)行的可靠性。

2017年7月，裝備制作完成，接入220V市電，先開(kāi)啟壓平輸送裝置，運(yùn)行正常，輸送帶能夠平穩(wěn)運(yùn)行，接著開(kāi)啟折邊裝置（包含推桿推送），氣缸及翻板翻轉(zhuǎn)也均能正常運(yùn)行?？者\(yùn)行無(wú)誤后，進(jìn)入正式蛋餅制作測(cè)試。

將直徑約20cm的蛋餅放置四塊翻板的加工區(qū)域，長(zhǎng)邊翻板同時(shí)在氣缸，同步帶輪以及齒輪齒條咧合的作用下，完成180度翻轉(zhuǎn)，完成蛋餅的初步加工，之后，短邊翻板同樣在齒輪齒條咧合的作用下，完成180度依次翻轉(zhuǎn)，完成蛋餅的制作并掉落至待輸送平臺(tái)，準(zhǔn)備推動(dòng)至壓平輸送加工裝置。（考慮翻板這樣的翻轉(zhuǎn)順序是因?yàn)榭梢苑乐埂胺叫巍钡帮炘谶M(jìn)入輸送加工裝置后，外型損毀造成加工失?。?，然后氣缸推動(dòng)推板，使加工完成并下沉到底座上的蛋餅被推送滑到輸送加工裝置的傳送帶上，傳送帶完成傳送，以及將疏松的“方形”蛋餅壓實(shí)至完成整個(gè)加工工藝。

3 裝備三維建模設(shè)計(jì)

仿人工蛋餅加工機(jī)的主要設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)Solidworks計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)，主要包括草圖的繪制，零件的三維建模以及最終的設(shè)備裝配與分析、完善，最后利用Solidworks工程圖模塊進(jìn)行尺寸的標(biāo)注，出全部的二維工程圖送至食品加工廠進(jìn)行食物加工。

大部分Solidworks的特征都是由二維草圖開(kāi)始的，繪制草圖主要包括利用草圖繪制實(shí)體工具與編輯工具及幾何關(guān)系與尺寸的標(biāo)注4大塊。如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，市面上尚未有成熟的用于制作方形蛋餅的自動(dòng)化加工機(jī)器，本裝備能夠?qū)⒌帮炛谱鞒娠灎罱Y(jié)構(gòu)，安全、高效、衛(wèi)生，并且能能夠制作的仿人工蛋餅?zāi)苡项櫩拖埠?。傳統(tǒng)的加工方式是靠手工對(duì)蛋餅進(jìn)行堆疊，需要將蛋餅沿著四個(gè)方向分別向中心折疊，因此，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人工成本高，并且最終蛋餅成形一致性差，不僅會(huì)造成蛋餅口感不穩(wěn)定，而且會(huì)影響蛋餅的美觀性和銷量。

本裝備克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，借助計(jì)算機(jī)輔助軟件設(shè)計(jì)，提供了一種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的仿人工蛋餅加工機(jī)，可以高效，高自動(dòng)化將蛋皮加工成方形蛋餅，省時(shí)省力，安全衛(wèi)生。本仿人工蛋餅加工機(jī)取代了傳統(tǒng)手工加工蛋餅的方式，解決了過(guò)去加工蛋餅的方式的弊端，值得推廣。

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