智能化涼粉加工一體機(jī)的研制

林子阮，張洪軍，2，宋金秋，王 磊，阮 藝

（1.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 湛江 524048；2.粵西機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524048）

涼粉是中國(guó)特色小吃，主要原材料是涼粉草、大米、紅薯和豌豆，尤以四川涼粉搭配醬油、醋、辣椒油而食，清涼爽滑，為夏季風(fēng)味食品，在各類特色小吃中首屈一指[1]。要讓涼粉走向全國(guó)、走向世界，實(shí)現(xiàn)制作工藝標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化是關(guān)鍵，智能化的生產(chǎn)設(shè)備是基礎(chǔ)[2]。

圖1 四川涼粉

四川涼粉傳統(tǒng)手工制作工藝是選用豌豆（紅薯）淀粉，豌豆粉放入6倍的水中攪拌均勻，中火煮至冒泡再小火繼續(xù)加熱至大量冒泡，關(guān)火，倒入盆中放涼；搭配調(diào)料拌好，即可食用[3]。針對(duì)此工藝，目前市場(chǎng)上應(yīng)用的涼粉機(jī)有涼粉蒸煮鍋、蒸汽涼粉機(jī)和電加熱涼粉機(jī)等，在攪拌熬制過程中，實(shí)現(xiàn)了攪拌速度、溫度調(diào)節(jié)的自動(dòng)化，在混料階段還是采用人工配比或者其他獨(dú)立設(shè)備完成，熬制完成后，傾倒到其他容器，最終定型定量還由人工完成[4]。

隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式發(fā)生了改變，人口紅利漸失，勞動(dòng)力與生產(chǎn)率產(chǎn)生的產(chǎn)品成本占主導(dǎo)地位，食品加工企業(yè)對(duì)食品機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)線需求增加減少勞動(dòng)力和加大生產(chǎn)效率的主要方法就是采用機(jī)電一體化的設(shè)備[5]。因此，為了提高涼粉加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，智能化、自動(dòng)化的食品機(jī)械將是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，也是餐飲行業(yè)進(jìn)行技術(shù)改革的終極目標(biāo)[6]。

綜上所述，針對(duì)以上問題，本設(shè)計(jì)開發(fā)一款符合四川涼粉制作工藝，從原料定量混合、攪拌混合、成型分裝實(shí)現(xiàn)一體化的智能涼粉加工設(shè)備，具有勞動(dòng)力成本低，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)前景。對(duì)于提高四川涼粉企業(yè)的的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)讓更多消費(fèi)者品嘗到四川名小吃，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

智能涼粉加工機(jī)主要包括入料機(jī)構(gòu)、混合攪拌機(jī)構(gòu)、加熱擠出機(jī)構(gòu)、冷卻成型機(jī)構(gòu)、切斷出料機(jī)構(gòu)、殼體以及智能控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成?？刂破鞑倏厝肓蠙C(jī)構(gòu)、混合攪拌機(jī)構(gòu)、煮水機(jī)構(gòu)、攪拌加熱機(jī)構(gòu)、冷卻成型機(jī)構(gòu)、切斷出料機(jī)構(gòu)的電機(jī)。入料機(jī)構(gòu)分別連通混合攪拌機(jī)構(gòu)和煮水機(jī)構(gòu)，混合攪拌機(jī)構(gòu)、煮水機(jī)構(gòu)并列設(shè)置，且兩者出口端匯合并連通至攪拌加熱機(jī)構(gòu)，攪拌加熱機(jī)構(gòu)、冷卻成型機(jī)構(gòu)、切斷出料機(jī)構(gòu)依次連通。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 涼粉加工機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，對(duì)四川涼粉原料配比、加熱溫度、攪拌時(shí)間、冷卻溫度及時(shí)間等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體操作流程是通過入水管將清水注入煮水鍋，煮水電熱管開始工作加熱煮水鍋內(nèi)清水，清水將在一段時(shí)間后沸騰，同時(shí)通過入料斗向混合鍋加入淀粉，壓力傳感器通過測(cè)算到的淀粉重量變化，再從入水管按照比例向混合鍋加入清水，攪拌系統(tǒng)的電機(jī)將帶動(dòng)攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)，將水與淀粉充分?jǐn)嚢杌旌?，在混合鍋?nèi)形成水與淀粉混合物，水與淀粉的混合物與煮水鍋提供的開水按照比例匯合接觸后進(jìn)入加熱倉管，擠出機(jī)構(gòu)的電機(jī)帶動(dòng)螺旋攪拌棒旋轉(zhuǎn)，同時(shí)倉管電熱管工作，使混合物形成稠狀物，稠狀物以沸騰狀態(tài)到達(dá)加熱倉管末端并進(jìn)入活塞管，成型機(jī)構(gòu)電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，通過曲柄滑塊組件進(jìn)而帶動(dòng)活塞做直線往返運(yùn)動(dòng)，稠狀物被壓縮，同時(shí)通過導(dǎo)管并進(jìn)入成型模具，在散熱架、外部分布的熱管、散熱器的配合工作下，稠狀物將在成型模具流動(dòng)過程中逐漸冷卻并成型，最終成型的涼粉進(jìn)入上導(dǎo)槽，切斷電機(jī)帶動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，等距切割途徑的成型涼粉，被切斷后的涼粉進(jìn)入下導(dǎo)槽完成加工。

2 主要結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)

2.1 攪拌、加熱機(jī)構(gòu)

攪拌加熱機(jī)構(gòu)可使淀粉與水的混合液體變成涼粉稠狀物，攪拌加熱機(jī)構(gòu)包括攪拌電機(jī)、加熱倉管、螺旋攪拌棒和倉管電熱管。加熱倉管入口端連接混合攪拌機(jī)構(gòu)和煮水機(jī)構(gòu)的出口，加熱倉管傾斜設(shè)置，傾斜角度為5°，且其出口端接通冷卻成型機(jī)構(gòu)，加熱倉管下部出口端設(shè)有單向閥，單向閥連接至活塞管邊側(cè)，螺旋攪拌棒設(shè)于加熱倉管內(nèi)部，攪拌電機(jī)設(shè)置于加熱倉管外側(cè)，聯(lián)動(dòng)螺旋攪拌棒，倉管電熱管纏繞于加熱倉管外壁。工作時(shí)，倉管電熱管開始加熱，同時(shí)攪拌電機(jī)帶動(dòng)螺旋攪拌棒旋轉(zhuǎn)，攪拌加熱倉管內(nèi)混合物，讓淀粉與水的混合物充分混合均勻，并且防止混合物在加熱時(shí)發(fā)生焦糊，同時(shí)降低其朝向加熱倉管末端的流速，直到混合物流動(dòng)到加熱倉管接近末端，混合物將沸騰，變成涼粉稠狀物。

2.2 冷卻成型機(jī)構(gòu)

冷卻成型機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)涼粉稠狀物加工為成型涼粉，它包括擠壓裝置和冷卻裝置。擠壓裝置包括成型電機(jī)、曲柄滑塊組件、活塞和活塞管，活塞和活塞管置于水平放置，活塞一端通過曲柄滑塊組件、聯(lián)軸器連接至電機(jī)，活塞管一端連通導(dǎo)管，活塞管處還設(shè)有單向閥，防止材料回流。

圖3 擠壓裝置

冷卻裝置包括散熱架和成型模具，成型模具內(nèi)孔截面由圓形漸變成所需涼粉產(chǎn)品形狀的截面，成型模具連接于導(dǎo)管末端，散熱架套設(shè)于導(dǎo)管及成型模具的外部，用于散熱冷卻。此外，散熱架首尾兩端設(shè)有熱管，散熱架外圍還設(shè)置有散熱器，既能保證能夠完成高效的冷卻功能，還能保證后續(xù)啟動(dòng)機(jī)器時(shí)的預(yù)熱功能，如圖4所示。工作時(shí)，稠狀物進(jìn)入成型模具時(shí)，在散熱架、外部分布的熱管、散熱器的配合下，混合物將在成型模具中逐漸冷卻并成型。

2.3 切斷、出料機(jī)構(gòu)

切斷出料機(jī)構(gòu)可等距切割成型涼粉，便于后續(xù)分裝。成型模具出口連接出料導(dǎo)槽，出料導(dǎo)槽包括上導(dǎo)槽和下導(dǎo)槽，上導(dǎo)槽設(shè)計(jì)為直通式導(dǎo)板，可引導(dǎo)成型涼粉準(zhǔn)確下滑，下導(dǎo)槽設(shè)計(jì)為梯形式導(dǎo)板，可使已切割好的涼粉順利下滑，防止在導(dǎo)槽下方出現(xiàn)堵塞，上導(dǎo)槽、下導(dǎo)槽之間留出用于刀片切割的間隙，刀片位于上導(dǎo)槽、下導(dǎo)槽之間，刀片設(shè)計(jì)為圓盤上附加刀刃，每轉(zhuǎn)一周可切一次涼粉，實(shí)現(xiàn)等距切割涼粉，刀片通過聯(lián)軸器連接切割電機(jī)。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行等距旋轉(zhuǎn)切割成型涼粉，被切斷后的涼粉進(jìn)入下導(dǎo)槽完成加工。

圖6 切斷出料機(jī)構(gòu)

2.4 智能控制系統(tǒng)

涼粉加工一體機(jī)控制系統(tǒng)，選用西門子PLC300上位機(jī)與下位機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)解決精準(zhǔn)進(jìn)料控制、加熱過程的控制及成型機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制；預(yù)加熱控制實(shí)現(xiàn)恒溫控制；并采用WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。操作界面采用觸屏數(shù)顯模式。

3 虛擬樣機(jī)

根據(jù)成型工藝以及四川涼粉的食用特點(diǎn)確定進(jìn)料機(jī)構(gòu)、混合攪拌結(jié)構(gòu)、加熱擠出機(jī)構(gòu)和冷卻成型機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成，采用三維建模軟件對(duì)各部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，再進(jìn)行虛擬裝配，仿真分析，對(duì)各部分結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能測(cè)試，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。裝配結(jié)果顯示，各部分結(jié)構(gòu)裝配無干涉，運(yùn)動(dòng)仿真軌跡符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 智能涼粉加工機(jī)產(chǎn)品渲染圖

4 結(jié)語

（1）針對(duì)目前市場(chǎng)上應(yīng)用的涼粉機(jī)在定型定量由人工完成的問題，一體化涼粉加工機(jī)增設(shè)了冷卻成型機(jī)構(gòu)和切斷成型機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了涼粉機(jī)自動(dòng)定型定量，使涼粉制備更加高效規(guī)范。

（2）一體化涼粉加工機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，通過操作面板將涼粉的原料配比、加熱溫度、攪拌時(shí)間、冷卻溫度及時(shí)間等數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)，使智能系統(tǒng)對(duì)原料配比、混合加熱、冷卻成型、切割等機(jī)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確操控，不僅使涼粉成型的質(zhì)量更接近于手工制作，而且使涼粉機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化加工，因此一體化涼粉加工機(jī)具有很高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。