基于PLC的小青柑自動(dòng)掏肉機(jī)設(shè)計(jì)

陳邦印， 王建生， 李慈心， 江少航

（五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門529020）

0 引言

近年來，隨著廣東江門新會(huì)柑產(chǎn)業(yè)與品牌的打造升級(jí)，除了帶火新會(huì)陳皮，還有新會(huì)柑普茶、陳皮果酒等[1-3]。尤其是新會(huì)柑普茶成為近兩年茶行業(yè)的新寵，其原材料主要是新會(huì)小青柑?，F(xiàn)在小青柑的剝皮取肉大多為人為手工剝皮取肉[4]，還有一些小型的機(jī)器只是能解決單一工藝流程或者還未完善的小型機(jī)器設(shè)備[5-6]。隨著新會(huì)大面積種植小青柑，柑普茶將會(huì)崛起，然而如今工人勞動(dòng)力不足而且費(fèi)用較為昂貴，對(duì)較為完善的現(xiàn)代化機(jī)器設(shè)備的需求尤為突出。而根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)與調(diào)研，針對(duì)新會(huì)小青柑果肉挖取技術(shù)而言，市場(chǎng)上出現(xiàn)的相關(guān)的機(jī)器甚少，或是還存在可被完善或是不可完善等問題[7-11]。較為完善的果肉自動(dòng)挖取機(jī)能夠最大限度地提高加工生產(chǎn)效率和提高中小型企業(yè)工廠作坊的經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 發(fā)現(xiàn)存在問題

對(duì)比市面已有的一些機(jī)器，確實(shí)提高了生產(chǎn)加工的效率，但后續(xù)還需要人手將開果部位柑皮蓋子與連接的果肉分離，如圖1所示，由于果汁與柑果皮中含有柑橘類水果的酸味成分[12]，長時(shí)間接觸檸檬酸可能會(huì)對(duì)人手有腐蝕的作用，造成長時(shí)間的紅腫脫皮的狀態(tài)，故設(shè)計(jì)一臺(tái)新會(huì)小青柑果肉自動(dòng)挖取機(jī)是對(duì)工人的一種保護(hù)，解決了操作環(huán)境惡劣的問題。

1.2 構(gòu)想與思路

針對(duì)新會(huì)小青柑加工基本依靠手工完成這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一款可實(shí)現(xiàn)小青柑自動(dòng)化加工的機(jī)器，該自動(dòng)化機(jī)器采用刀具和吹氣相結(jié)合的加工方式，該加工方式分為4個(gè)加工工序：工序一是手工上料，雇傭工人在設(shè)備前方豎著放置小青柑（小青柑帶枝部分朝下）；工序二實(shí)現(xiàn)小青柑上切口直徑φ5 mm，下切口直徑φ25 mm；工序三實(shí)現(xiàn)在保留完整的果皮前提下去除果肉；工序四為卸料工序。另外實(shí)現(xiàn)φ25 mm的切皮塊完整保留，四工位同時(shí)加工以達(dá)到高效率加工效果。

圖1 小青柑開果圖

2 小青柑掏肉機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小青柑自動(dòng)掏肉機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，主體分上下兩部分，下方為電動(dòng)機(jī)、氣缸等部件，上方為氣缸、轉(zhuǎn)盤、小青柑底座和壓模等部件。其中的機(jī)械機(jī)構(gòu)部分主要是平面型槽輪機(jī)構(gòu)、圓柱式凸輪機(jī)構(gòu)，元器件主要使用標(biāo)準(zhǔn)化的普通電動(dòng)機(jī)及雙作用氣缸。該設(shè)備總共分為4道工序。4道工序中除了上料為人工上料外，其余3道都是由PLC控制機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)。

圖2 整體布局

2.1 上料工序（工序一）

設(shè)備工序一是工人手工將小青柑帶枝部分朝線下放置在轉(zhuǎn)盤的凹槽（下文統(tǒng)稱下模）上，其中轉(zhuǎn)盤上有4個(gè)下模。轉(zhuǎn)盤每7.5 s轉(zhuǎn)動(dòng)一次，即轉(zhuǎn)盤停留時(shí)間為7.5 s，在這過程中工人將4個(gè)小青柑正確放置，如圖3所示。

2.2 切塊工序（工序二）

設(shè)備工序二的主要功能是對(duì)小青柑直徑為25 mm的圓柱形果肉連同柑皮取出，及在另一個(gè)方向?qū)π∏喔涕_一個(gè)直徑為5 mm的小通孔，如圖4所示。

圖3 上料工序

圖4 切塊工序

其工作原理為：1）設(shè)備上方氣缸推動(dòng)4個(gè)橡膠壓模往下運(yùn)動(dòng)，壓住小青柑；2）上模帶有φ5 mm的圓孔刀，下壓過程直接開口；3）下模有φ30 mm的通孔，設(shè)備下方氣缸推動(dòng)下方4個(gè)圓柱凸輪往上運(yùn)動(dòng)，其特殊結(jié)構(gòu)（圓柱凸輪機(jī)構(gòu)）可以實(shí)現(xiàn)φ25 mm的圓孔刀具作一個(gè)旋轉(zhuǎn)+上升的運(yùn)動(dòng)，φ25 mm的圓孔刀上升過程可切出小青柑中間部分的果肉；4）氣缸往下推動(dòng)，帶動(dòng)φ25 mm的圓孔刀旋轉(zhuǎn)下降，可帶出φ25 mm的果肉。

2.3 掏肉工序（工序三）

設(shè)備工序三的主要功能是對(duì)小青柑殘留附著在果皮內(nèi)壁的果肉進(jìn)行刮洗、沖刷，如圖5所示。

其工作原理為：1）設(shè)備上方氣缸推動(dòng)4個(gè)橡膠壓模往下運(yùn)動(dòng)，壓住小青柑；2）上模帶有φ5 mm的噴氣頭，噴氣頭兩側(cè)通孔，下壓后噴出高壓氣體，沖刷內(nèi)壁殘留果肉；3）下模有φ30 mm的通孔，設(shè)備下方氣缸推動(dòng)下方4個(gè)小電動(dòng)機(jī)和特殊刀具往上運(yùn)動(dòng)，刀具的特殊結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩自動(dòng)收縮，以實(shí)現(xiàn)通過小青柑下方φ25 mm的開口時(shí)不破壞果皮的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在果實(shí)內(nèi)部撐開鋼絲，以便刮洗內(nèi)壁殘留果肉；4）刮洗、沖刷一段時(shí)間后果肉挖取干凈，氣缸帶動(dòng)刀具往下運(yùn)動(dòng)，刀具內(nèi)部帶有彈簧，可以使鋼絲收縮，安全下降至原始位置，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)至下一工位。

圖5 掏肉工序

2.4 卸料工序（工序四）

設(shè)備工序四的主要功能是通過斜杠將小青柑從底座（橡膠下模）直接卡出，然后順著斜杠滾落至出槽口，完成卸料，如圖6所示。

3 關(guān)鍵零部件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 卸料工序

3.1 圓柱凸輪設(shè)計(jì)

采用圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)，如圖7所示，可以實(shí)現(xiàn)在往上切割果實(shí)和往下脫離果實(shí)的過程中，刀具同時(shí)作一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以迫使圓柱形刀具內(nèi)部的果實(shí)在脫離過程中會(huì)與刀具一起落下，實(shí)現(xiàn)掏空小青柑的目的。并且，設(shè)備加工小青柑時(shí)所需的加工速度，即凸輪的運(yùn)動(dòng)速度不高，因此適用，運(yùn)動(dòng)時(shí)滾子可以補(bǔ)償滾子與滾槽之間的間隙。

3.2 橡膠模具的設(shè)計(jì)

上方橡膠模具結(jié)構(gòu)主要由4個(gè)零件構(gòu)成，如圖8所示。托盤載著小青柑轉(zhuǎn)動(dòng)到工序二、工序三工位，設(shè)備上方的氣缸推動(dòng)4個(gè)模具往下運(yùn)動(dòng)。橡膠壓塊先與小青柑接觸，此時(shí)橡膠壓塊抵抗彈簧力往上運(yùn)動(dòng)，但整個(gè)模具依舊呈下降狀態(tài)，小青柑開始被固定，當(dāng)氣缸桿走完整個(gè)行程時(shí)，模具與小青柑皆處于不運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，設(shè)備下方切塊機(jī)構(gòu)與掏肉機(jī)構(gòu)開始作業(yè)加工完畢后。設(shè)備上方的氣缸開始進(jìn)行回程運(yùn)動(dòng)，此時(shí)整個(gè)模具除了橡膠壓塊，其余零件開始往上方向運(yùn)動(dòng)，橡膠壓塊在彈簧儲(chǔ)存的彈簧力的作用下，處于與小青柑緊密接觸并且停止的狀態(tài)，在模具上升到一定高度后，彈簧桿將所具有的彈簧力釋放完畢，橡膠壓塊才開始跟隨整個(gè)模具上升，最終到達(dá)初始位置，而后轉(zhuǎn)盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入下一個(gè)工位。

圖7 圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)

圖8 橡膠模具工作狀態(tài)

3.3 特殊刀具設(shè)計(jì)

根據(jù)小青柑果肉柔軟的特點(diǎn)，加之從不銹鋼絲打蛋器上汲取的設(shè)計(jì)靈感，本設(shè)計(jì)采用軟不銹鋼作為刀具，如圖9所示。

圖9 特殊刀具示意圖

在轉(zhuǎn)盤載著小青柑進(jìn)入工位后，設(shè)備上方氣缸推動(dòng)上模向下運(yùn)動(dòng)固定小青柑，設(shè)備下方的氣缸推動(dòng)4個(gè)微型交流電光軸電動(dòng)機(jī)和特殊刀具向上運(yùn)動(dòng)（微型交流電光軸電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與特殊刀具相連接），此時(shí)刀具處于收縮狀態(tài)（最大寬度小于25 mm），當(dāng)?shù)毒呱仙叫∏喔坦w上部后，刀具的上端與上模的通氣桿下端相接觸。此時(shí)，彈簧桿會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，由于氣缸還處于推動(dòng)狀態(tài)，整個(gè)刀具依然處于向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，兩個(gè)反向相向的力將處于收縮狀態(tài)的鋼絲撐開，使鋼絲最大寬度接近小青柑果體的直徑，實(shí)現(xiàn)最大化地刮洗、沖刷小青柑果實(shí)內(nèi)壁殘肉。

3.4 卸料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)盤上方設(shè)置2個(gè)卡料斜杠，斜杠的位置應(yīng)該設(shè)置在小青柑運(yùn)動(dòng)軌跡的切線位置。由于橡膠模具是在轉(zhuǎn)盤上對(duì)稱分布，所以在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，小青柑的運(yùn)動(dòng)軌跡總共有2個(gè)（轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)每移動(dòng)一次，每個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡都會(huì)有兩個(gè)小青柑經(jīng)過）。小青柑運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖10所示，灰色虛線為小青柑重點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，黑色粗實(shí)線為小青柑外圈運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖10 小青柑運(yùn)動(dòng)的軌跡（灰色虛線）初始示意圖

繪制出小青柑的運(yùn)動(dòng)軌跡圖后，在小青柑運(yùn)動(dòng)軌跡的切線上安裝兩根卡料桿，如圖11中使用虛線表示卡料桿位置。卡料桿貼近轉(zhuǎn)盤上表面，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，小青柑會(huì)被卡料桿限制位移方向，由于轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)為小青柑提供一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此，小青柑會(huì)沿著2個(gè)卡料桿的位置，進(jìn)入出料槽，最后排出設(shè)備，完成卸料過程。

3.5 工作臺(tái)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的主要功能是為小青柑提供進(jìn)料位置和為加工生產(chǎn)提供有效的平臺(tái)與適合的加工位置。工作臺(tái)轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)主要由工作轉(zhuǎn)盤、工作臺(tái)連接軸、槽輪機(jī)構(gòu)、16個(gè)橡膠模具、聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)組成。其中電動(dòng)機(jī)為工作臺(tái)轉(zhuǎn)盤提供旋轉(zhuǎn)工作動(dòng)力。工作臺(tái)的三維圖如圖12所示。

圖11 小青柑運(yùn)動(dòng)的軌跡（虛線）最終示意圖

圖12 工作臺(tái)機(jī)構(gòu)

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 氣動(dòng)回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小青柑全自動(dòng)掏肉機(jī)的氣動(dòng)回路是以高壓氣體為介質(zhì)，它通過4個(gè)雙作用氣缸和噴氣嘴等元件，組成統(tǒng)一的整體氣動(dòng)回路，再利用可編程控制器對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。設(shè)備所需的氣缸共4個(gè)，其實(shí)現(xiàn)功能兩兩相同，即工序二和工序三分別需要2個(gè)推進(jìn)功能的氣缸，設(shè)備的氣動(dòng)主回路原理如圖13所示。

4.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1 控制系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行小青柑全自動(dòng)掏肉機(jī)控制，需要對(duì)上下氣缸、大電動(dòng)機(jī)、4個(gè)小電動(dòng)機(jī)和傳感器控制，如圖14所示。

圖13 氣動(dòng)主回路

圖14 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2.2 PLC I/O口分配

根據(jù)輸入與輸出狀態(tài)的不同，其中4個(gè)連接刀具的電動(dòng)機(jī)可以同用一個(gè)脈沖輸出端口，而控制工作臺(tái)轉(zhuǎn)盤和兩種氣缸（上氣缸與下氣缸）也各需要一個(gè)輸出端口，共需要4個(gè)脈沖輸出端口的PLC。其中電動(dòng)機(jī)都為交流電動(dòng)機(jī)，需要用中間繼電器進(jìn)行控制，而控制氣缸輸出狀態(tài)則需要用電磁控制閥，這就需要線圈類型的PLC，需要選擇有線圈輸出端口的控制硬件，所以選擇三菱PLC一體機(jī)TM-20MR-430-B。選出合適的PLC類型后，可以得出PLC的I/O分配表，如表1所示。

4.3 PLC控制流程

PLC控制流程如圖15所示。

表1 新會(huì)小青柑果肉全自動(dòng)挖取機(jī)控制系統(tǒng)的I/O分配表

圖15 控制流程圖

4.4 PLC程序編程

小青柑掏肉機(jī)的PLC程序編程采用的是梯形圖，因?yàn)镻LC的梯形圖語言是編程中最常用的一種語言，通過與電氣原理圖和I/O口分配表配合查看，更直觀反映了整個(gè)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的部分PLC梯形圖如圖16所示。

圖16 部分梯形圖

5 結(jié)語

本文研發(fā)了一種小青柑自動(dòng)掏肉機(jī)，通過PLC、氣動(dòng)控制系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)結(jié)合一起，實(shí)現(xiàn)去果肉、存果皮的特殊加工。解決了當(dāng)前依靠人工進(jìn)行小青柑的去肉保皮的問題，提升生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。該小青柑自動(dòng)掏肉機(jī)針對(duì)目前相關(guān)企業(yè)存在的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到企業(yè)認(rèn)可。