果丹皮自動成卷機(jī)構(gòu)研究

郭紅霞，彭 強(qiáng)

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

1 課題研究背景及意義

經(jīng)過40多年的改革開放，我國經(jīng)濟(jì)得到了持續(xù)、快速、健康的發(fā)展，隨著生活水平的不斷提高，民眾對身體的健康和保健意識越發(fā)重視。果丹皮是我國果脯產(chǎn)品的一種，有著多年的生產(chǎn)歷史，我國果丹皮的主要生產(chǎn)區(qū)有河北省興隆縣和天津市薊縣兩大產(chǎn)區(qū)。果丹皮的原材料主要是山楂，兩大產(chǎn)區(qū)的山楂資源非常充足，果丹皮全國銷售市場很好。果丹皮生產(chǎn)廠家僅河北省興隆縣就有100多家，最大生產(chǎn)廠家山楂產(chǎn)品的年銷售額高達(dá)5億元，但是果丹皮仍然不能滿足全國市場需求，果丹皮產(chǎn)業(yè)大有可為。為了把市場做大做強(qiáng)，兩大產(chǎn)區(qū)政府已經(jīng)將山楂產(chǎn)品作為當(dāng)?shù)刂е彤a(chǎn)業(yè)。

目前，在我國果丹皮的生產(chǎn)方式仍采用手工操作，每只果丹皮都要用人手搓卷包裝，在產(chǎn)量上很難有更大的突破，嚴(yán)重影響產(chǎn)品出口，極大地阻礙了山楂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)?shù)卣凸てどa(chǎn)廠家經(jīng)過多年努力，盡管果丹皮生產(chǎn)加工已大部分實現(xiàn)了自動化，但是果丹皮自動搓卷難題一直沒有解決，因此困擾著當(dāng)?shù)厣介a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，果丹皮加工步驟如下。

1）單片果丹皮經(jīng)過一定時間晾放后，將單片果丹皮摞在一起（30~40張），再晾放一段時間；

2）將晾放好、摞起的果丹皮切成長方塊；

3）將長方塊果丹皮切成需要的尺寸；

4）將果丹皮逐片取下后搓卷包裝。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)的市場競爭不僅是先進(jìn)技術(shù)的競爭，同時也是產(chǎn)品設(shè)計的競爭，以知識為基礎(chǔ)的產(chǎn)品創(chuàng)新是現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)計的核心。自主創(chuàng)新，加速解決生產(chǎn)過程中前人沒有解決的難題，設(shè)計出市場亟需的產(chǎn)品顯得尤為重要。

近年來，食品包裝業(yè)呈快速發(fā)展態(tài)勢，但是果丹皮自動成卷的機(jī)械化目前在我國還是空白。興隆縣和薊縣兩地政府以及果丹皮生產(chǎn)廠家都亟需果丹皮成卷包裝的機(jī)械化設(shè)備。影響果丹皮生產(chǎn)自動化的關(guān)鍵難點，也就是果丹皮用機(jī)械完成自動搓卷。因為前人沒有在這方面進(jìn)行研究，沒有相關(guān)資料和經(jīng)驗可以借鑒，只能走自行研發(fā)、自主創(chuàng)新之路。

筆者經(jīng)過一年多的調(diào)查、研究和大量的實際試驗，設(shè)計并制造了幾種果丹皮的成卷試驗機(jī)械，與果丹皮生產(chǎn)廠家一起做了大量試驗，取得了許多非常寶貴的第一手資料，因為果丹皮在加工過程中黏和軟的特性不穩(wěn)定，研究過程中也走了一些彎路，繼續(xù)研究陷入了困境。在總結(jié)了前幾種方案經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過進(jìn)一步研究試驗，采用了模仿手工搓卷方法，充分利用果丹皮黏和軟的特性，克服不穩(wěn)定性因素，設(shè)計制造出了一臺果丹皮自動搓卷試驗機(jī)，經(jīng)過大量搓卷試驗，方案得到果丹皮生產(chǎn)廠家的初步認(rèn)可，果丹皮搓卷試驗取得了突破性進(jìn)展。

3 果丹皮成卷研究過程

3.1 方案一：半自動果丹皮成卷包裝機(jī)設(shè)計

半自動果丹皮成卷包裝機(jī)采用手動上料方式。將切好的一摞果丹皮放在上料架上，開啟搓卷裝置，推動推料板，果丹皮自動卷起，通過輸送帶到傳出，當(dāng)?shù)谝黄てぞ碜吆?，由PLC系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲杠，推動上料板向上移動一張果丹皮厚度的距離，進(jìn)行第二片果丹皮搓卷，以此類推[1]。

此方案存在如下不足之處。

1）果丹皮第一片卷走后，因下面的果丹皮受到擠壓力，黏性發(fā)生變化，不利于后面搓卷。

2）因為是手動上料、推料，不能滿足自動成卷要求。

3）因為成卷和包裝在一起分序完成，包裝工序速度不能滿足搓卷速度要求。

3.2 方案二：單組果丹皮自動成卷機(jī)構(gòu)

在第一個方案進(jìn)行大量試驗后，通過對第一個方案的研究分析，總結(jié)果丹皮成卷過程中存在的問題和不足，在對果丹皮特性有了更進(jìn)一步的了解后，筆者設(shè)計制作了第二個方案成卷試驗機(jī)。方案將果丹皮的搓卷和包裝分為兩個部分，包裝部分采用了成熟的枕式下走紙式包裝機(jī)（可以采購），包裝速度遠(yuǎn)大于搓卷速度，能滿足包裝要求。

果丹皮成卷試驗機(jī)完成后，通過在現(xiàn)場對果丹皮搓卷試驗，在不斷研究改進(jìn)和完善后，果丹皮搓卷效果優(yōu)于手工搓卷，性能穩(wěn)定，連續(xù)搓卷10天后，有關(guān)專家一致認(rèn)定，此設(shè)計方案能夠完成自動搓卷要求，果丹皮在搓卷研究方面有了重大突破。但是因為第二方案仍采用果丹皮單片人工放料，在提高加工效率上受到限制，仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。

4 本研究的主要內(nèi)容

以試驗作為研究基礎(chǔ)，在做了大量調(diào)研和試驗基礎(chǔ)上，采用嶄新的人性化設(shè)計理念，應(yīng)用先進(jìn)的光纖檢測手段和自動化PLC控制系統(tǒng)，使用觸摸式顯示屏，減輕工人勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，操作簡單，方便實用，安全可靠，美觀耐用，衛(wèi)生健康。從實際出發(fā)，設(shè)計出一種全新的果丹皮自動成卷機(jī)[2]。

該果丹皮自動成卷機(jī)組成部分如下。

1）自動送料機(jī)構(gòu)，由四組伺服系統(tǒng)分別驅(qū)動，統(tǒng)一同步調(diào)速，通過輸送帶實現(xiàn)果丹皮自動送料。

2）自動切料機(jī)構(gòu)，當(dāng)傳感器檢測到果丹皮后，通過偏心連桿機(jī)構(gòu)帶動刀片上下運動實現(xiàn)切料。

3）自動搓卷機(jī)構(gòu)，由送料帶和搓料帶一同完成果丹皮自動成卷。

4）自動化PLC控制系統(tǒng)和光纖檢測系統(tǒng)等部分，采用了可編程控制器和光纖檢測系統(tǒng)，搭建了硬件系統(tǒng)，編寫了PLC控制程序。

筆者主要對上述機(jī)構(gòu)的設(shè)計和運動進(jìn)行研究分析，將果丹皮本身具有的黏和軟的特性，應(yīng)用到部件設(shè)計當(dāng)中。果丹皮在送料、切料、搓卷過程中，利用其自身存在的黏性，經(jīng)過輥軸的滾壓，將果丹皮黏合在輸送帶上，來完成自動切料，自動搓卷，實現(xiàn)自動成卷后自行黏合。

5 總體方案及運動分析

果丹皮自動成卷機(jī)主要有自動送料機(jī)構(gòu)、自動切料機(jī)構(gòu)、自動搓卷機(jī)構(gòu)、自動化PLC控制系統(tǒng)和檢測組成，操作者可以在觸摸屏上進(jìn)行加工速度、切割長度等參數(shù)的設(shè)定和修改。果丹皮放到送料帶上后，檢測到有果丹皮時，送料機(jī)構(gòu)電機(jī)自動開啟，通過送料帶開始送料，切料機(jī)構(gòu)檢測到后，切料電機(jī)開啟，切料刀具由偏心輪和連桿部件帶動刀架上下運動，開始切料。切好的料直接送到搓卷機(jī)構(gòu)。成卷后的果丹皮會自動黏合，自行經(jīng)下料板到包裝機(jī)上。

為了提高果丹皮加工效率，設(shè)計時采用了兩個相同的成卷機(jī)構(gòu)合并在一起，分別自動控制，統(tǒng)一操作。

5.1 自動送料機(jī)構(gòu)

自動送料機(jī)構(gòu)是由兩個相同的送料部件組合而成，兩組部件由控制系統(tǒng)分別控制。果丹皮（600 mm×100 mm）由工人放到定位板一側(cè)的輸送帶固定位置上，兩組送料機(jī)構(gòu)對邊兩側(cè)由光電傳感器，分別檢測是否有果丹皮，檢測到后由PLC控制器分別控制兩組伺服電機(jī)，通過電機(jī)皮帶輪、O型三角帶、被動輥軸，帶動輸送帶實現(xiàn)送料。果丹皮經(jīng)過切料機(jī)構(gòu)的光電傳感器時，檢測到有果丹皮，輸送帶行走設(shè)定距離（50 mm）后停止，切料電機(jī)啟動，切料刀片切斷果丹皮，然后再進(jìn)行下一個送料循環(huán)。

果丹皮的加工效率（送料帶速度），是由送料機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速決定的，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢，就可以調(diào)整加工效率。如表1所示。

表1 果丹皮的加工效率

5.2 自動切料機(jī)構(gòu)

自動切料機(jī)構(gòu)是由兩個相同的切料部件組合而成，兩組部件由控制系統(tǒng)分別控制。果丹皮（600 mm×100 mm）由送料機(jī)運送到設(shè)定距離（50 mm）后停止，切料電機(jī)啟動，接近傳感器定位切刀下降位置，果丹皮到車刀下，光電對射傳感器檢測到果丹皮，切料刀片切斷果丹皮。遇到下列情況時，自動控制系統(tǒng)PLC排除故障[3]。

1）卡料提醒延時，限位開關(guān)被遮擋設(shè)定時間后設(shè)備提醒卡料，設(shè)備蜂鳴器響。

2）卡料報警延時，卡料提醒持續(xù)設(shè)定時間后，設(shè)備報警停機(jī)。

3）再啟動延時，卡料提醒后，限位開關(guān)不被遮擋后延時，再次啟動。

4）上料啟動延時，限位開關(guān)檢測到工件堵塞后延時啟動。

5.3 自動搓卷機(jī)構(gòu)

切料電機(jī)控制切料刀片切斷果丹皮后，將切好的一片果丹皮由運送帶運到搓卷位置，傳感器檢測到果丹皮，開啟搓卷裝置，推動推料板，果丹皮自動卷起，通過輸送帶傳出。

5.4 自動化PLC控制系統(tǒng)和光纖檢測系統(tǒng)

為了方便工作人員操作，有按鈕操作和自動觸屏兩種功能。設(shè)備上電后，首先要點擊“運行準(zhǔn)備”按鈕，指示燈亮后，選擇“手動”，再點擊“復(fù)位”對設(shè)備進(jìn)行復(fù)位；操作完成后，點擊綠色“啟動”按鈕，設(shè)備開始自動運行。點擊“暫?！卑粹o可以隨時停止。自動運行中，打開安全門設(shè)備暫停。觸摸屏分主界面和分界面，密碼登錄和密碼退出，有計時器計數(shù)器界面，伺服距離設(shè)定等自動化PLC控制系統(tǒng)[4]。

自動化PLC控制系統(tǒng)異常確認(rèn)與異常歷史。發(fā)生故障時會自動跳轉(zhuǎn)到該界面，可以點擊“不良解除”或點擊“故障復(fù)位”按鈕，解除故障，點擊“報警消音”清除報警聲。

光纖檢測系統(tǒng)由對射式光電傳感器檢測果丹皮，準(zhǔn)確果斷切料，限位傳感器設(shè)定送料和切料精準(zhǔn)位置，精準(zhǔn)啟動電機(jī)，保障不卡料不堵車。

6 小結(jié)

綜上所述，“果丹皮”是我國果脯產(chǎn)品的一種，屬傳統(tǒng)食品之一，有著多年的生產(chǎn)歷史，其主要原料為山楂。由于山楂藥用的廣泛宜傳，所以山楂制品也就成了老幼皆宜的保健食品。但是“果丹皮”在生產(chǎn)加工過程中，仍然完全靠手工進(jìn)行。開發(fā)果丹皮自動成卷機(jī)構(gòu)的研究，技術(shù)上完全取代“果丹皮”手動搓卷，解決了“果丹皮”的自動搓卷難題，對今后在研究黏、軟物質(zhì)加工上會起到借鑒作用[5]。本研究的創(chuàng)新之處在自動化PLC控制系統(tǒng)和光纖檢測系統(tǒng)等部分技術(shù)的應(yīng)用，果丹皮自動成卷機(jī)構(gòu)，設(shè)備采用不銹鋼材料，危險操作部件安裝透明塑料罩，綠色安全，產(chǎn)品完全符合國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。