基于3D 打印成形技術(shù)下的蘿卜切絲機(jī)的設(shè)計(jì)

蔡 斌 潘飛鴿 何 康 吳 波

(1、宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000 2、安徽車(chē)橋有限公司，安徽 宿州 234000)

隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)飲食理念越加重視。目前市場(chǎng)上蘿卜切絲主要采用人工方法或者傳統(tǒng)切絲機(jī)，為提高切絲的效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，本文對(duì)蘿卜的加工切絲以及分揀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)前期調(diào)研、搜集資料、理論學(xué)習(xí)，探索切絲機(jī)產(chǎn)品各方面的特性，分析切絲機(jī)在切絲過(guò)程中面臨的具體問(wèn)題，從尺寸、造型、功能、色彩、材質(zhì)等方面完成設(shè)計(jì)的論述和實(shí)體的制作。設(shè)計(jì)完成的切絲機(jī)切絲效果粗細(xì)均勻，切絲長(zhǎng)度長(zhǎng)短適中[1]。

傳統(tǒng)切絲機(jī)采用專(zhuān)用構(gòu)件，不利于維修，一個(gè)構(gòu)件的損壞嚴(yán)重影響機(jī)器的效率，從而造成資源的浪費(fèi)，增加了切絲的成本。因此在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)部分連接件、固定件采用3D 打印技術(shù)進(jìn)行加工制作[2]。3D 打印技術(shù)，是一種通過(guò)3D 打印設(shè)備逐層增加材料來(lái)制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。作為一種快速成形技術(shù)，3D 打印可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，節(jié)約材料和節(jié)省能量[3-5]。同時(shí)3D 建模打印簡(jiǎn)單，利于零件的修改與更換[6]。

1 切絲機(jī)模型的建立

該款切絲機(jī)由傳動(dòng)、清洗、切絲三個(gè)功能區(qū)組成，每一部分中的擋板件、支撐件、連接件均采用3D 打印技術(shù)來(lái)完成制作，3D 打印的快速成型特點(diǎn)也為零件的更換提供了保障。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，利用PRO-E 軟件按照傳動(dòng)順序建立切絲機(jī)三維模型裝配圖，如圖1 所示。

圖1 蘿卜切絲機(jī)三維模型示意圖

控制方面分為兩個(gè)部分，即通過(guò)慧魚(yú)板來(lái)控制各個(gè)電機(jī)，以及通過(guò)數(shù)字調(diào)壓控制器對(duì)振動(dòng)部件的控制。模型建立之后，根據(jù)圖紙要求，準(zhǔn)備相應(yīng)零件。零件可分為3D 打印零件和非3D 打印零件兩部分。配件準(zhǔn)備完全后進(jìn)行組裝、優(yōu)化、調(diào)試，從而得到所設(shè)計(jì)的切絲機(jī)。設(shè)計(jì)的流程圖如圖2 所示。

圖2 裝配調(diào)試流程圖

2 切絲機(jī)不同功能區(qū)的組成

2.1 傳動(dòng)部分

進(jìn)料口處采用帶傳送，傳送帶接觸面積大，產(chǎn)生較大的摩擦力利于蘿卜傳送至清洗區(qū)；電機(jī)與傳動(dòng)軸之間采用齒輪與鏈傳動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)；鏈、帶的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為350mm。清洗區(qū)與切絲區(qū)之間通過(guò)直流式振動(dòng)盤(pán)相互連接，用以保障蘿卜能夠順利的進(jìn)入切絲區(qū)；疏通部位采用齒輪與螺桿傳動(dòng)，當(dāng)蘿卜過(guò)多時(shí)可以通過(guò)疏通蘿卜來(lái)保證切絲的順利進(jìn)行[7]。

2.2 清洗部分

區(qū)別于傳統(tǒng)的侵泡沖洗，該款切絲機(jī)在清洗設(shè)計(jì)時(shí)，不僅配置流速可調(diào)節(jié)的高壓水流，同時(shí)在軸上安裝鋼刷，通過(guò)軸件運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼刷運(yùn)轉(zhuǎn)，用于清理泥土和蘿卜的細(xì)小根毛。清理后的蘿卜通過(guò)棉制毛刷，吸附多余水分，多重毛刷的設(shè)置保障了蘿卜的潔凈和干燥，清洗后的污水通過(guò)底部留有的出水孔流出切絲機(jī)。

2.3 切絲部分

蘿卜傳送到入料口后，依靠自身重力下滑到旋轉(zhuǎn)刀頭處。通過(guò)微動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制切絲，切好的蘿卜絲通過(guò)出料口處皮帶及時(shí)傳送，避免蘿卜絲積壓，從而穩(wěn)定刀頭的旋轉(zhuǎn)速率，保證切出的蘿卜絲的質(zhì)量穩(wěn)定[8]。

刀頭設(shè)計(jì)為底圓半徑360mm，頂圓半徑210mm，高70mm的圓臺(tái)，圓臺(tái)側(cè)面對(duì)稱(chēng)安裝了整齊排列刀孔的刀片。刀頭采用的設(shè)計(jì)可以讓電機(jī)高效傳遞動(dòng)能，同時(shí)也便于蘿卜絲的排出。切絲部分示意圖如圖3 所示。

圖3 切絲部分示意圖

2.4 3D 打印零件

刀頭固定件采用3D 打印，先通過(guò)pro-e 軟件建模，設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間采用STL 文件格式進(jìn)行協(xié)作，將建成的三維模型切片成逐層的截面，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。STL 文件使用三角面來(lái)近似模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。

3D 打印機(jī)通過(guò)讀取文件中的橫截面信息，用PLA+將這些截面逐層地打印出來(lái)，再將各層截面粘合起來(lái)從而制造出所需實(shí)體。用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度，通常需要數(shù)天時(shí)間，而采用3D 打印快速成型技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，提升了零件的生產(chǎn)效率，從而提高整體裝備的使用價(jià)值。

對(duì)于刀頭固定件結(jié)構(gòu)，軸采用六棱柱的形狀，便于與電動(dòng)機(jī)上的六棱內(nèi)孔形成緊密連接，從而可以高效率傳遞動(dòng)能。兩層擋片的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更好的與待連接件裝配，四個(gè)斜面狀的L 形結(jié)構(gòu)與刀頭形成緊密配合，能防止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刀頭的脫落，進(jìn)而使得刀頭穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。刀頭固定件模型如圖4 所示。

圖4 刀頭固定件模型

用以防止滑落的擋板，切絲機(jī)的電機(jī)馬達(dá)與刀頭的連接件，刀頭、刀片的固定件等都運(yùn)3D 打印成形的方式獲得。這些非標(biāo)件的快速打印，在滿(mǎn)足使用強(qiáng)度的要求上，縮短了加工、裝配、維修時(shí)間，提升了使用效率，提高了切絲機(jī)的使用價(jià)值。

3 切絲機(jī)裝配調(diào)試過(guò)程

3.1 裝配過(guò)程

裝備過(guò)程按照結(jié)構(gòu)傳動(dòng)順序進(jìn)行安裝，安裝過(guò)程中對(duì)于初步設(shè)計(jì)過(guò)程中不合理的部分進(jìn)行更改，先進(jìn)行關(guān)鍵部件的組裝，減小裝配誤差，減小對(duì)主要功能的影響。在滿(mǎn)足功能基礎(chǔ)后，進(jìn)行輔助件的裝配，同時(shí)把握好零件的尺寸配合，做到精準(zhǔn)安裝。硬件部分安裝完成后，進(jìn)行振動(dòng)盤(pán)控制器和慧魚(yú)控制板的安裝及導(dǎo)線(xiàn)的連接工作。連接過(guò)程采用合理的結(jié)構(gòu)布局可以減小切絲機(jī)的體積，在保障功能的同時(shí)使得切絲機(jī)更加小巧。

3.2 調(diào)試過(guò)程

完全組裝好之后，先進(jìn)行慧魚(yú)控制板程序的編寫(xiě)與下載，然后通過(guò)振動(dòng)盤(pán)所連接的電動(dòng)開(kāi)關(guān)對(duì)直動(dòng)式振動(dòng)盤(pán)的振動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到預(yù)期效果。完成預(yù)期的要求之后再推陳出新，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出更優(yōu)的控制程序與方案。

安裝調(diào)試過(guò)后進(jìn)行切絲實(shí)驗(yàn)，切絲完成之后，蘿卜絲會(huì)掉落到有間隙的傳送帶上，傳送帶傳送的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生輕微的振動(dòng)，這樣相對(duì)較長(zhǎng)的蘿卜絲就會(huì)被傳送走，較短的就會(huì)掉落，這從而保證蘿卜絲的切絲質(zhì)量。

4 結(jié)論

為了提高切絲機(jī)使用價(jià)值，節(jié)約成本，完成綠色制造的目標(biāo)，本款蘿卜切絲機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，部分連接件采用3D 打印快速成形，縮短了加工、裝配、維修時(shí)間，提升了使用效率。組裝調(diào)試后的蘿卜切絲機(jī)功能多樣，原理簡(jiǎn)單，得到結(jié)論主要有以下幾點(diǎn)：

4.1 切絲機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了切絲的功能，同時(shí)增加了清洗、振動(dòng)傳絲的功能；設(shè)置了鋼刷和棉制毛刷，不僅去除蘿卜污泥和細(xì)毛，同時(shí)干燥蘿卜表面。通過(guò)傳送帶傳送，利用帶間間隙振動(dòng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)短絲的分離。

4.2 采用3D 打印快速成型技術(shù)，對(duì)主要的連接非標(biāo)件進(jìn)行打印。打印出的零件能夠滿(mǎn)足使用強(qiáng)度要求，在加工裝配的過(guò)程中節(jié)省了時(shí)間與成本。

4.3 切絲長(zhǎng)度均值為47mm，質(zhì)量較好。但長(zhǎng)度較手工切絲偏短，后期會(huì)對(duì)刀頭等構(gòu)件進(jìn)行更改優(yōu)化。