張宏 成向鵬 胡慶松 陳雷雷 李俊

【摘 要】由于目前市場仍大范圍采用人工制餅，并且治餅效率低、勞動強度大及市場供不應(yīng)求，設(shè)計了一種仿人工蛋餅加工機，能夠節(jié)省大量勞動力，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三維軟件進行詳細的機構(gòu)設(shè)計，對動力組成、傳動裝置的的元件選型及整體裝置的匹配性設(shè)計，最終開發(fā)出了能實現(xiàn)機器自動制餅的仿人工蛋餅加工機。經(jīng)過上海市奉賢區(qū)友朋食品機械廠的實際應(yīng)用，所設(shè)計的仿人工蛋餅機工作穩(wěn)定、出餅效率高，蛋餅口味正宗，大大降低了人民的勞動強度。

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

中圖分類號： TP391.41文獻標識碼： A文章編號： 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，勞動強度大，無法為消費者提供足夠的食物量[1]。蛋餅作為大眾喜愛的快餐之一，在各個地區(qū)的銷量都很大[2]，但蛋餅的制作基本上靠人工制作，費時費力，并且出餅效率低，不能滿足人們的快節(jié)奏需求。結(jié)合這一實際市場需求情況，本文開發(fā)設(shè)計了一款仿人工蛋餅加工機，該款裝備能夠解放勞動力，提高蛋餅的出餅效率，同時制作的蛋餅安全、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)的自動制餅裝置來提高食物的制作效率，降低勞動強度和成本，但由于類似相關(guān)食品自動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)計制作自動化食品加工設(shè)備，如上海市奉賢區(qū)友朋食品有限公司，該公司以先進的科技技術(shù)、精湛的加工工藝為基礎(chǔ)，專業(yè)設(shè)計制造各種食品機械設(shè)備。同時市面上也有一些不錯的研究成果，如尹相善發(fā)明的全自動仿手工煎餅機，這一款機器克服了傳統(tǒng)工具的局限，通過機器代替人工制作煎餅，不但出餅效率更高，一臺自動煎餅機相當于約20個人工，而且機器煎餅口感也更加美味，深受大眾喜歡。這一款機器已經(jīng)比較成熟，煎餅機內(nèi)部主要通過電子、液壓與氣動來實現(xiàn)間歇運動和抓片運動，由于機器制餅的環(huán)境相對潮濕，對電子元器件的穩(wěn)定性要求較高。所以，這款全自動仿手工煎餅機設(shè)備造價高，不易推廣。通過走訪和調(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)計與原理

仿人工蛋餅加工機利用氣缸以及齒輪與齒條配合的特點，實現(xiàn)四塊加工翻板的180度翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對一塊蛋餅的仿人工加工。本裝備包括機架、折邊機構(gòu)、卸料機構(gòu)和壓平輸送機構(gòu)，壓平輸送機構(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);折邊機構(gòu)設(shè)于壓平輸送機構(gòu)的前端，包括帶矩形框槽的折邊底座以及左長翻板、右長翻板、前短翻板和后短翻板，左長翻板、前短翻板、右長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 折邊機構(gòu)

折邊機構(gòu)是完成蛋餅仿人工制作的核心部分，如圖1，該機構(gòu)由氣缸，齒輪，齒條以及兩對長、短翻板組成。四個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，法蘭型滾珠滑塊導軌固定在底座的導軌墊座上，齒條一端焊接一個螺絲，氣缸的伸縮桿一端與該螺絲連接，兩個齒輪分別與兩塊長側(cè)板固定，并且保證齒輪與齒條咧合，長翻板軸端固定一個齒輪，另一長翻板軸端通過固定同步帶輪實現(xiàn)該對長翻板同時翻轉(zhuǎn)，一對短翻板則分別由氣缸、齒輪齒條嚙合獨立分步控制完成蛋餅的仿人工制作。

1.2 卸料機構(gòu)

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

1.3 壓平輸送機構(gòu)

壓平輸送機構(gòu)的工作由2個3KW三相異步電機提供動力源，分別帶動上下滾筒，滾筒帶動上下傳送帶，實現(xiàn)蛋餅的壓平輸送。電機固定在U型板上，U型板固定在支架上，支架通過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。壓平輸送機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

2 裝置計算分析與測試

2.1 仿人工蛋餅加工機出餅效率分析

仿人工蛋餅加工機的出餅效率主要受折邊機構(gòu)長、短翻板翻轉(zhuǎn)角速度與壓平輸送機構(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折邊機構(gòu)的長、短翻板翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)，該折邊機構(gòu)的主要核心原理即齒輪齒條傳動，齒條通過氣缸做直線運動，嚙合的齒輪做回轉(zhuǎn)運動，齒條可以看做是一個齒數(shù)無窮多的齒輪的一部分，此時，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：

折邊機構(gòu)所搭配的氣缸為SDAJ超薄氣缸（雙軸復動行程可調(diào)型），可調(diào)節(jié)行程最大為50mm，小于折邊翻板翻轉(zhuǎn)弧長，滿足使用要求。通過配合內(nèi)轉(zhuǎn)外接頭與齒條緊配合，帶動齒輪齒條運動。氣缸活塞在整個運動過程速度與氣壓、缸徑、摩擦、外部阻力都有關(guān)系，所以速度是變化的。氣缸在空載的時候假定排氣側(cè)以聲速排氣，氣缸的理論基準速度，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。

通過多次理論計算與試驗，氣缸實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)氣缸實際伸縮速度值計算折邊機構(gòu)長、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，可以計算出折邊機構(gòu)長、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)速與減速電機的轉(zhuǎn)速及鏈傳動效率相關(guān)。壓平輸送機構(gòu)驅(qū)動裝置為220V臥式齒輪減速電機，電機和減速箱外殼采用高強度合金壓鑄成型，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載。

現(xiàn)對仿人工蛋餅加工機的最大出餅效率進行計算，故取臥式齒輪減速電機輸出轉(zhuǎn)速104r/min，鏈傳動比I1為1，根據(jù)主鏈輪轉(zhuǎn)速與電機減速箱傳動比關(guān)系：

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

計算可得，且由于鏈輪傳動比為1，故主、從鏈輪平均轉(zhuǎn)速均為104r/min，由于滾筒與從動鏈輪為緊配合，保持同步運動，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：

計算可知，壓平輸送機構(gòu)輸送速度Vs為326.56mm/s。而一塊蛋餅經(jīng)過裝備仿人工加工需要以下工序，長翻板同時翻轉(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構(gòu)，進行最后的蛋餅壓實工藝，至此完成蛋餅加工完成，總時間為T。

其中，θ為折邊機構(gòu)長、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間，為1s;ls為壓平輸送帶的有效行程，為722mm。

經(jīng)過計算，可知一塊蛋餅經(jīng)過本裝備加工至完成所需時間T為7.84s，即一分鐘最快可制作約7塊蛋餅。

2.2 裝置測試

仿人工蛋餅加工機通過理論的計算與設(shè)計的完善，最終在上海友朋食品機械廠進行加工、制作并測試裝備運行的可靠性。

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

將直徑約20cm的蛋餅放置四塊翻板的加工區(qū)域，長邊翻板同時在氣缸，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，準備推動至壓平輸送加工裝置。（考慮翻板這樣的翻轉(zhuǎn)順序是因為可以防止“方形”蛋餅在進入輸送加工裝置后，外型損毀造成加工失敗），然后氣缸推動推板，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”蛋餅壓實至完成整個加工工藝。

3 裝備三維建模設(shè)計

仿人工蛋餅加工機的主要設(shè)計的實現(xiàn)是通過Solidworks計算機輔助設(shè)計軟件實現(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工程圖模塊進行尺寸的標注，出全部的二維工程圖送至食品加工廠進行食物加工。

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

4 結(jié)語

目前，市面上尚未有成熟的用于制作方形蛋餅的自動化加工機器，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蛋餅進行堆疊，需要將蛋餅沿著四個方向分別向中心折疊，因此，費時費力，人工成本高，并且最終蛋餅成形一致性差，不僅會造成蛋餅口感不穩(wěn)定，而且會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，借助計算機輔助軟件設(shè)計，提供了一種機構(gòu)設(shè)計合理的仿人工蛋餅加工機，可以高效，高自動化將蛋皮加工成方形蛋餅，省時省力，安全衛(wèi)生。本仿人工蛋餅加工機取代了傳統(tǒng)手工加工蛋餅的方式，解決了過去加工蛋餅的方式的弊端，值得推廣。

【參考文獻】

[1]中小食品機械企業(yè)隨需應(yīng)變的探索[D].曾宇.南京工業(yè)大學 2005.

[2]未來食品機械市場創(chuàng)新思路[J].鄭宇.中外食品.2002（10）：11-13.

[3]我國食品機械工業(yè)現(xiàn)狀及其發(fā)展對策[J].趙雪梅，葉興乾，席嶼芳.農(nóng)業(yè)機械學報. 2002（01）：25-28.

[4]計算機輔助設(shè)計技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用分析[J]. 趙鑫，歐貞香.山東工業(yè)技術(shù). 2019（02）：17-21.

[5]SOLIDWORKS PDM系統(tǒng)在非標自動化設(shè)備行業(yè)的應(yīng)用[J].張一心，司步超.智能制造. 2017（04）：31-34.

[6]非標自動化設(shè)備的特點與設(shè)計研究[J]. 高彩連，戴志杰.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備. 2016（07）：25-28.

[7]機械設(shè)計制造及其自動化中計算機技術(shù)的應(yīng)用[J]. 鄭璐曄，潛俊儒.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備. 2017（11）：41-45.

[8]機械原理[M]. 高等教育出版社，孫桓，2013：121-125.

[9]基于布爾減運算和曲線擬合的變傳動比齒條數(shù)字建模方法[J]. 張斯宇，胥軍，牛子孺，汪煒.機械傳動. 2016（08）：23-27.

[10]平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副數(shù)字化實體建模[J].劉志，盧紅，喻國銘，胡章詠.計算機集成制造系統(tǒng). 2017（07）：21-25.

[11]一種變比齒條齒廓設(shè)計優(yōu)化方法[J].顏甜莉，肖佩，牛子孺，李剛炎.機械設(shè)計與制造.2017（11）：31-35.

[12]Simulation and 3D-Solid Modeling of Skew Bevel Gear[J].Zhang Luo Ping，F(xiàn)u Jing，Yang Bo Yuan.Applied Mechanics and Materials.2012（121）：19-23.

[13]基于SolidworksPDM的非標自動化設(shè)備設(shè)計重用解決方案[J]. 潘新宇. ?現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備.2018（06）：17-21.

[14]齒輪齒條的接觸應(yīng)力研究[J].張興權(quán)，何廣德，鄭如，張俊.機械傳動.2011（07）：5-9.

[15]基于齒輪副整體誤差的齒輪動力學模型及其動態(tài)特性[J].石照耀，康焱，林家春. ?機械工程學報. 2010（17）：25-28.

[16]齒輪傳動設(shè)計手冊[M]. 化學工業(yè)出版社 ， 朱孝錄主編， 2005：131-135.

[17]設(shè)計制動氣缸氣壓系統(tǒng)的幾個基本原則[J].徐長壽，易飚.液壓與氣動. 2004（03）：41-45.

[18]基于有限元法氣缸壽命的研究[D]. 劉煒.電子科技大學 2011.