何受倩,林蘭強

(廣東科貿(mào)職業(yè)學院信息與自動化學院,廣州市，510430)

0 引言

信息化時代下，加強對紅棗去芯機的設計與研究，對于提高紅棗產(chǎn)品的去芯水平，提高產(chǎn)品加工效率具有重要的影響。以紅棗為例，紅棗的深加工，不僅可豐富紅棗產(chǎn)品的種類，同時也能夠產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益。采用優(yōu)質(zhì)、高校的去核手段，是促進紅棗加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎和前提。目前，國內(nèi)已經(jīng)有較多學者展開了對紅棗去核機的設計研究[1]。在研究中，分析了紅棗去核機的原理。在分析紅棗去核機時，以全自動化的紅棗去核機為主，借助夾持器的方式，將紅棗上料到紅棗的去核運輸帶中，通過旋轉(zhuǎn)扶正器的方式，對連續(xù)去核的過程進行確定，同時對紅棗進行去核沖切。在連續(xù)自動去除棗核的積聚中，主要是設計帶有棗孔的旋轉(zhuǎn)盤，對紅棗進行定位，從科學的角度上實現(xiàn)對紅棗的連續(xù)去核。但這種紅棗去核設備在實際的應用中，需要人工進行輔助上料。而氣動式排沖設備的主要處理方式是通過全自動機器設備借助氣動驅(qū)動的方式，試下對紅棗核的去除。上料機構中，以鏈式的紅棗夾持模具組成，結(jié)構相對復雜，所以存在定位率不高的現(xiàn)象[2]。

由上述關于紅棗去核機機具的相關研究現(xiàn)狀能夠看出，當前紅棗去核機在應用中均需要借助人工輔助的方式。國內(nèi)的主要研究方向是根據(jù)紅棗的去核上料定位機構以及沖核驅(qū)動進行的綜合設計，研究方式較為復雜。

本次研究中，針對當前國內(nèi)現(xiàn)有的研究先皇，提出鏈式氣動式?jīng)_切自動化干紅棗去核機[3]。研究中，對氣動式?jīng)_切自動化干紅棗去核機的系統(tǒng)構成進行分析，并分析氣動式?jīng)_切自動化干紅棗去核機對紅棗去核的具體流程。在此基礎上，根據(jù)研究的內(nèi)容，設計氣動式?jīng)_切自動化干紅棗去核機試驗，分析旋轉(zhuǎn)插桿進刀去核方式的去核效率、去核破碎率。

1 總體設計

1.1 紅棗去芯機的設計要求

現(xiàn)階段，在人們生活轉(zhuǎn)變的形勢下，紅棗去芯機的研究呈現(xiàn)出必然的趨勢。在紅棗去芯機研究過程中，文章主要對所要研究的紅棗型展開分析[4]。本次研究中所選取的去核對象，主要是在經(jīng)過分級之后且干制的和田棗。本次試驗過程中，選取橫徑在20～30 mm范圍內(nèi)的常規(guī)紅棗，縱徑的范圍在35～45 mm 之內(nèi)。為了進一步提高試驗結(jié)果的可靠性與真實性，對所選取的和田棗含糖量、含水率也進行了分析，分別為75%和35%。試驗過程中，將輸送的速度設置為240 mm/s。要求機具在去核過程中，能夠自動輸送紅棗，通過準確定向和自動輸送上料的方式，提高去核的效果[5]。此次研究種和田棗抽取的樣本為480個，其中去核率約在93%，和田棗破碎率≤2%。

1.2 紅棗去芯機的系統(tǒng)結(jié)構及其原理分析

相關技術標準規(guī)定，此次研究中的紅棗去核機設計主要是鏈式啟動沖切自動化干紅棗去核，如圖1所示。該自動紅棗去核機的分析，能夠明確該機具的主要結(jié)構，包括嵌入式單片機控制系統(tǒng)，輥輪輸送鏈上料結(jié)構、定位結(jié)構、氣動式去核機構。在輥輪輸送鏈上料機構中，組成其輸送鏈的關鍵是輥輪；而組成輸送鏈定位的機構則是輥輪的夾持定位鏈[6]。嵌入式單片機系統(tǒng)中，由主處理器、協(xié)處理器、傳感器和步進電機共同組成。其中，主處理器的型號為STM32F407，協(xié)作處理器的型號為STM32F103，傳感器的型號為LJ12A3-4-Z/BX。氣動式去核機的組成部分，包括旋轉(zhuǎn)插桿、電磁閥、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、空氣壓縮機等。

圖1 鏈式啟動沖切自動化干紅棗去核機示意圖

在掌握自動化干紅棗去核機的系統(tǒng)結(jié)構后，分析其工作原理。在單片機程序的控制下，輥輪輸送鏈進行輔助使紅棗材料運載進傳送帶，且輸送的速度固定值為240 mm/s。

上料斗底部會有彈性搓動條，彈性搓動條則會以搓動的方式使輥輪旋轉(zhuǎn)，進而帶動紅棗自身進行運轉(zhuǎn)，以此實現(xiàn)對紅棗的個體化排布定向輸送[7]。處理器中，攝像頭會對紅棗所在的位置進行全方面檢測，且還能夠?qū)⑿畔鬏數(shù)絽f(xié)助處理器中，存在信息的紅棗則會處于去核區(qū)，等待同步輥輪夾持定位。而步進電機則會通過對處理器的控制，完成間接性的停滯，間歇運作的大概時間為4 s。間歇過程中，去核機能夠?qū)t棗進行全方面處理，將其核肉分離，且在處理完果核后將其傳輸至輥輪輸送鏈，并傳輸至卸料區(qū)域內(nèi)，紅棗去核自動化得以實現(xiàn)。

2 主要結(jié)構及參數(shù)設計計算

2.1 紅棗去芯機的輥輪輸送機結(jié)構與參數(shù)

2.1.1 輥輪輸送機的力學分析與尺寸參數(shù)

在自動化紅棗去核機運行中，輥輪輸送鏈運行上料期間，紅棗一般會在輥輪窩中進行自動旋轉(zhuǎn)，進一步能夠?qū)崿F(xiàn)處于平衡當中。此時傳輸速度為240 mm/s，此時紅棗排布穩(wěn)定性得到有效的提升。同時輥輪輸送鏈對紅棗排布也有一定的影響，例如輸送鏈的鏈條規(guī)格、上料的傾斜度等或輥輪尺寸參數(shù)等方面[8]。圖2所示為輥輪中紅棗排布定向力學分析示意圖，能夠明確輥輪排布定向的紅棗受力情況。

圖2 輥輪中紅棗排布定向力學分析示意圖

在凹面的輥輪窩中穩(wěn)定條件基礎上，可將紅棗在大橫徑進行計算，將Dz設置為30 mm進行計算，紅棗與輥輪的軸心線夾角θ的關系

cosθ=L1(30+D2)

(1)

式中：D2——凹面輥輪最小直徑，mm;

θ——紅棗1轉(zhuǎn)動軸心與凹面輥輪1、2轉(zhuǎn)動軸心連線的夾角，(°)；

L1——凹面輥輪軸線間距，mm。

傳輸鏈紅棗運輸?shù)倪^程中，應勻速進行，在旋轉(zhuǎn)輥輪中，紅棗以自旋轉(zhuǎn)為主。在紅棗相對穩(wěn)定時，輥輪自轉(zhuǎn)動角速度ω與v代表的輸送速度是確定的。紅棗處于動平衡狀態(tài)下，其動態(tài)平衡力學關系式如式(2)～式(6)。

ωD2=ωsDz

(2)

當θ<α：

F1sin(θ+α)=mg+F2cos(90°+θ-α)

(3)

F1cos(θ+α)=F2sin(90°+θ-α)

(4)

當θ>α：

F1sin(θ+α)+F2sin(θ-α)=mg

(5)

F1cos(θ+α)=F2cos(θ-α)

(6)

式中：Dz——紅棗最大橫徑，mm。

經(jīng)過測定，凹面輥輪對紅棗的摩擦系數(shù)為0.64。與之相鄰的紅棗間的輥輪駐足條件，首先α角度范圍為0～36°；其次，紅棗的橫徑區(qū)間為20～30 mm；最后，經(jīng)過測定，21°是紅棗物料標準的堆積角度。且物料堆積標準為靜態(tài)，基于此，能夠看出紅棗滾落的其他條件：21°<α<36°。在理論分析試驗的矯正下，選擇10A雙側(cè)耳鏈條[9]。單鏈節(jié)距離為15.875 mm，相鄰的輥輪軸心線間距L1為31.75 mm，輥輪凹面最大橫徑D1為27.5 mm，最小橫徑D2為22.5 mm，相鄰輥輪凹面最小間距L2為9.25 mm，輥輪長為32 mm，凹面輥輪輸送平面與水平面夾角α為28°。

2.1.2 輥輪輸送機的設計結(jié)構

在紅棗自動去核機中，鏈條采用單側(cè)耳鏈條，不銹鋼材質(zhì)，其輸送鏈條是由兩條鏈條組成，材質(zhì)型號304，單側(cè)的耳鏈條則由157個輥輪組成。采用4組齒輪循環(huán)轉(zhuǎn)動的方式，有序地將紅棗輸送到各區(qū)域。在上料的區(qū)域中，彈性搓動條以及輥輪輸送鏈等；在兩條鏈條當中可以在側(cè)耳夾裝轉(zhuǎn)動的輥輪，形成輥輪窩[10]。輥輪搓動彈性條，由硅膠皮和海綿相互包裹而成，與輥輪輸送鏈緊貼，運行時能夠在輥輪的帶動下，實現(xiàn)在輥輪窩中的自動旋轉(zhuǎn)上料。

2.2 紅棗去芯機的輥輪尺寸參數(shù)與機理

2.2.1 同步輥輪夾持鏈尺寸參數(shù)分析

分析自動紅棗去核機時，掌握輥輪輸送定位與機理也是極為必要的。在同步輥輪中，同步輥輪夾持鏈，主要存在與紅棗去核區(qū)輥輪輸送鏈的上方，由2條輸送鏈條組成，輸送鏈條為304不銹鋼。同時，有34個U面輥輪組成，輥輪的尺寸、規(guī)格，與去核機的輥輪輸送鏈相同，水平長度為500 mm。通過同步齒輪能夠使上下輥輪鏈條實現(xiàn)同步運動[11]。在U面輥輪當中內(nèi)部材料主要是尼龍注塑，而外部材料以彈性硅膠膜包裹為主，以凸點的方式排列，硅膠模厚度為2 mm，外側(cè)凸點的厚度為4 mm。在紅棗夾持期間，上輥輪與下輥輪的間距最大彈性緩沖量為8 mm，能夠適用于橫徑在20～30 mm的紅棗進行去核作業(yè)，在固定的間距之內(nèi)，保證紅棗的長徑與其軸心高度一致，所產(chǎn)生的誤差范圍在1.5 mm左右。如圖3所示，紅棗在輥輪的夾持結(jié)構下的受力分析示意圖[12]。在機器進行輸送運動當中，在自轉(zhuǎn)當中，紅棗的軸方向會不斷地進行調(diào)整，校準方向，保證在間歇性出現(xiàn)的時間停頓當中進行相關定位的精準度。

圖3 輥輪夾持鏈結(jié)構級紅棗受力分析示意圖

2.2.2 同步輥輪的方向定位機理分析

在分析自動紅棗去核機中同步輥輪的方向定位機理時，明確該定位機理與最小作用量原理，具有密切的關聯(lián)性。最小作用量原理，是由法國物理學家發(fā)現(xiàn)的。首先認為物體在進行自轉(zhuǎn)時，受到影響較大的自轉(zhuǎn)軸的作用量，在相關的運動體系當中，在實際當中發(fā)生的是使某作用量取自最小值的運動[13]。在此基礎上，對最小作用量原理進行優(yōu)化后，明確在東塔系統(tǒng)中與額定時間間隔情況下，在全部可能出現(xiàn)的運動軌跡當中，當最終運行的軌跡需要滿足最小作用量這一基本的原理，能將其認定成定向定位機理。根據(jù)上述定位，通過歐拉公式，進而對紅棗去核機在運輸過程當中紅棗出現(xiàn)的最小動量的相關原理的穩(wěn)定性進行研究分析。如圖4所示為紅棗去核機中紅棗的三維坐標示意圖。其中：a為紅棗三維坐標系中的x軸向半徑，b為紅棗三維坐標系中的y軸向半徑，c為紅棗三維坐標系中的z軸向半徑。

圖4 紅棗去核機中紅棗的三維坐標示意圖

在此基礎上，能夠明確建立三維坐標軸向旋轉(zhuǎn)的力距離方程如式(7)～式(9)。

(7)

(8)

(9)

式中：ωx、ωy、ωz——紅棗繞3個軸的自轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

Ixx、ωyy、Izz——紅棗圍繞三軸自轉(zhuǎn)的慣性矩，m4；

Mx——紅棗在ωx角速度下繞x軸自旋力矩；

My——紅棗在ωy角速度下繞y軸自旋力矩；

Mz——紅棗在ωz角速度下繞z軸自旋力矩。

通過對樣品尺寸加以相應的測量，最終能夠得到大部分的外形均是橢圓形。由此可以推理出，Iyy>Izz>Ixx。在重力矩的影響下，紅棗圍繞三軸的轉(zhuǎn)角速度相同，均為ω，則可得出結(jié)果。

My>Mz>Mx

(10)

(11)

式中：L——紅棗的自轉(zhuǎn)角動量，N·m·s；

M——力矩，N·m。

可得Ly>Lz>Lx

(12)

根據(jù)式(12)能夠了解到，在輥輪鏈進行輸送紅棗作業(yè)時，以x軸為中心做自轉(zhuǎn)，此時，紅棗滿足最小動量原理，并實現(xiàn)穩(wěn)定運動。要是紅棗所處的位置為水平狀態(tài)，則輥輪夾持鏈進一步會對其做出定向的排布夾持。此時，紅棗會受到不同的作用力，進而在搓動條的作用下實現(xiàn)自轉(zhuǎn)。因此，就夾持鏈的水平位置、紅棗與輸送了三部分所呈現(xiàn)出來的位置關系，能夠認定其是幾何對稱形式，即F1≈F2，F(xiàn)3≈F4。在多種力共同作用下，最終使紅棗處于平衡，進而紅棗自身的定向性水平也得到提升。

2.3 紅棗去芯機去核結(jié)構的設計

2.3.1 紅棗去核沖切的相關作用機理研究分析

通過對紅棗去核然后進行干制的分析，其特點為含糖量高，表皮成干硬的狀態(tài)，且韌性較強。同時，棗肉的黏附性相對較高，組織結(jié)構貼合緊密[14]。紅棗的去除沖切效果，與紅棗的物性特征，有密切聯(lián)系。對去核插桿進行安裝，做成質(zhì)構儀，插桿外徑為10 mm左右，其壁厚為5 mm左右。對紅棗進行相關的力學測試，通過對核開展穿刺測試，結(jié)果為其自旋速度處于靜止，此時的速度是8 rad/s。如圖5所示為插桿刀頭靜止與旋轉(zhuǎn)沖切紅棗的應力變化示意圖。

圖5 插桿刀頭靜止與旋轉(zhuǎn)沖切紅棗的應力變化示意圖

插桿在不轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下，對紅棗進行沖切時，其刀頭的沖切阻力會隨著時間的不斷延長而升高，峰值最高可達到91.15 N。當?shù)额^的自轉(zhuǎn)速度為8 rad/s時，刀頭的阻力也會在時間的延長下而升高，在時間最后的峰值最高時期能夠達到9.52 N。干制紅棗具備交稿的韌性，紅棗表面的韌性度也相對較高，因此其總體質(zhì)構效應當使縱向剪切應力必須要超過橫向剪切應力[15]。若插桿刀頭在靜止的狀態(tài)下對紅棗進行沖切，其應力應當為縱向剪切力，沖切所受到的阻力會相對較大。若插桿刀頭在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下對紅棗進行沖切，能夠?qū)t棗的表皮造成嚴重的損害，且對棗肉破壞也較為嚴重。因此，因此，通過采取8 rad/s角速度的旋轉(zhuǎn)插桿刀頭的沖切方式，以此提高沖切水平。

2.3.2 去核機的結(jié)構設計分析

在氣動式自動去核機構中，其主要由組成部分包括旋轉(zhuǎn)插桿、電磁閥、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、空氣壓縮機等。圖6為氣動式自動去核機構原理示意圖，插桿套件在進行去核旋轉(zhuǎn)時，采用并排安裝方法，安裝4個插桿。每個插桿的根部，都由軸承支撐，進而安裝1模31傳動齒輪。

圖6 氣動式自動去核機構原理示意圖

該紅棗去芯機結(jié)構所采取的工作原理為以單片機作為控制核心，達到對輥輪輸送鏈做出相應的通知，從而使紅棗可以在輥輪鏈作用下被送至去核區(qū)。間歇停止時，去核插桿刀頭對準紅棗，對其進行沖切，完成一次性的去核過程。此外，通過對理論性與試驗性分析，本次研究設計中所涉及的紅棗去核刀頭，屬于旋轉(zhuǎn)插桿式[16]。圖7為氣動式自動去核機的去核過程示意圖，插桿外徑是10 mm，厚度是0.5 mm，采用的材質(zhì)主要是304不銹鋼，同時其中的刀頭帶刃，頂桿內(nèi)部采用的是直徑為8 mm的不銹鋼實心桿。套頂桿插桿彼此間能夠進行相互滑動，四個插桿不但可以在氣缸滑臺上進行固定，同時也能在底托平臺實現(xiàn)固定。所選擇的齒輪規(guī)格是1模31齒，齒輪外徑是33 mm，相鄰齒輪間的中心距離為31.75 mm。31.75 mm。當插桿橫沖切紅棗時，紅棗可在擋棗板的作用下被穩(wěn)住，使沖切插桿能夠順利的對紅棗沖切。

圖7 氣動式自動去核機的去核過程示意圖

2.3.3 紅棗去芯機的檢測控制系統(tǒng)

此次研究設計過程中，紅棗去核采用的檢測系統(tǒng)屬于嵌入式單片機，主要組成部分包括：主處理器、協(xié)處理器、傳感器和步進電機等。其中，主處理器的內(nèi)核為ARMCortex-M4F內(nèi)核，該處理器將數(shù)字信號處理、微控制處理的功能相結(jié)合，攝像頭以OV7670為主；協(xié)處理器的體系結(jié)構為ARMv7-M的32位標準的RISC處理器。紅棗去芯機的檢測系統(tǒng)其應用的原理是單片機系統(tǒng)能實現(xiàn)對電機運行中輥輪輸送鏈的控制，達到檢測區(qū)接近開關，會在傳感器的影響下觸發(fā)主處理器，借助SCCB總線控制與攝像頭實現(xiàn)對輥輪輸送過程中的紅棗排布情況加以相應的檢測[17]。與此同時，傳感器會將紅棗的信息同步傳輸?shù)街魈幚砥髦?，在計算處理的方式下，由協(xié)處理器帶動核位間歇停止，使去核插桿與紅棗之間可以實現(xiàn)精準定位，進而完成紅棗去核。

3 機具的實際效果及創(chuàng)新點

3.1 機具的實際效果分析

3.1.1 機具的試驗方案設計

在分析機具試驗的實際效果時，要對試驗方案進行合理的設計。以手工的方式，選取橫徑范圍、縱徑范圍分別在20～30 mm、35～45 mm的干制紅棗總量為480顆，將其進行分組，可分為6組，各個組的紅棗個數(shù)為60顆，最后將其放入至式設備中進行試驗。在進行試驗過程中設置輥輪輸送鏈本身的運動速度是240 mm/s，同時輥輪夾持鏈長共計500 m，電機運行周期是4 s，刀頭是并排四個旋轉(zhuǎn)插桿，分別對四個方向的紅棗完成去核。去核樣機的系統(tǒng)控制流程如圖8所示。

圖8 樣機的系統(tǒng)控制流程

如圖9所示為紅棗去核機構在進行去核的示意圖，分別對試驗中紅棗的破碎率指標、去核率和排布定向率數(shù)據(jù)進行定向分析，實現(xiàn)對樣機去核性能的綜合評價。

圖9 紅棗去核機構去核的示意圖

3.1.2 機具的試驗結(jié)果分析

通過對機具的試驗結(jié)果分析，能夠明確機具的去核試驗效果較好。表1為機具去核試驗結(jié)果，根據(jù)表中相關數(shù)據(jù)能夠明確，在全部的6組試驗樣本當中，平均定向數(shù)量的紅棗為78.76顆，定向率約為97.80%；平均的紅棗去核數(shù)是76.67顆，去核率達到93.75%；在去核過程中的破碎量平均破碎率是1.46%。

表1 機具去核試驗結(jié)果

根據(jù)以上研究結(jié)果，對定義定向率的公式進行總結(jié)。

定向率=紅棗長徑縱向排布個數(shù)/疏松紅棗樣本總數(shù)×100%

(13)

從本次試驗研究的結(jié)果能夠看出，機具輥輪輸送鏈輥輪夾持鏈的定向效果、上料個體排布較好，因此能夠達到最初設計目的[18]。在進行紅棗去核的過程當中，紅棗自身的定向效果對去核效果造成的影響較大，因此有6顆紅棗出現(xiàn)相對瘦長，而且在夾持輥輪中橫徑面表現(xiàn)，明顯存在偏低的現(xiàn)象，導致插桿到頭在沖切時偏向，也在一定程度上導致了紅棗的破碎。因此，保證紅棗在沖切時的出現(xiàn)切口比較平整，棗肉的撕裂情況較小。綜合以上研究結(jié)果，證實無論是去核率還是破碎率，樣機均達到了設計的要求[19]。

3.2 機具設計的創(chuàng)新點

本次研究設計的機具創(chuàng)新點體現(xiàn)為：第一，借助U型凹槽，充分提高了紅棗上料、定位方法的簡單性與快捷性，定位準確性較高、抗干擾能力較強。同時，能夠?qū)t棗直接去核，并不需要對紅棗進行預先分揀。第二，有效改進了當前去核機普遍存在的缺陷問題。機具的適應性較強，能夠解決棗核殘留的問題，同時降低棗的破碎率。

4 結(jié)論

近年來，在人們生活水平日益提升的基礎上，人們逐漸加強對物質(zhì)生活的重視。與此同時，人們已經(jīng)關注蔬果的去核。在此種情況下，學術領域中已經(jīng)加強對蔬果去核設計的研究，不僅對蔬果去核水平有重要的影響，同時也能夠在一定程度上促進生產(chǎn)加工行業(yè)的發(fā)展。但是，在多種因素的影響下，關于蔬果去核的設計研究，仍存在些許的不足之處，導致蔬果的去核水平偏低。在此次基礎上，加強對蔬果自動去核機具的設計與研究，是極為重要的。本次研究中，針對當前蔬果去核機具的設計研發(fā)現(xiàn)狀，以紅棗為例，分析了氣動式自動紅棗去核機具的設計。本次研究中，根據(jù)已有的研究現(xiàn)狀和具體情況，展開了對氣動式自動去核機的設計，從比較全面的角度上實現(xiàn)了對紅棗的自動上料和排布。通過研究結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，紅棗去芯機擁有超過98% 的定位準確率，通過對紅棗進行去核試驗，去核成功率能夠達到93.7%，破碎率不超過1.5%。由此研究結(jié)果能夠看出，研究設計的氣動式自動化去核機具對紅棗的去核效果較好。同時，在本次研究中，所研究的去核機具中，4個插桿處于同一平面當中，進而能夠?qū)?個紅棗同時進行沖切，沖切的大小與輥輪夾持鏈的空間差距是一致的。所以，在選擇紅棗時，盡量保持紅棗外形類似。此外，借助圖像檢測、機械裝置相結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對紅棗的精準性定位，提高紅棗的沖切率。為此，日后在對紅棗進行去核時，可采用本次研究的鏈式氣動式?jīng)_切自動化干紅棗去核機。