譚偉超，姚 屏

（1.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東江門 529090；2.廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣州 510000）

0 引言

柑普茶是近十年在茶葉市場上新崛起的本土特產(chǎn)茶[1-2]。目前，柑普茶基本以人工制作為主，將青柑開蓋去除其果肉形成果皮，沖洗干凈后，將普洱茶從開蓋口裝入至青柑內(nèi)部，進(jìn)行曬干，最后用包裝紙對(duì)其進(jìn)行包裝[3]。國內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)去頂開蓋和果肉分離裝置較少，普遍采用刀具或以高壓沖水的傳統(tǒng)開蓋挖肉方式來實(shí)現(xiàn)[4-6]，容易造成果皮損壞和果肉去除不干凈等問題。

針對(duì)上述問題，基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程向自動(dòng)化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)和以人為本的理念[7-9]，設(shè)計(jì)一種基于氣動(dòng)技術(shù)和PLC控制技術(shù)的機(jī)械鏈?zhǔn)蕉喙の粴鈩?dòng)開蓋挖肉裝置，創(chuàng)新設(shè)計(jì)可微調(diào)開蓋挖肉機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)上偏心吹氣機(jī)構(gòu)的挖肉刀[10-11]。為柑普茶加工業(yè)中果肉自動(dòng)剝離設(shè)備的研制和發(fā)展提供理論依據(jù)和參考，提高柑普茶的制作效率。

1 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，裝置由PLC控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置組成，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置主要由開蓋機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)工位機(jī)構(gòu)、挖肉機(jī)構(gòu)、壓果機(jī)構(gòu)、落蓋機(jī)構(gòu)、落肉機(jī)構(gòu)、落料機(jī)構(gòu)和伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。采用機(jī)械鏈?zhǔn)蕉喙の唤Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別是上料工位、開孔開蓋工位、挖肉工位和落料工位。以伺服電機(jī)作動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確位置控制，只需人工從右側(cè)放置柑果，經(jīng)伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳送至各個(gè)加工工位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開蓋、自動(dòng)開孔，自動(dòng)挖肉和自動(dòng)落料等加工工序，如圖2所示。

圖1 機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of mechanical device

圖2 加工工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of processing technology

1.2 工作原理

如圖3所示，首先將青柑放置到柑果膠座上，柑果膠座有一定彈性，適應(yīng)橫徑35～55 mm的青柑，PLC根據(jù)傳感器的信號(hào)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，柑果膠座在伺服電機(jī)帶動(dòng)下移動(dòng)至開蓋機(jī)構(gòu)上方；然后前壓果機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)固定柑果，PLC控制上升氣缸動(dòng)作，上升氣缸推動(dòng)開蓋刀旋轉(zhuǎn)座向上移動(dòng)，開蓋刀安裝在開蓋刀旋轉(zhuǎn)座上，在調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)環(huán)切青柑，并進(jìn)入青柑內(nèi)部，果皮蓋卡在開蓋刀刃上，退刀時(shí)，將青柑蓋和青柑肉直接分離；最后開蓋完成后進(jìn)入挖肉工位，PLC控制上升氣缸動(dòng)作，挖肉刀向上移動(dòng)進(jìn)入已完成開蓋的青柑內(nèi)部，在調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，挖肉機(jī)構(gòu)在氣缸作用下做上下往復(fù)的升降運(yùn)動(dòng)，利用旋轉(zhuǎn)球狀的挖肉刀把青柑內(nèi)部開蓋后剩下的果肉吹碎。

圖3 工作原理Fig.3 Working principle

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 壓果機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓果機(jī)構(gòu)分為前壓果機(jī)構(gòu)和后壓果機(jī)構(gòu)，前壓果機(jī)構(gòu)用于固定柑果和在柑果頂部開一個(gè)直徑為5 mm的小通孔。青柑頂部圓孔的作用是通風(fēng)和干燥，方便后續(xù)的柑普茶曬干；而后壓果機(jī)構(gòu)則用于挖肉加工。

前壓果結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)青柑移動(dòng)到開蓋工位時(shí)，前壓環(huán)和小開孔柱在氣缸帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，前壓環(huán)向下垂直方向壓縮，從而固定青柑，前壓環(huán)內(nèi)有壓環(huán)彈簧，可緩沖垂直向下的壓縮力，減少對(duì)青柑沖擊。同時(shí)前壓環(huán)繼續(xù)壓縮彈簧，小開孔柱繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，在青柑頂部完成開孔。在壓板立柱中部位置安裝有光電傳感器，在壓果氣缸到位后，把檢測(cè)信號(hào)送給PLC，PLC控制開蓋機(jī)構(gòu)動(dòng)作?？烧{(diào)節(jié)壓板立柱上的螺母高度，以改變壓果的松緊度。

圖4 壓果機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 Design of pressing mechanism

2.2 開蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

開蓋機(jī)構(gòu)如圖5所示。柑果移動(dòng)至開蓋工位后，上升氣缸安裝板在氣缸帶動(dòng)下向上移動(dòng)，開蓋刀安裝在旋轉(zhuǎn)座上，旋轉(zhuǎn)座安裝板固定開蓋刀旋轉(zhuǎn)座，開蓋刀跟隨上升氣缸安裝板向上移動(dòng)，開蓋刀環(huán)切柑果。到位后，直流調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪通過驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪帶動(dòng)開蓋刀高速旋轉(zhuǎn)，開蓋刀在電機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力下環(huán)切切入青柑內(nèi)部較深的位置。開蓋刀管內(nèi)直徑大于錐形底部，形成階梯孔軸肩，開蓋刀退刀時(shí)，階梯孔軸“倒鉤”將青柑蓋和青柑果肉從青柑內(nèi)部拉出。由于開蓋刀進(jìn)入青柑內(nèi)部比較深的位置，在退刀過程中，開蓋刀的階梯孔軸肩內(nèi)部堆疊的果肉排落到落蓋機(jī)構(gòu)，開蓋產(chǎn)生的殘留果肉和果蓋，經(jīng)過排蓋板流進(jìn)廢料收集槽，以便收集。

圖5 開蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Design of cover opening mechanism

開蓋刀高度可自由調(diào)節(jié)，并可微調(diào)青柑開蓋口的大小，通過調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)速度改變開蓋刀的旋轉(zhuǎn)速度，優(yōu)化青柑開蓋效果。

2.3 挖肉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖6所示，挖肉刀采用中空管狀結(jié)構(gòu)，呈球狀，上端設(shè)計(jì)與水平面夾角呈45°的斜面上偏心吹氣孔，挖肉刀進(jìn)氣轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩端連接進(jìn)氣口和上偏心吹氣孔，高壓氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入，從上偏心吹氣孔排出。上升氣缸安裝板推動(dòng)挖肉刀進(jìn)入開蓋后的青柑內(nèi)部后，直流調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪通過驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪帶動(dòng)挖肉刀高速旋轉(zhuǎn)。上升氣缸安裝板在上升氣缸帶動(dòng)下，上下往復(fù)移動(dòng)3 s，上偏心吹氣孔開始吹氣，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)保持吹氣3 s，旋轉(zhuǎn)的球狀挖肉刀把青柑內(nèi)部開蓋剩下部分的果肉吹散。開蓋刀直徑大于挖肉刀直徑，殘余的果肉從開蓋口排出，旋轉(zhuǎn)座安裝板下方是落肉機(jī)構(gòu)，高壓氣槽向落肉機(jī)構(gòu)周圍吹出高壓氣體，將多余的果肉殘?jiān)档綇U料收集槽，方便收集。

圖6 挖肉機(jī)構(gòu)原理圖Fig.6 Schematic diagram of pulp digging mechanism

3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)原理如圖7所示。氣動(dòng)系統(tǒng)主要由氣源、氣動(dòng)三聯(lián)件、電磁閥、單向節(jié)流閥和氣缸組成，選用亞德客SU50X200-S型和SC32X50型氣缸各2個(gè)、亞德客SC32X50型氣缸8個(gè)和4V210-08型單控電磁閥6個(gè)。氣缸缸筒上均安裝有磁性開關(guān)，通過PLC接收各傳感器的信號(hào)，判斷柑果加工的極限位置，從而控制各個(gè)電磁閥的通斷，控制各個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)順序，以滿足加工要求的動(dòng)作。每個(gè)氣缸安裝單向節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸伸縮速度的控制，保證設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性。每運(yùn)行1次加工需消耗較大的氣量，為提高生產(chǎn)效率，分別添加2個(gè)30 L的儲(chǔ)氣罐。

圖7 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of pneumatic system

氣動(dòng)系統(tǒng)工作順序：前壓果氣缸伸出→開蓋氣缸上升→前壓果氣缸縮回→開蓋氣缸縮回→后壓果氣缸伸出→挖肉氣缸上升→挖肉刀吹氣→后壓果氣缸縮回→挖肉氣缸縮回、挖肉刀停止吹氣。

4 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于裝置的動(dòng)作順序和控制要求，選擇人機(jī)界面與可編程控制器PLC聯(lián)機(jī)控制，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入點(diǎn)數(shù)為12個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為11個(gè)，選用三菱FX3U-32MT型控制器。FX3U-32MT型自身帶有16路輸入點(diǎn)和16路輸出點(diǎn)，輸出形式為晶體管輸出[12]。該型號(hào)PLC處理速度快、價(jià)格適中，可用于控制伺服驅(qū)動(dòng)器、電磁閥和繼電器。

傳動(dòng)柑果的電機(jī)采用臺(tái)達(dá)ECMA-E113-10ES型伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ASD-B2-1021-B，伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC、I/O輸入輸出接線如圖8所示。Y0為脈沖信號(hào)輸出，控制伺服電機(jī)的位移量；Y1為脈沖方向信號(hào)，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置：P0-02為00，P1-00 為 2，P1-01 為 00，P1-44 為 1，P1-45為 1，P2-00 為 35，P2-02 為 5000，其他參數(shù)可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整。

圖8 I/O接線圖Fig.8 I/O wiring diagram

挖肉和開蓋電機(jī)為單相調(diào)速電機(jī)（1：5減速箱），功率為90 W。圖8中KA1和KA2為中間繼電器，通過PLC控制挖肉電機(jī)和開蓋電機(jī)的啟停。

5 HMI軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用昆侖通態(tài)TPC7062TD型觸摸屏作為人機(jī)界面，界面包括自動(dòng)運(yùn)行界面、手動(dòng)操作界面、參數(shù)設(shè)定界面和I/O監(jiān)控界面，如圖9所示。自動(dòng)運(yùn)行界面可進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位、啟動(dòng)和停止等操作，當(dāng)前生產(chǎn)效率和產(chǎn)量也可以在該界面實(shí)時(shí)顯示。手動(dòng)操作界面用于調(diào)試、維修和保養(yǎng)，可顯示當(dāng)前位置和點(diǎn)動(dòng)速度，此外還使用一些指示燈，用于顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。參數(shù)設(shè)定界面主要設(shè)置伺服速度、開蓋位置、挖肉位置、挖肉電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和開蓋電機(jī)運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)。

圖9 自動(dòng)和手動(dòng)界面Fig.9 Automatic and manual interface

I/O監(jiān)控界面用于監(jiān)控當(dāng)前的傳感器狀態(tài)和氣缸狀態(tài)，便于現(xiàn)場調(diào)試以及故障排查。通過觸摸屏設(shè)置相關(guān)參數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備參數(shù)調(diào)整的方便性。

6 試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)設(shè)計(jì)完成樣機(jī)的研制，如圖10所示。為驗(yàn)證氣動(dòng)挖肉裝置的整體工藝性和運(yùn)行可靠性，試驗(yàn)采用江門新會(huì)地區(qū)8-9月生產(chǎn)的小青柑，果實(shí)橫徑 35～55 mm，質(zhì)量 20～50 g。

圖10 柑普茶氣動(dòng)開蓋挖肉裝置Fig.10 Pneumatic cover opening and meat digging device for citrus tea

6.2 加工參數(shù)優(yōu)化

挖肉刀的旋轉(zhuǎn)速度、升降速度和氣孔直徑?jīng)Q定果肉的去除率。在柑果加工試驗(yàn)過程中，分別通過點(diǎn)動(dòng)與自動(dòng)的工作模式對(duì)設(shè)備多個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到最優(yōu)的柑果加工參數(shù)，如表1所示。

表1 挖肉刀最佳參數(shù)設(shè)置Tab.1 Best parameter settings

6.3 加工試驗(yàn)

加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 加工試驗(yàn)Tab.2 Processing test

7 結(jié)語

目前該裝置已研制成功，在廣東江門新會(huì)區(qū)完成測(cè)試和使用，提高了加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為柑普茶加工裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)提供技術(shù)參考。裝置的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)如下：

（1）相比人工開蓋挖肉，設(shè)計(jì)的方案在生產(chǎn)效率和果皮損傷率等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)試驗(yàn)，挖肉干凈率達(dá)97%以上，生產(chǎn)效率是現(xiàn)有人工的5倍，可適用于不同大小的柑果加工。

（2）根據(jù)柑果加工試驗(yàn)情況，驗(yàn)證了氣動(dòng)系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)能夠達(dá)到柑果加工的可靠性和穩(wěn)定性的要求。

（3）通過試驗(yàn)，分別確定挖肉刀的吹氣壓力、旋轉(zhuǎn)速度、升降速度和氣孔直徑等主要參數(shù)的最佳值?？蓛?yōu)化柑果開蓋大小和挖肉效果，有利于減少調(diào)整電氣或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便維護(hù)和調(diào)試。