金行龍+殷錕+張小康+曹鴻鵬

摘 要：針對現實需求，文中設計了一款全自動穿串機，該穿串機由推簽氣缸，推簽杠，升降滑塊等組成。經驗證，該穿串機在理想狀況下的速度可達4 000串/h，極大地提高了穿串速率并節(jié)約了人力成本，具有較大的應用價值與較廣闊的發(fā)展前景。

關鍵詞：自動化；單片機；氣缸

1 作品簡介

該產品是一種多用途高效穿串機，由推簽氣缸、推簽杠、升降滑塊等組成。推簽氣缸固定在長方形底座的后部中間位置，推簽氣缸內部的伸縮推桿連接著長條形的推簽杠，推簽杠的前部有固定在底座上的滑塊導軌和升降滑塊及穿串上模。升降滑塊連接滑塊氣缸，升降滑塊的下方，在底座上固定著分段的橫向車軌道和運載橫向車，底座前部設有前排橫向車軌道，底座左側后部固定著左縱向車氣缸和前部連接的左縱向車。本產品可在竹簽上穿制各種肉串、軟骨串、海味串或其它食品串。

本產品可以在很大程度上實現穿肉的自動化，解放勞動力。且該產品體積小，效率高，適用于中小型燒烤店，具有很大的實用價值。穿串機如圖1所示。

2 工作原理

2.1 項目主要結構

文中設計的自動穿串機包括上料機構，傳送機構，自動擺簽機構和穿插機構。由電動機提供動力源，運用單片機及液壓氣壓控制機傳動。

2.1.1 主要機構

（1）上料機構

上料機構由肉塊或其他食品的擺放模具（下模盒體）和固定肉塊位置的上模盒體組成，可保證穿插過程的穩(wěn)定性與精確性。

（2）傳送機構

傳送機構可有效保證下模盒體能夠精確與上模合體配合，同時自動輸送與輸出上模合體，大大提高了生產效率。

（3）自動擺簽機構

排簽盒與排簽板接觸，通過曲柄滑塊機構實現排簽盒的運動，排簽盒空隙與排簽板的簽槽重合時，下簽控制器作用，自動下簽，實現擺簽。

（4）穿插機構

穿針在排簽板內由于壓簽推板的作用可實現穿插肉塊的功能。

2.1.2 電動機及電磁離合器

由于該設計由電動機提供動力，所以應根據設計要求計算好電動機的參數，配備電磁離合器，實現機械傳動與液壓傳動雙向驅動。

2.1.3 時間繼電器

為了讓電動機按照一定的方式工作，使其實現“自動”功能，必須用單片機設計程序或通過PLC來控制整個系統的運行，也可直接用時間繼電器控制。由于時間繼電器具有使用簡單、方便等特點，故選擇時間繼電器。

2.2 項目的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析

2.2.1 上料機構的選擇及設計

（1）下模盒體

下模盒體由聯動體、調節(jié)器等部分組成。通過轉動調節(jié)器即可調節(jié)間距（通過轉動調節(jié)器帶動齒輪軸間接帶動齒條運動即可調節(jié)間距），實現模仁多樣功能。下模盒體如圖2所示。

（2）上模合體

上模盒體通過液壓驅動，與下模盒體配合。上模盒體的固定板下降與肉塊接觸，保證穿插過程的精確性與穩(wěn)定性。

2.2.2 傳送機構的設計

下模合體由聯動體、調節(jié)器等組成。通過轉動調節(jié)器即可調節(jié)間距（通過轉動調節(jié)器帶動齒輪軸間接帶動齒條運動，即可調節(jié)間距），實現模仁功能多樣性。帶傳動圖如圖3所示。

（1）皮帶輪傳動（V帶）

電磁離合器控制電機輸出軸聯接皮帶輪的V帶，通過皮帶輪將穿串機下部的輸出動力輸送到上部，皮帶輪轉動，通過輸送軸將動力輸送到其他部分。

（2）傳送帶傳送（平帶）

傳送帶平帶與皮帶輪輸出軸相連，軸的轉動帶動平帶轉動，傳送帶與下模盒體聯接，帶的運動帶動下模盒體的運動，從而實現與上模盒體的配合。傳送帶的傳動效果平穩(wěn)、準確，有力保障傳送效果。

2.2.3 穿插機構

穿插機構如圖4所示。模具一次可排多個簽子，不僅提高了效率，還節(jié)約了能源。

1.簽子 2.壓簽觸頭 3.上壓板 4.壓簽板 5 .排簽板

從圖5中可以看到，簽子既不在壓簽板和排簽板形成的形腔內，也不在上壓簽板與排簽板形成的形腔內。當液壓缸動作時，簽子的一端與壓簽觸頭接觸，一端在上壓簽板與排簽板形成的形腔內，因此在穿菜或穿其它食品的過程中，簽子受力出現微小彎曲，如圖5所示。

此時將簽子從排簽板的槽中推出，此后，壓缸在電磁閥換向動作后，反向運動，當壓簽板反向運動到預定位置時，上模盒體向上運動帶動上壓簽板向上運動，脫離排簽板。

2.2.4 自動擺簽機構的設計

（1）排簽盒的設計

當曲柄滑塊機構運動時，排簽盒體也一起運動，運動一段很小的距離后排簽盒體底部與排簽板接觸，此時的下簽控制器抵抗彈簧力順時針轉動，下簽控制軸同向轉動，下簽控制觸頭亦同向轉動，如圖7所示。此時下簽間隙打開。

（2）曲柄滑塊機構

皮帶輪轉動帶動曲柄轉動，利用曲柄滑塊機構的運動特點，實現滑塊的往復運動。而排簽盒就相當于滑塊，可在排簽板上往復運動，實現擺簽。曲柄滑塊機構如圖8所示。

2.3 液氣控制原理設計

液壓控制原理如圖9所示。虛線左邊為上壓板控制；右邊為壓簽板控制。

1.油缸；2.油缸；3.單向閥；4.2位3通電磁閥；5.2位3通電磁閥；6.2位4通電磁閥；7.2位3通電磁閥；8.3位4通電磁閥

圖9 液壓控制原理圖

（1） 上壓板工作系統控制說明

圖中8為3位4通閥，中位機選擇O型是因為驅動上壓板的液壓缸不工作時會自鎖，保持其工作位置；其它兩換向位分別控制上行和下行；7為2位3通閥，可通過換向接通不同的工作系統。

（2） 壓簽板工作系統控制說明endprint

如圖9虛線右邊所示，其為帶補償措施的串聯液壓缸同步回路。當2為4通電磁閥右位接入時，兩液壓缸活塞同時下行，若缸1的活塞先運動到底，它就觸動行程開關a使閥5通電，壓力油經閥5和液控單向閥3向缸2的B腔補油，推動活塞運動到底，消除誤差。若缸2先到底，則觸動行程開關b使閥4通電，控制壓力油使液控單向閥回油，活塞即可繼續(xù)運動到底。

2.4 單片機控制設計

（1） 具體實現方法

采用接受和忽略中斷進行控制。P0口作為數據輸出口，工作時，單片機接受響應，將P0置數，P0口再輸出相應的控制數據，通過一個邏輯電路做相應的邏輯運算來控制各對應驅動終端的運動狀態(tài)。P0口輸出結構功能設計見表1所列。

1.3位4通電磁閥閥；2.2位3通電磁閥；3.2位4通電磁閥

2.5 工作原理小結

備料模塊由30 W交流電機、傳送帶、上下模具組成。

傳送帶在30 V交流電機的帶動下將帶有原料的下模與上模重合，上模下移完成壓模，等待打簽，打簽結束后，上下模分開，穿好的肉串被傳送帶送出。

經過多次實驗，我們加密了下模的溝回，并將上模做成針狀方便肉的壓實，且能適應更多肉類。

備簽模塊由滾筒式上簽器，備簽槽，壓簽器組成。

滾筒式上簽器在15 V交流電機的帶動下滾動并將放在備簽槽中的竹簽嵌入槽中，壓簽器的運動可保證一槽一簽，防止多簽入槽，引發(fā)失誤。竹簽到位后觸發(fā)光電傳感器，停止動作，完成備簽。

打簽模塊由打簽板，氣動裝置，導簽器，接觸限位開關組成。

備料與備簽就緒后，汽缸帶動打簽板推動竹簽沿槽運動，完成打簽。

為了保證打簽過程順利進行，避免折簽的狀況出現，我們在竹簽入口處設置了導簽器，以使快速移動的竹簽準確插入肉中。

動力模塊由電機和氣動系統組成。

（1）電機：在備料與備簽過程中，由于電機帶動傳送帶移動與滾筒式上簽器的運動比較慢，需要隨時停止，隨時啟動，故采用小功率交流電機作為動力。

（2）氣動系統：打簽與壓模過程中運動均為直線，需要較大的壓力與較快的速度，所以選用由汽缸、空壓機組成的氣動系統作為動力。

控制模塊作為整個串肉機五大模塊有效配合的中心，控制系統是完成所有動作的保證。我們采用單片機作為控制中心，配合五大電渦流傳感器與一個激光回歸反射式光電傳感器，共同完成整個系統的控制。

3 創(chuàng)新點

（1）功能完備、衛(wèi)生安全：采用先進的單片機技術，放置傳感器進行閉環(huán)控制，使氣動與電動相結合，實現自動上簽，自動穿肉。

（2）適應性廣：適用于各種簽類，能穿各種串制品；通過使用不同的模具調整肉串長短。

（3）穩(wěn)定性強：采用直流電機和氣壓泵，附加電磁離合器，保證動力輸出的穩(wěn)定性。壓模結構的設計提高了穿串的精確度與穩(wěn)定性。

（4）省空間、高效率：合理的空間布局與模塊化設計大大節(jié)省了占地空間，4 000串/h的效率大量節(jié)約了人力資源。

4 市場前景

（1）通過單片機和安裝在各運動末端中斷按鈕的有效結合實現了自動穿串，不僅減少了額外的能源消耗，同時還減輕了原始人工的勞力負擔。

（2）多種菜品自動穿串的實現，使得自動穿串機的實用范圍大大增加，大大提高了穿串機的實用性和可推廣性。

（3）進行虛擬運動仿真后，加上額外人工填充時間，在理想的工作情況下，基本效率是720串/min，能達到餐廳在不使用保鮮柜的條件下滿足即時需求，提高效率并減少經濟成本的要求。

（4）應用范圍：面向個體燒烤店的串制品加工，安全衛(wèi)生，效率較高；面向工廠-超市-家庭供貨的工廠化串制品生產；燒烤連鎖店的集中供貨生產，節(jié)約成本。

目前國內和國外的市場上都還沒有類似的自動穿串設備，該全自動穿串機一旦大規(guī)模投入市場，將會很大程度解決我國餐飲業(yè)穿串緊張的問題，并取得世界領先地位。endprint