劉瑞歌，宋 鋒，范丁文

（濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600）

0 引言

肉串是中國的特色食品，以其風(fēng)味獨(dú)特、食用方便而受到廣大消費(fèi)者的喜愛，尤其在炎熱的夏季，燒烤已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪械男蓍e方式之一［1］。隨著地?cái)偨?jīng)營的開放，肉串的需求量供不應(yīng)求［2-3］。目前國內(nèi)肉串加工方式主要以手工和半自動(dòng)穿串為主［4-7］，主要存在以下問題：勞動(dòng)強(qiáng)度大、食品衛(wèi)生安全性差、生產(chǎn)效率低，不利于大批量生產(chǎn)［8-9］。為克服以上不足，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的小型自動(dòng)穿串機(jī)。

穿串機(jī)采用直流減速電機(jī)、推桿電機(jī)、激光傳感器、紅外傳感器與電磁鐵等器件配合帶傳動(dòng)［10］，巧妙利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)使盛簽盒不斷處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在單片機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、停止、穿串、補(bǔ)簽等功能，實(shí)現(xiàn)穿串的自動(dòng)化，從而達(dá)到解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率的目的，有一定的應(yīng)用和參考價(jià)值。

1 自動(dòng)穿串機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)穿串機(jī)是集自動(dòng)傳輸肉塊、定點(diǎn)停止、快速插簽、自動(dòng)補(bǔ)充竹簽的一體化自動(dòng)穿串機(jī)器。由整體骨架和六大功能模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。六大功能模塊分別為傳送機(jī)構(gòu)、光電傳感器識(shí)別機(jī)構(gòu)、電動(dòng)推桿扣合機(jī)構(gòu)、自動(dòng)補(bǔ)簽機(jī)構(gòu)、滑塊頂針機(jī)構(gòu)以及STM32單片機(jī)控制機(jī)構(gòu)，具有重量輕、易于組裝、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。傳送帶位于最左邊，電動(dòng)推桿扣合機(jī)構(gòu)位于傳送機(jī)構(gòu)的上方，以實(shí)現(xiàn)肉塊定點(diǎn)停止后的固定待穿工作。自動(dòng)補(bǔ)簽機(jī)構(gòu)位于機(jī)器中部，由12V減速電機(jī)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、盛簽盒、滑軌和底部帶有矩形空腔的底板組成?；瑝K頂針裝置位于機(jī)器右邊，處于底板同一水平面。STM32單片機(jī)控制機(jī)構(gòu)位于機(jī)器的右下角。該布局具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多種功能。

圖1 自動(dòng)穿串機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of automatic threading machine

1.2 工作原理

在放簽盒內(nèi)放入竹簽。將整理好的肉塊放在盛肉板上，將盛肉板放到傳送帶上，點(diǎn)擊開始按鈕，減速電機(jī)帶動(dòng)同步輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，盛肉板在皮帶的帶動(dòng)下向右傳動(dòng)。當(dāng)位于盛肉板左側(cè)的激光傳感器檢測到運(yùn)動(dòng)中盛肉板上的特殊標(biāo)記時(shí)，減速電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶使盛肉板平緩?fù)Ｏ?。推桿電機(jī)伸出，上蓋板下壓，與盛肉板扣合，形成一個(gè)特殊的間隙，物料被緊緊固定在其間。放簽盒上的步進(jìn)電機(jī)開始帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，促使放簽盒內(nèi)的竹簽單根撥出，直到位于齒輪下游的紅外傳感器檢測到有單根竹簽通過，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。單根竹簽落入放簽盒下方的盛簽盒中，電磁鐵被吸下彈，使橡膠壓板壓住竹簽，給竹簽一個(gè)向下的力。曲柄搖桿在減速電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，搖臂連接在盛簽盒上，盛簽盒被固定在不銹鋼三節(jié)軌道上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)盛簽盒下底板上的槽口與盛簽板上的槽口重合，竹簽被擠入盛簽板的凹槽內(nèi)，隨后曲柄搖桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)，下底板將槽口蓋住，形成一個(gè)密閉的空間，防止頂針與竹簽發(fā)生錯(cuò)位，電磁鐵失電回彈，橡膠壓板上提。直流減速電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭螺母帶動(dòng)滑塊做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，滑塊上的頂針頂著竹簽順利從盛肉板與上蓋板的空隙中穿過，將肉塊穿串。在盛肉板與盛簽板之間有一紅外傳感器，在機(jī)器進(jìn)行推簽動(dòng)作時(shí)，若未識(shí)別到竹簽經(jīng)過，則盛簽盒內(nèi)的竹簽未進(jìn)入盛簽板的凹槽內(nèi)，機(jī)器重復(fù)曲柄搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)及以后動(dòng)作。隨后，直流減速電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，法蘭螺母帶動(dòng)滑塊退回，回到初始狀態(tài)，推桿電機(jī)回縮，上蓋板抬起，減速電機(jī)恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，盛肉板恢復(fù)移動(dòng)，機(jī)器完成一個(gè)周期，激光傳感器等待下一個(gè)特殊標(biāo)記點(diǎn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 識(shí)別裝置

雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，能檢測極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)［11］。激光漫反射傳感器是新型數(shù)字量激光測量儀器，可用來識(shí)別灰度，優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量，速度快、精度高、量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等，為機(jī)器精確運(yùn)轉(zhuǎn)打下了基礎(chǔ)。全自動(dòng)穿串機(jī)利用黑色砂紙做底，散射能力強(qiáng)，在砂紙的指定部位粘貼反光膜，激光脈沖照射到砂紙上，元件接收的散射光不足以被識(shí)別，在經(jīng)過反光膜時(shí)，激光脈沖大部分被反射回元件，被識(shí)別到，產(chǎn)生電信號(hào)的變化。紅外傳感器采用E3F-DS30C4型漫反射感應(yīng)直流光電開關(guān)，在檢測到有竹簽經(jīng)過時(shí)，發(fā)送信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)［12］。多種傳感器搭配使用，即降低了機(jī)器的制作成本，又物盡其用，使機(jī)器能協(xié)調(diào)運(yùn)作。

2.2 自動(dòng)排簽補(bǔ)簽裝置

減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄搖桿在減速電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，搖臂連接在盛簽盒上，盛簽盒被固定在不銹鋼三節(jié)軌道上，開始做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)盛簽盒下底板上的槽口與盛簽板上的槽口重合時(shí)，竹簽被擠入盛簽板的凹槽內(nèi)，隨后曲柄搖桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)，下底板將槽口蓋住，形成一個(gè)密閉的空間，可以防止頂針與竹簽發(fā)生錯(cuò)位，電磁鐵失電回彈，橡膠壓板上提［13］。直流減速電機(jī)開始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，法蘭螺母帶動(dòng)滑塊做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，滑塊上的頂針頂竹簽順利從盛肉板與上蓋板的空隙中穿過，將肉塊穿串。在盛肉板與盛簽板之間有一紅外傳感器，在機(jī)器進(jìn)入推簽動(dòng)作時(shí)，若未識(shí)別到竹簽經(jīng)過，即可判斷為盛簽盒內(nèi)的竹簽未進(jìn)入盛簽板的凹槽內(nèi)，則曲柄搖桿重復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，開始后續(xù)動(dòng)作流程。

自動(dòng)補(bǔ)簽裝置原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)補(bǔ)簽裝置Fig.2 Automatic stick replenishment device

自動(dòng)補(bǔ)簽分為多個(gè)過程，首先是放簽盒內(nèi)將單個(gè)竹簽分離出來，隨后分離出來的竹簽進(jìn)入盛簽盒被電磁鐵壓住后隨盛簽盒往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過盛簽板槽口時(shí)落入槽口最后被下底板壓住，完成自動(dòng)補(bǔ)簽。

2.3 肉塊固定裝置

圖3中移動(dòng)式PE盛肉板可靈活取拿擺放、清洗方便、可隨意變換種類，滿足不同的需求。邊緣涂有供激光傳感器識(shí)別的特殊標(biāo)記，可與上蓋板配合形成特殊空腔，用來固定物料。上蓋板采用食品級(jí)ABS樹脂材料，輕盈又堅(jiān)韌，能抵御強(qiáng)烈的撞擊，柔韌性好，接觸食物安全，用來配合盛肉板完成物料的固定，效果極佳。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿，推桿有200 mm行程，推力達(dá)到1 300 N，合金材質(zhì)，伸縮動(dòng)作平穩(wěn)，可為上蓋板提供足夠的動(dòng)力完成下壓動(dòng)作。

圖3 肉塊固定裝置Fig.3 Meat fixing device

食品級(jí)ABS材料接觸物料更加衛(wèi)生，靈活的扣合模式可以適合多種物料穿串作業(yè)。

2.4 進(jìn)給裝置

如圖4，采用12V775型直流減速電機(jī)，帶動(dòng)絲杠強(qiáng)力轉(zhuǎn)動(dòng)。T8型絲杠配套螺紋法蘭，將絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)為法蘭塊的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)?；壟涮谆瑝K與法蘭以特殊形式聯(lián)接，法蘭帶動(dòng)滑塊做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。直徑為8mm的光軸，長為400 mm，與滑塊通過焊接聯(lián)接，作為推動(dòng)竹簽的頂針。自主設(shè)計(jì)滾珠絲杠滑臺(tái)，大大降低了機(jī)器的制造成本。

圖4 進(jìn)給裝置Fig.4 Feeding device

3 結(jié)語

小型自動(dòng)穿串機(jī)是集自動(dòng)傳送裝置、自動(dòng)穿串裝置和自動(dòng)補(bǔ)簽裝置的新型機(jī)器，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、停止、穿串、補(bǔ)簽等功能。不僅能大大提高生產(chǎn)效率而且還能滿足消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求，能夠充分地代替人工，實(shí)現(xiàn)穿串的自動(dòng)化。除此之外，還具有成本低、衛(wèi)生安全的特點(diǎn)，減少人力物力的浪費(fèi)，保障人員的安全，能給個(gè)體和企業(yè)帶來便利并增加經(jīng)濟(jì)效益，具有一定應(yīng)用和參考價(jià)值。