椰子自動切口機的設計

毛 舟 樊軍慶 張信禹

（1．海南大學機電學院，海南 海口 570228；2．宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003）

海南是中國椰子主產區，每年總產量近2．4億個，而全省每年椰子需求量卻高達26億個［1，2］，但是中國大部分椰子產品的前期加工是采用傳統的手工或半手工方式加工的，加工效率低，因此，綜合成本偏高［3］。在國外，椰子的去衣、脫殼、削皮及切口等工序的機械化率也不高。在海南，主要由人工完成，其中，對椰子進行切口的工序基本上全靠人工完成，手工切口方式具有費時費力、效率低下、不衛生、不安全等一系列缺點，需要消耗大量的人力，勞動強度大，且時有工傷發生［4，5］。本設計在椰子前期加工機械化研究［6］的基礎上，對原有切口機進行改進，重新設計椰子夾具，使頂桿在垂直方向上運動距離減少的同時達到夾緊效果。

1 整機工作原理

半自動椰子切口機的整體機構如圖1所示。該機器的工作流程：將手工或機械剝去外衣的椰子［7］放在右邊的夾具上。當椰子隨圓形工作臺轉到圓柱凸輪上時，凸輪頂起夾緊裝置往上升，在上升過程中夾具將椰子夾緊，在切削時，圓柱凸輪高度保持不變，因此夾具保持夾緊狀態。當切削完成，伸縮裝置由圓柱凸輪最高點向最低點運動，夾緊裝置松開椰子，切口完成。在切削時電機通過帶傳動帶動刀具轉動，刀架通過螺紋安裝到刀架支承桿上，松開固定螺母，通過調節螺母可調節刀架高度，也可以通過旋轉刀架來調節其角度，使刀具達到合適的位置。

圖1 椰子切口機結構圖Figure1 Diagram of coconut incision machine

2 主要結構設計

2．1 圓柱凸輪的設計

在旋轉工作盤整體結構中，圓柱凸輪的最重要的作用是利用其運動的輪廓曲線特點帶動均勻分布在轉盤圓槽內的機械手上下運動，以便能夠使裝夾在機械手內的椰子更好的固定，實現切削（見圖2）。

圖2 圓柱凸輪示意圖Figure2 Diagram of cylindrical cam

圓柱凸輪的設計計算是根據設計要求確定的尺寸，圓柱凸輪工作面最低點距機座的距離h1＝89cm，圓柱凸輪工作面最高點距地面的高度h2＝165cm，圓柱凸輪的直徑D ＝86cm，周長L ＝270cm，圓柱凸輪的展開輪廓曲線見圖3。其中夾具從圓柱凸輪最低點向最高點運動時，頂桿垂直向上運動，在此區間機械爪會慢慢加緊椰子；夾具從最高點向最低點運動時，頂桿垂直向下運動，此時機械爪會松開椰子。

圖3 圓柱凸輪尺寸示意圖Figure3 Diagram of cylindrical cam dimensions

2．2 刀具和夾具

夾具的作用是平穩的裝夾椰子，并能帶動椰子上下運動，保證在圓盤旋轉的過程中，在水平方向上實現盤形切割鋸片對椰子的精準切削。椰子在切削時，受到進給力Fx 和背向力Fy，以及刀具旋轉產生的力矩，如圖4所示。在切口時裝夾不緊椰子會旋轉，因此設計一種四爪夾具，在4個方向上固定椰子，阻止椰子橫向移動和旋轉，便于切削。

圖4 椰子切削受力圖Figure4 Force of coconut cutting

本系統針對不規則球形的椰子進行加工，根據加工要求和生產需要，選擇了盤形切割鋸片進行切削。因為刀具要對椰子的球面進行側向切割，還要保證切口平滑，切削時刀具變形不宜過大以及制作椰子飯時椰殼的美觀性，因此選用盡可能薄的盤形切割鋸片。刀具材料采用硬質合金。

柔性機械爪結構如圖5所示，當柔性機械爪在圓柱凸輪上從最低點運動到最高點過程中，夾具心軸推動手爪托盤向上運動，在彈簧的作用下手爪從張開狀態慢慢合攏，直至將椰子完全夾穩，保證椰子不會出現大幅度轉動。機械爪中的彈簧采用硬度較大的壓簧，在保證支撐夾緊爪的同時，隨著爪托盤的上移，帶動夾緊爪移動，以便夾緊不同大小且形狀不規則的椰子。

圖5 柔性機械爪結構圖Figure5 Diagram of flexible mechanical claw

柔性機械爪工作原理：將椰子放入椰子托盤上，萬向輪在圓柱凸輪上行走，當從圓柱凸輪最低點往最高點運動時，頂桿在圓柱凸輪的作用下將爪托盤頂起，在彈簧的作用下，夾緊爪將椰子夾緊，由于彈簧的作用，可以夾緊形狀不規則，大小不同大的椰子。當萬向輪從最高點向最低點運動時，頂桿帶動爪托盤向下運動，由彈簧帶動夾緊爪松開椰子。

2．3 傳動系統

由于椰子殼非常堅硬，因此椰子的進給速度不宜過大，否則會出現進給力過大，導致夾緊力不夠，椰子出現翻轉；進給速度比較小時會出現切削力過小而無法將椰子殼切開，在椰子切口過程中，運用調頻器將電機速度控制在10～15r／min，經帶輪帶動圓形工作臺轉動。該電機選用三相異步電動機Y80M2－4，電動機額定功率0．75kW，滿載轉速1 390r／min，帶輪的傳動比為i＝1。

驅動盤形切割鋸片運動的電機選擇三相異步電動機Y80M2－2，電機額定功率1．1kW，轉速為2 830r／min，帶輪傳動比為i＝2。

3 整機調試

對椰子切口機樣機進行切削試驗，本次試驗的椰子主要用于制作海南特色食品椰子飯，需要在椰殼上切開一個小口，并將切下的椰殼蓋回椰子上，在試驗中用不同厚度的圓盤刀對椰子進行切口，當鋸片厚度較低時，刀具會產生較大變形，導致切口傾斜；當刀具厚度較大時，能對椰子進行切口，但無法滿足制作椰子飯要求。因此選擇厚度為3 mm 的盤形切割鋸片。

在試驗過程中，運用變頻器調節進給速度。當進給速度為10r／min時，椰子因進給力過小而無法完全切口；當進給速度為12r／min時能完成切口；當進給速度為15r／min時，椰子出現翻轉現象，同時對于半自動椰子切口機，進給速度過快不利于人工更換椰子。因此，在進給速度為12r／min時椰子切口機切削的椰子滿足切口要求。

圓形工作臺上裝有4個夾具，當夾緊裝置運動到圓柱凸輪最低點時取出已切口的椰子并裝上未切口的椰子。經試驗，椰子切口效率可達30～40個／min。

4 結論

椰子切口機對直徑10cm 左右的椰子進行切口，切口的椰子可用來制作椰子飯。由于椰子殼非常堅硬，采用機械切口的質量和效率遠高于手工切口。采用更薄刀具對椰子進行切口以及椰子加工工序機械化流水線的整合還有待研究。

1 夏秋瑜，李瑞，趙松林，等．椰子的利用價值及綜合加工技術［J］．中國熱帶農業，2007（3）：37～38．

2 肖紅，易美華．椰子的開發利用［J］．海南大學學報（自然科學版），2003，6（2）：183～189．

3 趙松林．椰子綜合加工技術［M］．北京：中國農業出版社，2007．

4 廖明保，潘友仙，黃文強．海南椰子產業的實證分析［J］．技術經濟與管理研究，2005（6）：76～77．

5 王敬．海南椰子產業發展模式研究［D］．天津：天津大學，2004．

6 樊軍慶，王高平，王文，等．自動椰子切口機：中國，201110200247．4［P］．2011－12－21．

7 肖仁鵬，馬鑫，劉四新，等．椰子自動剝衣機的設計［J］．食品與機械，2012，28（1）：142～143．