可梳理式多功能自動切菜機的研究與設計

楊志成 張景勝 黃春娥 董玉梅

YANG Zhi－cheng ZHANG Jing－sheng HUANG Chun－eDONG Yu－mei

（北京聯合大學生物化學工程學院，北京 100023）

（Biochemical Engineering College of Beijing Union University，Beijing 100023，China）

多功能切菜機是對蔬菜加工的一種自動化機械，可將洗好的蔬菜加工為菜絲、餡、菜塊、菜丁。目前國內外食品機械廠已生產有多種不同型號的多功能切菜機，典型如廣州某公司生產的XZ－680A多功能切菜機；北京某公司生產的ZC－801切菜機，均已在餐飲生產中得到廣泛應用［1－4］。然而，切菜機在使用過程中也存在一些問題，如，壓緊機構壓緊度固定，使得技術工人在加工不同品種的蔬菜時必須換刀，需頻繁調試；在實際應用中，不同的蔬菜要求切割長短不一，寬窄不同，而送菜電機速度固定，缺乏梳理，所切蔬菜因為其橫置沒有被切割，或被連切數刀不斷的情況時有發生，還需要工人進行后續的手工處理［5－8］。因此，需要一種能夠自動調整壓緊度、自動梳理送菜的多功能切菜機，可以將蔬菜加工成所需的各種形狀，而且不橫刀不連刀。基于此，本課題組自主研制一種拋擲式自動多功能切菜機，裝置采用可編程控制器和觸摸屏控制，具有自動化程度高、操作方便、切割效率高，傳動速度可調的特點。

1 結構與原理

1.1 多功能切菜機的功能

本裝置的創新點是用4個電機的轉動力帶動主動輪、從動輪對蔬菜進行整理、切削等。其工作裝置采用可編程控制器和觸摸屏控制，具有自動化程度高、操作方便、切割效率高，傳動速度可調的特點。流程是：

將蔬菜投放到投菜口→經導流板下滑→高度傳感器判斷蔬菜高度、重量→機器爪整理→傳送帶輸送→壓緊機構按牢→刀柵分割→刀片切削

與傳統切菜機比較增加了將蔬菜投放到投菜口→經導流板下滑→高度傳感器判斷蔬菜高度、重量→機器爪整理等工序。

1.2 整機結構設計

1.2.1 整機結構和工作原理 梳理式多功能切菜機的整機結構見圖1，傳統的多功能切菜機總體結構見圖2。主要由動力部分（單相異步電機、傳送帶等）、梳理機構（梳理電機、導流板、機器爪等）、壓緊機構（從動輪、傳送帶、壓緊彈簧、調整螺母等）和切菜部分（切削電動機、刀片、刀柵）四部分組成。

該機工作時，各電機同時啟動，工作人員將菜放置投菜口1，蔬菜從投菜口沿導流板2下滑至底部。高度傳感器3預先測量蔬菜高度，重量傳感器4稱量出蔬菜的重量，將這些信號傳送到控制器。底部的傳送帶5將菜送至梳理部分的機器爪7梳理，機器爪順逆運動，將菜形成豎向擺放，再經過壓緊機構11壓緊。蔬菜在進入壓緊機構之前，控制器提前控制壓緊電機13動作，保證壓緊機構壓緊蔬菜，且不將其損壞。壓緊機構從動輪11帶動傳送帶2轉動，減少蔬菜經過時的阻力。壓緊機構在壓緊彈簧的作用下，將菜抓緊。蔬菜經過刀柵18被加工成條狀蔬菜，經過切削電機19帶動的刀片20，蔬菜被加工成目標形狀。

圖1 傳統多功能切菜機的總體結構Figure 1 General structure of the multifunctional machine of cutting vegetables

圖2 多功能切菜機的總體結構Figure 2 The overall structure of the traditional cutting machine

1.2.2 梳理機構的設計 切菜機加工原料需要清洗，清洗完的蔬菜往往雜亂無序。如果不進行人工整理，普通切菜機切出的菜料的大小、形狀差異較大、影響了后續加工的速度及質量。為此，自制了拋擲式梳理器，結構見圖3。由圖3可知，梳理機構采用凸輪機構耦合蝸輪蝸桿傳動。由梳理電機、導流板、傳送帶、橢圓凸輪機構、機器爪、復位彈簧等組成。按照投菜人的習慣，投菜口采用上大下小的設計，導流板傾斜角度采用30～45°，根據經驗，角度小造成菜料積壓，原料供應不均勻；角度大，菜料直接進入導流室，起不到導流效果。經過試驗確定，導流板采用水平夾角37°設計，保證了蔬菜縱向有序地進入壓緊系統，獲得較好的結果。蔬菜進入投料口后，輸送帶將蔬菜送往切菜機構，電機3的動力輸出軸帶動多個橢圓凸輪機構，每個橢圓凸輪機構分別與下面的內軸外軸相連，內外軸又與絲杠24和帶羅紋的機器爪7相連，當凸輪轉動時，外軸不動，內軸形成上下相對位移，構成了機器爪的張合，把蔬菜很好的調理好。

圖3 梳理機構結構簡圖Figure 3 The structure diagram of carding mechanism

1.2.3 壓緊機構的設計 切菜機切菜需要壓緊機構將菜邊抓實邊輸送，這樣切菜機的刀片才能切斷蔬菜。如果將菜抓得太緊，蔬菜易變形、潰爛，影響菜品質量。如果抓得不緊，刀片經過時，蔬菜容易脫落，造成連刀。由于蔬菜纖維含量、鮮嫩水分不同，壓緊度也應不同，設計壓緊彈簧的調整裝置勢在必行，一方面可以調整壓緊機構的松緊度，另一方面可以調整壓緊機構的起始點。為此，專門設計了具有強度和零點調整功能的壓緊機構。

為了適應自動快速的需求，壓緊機構采用自動化設計。如圖4所示，該結構主要包括：電動機4、絲杠、皮帶輪、傳動帶、傳送帶、壓緊彈簧、調零螺母、平衡桿、支點等。

圖4 壓緊機構結構簡圖Figure 4 The structure diagram of pressing mechanism

2 多功能切菜機控制系統硬件及程序設計

2.1 控制系統硬件結構設計

根據切菜機控制響應速度、質量、安全度要求，控制系統包括控制器、傳感器和執行機構，見圖5。控制器設備包括觸摸屏和可編程控制器，操作類設備包括啟動開關、應急按鈕。控制設備觸摸屏為歐姆龍公司生產，直接監控PLC運行狀態，起到現場監測、統計數據信息、控制系統的作用。控制器選擇了歐姆龍公司的PLC作為下位機。它由有數字量I／O口為24點入／16點出。執行機構為4個電機、4個電磁閥，它們全部采用24 V直流電源。傳感器主要是接近開關檢測投放蔬菜狀態及數量，旋轉編碼器對電機的轉速和運行位置進行精確的檢測。輔助電器包括交流接觸器、中間繼電器和它們的常開、常閉觸點、及其它們的互鎖電路。它們的使用提高了控制電路的安全性、解決了控制電路信號之間的不匹配問題，簡化了PLC梯形圖的編寫。急停按鈕更是現場操作工人特殊情況下最直接、最有效的安全保障。

圖5 控制系統結構Figure 5 The structure of control system

2.2 控制器系統程序設計

系統程序由一個主程序和若干子程序組成，主程序包括系統初始化子程序，壓緊機構調試子程序、梳理機構子程序和應急子程序。主程序流程見圖6。

（1）初始化子程序：初始化子程序主要包括傳感器的參數檢測，定時器、計數器等參數的初始值設定，執行機構位置復位，上位機與下位機通訊、報警等。

圖6 主程序流程圖Figure 6 The main program flow chart

（2）梳理機構子程序：梳理機構子程序包括電機的啟動停止控制、速度控制；特殊情況下的反轉控制，4個機器爪的順序控制等。

（3）壓緊機構調試子程序：壓緊機構調試子程序負責把重量傳感器、高度傳感器檢測的信息送到控制器中，由控制器計算出最佳位置來控制電機2的啟動、停止、正反轉及其速度。以此減少蔬菜潰爛的同時，降低了連刀率。

3 驗證實驗

采用回歸法檢驗切菜機梳理機構機器爪整理作用度。以蔬菜梳理機構加入的機器爪數量值和蔬菜的橫刀率測量值，考察兩者之間的相關性。測定結果見表1，利用 MATLAB優化工具箱中的最小二乘曲線擬合函數lsqcurvefit得到了比較理想的非線性回歸函數為y＝2.033＋9.142×e－0.86x。其樣本決定系數為R2＝0.999，模型的擬合優度很好。因此設置4個機器爪最為經濟合理。通過驗證實驗，橫刀率由原來的11.2%下降到2.25%。廢品率由原來的1.5%下降到0.15%。

表1 橫刀率測試結果Table 1 Results of the horizontal rate

4 結論

采用梳理功能的切菜機，通過投擲蔬菜方式，減少人工梳理環節、提高作業質量和速度。采用可調彈簧強度和零點的方法改進壓緊機構，改善了成品蔬菜的品相。試驗表明，橫刀率、連刀率大大下降，這為后續的蔬菜加工提供了基礎。

工人的勞動強度與工作中的參與度有關。適度增加設備的自動化程度，合理配置現代控制設備，有助于減少工人勞動強度，降低機械傷害風險。同時，保證切菜過程中菜品菜形一致，為實現加工技術裝備的標準化提供了可能。同時，改變傳統食品機械勞動強度大、危險性高的觀念，有利于帶動中國食品機械的轉型和餐飲業的發展。

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