一種齒輪齒條式豆腐皮炸卷機上料裝置設(shè)計**

葉一均，陳志偉，沈婷婷，嚴瑋琦，董楸煌,2，葉大鵬,2

（1.福建農(nóng)林大學機電工程學院，福建 福州 350002；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

豆腐皮是中國傳統(tǒng)豆制品，在中國南方和北方地區(qū)有多種名菜。與其他豆制品相比，豆腐皮富含β-胡蘿卜素、硫胺素、核黃素、卵磷脂、大豆皂醇等活性物質(zhì)，對糖尿病、高血壓、冠心病具有很好的預(yù)防作用[1]。隨著食品行業(yè)的發(fā)展，油炸豆腐皮卷因其金黃的色澤與酥脆的口感，深受人們的喜愛。但目前中國傳統(tǒng)豆制品的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展極其緩慢，長期處于小作坊生產(chǎn)方式，機械化水平低、環(huán)境衛(wèi)生差、產(chǎn)品標準化程度低、品質(zhì)不穩(wěn)定[2]。為了適應(yīng)食品加工行業(yè)面臨的新形勢，需要對豆制品采用機械化加工的形式[3]。

近年來，劉長安等[4-6]設(shè)計了一系列油炸豆腐皮卷加工機械，但由于油豆腐皮表面油滑黏膩，加工機械多采用人工上料，未能實現(xiàn)完全自動化。目前，針對上料裝置，王樹才等[7]設(shè)計了一套由真空吸盤與曲柄搖桿組成的上料裝置，楊鳴亮[8]設(shè)計了一套氣缸式上料裝置；但這幾類裝置沖擊較大、不易控制。萬紅海等[9]設(shè)計了一套由真空吸盤與電機導(dǎo)軌配合的上料裝置，運動平緩，但整體偏大。這些上料裝置都不適合油豆腐皮的上料。基于這些問題，課題組在豆腐皮炸卷機的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種齒輪齒條式豆腐皮炸卷機上料裝置，可實現(xiàn)平穩(wěn)的運動控制，解決油炸豆腐皮卷加工機械的自動化上料問題。

1 豆腐皮炸卷機的設(shè)計

1.1 豆腐皮炸卷生產(chǎn)原理

目前，油炸豆腐皮卷主要采用人工炸卷的方式制作。工人手工從油豆腐皮摞中分離出一張油豆腐皮，夾在筷子中，放入油鍋中一邊油炸一邊旋轉(zhuǎn)卷壓，完成油炸豆腐皮卷的制作，然后提起筷子讓多余油分滴落，將油炸豆腐皮卷取下裝入盒中。

1.2 豆腐皮炸卷機整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)手工油炸豆腐皮卷的生產(chǎn)過程，設(shè)計的豆腐皮炸卷機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是由運料裝置運送成摞的生豆腐皮至工位，上料裝置將豆腐皮單張分離并運送至仿筷上，傳動裝置帶動仿筷運動，將豆腐皮移動至炸卷裝置，在炸卷裝置中完成豆腐皮的炸制成卷，最后由下料裝置完成下料作業(yè)。

圖1 豆腐皮炸卷機

2 豆腐皮炸卷機上料裝置的設(shè)計

2.1 設(shè)計目標

根據(jù)豆腐皮炸卷機的設(shè)計與工作原理，上料機構(gòu)需要實現(xiàn)兩種功能：1）對尺寸約320 mm×100 mm、表面油滑的油豆腐皮摞，進行單張分離與抓取；2）在運動速度穩(wěn)定可調(diào)控、整體運動沖擊較小的情況下實現(xiàn)170 mm縱向移動與200 mm橫向移動的“L”型軌跡運動，將油豆腐皮從運料裝置運送至仿筷中。

2.2 末端執(zhí)行器設(shè)計

根據(jù)上料裝置的設(shè)計目標，末端執(zhí)行器需要實現(xiàn)油豆腐皮摞中單張豆腐皮的分離與抓取，由于油豆腐皮表面油滑，可使用真空吸附來完成抓取[10]，故末端執(zhí)行器采用真空吸盤。為了保證吸取豆腐皮的穩(wěn)定性，與豆腐皮中部保持水平易于上料，采用四個真空吸盤，按照130 mm×125 mm的長方形尺寸放置。為保證吸盤在吸附過程中貼緊豆腐皮表面且豆腐皮摞不會過度壓縮，在吸盤上方安裝壓縮彈簧機構(gòu)，以保證吸盤吸附與裝置的可靠性。

2.3 運動裝置設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的運動軌跡目標，將運動分解為橫向運動與縱向運動兩個直線運動，將其中縱向運動裝置搭載在橫向運動裝置的運動平臺上，通過運動時間與速度的配合實現(xiàn)“L”型運動。

對于直線傳動，由于整體運動距離短，環(huán)境溫度較高、充滿油污，而齒輪傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動穩(wěn)定[11]，故采用齒輪齒條的傳動方式。由步進電機對運動進行控制，確保整體的可控性與精確性。在工業(yè)方面有1/3～1/2的能量損耗在摩擦過程中，為了減少摩擦損耗、保證運動平穩(wěn)，故設(shè)計將運動裝置搭載在導(dǎo)軌滑塊所搭建的平臺上，確保其運動的水平與穩(wěn)定，減少整體的運動沖擊。

2.4 整體設(shè)計與工作原理

上料裝置整體設(shè)計如圖2所示，橫向運動裝置由橫向移動步進電機、兩組安裝在兩條導(dǎo)軌滑塊上的嚙合的齒輪齒條構(gòu)成。在橫向運動裝置的末端安裝有一塊安裝板，負責搭載縱向運動裝置。縱向運動裝置由縱向運動步進電機、齒輪齒條與導(dǎo)軌滑塊組成，電機與導(dǎo)軌固定在安裝板上。在縱向運動齒條的末端固定連接末端執(zhí)行器。

圖2 豆腐皮炸卷機上料裝置

上料裝置的工作原理：利用橫向運動步進電機帶動橫向運動齒輪轉(zhuǎn)動，通過齒輪齒條的配合，使固定在導(dǎo)軌滑塊上的橫向運動齒條實現(xiàn)橫向移動，帶動固定在橫向運動齒條上的支撐板橫向移動。再由固定在支撐板上的縱向運動步進電機通過相同方式帶動縱向運動齒條上下移動。通過橫向運動步進電機與縱向運動步進電機的控制配合，實現(xiàn)固定在縱向運動齒條上的末端執(zhí)行器完成速度平穩(wěn)、位置可控的“L”型運動。末端執(zhí)行器由運動結(jié)構(gòu)移動至油豆腐皮摞上，壓縮彈簧保證上料吸盤緊貼在最上層的油豆腐皮上，由真空吸盤產(chǎn)生負壓，吸取豆皮，完成豆腐皮的單張分離與抓取。

2.5 運動設(shè)計與軟件仿真

根據(jù)豆腐皮炸卷機整體的設(shè)計原理與工作流程，為了保證每片豆腐皮的油炸與卷制壓邊時間皆為2 s，且整體卷壓過程運動平緩，將上料裝置每個運動周期設(shè)定為2 s。在運動過程中，S型速度曲線控制算法能提高加減速過程中的穩(wěn)定性[12]，為了保證上料過程中整體運動的精確、平穩(wěn)，故整體運動采用S型速度曲線，在運動的起始點與末端設(shè)置有接近開關(guān)，對整體運動形成閉環(huán)控制。通過UG軟件對整體設(shè)計進行建模與運動仿真可得：豆腐皮炸卷機上料裝置的運動軌跡滿足設(shè)計要求，不會與豆腐皮炸卷機其他機構(gòu)產(chǎn)生運動干涉。

3 結(jié)論

根據(jù)油炸豆腐皮卷加工機械的研發(fā)現(xiàn)狀，針對當前上料裝置控制精度低、沖擊大以及油豆腐皮表面油滑黏膩等問題，課題組設(shè)計了一套針對豆腐皮炸卷機的上料裝置，在保證運動速度平穩(wěn)、位置可控的情況下，實現(xiàn)了油豆腐皮的單張分離與自動化上料。該裝置可靠性高、成本較低、安裝簡便，可有效實現(xiàn)油炸豆腐皮卷加工機械的自動化上料。