椰肉挖取機的設計與試驗

曾文章 樊軍慶 張寶珍

(海南大學機電工程學院，海南 海口 570228)

椰子是一種熱帶木本油料作物，由椰衣、椰殼、椰肉、椰子水組成[1]。其中，椰肉富含蛋白質、鈣、葡萄糖等營養物質，可制成椰干、椰奶粉等營養產品[2-3]。目前中國椰肉挖取方式主要采用手工挖取和半自動挖取。手工挖取裝置如張敏[4]設計的一種開椰殼刮肉刀，其工作原理是通過擺動刀頭體使刀頭體上的兩片傾斜的波浪形刀片進行椰肉刮取工作，但在刀片旋轉過程中可能會出現安全事故。半自動挖取裝置如秦興春[5]設計的一種便攜式電動椰肉切削裝置，其工作原理為刀具插入椰肉，利用電機驅動刀片旋轉，進行椰肉刮取動作；目前市面上主流的電動椰子刨絲機，其工作原理為電機驅動刨絲刀旋轉刮取椰肉，但這兩種半自動椰肉挖取裝置均需人工扶持椰子或人工抓取刀具進行椰肉挖取，刀具轉速快，其危險系數也較高[6]。由于手工和半自動挖取方式生產效率低，且工人在使用刀具過程中時有工傷事故發生[7]，因此極大地制約了椰子產業化、商品化的發展。

基于目前椰肉挖取技術存在的椰肉挖取自動化水平低和安全性低等問題，擬采用分段式鉸鏈鏈接的弧形刀片、電動推桿等機構設計椰肉挖取裝置，并根據椰肉挖取機的工藝過程設計自動控制系統。通過模擬試驗法使用椰肉挖取試驗裝置對不同直徑的椰子進行椰肉挖取試驗，旨在提高椰肉挖取工作的效率、安全性及自動化水平。

1 機械結構和工作原理

1.1 椰肉挖取機的結構

椰肉挖取機的結構示意圖見圖1，長512 mm，寬400 mm，高710 mm。

1.2 工作原理

首先將椰子切為兩半，然后將其中的一半椰子放置在轉盤上的3個長釘上定位，同時啟動1號氣缸及2號氣缸，使1號氣缸及2號氣缸的活塞桿帶動機械手在轉盤上的滑槽內滑動，從而使得機械手抱緊椰子。剛開始時刀架與上限位開關相接觸，然后升降電機正轉，通過聯軸器帶動絲桿轉動，同時由于焊接在刀架上的導向滑塊嵌在機架的槽內，因此在螺母的作用下，刀架將往下運動。當刀架運動至下限位開關時，升降電機斷電，刀架停止向下運動。刀架連接的電動推桿得電推出，帶動2號滑塊在刀架的T型槽內向下運動，2號滑塊向下運動的過程中將會壓緊壓縮彈簧，同時帶動1號滑塊向下運動，通過2號鉸鏈、連桿及1號鉸鏈的作用，刀座將以刀座鉸鏈為旋轉中心進行逆時針轉動，進而帶動1號、2號、3號刀片逆時針轉動，當環形壓力傳感器受到的壓力值達到指定值時，電動推桿停止運動，3個刀片完成切入椰肉動作，且貼合椰殼內壁。然后轉動電機正轉，通過齒輪傳動帶動轉盤進而帶動椰子旋轉，升降電機開始反轉，椰子一邊旋轉，刀架一邊緩慢上升，當刀架上升接觸到上限位開關時，挖取椰肉工作完成，轉動電機和升降電機同時停止工作，電動推桿回位，一個工作周期結束。

1.機架 2.大齒輪 3.轉盤 4.1號氣缸YV1 5.機械手 6.3號刀片 7.2號刀片 8.1號刀片 9.刀座鉸鏈 10.1號鉸鏈 11.2號鉸鏈 12.電動推桿M1 13.2號滑塊 14.環形壓力傳感器SP1 15.刀架 16.螺母 17.升降電機M2 18.聯軸器 19.上限位開關SK1 20.下限位開關SK2 21.壓縮彈簧 22.1號滑塊 23.2號氣缸YV2 24.小齒輪 25.轉動電機M3 26.牛眼輪 27.長釘 28.連桿 29.刀片支撐板 30.絲桿 31.階梯軸 32.快接插頭組件 33.旋轉接頭圖1 椰肉挖取裝置結構示意圖Figure 1 Structure diagram of coconut meat harvesting device

2 關鍵部件設計

2.1 升降裝置的設計

升降裝置如圖2所示。直流電機通過聯軸器與絲桿螺母機構連接。當電機運行時，由于焊接在刀架上的導向滑塊嵌設于機架的槽內，因此絲桿螺母機構將電機的旋轉運動轉換成椰肉挖取裝置的升降運動。

2.2 固定裝置的設計

固定裝置如圖3所示。氣缸作為動力裝置，通過活塞桿與機械手進行連接。機械手作為椰子的水平固定裝置，嵌設于轉盤上的滑槽內，在氣缸的作用下，機械手在轉盤上的滑槽內進行水平移動。長釘作為椰子的豎直固定裝置，其長度為15 mm。

1.直流電機 2.聯軸器 3.絲桿 4.螺母圖2 升降裝置圖Figure 2 Drawing of lifting gear

1.氣缸 2.機械手 3.滑槽 4.長釘 5.轉盤圖3 固定裝置圖Figure 3 Drawing of fixed device

2.3 椰肉挖取裝置的設計

椰肉挖取裝置如圖4所示。該裝置利用電動推桿作為動力源，壓縮彈簧作為緩沖裝置，滑塊組、連桿和刀片支撐板作為傳動裝置，弧形刀片作為刮取椰肉裝置，壓力傳感器作為壓縮彈簧的壓力檢測裝置。

椰子具有形狀不規則的特點，為使刀具在挖取椰肉時與椰殼內壁貼合程度較高，當椰子半徑變大時，刀片支撐板需逆時針轉動使弧形刀片貼合椰殼內壁，當椰子半徑變小時，為避免產生運動干涉，刀片支撐板需順時針轉動。因此利用電動推桿控制壓縮彈簧的壓縮量為原長的1/2，使刀具在工作時能自動調節轉向。并且借助微分原理設計三塊相互貼合的弧形刀片，如圖5所示，每塊弧形刀片分別與刀片支撐板通過鉸鏈連接，在壓縮彈簧的壓力和椰殼內壁的反作用力的共同作用下，分段式鉸鏈連接的刀片可靈活地接觸椰殼內壁，并增大與椰殼內壁的貼合程度。在壓縮彈簧的上部有壓力傳感器裝置，電動推桿工作時，壓力傳感器檢測壓縮彈簧產生的壓力信號[8]，結合A/D輸出特性與胡克定律，可通過PLC控制壓縮彈簧的壓縮量[9-10]。

1.電動推桿 2.環形壓力傳感器 3.壓縮彈簧 4.連桿 5.弧形刀片 6.刀片支撐板 7.滑塊組 8.刀架 9.螺母圖4 椰肉挖取裝置圖Figure 4 Drawing of coconut meat digging device

圖5 弧形刀片三維圖Figure 5 Three-dimensional view of curved blade

2.4 電動推桿的選型

通過對椰肉挖取裝置進行受力分析可得出在刀片切入椰肉時電動推桿所需的推力值。由動態靜力分析(低速不考慮慣性力)可知：

fv=f，

(1)

φ=arctan(fv)，

(2)

ρ=fvr，

(3)

式中：

f——摩擦系數；

fv——圓柱面當量摩擦系數；

ρ——摩擦圓半徑，cm；

φ——摩擦角，°；

r——軸頸半徑，cm。

根據圖6可得平衡方程：

圖6 靜力分析圖Figure 6 Static force analysis diagram

FR21=-FR41=-FR23，

(4)

(5)

F=FR23·sin(φ+90-α)/sin(90-φ)，

(6)

式中：

M——刀片切入椰肉時所需的力矩，N；

FR21——連桿2對刀片支撐板的作用力，N；

FR41——機架對刀片支撐板的作用力，N；

FR23——連桿2對1號滑塊的作用力，N；

F——電動推桿的推力，N；

L1——弧形刀的長度，cm；

α——FR23與垂直方向的夾角，°；

ρ——摩擦圓半徑，cm；

φ——摩擦角，°；

經過多次對成熟椰子進行切取椰肉試驗得出此挖取裝置切入椰肉時所需最小力矩為1.4 N·m，椰肉挖取裝置所用弧形刀的材料為不銹鋼，摩擦系數取0.15，摩擦圓半徑為1 cm，弧形刀長度為10 cm，將摩擦系數、摩擦圓半徑、弧形刀的長度和最小力矩值分別代入式(1)、式(3)和式(5)，根據式(4)和式(6)可得出電動推桿的最小推力為17.7 N。

電動推桿安裝在刀架上，當椰肉挖取裝置工作時，電動推桿要進入已開殼的椰子內部，因此需選用體積較小的微型電動推桿；根據電動推桿的最小推力及安全系數確定微型電動推桿的額定推力為24 N；為使電動推桿在工作時有效地壓縮彈簧，其行程應大于刀架內T型槽的長度。因此選用型號為S-22N的微型電動推桿，其工作行程為100 mm、額定推力為24 N、額定電壓24 V。

3 控制部分的設計

椰肉挖取機的控制方式分為手動與自動，其具體控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程圖Figure 7 Control flow chart

手動控制部分主要是控制氣缸、轉動電機、推桿電機和升降電機分別實現機械手夾持椰子、椰子轉動、弧形刀貼合椰殼內壁及椰肉挖取裝置升降等工作流程。

自動控制部分綜合運用定時器、限位開關和環形壓力傳感器控制椰肉挖取工作，其具體工作過程為：模擬量輸入模塊持續檢測壓力傳感器SP1傳入的模擬信號[11-12]，同時啟動氣缸YV1和氣缸YV2固定椰子。定時器延時5 s后，升降電機M2正轉，使椰肉挖取裝置下降。下限位開關SK2閉合后，升降電機M2失電，椰肉挖取裝置停止下降，電動推桿M1推出，使弧形刀切入椰肉。壓力傳感器SP1檢測到壓縮彈簧產生的壓力與壓縮彈簧被壓縮為原長的1/2時產生的壓力相等，電動推桿M1停止推出，轉動電機M3正轉并帶動椰子旋轉，升降電機M2反轉并帶動椰肉挖取裝置上升。上限位開關SK1閉合，氣缸YV1和YV2收縮。轉動電機M3和升降電機M2失電，模擬量輸入模塊停止運行。

4 整機試驗

4.1 電機轉速試驗

為確定轉動電機和升降電機的合適轉速，在轉動電機不同轉速和不同挖取重合度條件下，對直徑為14 cm左右的成熟椰子進行椰肉挖取。已知試驗條件為：成熟椰子數量為42個，絲桿螺距為6 mm，轉動電機轉速為100，110，120，130，140，200 r/min，升降電機轉速為80～500 r/min，挖取重合度為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0。其中挖取重合度為弧形刀首次與椰殼內壁貼合時的貼合高度與椰子轉動一圈時椰肉挖取裝置移動距離的比值。由圖8可知，在轉動電機轉速為200 r/min時，椰肉挖取有效重量比保持在60%左右，其原因在于椰子形狀不規則，轉動電機轉速過快時，椰子產生的離心力較大，椰肉挖取機工作不穩定，椰肉挖取效果較差。當挖取重合度不變時，隨著轉動電機轉速逐漸減小，椰肉挖取有效重量比逐漸增大，其原因在于電機轉速越小，刀具的角度變化率越小，刀具與椰殼內壁貼合程度越高，但當轉速≤130 r/min 且挖取重合度≥3時，刀具與椰殼內壁貼合程度較高，電機轉速的變化對椰肉挖取效果產生的影響不大。為保證椰肉挖取機工作效率及效果，轉動電機轉速選取130 r/min 為宜。

圖8 椰肉挖取試驗中挖取重合度和椰肉挖取有效重量比的關系圖Figure 8 The relationship between effective weight ratio of coconut meat and the degree of overlap of the dig in coconut meat extraction experiment

當轉動電機轉速不變時，隨著挖取重合度的增加，椰肉挖取有效重量比也逐漸增大，其原因在于椰肉挖取裝置移動速度較慢，重復挖取椰肉部分多，故椰肉挖取有效重量比大。當挖取重合度≥3時，刀具充分挖取椰肉，重合度的變化對椰肉挖取效果產生的影響較小。為保證椰肉挖取機挖取效果較好且工作時間效率較高，在挖取重合度為3，轉動電機轉速為130 r/min時，根據絲桿導程、齒輪傳動比、轉動電機轉速，得出升降電機轉速取150 r/min 為宜。

4.2 椰肉挖取試驗

為檢驗椰肉挖取裝置的工作性能，在海南大學工程實驗中心使用椰肉挖取試驗裝置對直徑范圍為12～16 cm 的不同椰子進行椰肉挖取試驗。已知試驗條件為：刀片厚度3 mm，弧長20 mm，圓心角40°，成熟椰子數量50個，轉動電機轉速130 r/min，升降電機轉速150 r/min。試驗結果如表1所示。

由表1可知，隨著椰子直徑的提升，平均挖取椰肉有效重量比也隨之提升，其原因在于椰子直徑越小，椰子體積越小，椰子規則程度越低，弧形刀片與椰殼內壁的貼合程度較低。多組椰肉挖取試驗證明，椰肉挖取機平均挖取椰肉所需時間不超過26 s，平均挖取有效重量比超過95%。由此可知，所設計的椰肉挖取機工作穩定，具有一定的實用性、可行性。

表1 椰肉挖取試驗結果Table 1 Results of coconut flesh extraction test

5 結論

針對傳統手動挖取椰肉裝置及半自動椰肉挖取裝置在挖取椰肉方面存在自動化水平低、安全性不高等問題，設計了一種椰肉挖取機，其平均挖取椰肉所需時間不超過26 s，平均挖取有效重量比超過95%，而且工作穩定、運行安全。該椰肉挖取機的挖取效率仍有進一步提升的空間，后續可通過改善弧形刀片的角度和弧形刀片長度來改善弧形刀片的設計來予以提升。