切分松軟食品的超聲波切割機及其工作臺的研制

林 雪 陳長卿 侯長安 張加清 鄭 濤

LIN Xue 1 CHEN Chang－qing 1 HOU Chang－an 2 ZHANG Jia－qing 1 ZHENG Tao 1

（1.浙江省農業機械研究院，浙江 金華 321000；2.蘭溪健發食品機械有限公司，浙江 蘭溪 321100）

（1.Zhejiang Academy of Agricultural Machinery，Jinhua，Zhejiang 321000，China；2.Lanxi Jianfa Food Machinery Co.，LTD，Lanxi，Zhejiang 321100，China）

食品自動切割裝置是一種典型的食品機械，通過對物料進行機械剪切，得到期望的形狀和尺寸，廣泛地應用于食品加工工藝的不同工序［1］。由于機械剪切特性及食品粘刀的影響，傳統食品切割裝置不僅需要定期清理刀具，而且還極易損壞食品的整體外形，大大降低了裝置的生產效率［2］。尤其當加工對象為奶油、巧克力、固體油脂等易粘刀的軟性或彈性物料時，對生產效率及生產成本的影響尤為明顯［3］。目前廣泛使用的BKQ－600／720蛋糕切割機采用普通不銹鋼切刀，雖然能達到全自動切割，但是切口處易破損、崩邊，需要經常進行停機處理，生產效率較低。除此之外，整機缺少智能化控制系統，只能完成單一類型的切割任務，無法通過程序的設定實現多種切割方案。

超聲技術是通過超聲波產生、傳播及接收物理過程完成的，可以利用它的能量來改變材料的某些狀態［4］。超聲技術在振動切割方面應用十分廣泛，超聲振動除能對普通材料進行加工外，還能對高硬、軟、薄、脆等材料及食品進行加工［5］。超聲振動切割是超聲加工技術的重要組成部分，有著比普通切割優異的加工性能，它是通過在常規的切割刀具上施加高頻振動，使刀具和工件發生間斷性的接觸，從而使傳統切割模式發生了根本性的變化［6］。超聲波切割既不需要鋒利的刃口，也不需要很大的切割壓力。因此，不會造成被切割材料的崩邊、破損。同時，由于超聲波切割刀在振動時的摩擦阻力極小，被切割食品不易粘在刀片上，基本杜絕了粘刀現象的發生［7］。當待切割物是軟性、彈性或粘性食品時，超聲波切割的效果尤為明顯。除此之外，超聲波切割的另一大優點是，在切割的同時，切割部位有熔合作用，切割部位被完美地封邊，可防止被切割食品組織的松散。

針對傳統及現有食品切割裝置的不足之處，本研究設計的超聲波食品切割機擬將超聲波振動技術和智能化技術引入到食品切割機的設計中，利用超聲波的能量，將被切割材料的局部加熱熔化，配以食品工作臺旋轉運動裝置與水平直線運動裝置，實現360°任意角度切割材料的目的，且通過智能化觸摸屏可實現上百種切割方案。

1 切割機結構及工作原理

超聲波切割機主要由機箱、食品切割裝置、工作臺旋轉裝置、工作臺水平運動裝置以及控制面板組成。整體結構三視圖見圖1。

圖1 超聲波食品切割機三視圖Figure 1 Ultrasonic food cutting machine layout

在超聲波切割機中，超聲波發生器將超聲波傳遞到切割刀上，并使其產生一定幅度的顫振。顫振頻率與超聲波頻率保持一致，范圍為20～40 k Hz。這種振幅人眼不易察覺，但能在瞬間對蛋糕、披薩、冷凍食品等進行高速切割。利用智能超聲波切割刀實現平面內360°的自動切割。切割刀片采用鈦合金材料，可以極大降低食品粘刀現象發生的幾率并提高切割效率，其生產速度可達30刀／min，且厚度偏差僅為0.4 mm，整機技術參數見表1。

表1 技術參數Table 1 Technical parameters

1.1 食品切割裝置

食品切割裝置主要通過將超聲波能量轉變為振動方式并加載到智能超聲波切割刀上，并通過氣缸驅動切割刀上下運動實現對食品的切割，其結構及工作原理：機箱1兩側機架板2上裝有升降導軌6，升降導軌6上橫有機架板2的一橫板與升降氣缸5相連，刀架總成3連接智能超聲波切割刀4，超聲波發生器7連接智能超聲波切割刀4使其上下輕微振動，升降氣缸5活塞軸裝在刀架總成3上，升降氣缸5工作時，升降活塞上下運動，帶動刀架總成3及智能超聲波切割刀4上下往復運動，實現對食品的切割控制。考慮到加工對象外型尺寸的差異，切刀向下切割的極限位置必須是可調節的。某些食品其分子粘結不是那么的堅固，留有少許未切斷組織不會影響食品品質，但有些食品需要完全切斷，因此特設計下限位調節機構以實現對切刀下切深度的調節，見圖2。

圖2 下限位調節機構Figure 2 Adjusting apparatus of lower limit position

智能超聲波切割刀是超聲波食品切割機中至關重要的構件，其材料的選擇及結構設計決定了食品切割的效果。智能超聲波切割刀的結構見圖3，整體采用鈦合金材料以及獨特的加工工藝制成。刀體上橫向設有臺階而縱向開有4個刀具槽，且刀具槽垂直于刀具臺階方向。刀體及刀具槽的尺寸與位置均通過詳盡的力學分析以及大量仿真與試驗工作來確定。由此設計的切割刀振幅均勻、內部應力小，切割效果良好，切面平整光滑，與超聲波切割機其他部件配合良好，不易破損、斷裂，有較長的使用壽命［8］。

圖3 智能超聲波切割刀Figure 3 Intelligent ultrasonic cutting knife

1.2 食品工作臺旋轉裝置

食品工作臺旋轉裝置由工作臺8、旋轉軸11、電機9及錐齒輪10等四部分組成，可帶動承載食品的工作臺任意角度轉動，進而配合切割刀切割出不同樣式以滿足食品的各種外觀要求。旋轉裝置的工作原理是，旋轉軸11上端固定在工作臺8下，下端連接旋轉齒輪10，旋轉電機9通過旋轉齒輪12帶動旋轉齒輪10旋轉，從而帶動工作臺8旋轉。最終實現工作臺上食品在360°范圍之內的任意角度擺放。其旋轉角度通過PLC程序進行控制，定位快速且準確可靠，極大提高了切割效率。

1.3 工作臺水平運動裝置

待切割食品通過矩形食品托盤置于工作臺承重臺板上，承重臺板通過螺栓固定于工作臺上，如圖4所示，其邊緣處固定有多個PU柱，并圍成一個矩形，食品可以通過食品托盤放入這個矩形中。

圖4 承重臺板Figure 4 Loading bedplate

為達到對整盤食品的切割與控制，特設計工作臺水平運動裝置，通過帶傳動帶動工作臺及其上面的承重臺板沿水平方向往復運動以達到對整盤食品的切割。其工作原理：工作臺8兩底面連接有同步帶13，同步帶13通過齒輪14與同步電機17相連。同步電機17工作時帶動同步帶13從而帶動工作臺8沿水平導軌15作水平直線運動。

1.4 控制面板

超聲波食品切割機通過PLC程序設置具體切割參數，其觸摸屏控制面板見圖5。用戶可以根據待切割食品形狀進行選擇，以矩形切割為例，其操作界面見圖6，輸入相應的參數值后，程序會自動進行運算，并根據計算結果對食品進行切割。常見切割效果見圖7。

圖5 形狀選擇界面Figure 5 Interface for shape selection

圖6 切割參數選擇界面Figure 6 Interface for cutting parameters selection

圖7 常見形狀切割效果圖Figure 7 Cutting effect for common shape

2 工作流程

超聲波食品切割機的工作流程：將待切割食品托盤放置于工作臺8承重臺板上，接通氣管、電源。電源通過控制箱16調整參數，并打開開關按扭，使超聲波發生器7開始工作，此動作在電源接通時一直持續。同步電機17及旋轉電機9開始工作，使工作臺8鎖死在設定的水平位置及角度處并停止工作，保證工作臺在切割過程中不發生位置的變化。當工作臺鎖死后，智能超聲波切割刀4開始向下切割食品，完成后升降氣缸5向上升至最高位置并停止工作。此時，同步電機17再次啟動，將工作臺移動至第2個設定位置后停止工作，升降氣缸5繼續開始工作，帶動智能超聲波切割刀4再次切割食品，如此往復到水平設定參數完成，接著旋轉電機9帶動工作臺旋轉到下一設定角度后再次完成水平方向的切割，如此往復，直到旋轉設定參數與水平設計參數均完成，此時整盤食品切割完畢。升降氣缸5和旋轉電機9回歸原位并停止工作。然后，同步電機17帶動工作臺8至8"的位置且固定于此位置，待工作人員取出食品后，再帶動工作臺回到起始位置。

3 結論

本研究涉及的超聲波食品切割機可以把整盤的片狀產品切割成方形、三角形、菱形、平行四邊形等其它指定的多邊形，避免了手工切割的分塊不均勻現象，不會造成被切割食品的崩邊、破損，切割效果極佳。設計的觸摸屏操作系統，可儲存上百種切割方案，可根據用戶的需求變化自主選擇不同方案。超聲波食品切割機的切面干凈、整潔且美觀，食品分塊的大小和重量精確一致。目前，本超聲波食品切割機主要用于切割較柔軟的食品。當待切割食品的硬度超過花生、果仁、堅果殼時，刀具容易破損，從而影響整機切割效率。對此將需進一步研究與改進，擴大切割對象范圍，提高應用價值。

1 戰曉林，陶學恒，李玉光.食品機械中自動切割裝置的研發［J］.包裝與食品機械，2011（2）：47～78.

2 石一兵.食品切割機設計［J］.包裝與食品機械，1992（1）：1～2.

3 白曉麗，伍毅.面向制造和裝配的食品機械設計［J］.食品與機械，2012，28（1）：146～147.

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5 段忠福.超聲波振動輔助車削加工機理分析［D］.上海：上海交通大學，2010.

6 謝欣平.超聲變幅桿的瞬態動力學研究［D］.鎮江：江蘇科技大學，2011.

7 侯長安.超聲波蛋糕切割機：中國，203156811［P］.2013— 08—28.

8 周勝利，姚志遠，沙金.超聲切割刀動力學分析和結構優化設計［J］.中國機械工程，2013（2）：1 631～1 632.