椰青在線連續切削成型設備設計

張 聰

(廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510630)

椰青采摘后，在成為商品銷售前，為方便包裝和儲運，需要切削綠色的外皮，加工成露出白色內皮的形狀規格統一的“圓形屋”狀。

傳統的椰青切削成型，主要依靠大量的人工勞動實現。生產時，工人們手工完成切削外圓柱面、切削圓錐頂、砍平底部等一系列工作，勞動強度大，工作繁重且具有一定的危險性。

現有的果蔬去皮技術及設備有多種形式，對于外形比較大的瓜果類如哈密瓜、冬瓜、菠蘿等，一般是通過人工上料方式，單果裝夾，果體旋轉，移動仿形刀削皮[1-3]；至于一些小水果如蘋果、臍橙等，則采用單果進料，多工位間歇轉盤式的去皮設備，借鑒軸類零件車削加工的方法進行削皮[4-6]。由于椰青不但需要切削外皮，還要加工成特定的形狀，因此上述技術和設備均不適用于椰青的自動化切削成型加工。

為解決椰青切削成型的難題，近年出現了一些半自動機械，結構簡單，基本原理仿照電動臺鉆的形式：改裝的鉆頭部位插進椰青端部，帶動果體旋轉；首先，側面布置的刨削刀與椰青接觸進行圓柱面切削；然后，椰青與下方布置的錐面刨削刀接觸進行錐頂切削；最后，取下椰青，用鍘刀切平其端部。整個加工過程中都需要人工輔助，逐個加工。這些半自動機械的應用，只是稍微減輕了工人的勞動量。

采用手工操作外加半自動機械工具進行椰青加工，是目前普遍的生產現狀。至今還未發現有相關的自動化加工技術及設備的研究。本研究擬設計開發出椰青在線連續切削成型設備，使椰青切削加工成型實現全流程自動化。

1 椰青切削成型工藝流程

椰青切削成型過程如圖1所示。

要實現自動化生產，需要解決多個技術難題，包括椰青的連續定位輸送，在線運行過程切削外圓柱面和頂部圓錐面，以及底端部切割分離等，最終才能形成“圓形屋”狀產品。

確定椰青切削成型工藝流程如圖2所示。

圖2 椰青切削成型工藝流程圖Figure 2 Process flow chart of young coconut cutting

2 設備總體設計

椰青果實外形為卵球狀，因自然生長而大小不一，在進入自動化設備切削加工前，首先需要進行分級，才能提高生產效率和產品質量。實際生產中，需將椰青原果按橫徑尺寸以10 mm為級差分成若干級別，每一個級別對應一套切削系統。按前述工藝流程，進行設備總體設計，可采取2種結構形式，其一，回轉式多工序加工機型；其二，直線式多工序加工機型。由于生產時，要求多級別原果同時加工，因此需配置多級別的切削系統。從生產線布局上考慮，直線式機型因結構緊湊，可并列排放并直接對應銜接分級通道出口，因此視為首選。

切削成型設備可設計為多通道并聯的形式，每一個通道為一個獨立的切削系統，對應一個尺寸級別的椰青原果。只要分別調整各個通道的切削參數，即可同時加工出相應級別的成型產品。

按工藝流程，綜合分析各因素，形成本設備的總體設計。圖3為一個級別通道的切削加工系統，系統中各部分組合成一條連續自動化生產線。椰青原料自右至左直線運動，經歷5個區間，最終被加工成圓形屋狀產品[7-8]。

3 設備關鍵裝置的結構及原理

椰青切削成型設備的關鍵裝置包括：椰青定位輸送裝置、同步運行果體切削成型裝置、椰青端部切割分離裝置。

圖3 設備總體結構簡圖Figure 3 Overall structure diagram of equipment

3.1 椰青定位輸送裝置

要實現椰青連續在線自動加工，首先需要解決椰青的輸送問題，也就是需要設計一套輸送裝置，確保椰青進入生產線后，能夠定間距及穩定地列隊行進，以方便其后的自動化加工處理。

3.1.1 椰青定位輸送裝置結構設計 裝置設計如圖4所示，主要由定位盤1、輸送鏈2、鏈軌3及相關的鏈輪傳動機構和動力源等組成。定位盤1等間距安裝在2條平行輸送鏈2上[9]。

1.定位盤 2.輸送鏈 3.鏈軌

定位盤是主要部件，其安裝截面圖如圖5所示。定位盤主要由基座4、輪盤5、針錐6、滑動頂桿7、彈簧11和滾輪12組成。

4.基座 5.輪盤 6.針錐 7.滑動頂桿 8.軸用擋圈 9.軸承 10.孔用擋圈 11.彈簧 12.滾輪

圖5 定位盤安裝截面圖
Figure 5 Section diagram of position plate installation

基座4底部為方座，方座中心有圓柱凸臺，凸臺柱面與軸承10內圈配合。基座中心加工有三級通孔，上下為圓孔，中部為方孔。

輪盤5為環形盤狀結構，輪外圓周面加工有均勻細密的直條紋，如齒輪一般。輪盤的上表面，圓周均布3支針錐6，針錐尖端向上，底端緊定在輪盤環面上。

輪盤的內孔與軸承外圈配合安裝，因此輪盤可繞基座凸臺中心自由旋轉。

基座中心方孔與滑動頂桿7配合。滑動頂桿7的上端是圓盤體，下端輪座裝配有一個滾輪12。向上推動滾輪，可使滑動頂桿7克服彈簧力上升。

定位盤的基座兩側各有2個安裝螺孔，通過螺釘固定在兩側輸送鏈的鏈板支座上。

3.1.2 椰青定位輸送運行原理 兩條平行輸送鏈在鏈輪驅動下往復循環運行時，即可帶動定位盤自右往左直線運行。

椰青進入本設備前，需排列送進，并且保證其蒂部方向一致，在椰青抵達上料位置時通過機械手抓取，依次放置在定位盤上方，由3支針錐定位。其后，只要對椰青施加一定的向下壓力，致使針錐插入椰青皮內，即可把椰青緊定在定位盤上。

在入料區域，采用一套連續式果體壓合緊定裝置[10]，如圖6所示。裝置安裝于定位盤輸送鏈上方，由驅動鏈帶動若干個壓合器13，對應定位盤同步運行。壓合器13是一個帶壓頭的伸縮機構，運行過程受壓合導軌15曲線的影響，迫使壓頭產生自上而下的壓合動作，把進入區域的椰青果體逐一壓緊在定位盤上表面，以致針錐刺穿并深入椰青表皮內。

13.壓合器 14.驅動鏈 15.壓合導軌 16.鏈軌

3.2 同步運行果體切削成型裝置

椰青經過壓合緊定裝置被固定在定位盤后，隨輸送鏈往前輸送。下一工序即可進行表皮的切削，同步進行：其一是切削圓柱面，其二是切削圓錐頂。

同步運行果體切削成型裝置的設計如圖7所示。在定位盤輸送鏈兩側，分別布置有一套柱面切削裝置和一套錐面切削裝置[11-12]。

圖7上部為柱面切削裝置，是一套由鏈條18驅動柱面切削器17循環運行的裝置。驅動鏈18全程范圍按定間距依次安裝多個柱面切削器17，而且需確保其間距與定位盤1的安裝間距一致。

17.柱面切削器 18.驅動鏈 19.切削導軌 20.錐面切削器 21.驅動鏈 22.切削導軌 23.調速皮帶 24.壓軌 25.鏈軌 26.鏈軌

圖7 同步運行果體切削成型裝置
Figure 7 Synchronous running fruit cutting device

圖7下部為錐面切削裝置，安裝形式與柱面切削裝置相似。

柱面切削裝置和錐面切削裝置均與定位盤輸送鏈同步運行，運動方向如圖7箭頭所示。

3.2.1 切削裝置結構形式 如圖8所示，柱面切削裝置布置在定位盤輸送鏈上方左側，驅動鏈18上下各一，平行布置，在上下鏈條的鏈板支座裝配柱面切削器17；錐面切削裝置布置在定位盤輸送鏈上方右側，驅動鏈21上下各一，平行布置，在上下鏈條的鏈板支座裝配錐面切削器20。

柱面切削器17與錐面切削器20結構相近，均由基座、中心滑桿、刨削刀等組成。推動切削器中心滑桿端部的滾輪，可驅使中心滑桿水平左右移動，從而帶動刨削刀作進退運動。

如圖9所示，柱面切削器的滾輪沿導軌19滾動到高位，受導軌曲線軌跡的影響，驅使柱面刨削刀由左至右推進，完成進刀行程；錐面切削器的滾輪沿導軌22滾動到高位，受導軌曲線軌跡的影響，驅使錐面刨削刀由右至左推進，完成進刀行程。

1.定位盤 2.輸送鏈 3.鏈軌 17.柱面切削器 18.驅動鏈 20.錐面切削器 21.驅動鏈

圖8 同步運行果體切削成型裝置A-A視圖
Figure 8 Synchronous running fruit cutting device (A-A view)

19.切削導軌 22.切削導軌 23.調速皮帶 24.壓軌 25.鏈軌 26.鏈軌

圖9 同步運行果體切削成型裝置B-B視圖
Figure 9 Synchronous running fruit cutting device (B-B view)

3.2.2 定位盤旋轉機構 圖7所示，定位盤輸送鏈在切削區域運行，在此范圍內，需要進行椰青的切削。當采用固定的刀具對水果進行圓周切削時，水果必須要自轉，才能達到理想的切削效果。因此，需要設計一套機構，使得進入切削區域的定位盤在直線運行過程實現自轉，從而帶動緊固其上的椰青自轉。

定位盤旋轉機構如圖10所示，由調速皮帶23和壓軌24組成。調速皮帶23是一套由輥筒帶動運行的平皮帶裝置，通過獨立電機驅動，可調速。調速皮帶23平行安裝在輸送鏈2側面，皮帶內表面固定安裝一條壓軌24。壓軌24向外壓緊皮帶，使皮帶外表面貼合定位盤1的輪盤。即皮帶處于定位盤輪盤和壓軌之間的壓緊狀態(圖9)。

3.2.3 在線連續切削工作原理 參照圖7，定位盤裝載椰青由右至左運行進入切削區域后，其上的輪盤貼合調速皮帶23表面，在摩擦力作用下滾動，形成直線運動過程的自轉狀態，自轉方向如圖10所示(逆時針)。

與此同時，調速皮帶23在輥筒帶動下如圖10所示方向循環運行。皮帶的運行，導致其上滾動的輪盤加速旋轉。因此，只要調節皮帶的運行線速，即可調整輪盤的自轉速度，從而，使緊固定位盤的椰青以合適的速度自轉。

1.定位盤 2.輸送鏈 23.調速皮帶 24.壓軌

在切削區域，分布兩側的柱面切削裝置和錐面切削裝置與定位盤輸送鏈同步運行，即每個椰青均與1個柱面切削器和1個錐面切削器對應并同步運行。

柱面切削器17運行經過切削導軌19，錐面切削器20運行經過切削導軌22，各自的滾輪分別沿接觸的導軌軌跡運行。圖7所示的①、②、③、④ 4個位置點的工作狀況如下：

(1)第①位置點：定位盤進入調速皮帶范圍，開始帶動椰青自轉。柱面切削器17和錐面切削器20分別接近各自的導軌，柱面刨削刀和錐面刨削刀均保持原始位置狀態，見圖8。

(2)第②位置點：定位盤繼續帶動椰青自轉。柱面切削器17和錐面切削器20已分別進入各自的導軌運行。柱面切削器17的滾輪受導軌19曲線軌跡的影響，推動其刨削刀實現“進刀”動作，逐漸靠近并接觸自轉中的椰青，連續刨削其側面圓周的表皮；與此同時，錐面切削器20的滾輪受導軌22曲線軌跡的影響，推動其刨削刀實現“進刀”動作，逐漸靠近并接觸自轉中的椰青，連續刨削其頂部斜面的表皮。

(3)第③位置點：定位盤繼續帶動椰青自轉。柱面切削器17的滾輪運行至導軌19的曲線頂點，其刨削刀被完全推出，即“進刀”至最終狀態(進刀行程用Hh表示)，把椰青刨削成圓柱面；錐面切削器20的滾輪運行至導軌22的曲線頂點，其刨削刀也被完全推出，即“進刀”至最終狀態(進刀行程用Hz表示)，把椰青頂部刨削成圓錐面，如圖9所示。

(4)第④位置點：定位盤帶動椰青離開調速皮帶范圍，停止自轉。柱面切削器17和錐面切削器20分別離開各自的導軌，在彈簧力作用下帶動各自的刨削刀 “退刀”至原始狀態。

圖7中，Lh是柱面切削行程，在此過程柱面切削器17的滾輪自導軌19的曲線低點運行至頂點；Lz是錐面切削行程，在此過程錐面切削器20的滾輪自導軌22曲線低點運行至頂點。由于柱面切削和錐面切削同步進行，因此設定Lh=Lz。

3.3 果體端部連續切割分離裝置

椰青經過上述外圓柱面切削和圓錐頂切削后，還需進行端部切平，才能完成最終產品成型。圖11為果體端部連續切割分離裝置結構圖，該裝置主要由4部分組成，包括定位盤及其輸送鏈、鏈條驅動的頂壓裝置、電動鋸齒刀32、頂升導軌31等[13-14]。

3.3.1 電動鋸齒刀和頂升導軌的結構及安裝形式 對椰青進行端部切割的執行機構采用一套獨立動力的電動鋸齒刀32，其刀條在動力驅動下作直線式高頻往復運動。電動鋸齒刀固定安裝在定位盤運行經過的位置，其刀刃橫跨輸送鏈2，并與輸送鏈前進方向形成一定的斜夾角(圖12)。電動鋸齒刀32的高度位置可調節，保證其刀刃的平面處于定位盤針錐上方合適的高度(圖11)。

1.定位盤 2.輸送鏈 27.頂壓器 28.驅動鏈 29.頂壓導軌 30.鏈軌 31.頂升導軌 32.電動鋸齒刀 33.導板

圖11 果體端部連續切割分離裝置
Figure 11 Continuous cutting and separating device for the end of fruit body

1.定位盤 2.輸送鏈 31.頂升導軌 32.電動鋸齒刀

在定位盤輸送鏈下方，沿輸送鏈的運行方向，固定安裝一條頂升導軌31。當定位盤經過頂升導軌的范圍時，其上的滾輪將貼合導軌曲線軌跡滾動。

3.3.2 頂壓裝置結構及安裝形式 在定位盤輸送鏈上方，布置一套由鏈條驅動循環運行的頂壓裝置。該裝置由頂壓器27、驅動鏈28、頂壓導軌29、鏈軌30等組成。

頂壓器27定間距安裝在驅動鏈28上，與定位盤上下一一對應。工作時頂壓器27與定位盤1運行線速度保持一致，同步運行。

頂壓器27是1個帶錐套的伸縮機構，運行過程受頂壓導軌29曲線的影響，迫使錐套產生自上而下的壓合動作，壓緊進入區域的椰青錐頂。

3.3.3 工作原理 當已被切削外柱面和圓錐頂的椰青隨定位盤輸送進入圖11所示區域時，上部的頂壓器剛好運行至其上方，一一對應椰青頂部，一起同步運行。

在運行過程中，頂壓器27運行經過頂壓導軌29，定位盤1運行經過頂升導軌31，各自的滾輪分別沿接觸的導軌軌跡運行。圖11中①、②、③、④、⑤ 5個位置點的工作狀況如下：

(1)①—②位置：定位盤1接近頂升導軌31。在此過程，頂壓器27進入導軌29，其上的滾輪貼合導軌滾動，由導軌曲線最高點運行至最低點，推動錐套向下運動，壓合椰青錐頂。

(2)②—③位置：定位盤1進入頂升導軌31，其滾輪貼合導軌滾動，由曲線最低點運行至最高點的過程中，形成一個向上的推動力，迫使定位盤的滑動頂桿7克服彈簧力向上運動，從而推動椰青脫離針錐上升。

與此同時，頂壓器27的滾輪由頂壓導軌29的曲線最低點向最高點運行，致使其上的錐套在彈簧力作用下向上移動。

定位盤滑動頂桿的上升運動，與頂壓器錐套的上升運動是同步進行的，確保椰青在脫離針錐的上升過程，始終被穩固地夾持在滑動頂桿和錐套之間。

(3)③—④位置：椰青被穩定地夾持在滑動頂桿和錐套之間，保持固定的高度，向前運行并經過電動鋸齒刀32，其端部被橫向布置的刀刃切割，形成完全斷裂的割縫。

(4)④—⑤位置：定位盤的滾輪沿頂升導軌曲線由高點運行至低點，直至脫離軌道，致使其上的滑動頂桿在彈簧力作用下，帶動椰青下降復位。與此同時，頂壓器的滾輪脫離導軌，錐套復位。

(5)位置點⑤之后：定位盤進入鏈輪回轉位，裝載其上的椰青向下跌落，椰青的端部分離。通過導板33可分別卸出椰青成品和椰青端部。

4 設備關鍵技術參數的計算及設定

由上述可知，椰青的圓柱面和圓錐頂切削，以及最后的端部切割分離是加工中的關鍵工序，特別是前者會影響產品最終成型質量。待處理的椰青是在直線運動和連續自轉的過程中，同時進行圓柱面和圓錐頂切削的，其切削效果及效率受多個參數影響，包括定位盤輸送線速度vd及其轉速n、切削時間t、柱面刨削刀進給速度vh和錐面刨削刀進給速度vz等。

已知定位盤輪盤直徑D，設定定位盤輸送線速度vd和調速皮帶線速度vp，則可求在切削成型區中定位盤轉速n，如式(1)。

(1)

式中：

n——定位盤轉速，r/s；

vd——定位盤輸送線速，mm/s；

vp——調速皮帶線速，mm/s；

D——定位盤輪盤直徑，mm。

椰青的圓柱面和圓錐頂切削同步進行，切削時間相同，可由式(2)計算：

(2)

式中：

tq——切削時間，s；

Lh——柱面切削行程，mm；

Lz——錐面切削行程，mm。

刨削刀的進給速度計算：

(3)

式中：

vh——柱面刨削刀進給速度，mm/s；

Hh——柱面刨削刀進刀行程，即導軌19的切削行程段的曲線最低點至最高點的高度差值，mm。

(4)

式中：

vz——錐面刨削刀進給速度，mm/s；

Hz——錐面刨削刀進刀行程，即導軌22的切削行程段的曲線最低點至最高點的高度差值，mm。

由此確定刨削刀的進給量，即椰青每轉一周，切削刀切入外皮的深度。

(5)

(6)

式中：

fh——柱面刨削刀進給量，mm/r；

fz——錐面刨削刀進給量，mm/r。

最后，可通過式(7)計算設備的加工速率。

(7)

式中：

Q——設備加工速率(單通道)，個/min；

P——定位盤間距，mm。

已知椰青原果需適當分級才能進行有效的切削加工，在試驗中，采用橫徑φ150～160 mm的椰青原果作為處理對象，加工成柱面直徑為φ130 mm、高140 mm的成型產品，確定設備設計關鍵技術參數如表1所示。

5 結語

該設備的切削系統為直線式布置，由定位輸送裝置、同步運行果體切削成型裝置、端部連續切割分離裝置三大核心部分組成，相互之間通過傳動系統實現同步運行。椰青原果經過分級后，進入對應的切削通道，依次經歷多工序處理：定間距列隊輸送、壓合緊定于定位盤、柱面和錐面同步切削、端部切割分離，最終實現產品成型。常見椰青原果的橫徑規格為140～180 mm，采用4通道并聯切削系統對應4級別原果，可滿足實際生產需要。按單通道加工速率90個/min計算，4通道機型可達360個/min，可代替80～100臺傳統的手工輔助的半自動切削機。

該設備還需要進一步完善椰青原果入料的自動化設計，擬采用機器視覺技術分辨椰青蒂部并自動定向排列，以提高機械手的抓果速度和定位置放的準確度。

表1 設備設計關鍵參數Table 1 Key design parameters of equipment