基于PLC的小青柑自動掏肉機設計

陳邦印， 王建生， 李慈心， 江少航

（五邑大學 智能制造學部，廣東 江門529020）

0 引言

近年來，隨著廣東江門新會柑產業與品牌的打造升級，除了帶火新會陳皮，還有新會柑普茶、陳皮果酒等[1-3]。尤其是新會柑普茶成為近兩年茶行業的新寵，其原材料主要是新會小青柑。現在小青柑的剝皮取肉大多為人為手工剝皮取肉[4]，還有一些小型的機器只是能解決單一工藝流程或者還未完善的小型機器設備[5-6]。隨著新會大面積種植小青柑，柑普茶將會崛起，然而如今工人勞動力不足而且費用較為昂貴，對較為完善的現代化機器設備的需求尤為突出。而根據相關文獻與調研，針對新會小青柑果肉挖取技術而言，市場上出現的相關的機器甚少，或是還存在可被完善或是不可完善等問題[7-11]。較為完善的果肉自動挖取機能夠最大限度地提高加工生產效率和提高中小型企業工廠作坊的經濟效益。

1 設計思路

1.1 發現存在問題

對比市面已有的一些機器，確實提高了生產加工的效率，但后續還需要人手將開果部位柑皮蓋子與連接的果肉分離，如圖1所示，由于果汁與柑果皮中含有柑橘類水果的酸味成分[12]，長時間接觸檸檬酸可能會對人手有腐蝕的作用，造成長時間的紅腫脫皮的狀態，故設計一臺新會小青柑果肉自動挖取機是對工人的一種保護，解決了操作環境惡劣的問題。

1.2 構想與思路

針對新會小青柑加工基本依靠手工完成這一現狀，設計一款可實現小青柑自動化加工的機器，該自動化機器采用刀具和吹氣相結合的加工方式，該加工方式分為4個加工工序：工序一是手工上料，雇傭工人在設備前方豎著放置小青柑（小青柑帶枝部分朝下）；工序二實現小青柑上切口直徑φ5 mm，下切口直徑φ25 mm；工序三實現在保留完整的果皮前提下去除果肉；工序四為卸料工序。另外實現φ25 mm的切皮塊完整保留，四工位同時加工以達到高效率加工效果。

圖1 小青柑開果圖

2 小青柑掏肉機結構設計

小青柑自動掏肉機整體結構設計如圖2所示，主體分上下兩部分，下方為電動機、氣缸等部件，上方為氣缸、轉盤、小青柑底座和壓模等部件。其中的機械機構部分主要是平面型槽輪機構、圓柱式凸輪機構，元器件主要使用標準化的普通電動機及雙作用氣缸。該設備總共分為4道工序。4道工序中除了上料為人工上料外，其余3道都是由PLC控制機械機構實現自動作業。

圖2 整體布局

2.1 上料工序（工序一）

設備工序一是工人手工將小青柑帶枝部分朝線下放置在轉盤的凹槽（下文統稱下模）上，其中轉盤上有4個下模。轉盤每7.5 s轉動一次，即轉盤停留時間為7.5 s，在這過程中工人將4個小青柑正確放置，如圖3所示。

2.2 切塊工序（工序二）

設備工序二的主要功能是對小青柑直徑為25 mm的圓柱形果肉連同柑皮取出，及在另一個方向對小青柑開一個直徑為5 mm的小通孔，如圖4所示。

圖3 上料工序

圖4 切塊工序

其工作原理為：1）設備上方氣缸推動4個橡膠壓模往下運動，壓住小青柑；2）上模帶有φ5 mm的圓孔刀，下壓過程直接開口；3）下模有φ30 mm的通孔，設備下方氣缸推動下方4個圓柱凸輪往上運動，其特殊結構（圓柱凸輪機構）可以實現φ25 mm的圓孔刀具作一個旋轉+上升的運動，φ25 mm的圓孔刀上升過程可切出小青柑中間部分的果肉；4）氣缸往下推動，帶動φ25 mm的圓孔刀旋轉下降，可帶出φ25 mm的果肉。

2.3 掏肉工序（工序三）

設備工序三的主要功能是對小青柑殘留附著在果皮內壁的果肉進行刮洗、沖刷，如圖5所示。

其工作原理為：1）設備上方氣缸推動4個橡膠壓模往下運動，壓住小青柑；2）上模帶有φ5 mm的噴氣頭，噴氣頭兩側通孔，下壓后噴出高壓氣體，沖刷內壁殘留果肉；3）下模有φ30 mm的通孔，設備下方氣缸推動下方4個小電動機和特殊刀具往上運動，刀具的特殊結構可以實現鋼絲繩自動收縮，以實現通過小青柑下方φ25 mm的開口時不破壞果皮的目的，同時實現在果實內部撐開鋼絲，以便刮洗內壁殘留果肉；4）刮洗、沖刷一段時間后果肉挖取干凈，氣缸帶動刀具往下運動，刀具內部帶有彈簧，可以使鋼絲收縮，安全下降至原始位置，轉盤轉至下一工位。

圖5 掏肉工序

2.4 卸料工序（工序四）

設備工序四的主要功能是通過斜杠將小青柑從底座（橡膠下模）直接卡出，然后順著斜杠滾落至出槽口，完成卸料，如圖6所示。

3 關鍵零部件機構設計

圖6 卸料工序

3.1 圓柱凸輪設計

采用圓柱凸輪分度機構，如圖7所示，可以實現在往上切割果實和往下脫離果實的過程中，刀具同時作一個旋轉運動，這個旋轉運動可以迫使圓柱形刀具內部的果實在脫離過程中會與刀具一起落下，實現掏空小青柑的目的。并且，設備加工小青柑時所需的加工速度，即凸輪的運動速度不高，因此適用，運動時滾子可以補償滾子與滾槽之間的間隙。

3.2 橡膠模具的設計

上方橡膠模具結構主要由4個零件構成，如圖8所示。托盤載著小青柑轉動到工序二、工序三工位，設備上方的氣缸推動4個模具往下運動。橡膠壓塊先與小青柑接觸，此時橡膠壓塊抵抗彈簧力往上運動，但整個模具依舊呈下降狀態，小青柑開始被固定，當氣缸桿走完整個行程時，模具與小青柑皆處于不運動狀態，設備下方切塊機構與掏肉機構開始作業加工完畢后。設備上方的氣缸開始進行回程運動，此時整個模具除了橡膠壓塊，其余零件開始往上方向運動，橡膠壓塊在彈簧儲存的彈簧力的作用下，處于與小青柑緊密接觸并且停止的狀態，在模具上升到一定高度后，彈簧桿將所具有的彈簧力釋放完畢，橡膠壓塊才開始跟隨整個模具上升，最終到達初始位置，而后轉盤開始轉動，進入下一個工位。

圖7 圓柱凸輪分度機構

圖8 橡膠模具工作狀態

3.3 特殊刀具設計

根據小青柑果肉柔軟的特點，加之從不銹鋼絲打蛋器上汲取的設計靈感，本設計采用軟不銹鋼作為刀具，如圖9所示。

圖9 特殊刀具示意圖

在轉盤載著小青柑進入工位后，設備上方氣缸推動上模向下運動固定小青柑，設備下方的氣缸推動4個微型交流電光軸電動機和特殊刀具向上運動（微型交流電光軸電動機通過聯軸器與特殊刀具相連接），此時刀具處于收縮狀態（最大寬度小于25 mm），當刀具上升到小青柑果體上部后，刀具的上端與上模的通氣桿下端相接觸。此時，彈簧桿會停止運動，由于氣缸還處于推動狀態，整個刀具依然處于向上運動的趨勢，兩個反向相向的力將處于收縮狀態的鋼絲撐開，使鋼絲最大寬度接近小青柑果體的直徑，實現最大化地刮洗、沖刷小青柑果實內壁殘肉。

3.4 卸料機構的結構設計

在轉盤上方設置2個卡料斜杠，斜杠的位置應該設置在小青柑運動軌跡的切線位置。由于橡膠模具是在轉盤上對稱分布，所以在轉盤轉動的過程中，小青柑的運動軌跡總共有2個（轉盤機構每移動一次，每個運動軌跡都會有兩個小青柑經過）。小青柑運動的軌跡如圖10所示，灰色虛線為小青柑重點運動軌跡，黑色粗實線為小青柑外圈運動軌跡。

圖10 小青柑運動的軌跡（灰色虛線）初始示意圖

繪制出小青柑的運動軌跡圖后，在小青柑運動軌跡的切線上安裝兩根卡料桿，如圖11中使用虛線表示卡料桿位置。卡料桿貼近轉盤上表面，在轉盤轉動的過程中，小青柑會被卡料桿限制位移方向，由于轉盤的轉動為小青柑提供一個轉動慣量，因此，小青柑會沿著2個卡料桿的位置，進入出料槽，最后排出設備，完成卸料過程。

3.5 工作臺設計

工作臺轉盤結構的主要功能是為小青柑提供進料位置和為加工生產提供有效的平臺與適合的加工位置。工作臺轉盤機構主要由工作轉盤、工作臺連接軸、槽輪機構、16個橡膠模具、聯軸器和電動機組成。其中電動機為工作臺轉盤提供旋轉工作動力。工作臺的三維圖如圖12所示。

圖11 小青柑運動的軌跡（虛線）最終示意圖

圖12 工作臺機構

4 控制系統設計

4.1 氣動回路系統設計

小青柑全自動掏肉機的氣動回路是以高壓氣體為介質，它通過4個雙作用氣缸和噴氣嘴等元件，組成統一的整體氣動回路，再利用可編程控制器對設備進行控制。設備所需的氣缸共4個，其實現功能兩兩相同，即工序二和工序三分別需要2個推進功能的氣缸，設備的氣動主回路原理如圖13所示。

4.2 PLC控制系統設計

4.2.1 控制系統總方案設計

系統采用PLC進行小青柑全自動掏肉機控制，需要對上下氣缸、大電動機、4個小電動機和傳感器控制，如圖14所示。

圖13 氣動主回路

圖14 控制系統結構圖

4.2.2 PLC I/O口分配

根據輸入與輸出狀態的不同，其中4個連接刀具的電動機可以同用一個脈沖輸出端口，而控制工作臺轉盤和兩種氣缸（上氣缸與下氣缸）也各需要一個輸出端口，共需要4個脈沖輸出端口的PLC。其中電動機都為交流電動機，需要用中間繼電器進行控制，而控制氣缸輸出狀態則需要用電磁控制閥，這就需要線圈類型的PLC，需要選擇有線圈輸出端口的控制硬件，所以選擇三菱PLC一體機TM-20MR-430-B。選出合適的PLC類型后，可以得出PLC的I/O分配表，如表1所示。

4.3 PLC控制流程

PLC控制流程如圖15所示。

表1 新會小青柑果肉全自動挖取機控制系統的I/O分配表

圖15 控制流程圖

4.4 PLC程序編程

小青柑掏肉機的PLC程序編程采用的是梯形圖，因為PLC的梯形圖語言是編程中最常用的一種語言，通過與電氣原理圖和I/O口分配表配合查看，更直觀反映了整個控制系統。控制系統的部分PLC梯形圖如圖16所示。

圖16 部分梯形圖

5 結語

本文研發了一種小青柑自動掏肉機，通過PLC、氣動控制系統和電動機結合一起，實現去果肉、存果皮的特殊加工。解決了當前依靠人工進行小青柑的去肉保皮的問題，提升生產效率和加工質量。該小青柑自動掏肉機針對目前相關企業存在的問題進行設計，得到企業認可。