冷凍金槍魚去皮裝置設計

羅慧，揭大東，沈培玉

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫214122）

0 引言

金槍魚是一種大型遠洋性重要商品食用魚, 常見于眾多深海魚類加工工廠。金槍魚肉質鮮美[1],各種營養成分、礦物質及維生素含量高。近年來,人們的生活品質不斷提高, 以金槍魚為代表的深海魚類的需求也在不斷增加,同時金槍魚的儲存及運輸也比較復雜。經專家論證[2]，為了保證金槍魚的魚肉質量, 其儲存溫度一般為-50 ℃，而且證明隨著金槍魚凍結-解凍的次數的增加, 其硬度、彈性、咀嚼性均明顯降低,所以廣泛認為冷凍加工是最好的方法。

冷凍金槍魚的去皮作為金槍魚食材加工過程中的必不可少的環節,需要消耗大量人力資源和時間。因此,減少勞動力、提高生產加工效率對去皮加工這一商業化生產過程的發展尤為重要。經過深入了解發現，現有金槍魚加工具有以下幾個問題[3]：1）生產效率低下。現有國內冷凍金槍魚去皮大多采用人工去皮,利用刨刀推切去皮。2）勞動環境惡劣。工人的生產工間溫度較低,不適于工人長期作業。3）勞動力質量下降。由于工作條件艱苦,勞動力趨向老齡化,企業招聘困難。

針對傳統的人工去皮加工存在的問題, 以及通過對金槍魚加工過程的深入了解，設計了一款新型高效的自動金槍魚去皮機。

1 去皮方案設計

金槍魚去皮的目的是易于運輸與存儲, 同時去皮完成后要盡可能地保持金槍魚肉質,口感不變。傳統的人工去皮是用刨刀切入魚身之間,對刨刀施加壓力,使其緊貼魚身, 沿著魚身曲線對整個魚身進行刨削, 完成去皮加工。同時金槍魚去皮前有切頭、去尾、分割、去內臟等操作，最后金槍魚去皮前的外形如圖1所示。

根據冷凍金槍魚人工去皮的原理,設計合理的去皮方案。去皮過程包括魚身定位與夾緊和刀具分角度去皮,因此要設計相應的執行機構。

2 金槍魚去皮裝置結構

根據上述去皮方案,為了提高去皮范圍,裝置設計了轉動機構和刀具旋轉機構,分角度進行旋轉，其具體機構如圖2 所示。裝置主要由支撐平臺、傳送帶、定位與夾緊機構、轉動機構、刀具、動力源組成。

圖1 金槍魚去皮前外形

1.支撐平臺 2.傳送帶 3.光電發射器 4.支撐板（右） 5.固定夾緊板 6.力傳感器 7.魚身 8.舵機9.刀具連桿 10.彈簧1 11.刀具 12.去皮氣缸13.移動夾緊板 14.支撐板（左） 15.帶座軸承16.傳動主軸 17.聯軸器 18.減速器 19.伺服電動機1 20.光電接收器

2.1 定位與夾緊機構

魚身定位是由光電發射器3和光電接收器20組成，它們能通過被遮擋的時長和被接收的時長計算出傳送帶還需運動的時長，安裝在傳送帶前端，且略高于傳送帶平面。金槍魚的夾緊機構是由夾緊氣缸21、兩夾緊板5、13和力傳感器6組成（一夾緊板與支撐平臺1固定，另一夾緊板與氣缸相連）。夾緊氣缸本身不動，由推桿帶動夾緊板5運動。夾緊板夾緊范圍需小于魚身頭尾部截面，這樣可避免去皮時刀具與夾緊板碰撞。力傳感器可以監測魚是否被夾緊，同時避免在魚體型不同時夾緊板由于受力過大而斷裂。其夾緊機構示意圖如圖3所示。

2.2 去皮機構

去皮機構是冷凍金槍魚去皮裝置的核心機構，由主要完成繞魚身轉動的轉動機構、為去皮提供動力的去皮氣缸和與去皮氣缸相連的連桿刀具組成，組成能分角度去皮的結構，其轉動結構如圖4所示。

由伺服電動機19驅動的轉動機構可使刀具繞著魚身軸線去皮；氣缸5可以提供刀具行程的動力，且便于控制。去皮運動的關鍵在于刀尖位置軌跡。為了適應魚身兩端大小不同的情況，刀具前端有一滑片24，可以使整個刀具在其導向作用下運動至魚上，同時壓縮彈簧10。為保證刀具能緊貼魚身，滑片壓縮彈簧產生的反作用力能使刀具中間的滑輪25緊靠魚身，為后端的刀27導向。為了避免刀具在去皮刀尖嵌入魚身太深而導致刀具損壞，在刀的兩邊加入兩彈簧26，可提供一定的張力，抵消由于去皮阻力產生的轉矩。一般的人工去皮推刨過程中收刀時不進行去皮加工，為了提高去皮效率，節省時間，連桿刀具上端裝有一舵機8，舵機只輸出彎矩，不承受其它力(軸向力由轉矩輸出機構30承受)。刀具在舵機的帶動下旋轉180°，返程也進行去皮。其刀具結構如圖5所示。

圖3 夾緊機構示意圖

圖4 轉動結構示意圖

圖5 刀具結構圖

為了保證去皮的可靠性，用Matlab對運動過程進行選擇優化[4-5]（彈簧2剛性化，刀與刀架固定），建立模型，最后選擇較優的尺寸。連接桿9與刀架22鉸鏈中心O至刀滾輪中心A的距離為174 mm,滾輪中心A與刀尖B距離為10 mm,鉸鏈中心O與滾輪中心A的連線與刀尖B和滾輪中心A的連線夾角為105°。尺寸如圖6所示，同時將結果帶入原模型中分析，以魚身軸線作為橫向坐標軸，以垂直于傳送帶平面建立縱向坐標軸，建立分析坐標系。其理論結果如圖7所示，滿足工作要求。

圖6 刀具尺寸圖

圖7 去皮時刀尖位置Matlab分析圖

2.3 工作原理

該冷凍金槍魚去皮裝置的具體工作原理及流程：

初始時刻去皮氣缸12位于一端，支撐板4、14與傳送帶2平面角度為90°，刀具對稱面與去皮氣缸12對稱面相同，此時裝置處于初始狀態；緊接著由工人將半個冷凍金槍魚平放在傳送帶2上；傳送帶2啟動后，當魚身經過光電傳感器3、20時，通過光電被遮擋→被接收→被遮擋的各段時長計算出傳送帶還需運動的時長。將待去皮金槍魚準確運輸至定位夾緊處，傳送帶2停止，然后夾緊氣缸21啟動，移動夾緊板13在氣缸21的驅動下與另一側固定夾緊板將魚夾緊；同時轉動機構轉動70°左右，緊接著去皮氣缸12（總行程1200 mm）帶動刀具從一端開始運動，氣缸12先空載運動125 mm, 隨后進入工作階段，向前運動950 mm，滑片24、滑輪25、刀27依次運動到魚上，完成第1次去皮操作。運動完畢后，舵機8驅動刀具旋轉180°，接著伺服電動機19帶動支撐板14和整個刀具繞魚身軸線反向旋轉28°，然后氣缸12帶動連桿刀具返程運動950 mm,完成第2次操作。后面將第2次操作循環4次，直至第6次操作。然后旋轉機構將刀具旋轉至初始位置，去皮氣缸移動至就近一側，與此同時夾緊氣缸12復位，傳送帶2啟動，至此完成了半條冷凍金槍魚的加工流程。此時金槍魚魚身靠近傳送帶的兩側位置仍未去皮，需要人工去除或加一工步去除，具體如圖8所示(黑色部分為已去皮部分)。

3 結語

針對現有的金槍魚加工現狀中存在的問題，設計了一款新型高效的冷凍金槍魚去皮機構，并在闡述裝置結構和工作原理的基礎上，通過Matlab建模分析，驗證了裝置的可靠性和穩定性。實際應用表明，該裝置可正常完成去皮操作，一人使用該裝置每分鐘可對一條魚去皮，是人工去皮速度的2～3倍，在深海魚類加工市場具有廣泛的應用前景。

此裝置存在的主要問題是：1）冷凍金槍魚魚身的體型大小不同且魚身的截面不規則，這將會導致了該去皮裝置的通用性降低。為了應對這種情況，較為簡單的方法是對金槍魚進行預處理，將金槍魚按魚身體型分類。2）去皮未完全，魚身兩側仍會有殘余，需人工去除或加一工步。3）為了提升整個加工流程的自動化程度和效率，應將該去皮裝置按流水線產線分布布置[6]，并在該裝置的前后增加自動上下料裝置，減少上下料所浪費的時間，提高效率。

圖8 去皮后外形圖