橄欖形楓斗自動纏繞設備開發

張 帆 范朱萱 楊維功

（杭州職業技術學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

石斛具有很高的養生和藥用價值[1]，市場需求量和種植面積逐年增長。新鮮的石斛不易儲存，將其加工成楓斗是其主要處理途徑。由于楓斗制作工藝[2]復雜，傳統的楓斗的加工都采用手工加工完成，勞動強度大、勞動環境差，經濟效益低下。

現行的楓斗成型設備制作的楓斗不符合行業的傳統制式，其形狀端部為切面，易碎易散，不宜包裝保存[3]。行業的傳統制式為橄欖形楓斗，形狀呈橄欖形，該形狀美觀整齊，緊致密實，易于保存。

隨著人們對楓斗的需求和產量不斷增加，人力資源越來越緊缺，亟待機器換人。

1 橄欖形楓斗的制作工藝流程

傳統橄欖形楓斗加工工藝采用人工制作完成，通過扭曲和干燥，形成現在市面上所看到的螺旋卷曲形狀。手工扭曲成型由3個動作組成：石斛段螺旋纏繞、延螺旋線的軸進行軸向壓緊、牛皮紙包裹壓實。由于牛皮紙包裹后不利于脫水，又因石斛段脫水后易斷，不易扭壓成型，在包裹前需要脫去約80%的水分。為了在包裹前脫去盡量多的水分，又因高溫時石斛段不易斷，易于扭壓成型，在45 ℃左右的溫度下成型，導致人手長時間與高溫的石斛段接觸，造成工作環境差。機器成型解決了這個問題，可以在更高的溫度（50 ℃）下成型，使在成型前可以脫去更多的水分，達到縮短工藝流程的目的。

橄欖形楓斗自動纏繞設備的加工過程[4]為整條石斛脫去約80%的水分后，先切段，再卷制、壓緊，再烘干。具體工藝流程如下：1）剪根。先將需要處理的石斛清洗干凈，再用剪刀沿著根部將其剪下，避免剪得過多或過少的情況，剪得多了會造成石斛的浪費，剪得少了對于加工起來會產生困難。2）去葉。制作石斛楓斗所采用的是石斛的莖，所以剪掉根部之后應將石斛的葉片去掉。3）炒制。將石斛莖放入溫度為110 ℃～120 ℃的烤箱中進行翻炒，一般20 min左右直至葉鞘張開，等待石斛荊條柔軟時即可從烤箱中取出。4）剝葉鞘。將炒制后的石斛莖放在操作臺上揉搓，去除石斛的葉鞘，揉搓過程中要用力均勻，避免石斛破損或折斷。5）低溫烘干。將石斛平攤低溫烘干，為了去除石斛中的水分。6）卷制。將炒制的石斛莖放在文火上烘焙，待莖軟化之后將其邊送入自動纏繞設備進行卷制成型。7）加箍。用專用楓斗夾夾制。將用專用楓斗夾夾制的楓斗放進烘焙箱進行烘焙，過程中先用70 ℃～80 ℃的中火，后用30 ℃～50 ℃的文火烘焙，烘焙要盡量保持均勻。8）降溫。待以上工藝完成之后，由于石斛經過了高溫的洗禮，要將石斛放置于陰涼干燥通風處降溫，這也是定型最重要的一步。9）去夾。將楓斗從楓斗夾中取出。10）復火。將整形后的楓斗置于溫度70 ℃左右的烘箱中二次烘焙，至楓斗呈金黃色略顯青暗，含水率≤8%。

2 自動纏繞設備的工作原理

通過對手工制作的操作動作進行分析研究，成型過程可以分為3個分解動作：纏繞、壓緊、兩端進一步壓緊。據此，模仿人工動作設計自動纏繞設備的運動機構。

橄欖形楓斗自動纏繞設備包括進料機構、卷繞機構、壓緊機構和出料機構。工作時，將已經脫去約80%水分的石斛段，在50 ℃溫度條件下，由進料機構送入卷繞機構，卷曲成型后，再通過壓緊機構壓緊成型，由壓緊桿和機架的半球形凹槽將其成型為橄欖形。壓制3 s后，出料機構開啟，壓緊桿退后，楓斗自動掉落。自動纏繞設備整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構圖

3 自動纏繞設備結構設計

3.1 進料機構

如圖2所示，進料機構由成型缸左端的進料口、上進料滾輪、下進料滾輪、第二旋轉電機（進料電機M5）和進料槽組成，上進料滾輪裝在進料槽的側壁上，與第二旋轉電機通過第四聯軸器聯接，下進料滾輪裝在進料槽的底部軸孔內。

圖2 進料機構剖視圖（C-C剖視圖）

3.2 卷繞機構

卷繞機構由第一旋轉電機（纏繞電機M1）、聯軸器、卷料軸、壓蓋、卷料軸支架、第三聯軸器、第三直線電機（纏繞推進電機M2）和成型缸組成。成型缸的內腔為圓柱形空腔；為了將石斛段卷入成型缸，需要給石斛段軸向和周向2個方向的力，由于螺旋推進機構具有這個特性，為了增加摩擦，將石斛卷入成型缸，將卷料軸的右端成型段圓柱上切出4個軸向凹槽和周向左旋螺旋[5]凹槽，卷料軸三維模型如圖3所示；卷料軸左端與第一旋轉電機通過聯軸器聯接；卷料軸支架通過第三聯軸器與第三直線電機聯接；卷料軸支架下部設置有燕尾形導軌二，與機架的左上部的左燕尾槽配合。

圖3 卷料軸三維模型

3.3 壓緊機構

壓緊機構由壓緊桿、第一聯軸器、第一直線電機（活塞電機M3）和機架上部的立面體組成；立面體上部的通孔的右部設置有第二半圓球形凹槽，壓緊桿的左端挖出第一半圓球形凹槽，如圖4所示。壓緊桿通過第一聯軸器與第一直線電機連接。

圖4 2個半圓球形凹槽示意圖

3.4 出料機構

出料機構由第二直線電機（卸料電機M4）、第二聯軸器和成型缸組成；成型缸下部設置有燕尾形導軌一，與機架的右上部的右燕尾槽配合；成型缸通過第二聯軸器與第二直線電機聯接。

4 電氣控制系統

控制系統采用單片機控制，采用STM32小系統核心板作為系統核心板，12/24V/7A160W雙路直流電機驅動板模塊作為電機驅動模塊，直線電機采用JGY37-545直流減速電機馬達（微型12 V/24 V全金屬齒輪加長螺紋螺桿M6），旋轉電機采用信達37直流微型減速電機（12 V/24 V齒輪慢速大力矩10 W可正反轉小馬達），微動開關采用PBS-11行程開關，進料檢測光電開關采用M3激光對射傳感器。

5 自動纏繞設備工作流程

工作流程共有7個步驟：1）開機后，各電機、運動零件復位。2）將已經軟化處理并按一定長度切斷后的石斛莖放入進料槽內，一端送進上進料滾輪和下進料滾輪中間。3）卷料軸在第一旋轉電機帶動下開始轉動；同時，第二旋轉電機開始轉動，將石斛條送向成型缸的進料口；當激光對射傳感器檢測到石斛段的進入后，第三直線電機開始轉動，帶動卷料軸支架向右移動，卷料軸將石斛條卷入成型缸，形成石斛卷；此步卷料軸的右端從位置一到位置四，觸到微動開關，第一旋轉電機和第二旋轉電機停止轉動。4）第三直線電機開始反向轉動，卷料軸從成型缸中向左退出；同時，第一直線電機開始轉動，使壓緊桿向左移動；卷料軸的右端退至位置一處時，觸到微動開關，第三直線電機停止轉動；壓緊桿左端的圓柱形壓緊塊的右端面從位置五到位置二時，觸到微動開關，第一直線電機停止轉動。5）停止3 s，以壓緊石斛卷。6）第二直線電機開始轉動，帶動成型缸向右移動，使成型缸10的左端從位置一移到位置三，觸到微動開關，第二直線電機停止轉動；此時楓斗已經成型，第一直線電機開始反向轉動，壓緊桿向右移動，壓緊桿左端的圓柱形壓緊塊的右端面從位置五到位置二；楓斗自動掉落。7）第二直線電機開始反向轉動，成型缸向左移動，成型缸的左端面從位置三移到機架上的立面體的右側面接觸，觸到微動開關，至此完成1個循環，制成1個楓斗。工作流程圖（圖中扭料電機M6在該機型中不需要），如圖5所示。

圖5 工作流程圖

6 樣機制作

樣機制作的主要任務是控制系統調試，復雜零件的制作，復雜零件主要有卷料軸和成型缸。

6.1 SLS金屬3D打印

由于卷料軸的形狀復雜，普通的機械制作工藝難于加工。先用SLA光固化3D打印驗證其形狀的正確性。再用SLS金屬3D打印制作真實零件。

6.2 分解零件結構制作法

為了節約成本方便制作，將成型缸拆分為缸體和進料槽2個部分制作，如圖6所示。分別加工后再通過緊定螺釘將其裝配固定為一體，材料采用鋁合金，如圖7所示。1）設備適用范圍大，對于直徑在2 mm～5 mm的石斛段均能成功卷制。2）整機成本較低，適用于大型工廠，也適用于家庭作坊。便于推廣應用。3）設備的機械結構和控制系統均是開源的，為后期從鮮石斛條到成品楓斗的加工流水線開發提供了重要的關鍵環節。

圖6 成型缸分解制作

圖7 組裝后結構

7 結論

通過樣機試制，制作的楓斗呈橄欖形，并經權威機構鑒定。1）設備5 s生產1個楓斗，制作的楓斗保持了石斛的營養成分，符合行業標準[6]。2）由于進料機構對石斛段進行了一定力的壓制，使楓斗在泡制時有效成分的析出量比手工制作的高出約5%。3）設備適用范圍大，對于直徑在2 mm～5 mm的石斛段均能成功卷制。4）整機成本較低，適用于大型工廠，也適用于家庭作坊，便于推廣應用。5）設備的機械結構和控制系統均是開源的，為后期從鮮石斛條到成品楓斗的加工流水線開發提供了重要的關鍵環節。