基于3D 打印成形技術下的蘿卜切絲機的設計

蔡 斌 潘飛鴿 何 康 吳 波

(1、宿州學院 機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000 2、安徽車橋有限公司，安徽 宿州 234000)

隨著生活水平的日益提高，人們對飲食理念越加重視。目前市場上蘿卜切絲主要采用人工方法或者傳統切絲機，為提高切絲的效率，實現自動化生產，本文對蘿卜的加工切絲以及分揀結構進行設計，通過前期調研、搜集資料、理論學習，探索切絲機產品各方面的特性，分析切絲機在切絲過程中面臨的具體問題，從尺寸、造型、功能、色彩、材質等方面完成設計的論述和實體的制作。設計完成的切絲機切絲效果粗細均勻，切絲長度長短適中[1]。

傳統切絲機采用專用構件，不利于維修，一個構件的損壞嚴重影響機器的效率，從而造成資源的浪費，增加了切絲的成本。因此在此次設計過程中，對部分連接件、固定件采用3D 打印技術進行加工制作[2]。3D 打印技術，是一種通過3D 打印設備逐層增加材料來制造三維產品的技術。作為一種快速成形技術，3D 打印可以實現產品的結構優化，節約材料和節省能量[3-5]。同時3D 建模打印簡單，利于零件的修改與更換[6]。

1 切絲機模型的建立

該款切絲機由傳動、清洗、切絲三個功能區組成，每一部分中的擋板件、支撐件、連接件均采用3D 打印技術來完成制作，3D 打印的快速成型特點也為零件的更換提供了保障。根據設計思路，利用PRO-E 軟件按照傳動順序建立切絲機三維模型裝配圖，如圖1 所示。

圖1 蘿卜切絲機三維模型示意圖

控制方面分為兩個部分，即通過慧魚板來控制各個電機，以及通過數字調壓控制器對振動部件的控制。模型建立之后，根據圖紙要求，準備相應零件。零件可分為3D 打印零件和非3D 打印零件兩部分。配件準備完全后進行組裝、優化、調試，從而得到所設計的切絲機。設計的流程圖如圖2 所示。

圖2 裝配調試流程圖

2 切絲機不同功能區的組成

2.1 傳動部分

進料口處采用帶傳送，傳送帶接觸面積大，產生較大的摩擦力利于蘿卜傳送至清洗區；電機與傳動軸之間采用齒輪與鏈傳動，優點是可以進行遠距離的傳動；鏈、帶的設計長度為350mm。清洗區與切絲區之間通過直流式振動盤相互連接，用以保障蘿卜能夠順利的進入切絲區；疏通部位采用齒輪與螺桿傳動，當蘿卜過多時可以通過疏通蘿卜來保證切絲的順利進行[7]。

2.2 清洗部分

區別于傳統的侵泡沖洗，該款切絲機在清洗設計時，不僅配置流速可調節的高壓水流，同時在軸上安裝鋼刷，通過軸件運轉帶動鋼刷運轉，用于清理泥土和蘿卜的細小根毛。清理后的蘿卜通過棉制毛刷，吸附多余水分，多重毛刷的設置保障了蘿卜的潔凈和干燥，清洗后的污水通過底部留有的出水孔流出切絲機。

2.3 切絲部分

蘿卜傳送到入料口后，依靠自身重力下滑到旋轉刀頭處。通過微動開關進行控制切絲，切好的蘿卜絲通過出料口處皮帶及時傳送，避免蘿卜絲積壓，從而穩定刀頭的旋轉速率，保證切出的蘿卜絲的質量穩定[8]。

刀頭設計為底圓半徑360mm，頂圓半徑210mm，高70mm的圓臺，圓臺側面對稱安裝了整齊排列刀孔的刀片。刀頭采用的設計可以讓電機高效傳遞動能，同時也便于蘿卜絲的排出。切絲部分示意圖如圖3 所示。

圖3 切絲部分示意圖

2.4 3D 打印零件

刀頭固定件采用3D 打印，先通過pro-e 軟件建模，設計軟件和打印機之間采用STL 文件格式進行協作，將建成的三維模型切片成逐層的截面，從而指導打印機逐層打印。STL 文件使用三角面來近似模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。

3D 打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用PLA+將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面粘合起來從而制造出所需實體。用傳統方法制造出一個模型，根據模型的尺寸以及復雜程度，通常需要數天時間，而采用3D 打印快速成型技術則可以將時間縮短為數個小時，提升了零件的生產效率，從而提高整體裝備的使用價值。

對于刀頭固定件結構，軸采用六棱柱的形狀，便于與電動機上的六棱內孔形成緊密連接，從而可以高效率傳遞動能。兩層擋片的設計可以實現更好的與待連接件裝配，四個斜面狀的L 形結構與刀頭形成緊密配合，能防止運轉時刀頭的脫落，進而使得刀頭穩定運轉。刀頭固定件模型如圖4 所示。

圖4 刀頭固定件模型

用以防止滑落的擋板，切絲機的電機馬達與刀頭的連接件，刀頭、刀片的固定件等都運3D 打印成形的方式獲得。這些非標件的快速打印，在滿足使用強度的要求上，縮短了加工、裝配、維修時間，提升了使用效率，提高了切絲機的使用價值。

3 切絲機裝配調試過程

3.1 裝配過程

裝備過程按照結構傳動順序進行安裝，安裝過程中對于初步設計過程中不合理的部分進行更改，先進行關鍵部件的組裝，減小裝配誤差，減小對主要功能的影響。在滿足功能基礎后，進行輔助件的裝配，同時把握好零件的尺寸配合，做到精準安裝。硬件部分安裝完成后，進行振動盤控制器和慧魚控制板的安裝及導線的連接工作。連接過程采用合理的結構布局可以減小切絲機的體積，在保障功能的同時使得切絲機更加小巧。

3.2 調試過程

完全組裝好之后，先進行慧魚控制板程序的編寫與下載，然后通過振動盤所連接的電動開關對直動式振動盤的振動頻率進行調節，使其達到預期效果。完成預期的要求之后再推陳出新，進一步設計出更優的控制程序與方案。

安裝調試過后進行切絲實驗，切絲完成之后，蘿卜絲會掉落到有間隙的傳送帶上，傳送帶傳送的過程中會產生輕微的振動，這樣相對較長的蘿卜絲就會被傳送走，較短的就會掉落，這從而保證蘿卜絲的切絲質量。

4 結論

為了提高切絲機使用價值，節約成本，完成綠色制造的目標，本款蘿卜切絲機在設計過程中，部分連接件采用3D 打印快速成形，縮短了加工、裝配、維修時間，提升了使用效率。組裝調試后的蘿卜切絲機功能多樣，原理簡單，得到結論主要有以下幾點：

4.1 切絲機不僅實現了切絲的功能，同時增加了清洗、振動傳絲的功能；設置了鋼刷和棉制毛刷，不僅去除蘿卜污泥和細毛，同時干燥蘿卜表面。通過傳送帶傳送，利用帶間間隙振動實現長短絲的分離。

4.2 采用3D 打印快速成型技術，對主要的連接非標件進行打印。打印出的零件能夠滿足使用強度要求，在加工裝配的過程中節省了時間與成本。

4.3 切絲長度均值為47mm，質量較好。但長度較手工切絲偏短，后期會對刀頭等構件進行更改優化。