智能化凉粉加工一体机的研制

林子阮，张洪军，2，宋金秋，王 磊，阮 艺

（1.岭南师范学院机电工程学院，广东 湛江 524048；2.粤西机电产品设计与制造工程技术研究中心，广东 湛江 524048）

凉粉是中国特色小吃，主要原材料是凉粉草、大米、红薯和豌豆，尤以四川凉粉搭配酱油、醋、辣椒油而食，清凉爽滑，为夏季风味食品，在各类特色小吃中首屈一指[1]。要让凉粉走向全国、走向世界，实现制作工艺标准化、产业化是关键，智能化的生产设备是基础[2]。

图1 四川凉粉

四川凉粉传统手工制作工艺是选用豌豆（红薯）淀粉，豌豆粉放入6倍的水中搅拌均匀，中火煮至冒泡再小火继续加热至大量冒泡，关火，倒入盆中放凉；搭配调料拌好，即可食用[3]。针对此工艺，目前市场上应用的凉粉机有凉粉蒸煮锅、蒸汽凉粉机和电加热凉粉机等，在搅拌熬制过程中，实现了搅拌速度、温度调节的自动化，在混料阶段还是采用人工配比或者其他独立设备完成，熬制完成后，倾倒到其他容器，最终定型定量还由人工完成[4]。

随着社会的发展，传统的生产模式发生了改变，人口红利渐失，劳动力与生产率产生的产品成本占主导地位，食品加工企业对食品机械自动化生产线需求增加减少劳动力和加大生产效率的主要方法就是采用机电一体化的设备[5]。因此，为了提高凉粉加工企业的经济效益，智能化、自动化的食品机械将是企业可持续发展的有效途径，也是餐饮行业进行技术改革的终极目标[6]。

综上所述，针对以上问题，本设计开发一款符合四川凉粉制作工艺，从原料定量混合、搅拌混合、成型分装实现一体化的智能凉粉加工设备，具有劳动力成本低，生产效率高等优点，具有良好的市场前景。对于提高四川凉粉企业的的经济效益，同时让更多消费者品尝到四川名小吃，具有重要的现实意义。

1 主要结构及工作原理

1.1 结构组成

智能凉粉加工机主要包括入料机构、混合搅拌机构、加热挤出机构、冷却成型机构、切断出料机构、壳体以及智能控制系统等结构组成。控制器操控入料机构、混合搅拌机构、煮水机构、搅拌加热机构、冷却成型机构、切断出料机构的电机。入料机构分别连通混合搅拌机构和煮水机构，混合搅拌机构、煮水机构并列设置，且两者出口端汇合并连通至搅拌加热机构，搅拌加热机构、冷却成型机构、切断出料机构依次连通。整体结构如图1所示。

图2 凉粉加工机结构示意图

1.2 工作原理

采用计算机控制技术，对四川凉粉原料配比、加热温度、搅拌时间、冷却温度及时间等进行实时监测。具体操作流程是通过入水管将清水注入煮水锅，煮水电热管开始工作加热煮水锅内清水，清水将在一段时间后沸腾，同时通过入料斗向混合锅加入淀粉，压力传感器通过测算到的淀粉重量变化，再从入水管按照比例向混合锅加入清水，搅拌系统的电机将带动搅拌器转动，将水与淀粉充分搅拌混合，在混合锅内形成水与淀粉混合物，水与淀粉的混合物与煮水锅提供的开水按照比例汇合接触后进入加热仓管，挤出机构的电机带动螺旋搅拌棒旋转，同时仓管电热管工作，使混合物形成稠状物，稠状物以沸腾状态到达加热仓管末端并进入活塞管，成型机构电机带动曲柄转动，曲柄带动连杆运动，通过曲柄滑块组件进而带动活塞做直线往返运动，稠状物被压缩，同时通过导管并进入成型模具，在散热架、外部分布的热管、散热器的配合工作下，稠状物将在成型模具流动过程中逐渐冷却并成型，最终成型的凉粉进入上导槽，切断电机带动刀片转动，等距切割途径的成型凉粉，被切断后的凉粉进入下导槽完成加工。

2 主要结构部件设计

2.1 搅拌、加热机构

搅拌加热机构可使淀粉与水的混合液体变成凉粉稠状物，搅拌加热机构包括搅拌电机、加热仓管、螺旋搅拌棒和仓管电热管。加热仓管入口端连接混合搅拌机构和煮水机构的出口，加热仓管倾斜设置，倾斜角度为5°，且其出口端接通冷却成型机构，加热仓管下部出口端设有单向阀，单向阀连接至活塞管边侧，螺旋搅拌棒设于加热仓管内部，搅拌电机设置于加热仓管外侧，联动螺旋搅拌棒，仓管电热管缠绕于加热仓管外壁。工作时，仓管电热管开始加热，同时搅拌电机带动螺旋搅拌棒旋转，搅拌加热仓管内混合物，让淀粉与水的混合物充分混合均匀，并且防止混合物在加热时发生焦糊，同时降低其朝向加热仓管末端的流速，直到混合物流动到加热仓管接近末端，混合物将沸腾，变成凉粉稠状物。

2.2 冷却成型机构

冷却成型机构可实现凉粉稠状物加工为成型凉粉，它包括挤压装置和冷却装置。挤压装置包括成型电机、曲柄滑块组件、活塞和活塞管，活塞和活塞管置于水平放置，活塞一端通过曲柄滑块组件、联轴器连接至电机，活塞管一端连通导管，活塞管处还设有单向阀，防止材料回流。

图3 挤压装置

冷却装置包括散热架和成型模具，成型模具内孔截面由圆形渐变成所需凉粉产品形状的截面，成型模具连接于导管末端，散热架套设于导管及成型模具的外部，用于散热冷却。此外，散热架首尾两端设有热管，散热架外围还设置有散热器，既能保证能够完成高效的冷却功能，还能保证后续启动机器时的预热功能，如图4所示。工作时，稠状物进入成型模具时，在散热架、外部分布的热管、散热器的配合下，混合物将在成型模具中逐渐冷却并成型。

2.3 切断、出料机构

切断出料机构可等距切割成型凉粉，便于后续分装。成型模具出口连接出料导槽，出料导槽包括上导槽和下导槽，上导槽设计为直通式导板，可引导成型凉粉准确下滑，下导槽设计为梯形式导板，可使已切割好的凉粉顺利下滑，防止在导槽下方出现堵塞，上导槽、下导槽之间留出用于刀片切割的间隙，刀片位于上导槽、下导槽之间，刀片设计为圆盘上附加刀刃，每转一周可切一次凉粉，实现等距切割凉粉，刀片通过联轴器连接切割电机。工作时，电机带动刀片转动，进行等距旋转切割成型凉粉，被切断后的凉粉进入下导槽完成加工。

图6 切断出料机构

2.4 智能控制系统

凉粉加工一体机控制系统，选用西门子PLC300上位机与下位机相结合的方式进行控制系统设计。重点解决精准进料控制、加热过程的控制及成型机构自动控制；预加热控制实现恒温控制；并采用WinCC组态软件实现对设备的实时监控。操作界面采用触屏数显模式。

3 虚拟样机

根据成型工艺以及四川凉粉的食用特点确定进料机构、混合搅拌结构、加热挤出机构和冷却成型机构的结构组成，采用三维建模软件对各部分进行模块化设计，再进行虚拟装配，仿真分析，对各部分结构和力学性能测试，优化机械结构，完成虚拟样机设计。装配结果显示，各部分结构装配无干涉，运动仿真轨迹符合设计要求。

图7 智能凉粉加工机产品渲染图

4 结语

（1）针对目前市场上应用的凉粉机在定型定量由人工完成的问题，一体化凉粉加工机增设了冷却成型机构和切断成型机构，实现了凉粉机自动定型定量，使凉粉制备更加高效规范。

（2）一体化凉粉加工机采用计算机控制技术，通过操作面板将凉粉的原料配比、加热温度、搅拌时间、冷却温度及时间等数据输入到系统，使智能系统对原料配比、混合加热、冷却成型、切割等机构进行准确操控，不仅使凉粉成型的质量更接近于手工制作，而且使凉粉机实现全自动化加工，因此一体化凉粉加工机具有很高市场竞争力。