果丹皮自动成卷机构研究

郭红霞，彭 强

（天津轻工职业技术学院，天津 300350）

1 课题研究背景及意义

经过40多年的改革开放，我国经济得到了持续、快速、健康的发展，随着生活水平的不断提高，民众对身体的健康和保健意识越发重视。果丹皮是我国果脯产品的一种，有着多年的生产历史，我国果丹皮的主要生产区有河北省兴隆县和天津市蓟县两大产区。果丹皮的原材料主要是山楂，两大产区的山楂资源非常充足，果丹皮全国销售市场很好。果丹皮生产厂家仅河北省兴隆县就有100多家，最大生产厂家山楂产品的年销售额高达5亿元，但是果丹皮仍然不能满足全国市场需求，果丹皮产业大有可为。为了把市场做大做强，两大产区政府已经将山楂产品作为当地支柱型产业。

目前，在我国果丹皮的生产方式仍采用手工操作，每只果丹皮都要用人手搓卷包装，在产量上很难有更大的突破，严重影响产品出口，极大地阻碍了山楂产业的发展。当地政府和果丹皮生产厂家经过多年努力，尽管果丹皮生产加工已大部分实现了自动化，但是果丹皮自动搓卷难题一直没有解决，因此困扰着当地山楂产业的发展。目前，果丹皮加工步骤如下。

1）单片果丹皮经过一定时间晾放后，将单片果丹皮摞在一起（30~40张），再晾放一段时间；

2）将晾放好、摞起的果丹皮切成长方块；

3）将长方块果丹皮切成需要的尺寸；

4）将果丹皮逐片取下后搓卷包装。

2 国内外研究现状

21世纪的市场竞争不仅是先进技术的竞争，同时也是产品设计的竞争，以知识为基础的产品创新是现代化工业设计的核心。自主创新，加速解决生产过程中前人没有解决的难题，设计出市场亟需的产品显得尤为重要。

近年来，食品包装业呈快速发展态势，但是果丹皮自动成卷的机械化目前在我国还是空白。兴隆县和蓟县两地政府以及果丹皮生产厂家都亟需果丹皮成卷包装的机械化设备。影响果丹皮生产自动化的关键难点，也就是果丹皮用机械完成自动搓卷。因为前人没有在这方面进行研究，没有相关资料和经验可以借鉴，只能走自行研发、自主创新之路。

笔者经过一年多的调查、研究和大量的实际试验，设计并制造了几种果丹皮的成卷试验机械，与果丹皮生产厂家一起做了大量试验，取得了许多非常宝贵的第一手资料，因为果丹皮在加工过程中黏和软的特性不稳定，研究过程中也走了一些弯路，继续研究陷入了困境。在总结了前几种方案经验的基础上，经过进一步研究试验，采用了模仿手工搓卷方法，充分利用果丹皮黏和软的特性，克服不稳定性因素，设计制造出了一台果丹皮自动搓卷试验机，经过大量搓卷试验，方案得到果丹皮生产厂家的初步认可，果丹皮搓卷试验取得了突破性进展。

3 果丹皮成卷研究过程

3.1 方案一：半自动果丹皮成卷包装机设计

半自动果丹皮成卷包装机采用手动上料方式。将切好的一摞果丹皮放在上料架上，开启搓卷装置，推动推料板，果丹皮自动卷起，通过输送带到传出，当第一片果丹皮卷走后，由PLC系统控制步进电机通过滚珠丝杠，推动上料板向上移动一张果丹皮厚度的距离，进行第二片果丹皮搓卷，以此类推[1]。

此方案存在如下不足之处。

1）果丹皮第一片卷走后，因下面的果丹皮受到挤压力，黏性发生变化，不利于后面搓卷。

2）因为是手动上料、推料，不能满足自动成卷要求。

3）因为成卷和包装在一起分序完成，包装工序速度不能满足搓卷速度要求。

3.2 方案二：单组果丹皮自动成卷机构

在第一个方案进行大量试验后，通过对第一个方案的研究分析，总结果丹皮成卷过程中存在的问题和不足，在对果丹皮特性有了更进一步的了解后，笔者设计制作了第二个方案成卷试验机。方案将果丹皮的搓卷和包装分为两个部分，包装部分采用了成熟的枕式下走纸式包装机（可以采购），包装速度远大于搓卷速度，能满足包装要求。

果丹皮成卷试验机完成后，通过在现场对果丹皮搓卷试验，在不断研究改进和完善后，果丹皮搓卷效果优于手工搓卷，性能稳定，连续搓卷10天后，有关专家一致认定，此设计方案能够完成自动搓卷要求，果丹皮在搓卷研究方面有了重大突破。但是因为第二方案仍采用果丹皮单片人工放料，在提高加工效率上受到限制，仍需要进一步改进。

4 本研究的主要内容

以试验作为研究基础，在做了大量调研和试验基础上，采用崭新的人性化设计理念，应用先进的光纤检测手段和自动化PLC控制系统，使用触摸式显示屏，减轻工人劳动强度，提高生产效率，操作简单，方便实用，安全可靠，美观耐用，卫生健康。从实际出发，设计出一种全新的果丹皮自动成卷机[2]。

该果丹皮自动成卷机组成部分如下。

1）自动送料机构，由四组伺服系统分别驱动，统一同步调速，通过输送带实现果丹皮自动送料。

2）自动切料机构，当传感器检测到果丹皮后，通过偏心连杆机构带动刀片上下运动实现切料。

3）自动搓卷机构，由送料带和搓料带一同完成果丹皮自动成卷。

4）自动化PLC控制系统和光纤检测系统等部分，采用了可编程控制器和光纤检测系统，搭建了硬件系统，编写了PLC控制程序。

笔者主要对上述机构的设计和运动进行研究分析，将果丹皮本身具有的黏和软的特性，应用到部件设计当中。果丹皮在送料、切料、搓卷过程中，利用其自身存在的黏性，经过辊轴的滚压，将果丹皮黏合在输送带上，来完成自动切料，自动搓卷，实现自动成卷后自行黏合。

5 总体方案及运动分析

果丹皮自动成卷机主要有自动送料机构、自动切料机构、自动搓卷机构、自动化PLC控制系统和检测组成，操作者可以在触摸屏上进行加工速度、切割长度等参数的设定和修改。果丹皮放到送料带上后，检测到有果丹皮时，送料机构电机自动开启，通过送料带开始送料，切料机构检测到后，切料电机开启，切料刀具由偏心轮和连杆部件带动刀架上下运动，开始切料。切好的料直接送到搓卷机构。成卷后的果丹皮会自动黏合，自行经下料板到包装机上。

为了提高果丹皮加工效率，设计时采用了两个相同的成卷机构合并在一起，分别自动控制，统一操作。

5.1 自动送料机构

自动送料机构是由两个相同的送料部件组合而成，两组部件由控制系统分别控制。果丹皮（600 mm×100 mm）由工人放到定位板一侧的输送带固定位置上，两组送料机构对边两侧由光电传感器，分别检测是否有果丹皮，检测到后由PLC控制器分别控制两组伺服电机，通过电机皮带轮、O型三角带、被动辊轴，带动输送带实现送料。果丹皮经过切料机构的光电传感器时，检测到有果丹皮，输送带行走设定距离（50 mm）后停止，切料电机启动，切料刀片切断果丹皮，然后再进行下一个送料循环。

果丹皮的加工效率（送料带速度），是由送料机构的伺服电机转速决定的，调整电机转速快慢，就可以调整加工效率。如表1所示。

表1 果丹皮的加工效率

5.2 自动切料机构

自动切料机构是由两个相同的切料部件组合而成，两组部件由控制系统分别控制。果丹皮（600 mm×100 mm）由送料机运送到设定距离（50 mm）后停止，切料电机启动，接近传感器定位切刀下降位置，果丹皮到车刀下，光电对射传感器检测到果丹皮，切料刀片切断果丹皮。遇到下列情况时，自动控制系统PLC排除故障[3]。

1）卡料提醒延时，限位开关被遮挡设定时间后设备提醒卡料，设备蜂鸣器响。

2）卡料报警延时，卡料提醒持续设定时间后，设备报警停机。

3）再启动延时，卡料提醒后，限位开关不被遮挡后延时，再次启动。

4）上料启动延时，限位开关检测到工件堵塞后延时启动。

5.3 自动搓卷机构

切料电机控制切料刀片切断果丹皮后，将切好的一片果丹皮由运送带运到搓卷位置，传感器检测到果丹皮，开启搓卷装置，推动推料板，果丹皮自动卷起，通过输送带传出。

5.4 自动化PLC控制系统和光纤检测系统

为了方便工作人员操作，有按钮操作和自动触屏两种功能。设备上电后，首先要点击“运行准备”按钮，指示灯亮后，选择“手动”，再点击“复位”对设备进行复位；操作完成后，点击绿色“启动”按钮，设备开始自动运行。点击“暂停”按钮可以随时停止。自动运行中，打开安全门设备暂停。触摸屏分主界面和分界面，密码登录和密码退出，有计时器计数器界面，伺服距离设定等自动化PLC控制系统[4]。

自动化PLC控制系统异常确认与异常历史。发生故障时会自动跳转到该界面，可以点击“不良解除”或点击“故障复位”按钮，解除故障，点击“报警消音”清除报警声。

光纤检测系统由对射式光电传感器检测果丹皮，准确果断切料，限位传感器设定送料和切料精准位置，精准启动电机，保障不卡料不堵车。

6 小结

综上所述，“果丹皮”是我国果脯产品的一种，属传统食品之一，有着多年的生产历史，其主要原料为山楂。由于山楂药用的广泛宜传，所以山楂制品也就成了老幼皆宜的保健食品。但是“果丹皮”在生产加工过程中，仍然完全靠手工进行。开发果丹皮自动成卷机构的研究，技术上完全取代“果丹皮”手动搓卷，解决了“果丹皮”的自动搓卷难题，对今后在研究黏、软物质加工上会起到借鉴作用[5]。本研究的创新之处在自动化PLC控制系统和光纤检测系统等部分技术的应用，果丹皮自动成卷机构，设备采用不锈钢材料，危险操作部件安装透明塑料罩，绿色安全，产品完全符合国家食品卫生标准要求。