全自动穿串机

金行龙+殷锟+张小康+曹鸿鹏

摘 要：针对现实需求，文中设计了一款全自动穿串机，该穿串机由推签气缸，推签杠，升降滑块等组成。经验证，该穿串机在理想状况下的速度可达4 000串/h，极大地提高了穿串速率并节约了人力成本，具有较大的应用价值与较广阔的发展前景。

关键词：自动化；单片机；气缸

1 作品简介

该产品是一种多用途高效穿串机，由推签气缸、推签杠、升降滑块等组成。推签气缸固定在长方形底座的后部中间位置，推签气缸内部的伸缩推杆连接着长条形的推签杠，推签杠的前部有固定在底座上的滑块导轨和升降滑块及穿串上模。升降滑块连接滑块气缸，升降滑块的下方，在底座上固定着分段的横向车轨道和运载横向车，底座前部设有前排横向车轨道，底座左侧后部固定着左纵向车气缸和前部连接的左纵向车。本产品可在竹签上穿制各种肉串、软骨串、海味串或其它食品串。

本产品可以在很大程度上实现穿肉的自动化，解放劳动力。且该产品体积小，效率高，适用于中小型烧烤店，具有很大的实用价值。穿串机如图1所示。

2 工作原理

2.1 项目主要结构

文中设计的自动穿串机包括上料机构，传送机构，自动摆签机构和穿插机构。由电动机提供动力源，运用单片机及液压气压控制机传动。

2.1.1 主要机构

（1）上料机构

上料机构由肉块或其他食品的摆放模具（下模盒体）和固定肉块位置的上模盒体组成，可保证穿插过程的稳定性与精确性。

（2）传送机构

传送机构可有效保证下模盒体能够精确与上模合体配合，同时自动输送与输出上模合体，大大提高了生产效率。

（3）自动摆签机构

排签盒与排签板接触，通过曲柄滑块机构实现排签盒的运动，排签盒空隙与排签板的签槽重合时，下签控制器作用，自动下签，实现摆签。

（4）穿插机构

穿针在排签板内由于压签推板的作用可实现穿插肉块的功能。

2.1.2 电动机及电磁离合器

由于该设计由电动机提供动力，所以应根据设计要求计算好电动机的参数，配备电磁离合器，实现机械传动与液压传动双向驱动。

2.1.3 时间继电器

为了让电动机按照一定的方式工作，使其实现“自动”功能，必须用单片机设计程序或通过PLC来控制整个系统的运行，也可直接用时间继电器控制。由于时间继电器具有使用简单、方便等特点，故选择时间继电器。

2.2 项目的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

2.2.1 上料机构的选择及设计

（1）下模盒体

下模盒体由联动体、调节器等部分组成。通过转动调节器即可调节间距（通过转动调节器带动齿轮轴间接带动齿条运动即可调节间距），实现模仁多样功能。下模盒体如图2所示。

（2）上模合体

上模盒体通过液压驱动，与下模盒体配合。上模盒体的固定板下降与肉块接触，保证穿插过程的精确性与稳定性。

2.2.2 传送机构的设计

下模合体由联动体、调节器等组成。通过转动调节器即可调节间距（通过转动调节器带动齿轮轴间接带动齿条运动，即可调节间距），实现模仁功能多样性。带传动图如图3所示。

（1）皮带轮传动（V带）

电磁离合器控制电机输出轴联接皮带轮的V带，通过皮带轮将穿串机下部的输出动力输送到上部，皮带轮转动，通过输送轴将动力输送到其他部分。

（2）传送带传送（平带）

传送带平带与皮带轮输出轴相连，轴的转动带动平带转动，传送带与下模盒体联接，带的运动带动下模盒体的运动，从而实现与上模盒体的配合。传送带的传动效果平稳、准确，有力保障传送效果。

2.2.3 穿插机构

穿插机构如图4所示。模具一次可排多个签子，不仅提高了效率，还节约了能源。

1.签子 2.压签触头 3.上壓板 4.压签板 5 .排签板

从图5中可以看到，签子既不在压签板和排签板形成的形腔内，也不在上压签板与排签板形成的形腔内。当液压缸动作时，签子的一端与压签触头接触，一端在上压签板与排签板形成的形腔内，因此在穿菜或穿其它食品的过程中，签子受力出现微小弯曲，如图5所示。

此时将签子从排签板的槽中推出，此后，压缸在电磁阀换向动作后，反向运动，当压签板反向运动到预定位置时，上模盒体向上运动带动上压签板向上运动，脱离排签板。

2.2.4 自动摆签机构的设计

（1）排签盒的设计

当曲柄滑块机构运动时，排签盒体也一起运动，运动一段很小的距离后排签盒体底部与排签板接触，此时的下签控制器抵抗弹簧力顺时针转动，下签控制轴同向转动，下签控制触头亦同向转动，如图7所示。此时下签间隙打开。

（2）曲柄滑块机构

皮带轮转动带动曲柄转动，利用曲柄滑块机构的运动特点，实现滑块的往复运动。而排签盒就相当于滑块，可在排签板上往复运动，实现摆签。曲柄滑块机构如图8所示。

2.3 液气控制原理设计

液压控制原理如图9所示。虚线左边为上压板控制；右边为压签板控制。

1.油缸；2.油缸；3.单向阀；4.2位3通电磁阀；5.2位3通电磁阀；6.2位4通电磁阀；7.2位3通电磁阀；8.3位4通电磁阀

图9 液压控制原理图

（1） 上压板工作系统控制说明

图中8为3位4通阀，中位机选择O型是因为驱动上压板的液压缸不工作时会自锁，保持其工作位置；其它两换向位分别控制上行和下行；7为2位3通阀，可通过换向接通不同的工作系统。

（2） 压签板工作系统控制说明endprint

如图9虚线右边所示，其为带补偿措施的串联液压缸同步回路。当2为4通电磁阀右位接入时，两液压缸活塞同时下行，若缸1的活塞先运动到底，它就触动行程开关a使阀5通电，压力油经阀5和液控单向阀3向缸2的B腔补油，推动活塞运动到底，消除误差。若缸2先到底，则触动行程开关b使阀4通电，控制压力油使液控单向阀回油，活塞即可继续运动到底。

2.4 单片机控制设计

（1） 具体实现方法

采用接受和忽略中断进行控制。P0口作为数据输出口，工作时，单片机接受响应，将P0置数，P0口再输出相应的控制数据，通过一个逻辑电路做相应的逻辑运算来控制各对应驱动终端的运动状态。P0口输出结构功能设计见表1所列。

1.3位4通电磁阀阀；2.2位3通电磁阀；3.2位4通电磁阀

2.5 工作原理小结

备料模块由30 W交流电机、传送带、上下模具组成。

传送带在30 V交流电机的带动下将带有原料的下模与上模重合，上模下移完成压模，等待打签，打签结束后，上下模分开，穿好的肉串被传送带送出。

经过多次实验，我们加密了下模的沟回，并将上模做成针状方便肉的压实，且能适应更多肉类。

备签模块由滚筒式上签器，备签槽，压签器组成。

滚筒式上签器在15 V交流电机的带动下滚动并将放在备签槽中的竹签嵌入槽中，压签器的运动可保证一槽一签，防止多签入槽，引发失误。竹签到位后触发光电传感器，停止动作，完成备签。

打签模块由打签板，气动装置，导签器，接触限位开关组成。

备料与备签就绪后，汽缸带动打签板推动竹签沿槽运动，完成打签。

为了保证打签过程顺利进行，避免折签的状况出现，我们在竹签入口处设置了导签器，以使快速移动的竹签准确插入肉中。

动力模块由电机和气动系统组成。

（1）电机：在备料与备签过程中，由于电机带动传送带移动与滚筒式上签器的运动比较慢，需要随时停止，随时启动，故采用小功率交流电机作为动力。

（2）气动系统：打签与压模过程中运动均为直线，需要较大的压力与较快的速度，所以选用由汽缸、空压机组成的气动系统作为动力。

控制模块作为整个串肉机五大模块有效配合的中心，控制系统是完成所有动作的保证。我们采用单片机作为控制中心，配合五大电涡流传感器与一个激光回归反射式光电传感器，共同完成整个系统的控制。

3 创新点

（1）功能完备、卫生安全：采用先进的单片机技术，放置传感器进行闭环控制，使气动与电动相结合，实现自动上签，自动穿肉。

（2）适应性广：适用于各种签类，能穿各种串制品；通过使用不同的模具调整肉串长短。

（3）稳定性强：采用直流电机和气压泵，附加电磁离合器，保证动力输出的稳定性。压模结构的设计提高了穿串的精确度与稳定性。

（4）省空间、高效率：合理的空间布局与模块化设计大大节省了占地空间，4 000串/h的效率大量节约了人力资源。

4 市场前景

（1）通过单片机和安装在各运动末端中断按钮的有效结合实现了自动穿串，不仅减少了额外的能源消耗，同时还减轻了原始人工的劳力负担。

（2）多种菜品自动穿串的实现，使得自动穿串机的实用范围大大增加，大大提高了穿串机的实用性和可推广性。

（3）進行虚拟运动仿真后，加上额外人工填充时间，在理想的工作情况下，基本效率是720串/min，能达到餐厅在不使用保鲜柜的条件下满足即时需求，提高效率并减少经济成本的要求。

（4）应用范围：面向个体烧烤店的串制品加工，安全卫生，效率较高；面向工厂-超市-家庭供货的工厂化串制品生产；烧烤连锁店的集中供货生产，节约成本。

目前国内和国外的市场上都还没有类似的自动穿串设备，该全自动穿串机一旦大规模投入市场，将会很大程度解决我国餐饮业穿串紧张的问题，并取得世界领先地位。endprint