椰子自动切口机的设计

毛 舟 樊军庆 张信禹

（1．海南大学机电学院，海南 海口 570228；2．宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003）

海南是中国椰子主产区，每年总产量近2．4亿个，而全省每年椰子需求量却高达26亿个［1，2］，但是中国大部分椰子产品的前期加工是采用传统的手工或半手工方式加工的，加工效率低，因此，综合成本偏高［3］。在国外，椰子的去衣、脱壳、削皮及切口等工序的机械化率也不高。在海南，主要由人工完成，其中，对椰子进行切口的工序基本上全靠人工完成，手工切口方式具有费时费力、效率低下、不卫生、不安全等一系列缺点，需要消耗大量的人力，劳动强度大，且时有工伤发生［4，5］。本设计在椰子前期加工机械化研究［6］的基础上，对原有切口机进行改进，重新设计椰子夹具，使顶杆在垂直方向上运动距离减少的同时达到夹紧效果。

1 整机工作原理

半自动椰子切口机的整体机构如图1所示。该机器的工作流程：将手工或机械剥去外衣的椰子［7］放在右边的夹具上。当椰子随圆形工作台转到圆柱凸轮上时，凸轮顶起夹紧装置往上升，在上升过程中夹具将椰子夹紧，在切削时，圆柱凸轮高度保持不变，因此夹具保持夹紧状态。当切削完成，伸缩装置由圆柱凸轮最高点向最低点运动，夹紧装置松开椰子，切口完成。在切削时电机通过带传动带动刀具转动，刀架通过螺纹安装到刀架支承杆上，松开固定螺母，通过调节螺母可调节刀架高度，也可以通过旋转刀架来调节其角度，使刀具达到合适的位置。

图1 椰子切口机结构图Figure1 Diagram of coconut incision machine

2 主要结构设计

2．1 圆柱凸轮的设计

在旋转工作盘整体结构中，圆柱凸轮的最重要的作用是利用其运动的轮廓曲线特点带动均匀分布在转盘圆槽内的机械手上下运动，以便能够使装夹在机械手内的椰子更好的固定，实现切削（见图2）。

图2 圆柱凸轮示意图Figure2 Diagram of cylindrical cam

圆柱凸轮的设计计算是根据设计要求确定的尺寸，圆柱凸轮工作面最低点距机座的距离h1＝89cm，圆柱凸轮工作面最高点距地面的高度h2＝165cm，圆柱凸轮的直径D ＝86cm，周长L ＝270cm，圆柱凸轮的展开轮廓曲线见图3。其中夹具从圆柱凸轮最低点向最高点运动时，顶杆垂直向上运动，在此区间机械爪会慢慢加紧椰子；夹具从最高点向最低点运动时，顶杆垂直向下运动，此时机械爪会松开椰子。

图3 圆柱凸轮尺寸示意图Figure3 Diagram of cylindrical cam dimensions

2．2 刀具和夹具

夹具的作用是平稳的装夹椰子，并能带动椰子上下运动，保证在圆盘旋转的过程中，在水平方向上实现盘形切割锯片对椰子的精准切削。椰子在切削时，受到进给力Fx 和背向力Fy，以及刀具旋转产生的力矩，如图4所示。在切口时装夹不紧椰子会旋转，因此设计一种四爪夹具，在4个方向上固定椰子，阻止椰子横向移动和旋转，便于切削。

图4 椰子切削受力图Figure4 Force of coconut cutting

本系统针对不规则球形的椰子进行加工，根据加工要求和生产需要，选择了盘形切割锯片进行切削。因为刀具要对椰子的球面进行侧向切割，还要保证切口平滑，切削时刀具变形不宜过大以及制作椰子饭时椰壳的美观性，因此选用尽可能薄的盘形切割锯片。刀具材料采用硬质合金。

柔性机械爪结构如图5所示，当柔性机械爪在圆柱凸轮上从最低点运动到最高点过程中，夹具心轴推动手爪托盘向上运动，在弹簧的作用下手爪从张开状态慢慢合拢，直至将椰子完全夹稳，保证椰子不会出现大幅度转动。机械爪中的弹簧采用硬度较大的压簧，在保证支撑夹紧爪的同时，随着爪托盘的上移，带动夹紧爪移动，以便夹紧不同大小且形状不规则的椰子。

图5 柔性机械爪结构图Figure5 Diagram of flexible mechanical claw

柔性机械爪工作原理：将椰子放入椰子托盘上，万向轮在圆柱凸轮上行走，当从圆柱凸轮最低点往最高点运动时，顶杆在圆柱凸轮的作用下将爪托盘顶起，在弹簧的作用下，夹紧爪将椰子夹紧，由于弹簧的作用，可以夹紧形状不规则，大小不同大的椰子。当万向轮从最高点向最低点运动时，顶杆带动爪托盘向下运动，由弹簧带动夹紧爪松开椰子。

2．3 传动系统

由于椰子壳非常坚硬，因此椰子的进给速度不宜过大，否则会出现进给力过大，导致夹紧力不够，椰子出现翻转；进给速度比较小时会出现切削力过小而无法将椰子壳切开，在椰子切口过程中，运用调频器将电机速度控制在10～15r／min，经带轮带动圆形工作台转动。该电机选用三相异步电动机Y80M2－4，电动机额定功率0．75kW，满载转速1 390r／min，带轮的传动比为i＝1。

驱动盘形切割锯片运动的电机选择三相异步电动机Y80M2－2，电机额定功率1．1kW，转速为2 830r／min，带轮传动比为i＝2。

3 整机调试

对椰子切口机样机进行切削试验，本次试验的椰子主要用于制作海南特色食品椰子饭，需要在椰壳上切开一个小口，并将切下的椰壳盖回椰子上，在试验中用不同厚度的圆盘刀对椰子进行切口，当锯片厚度较低时，刀具会产生较大变形，导致切口倾斜；当刀具厚度较大时，能对椰子进行切口，但无法满足制作椰子饭要求。因此选择厚度为3 mm 的盘形切割锯片。

在试验过程中，运用变频器调节进给速度。当进给速度为10r／min时，椰子因进给力过小而无法完全切口；当进给速度为12r／min时能完成切口；当进给速度为15r／min时，椰子出现翻转现象，同时对于半自动椰子切口机，进给速度过快不利于人工更换椰子。因此，在进给速度为12r／min时椰子切口机切削的椰子满足切口要求。

圆形工作台上装有4个夹具，当夹紧装置运动到圆柱凸轮最低点时取出已切口的椰子并装上未切口的椰子。经试验，椰子切口效率可达30～40个／min。

4 结论

椰子切口机对直径10cm 左右的椰子进行切口，切口的椰子可用来制作椰子饭。由于椰子壳非常坚硬，采用机械切口的质量和效率远高于手工切口。采用更薄刀具对椰子进行切口以及椰子加工工序机械化流水线的整合还有待研究。

1 夏秋瑜，李瑞，赵松林，等．椰子的利用价值及综合加工技术［J］．中国热带农业，2007（3）：37～38．

2 肖红，易美华．椰子的开发利用［J］．海南大学学报（自然科学版），2003，6（2）：183～189．

3 赵松林．椰子综合加工技术［M］．北京：中国农业出版社，2007．

4 廖明保，潘友仙，黄文强．海南椰子产业的实证分析［J］．技术经济与管理研究，2005（6）：76～77．

5 王敬．海南椰子产业发展模式研究［D］．天津：天津大学，2004．

6 樊军庆，王高平，王文，等．自动椰子切口机：中国，201110200247．4［P］．2011－12－21．

7 肖仁鹏，马鑫，刘四新，等．椰子自动剥衣机的设计［J］．食品与机械，2012，28（1）：142～143．