仿人工蛋饼加工机的设计与参数分析

张宏 成向鹏 胡庆松 陈雷雷 李俊

【摘 要】由于目前市场仍大范围采用人工制饼，并且治饼效率低、劳动强度大及市场供不应求，设计了一种仿人工蛋饼加工机，能够节省大量劳动力，有效的提高出饼效率并且保证蛋饼的口味和安全性。通过确定装置的蛋饼加工流程工艺及工作原理，利用Solidworks三维软件进行详细的机构设计，对动力组成、传动装置的的元件选型及整体装置的匹配性设计，最终开发出了能实现机器自动制饼的仿人工蛋饼加工机。经过上海市奉贤区友朋食品机械厂的实际应用，所设计的仿人工蛋饼机工作稳定、出饼效率高，蛋饼口味正宗，大大降低了人民的劳动强度。

【关键词】三维建模;机构设计;齿轮机构;SolidWorks;气压缸

中图分类号： TP391.41文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）04-0011-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.005

Design and parameter analysis of artificial cake processing machine

ZHANG Hong-cheng XIANG Peng HU Qing-song CHEN Lei-lei LI Jun

（Shanghai Ocean University，Shanghai Pudong 200120，China）

【Abstract】As the market is still widely used to make cakes by hands， and the cake efficiency is low， labor intensity is high and the market is in short supply.Designing an imitation artificial cake processing machine is urgent， which can saves a lot of labor， effectively improving the cake efficiency and guaranteeing the cake taste and safety. Through determining the processing process and working principle of the device， using Solidworks three-dimensional software to carry out detailed design of the mechanism， the power composition， the component selection of the transmission device and the matching design of the overall device， In the end， an artificial cake processing machine was developed that can realize machine automatic cake making. After the practical application of the Youpeng Food Machinery Factory in Fengxian District of Shanghai， the imitation artificial cake machine designed by the company has stable work， high cake efficiency， and authentic egg cake taste， which has greatly reduced the labor intensity of the people.

【Key words】Three dimensional model; Mechanism design; Gear mechanism; SolidWorks; Pneumatic cylinder

隨着生活节奏的加快以及人们对快餐食物的需求量的增加，传统的手工制饼速度慢，效率低，劳动强度大，无法为消费者提供足够的食物量[1]。蛋饼作为大众喜爱的快餐之一，在各个地区的销量都很大[2]，但蛋饼的制作基本上靠人工制作，费时费力，并且出饼效率低，不能满足人们的快节奏需求。结合这一实际市场需求情况，本文开发设计了一款仿人工蛋饼加工机，该款装备能够解放劳动力，提高蛋饼的出饼效率，同时制作的蛋饼安全、卫生、不影响蛋饼的口感。

目前，很多食品加工厂需要相关的自动制饼装置来提高食物的制作效率，降低劳动强度和成本，但由于类似相关食品自动化加工装备尚未成熟[3]。因此，多数食品加工公司在自行设计制作自动化食品加工设备，如上海市奉贤区友朋食品有限公司，该公司以先进的科技技术、精湛的加工工艺为基础，专业设计制造各种食品机械设备。同时市面上也有一些不错的研究成果，如尹相善发明的全自动仿手工煎饼机，这一款机器克服了传统工具的局限，通过机器代替人工制作煎饼，不但出饼效率更高，一台自动煎饼机相当于约20个人工，而且机器煎饼口感也更加美味，深受大众喜欢。这一款机器已经比较成熟，煎饼机内部主要通过电子、液压与气动来实现间歇运动和抓片运动，由于机器制饼的环境相对潮湿，对电子元器件的稳定性要求较高。所以，这款全自动仿手工煎饼机设备造价高，不易推广。通过走访和调查了相关食品加工厂，本论文从设备制造成本低，制饼方式，出饼效率和安全可靠性出发提出了一种新的仿人工蛋饼加工方案。

1 功能模块设计与原理

仿人工蛋饼加工机利用气缸以及齿轮与齿条配合的特点，实现四块加工翻板的180度翻转，从而实现对一块蛋饼的仿人工加工。本装备包括机架、折边机构、卸料机构和压平输送机构，压平输送机构侧板、上输送带和下输送带，下输送带的前端伸出上输送带形成落料区;折边机构设于压平输送机构的前端，包括带矩形框槽的折边底座以及左长翻板、右长翻板、前短翻板和后短翻板，左长翻板、前短翻板、右长翻板和后短翻板可分别绕各自的内侧边向矩形框槽的中心翻转;卸料机构包括底板和卸料滑槽，卸料滑槽设于底板上且位于矩形框槽的下方，底板上开设有卸料孔槽，卸料孔槽设于落料区的上方且与卸料滑槽的滑出端相连通。

1.1 折边机构

折边机构是完成蛋饼仿人工制作的核心部分，如图1，该机构由气缸，齿轮，齿条以及两对长、短翻板组成。四个气缸分别固定在底座上的气缸垫座上，齿条固定在法兰型滚珠滑块上，法兰型滚珠滑块导轨固定在底座的导轨垫座上，齿条一端焊接一个螺丝，气缸的伸缩杆一端与该螺丝连接，两个齿轮分别与两块长侧板固定，并且保证齿轮与齿条咧合，长翻板轴端固定一个齿轮，另一长翻板轴端通过固定同步带轮实现该对长翻板同时翻转，一对短翻板则分别由气缸、齿轮齿条啮合独立分步控制完成蛋饼的仿人工制作。

1.2 卸料机构

卸料机构通过气缸推动推板，推板将加工好的蛋饼推入压平输送机构，完成蛋饼的加工制作。卸料机构推板与推杆焊接固定，推杆另一端与气缸伸缩杆固定，气缸与各个导轨零部件均固定在底座上，整个底座固定在支架上。卸料机构工作流程图如图2。

1.3 压平输送机构

压平输送机构的工作由2个3KW三相异步电机提供动力源，分别带动上下滚筒，滚筒带动上下传送带，实现蛋饼的压平输送。电机固定在U型板上，U型板固定在支架上，支架通过支架垫板零件固定在底座组成的底架上。该压平输送加工装置能够实现“方形”蛋饼的压实和传送，其装置主要包括上下滚筒，传送带，输送垫板，球头柄轴承，链轮，链条，轴承盖。滚筒均通过F204轴承盖与支架连接，传送带与滚筒配合安装，输送垫板与支架相互固定。压平输送机构结构图如图3。

2 装置计算分析与测试

2.1 仿人工蛋饼加工机出饼效率分析

仿人工蛋饼加工机的出饼效率主要受折边机构长、短翻板翻转角速度与压平输送机构上、下滚筒的线速度影响，且成正比关系。

仿人工的工艺主要是通过折边机构的长、短翻板翻转实现，该折边机构的主要核心原理即齿轮齿条传动，齿条通过气缸做直线运动，啮合的齿轮做回转运动，齿条可以看做是一个齿数无穷多的齿轮的一部分，此时，齿轮的各圆均变成直线。齿条直线线速度V与齿轮分度圆直径d、转速n的关系为：

折边齿轮的分度圆直径d与其模数m和齿数Z的关系为：

折边机构所搭配的气缸为SDAJ超薄气缸（双轴复动行程可调型），可调节行程最大为50mm，小于折边翻板翻转弧长，满足使用要求。通过配合内转外接头与齿条紧配合，带动齿轮齿条运动。气缸活塞在整个运动过程速度与气压、缸径、摩擦、外部阻力都有关系，所以速度是变化的。气缸在空载的时候假定排气侧以声速排气，气缸的理论基准速度，根据下式：

其中：S为排气回路的合成有效截面积，A为排气侧活塞的有效面积，V0为气缸的最大速度。

通过多次理论计算与试验，气缸实际伸缩平均速度值为48mm/s，与理论气缸速度值V0差值为5mm/s。依据气缸实际伸缩速度值计算折边机构长、短翻板翻转角速度，由于气缸伸缩杆与齿条为内外螺纹孔紧配合，故气缸伸缩速度与齿条线速度相等，为48mm/s，根据式（1）齿条直线线速度V与齿轮分度圆直径d、转速n的关系与式（2）齿轮各参数关系，可以计算出折边机构长、短翻板的翻转速度n为0.48r/s，翻转角速度为W：

压平输送机构上、下滚筒的线速度直接影响到带传送的速率，而滚筒的转速与减速电机的转速及链传动效率相关。压平输送机构驱动装置为220V卧式齿轮减速电机，电机和减速箱外壳采用高强度合金压铸成型，减速箱外壳与轴承室压铸成一体式，能适应承受大力矩和冲击负载。

现对仿人工蛋饼加工機的最大出饼效率进行计算，故取卧式齿轮减速电机输出转速104r/min，链传动比I1为1，根据主链轮转速与电机减速箱传动比关系：

其中，n0减速电机转速2600r/min;i为减速电箱传动比，为25;nz为主链轮平均转速。

计算可得，且由于链轮传动比为1，故主、从链轮平均转速均为104r/min，由于滚筒与从动链轮为紧配合，保持同步运动，故滚筒转速ng为104r/min。根据滚筒转速ng与输送带线速度Vs关系：

计算可知，压平输送机构输送速度Vs为326.56mm/s。而一块蛋饼经过装备仿人工加工需要以下工序，长翻板同时翻转1次，短翻板先后翻转2次，再经气缸推板推至压平输送机构，进行最后的蛋饼压实工艺，至此完成蛋饼加工完成，总时间为T。

其中，θ为折边机构长、短翻转板翻转角度，为πrad;ld为推杆行程，为72mm;Vq为气缸伸缩速度，48mm/s;t1为蛋饼滑落到压平输送带上的时间，为1s;ls为压平输送带的有效行程，为722mm。

经过计算，可知一块蛋饼经过本装备加工至完成所需时间T为7.84s，即一分钟最快可制作约7块蛋饼。

2.2 装置测试

仿人工蛋饼加工机通过理论的计算与设计的完善，最终在上海友朋食品机械厂进行加工、制作并测试装备运行的可靠性。

2017年7月，装备制作完成，接入220V市电，先开启压平输送装置，运行正常，输送带能够平稳运行，接着开启折边装置（包含推杆推送），气缸及翻板翻转也均能正常运行。空运行无误后，进入正式蛋饼制作测试。

将直径约20cm的蛋饼放置四块翻板的加工区域，长边翻板同时在气缸，同步带轮以及齿轮齿条咧合的作用下，完成180度翻转，完成蛋饼的初步加工，之后，短边翻板同样在齿轮齿条咧合的作用下，完成180度依次翻转，完成蛋饼的制作并掉落至待输送平台，准备推动至压平输送加工装置。（考虑翻板这样的翻转顺序是因为可以防止“方形”蛋饼在进入输送加工装置后，外型损毁造成加工失败），然后气缸推动推板，使加工完成并下沉到底座上的蛋饼被推送滑到输送加工装置的传送带上，传送带完成传送，以及将疏松的“方形”蛋饼压实至完成整个加工工艺。

3 装备三维建模设计

仿人工蛋饼加工机的主要设计的实现是通过Solidworks计算机辅助设计软件实现，主要包括草图的绘制，零件的三维建模以及最终的设备装配与分析、完善，最后利用Solidworks工程图模块进行尺寸的标注，出全部的二维工程图送至食品加工厂进行食物加工。

大部分Solidworks的特征都是由二维草图开始的，绘制草图主要包括利用草图绘制实体工具与编辑工具及几何关系与尺寸的标注4大块。如图4所示。

4 结语

目前，市面上尚未有成熟的用于制作方形蛋饼的自动化加工机器，本装备能够将蛋饼制作成饼状结构，安全、高效、卫生，并且能能够制作的仿人工蛋饼能迎合顾客喜好。传统的加工方式是靠手工对蛋饼进行堆叠，需要将蛋饼沿着四个方向分别向中心折叠，因此，费时费力，人工成本高，并且最终蛋饼成形一致性差，不仅会造成蛋饼口感不稳定，而且会影响蛋饼的美观性和销量。

本装备克服了现有技术的不足，借助计算机辅助软件设计，提供了一种机构设计合理的仿人工蛋饼加工机，可以高效，高自动化将蛋皮加工成方形蛋饼，省时省力，安全卫生。本仿人工蛋饼加工机取代了传统手工加工蛋饼的方式，解决了过去加工蛋饼的方式的弊端，值得推广。

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