一种齿轮齿条式豆腐皮炸卷机上料装置设计**

叶一均，陈志伟，沈婷婷，严玮琦，董楸煌,2，叶大鹏,2

（1.福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002；2.现代农业装备福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

豆腐皮是中国传统豆制品，在中国南方和北方地区有多种名菜。与其他豆制品相比，豆腐皮富含β-胡萝卜素、硫胺素、核黄素、卵磷脂、大豆皂醇等活性物质，对糖尿病、高血压、冠心病具有很好的预防作用[1]。随着食品行业的发展，油炸豆腐皮卷因其金黄的色泽与酥脆的口感，深受人们的喜爱。但目前中国传统豆制品的生产技术发展极其缓慢，长期处于小作坊生产方式，机械化水平低、环境卫生差、产品标准化程度低、品质不稳定[2]。为了适应食品加工行业面临的新形势，需要对豆制品采用机械化加工的形式[3]。

近年来，刘长安等[4-6]设计了一系列油炸豆腐皮卷加工机械，但由于油豆腐皮表面油滑黏腻，加工机械多采用人工上料，未能实现完全自动化。目前，针对上料装置，王树才等[7]设计了一套由真空吸盘与曲柄摇杆组成的上料装置，杨鸣亮[8]设计了一套气缸式上料装置；但这几类装置冲击较大、不易控制。万红海等[9]设计了一套由真空吸盘与电机导轨配合的上料装置，运动平缓，但整体偏大。这些上料装置都不适合油豆腐皮的上料。基于这些问题，课题组在豆腐皮炸卷机的基础上设计了一种齿轮齿条式豆腐皮炸卷机上料装置，可实现平稳的运动控制，解决油炸豆腐皮卷加工机械的自动化上料问题。

1 豆腐皮炸卷机的设计

1.1 豆腐皮炸卷生产原理

目前，油炸豆腐皮卷主要采用人工炸卷的方式制作。工人手工从油豆腐皮摞中分离出一张油豆腐皮，夹在筷子中，放入油锅中一边油炸一边旋转卷压，完成油炸豆腐皮卷的制作，然后提起筷子让多余油分滴落，将油炸豆腐皮卷取下装入盒中。

1.2 豆腐皮炸卷机整体结构

根据手工油炸豆腐皮卷的生产过程，设计的豆腐皮炸卷机整体结构如图1所示。其工作原理是由运料装置运送成摞的生豆腐皮至工位，上料装置将豆腐皮单张分离并运送至仿筷上，传动装置带动仿筷运动，将豆腐皮移动至炸卷装置，在炸卷装置中完成豆腐皮的炸制成卷，最后由下料装置完成下料作业。

图1 豆腐皮炸卷机

2 豆腐皮炸卷机上料装置的设计

2.1 设计目标

根据豆腐皮炸卷机的设计与工作原理，上料机构需要实现两种功能：1）对尺寸约320 mm×100 mm、表面油滑的油豆腐皮摞，进行单张分离与抓取；2）在运动速度稳定可调控、整体运动冲击较小的情况下实现170 mm纵向移动与200 mm横向移动的“L”型轨迹运动，将油豆腐皮从运料装置运送至仿筷中。

2.2 末端执行器设计

根据上料装置的设计目标，末端执行器需要实现油豆腐皮摞中单张豆腐皮的分离与抓取，由于油豆腐皮表面油滑，可使用真空吸附来完成抓取[10]，故末端执行器采用真空吸盘。为了保证吸取豆腐皮的稳定性，与豆腐皮中部保持水平易于上料，采用四个真空吸盘，按照130 mm×125 mm的长方形尺寸放置。为保证吸盘在吸附过程中贴紧豆腐皮表面且豆腐皮摞不会过度压缩，在吸盘上方安装压缩弹簧机构，以保证吸盘吸附与装置的可靠性。

2.3 运动装置设计

根据设计的运动轨迹目标，将运动分解为横向运动与纵向运动两个直线运动，将其中纵向运动装置搭载在横向运动装置的运动平台上，通过运动时间与速度的配合实现“L”型运动。

对于直线传动，由于整体运动距离短，环境温度较高、充满油污，而齿轮传动效率高、结构紧凑、工作可靠、传动稳定[11]，故采用齿轮齿条的传动方式。由步进电机对运动进行控制，确保整体的可控性与精确性。在工业方面有1/3～1/2的能量损耗在摩擦过程中，为了减少摩擦损耗、保证运动平稳，故设计将运动装置搭载在导轨滑块所搭建的平台上，确保其运动的水平与稳定，减少整体的运动冲击。

2.4 整体设计与工作原理

上料装置整体设计如图2所示，横向运动装置由横向移动步进电机、两组安装在两条导轨滑块上的啮合的齿轮齿条构成。在横向运动装置的末端安装有一块安装板，负责搭载纵向运动装置。纵向运动装置由纵向运动步进电机、齿轮齿条与导轨滑块组成，电机与导轨固定在安装板上。在纵向运动齿条的末端固定连接末端执行器。

图2 豆腐皮炸卷机上料装置

上料装置的工作原理：利用横向运动步进电机带动横向运动齿轮转动，通过齿轮齿条的配合，使固定在导轨滑块上的横向运动齿条实现横向移动，带动固定在横向运动齿条上的支撑板横向移动。再由固定在支撑板上的纵向运动步进电机通过相同方式带动纵向运动齿条上下移动。通过横向运动步进电机与纵向运动步进电机的控制配合，实现固定在纵向运动齿条上的末端执行器完成速度平稳、位置可控的“L”型运动。末端执行器由运动结构移动至油豆腐皮摞上，压缩弹簧保证上料吸盘紧贴在最上层的油豆腐皮上，由真空吸盘产生负压，吸取豆皮，完成豆腐皮的单张分离与抓取。

2.5 运动设计与软件仿真

根据豆腐皮炸卷机整体的设计原理与工作流程，为了保证每片豆腐皮的油炸与卷制压边时间皆为2 s，且整体卷压过程运动平缓，将上料装置每个运动周期设定为2 s。在运动过程中，S型速度曲线控制算法能提高加减速过程中的稳定性[12]，为了保证上料过程中整体运动的精确、平稳，故整体运动采用S型速度曲线，在运动的起始点与末端设置有接近开关，对整体运动形成闭环控制。通过UG软件对整体设计进行建模与运动仿真可得：豆腐皮炸卷机上料装置的运动轨迹满足设计要求，不会与豆腐皮炸卷机其他机构产生运动干涉。

3 结论

根据油炸豆腐皮卷加工机械的研发现状，针对当前上料装置控制精度低、冲击大以及油豆腐皮表面油滑黏腻等问题，课题组设计了一套针对豆腐皮炸卷机的上料装置，在保证运动速度平稳、位置可控的情况下，实现了油豆腐皮的单张分离与自动化上料。该装置可靠性高、成本较低、安装简便，可有效实现油炸豆腐皮卷加工机械的自动化上料。