一種簡單實用的切菜機器人設計與實現
2016-11-11 來源：北京郵電大 北京市工貿技師學 作者：何凱 吳慶梅 宋原 郭磊
摘要：針對家庭生活中比較難以切削的根莖類蔬菜，論文通過模仿手工切菜方式，利用蔬菜的重力作用向下運動通過刀具在水平或豎直平面作旋轉運動實現切菜工作的原理，設計了一款簡單實用的切片切絲機。以STM32103zET6芯片作為控制單元。分別使用直流電機、步進電機作為機器人的動力源，采用平板刀作為切片刀，梳形刃口刀作為切絲刀，通過連桿機構或齒輪傳動等完成刀具的旋轉運動，切片、切絲兩種工作模式的轉換通過更換不同型號的刀具來實現，基本實現了蔬菜切片和切絲的功能。
關鍵詞：切菜機器人；結構設計；sTM32103zET6；直流電機
0.引言
蔬菜是人們日常生活必不可缺的食品，并且食用方法多種多樣。自步入小康社會以來，人們的生活節奏越來越快，很多傳統服務已不能滿足人們的物質需求和生活節奏．日常生活中通過手工快速切菜嚴重地威脅著人身安全．切菜時間過長或切菜不熟練等因素都易導致人們受傷，在食堂、食品加工廠等切菜需求量高的場所，既安全又迅速地將菜加工成各種形狀。單靠人工來完成既費時又費力。如何將菜更快地切好這將成為一個很棘手的問題。用食品加工機代替人們的手工勞動或作為其補充。這將增高切菜的效率。因此對切菜機器人的研究很有必要。
在國外，切菜機技術開始于上世紀60年代，到70年代逐漸發展成熟。直到80年代中期，多功能全自動切片機不斷商品化。誕生了一些世界上著名的切菜機廠家主要集中在瑞士、美國和日本等國家。在我國，切菜機技術開始于上世紀70年代初．目前我國市場上出現的切菜機大多是針對飯店和食品加工廠所設計的。典型的結構主要分開雙頭型切菜機和組合式切菜機。由文獻『11可知，由組合式切菜機水平傳送帶傳送原料，通過在傳送帶上的分布成一定角度的多個刀具進行切削。根據需要原料在傳送帶上經若干次切削后成形，成品的形狀參數通過調節刀具的切削速度及原料的傳送速度來控制。由文獻{可知，現有的切菜機一般特點是：操作靈活，性能良好。適用于食品加工行業和一般餐飲行業的蔬菜加工。文獻【3】介紹了一款切削長度可調的小型蔬菜加工機，它既可以對寬葉狀蔬菜切絲，經過適當調節后，也可對長莖類蔬菜切段，功能多，效率高。文獻[4】設計了一種利用皮帶輪傳輸、“V”形帶和倒“L”形擋板組成定向裝置及利用固定圓盤式切刀為主要結構的小型甜菜切頂裝置。
綜上所述，現已有的切菜機雖然操作簡單、效率高。但體積大、功率高，主要適合食品加工廠等使用。針對日常生活中難以切削的塊類蔬菜設計一款簡單實用的切菜機器人。出于實際的要求。提出以下方案：蔬菜通過進料筒內，通過重力作用向下運動；刀具在水平或豎直方向作旋轉運動；通過更換不同型號的刀具來實現切片切絲功能；利用重力或離心作用收集加工好的蔬菜。
1.切菜機器人結構設計
通過Solidworks軟件設計的家用切菜機器人結構如圖1、圖2所示，其主要結構有：進料裝置、切削機構、傳動機構以及蔬菜收集裝置。蔬菜在進料筒依靠重力作用向下運動，通過傳動機構和切削機構實現切片、切絲兩種工作模式，再利用重力或離心作用通過收集裝置收集切好的蔬菜。結構設計主要分為：切削機構的設計、傳動機構的設計和箱體的設計。
圖1整體結構圖a
圖2整體結構圖b
1．1切削機構設計
該設計選用平板刀作為切片刀，切絲選用梳形刃口刀片。為能夠實現可控制切塊、切絲、切片，在工作中需要實現切片切絲的轉換，需要一把與進料口垂直的切片刀，兩把具備不同尺寸的切絲刀，在刀架上分別布置刀片。切片時，切片刀通過調節高度控制切片厚度，切塊時，兩梳型刀片同時伸出．通過旋轉進料桶使蔬菜經過兩刀片時切割軌跡互相垂直，最后由切片刀切斷，以實現切塊目的，切絲的寬度與切塊的大小可通過不同組切絲刀的規格進行控制。
1．2傳動機構設計
(1)傳動參數計算。初步設計切片切絲機切削力作用半徑R為100l珊。則可計算得切片切絲機切削所需工作功率：
(2)錐齒輪及軸設計。
盤狀切削機構工作時有輕微沖擊，轉向不變嘲，大小齒輪都選用軟齒面直齒圓錐齒輪并對大小齒輪均進行發藍處理。以減少磨損和腐蝕。齒輪精度為GB，I'11365—1989，8級，法向側隙公差種類為C。齒數比1．10，初選模數m=0．33mm，兩圓錐齒輪的齒頂圓直徑均小于200mm，且錐齒輪的小端e大于1．6m，因此將兩圓錐齒輪設計為實心結構。軸的材料選用奧氏體不銹鋼。計算軸直徑值為16mm，軸端倒角取1×450。各軸肩的圓角半徑R取2mln。
1．3箱體設計
箱體結構將切削機構與外界環境隔離開來，其中上頂蓋有可投放原料。并限定其位置的料筒。下頂蓋設計為圓盤狀。和上頂蓋料筒對應的位置裝有出料口。
2.切菜機器人的測控系統設計
該設計以s1M32103ZET6芯片作為控制單元。直流電機用來控制中心轉盤的高速旋轉，步進電機的作用是用來切換刀具。
(1)S7IM32103ZET6用于控制各個電機，繼電器，傳感器的主控單片機．其通過兩個，11MX定時器產生固定頻率時長的PWM波去控制步進電機，通過IO口的高低控制繼電器的開關進而打開或者關閉直流電機、霍爾傳感器、步進電機使能、電磁鐵開關舊。(2)與上位機的通信，通過串口接受上位機指令進而調用控制各部分的函數去工作。綜上所述，切菜機器人流程如圖3所示。
圖3系統流程圖
3.結論
最終設計的切菜機器人只需通過控制面板選定刀具組合及位置、配合手動旋轉料筒即可進行切片切絲工作，并能夠實現收集功能。該設計安全衛生，尤其適用于土豆等根莖類、塊類蔬菜切片和切絲的工作，是實現此類蔬菜處理的理想廚房設備。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
