仿生剁肉机结构与控制系统设计_江思民.pdf

2023年第22卷 第2期产业与科技论坛2023（22）2Industrial&Science Tribune仿生剁肉机结构与控制系统设计江思民韦民生李新凯薛舒天陆小帆郭安琪【内容摘要】仿生剁肉机模拟手工剁肉方式可以节省人力并获得较好的肉的口感。采用摇杆结构实现刀具摆动，利用转盘结构实现肉的翻滚和肉馅的出料。本次设计包括了带传动、链传动、直齿轮传动、蜗杆蜗轮传动和摇杆机构。【关键词】仿生剁肉机;传动结构;控制系统【基金项目】本文为广西大学生创业训练智能仿生剁馅机的应用与推广项目(编号:S202210595412X)研究成果。【作者单位】江思民，韦民生，李新凯，薛舒天，陆小帆，郭安琪;桂林电子科技大学【通讯作者】李新凯(1993)，桂林电子科技大学机电工程学院教师当今社会物质极大丰富，人们追求更高的生活品质，将传统食物加工与智能制造相结合，造就更加美好的未来1。本文主要介绍一种可以实现仿手工剁肉、全自动工作、成型一体的机器。该机构装置由剁肉、翻滚、出料三部分组成。相较于传统绞肉机，破坏肉质结构、适用肉类单一等不足，仿生剁肉机可以最大程度保留肉料的鲜味以及营养成分，使加工肉料口感更加贴近传统手工剁肉2 4。机械采用程序化控制，能实现肉料质量、口感可控5，满足市面需求。一、总体结构方案(一)整体结构设计。仿手工剁肉机整体长度不长于1,100mm，宽 600mm，高度不超过 1,000mm。整体采用传动轴结构，实现单个电机驱动多机构的目的。刀具部分由回转轮、摇杆组合设计而成，由回转轮带动摇杆，从而实现刀的轮流往复剁下。回转轮转得多快，摇杆带动的刀具就可以摆动多快。回转轮由两个相位角相差 180的转动轮和同步带轮组合而成，回转轮转动带动两个摇杆做上下往复运动，继而带动刀具进行上下往复运动，从而实现剁肉功能。采用双刀同时运动可以大大加快剁肉速度。转盘外圈设置挡板，可以对飞溅的肉料进行有效遮挡，防止肉料四处飞溅，整体结构如图 1 所示。图 1仿手工剁肉爆炸效果图(二)曲柄结构设计。对于剁肉刀具仿生驱动装置的设计而言，有两个作为代表的选择:凸轮机构和曲柄连杆机构。根据两者的优缺点进行选择。凸轮机构是使从动件作预期规律运动的高副机构。凸轮机构最大的优点是结构紧凑，可靠性高，转动效率较高。最大的缺点是不可变，传动比压较大，故容易磨损。凸轮机构需要设计更广，考虑范围更佳，设计相关专业知识点较多，计算过程亦比较复杂，而且零件制造量和要求也会增多。曲柄连杆机构又称低副机构。曲柄摇杆机构的优点是制作比较方便和简单，实现难度较小，属于面接触，承载能力比较大，可承受较大的冲击力。缺点是占用空间比较大，容易损坏，故障率略高，而且运动传递的积累误差较大。无论凸轮机构还是曲柄连杆机构都是可取的。但是从简单、受冲击力大、机械效益高、容易实现上来选择，本次的剁肉刀具仿生驱动装置设计确定为曲柄连杆机构。(三)剁肉台设计。为了提高效率以及剁肉时更加充分，设计旋转肉台，中心位于剁肉刀组的正下方。旋转肉盘的下端与电机的输出轴通过槽键连接，当电机通电工作时，输出轴的旋转带动肉盘的旋转，从各个方向对肉进行切割，使碎肉更加均匀。旋转剁肉台设为圆形肉盘，不仅外观简洁大方，而且圆形转动时空间利用得更加充分。在圆形肉盘边缘设防溅围墙，既能保证安全，又能保证旋转肉台在旋转时不会因离心率被甩出去。肉盘内底面上设有与圆盘直径相适配的圆形砧板，防止圆盘底部的耗损，延长剁肉机的工作寿命。在旋转剁肉台内，防溅围墙的边缘设计一片挡板。当仿生剁肉机开始工作时，肉盘开始转动，肉类就会被挡板阻挡一部分，加上剁肉刀组和旋转肉盘的不断工作，肉类就会被翻转，这样剁肉会更加均匀与细化，所得到的肉末会更好，效率也更高。刀具力臂总长为 650mm，支点设为中点，圆形旋转剁肉台的直径为 380mm。半径为 180mm，厚度为 5mm，而旋转肉盘内的砧板直径尺寸也为一致，其厚度可根据个人喜好决定。旋转肉台的中心下端，安装一个圆形轴承，圆形轴承与第二电机的输出轴相连接。当第二电机开始通电正常工作时，旋转肉盘也会随之转动，仿生剁肉机的工作效率亦会提高，而且肉类也会被剁得更加充分。(四)刀具设计。刀具是实现剁肉功能的重要零部件，要55产业与科技论坛2023年第22卷 第2期Industrial&Science Tribune2023（22）2与摇杆连接起来，且与摇杆、转盘之间形成一个恰好的剁肉高度。刀具的要求为刀的有效高度(不算上连接部分的高度)为 9cm，宽度为 14cm，厚度 3mm。刀的上方没有刀柄，只有 4 个小孔，分别是两个定位孔，两个螺纹孔。定位孔用以安装刀的时候固定刀的位置，并在安装好之后，分散剁肉时刀所受的冲击力，两个螺纹孔通过螺钉连接，固定到摇杆之上，起固定作用。刀具锋利，强度较高，由不锈钢制作而成，保证了肉馅不会被铁锈污染。(五)刀具动力臂与连杆的设计。参照主从动轮的中心矩数据来设定刀具力臂的总长，取值为 600mm。刀具动力臂的设计会影响刀组剁肉的速度以及电机功能的实现。如果长度过长，曲柄连杆的转动范围就会增大，多做无用功。如果长度过短，曲柄连杆的转动范围就会缩小，出现死角的情况，对机器的正常运行非常不利，影响效率。刀具力臂的支点在中心偏右端，取 200mm 处，减少杠杆自重对杠杆平衡的影响。此时，支点与重心偏差不大，而且对右端还提供略长的尺寸，这样刀组上下剁砍幅度会增加，出现一个更大的向下冲剁力。此连杆是从动轮与刀具力臂的连接杆，起到一个类似桥梁的作用。对于连杆的相关数据设计，在合理范围内即可，既不长又不短，可以根据机箱的数据与刀具力臂数据来设定。此数据不存在唯一性，合理即可。其尺寸的设计可以参考刀具力臂和主、从动轮中心距 a 的相关参数。在此，取连杆的长度为 a2=400mm，宽度为 b2=30mm，厚度设为 y2=20mm。(六)支架设计。支架是起支撑作用的构架，承受较大的力，也具有定位作用，使零件之间保持正确的位置。仿生剁肉机中的支架需根据设定来选取，此时便设定其最明显的支架选取作为代表。对于刀具力臂的中点支撑点而言，需要设计合理的支架起到支撑的作用。刀具力臂的中点与支架的连接点设为铰链连接，这样子有诸多好处，也符合机械传动的特点。铰链分为两种，固定铰链与活动铰链。铰链用来连接杆件，使两者连接在一起，还能够活动。支架上端与刀具力臂的中点连接，下端与机箱的上端连接。这样既可以起到支撑刀具力臂的支撑作用，又可以通过铰接使刀具力臂往设定的方向活动，从而达到设计预期的效果。支架设计为高度可连续调节的升降支架，这样就可以调节剁肉刀组的高度，形成一个上下往返的高度范围，只要设计好旋转肉盘的高度，就可以在此高度范围内进行剁肉工作。二、控制原理仿生剁肉机的控制系统采用主位一体化形式进行，使用人员可在控制面板上选择相应的工作模式，开始运行后各机构电机会执行相应的命令，带动各部位轮轴进行运转，最终通过传动装置带动刀具、滚轮、轮盘进行工作，如图 2 所示。为了实现加工过程更加方便可控，产品各机构配备计时器和传感器，用户可通过移动端接收 WLAN 传输的数据6，对生产状况进行实时观测。同样，用户也可利用移动端，远程操作剁肉机的开启、关闭以及出料等工序，大大提高生产效率。传动系统由曲轴、动力臂、传动皮带、飞轮、联轴器、电动机组成，机器电源路上设有总开关，与显示控制器相连，负责整个机器加工的运行与停止;当工作信号输入后，总电机会带动数个轴承座上的齿轮及传动皮带将动力均匀地传递到机构的每个部件上，通过箱体连接，实现各个大构件的旋转、摇摆等动作，以此来实现机器的正常运转。控制系统既可在联网状态下远程控制运行，也可在单机状态下独立工作。并且可以在系统控制界面内选择将要加工的肉类品种，使得不同种类的肉料成品口感更加贴近于手工。图 2控制系统原理图系统采用 STM32 单片机作为主控芯片，采用 FSR402 电阻式薄膜压力传感器、E3FN T20L 红外传感器和 DS18B20温度传感器作为系统数据监控传感器，使用 WLAN 模块作为远程操作、数据传输的中介，使用 2.8 寸 LCD 屏人机交互平台。三、数值计算(一)电动机。综合考虑价格、重量、传动比等因素，选定电机型号为 Y100L 6 的三相异步电动机。计算功率 Pca是根据传递的功率 P 和带的工作条件而确定，由下列公式计算得出:Pca=KAP(1)式中:Pca为计算功率(kW);KA为工作情况系数;P 为所需传递的额定功率(kW)。以仿生剁肉机动力输入需提供的功率 P=1.1kW 为所需传递的额定功率，确定工作情况系数 KA，考虑机器载荷变动小，且属于空载或轻载启动，每天工作时间小于 10 小时，故取 KA=1.1，将数据代入公式(1)可得:Pca=KAP=1.1 1.1=1.21kW(2)(二)V 带参数。在主、从动轮传动时，V 带的侧面和轮槽接触，接触面就可以提供很大的摩擦力，从而防止主、从动轮打滑现象，因此就能更好地传递运动和机能动力，因此把 V带传动作为仿生剁肉机首选传动方式。同时根据带轮的基准直径和带轮的转速等相关的主要参数，选择带轮材料、形式结构和相关几何尺寸等其它相关主要参数。根据 Pca和电机的满载转速 940r/min 确定，由于主动轮安装在电机的输出轴上，那么电机的转速与主动轮的转速亦不变。n 轴=940r/min，由公式(1)已知=1.21kW，确定 V 带型号为 Z 型。确定带轮的基准直径:由已知 V 带型号选择 Z 型，选择小带轮基准直径为 d1=125mm，大带轮基准直径 d2=355mm。传动比的计算如下公式652023年第22卷 第2期产业与科技论坛2023（22）2Industrial&Science Tribune“双碳”目标下的核电项目工程造价回归分析杨玲玲马向春苏鸣皋【内容摘要】实现碳达峰、碳中和是我国基于国家重大发展战略作出的庄严承诺。电力行业是我国碳排放的主要来源，推动能源动力转型、构建以清洁能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的重要举措。从电源供给侧分析，核电是我国实现能源结构低碳化转型最现实的战略选择。“十四五”规划给我国核电发展指明了方向和路线图，随着自主三代核电机组的批量化、规模化生产，技术先进性和安全性进一步提升，经济性指标也得到越来越多的重视。为了客观、全面、准确地反映核电工程造价，文章分析选用影响核电工程造价的主要指标，基于相关数据进行统计分析，建立工程造价指标和回归预测模型。结果显示回归分析方法效果理想，为解决核电行业存在的工程造价预测问题和投资决策提供思路和方法。【关键词】“双碳”目标;低碳能源;核电项目;工程造价;回归分析【作者简介】杨玲玲(198510)，女，重庆人，中国核电工程有限公司核化工院高级工程师;研究方向:核工程设计与成本控制马向春，苏鸣皋;中国核电工程有限公司一、引言实现碳达峰、碳中和(简称“双碳”目标)是我国应对全球气候变化的重大举措，也是我国能源体系实现高质量发展的战略要求，对于实现我国第二个百年奋斗目标具有重大意义1。电力行业是我国碳排放的主要来源，推动能源动力转型、构建以清洁能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的重要举措，也是电力企业高质量发展的内在要求2 3。总体而言，“双碳”目标对电力行业的要求主要体现在电源供给侧的低碳要求和负荷需求侧的节能要求。经分析，可以作为供给侧完成“双碳”目标的主力零碳能源包括水能、风能、光能、核能四种4。与其它低碳能源相比，核电由于单机功率大(发电功率大)、换料周期长(运行周期长)、可保持长期稳定运行等突出优势，是我国应对全球气候变化、最终实现“双碳”目标最现实的战略选择，在能源结构低碳化转型中发挥着不可替代的作用5 6。我国“十四五”规划提出“安全稳妥推动核电建设”，同时列出了核能产业需要重点建设和推进的项目“计划表”。随着国内自主三代核电机组的批量化、规模化生产，技术先进性和安全性进一步提升，带动核电全产业链发展，可有效应对和解决能源领域面临的安全性、可靠性、经济性等方面的挑战7 8。大型核电项目的生产工艺复杂、工程建设周期长，