一種簡單實用的切菜機器人設(shè)計與實現(xiàn)
2016-11-11 來源：北京郵電大 北京市工貿(mào)技師學(xué) 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(zhuǎn)運動實現(xiàn)切菜工作的原理，設(shè)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(gòu)或齒輪傳動等完成刀具的旋轉(zhuǎn)運動，切片、切絲兩種工作模式的轉(zhuǎn)換通過更換不同型號的刀具來實現(xiàn)，基本實現(xiàn)了蔬菜切片和切絲的功能。
關(guān)鍵詞：切菜機器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計；sTM32103zET6；直流電機
0.引言
蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢扇钡氖称罚⑶沂秤梅椒ǘ喾N多樣。自步入小康社會以來，人們的生活節(jié)奏越來越快，很多傳統(tǒng)服務(wù)已不能滿足人們的物質(zhì)需求和生活節(jié)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(dǎo)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(shù)開始于上世紀60年代，到70年代逐漸發(fā)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(shù)開始于上世紀70年代初．目前我國市場上出現(xiàn)的切菜機大多是針對飯店和食品加工廠所設(shè)計的。典型的結(jié)構(gòu)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(jù)需要原料在傳送帶上經(jīng)若干次切削后成形，成品的形狀參數(shù)通過調(diào)節(jié)刀具的切削速度及原料的傳送速度來控制。由文獻{可知，現(xiàn)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(yè)和一般餐飲行業(yè)的蔬菜加工。文獻【3】介紹了一款切削長度可調(diào)的小型蔬菜加工機，它既可以對寬葉狀蔬菜切絲，經(jīng)過適當調(diào)節(jié)后，也可對長莖類蔬菜切段，功能多，效率高。文獻[4】設(shè)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(jié)構(gòu)的小型甜菜切頂裝置。
綜上所述，現(xiàn)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(shè)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(nèi)，通過重力作用向下運動；刀具在水平或豎直方向作旋轉(zhuǎn)運動；通過更換不同型號的刀具來實現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計
通過Solidworks軟件設(shè)計的家用切菜機器人結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其主要結(jié)構(gòu)有：進料裝置、切削機構(gòu)、傳動機構(gòu)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(gòu)和切削機構(gòu)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為：切削機構(gòu)的設(shè)計、傳動機構(gòu)的設(shè)計和箱體的設(shè)計。
圖1整體結(jié)構(gòu)圖a
圖2整體結(jié)構(gòu)圖b
1．1切削機構(gòu)設(shè)計
該設(shè)計選用平板刀作為切片刀，切絲選用梳形刃口刀片。為能夠?qū)崿F(xiàn)可控制切塊、切絲、切片，在工作中需要實現(xiàn)切片切絲的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)高度控制切片厚度，切塊時，兩梳型刀片同時伸出．通過旋轉(zhuǎn)進料桶使蔬菜經(jīng)過兩刀片時切割軌跡互相垂直，最后由切片刀切斷，以實現(xiàn)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(guī)格進行控制。
1．2傳動機構(gòu)設(shè)計
(1)傳動參數(shù)計算。初步設(shè)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(shè)計。
盤狀切削機構(gòu)工作時有輕微沖擊，轉(zhuǎn)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(fā)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(cè)隙公差種類為C。齒數(shù)比1．10，初選模數(shù)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(shè)計為實心結(jié)構(gòu)。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(shè)計
箱體結(jié)構(gòu)將切削機構(gòu)與外界環(huán)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(shè)計為圓盤狀。和上頂蓋料筒對應(yīng)的位置裝有出料口。
2.切菜機器人的測控系統(tǒng)設(shè)計
該設(shè)計以s1M32103ZET6芯片作為控制單元。直流電機用來控制中心轉(zhuǎn)盤的高速旋轉(zhuǎn)，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(chǎn)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(guān)進而打開或者關(guān)閉直流電機、霍爾傳感器、步進電機使能、電磁鐵開關(guān)舊。(2)與上位機的通信，通過串口接受上位機指令進而調(diào)用控制各部分的函數(shù)去工作。綜上所述，切菜機器人流程如圖3所示。
圖3系統(tǒng)流程圖
3.結(jié)論
最終設(shè)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(zhuǎn)料筒即可進行切片切絲工作，并能夠?qū)崿F(xiàn)收集功能。該設(shè)計安全衛(wèi)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(xiàn)此類蔬菜處理的理想廚房設(shè)備。
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