多功能自动绞肉机设计

1多功能自动绞肉机设计Designofmultifunctionalautomaticmeatgrinder曹乐平1邓洁红2CAOLe-ping1DENJie-hong2(1.湖南生物机电职业技术学院现代管理工程系，湖南长沙410127；2.湖南农业大学食品科技学院，湖南长沙410128)(1.EngineeringDepartmentofModernManagement,HunanBiologicalandElectromechanicalPolytechnic,Changsha,Hunan410127,China；2.CollegeofFoodScienceandTechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha,Hunan410128,China)摘要：多功能自动绞肉机用独特的绞肉乳化头设计，实现出骨、绞肉、乳化三种功能的有机结合，同时依据人工模糊神经网络技术、单片机数控技术，自动完成多功能自动绞肉机的温度控制、速度控制、绞肉与乳化粒度控制。关键词：绞肉；乳化；出骨；模糊控制；人工神经网络Abstract:Multifunctionalautomaticmeatgrinderadoptstheuniquedesignofmeatgrindingemulsifier,whichrealizestheorganiccombinationofthethreefunctionsofboning,grindingandemulsifying.Atthesametime,accordingtotheartificialfuzzynervenetcontroltechnologyandnumericaltechnology,itautomaticallycompletesthetemperaturecontrol,speedcontrol,meatgrindingandemulsifyingcontrol.Keywords:Grindingmeat;Emulsifying;Boning;Fuzzycontrol;Artificialnervenet近年来，我国食品工业实现了高速发展，已成为国民经济的支柱产业，占GDP的10%，雄居首位，而肉制品工业占我国食品工业总产值的9%～10%。肉制品消费水平的高低，反映一个国家的生活水准和发达程度[1]。肉制品工业的发展成为了带动农业、畜牧业、饲料工业的龙头。但在经历了较高速度的数量型增长后，食品与包装机械的市场竞争力依然脆弱，表现为产品质量差、品种结构单一、技术含量低等，从数量向质量型提高的速度仍比较缓慢[2]，有许多关键设备依赖进口，先后从欧洲、日本、美国引进了肉类屠宰加工设备200多套，西式灌肠线40多条，西式火腿线30多条和大量的单机与检测仪器设备[1]，开发科技含量高的产品成为重中之重，就此提出多功能自动绞肉机设计，与当前国内外绞肉机相比，具有以下优势：实现了出骨、绞肉、乳化三种功能的一体化；充分运用了人工神经网络技术、模糊控制、单片机数控技术，实现了绞肉机温度、速度、粒度的自动化与智能化控制；独创的绞肉乳化头设计把传统的刀片与孔板的直接接触摩擦转化为绞肉乳化头与碗杯的非接触摩擦，延长了关键部件的寿命，大幅度的降低了乳化肉糜中金属杂质的含量。多功能自动绞肉机由机械与控制两个部分组成。其工作原理是：小块带骨肉由绞龙输送并挤压，肉从绞龙缸套的筛孔中挤出，绞肉乳化头内壁螺旋刀切断肉丝，被传送至锥形乳化头与碗杯间间隙后，受高剪切作用而乳化；也可调大乳化间隙，实现单一绞肉功能。1机械部分设计多功能自动绞肉机如图1所示，其机械部分包括出骨系统、绞肉乳化系统、冷却水循环系统。__________________________________作者简介：曹乐平（1964-），男，湖南生物机电职业技术学院讲师。E-mail:[e-mail]收稿日期：2005-04-1121.1出骨、冷却系统带骨肉块（可以是家禽、鱼类，超大带骨肉块须预切割成小块）受绞龙的推动，从料斗下方移至锥形头前方，肉从筛孔中挤出，骨渣从骨渣排出管排出并收集，进入骨制品加工线。该系统主要由料斗、绞龙、绞龙缸套、碗杯、锥形阀、冷却水进水管及排出管等组成，这些部件用ZG1Gr17Mn9Ni4Mo3Cu2N材料（该材料耐蚀性和抗点蚀性好，冶炼、铸造、焊接性能优越），绞龙为空心结构，与两端焊接，螺旋叶片用不锈钢带先卷制，后焊接，碗杯与绞龙缸套用螺纹连接，以方便绞肉乳化头的折装。在绞龙缸套的前段设计一段筛孔，筛孔的孔径有3.1、2、3、5、85种[1]，可通过更换不同筛孔直径的绞龙缸套满足不同种类的带骨肉块的加工要求。在绞龙空心与碗杯内通入冷却水，使绞肉乳化过程保持在设定温度以下，确保肉的品质不变。图1多功能自动绞肉机1.冷却水进水管2.锥形阀3.软管4.活动阀5,11.循环水排出管6.骨渣排出管7.肉糜防溅罩8.机壳9.料斗10.控制面板11023456789113考虑到带骨肉块种类的不同（红肉块、家禽肉块、鱼肉块），须有宽的适应范围和定功率下高的生产能力与效率，选取A2-Ⅰ-3型齿链式无级变速器[6]（带720r/min的电机）作为绞龙转速无级调节的主要传动变速箱，输出轴转速415～1245r/min，如图2所示，再通过一级三角带传动，实现绞龙在41.5～124.5r/min范围内的无级变速。1.2绞肉、乳化系统如图2所示，绞肉乳化系统由绞肉乳化头、乳化头法兰、碗杯及各轴承与轴承座组成，碗杯、乳化头、乳化头法兰也都采用ZG1Gr17Mn9Ni4Mo3Cu2N材料，在绞肉乳化头长度为200mm的圆柱段内表面铣削加工出多头螺旋，形成螺旋切割刀，对从孔中挤出的肉丝实施切割，螺旋刀的头数为36，圆周切向螺旋厚度2.9mm，相邻螺旋间切向槽宽2.9mm，槽径向深度3mm，乳化头圆锥内表面和碗杯外表面各分三段，分别开有与其轴线成200倾角的矩形槽，但中间段槽的方向与首尾槽的方向相反，右端槽的尺寸与螺旋刀尺寸匹配，从右至左三段槽的尺寸依次减小，且乳化头与碗杯槽的倾向相反。绞肉乳化头配备以下传动装置：FP1L-1/6型齿链式无级变速器[6]（电机转速720r/min，变速器输出轴转速295～1770r/min、一级三角带传动和一级齿轮传动，从而满足绞肉乳化头在486.75～2920.5r/min28图2出骨、冷却系统和绞肉乳化系统1.密封垫圈2.螺钉3.卡环4,19,38,39,40.端盖5.接温度传感器6.储油槽7.铜环8,53.冷却水进水管9.锥形阀10.软管11,28.循环水排出管12.活动阀13.骨渣排出管14.滑动轴承(ZChSnSb)15.密封腕16.密封盖17.密封圈18.碗杯20.绞龙21.料斗22,35,50.轴承座23.轴承端盖24.三角皮带轮25.键26.螺母27.垫圈29,44.三角皮带30.出骨无级变速器31.定位端盖32.圆锥滚子止推轴承33.绞龙缸套34.出骨电机36,52.滚针轴承(不带内圈)37.油环41.轴套42.变速箱43.齿轮45.绞肉乳化无级变速器46.1112131415161718192021336-φ32223242526271234567891029303132333435363738394041424344454647484950515253ⅠⅠ4范围内的无级调速的要求。绞肉、乳化间隙调节机构主要包括滚珠丝杯调节机构及其组件。步进电机在确定指令下将一定角度的位移传递给螺杆，螺杆带动固定在绞肉乳化头止推轴承座上的螺母作直线位移的调整运动，从而实现其间隙的调节，如图3所示。绞肉、乳化间隙调节机构的传动系统包括一对圆柱直齿齿轮传动和滚珠丝杆传动副，电机用90BF002步进电机（5相、电压80V[5]）。步进电机齿轮变速箱传动比48.0i，两齿轮齿数z124，z250，齿轮模数2m，齿宽10b，小齿轮用双片错齿消隙齿轮结构，在选用CDM2005-2.5型[6]滚珠丝杆后，可实现绞肉乳化头步距0.01mm/step。2控制部分设计多功能自动绞肉机控制部分包括肉的温度控制、绞肉乳化头速度控制、绞龙速度控制及绞肉粒度与乳化细度控制四个部分。2.1步进电机选型温度控制、绞肉乳化头速度控制、绞龙速度控制的动力源分别是锥形阀步进电机28BF001、绞肉乳化头步进电机36BF003、绞龙步进电机45BF005-Ⅱ，各步进电机均为三相、电压都为27V[5]。2.2信息检测2.2.1温度检测在多功能自动绞肉机循环水排出管端安装一个铜—康铜型温度传感器，用以间接检测绞肉乳化过程中肉的温度及温度变化[4]，如图4所示，显然，dtdT的正与负分别表明肉的温度在上升与下降，则锥形阀的开启度应分别增大与减小。2.2.2绞肉粒度、乳化细度检测粒度（或细度）的大小使绞肉乳化头电机产生不同的阻抗，因而电机阻抗是粒度的信息载体，切断绞肉乳化头电机电源，测定定子绕组的反电动势，并整形放大，得到一矩形脉冲序列波形[8],如图5所示，用模糊推论分析波形的宽度与数量，从而检测出绞肉粒度和乳化细度。2.3模糊神经网络控制200k1k+5vGOE(a)(a)检测电路(b)反电动势E图5绞肉粒度、乳化细度检测(b)E时间t温度T图4温度变化曲线设定温度时间t图3绞肉乳化间隙调节机构1.乳化法兰2.绞肉乳化头3.螺母套4.止推轴承座(非标)5.筋板6.调整垫圈7.滚动螺母8.螺杆9.轴承座10.齿轮箱11.步进电机12.端盖13.止推轴承14.轴套15.向心球轴承1234567891012111314155选定模糊变量：温度、温度变化率、粒度（或细度）、锥形阀开启度、绞肉乳化头与碗杯间隙、绞肉乳化头转速和绞龙转速，定义各模糊变量的隶属函数和模糊子集[7]。前三个量为输入量，后四个量为输出量，模糊子集依次定义如下：{高、中、低}、{正、零、负}、{粗、较粗、标准}、{大1、较大1、一般1、小1}、{一般2、较小2、小2}、{快1、较快1、中1}、{慢2、较慢2、中2}。制定模糊控制规则如表1，生成人工神经网络训练样本，这里，人工神经网络用三层前馈网络，网络参数为：输入层24个神经元、隐层15个神经元、输出层32个神经元，用样本训练该网络后，网络记忆了模糊控制规则，同时又具有了泛化能力，结合单片机（8031CPU、6264RAM、27128EPROM、8255I/O、8279）对各步进电机的控制，形成了多功能自动绞肉机自识别，自判断，自调整的智能，如图6所示。显示器键盘显示器与键盘接口RAMROMCPUI/O端口转换器神经网络模糊划分温度传感器肉的温度及变化率绞肉乳化头电机检测电路粒度YB013GO102功率放大28BF001锥形阀开启度调节电源YB013GO102功率放大36BF003FP1L—1/6YB013GO102功率放大45BF005—Ⅱ绞龙无级调速电源电源5V27V5V5V27V5V5V27V5V图6多功能自动绞肉机控制系统脉冲宽度脉冲个数温度控制绞肉乳化头无级调速A2—Ⅰ—3YB015GO102功率放大90BF002绞肉乳化头与碗杯间隙调节电源5V80V5V粒度调节6表1多功能自动绞肉机模糊控制规则序号输入变量输出变量温度温度变化率粒度锥形阀开启度绞肉乳化头与碗杯间隙绞肉乳化头转速绞龙转速1高正粗大1小2快1慢22高正较粗大1较小2较快1较慢23高正标准大1一般2中1中24高零粗较大1小2快1慢25高零较粗较大1较小2较快1较慢26高零标准较大1一般2中1中27高负粗一般1小2快1慢28高负较粗一般1较小2较快1较慢29高负标准一般1一般2中1中210中正粗较大1小2快1慢211中正较粗较大1较小2较快1较慢212中正标准较大1一般2中1中213中零粗一般1小2快1慢214中零较粗一般1较小2较快1较慢215中零标准一般1一般2中1中216中负粗小1小2快1慢217中负较粗小1较小2较快1较慢218中负标准小1一般2中1中219低正粗较大1小2快1慢220