一种简单实用的切菜机器人设计与实现
2016-11-11 来源：北京邮电大 北京市工贸技师学 作者：何凯 吴庆梅 宋原 郭磊
摘要：针对家庭生活中比较难以切削的根茎类蔬菜，论文通过模仿手工切菜方式，利用蔬菜的重力作用向下运动通过刀具在水平或竖直平面作旋转运动实现切菜工作的原理，设计了一款简单实用的切片切丝机。以STM32103zET6芯片作为控制单元。分别使用直流电机、步进电机作为机器人的动力源，采用平板刀作为切片刀，梳形刃口刀作为切丝刀，通过连杆机构或齿轮传动等完成刀具的旋转运动，切片、切丝两种工作模式的转换通过更换不同型号的刀具来实现，基本实现了蔬菜切片和切丝的功能。
关键词：切菜机器人；结构设计；sTM32103zET6；直流电机
0.引言
蔬菜是人们日常生活必不可缺的食品，并且食用方法多种多样。自步入小康社会以来，人们的生活节奏越来越快，很多传统服务已不能满足人们的物质需求和生活节奏．日常生活中通过手工快速切菜严重地威胁着人身安全．切菜时间过长或切菜不熟练等因素都易导致人们受伤，在食堂、食品加工厂等切菜需求量高的场所，既安全又迅速地将菜加工成各种形状。单靠人工来完成既费时又费力。如何将菜更快地切好这将成为一个很棘手的问题。用食品加工机代替人们的手工劳动或作为其补充。这将增高切菜的效率。因此对切菜机器人的研究很有必要。
在国外，切菜机技术开始于上世纪60年代，到70年代逐渐发展成熟。直到80年代中期，多功能全自动切片机不断商品化。诞生了一些世界上著名的切菜机厂家主要集中在瑞士、美国和日本等国家。在我国，切菜机技术开始于上世纪70年代初．目前我国市场上出现的切菜机大多是针对饭店和食品加工厂所设计的。典型的结构主要分开双头型切菜机和组合式切菜机。由文献『11可知，由组合式切菜机水平传送带传送原料，通过在传送带上的分布成一定角度的多个刀具进行切削。根据需要原料在传送带上经若干次切削后成形，成品的形状参数通过调节刀具的切削速度及原料的传送速度来控制。由文献{可知，现有的切菜机一般特点是：操作灵活，性能良好。适用于食品加工行业和一般餐饮行业的蔬菜加工。文献【3】介绍了一款切削长度可调的小型蔬菜加工机，它既可以对宽叶状蔬菜切丝，经过适当调节后，也可对长茎类蔬菜切段，功能多，效率高。文献[4】设计了一种利用皮带轮传输、“V”形带和倒“L”形挡板组成定向装置及利用固定圆盘式切刀为主要结构的小型甜菜切顶装置。
综上所述，现已有的切菜机虽然操作简单、效率高。但体积大、功率高，主要适合食品加工厂等使用。针对日常生活中难以切削的块类蔬菜设计一款简单实用的切菜机器人。出于实际的要求。提出以下方案：蔬菜通过进料筒内，通过重力作用向下运动；刀具在水平或竖直方向作旋转运动；通过更换不同型号的刀具来实现切片切丝功能；利用重力或离心作用收集加工好的蔬菜。
1.切菜机器人结构设计
通过Solidworks软件设计的家用切菜机器人结构如图1、图2所示，其主要结构有：进料装置、切削机构、传动机构以及蔬菜收集装置。蔬菜在进料筒依靠重力作用向下运动，通过传动机构和切削机构实现切片、切丝两种工作模式，再利用重力或离心作用通过收集装置收集切好的蔬菜。结构设计主要分为：切削机构的设计、传动机构的设计和箱体的设计。
图1整体结构图a
图2整体结构图b
1．1切削机构设计
该设计选用平板刀作为切片刀，切丝选用梳形刃口刀片。为能够实现可控制切块、切丝、切片，在工作中需要实现切片切丝的转换，需要一把与进料口垂直的切片刀，两把具备不同尺寸的切丝刀，在刀架上分别布置刀片。切片时，切片刀通过调节高度控制切片厚度，切块时，两梳型刀片同时伸出．通过旋转进料桶使蔬菜经过两刀片时切割轨迹互相垂直，最后由切片刀切断，以实现切块目的，切丝的宽度与切块的大小可通过不同组切丝刀的规格进行控制。
1．2传动机构设计
(1)传动参数计算。初步设计切片切丝机切削力作用半径R为100l珊。则可计算得切片切丝机切削所需工作功率：
(2)锥齿轮及轴设计。
盘状切削机构工作时有轻微冲击，转向不变嘲，大小齿轮都选用软齿面直齿圆锥齿轮并对大小齿轮均进行发蓝处理。以减少磨损和腐蚀。齿轮精度为GB，I'11365—1989，8级，法向侧隙公差种类为C。齿数比1．10，初选模数m=0．33mm，两圆锥齿轮的齿顶圆直径均小于200mm，且锥齿轮的小端e大于1．6m，因此将两圆锥齿轮设计为实心结构。轴的材料选用奥氏体不锈钢。计算轴直径值为16mm，轴端倒角取1×450。各轴肩的圆角半径R取2mln。
1．3箱体设计
箱体结构将切削机构与外界环境隔离开来，其中上顶盖有可投放原料。并限定其位置的料筒。下顶盖设计为圆盘状。和上顶盖料筒对应的位置装有出料口。
2.切菜机器人的测控系统设计
该设计以s1M32103ZET6芯片作为控制单元。直流电机用来控制中心转盘的高速旋转，步进电机的作用是用来切换刀具。
(1)S7IM32103ZET6用于控制各个电机，继电器，传感器的主控单片机．其通过两个，11MX定时器产生固定频率时长的PWM波去控制步进电机，通过IO口的高低控制继电器的开关进而打开或者关闭直流电机、霍尔传感器、步进电机使能、电磁铁开关旧。(2)与上位机的通信，通过串口接受上位机指令进而调用控制各部分的函数去工作。综上所述，切菜机器人流程如图3所示。
图3系统流程图
3.结论
最终设计的切菜机器人只需通过控制面板选定刀具组合及位置、配合手动旋转料筒即可进行切片切丝工作，并能够实现收集功能。该设计安全卫生，尤其适用于土豆等根茎类、块类蔬菜切片和切丝的工作，是实现此类蔬菜处理的理想厨房设备。
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