自动化煎饼机的机械系统设计

河北工业大学城市学院

毕业设计说明书

作者：窦雪爱学号：085318系：机械工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

题目：自动化煎饼机的机械系统设计

指导者：朱东彬讲师

评阅者：

2012年 06 月 03 日

目次

1 概述 (1)

1.1 绪论 (1)

1.2 国内外研究现状及研究趋势 (1)

1.2.1 国内外研究现状 (1)

1.2.2 研究趋势 (4)

1.3 本课题主要研究内容 (5)

2 自动煎饼机的结构设计要求 (6)

2.1 自动化煎饼机的总体方案确定 (6)

2.2 自动化煎饼机的主要性能参数 (8)

2.3 任务 (9)

3 料斗的结构设计 (9)

3.1 料斗的定义 (9)

3.2 料斗的原理 (9)

3.3 料斗的应用 (9)

4 喷头的结构设计 (10)

4.1 喷头的概念 (10)

4.2 喷头的分类 (11)

4.3 喷头的计算 (11)

5 气压缸的确定 (12)

5.1 气缸的定义、分类 (12)

5.2 气缸的结构 (13)

5.4 气泵的选择 (14)

5.4 煎饼机的驱动方式选择 (15)

6 带轮的结构确定 (16)

6.1 带轮的计算 (16)

6.2 带轮的结构设计 (18)

7 工作装置的强度校核 (19)

7.1 轴的强度校核 (19)

7.2 轴承的寿命校核 (20)

8 基于Solidworks的机械模型建立与运动仿真 (20)

结论 (22)

参考文献 (23)

1 概述

1.1 绪论

煎饼是我国的传统食品之一，它是由糊状的面糊摊开烙制而成的，而面糊是有粗、细粮混合制作。烙成饼之后所含的水分少较，看似像牛皮一样，可制成厚或薄的食品，方便携带，有筋道，食用后比较耐饱。一般成圆形，疏松多孔。煎饼是以粗、细粮混合制做而成，吃煎饼可以能够促进肠胃的运动，有益于肠胃的健康；饼具有筋道而耐嚼，经常吃煎饼的人有益于牙齿的健康。

煎饼是我国北方普遍食用的一种食品，具有物美价廉、容易保存、口感好的特点。但传统手工煎饼的制作人力成本高、耗时长，难以满足现代社会快节奏的要求；并且随着早餐煎饼需求量的不断增大，急需开发一种自动化程度高、满足速食要求的新型煎饼机。

1.2 国内外研究现状及研究趋势

1.2.1 国内外研究现状

现在,制作煎饼的机器多种多样,按照它的加工方式分：电热式饼铛煎饼机、滚筒式煎饼机、自动煎饼机、仿手工煎饼机、自动燃气煎饼机等。

饼铛式煎饼机的特点是在饼铛的下部加了个加热系统，饼铛是由电机带动其旋转,饼铛是平面，加热方法有气、电热或燃煤。如下面所示的图[1]，这种煎饼机的铛体下面附加有了凹槽,促使铝的加热元件可以埋铸在铛体之中,电热元件所释放出来的热量可以准确的传到铛体上,加热系统可以是电阻丝、煤炭或发热板，用来增加电热转换的利用率。减少电器元件的表面抗氧化性和单位面积所承受的功率,延长电器元件的使用寿命。梁传文的自动恒温电平式煎饼机(专利号中国,0022095.7)安装有控温装置 ,如结构可实时测量铛体工作温度并进行控温[2]。

图1 自动定温电平式煎饼机的示意图

一种自动滚筒煎饼机包括滚筒、面板、动力系统、传动系统、加热系统、涂油装置、切割装置和加料系统。本加料装统包含有加料斗和其连接的软管，本软管的一侧加有出料口，并在料管的加料斗端设置同轴搅笼，另一端封闭，料管的轴线与滚筒的轴线平行，搅笼的端部设有齿轮，通过链条与传动装置连接，料管的出料口面向滚筒设置。使不同浓度的糊料在搅动压力下均匀的布设在滚筒的表面。连续生产；加热方式为燃煤、燃气、导热油或电热；自动代替手工煎饼机；能降低劳动强度等特点。专利号02252806.7，是一种滚筒式煎饼机，如图2和图3所示[3]。

图2 滚筒式煎饼机的机构示意图

图3 滚筒式煎饼机俯视示意图

如图2、图3所示，加料装置安装在导轨14上，导轨14的一端固定在前后面板上，导轨14呈水平设置。安装时料管12上的滚动轮26安装在导轨14上，使料管12沿导轨14平行滑动。另外，位于加料管12上侧的调整轮21位于出料口的一侧，抵紧滚筒25的前后边缘20。从而搅笼30的上齿轮13与位于前面板8上的齿轮10啮合，从而齿轮10通过链条与传动装置的齿轮1连接，以便实现搅笼30随滚筒25的转动的转动。使加料装置靠近滚筒25并能使搅笼30转动，特在料装置的前后两端与前后两面板之间设置拉紧弹簧15，使其具有弹性并克服弹性力便可使加料装置整体拉开。

一种自动煎饼机包括一个由电机带动加温旋转的鳌子，还在鳌子的周侧布置有机架、机架上安装有自动下料的储料器、模拟人制作煎饼动作的各个机械手以及自动控制器共同组成[4]。

本实用新型制作煎饼的所有人工操作工序全部自动完成，使制作煎饼自动化，提高加工效率，降低劳动强度，且制作的煎饼仍具有人工制作的口感。专利号201467875，如图4[5]和图5所示[6]。

图4 是全自动煎饼机的立体示意图

图5是自动化控制机构的电路图。

1.2.2 研究趋势

(1) 研究全自动化煎饼机可以有利于完善煎饼的生产环境和卫生条件。

(2) 采用了先进的加热方式，例如红外线加热、微波炉加热等，用来增加电转换成热能的利用率。

(3) 以后煎饼机中不可缺少的是加温控置，这样可以保证煎饼口感。

(4) 设计主要是运用在加料的控制。煎饼生产的重要环节是加料，在一定的范围内影响煎饼的口味，现在的市场上可以连续生产煎饼的机器都是手工加料，面糊的要求相对较高，煎饼口味比人工制作的要差，本设计中的加料系统，可以弥补这一缺陷。

综合当前市场需求和科技应用的最新前沿以及装载机技术发展的最新趋势，装载机的设计发展体现出以下趋势。

a.产品设计数字化

b.产品设计智能化

c.应用并行设计工程

d.采用模块化设计

e.注重绿色设计

1.3本课题主要研究内容

本课题拟开发一种自动化程度高、满足速食要求的新型煎饼机，具体研究内容如下:

(1)研制电气化的煎饼机可以有助于改善煎饼生产环境与卫生条件,提高煎饼卫生质量。采用供料方式上采用雾化喷出式：在主活塞内有带起动喷咀的起动活塞,它的孔小于主喷咀的。当雾化装置稍有损伤时,燃烧就会劣化[7]。

图6 喷燃器外壳

(2) 采用了先进的加热方式，例如红外线加热、微波炉加热、电阻丝和电磁炉等，用来提高电能转换成热能的利用率。

(3) 以后煎饼机中不可缺少的是加温控置，这样可以更加使煎饼的制作方便，同时也保证煎饼口感。

(4)自动化煎饼机的运动机构，着重完成整机的三维运动学仿真，做出自动化煎饼机动态模拟仿真图。

(5)本研究主要在于提供一种减少加工工序、降低成本、增加口感、提高工作效率、适合各种粗、细粮加工的煎饼机。

图7 是自动化煎饼机的示意图

2 自动煎饼机的结构设计要求

2.1自动化煎饼机的总体方案确定

第一种方案：

方案一：自动化煎饼机的整体结构示意图如下图所示。

图8 自动化煎饼机的示意图

方案一 整个自动煎饼机的设计遵循紧凑设计原则，此煎饼机由驱动轮单元、加热驱动电机单元和气压驱动电机单元构成。

自动煎饼机的系统传动路线：

???→→→→→毂子切割刀的运动。

连杆的运动从动齿轮主动齿轮电磁式离合器旋转驱动电机 自动煎饼机的气压传动系统的传递路线：电机→气压缸→旋转轴→执行元件。

本方案具有轻便小巧的特点，采用紧凑设计，简化结构复杂程度，节省了占用空间，预留扩展区可以加装多种功能模块，大大增加通用自动煎饼机的旋转能力和应用范围。采用智能的控制方式和自诊断技术，使通用自动煎饼机运行稳定可靠。台式电动的煎饼机可以采用全新的生产模式，加热装置等方面进行了一系列的改进。结构上所采用得是全面模块化的生产，箱体采用了喷塑涂覆的形式，使用其能够灵活，可直接放在操作台或者桌子上来进行工作，外形美观大方，清洁卫生。加热部分所采用得是全封闭的形式，热传递效率高，卫生清洁，电量损耗比较低，能源在控温方面比较节约，对采用电热铛控温仪来说，全部的原器件都采用的是插接式联接，并具有一定的可换性，可以使它的性能比较平稳，维修起来更加便捷，烙制各种形式的面制食品。 第二种方案：

方案二自动化煎饼机的整体结构示意图如下图所示。

图9 自动煎饼机的整体示意图

其工作原理：将准备制作煎饼的各种原材料倒入预混池7内，旋转的混池中进行

搅拌器6制成糊浆，再打开电动机2使加热的滚筒10进行顺时针旋转，打开糊浆池阀门5将糊浆通过糊浆出口8直接流到热力滚筒10上面，通过厚度调节器3调节热力滚筒10与厚度调节轮4之间的距离，从而控制煎饼的厚度，达到要求即可，在辅助轮12的辅助下，通过煎饼铲11将成熟的煎饼铲下，最后放到操作平台上成型就行。

方案二与其它煎饼机相比，方案二有比较体积小、高的控制能力、结构当对紧凑和质量比较小等特点。电机轴直接联接的带轮，存在较大缺陷性，旋转电机也必须一直提供电，电池的损耗很大，综合考虑后选择第二种方案来进行煎饼的自动生产。

图10 自动煎饼机的二维装配图

自动化煎饼机的二维装配图的说明如下：

这个机器的主视图可以看到由电动机通过键带动小带轮旋转，小带轮上的V带带动大带轮进行转动，然后大带轮通过键带动轴运动。而轴旋转使得毂子进行运动。面糊通过管道流入喷头之中，而直线往复运动的气压缸则带着喷头在纵向移动。这样可

以控制煎饼的厚度，也可以是面糊、鸡蛋和油从喷头喷到毂子上时，不受毂子的离心力而把这些甩出毂子外，造成材料的浪费。也可以避免甩出的面糊与鸡蛋粘到V带上，从而使带轮卡死或打滑，而造成不必要的损失。

在俯视图中由伺服电动机通过联轴器，在通过轴上的键传递到吊环上，而吊环带动摆动气缸在横向上摆动。而使气缸上安装的平板工作。伺服电机的动作也是由plc 所编程的程序控制，先把喷下来的油摸开使其充满整个毂子，在把喷下的面糊涂抹开，然后把喷下的鸡蛋抹匀，最后把做好的煎饼刮下来并运走。这样就完成了煎饼的制作了。

然而左视图中的工作原理是各种面粉和水按照一定的量进行混合，用搅拌器使其制成具有一定黏度的面糊。在有就是支撑盘下方安装有加热系统，使毂子上的油、面糊和鸡蛋成熟，从而制作好煎饼。

这个设计要求连续的制作煎饼，故此程序是循环的。三相异步电动机带动着毂子一直做匀速圆周运动。电磁阀控制制作好的面糊、鸡蛋和油的流量与顺序。伺服电动机则带动摆动气缸运动，而每次运动使所用的时间的不一样的。然而气泵则带动直线往复运动的气缸在纵向移动，使喷头更有效的工作。本设计采用的是电磁炉进行加热。

程序控制气电阀的动作、电磁炉的工作、气泵的工作、三相异步电动机的启与停和伺服电机的启与停。这样可以快速方便的实现煎饼的制作，此设计不存在干涉问题。

2.2自动化煎饼机的主要性能参数

自动化煎饼机的主要参数有料斗容积、额定受载能力、电动机的额定功率、整机的质量、喷头的重量、毂子大小、气压缸平移行程和气压缸的旋转角度等。主要性能参数是设计自动化煎饼机的重要依据。

2.3任务

额定容量 0.5 m3

直线型气压缸的最大移动的行程范围是 150mm

摆动气压缸的最大旋转角度为 130°

毂子大小 300mm

3 料斗的结构设计

3.1 料斗的定义

通过振动使面糊运动，可以有效消除面糊的堵塞和粘仓的现象，解决了面糊排出难的问题并在料仓下面安装的装置是料斗装置。

3.2 料斗的原理

振动料斗用于机床的上下料装置，本设计中的料斗用于面料的储存和面粉的搅拌。料斗上的搅拌器是控制面粉的混合和水的混合，使至形成糊状。而振动料斗可以使糊状的面浆顺利的进入到喷头中，用于部分精加工的各类小型工件。当对用于尺寸和重量的大小，不同的面糊所需要得定向机构是不一样的，故应更换定向机构就行。料斗是由料斗、定向机构、弹簧、电磁铁和底座组成。

本设计的料斗是由料仓1、支撑2、底座3、支撑座4、旋转轴5、电磁铁6和定向机构7组成的，如下图所示。当把各种面粉和水按一定的比例混合好倒入料仓1中，通过立柱上的搅拌器将面粉和水和成所需要的具有一定黏度的糊状面糊。在通过电磁阀控制它的流出时的速度和量的多少。而放鸡蛋和油的料斗则不需要这种振动式的料斗，他们用的是只带有料仓和电磁阀的料斗。这样可以控制鸡蛋和油流入喷头的速度和多少，不至于过多的浪费资源，也相对其他加工煎饼的机器比较干净卫生。

这种形式的料斗结构比较简单、容易操作、成本也比较低。

图11 料斗的示意图

图12 料斗的结构图

4 喷头的结构设计

4.1 喷头的概念

喷头是比较专业的说法。喷头是有喷淋，喷雾，喷油，喷砂设备所组成的一个部件，也是主要的部件。当面糊、鸡蛋和油分别从喷头进入口中流入时，由电磁阀控制他们流出时顺序和流出的量，从而来加工煎饼。

4.2 喷头的分类

喷头有好多种。按不同的性能，就有不同的分类，下面就是按不同的性能进行分类：

按材料有金属喷头，塑料喷头，陶瓷喷头，合金喷头。

按形状有空心锥喷头，实心锥喷头，方形喷头，椭圆形喷头，扇形喷头，柱流喷头，二流体喷头，多流体喷头等等。

特殊行业有喷头，催化裂化喷头，德士古喷头，造粒喷头，喷砂喷头等。

但本次设计中所用到的喷头就不能属于上述中喷头的类型，本设计的喷头是有三个进入口和一个排出口。进入口分别是面糊、鸡蛋和油，而排出口则要排出按照先排出油，然后排出面糊，最后排出鸡蛋。然而在排出时，也要控制他们的用量，不可过

多。这些动作都是由气电控制阀控制，也是由plc进行程序编程实现的，来准确的控制气电阀的每一个动作，保证按照先油，然后面糊，后鸡蛋的顺序进行。可以保证气电阀有效工作。

4.3 喷头的计算

流量的系数和喷头的流量系数K如下面公式:

K=Q/P

式中: P—喷头入口的压力，其单位是兆帕(MPa)；

Q一喷头的流量，其单位是升每分钟(L/min)。

图13 料斗的零件图

图14 喷头的三维立体结构图

5 气压缸的确定

这种自动煎饼机的气压系统的工作原理：由先到控制阀和主操纵阀、转斗气缸、举升气缸、气压三联件、主气泵等组成。其工作原理是主泵从外部吸取空气，并将空气输送到主操纵阀。全部主操纵阀从滤清器进入干燥器中。将主操纵阀的抬升和旋转回路中还应该装有气缸的过载安全阀：气路中应有两个单向阀，它们的主要作用是在发动机停止停转时，用来防止空气膨胀。

5.1气缸的定义、分类[8]

涡轮机和旋转式活塞的发动机等壳体通常也称“气缸”。气压传动是将气体的压力能转换成机械能的气动执行元件。气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类。直线运动的气缸分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。

本设计采用了直线往复运动的气缸和摆动气缸，往复气缸带动喷头在竖直方向的运动，而摆动气缸带动平板在水平方向上运动，控制面糊、鸡蛋和油的摊开，煎饼的刮起和煎饼的取出。

5.2 气缸的结构

气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成：

缸筒是有一个空心的圆柱，而它的直径大小与输出力的大小有关。输出的力越大缸筒的直径也越大。如果不满足这一关系，那缸筒的刚度就达不到要求，同时要求缸筒内表面的表面粗糙度应为3.2或1.6。

端盖是封闭缸筒的使缸筒内的具有一定的气压，这样气缸才可以顺利的工作。

活塞是气缸的受力元件，它承受的气体压力最大。活塞应该具有一定的弹性和耐磨性，因活塞在缸筒内做往复直线运动，所以活塞要满足设计的要求。

活塞杆是气缸的执行元件，活塞杆带动负载进行运动。它所承受的力应大于负载所要求的力，否则气缸无法工作导致活塞杆过度弯曲，从而折断活塞杆。

密封件是封闭气缸的，避免气缸内的气体窜到别处，而使气缸不具有一定的气压，使气缸不能准确的工作。

这次设计中直线往复气缸是由气泵来带动的，这也是这个设计的不足的地方。它不适合户外工作，只适合在户内工作。而摆动气缸是由伺服电动机控制的，它不用气泵来带动，因此这是本设计的一个亮点。

5.3气压泵的选择

压力是根据载荷大小与设备性能来确定的。还应该考虑气压缸的使用空间，经济条件和气缸提供的情况来确定。

表1 载荷和工作压力表

表2 设备性能表

由上表可得，自动煎饼机的气压系统的工作压力应该在20-32MPa。而初选的工作压力应该为30MPa。代入计算时使用P=32MPa，以保证系统压力足够和安全性。5.4 煎饼机的驱动方式选择[9]

由于机械手各关节均为旋转运动，常用的驱动方式有电气式（主要是电动机）、液压式（主要为液压马达）、气压式（气压马达）。这三种驱动方法的特点如下表所示: 由于煎饼机用来检测和修补化学反应器泄露，煎饼机要求有很好的伺服控制能力且动作应平稳，再者要求机械手结构紧凑、活动灵活，同时结合工况条件，选择电气式驱动。

电气式电动机有一般的动力用电机和控制用电机两类，由于工作要求必须得选择控制电机。常用的控制电机有步进电机、力矩电机、伺服电机。力矩电机只能用于单向连续运转，故不选用。步进电机不适用于正、反转频繁场合，且其启动和制动性能差，再者不能实行闭环控制，故不选用。交流伺服电机通常功率在数百瓦以上，适用于高速运动。本次毕业设计要求机械手的功率较低，且关节角速度一般均在100°/s 左右，综合各方面条件，选择直流伺服电机。

表3 驱动方式对比

6 带轮的结构确定

6.1 V带的选择[10]

1．V带传动的传动比i的确定

跟据普通V带的传动比在范围2-4，故本次设计则选用i=2

2．计算功率P

ac

的确定

有表8-7查得，工作情况系数K

a =1.1，故P

k

P a

ac?

==1.1×3=3.3kw

3. 选择V 带的带型

由P ac 、n 查图8-10，选择用A 型带

4．确定带轮的基准直径d d 并进行验算带速v

a.初选小带轮的基准直径d d

由表8-6和表8-8，取小带轮的基准直径d d =90㎜

b.验算带速v

按式8-13带速度的验算：

()10006011?÷??=n d v d π=6.78㎜,因为s m v s m /30/5≤≤,故带速合适。

c.计算大带轮的基准直径

跟据8-15a ，大带轮基准直径2d d 的计算：12d d d i d ?==180㎜,根据表8-8，取2d d =180

㎜

5. V 带中心距a 和基准直径d L 的确定

a.由8-20，初定中心距()()212127.00d d d d d d a d d +?≤≤+?，取0a =300㎜

b.由8-22，带所需的基准长度d L 的计算

()()()0204/2/212210a d d d d a L d d d d d ?-++?+?=π=1030㎜

由表8-2选取带轮的基准长度=d L 1120㎜

c.按8-23，实际中心距a 的计算

()2

/00d d L L a a -+==345㎜ 6.小带轮上的包角1α的计算

根据8-25得， ()a d d d d /3.5718001201?--=α

=165.00≥900 7.带的根数Z 的计算

由8-26式得，()[]L A ca K K P P P K P Z ???+==α00r /P /,查表8-4a 得，0P =1.09kw ；

查表8-4b 得，0P ?=0.17kw ；查表8-5得，αK =0.96；查表8-2得，L K =0.91；故Z=2.99，

取整Z=3

8.单根V 带的初拉力最小值()min 0

F 的计算 由表8-3得，单位长度质量q =0.1kg/m ；由8-27得，

()()()2min 0/5.2500qv v Z K P K F ca +???-?=αα=142N