多功能自动绞肉机设计

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 [2] 量型提高的速度仍比较缓慢 ，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 [1] 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 ，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: clp4218@ 收稿日期：2005-04-11
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图1 1.冷却水进水管 2.锥形阀 9.料斗 10.控制面板 3.软管 4.活动阀
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19 336-φ3 20 21
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10 9 33 8 7 6 5 4 3 Ⅰ 2 1 46 45 44 43 42 41 40 53 52 51 50 49 48 47 39 38 37 36 35 34 32 31
11,28.循环水排出管 18.碗杯 20.绞龙
14.滑动轴承(ZChSnSb)
22,35,50.轴承座 31.定位端盖
23.轴承端盖
24.三角皮带轮
27.垫圈
29,44. 三角皮带
30.出骨无级变速器 37.油环
32.圆锥滚子止推轴承 43.齿轮
33.绞龙缸套
46. 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 [6] 力与效率，选取 A2-Ⅰ-3 型齿链式无级变速器 （带 720 r/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 415～1245 r/min， 如图 2 所示， 再通过一级三角带传动， 实现绞龙在 41.5～124.5 r/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 200 mm 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 2.9 mm，相邻螺旋间切向槽宽 2.9 mm，槽径向深度 3 mm，乳化头圆锥内表面和碗杯外表面各分三段，分别开有 0 与其轴线成 20 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。 [6] 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 （电机转速 720 r/min，变速器输出轴 转速 295～1770 r/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 486.75～2920.5 r/min 3
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15 图3 1.乳化法兰 9.轴承座 2.绞肉乳化头 10.齿轮箱 3.螺母套
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绞肉乳化间隙调节机构 5.筋板 14.轴套 6.调整垫圈 7.滚动螺母 8.螺杆
4.止推轴承座(非标) 12.端盖 13.止推轴承
11.步进电机
15.向心球轴承
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 [5] 步进电机（5 相、电压 80V ） 。 步进电机齿轮变速箱传动比 i 0.48 ，两齿轮齿数 z1 24 ，z2 50 ，齿轮模数 m 2 ，齿宽 b 10 ，小 齿轮用双片错齿消隙齿轮结构， 在选用 CDM2005-2.5 型 滚珠丝杆后， 可实现绞肉乳化头步距 0.01 mm/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 [5] 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 。 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 ，如图 4 所示，显然， dT 则锥形阀的开启度应分别增大与减小。
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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 [7] 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 。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。
Abstract: Multifunctional automatic meat grinder adopts the unique design of meat grinding emulsifier, which realizes the organic combination of the three functions of boning, grinding and emulsifying. At the same time, according to the artificial fuzzy nerve net control technology and numerical technology, it automatically completes the temperature control, speed control, meat grinding and emulsifying control. Keywords: Grinding meat; Emulsifying; Boning; Fuzzy control; Artificial nerve net
多功能自动绞肉机设计
Design of multifunctional automatic meat grinder 曹乐平
1 1
邓洁红
2 2
CAO Le-ping
DEN Jie-hong
(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.Engineering Department of Modern Management ,Hunan Biological and Electromechanical Polytechnic,
[4] [6]
dt
的正与负分别表明肉的温度在上升与下降，
温度 T
200k
+5v 1k
E E 时间 t
设定温度 图4 时间 t 温度变化曲线
(a) (a)
GO
(b)
检测电路 (b) 反电动势 E 图 5 绞肉粒度、乳化细度检测
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 [8] 序列波形 , 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
显示器 键 盘 显示器与 键盘接口 P RAM ROM 5V 电 源 27V 5V U C I / O 端 口 5V 5V 电 源 27V 5V 5V 电 源 27V GO102 功率放大 90BF002 绞肉乳化头与 碗杯间隙调节 绞肉 乳化 头 温度控制 无 级 调 速 绞龙无 级调速 粒度调节 5V 5V 电 源 转换器 神经网络 模糊划分 脉冲宽度 脉冲个数 温度传感器 肉的温度 及变化率
多功能自动绞肉机 5,11.循环水排出管 6.骨渣排出管 7.肉糜防溅罩 8.机壳
1.1 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 [1] 装。在绞龙缸套的前段设计一段筛孔，筛孔的孔径有 1.3 、 2 、 3 、 5 、 8 5 种 ，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。