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作者简介: 曹乐平 ( 1964- ), 男, 湖南生物机电职业技术学院副教授。E? mai: l clp4218 etang. com收稿日期: 2005- 11- 11第 22卷第 2期2 0 0 6年 3月FOOD & MACHINERY食品与机械Vol . 22, No . 2M ar. , 200 6多功能自动绞肉机设计Design ofmultifunctional automatic meat grinder曹乐平1CAO Le? ping1?邓洁红2DEN Jie? 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. Department of ModernManagementEngineering, H unan Biological and ElectromechanicalPolytechnic, Changsha, H unan 410127 , China; 2. College of Food Science and T echnology,H unanAgricultural University, Changsha, Hunan 410128, 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 :M ultifunctional automaticmeat grinder employing a unique de?sign ofmeat grinding emulsifier , which realizes the organic combination ofthe three functions of boning, grinding and emulsify ing was intro?duced. Atthe same ti me , according to the artificial fuzzy nerve net contro l technologyand numerical technology,it automatically completes the temperature ,speed , meat grinding and emulsifying contro. lKeywords :M eat grinding; Emulsify ing; Boning ; Fuzzy contro;l Artificia lnerve net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。图 1? 多功能自动绞肉机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 ZG1Gr17 M n9N i4 Mo3Cu2N77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, 螺旋叶片由不锈钢带卷制焊接而成, 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 ?1?3 、 ?2、 ?3 、 ?5 、? 8等 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。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- 3 型齿链式无级变速器6(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 1 245 r/min, 结果见图 2 。由图 2可知, 再通过一级三角带传动, 实现绞龙在 41?5 124?5 r/m in范围内的无级变速。1?2? 绞肉、 乳化系统由图 2可知, 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 ZG1Gr17 M n9N i4 M o3Cu2N 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?9mm, 相邻螺旋间切向槽宽 2?9mm, 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 720 r/min , 变 速器 输 出 轴转 速295 1 770 r/m in、 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 2 920?5 r/m in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, 结果见图 3 。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 80 V 5)。步进电机齿轮变速箱传动比, 两齿轮齿数 z1, z2, 齿轮模数, 齿宽, 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. 01 mm /step 。图 2? 出骨、 冷却系统和绞肉乳化系统78机械与设计?2006年第 2期图 3? 绞肉乳化间隙调节机构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 4个晨分。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- , 各步进电机均为三相、 电压都为 27 V 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, 结果见图 4, 显然 dT /dt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, 见图 5。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。图 4? 温度变化曲线图 5? 绞肉粒度、 乳化细度检测2?3? 模糊神经网络控制选定模糊变量: 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。制定模糊控制规则见表 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 ( 8031CP U、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, 结果见图 6。图 6? 多功能自动绞肉机控制系统79第 22卷第 2期曹乐平等: 多功能自动绞肉机设计?表 1? 多功能自动绞肉机模糊控制规则序号输入变量温度温度变化率粒度输出变量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 2?2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 2?4高零粗?较大 1小 2?快 1?慢 2?5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 2?7高负粗?一般 1小 2?快 1?慢 2?8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 2?10中正粗?较大 1小 2?快 1?慢 2?11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 2?13中零粗?一般 1小 2?快 1?慢 2?14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 2?16中负粗?小 1?小 2?快 1?慢 2?17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 2?19低正粗?较大 1小 2?快 1?慢 2?20低正较粗较大 1较小 2较快 1较慢 221低正标准较大 1一般 2中 1?中 2?22低零粗?一般 1小 2?快 1?慢 2?23低零较粗一般 1较小 2较快 1较慢 224低零标准一般 1一般 2中 1?中 2?25低负粗?小 1?小 2?快 1?慢 2?26低负较粗小 1?较小 2较快 1较慢 227低负标准小 1?一般 2中 1?中 2?3? 润滑多功能自动绞肉机需要润滑的部分多, 一些轴承直接处在肉与骨的通道内, 考虑到食品的安全性, 在各轴承座和变速箱中定期充注食品级润滑油 (主要成分为烃类油、 食用白矿油, 即使有少许泄漏, 也不影响食品安全性与口感 3), 避免因加入的其它种类润滑油的泄漏, 而造成肉类原材料报废, 设备停机的重大事故发生。4? 结论多功能自动绞肉机采用特有的绞肉乳化头设计, 集出骨、 绞肉、 乳化三种功能于一体, 同时结合人工模糊神经网络技术、 单片机数控技术, 实现绞肉粒度、 乳化细度、 温度、 速度的智能化控制; 实现绞肉乳化头与碗杯的非接触摩擦, 大大降低了乳化肉糜中金属杂质的含量, 并在各润滑部位加注食品级润滑油, 避免了肉的润滑油污染问题。参考文献1? 夏文水. 肉制品加工原理与技术 M . 北京: 化学工业出版社,2003, 1 2 .2? 王国扣. 我国食品与包装机械市场竞争力的研究 J. 包装与食品机械, 2003, 21( 1): 19 22 .3? 黄寿恩. 食品级润滑油? 安全润滑新方案 J. 食品与机械,2004, 101( 3):