智能化涼粉加工一體機的研制

林子阮，張洪軍，2，宋金秋，王 磊，阮 藝

（1.嶺南師范學院機電工程學院，廣東 湛江 524048；2.粵西機電產品設計與制造工程技術研究中心，廣東 湛江 524048）

涼粉是中國特色小吃，主要原材料是涼粉草、大米、紅薯和豌豆，尤以四川涼粉搭配醬油、醋、辣椒油而食，清涼爽滑，為夏季風味食品，在各類特色小吃中首屈一指[1]。要讓涼粉走向全國、走向世界，實現制作工藝標準化、產業化是關鍵，智能化的生產設備是基礎[2]。

圖1 四川涼粉

四川涼粉傳統手工制作工藝是選用豌豆（紅薯）淀粉，豌豆粉放入6倍的水中攪拌均勻，中火煮至冒泡再小火繼續加熱至大量冒泡，關火，倒入盆中放涼；搭配調料拌好，即可食用[3]。針對此工藝，目前市場上應用的涼粉機有涼粉蒸煮鍋、蒸汽涼粉機和電加熱涼粉機等，在攪拌熬制過程中，實現了攪拌速度、溫度調節的自動化，在混料階段還是采用人工配比或者其他獨立設備完成，熬制完成后，傾倒到其他容器，最終定型定量還由人工完成[4]。

隨著社會的發展，傳統的生產模式發生了改變，人口紅利漸失，勞動力與生產率產生的產品成本占主導地位，食品加工企業對食品機械自動化生產線需求增加減少勞動力和加大生產效率的主要方法就是采用機電一體化的設備[5]。因此，為了提高涼粉加工企業的經濟效益，智能化、自動化的食品機械將是企業可持續發展的有效途徑，也是餐飲行業進行技術改革的終極目標[6]。

綜上所述，針對以上問題，本設計開發一款符合四川涼粉制作工藝，從原料定量混合、攪拌混合、成型分裝實現一體化的智能涼粉加工設備，具有勞動力成本低，生產效率高等優點，具有良好的市場前景。對于提高四川涼粉企業的的經濟效益，同時讓更多消費者品嘗到四川名小吃，具有重要的現實意義。

1 主要結構及工作原理

1.1 結構組成

智能涼粉加工機主要包括入料機構、混合攪拌機構、加熱擠出機構、冷卻成型機構、切斷出料機構、殼體以及智能控制系統等結構組成?？刂破鞑倏厝肓蠙C構、混合攪拌機構、煮水機構、攪拌加熱機構、冷卻成型機構、切斷出料機構的電機。入料機構分別連通混合攪拌機構和煮水機構，混合攪拌機構、煮水機構并列設置，且兩者出口端匯合并連通至攪拌加熱機構，攪拌加熱機構、冷卻成型機構、切斷出料機構依次連通。整體結構如圖1所示。

圖2 涼粉加工機結構示意圖

1.2 工作原理

采用計算機控制技術，對四川涼粉原料配比、加熱溫度、攪拌時間、冷卻溫度及時間等進行實時監測。具體操作流程是通過入水管將清水注入煮水鍋，煮水電熱管開始工作加熱煮水鍋內清水，清水將在一段時間后沸騰，同時通過入料斗向混合鍋加入淀粉，壓力傳感器通過測算到的淀粉重量變化，再從入水管按照比例向混合鍋加入清水，攪拌系統的電機將帶動攪拌器轉動，將水與淀粉充分攪拌混合，在混合鍋內形成水與淀粉混合物，水與淀粉的混合物與煮水鍋提供的開水按照比例匯合接觸后進入加熱倉管，擠出機構的電機帶動螺旋攪拌棒旋轉，同時倉管電熱管工作，使混合物形成稠狀物，稠狀物以沸騰狀態到達加熱倉管末端并進入活塞管，成型機構電機帶動曲柄轉動，曲柄帶動連桿運動，通過曲柄滑塊組件進而帶動活塞做直線往返運動，稠狀物被壓縮，同時通過導管并進入成型模具，在散熱架、外部分布的熱管、散熱器的配合工作下，稠狀物將在成型模具流動過程中逐漸冷卻并成型，最終成型的涼粉進入上導槽，切斷電機帶動刀片轉動，等距切割途徑的成型涼粉，被切斷后的涼粉進入下導槽完成加工。

2 主要結構部件設計

2.1 攪拌、加熱機構

攪拌加熱機構可使淀粉與水的混合液體變成涼粉稠狀物，攪拌加熱機構包括攪拌電機、加熱倉管、螺旋攪拌棒和倉管電熱管。加熱倉管入口端連接混合攪拌機構和煮水機構的出口，加熱倉管傾斜設置，傾斜角度為5°，且其出口端接通冷卻成型機構，加熱倉管下部出口端設有單向閥，單向閥連接至活塞管邊側，螺旋攪拌棒設于加熱倉管內部，攪拌電機設置于加熱倉管外側，聯動螺旋攪拌棒，倉管電熱管纏繞于加熱倉管外壁。工作時，倉管電熱管開始加熱，同時攪拌電機帶動螺旋攪拌棒旋轉，攪拌加熱倉管內混合物，讓淀粉與水的混合物充分混合均勻，并且防止混合物在加熱時發生焦糊，同時降低其朝向加熱倉管末端的流速，直到混合物流動到加熱倉管接近末端，混合物將沸騰，變成涼粉稠狀物。

2.2 冷卻成型機構

冷卻成型機構可實現涼粉稠狀物加工為成型涼粉，它包括擠壓裝置和冷卻裝置。擠壓裝置包括成型電機、曲柄滑塊組件、活塞和活塞管，活塞和活塞管置于水平放置，活塞一端通過曲柄滑塊組件、聯軸器連接至電機，活塞管一端連通導管，活塞管處還設有單向閥，防止材料回流。

圖3 擠壓裝置

冷卻裝置包括散熱架和成型模具，成型模具內孔截面由圓形漸變成所需涼粉產品形狀的截面，成型模具連接于導管末端，散熱架套設于導管及成型模具的外部，用于散熱冷卻。此外，散熱架首尾兩端設有熱管，散熱架外圍還設置有散熱器，既能保證能夠完成高效的冷卻功能，還能保證后續啟動機器時的預熱功能，如圖4所示。工作時，稠狀物進入成型模具時，在散熱架、外部分布的熱管、散熱器的配合下，混合物將在成型模具中逐漸冷卻并成型。

2.3 切斷、出料機構

切斷出料機構可等距切割成型涼粉，便于后續分裝。成型模具出口連接出料導槽，出料導槽包括上導槽和下導槽，上導槽設計為直通式導板，可引導成型涼粉準確下滑，下導槽設計為梯形式導板，可使已切割好的涼粉順利下滑，防止在導槽下方出現堵塞，上導槽、下導槽之間留出用于刀片切割的間隙，刀片位于上導槽、下導槽之間，刀片設計為圓盤上附加刀刃，每轉一周可切一次涼粉，實現等距切割涼粉，刀片通過聯軸器連接切割電機。工作時，電機帶動刀片轉動，進行等距旋轉切割成型涼粉，被切斷后的涼粉進入下導槽完成加工。

圖6 切斷出料機構

2.4 智能控制系統

涼粉加工一體機控制系統，選用西門子PLC300上位機與下位機相結合的方式進行控制系統設計。重點解決精準進料控制、加熱過程的控制及成型機構自動控制；預加熱控制實現恒溫控制；并采用WinCC組態軟件實現對設備的實時監控。操作界面采用觸屏數顯模式。

3 虛擬樣機

根據成型工藝以及四川涼粉的食用特點確定進料機構、混合攪拌結構、加熱擠出機構和冷卻成型機構的結構組成，采用三維建模軟件對各部分進行模塊化設計，再進行虛擬裝配，仿真分析，對各部分結構和力學性能測試，優化機械結構，完成虛擬樣機設計。裝配結果顯示，各部分結構裝配無干涉，運動仿真軌跡符合設計要求。

圖7 智能涼粉加工機產品渲染圖

4 結語

（1）針對目前市場上應用的涼粉機在定型定量由人工完成的問題，一體化涼粉加工機增設了冷卻成型機構和切斷成型機構，實現了涼粉機自動定型定量，使涼粉制備更加高效規范。

（2）一體化涼粉加工機采用計算機控制技術，通過操作面板將涼粉的原料配比、加熱溫度、攪拌時間、冷卻溫度及時間等數據輸入到系統，使智能系統對原料配比、混合加熱、冷卻成型、切割等機構進行準確操控，不僅使涼粉成型的質量更接近于手工制作，而且使涼粉機實現全自動化加工，因此一體化涼粉加工機具有很高市場競爭力。