杨保健，杨登登，曹明轩，冯嘉枢，谢炎鹏，高善旺
肉桂树剥皮机及关键部件设计
杨保健1，杨登登1，曹明轩*,1，冯嘉枢1，谢炎鹏1，高善旺2
（1.五邑大学 智能制造学部，广东 江门 529020；2.江门阖华智能科技有限公司，广东 江门 529040）
针对目前肉桂树手工剥皮难的问题，设计开发出了一款可用于桂树自动剥皮的机器。该机器主要由刀具、夹具、滚珠丝杆、电机以及PLC控制部分组成。使用SolidWorks软件对机器零部件进行建模，并利用有限元分析软件Ansys对剥皮刀具进行力学分析，发现刀具在200N载荷的作用下，最大应力为0.0012 MPa，最大变形为14.7 μm，应力和形变均在合理范围。采用3台PLC分别控制刀具与桂树的运动轨迹。最终搭建出一台专用于肉桂树剥皮的机器，并通过实验验证其剥皮效果。结果表明：剥皮刀具强度足够，能够在桂树的轴向和周向两个维度上适应尺寸的不规则，剥皮时间相较于人手工剥皮节约87.5%。
肉桂树；刀具结构；剥皮；有限元分析
当前，国内学者对肉桂的化学成分、再生技术、药理作用及采收与加工方法等方面做了很多研究分析，并取得了一定的成果。这些研究结论对指导肉桂收割、提高产量、药理认识等方面有着积极的意义。例如，王桂英[1]对肉桂的化学成分进行了分析，得出肉桂不宜过早收获的结论；梁红等[2-3]对桂树剥皮再生技术进行了研究，采用该再生技术可使桂树提高1或2年产出，且产量逐次提高，提高了桂皮的经济效益；刘林亚[4]对桂枝肉桂药理作用进行了对比研究；李杰[5]对肉桂的采收与加工方法进行了说明。但是，他们的研究都没有涉及到对桂树如何采取机器剥皮的问题。
在我国广东省罗定市，桂皮、桂油产量均占全国一半多，也是我国出口桂皮、桂油最多的县级市，生产肉桂产品及其衍生品近200种[6]。肉桂的经济价值很高，它的树皮、幼枝、未成熟果实、叶都可作药用[7]。随着现代研究的深入，肉桂还在食品饮料、香料、日用化妆品、化工等方面被广泛使用[7]。然而直到现在，肉桂剥皮仍然采用纯手工操作，这种传统的剥皮方法不仅效率低、质量参差不齐，且娴熟工人少；特别是到了桂皮的收割季节，此问题更为突出。在查阅了大量文献之后，发现均没有涉及肉桂自动剥皮的相关文献，因此针对这一剥皮难题，研究设计出了一款可自动剥皮的机器。考虑到肉桂树皮剥取的完整性，对刀具材料和结构设计方面均有严格要求，并通过实际剥皮的效果对比，最终确定刀具的设计，给出了整体剥皮样机的结构设计方案，并对关键部件如滚珠丝杠进行了选型和校核，选择了适合的夹具，对剥皮刀具进行了有限元分析，最后搭建了机器模型，并进行了肉桂剥皮试验，发现剥皮效率得到了提升，剥出的桂皮完整，达到预期效果。
1 总体方案设计
1.1 工作原理
整个工作流程分成五个部分，分别为裁切、上料、划线、剥皮、下料。
首先，将肉桂树裁切成380 mm的标准长，并装夹在尾顶和梅花顶尖之间；然后，启动电机带动圆形锯齿刀片对桂树进行划线，划线是为了使剥皮刀方便进刀，划线刀置于肉桂表面上，对应电机驱动其沿丝杆移动，完成第一次划线。之后，平台返程，且肉桂在回转电机的带动下旋转180°，重复上述步骤，完成第二次划线。
接下来是剥皮动作，剥皮主要是依靠安装板上的剥皮刀，刀具的刀尖从切开线的位置插入，这时刀在边缘位置，然后刀开始沿轴线走刀，肉桂皮就会被起开，走的过程中回转电机会回转一个小的角度，刀走到另一边缘后就加速回程，回程后回转电机再将树干回转一个角度，再重复走刀的步骤，直到桂皮被完全剥离。
1.2 系统设计
该肉桂剥皮机由驱动部分、传动部分、执行部分、控制部分以及底座五部分共同构成：
（1）驱动部分：包含1台伺服电机、3台步进电机和1台直流电机；
（2）传动部分：包含1个带传动和2个螺旋传动；
（3）执行部分：包含1个划线刀和1把剥皮刀；
（4）控制部分：包含3台PLC；
（5）底座：主要由型材、角码和螺钉等共同组成的1个支撑框架。
图1所示为利用三维绘图软件设计制作的仿真模型，在这里仅展示其中一部分。
图1 仿形剥皮刀具模型
控制流程如图2所示。
图2 肉桂剥皮机控制流程
2 关键部件选型与设计
2.1 剥皮刀的设计
目前刀具设计仍以面向刀具切削性能的主导设计思路为主，从几何设计和物理设计两大方面追求刀具切削效率、刀具使用寿命以及最终工件加工质量的最优化组合[8]。因此，剥皮刀的设计在整个剥皮过程中起着关键作用。分别选取45号钢铁、黄铜、牛角三种材料制作同等外观的刀具，并对样式相似的肉桂树进行了30 min剥皮试验。结果发现，使用钢铁刀具剥出的桂皮容易破损，约有60%不能达到市场采购要求；而采用铸造黄铜制作的刀具，桂皮完整，内部光洁，能够较好地达到剥皮要求；最后采用牛角刀对桂树进行剥皮，发现刀具耐磨性较差，剥出的皮虽然完整，但是比较浪费刀具材料，且剥皮时间一长，就会造成较大误差，精度较低。综上结果分析，说明选取的刀具材料如果过硬，如钢铁，在剥皮时会容易刮破肉桂表皮，选择的材料如果强度不够，不能达到剥皮的理想效果，该设计选取的刀具材料为黄铜，这种材料具有强度高、韧性好的特点。剥皮刀的外观形状设计如图3所示。
图3 剥皮刀外观
剥皮刀几何形状设计成弧形，更有利于刀具与桂树的贴合，弧形刀尖能够更精准的深入表皮之中，中间凸起的肋板有两个作用，一方面用来安装刀具；另一方面可以辅助破开树皮。
2.2 滚珠丝杠的选型与校核
滚珠丝杆是将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动的机构。
根据摩擦种类可分为滑动摩擦和滚动摩擦两种形式，滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，但其摩擦阻力大、传动效率低。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂，制造成本高。但其摩擦阻力小、传动效率高，因此选择滚动丝杠螺母机构。
滚珠丝杆的工作长度为：
式中：为滚珠丝杆的工作长度，mm；为工作台的长度，mm；为滚珠丝杆工作时需要移动的距离，mm；为滚珠丝杆在满足移动距离的情况下所剩余的可移动距离，mm。
将相关数据代入计算可得方向滚珠丝杆工作长度＝420 mm。
取支撑跨距为440 mm，丝杆全长最大为460 mm。
将相关数据代入计算可得方向滚珠丝杆工作长度＝550 mm。
取支撑跨距为570 mm，丝杆全长最大为590 mm。
初步预判两方向的工况为，每天开机8小时，每年按300个工作日计算，工作5年以上，根据工作要求，选取外循环管式，采用双螺母垫片式预紧，圆螺母调隙，导珠管突出式，3级精度，定位滚珠副，丝杠材料为CrWnMn钢；滚道硬度为58～62 HRC。
选取的滚珠丝杆参数如表1所示。
表1 X方向和Y方向滚珠丝杆参数
静载荷为滚珠丝杠在静止状态下所承受载荷，为了检验滚珠丝杠静额定负载是否满足使用要求，需对静载荷进行验算。方向的载荷质量大约为30 kg，可取方向滚珠丝杆承受的工作载荷x＝300 N；方向的载荷质量大约为20 kg，取方向滚珠丝杆承受的工作载荷F＝200 N。
根据式（2）和式（3）分别计算出两方向上的静载荷。
方向静载荷分别为：
式中：C为方向静载荷；C为方向静载荷，N；K为载荷系数，取K＝1.2；K为动载荷硬度影响系数，取K＝1.0。
丝杆弯曲振动临界转速计算公式为：
方向n计算如下：
将以上结果代入式（4），可计算出方向n＝11693.8 r/min。这个结果远大于电机设定的转速300 r/min，因此满足使用需求。
同理可计算方向n＝4431.9 r/min，同样，这个结果也远大于300 r/min。
因此，经过上述计算可知，弯曲振动临界转速均满足条件，因此所选滚珠丝杆满足使用条件。
2.3 夹具的选择
为了使零件加工更为便捷和精确，需要加工工件与机床、刀具的位置更为精确，需要对加工工件进行固定，夹具设计和使用能够使加工工件不受到因外力或其他因素而影响其稳固性，在零件加工通过夹具将其固定，在加工过程中不会出现变形、位移和振动，使零件的精度和质量得到有效保证[9]。在本设计案例中，如何保证桂树只有圆周方向一个自由度，且转动平稳，是需要解决的关键问题。
利用尾顶和梅花顶尖的配合，对380 mm长的肉桂树段进行装夹，装夹时应注意使尾顶顶尖与梅花顶尖的中心位于同一水平高度，并居中对齐，夹紧力的大小要适中。通过这种方式，可使桂树仅做圆周旋转，其他方向的自由度被有效约束。并在实验中，发现桂树转动平稳，剥出的桂皮精度可靠，符合市场要求。
3 剥皮刀的有限元分析
剥皮刀在整个肉桂剥皮机中扮演着非常重要的角色，采取何种材料，设计什么样的形状，如何安装，这些都是肉桂剥皮机能否有效剥皮的关键因素。黄铜由于具有优良的力学性能、耐腐蚀性能、铸造性能和成形性能，被广泛应用于卫浴、电工电气、装备制造等诸多产业[10]。而作为剥皮的刀具需要满足较高的强度、优良的塑性，并且耐蚀耐磨，因此可以选择黄铜作为刀具的材料。查阅机械设计手册[11]可知：黄铜密度为8500 kg/m3；泊松比为0.36；弹性模量为90000 MPa。
由于剥皮刀在工作时主要受到两个方向的负载。一个是来自肉桂径向的预紧力，另一个是来自运动时产生的轴向摩擦力，由于轴向摩擦力相对于刀具预紧力而言是比较小的，可忽略其对刀具应力和变形的影响。因此主要分析预紧力对刀具产生的作用，取预紧力大小为200 N。图4为针对该位置进行的有限元分析。导入零件模型，定义材料属性，划分网格，添加载荷和约束，分别对模型进行应力、变形求解，最终剥皮刀有限元分析结果如图4～图7所示。
图4 零件网格划分
图5 对零件添加载荷和约束
图6 零件应力分析
图7 零件变形分析
结果表明，剥皮刀受到的应力和变形主要集中在中间凸起的安装肋板上，且零件在受力200 N时，最大变形量为5.91886e-8 mm，约等于14.7 μm，零件的最大应力值为0.0012 MPa，查阅手册可知，黄铜的抗拉强度为350 MPa[11]。有限元分析最大应力结果远小于材料抗拉强度，且该零件的最大变形量仅为14.7 μm，极其微小，所以材料强度完全能够满足刀具的正常工作，因此该设计合理可靠，满足使用要求。
4 实验分析
通过搭建实验样机，对肉桂进行剥皮，并与手工剥皮所需时间进行比较。结果表明：手工剥皮等长度的肉桂所需时间大约为30 s，而采用机器剥皮所需的时间仅为16 s。剥皮效率提升了87.5%；且桂皮未有破损，相较于人工剥皮有时会产生的破损，形状更加完整。
图8 实验样机试运行
5 结论
通过对桂树生长地区罗定市的实地调研，在知悉桂树人工剥皮方法的基础上，创新性地设计并搭建出了一种专用于肉桂树剥皮的发明机器。其研发具有如下的特征和意义：
（1）取代人手工剥皮，实现了对桂树的自动剥皮；
（2）提高了劳动生产率，相较于手工剥皮的工作效率提升了87.5%；
（3）采用金属黄铜制造的剥皮刀及弧形外观的设计，实现了刀具与桂树的周向贴合，能够很好适应桂树的不规则表面；
（4）剥出来的桂皮更加完整，没有破损，符合企业对于桂皮形状质量的严格要求，并对后续相关研究提供一定的参考价值。
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[11]成大先. 机械设计手册[M]. 5版. 北京：化学工业出版社，2007.
Design of Cinnamon Tree Peeling Machine and Its Key Parts
YANG Baojian1，YANG Dengdeng1，CAO Mingxuan1，FENG Jiashu1，XIE Yanpeng1，GAO Shanwang2
( 1.Faculty of Intelligent Manufacturing, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2.Jiangmen Hehua Intelligent Technology Co., Ltd., Jiangmen 529040, China )
In order to improve the efficiency of the manual peeling of cinnamon trees, a machine which can be used for automatic peeling of cinnamon trees is designed and developed. The machine is mainly composed of cutters, fixtures, ball screws, motors and PLCs. The SolidWorks software is used to model the machine parts, and the finite element analysis software Ansys is used to carry out the mechanical analysis of the cutting tools, which indicates that the maximum stress and maximum deformation of the cutting tool are 0.0012mpa and 14.7 μm under a 200 N load, and both the stress and the deformation are within a reasonable range. 3 sets of PLC are used to control the moving track of the cutter and the cinnamon tree respectively. Finally, a machine specially designed for peeling cinnamon trees is built, and its peeling effect is verified through experiments. The results show that the cutting tool is strong enough to adapt to irregularity of size in the axial and circumferential dimensions of the tree, and the peeling time is 87.5% less than that of manual peeling.
cinnamontree；toolstructure；peeling；finite element analysis
TH122
A
10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.004
1006－0316 (2021) 04－0020－06
2020－09－24
江门市科技计划项目（2019030101920008832）；广东大学生科技创新培育专项资金（攀登计划）项目（1081700513）；五邑大学大学生创新创业训练计划项目（202011349123）；广东省普通高校青年创新人才项目（2018KQNCX264）
杨保健（1982－），男，湖北随州人，博士，讲师，主要研究方向为智能装备技术，E-mail：kurt.yang@163.com。*通讯作者：曹明轩（1986－），男，河北石家庄人，博士，讲师，主要研究方向为智能控制，Email：2193874024@qq.com。
