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【摘 要】压饼机是一种用于生产薄面饼的自动化生产设备。本文针对现有压饼机存在的功能缺陷和结构不足，结合压饼功能和制饼过程所需动作，采用“功能元”分解法以及“黑箱”理论设计了一种结构简单，稳定可靠的多功能自动化制饼设备，制饼效率和质量得到了显著提高和改善。
【关键词】压饼机；黑箱法；功能元；自动化
引言
随着我国经济的高速发展，目前餐饮行业食品生产自动化还未见普及[1-4] ，而现如今市场中使用较多的烤鸭卷饼、春饼压饼机更存在不能实现全自动化生产的问题。薄饼是我国北方普遍食用的一种食物，具有价廉物美，容易储存、口感好的特点。但传统手工薄饼的创造成本高、耗时高，难以满足人们快节奏的要求；并且随着人们对薄饼需求量较多，急需开发一种自动化程度高、满足速食要求的新型全自动压饼机。针对这一现象和需求，本课题组开发设计了体积小、造价低，适合中小批量自动化生产的气压压饼机。
1.制饼机功能原理设计
本设计所研究的为全自动压饼机，主要结构有机架、动力部分、传动部分、切面部分、气动压面部分、电控加热部分组成。电机部分选用了两个电动机。根据图1全自动压饼机的整体结构运动简图，对全自动压饼机进行整体分析，其工作原理：将和好的面放入料筒，开动机器，启动电源开关加热压面板和热床，当温度达到设定的工作温度时即可进行工作。面从料筒里通过气压压出再通过挤面的螺杆传输将定量的面坯通过切刀切割后落在输送带上，这时气动控制油液喷洒在面团上，当面团输送到压面模具下，压饼模具启动开关，上模具即自动压下，薄饼加热时间完成时，上模具自动升起复位，电机带动输送带将制作好的薄饼输送到容器内，然后机器进行循环工作。
2.制饼机成型功能分析
为使制饼机的成型加热更加稳定可靠，且实现成型加热的连续不间断功能，引入系统工程學常用的“黑箱法[5]”来研究分析制饼机连续成型功能及加热功能的有效实现方法。由于制饼机需要实现面浆压制成型，加热，巩固成型，二次加热，且上述成型加热过程需要连续进行，因此建立图2为制饼机黑箱子模型图，通过图2可以看出制饼机的连续制饼成型加热功能为总共能。
2.1功能分解与功能元求解
首先进行制饼机各个分功能的设计，进行功能元分解，建立制饼机的功能树，如图3所示。
在功能分解的基础上对功能元进行求解，对面饼连续移动不间断加热及面饼压制成型功能进行功能求解，关于面饼连续移动不间断加热及面饼压制成型各功能元的功能原理形态学矩阵可列出，如下表1至表3所示。
由表1可知过滤功能共有N=2×2×4=16个原理解。
由表2可知过滤功能共有N=4×3×2=24个原理解。
由表3可知过滤功能共有N=4×4×3=48个原理解。
2.2系统原理解与最佳功能原理解
2.2.1系统原理解。
根据功能元所求得的解进行串联和并联组合，进行粗筛选后得到如下系统原理解：
a：面饼连续移动功能系统原理解
圆周连续移动式（A1）—步进电机（B2）—齿轮传动（C3）
水平连续移动式（A2）—步进电机（B2）—带传动（C1）
b：面饼不间断加热功能系统原理解
恒温双面供热（A2）—复合加热片（B3）—方形结构（C1）
恒温单面供热（A1）—复合加热片（B3）—方形结构（C1）
c：面饼压制成型功能系统原理解
气缸（A2）—气压源（B1）—圆形模盘（C1）
液压缸（A1）—油压源（B2）—特形模盘（C3）
2.2.2最佳功能原理解。
经过反复分析比较并联系实际情况，最后确定出如下所示的最佳原理解：
a：面饼连续移动功能系统原理解
水平连续移动式（A2）—步进电机（B2）—带传动（C1）
b：面饼不间断加热功能系统原理解
恒温双面供热（A2）—复合加热片（B3）—方形结构（C1）
c：面饼压制成型功能系统原理解
气缸（A2）—气压源（B1）—圆形模盘（C1）
至此，制饼机功能原理设计已经完成。
3.制饼机关键结构设计实现
全自动压饼机的整体结构上并不是太复杂。主要结构是由两个三相异步电动机、机架、同步带传动部分、挤面传送部分、输送部分、切刀、气动压面板和电控加热部分以及一些常用的标准件。整个传动部分的设计主要采用同步带和带轮以及传动轴来传递动力，使全自动压饼机动作更加顺畅以及稳定，本课题中进行了电机、带轮、同步带以及轴承等零部件的选用。
为实现面饼的连续移动、连续压制成型以及不间断加热烘烤，分别从三个部分进行结构设计，分别为制饼机连续制饼运动机构设计、制饼机连续加热方式实现和制饼机压制成型机构设计，首先制饼机的连续制饼功能，需要饼按需求移动到等距的压制位置，因此选择步进电机配合同步不锈钢带的方式实现该功能，采用不锈钢同步带作为传送介质的原因在于，钢带能够导热，将加热片至于同步钢带内侧时，加热片90%以上的热量全部传递给同步钢带，而钢带将热量传递给薄面饼，且钢带在整个移动过程中处于全程加热的状态，因此此结构能够有效实现面饼不间断加热烘烤的功能需求。
第三部分制饼的压制成型机构，采用气缸带动压制模盘完成压制，实验证明，同步钢带在带动面饼移动过程中面饼接触同步钢带单侧受热，另外一次不加热源，使得面饼加热不充分，因此将圆形加热盘作为气缸工作段的压制模盘，在压制过程中实现面饼另外一侧受到压制模盘的烘烤和加热，有效解决了面饼的压制和两面加热功能要求。全自动压饼机的整体结构的装配图如图4所示：
4.结论
本文针对现有压饼机存在的功能缺陷和结构不足，结合压饼功能和制饼过程所需动作，采用“功能元”分解法以及“黑箱”理论设计了一种结构简单的制饼自动生产设备，设备的面饼压制成型机构等关键部件是压饼机自动生产线的重要部分，该装置工作原理简单，操作简单，工艺安排合理，所以在设计机器各部分机构的布局时，充分考虑其面饼工艺安排，做到结构合理，生产效率高。
参考文献：
[1] 陈丽. 可食性狭鳕鱼皮明胶复合膜的制备、性质与应用研究[D]. 青岛：中国海洋大学，2009.
[2] 曹娜，符玉华，贺军辉. 明胶膜的制备及性能[J]. 华东理工大学学报：自然科学版，2006， 32（10）：1192-1196.
[3] 刘俊豪， 黄珊， 杨文鸽. 基于鱼皮明胶的可食膜改性及其应用[J]. 食品工业科技， 2014， 35（6）：373-376.
[4]许艺涵， 张炜杰， XuYihan，等. 具有抗菌功能明胶膜的研究进展[J]. 明胶科学与技术， 2015， 35（3）：124-127.
[5] 李喜桥.创新思维与工程训练[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005年.
【关键词】压饼机；黑箱法；功能元；自动化
引言
随着我国经济的高速发展，目前餐饮行业食品生产自动化还未见普及[1-4] ，而现如今市场中使用较多的烤鸭卷饼、春饼压饼机更存在不能实现全自动化生产的问题。薄饼是我国北方普遍食用的一种食物，具有价廉物美，容易储存、口感好的特点。但传统手工薄饼的创造成本高、耗时高，难以满足人们快节奏的要求；并且随着人们对薄饼需求量较多，急需开发一种自动化程度高、满足速食要求的新型全自动压饼机。针对这一现象和需求，本课题组开发设计了体积小、造价低，适合中小批量自动化生产的气压压饼机。
1.制饼机功能原理设计
本设计所研究的为全自动压饼机，主要结构有机架、动力部分、传动部分、切面部分、气动压面部分、电控加热部分组成。电机部分选用了两个电动机。根据图1全自动压饼机的整体结构运动简图，对全自动压饼机进行整体分析，其工作原理：将和好的面放入料筒，开动机器，启动电源开关加热压面板和热床，当温度达到设定的工作温度时即可进行工作。面从料筒里通过气压压出再通过挤面的螺杆传输将定量的面坯通过切刀切割后落在输送带上，这时气动控制油液喷洒在面团上，当面团输送到压面模具下，压饼模具启动开关，上模具即自动压下，薄饼加热时间完成时，上模具自动升起复位，电机带动输送带将制作好的薄饼输送到容器内，然后机器进行循环工作。
2.制饼机成型功能分析
为使制饼机的成型加热更加稳定可靠，且实现成型加热的连续不间断功能，引入系统工程學常用的“黑箱法[5]”来研究分析制饼机连续成型功能及加热功能的有效实现方法。由于制饼机需要实现面浆压制成型，加热，巩固成型，二次加热，且上述成型加热过程需要连续进行，因此建立图2为制饼机黑箱子模型图，通过图2可以看出制饼机的连续制饼成型加热功能为总共能。
2.1功能分解与功能元求解
首先进行制饼机各个分功能的设计，进行功能元分解，建立制饼机的功能树，如图3所示。
在功能分解的基础上对功能元进行求解，对面饼连续移动不间断加热及面饼压制成型功能进行功能求解，关于面饼连续移动不间断加热及面饼压制成型各功能元的功能原理形态学矩阵可列出，如下表1至表3所示。
由表1可知过滤功能共有N=2×2×4=16个原理解。
由表2可知过滤功能共有N=4×3×2=24个原理解。
由表3可知过滤功能共有N=4×4×3=48个原理解。
2.2系统原理解与最佳功能原理解
2.2.1系统原理解。
根据功能元所求得的解进行串联和并联组合，进行粗筛选后得到如下系统原理解：
a：面饼连续移动功能系统原理解
圆周连续移动式（A1）—步进电机（B2）—齿轮传动（C3）
水平连续移动式（A2）—步进电机（B2）—带传动（C1）
b：面饼不间断加热功能系统原理解
恒温双面供热（A2）—复合加热片（B3）—方形结构（C1）
恒温单面供热（A1）—复合加热片（B3）—方形结构（C1）
c：面饼压制成型功能系统原理解
气缸（A2）—气压源（B1）—圆形模盘（C1）
液压缸（A1）—油压源（B2）—特形模盘（C3）
2.2.2最佳功能原理解。
经过反复分析比较并联系实际情况，最后确定出如下所示的最佳原理解：
a：面饼连续移动功能系统原理解
水平连续移动式（A2）—步进电机（B2）—带传动（C1）
b：面饼不间断加热功能系统原理解
恒温双面供热（A2）—复合加热片（B3）—方形结构（C1）
c：面饼压制成型功能系统原理解
气缸（A2）—气压源（B1）—圆形模盘（C1）
至此，制饼机功能原理设计已经完成。
3.制饼机关键结构设计实现
全自动压饼机的整体结构上并不是太复杂。主要结构是由两个三相异步电动机、机架、同步带传动部分、挤面传送部分、输送部分、切刀、气动压面板和电控加热部分以及一些常用的标准件。整个传动部分的设计主要采用同步带和带轮以及传动轴来传递动力，使全自动压饼机动作更加顺畅以及稳定，本课题中进行了电机、带轮、同步带以及轴承等零部件的选用。
为实现面饼的连续移动、连续压制成型以及不间断加热烘烤，分别从三个部分进行结构设计，分别为制饼机连续制饼运动机构设计、制饼机连续加热方式实现和制饼机压制成型机构设计，首先制饼机的连续制饼功能，需要饼按需求移动到等距的压制位置，因此选择步进电机配合同步不锈钢带的方式实现该功能，采用不锈钢同步带作为传送介质的原因在于，钢带能够导热，将加热片至于同步钢带内侧时，加热片90%以上的热量全部传递给同步钢带，而钢带将热量传递给薄面饼，且钢带在整个移动过程中处于全程加热的状态，因此此结构能够有效实现面饼不间断加热烘烤的功能需求。
第三部分制饼的压制成型机构，采用气缸带动压制模盘完成压制，实验证明，同步钢带在带动面饼移动过程中面饼接触同步钢带单侧受热，另外一次不加热源，使得面饼加热不充分，因此将圆形加热盘作为气缸工作段的压制模盘，在压制过程中实现面饼另外一侧受到压制模盘的烘烤和加热，有效解决了面饼的压制和两面加热功能要求。全自动压饼机的整体结构的装配图如图4所示：
4.结论
本文针对现有压饼机存在的功能缺陷和结构不足，结合压饼功能和制饼过程所需动作，采用“功能元”分解法以及“黑箱”理论设计了一种结构简单的制饼自动生产设备，设备的面饼压制成型机构等关键部件是压饼机自动生产线的重要部分，该装置工作原理简单，操作简单，工艺安排合理，所以在设计机器各部分机构的布局时，充分考虑其面饼工艺安排，做到结构合理，生产效率高。
参考文献：
[1] 陈丽. 可食性狭鳕鱼皮明胶复合膜的制备、性质与应用研究[D]. 青岛：中国海洋大学，2009.
[2] 曹娜，符玉华，贺军辉. 明胶膜的制备及性能[J]. 华东理工大学学报：自然科学版，2006， 32（10）：1192-1196.
[3] 刘俊豪， 黄珊， 杨文鸽. 基于鱼皮明胶的可食膜改性及其应用[J]. 食品工业科技， 2014， 35（6）：373-376.
[4]许艺涵， 张炜杰， XuYihan，等. 具有抗菌功能明胶膜的研究进展[J]. 明胶科学与技术， 2015， 35（3）：124-127.
[5] 李喜桥.创新思维与工程训练[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005年.