一種智能水果切削裝置的設(shè)計(jì)與仿真

唐鵬輝 康穎安 汪侃炎 錢程 陳思涵

摘 要：基于對(duì)當(dāng)前市面上已有的一些水果切削裝置調(diào)研分析，我們發(fā)現(xiàn)存在的產(chǎn)品可以分為半自動(dòng)式和全自動(dòng)式兩類，但這兩種都存在一定的局限性，大部分都只能單一地完成水果外皮的去除或者果肉切塊，而且其操作方式也都是需要人手動(dòng)的啟動(dòng)運(yùn)行。基于此，同時(shí)也為了提升智能科技在大眾生活中的存在感，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種可用語(yǔ)音控制工作且將削皮和切塊功能結(jié)合的新型智能水果切削裝置。

關(guān)鍵詞：水果;切削裝置;設(shè)計(jì);仿真

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

水果對(duì)于人體的健康十分有益，大部分人每天都會(huì)食用水果。但是，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，水果種植者在栽培過程幾乎都會(huì)使用農(nóng)藥來保證水果的質(zhì)量，一些不法商家還會(huì)為維持水果色澤給水果使用工業(yè)果蠟，因此我們?cè)谑秤盟皶?huì)選擇削去水果的外皮，部分人還會(huì)將去除外皮的水果進(jìn)行切塊用于制作水果拼盤。當(dāng)前已有的一些水果切削裝置只能完成單一的削皮或者切塊工作，當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)帶來了科技生活的重大變革，很多智能化的產(chǎn)品都已飛入尋常百姓家，基于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種結(jié)合智能語(yǔ)音控制并將削皮、切塊功能整合的新型水果切削裝置，用于提高水果食用前處理效率和提升大眾的智能生活體驗(yàn)感[1-3]。

1 總體方案與工作原理

1.1 總體方案

智能水果切削裝置由控制單元、切削刀具單元、收集盒、電機(jī)一、電機(jī)二、電機(jī)三、電機(jī)四、壓力傳感器、齒輪、絲杠一、絲杠二、絲杠三、推桿、托盤、插架、底座、頂蓋等構(gòu)成，如圖1所示。其中，所述控制單元為整個(gè)裝置的大腦，采用開源電子平臺(tái)Arduino提供的語(yǔ)音模塊-ASR Board語(yǔ)音識(shí)別控制板，模塊對(duì)應(yīng)有“切塊”“切皮”“切皮后切塊”三個(gè)語(yǔ)音指令;所述切削刀具單元包含切塊刀、削皮刀。控制單元及四個(gè)電機(jī)均放置在頂蓋內(nèi)部，三根絲杠分別安裝在底座的左、右、后端（此文中所述的左、右、后方位僅僅限于圖1中），切塊刀與削皮刀分別通過螺紋配合安裝在絲杠一、絲杠二和絲杠三上，絲杠兩端都通過滾動(dòng)軸承安裝在底座和頂端對(duì)應(yīng)的軸承座中，托盤安裝在推桿的上端并且同推桿一致安裝在底座的正中央（切塊刀的正下方），絲杠均由對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)絲杠的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)切塊刀和削皮刀向下運(yùn)動(dòng)，完成切塊和削皮工作。插架一端用鍵連接齒輪，通過電機(jī)四及齒輪與齒輪之間的嚙合傳動(dòng)使插架做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)水果在削皮時(shí)繞水果中心軸線旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)收集盒分別為對(duì)稱可抽出式，可從底座的左右兩側(cè)抽出，用來取出收集的果皮及果塊。

1.2 工作原理

裝置接入電源，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力由電機(jī)提供，但電機(jī)的工作（正反轉(zhuǎn)）、停止均有控制單元根據(jù)使用者語(yǔ)音輸入的“切塊”“切皮”“切皮后切塊”指令間接控制，見圖2。切塊和削皮工作也均相互獨(dú)立，完全依據(jù)使用者輸入的指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，工作完成后自動(dòng)復(fù)位。

削皮過程：推桿帶動(dòng)放置在托盤上的水果上升被插架插入達(dá)到固定作用，水果頂端與插架上的壓力傳感器接觸產(chǎn)生壓力，電機(jī)三驅(qū)動(dòng)絲杠三帶動(dòng)削皮刀向下移動(dòng)，同時(shí)，插架被電機(jī)四驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)水果繞中軸線旋轉(zhuǎn)，通過削皮刀的平移和水果自身的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)削皮過程。

切塊過程：電機(jī)一、電機(jī)二分別驅(qū)動(dòng)絲杠一、絲杠二運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)切塊刀向下移動(dòng)完成對(duì)水果的切塊工作。

果皮及果塊或僅去除果皮的水果收集：果皮和果塊都會(huì)在削皮、切塊過程由于重力掉入下方的收集盒中，將收集盒從兩側(cè)抽出即可得到果皮和果塊，僅需進(jìn)行去除外皮的水果待完成削皮工作人為從插架取出即可。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 切塊刀與削皮刀

2.1.1 切塊刀

切塊刀由刀片、刀架構(gòu)成，見圖3。切塊刀兩端的孔內(nèi)設(shè)置有與絲杠一、二配合的螺紋，切塊刀安裝在絲杠一、二上，刀架的缺口設(shè)計(jì)為了防止在工作過程中發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，刀片中間的圓形設(shè)計(jì)是切除某些存在果核的水果（如蘋果、梨子）。

2.1.2 削皮刀

削皮刀由刀架、刀片、刀托、輔助頭、調(diào)節(jié)彈簧構(gòu)成，見圖4。刀架一端安裝在絲杠三上，刀片和輔助頭嵌套于刀托內(nèi)部，刀托外緣套有一個(gè)調(diào)節(jié)彈簧，整個(gè)刀托扣鎖在刀架內(nèi)，但其可以發(fā)生一定的軸線方向位移。調(diào)節(jié)彈簧便于使刀片與水果貼合，保證切皮的連續(xù)性;輔助頭是為了防止刀片過度切除果肉，使果皮去除的經(jīng)濟(jì)性提高。

2.2 傳動(dòng)單元

絲杠在工作過程需進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸端通過聯(lián)軸器與絲杠相連接，使電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速輸入到絲杠上，絲杠螺母副再將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為切塊刀、削皮刀的上下直線運(yùn)動(dòng)（圖5中僅標(biāo)注了絲杠一的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，絲杠二、絲杠三傳動(dòng)結(jié)構(gòu)同絲杠一一致），絲杠完成一次運(yùn)動(dòng)后控制單元通過設(shè)定時(shí)間自動(dòng)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。插架的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)四的電機(jī)軸端通過鍵連接的齒輪與插架端的齒輪嚙合傳遞轉(zhuǎn)速，從而完成插架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸傳動(dòng)單元如圖5所示。

3 運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試結(jié)果

基于三維仿真軟件對(duì)智能水果切削裝置運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖6所示。圖6（a）為切塊刀在工作時(shí)移動(dòng)速度變化情況，圖6（b）為削皮刀在工作時(shí)移動(dòng)速度變化情況。通過對(duì)仿真結(jié)果分析，智能水果切削裝置在切塊和削皮過程中切塊刀和削皮刀的速度都比較平穩(wěn)，且都是勻速運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

智能水果切削裝置的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明，裝置在切塊和削皮過程中切塊刀和削皮刀的速度都比較平穩(wěn)，且都是勻速運(yùn)動(dòng)，能夠保證水果去皮及切塊的質(zhì)量。同時(shí)我們的設(shè)計(jì)方案將削皮和切塊兩種功能結(jié)合在一起，采用語(yǔ)音輸入指令來控制水果的切削，該裝置不僅滿足了人們對(duì)于水果切削的需求，而且使用方便、安全，還達(dá)到了一定的智能化程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳翰乙旭.一種簡(jiǎn)易水果削皮器[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（07）：136-137.

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[3]唐紅凱.水果削皮器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2013（10）：3-5.

基金項(xiàng)目：2019年度湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201911342031）

作者簡(jiǎn)介：唐鵬輝（1999—），男，漢族，湖南衡南人，本科在讀，研究方向：智能水果切削裝置的設(shè)計(jì)。