一種自動(dòng)蘋果去皮去核及分瓣一體機(jī)設(shè)計(jì)

聶小春，敖智超，朱洪雷，高 琴

（1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510925；2.深圳市感恩網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，廣東 深圳 518129；3.北京科技大學(xué) 高等工程師學(xué)院，北京 100089）

0 引言

蘋果是常見的一種水果，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值非常高，除了直接食用，還被大量用來榨汁或制作成水果罐頭。如何快速且衛(wèi)生處理水果成了必需解決的問題。已有的文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了手搖式單果削皮機(jī)[1]、多果半自動(dòng)削皮機(jī)[2]、構(gòu)造復(fù)雜的大型蘋果削皮機(jī)[3]以及全自動(dòng)蘋果削皮去核一體機(jī)等[4]。手搖式和半自動(dòng)式耗費(fèi)人力物力，果肉損失大，而構(gòu)造復(fù)雜的削皮機(jī)又非常的笨重，體積龐大，不宜推廣，缺乏創(chuàng)意[4]，削皮去核一體機(jī)無分瓣功能。針對(duì)此，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)蘋果去皮去核及分瓣一體機(jī)，該一體機(jī)生產(chǎn)效率高、價(jià)格適宜、安全性高、占地面積不大。

1 一體機(jī)總體方案

本設(shè)計(jì)的自動(dòng)蘋果去皮去核及分瓣一體機(jī)驅(qū)動(dòng)源采用直流減速電機(jī)，包括投料四分板推動(dòng)驅(qū)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)主軸驅(qū)動(dòng)、左右移位絲杠驅(qū)動(dòng)以及升降模塊驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)蘋果從投料到自動(dòng)去皮去核及分瓣的功能，將其分解設(shè)計(jì)成七大功能模塊：投料功能模塊、矯位功能模塊、主軸插刀功能模塊、去皮功能模塊、去核分瓣功能模塊、升降功能模塊、左右移位功能模塊。根據(jù)生產(chǎn)要求采用PLC 及行程開關(guān)對(duì)其整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)施精確控制，工人只需要把蘋果放入投料裝置中，后續(xù)加工就能自動(dòng)完成，降低了危險(xiǎn)事故發(fā)生率，極大減少了機(jī)械傷害，保障了人身安全，同時(shí)也降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)的自動(dòng)蘋果去皮去核及分瓣一體機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 一體機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

該一體機(jī)工作原理如下：人工將蘋果放至投料模塊1 的轉(zhuǎn)盤中，在投料模塊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使蘋果通過輸送管2 進(jìn)入矯位濾網(wǎng)4，通過升降模塊6 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降模塊6 帶動(dòng)矯位濾網(wǎng)沉入矯正桶4 內(nèi)，矯正桶內(nèi)充滿蘋果清洗液，蘋果在桶內(nèi)浸泡清洗，同時(shí)通過浮力作用，校正蘋果的位置形態(tài)，清洗完成后，矯位濾網(wǎng)在升降模塊的帶動(dòng)下帶動(dòng)蘋果離開水面。主軸插刀模塊10 在電機(jī)8 的驅(qū)動(dòng)下依靠絲桿9 帶動(dòng)向左橫向移動(dòng)，使主軸插刀模塊的插刀移動(dòng)至矯位濾網(wǎng)中心偏上位置，矯位濾網(wǎng)在升降模塊的帶動(dòng)下沿著豎直方向向上移動(dòng)，插刀對(duì)心插入蘋果。隨后矯位濾網(wǎng)下降，電機(jī)8 驅(qū)動(dòng)帶著蘋果的插刀向右移動(dòng)至去皮模塊5 的位置，在主軸插刀模塊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，蘋果隨著插刀沿著豎直方向移動(dòng)，同時(shí)通過去皮模塊5 的仿形擋片配合升降模塊使浮動(dòng)刀頭緊貼蘋果表面旋轉(zhuǎn)完成去皮。去皮完成后，蘋果隨著插刀向右橫向移動(dòng)，進(jìn)入蘋果去核分瓣環(huán)節(jié)，去核分瓣模塊7 在升降模塊的帶動(dòng)下向上移動(dòng)，分瓣刀對(duì)心插入蘋果對(duì)蘋果進(jìn)行去核分瓣處理，隨后蘋果沿著豎直方向掉落至蘋果收集容器中。

2 一體機(jī)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 投料功能模塊

為了實(shí)現(xiàn)蘋果周期性平穩(wěn)下落，投料功能模塊通過投料轉(zhuǎn)盤，其由四分推板以及保護(hù)模塊組成，把蘋果平穩(wěn)地送進(jìn)輸送管道，完成投料環(huán)節(jié)，如圖2 所示，通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用，促使投料轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)，由于多數(shù)蘋果的直徑為8cm 左右，環(huán)形蘋果保護(hù)罩根據(jù)蘋果直徑的大小設(shè)計(jì)，其與四分推板組成轉(zhuǎn)盤，并隨著中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤底部有一個(gè)半徑為50 mm的圓形孔，其接上塑料管道，使蘋果順利投入矯正桶，塑料管道由橡膠材質(zhì)組成，在對(duì)蘋果運(yùn)送的過程中有一定的保護(hù)作用。

圖2 投料功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 矯位功能模塊

矯位功能模塊的組成元件主要有矯位濾網(wǎng)與矯正桶，在運(yùn)行過程中不僅可對(duì)蘋果進(jìn)行清洗消毒，還可對(duì)蘋果的位置進(jìn)行矯正，保證蘋果下落后能保持有梗的一端呈向上的形態(tài)。

矯正蘋果位置的原理是通過水的浮力作用于蘋果，進(jìn)而矯正其擺放位置。由于蘋果帶梗朝上時(shí)，從上往下看蘋果關(guān)于中心軸對(duì)稱，而水平方向并不是軸對(duì)稱圖形，蘋果浸泡在水中其表面受到垂直方向的壓力，再與浮力相配合，可以達(dá)到矯正位置的效果。矯正濾網(wǎng)如圖3 所示。

圖3 矯位濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

蘋果落入矯位濾網(wǎng)后，通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使升降模塊向下移動(dòng)，進(jìn)而將蘋果帶入矯正桶，蘋果在矯正桶中被清洗的同時(shí)其位置也被矯正，此過程完成后蘋果被矯位濾網(wǎng)帶出矯正桶，由于濾網(wǎng)的V 型設(shè)計(jì)，蘋果在濾網(wǎng)中會(huì)被中心定位，濾網(wǎng)在對(duì)蘋果帶出矯正桶的過程中，能保證其位置不發(fā)生改變，進(jìn)而保障后面的插刀過程能順利進(jìn)行。

2.3 主軸插刀功能模塊

如圖4 所示，主軸插刀模塊由主軸電機(jī)、聯(lián)軸器、插刀軸、軸承、軸承座、軸承座連接件和限位固定環(huán)等組成。在主軸插刀模塊設(shè)計(jì)過程中，為確保插刀能夠順利插入蘋果和固定蘋果位置，插刀刀頭由鋼制材料制造而成，且使用四棱刺結(jié)構(gòu)。主軸電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)插刀軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，利用插刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)蘋果產(chǎn)生的離心力及蘋果自重力，和去皮功能模塊配合完成蘋果去皮工作。為了實(shí)現(xiàn)蘋果去皮后再進(jìn)行蘋果去核和分瓣，在插刀結(jié)構(gòu)上添加了一對(duì)角接觸球軸承，軸承的內(nèi)圈利用插刀軸上的軸肩與螺母進(jìn)行固定，外圈則穿過軸承座，使用擋圈固定。除此之外，還在插刀軸上設(shè)計(jì)了蘋果限位固定環(huán)，根據(jù)蘋果的實(shí)際大小可以調(diào)節(jié)刀尖露出的高度。

圖4 主軸插刀模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4 去皮功能模塊設(shè)計(jì)

去皮功能模塊主要由刀架、刀片、仿形擋片和升降滑塊組成，如圖5 所示。刀架的刀桿和仿形擋片緊密相貼，保證刀片與蘋果始終接觸。

圖5 去皮功能模塊結(jié)構(gòu)圖

在去皮功能模塊工作時(shí)，在主軸插刀模塊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，蘋果隨著插刀沿著豎直方向移動(dòng)，同時(shí)通過仿形擋片配合升降模塊使浮動(dòng)刀頭緊貼蘋果表面旋轉(zhuǎn)完成去皮，使去掉的蘋果皮厚度盡量一致。去皮刀片的結(jié)構(gòu)為中空弧頭形，選取該結(jié)構(gòu)的目的是為了方便收集蘋果皮以及保證去皮后蘋果表面的光潔程度。

2.5 去核分瓣模塊設(shè)計(jì)

去核分瓣模塊結(jié)構(gòu)如圖6 所示。該模塊主要由導(dǎo)向桿、去核分瓣刀、分離罩及升降滑塊組成。從圖6 可看出去核分瓣刀由6 片均勻分布的刀片構(gòu)成，除此之外，去核分瓣刀與升降滑塊通過螺釘?shù)淖饔孟嗷ミB接。

圖6 去核分瓣模塊結(jié)構(gòu)圖

該模塊的工作原理為：蘋果去皮完成后，在左右移動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)至去核分瓣刀的正上方，然后再經(jīng)過上下升降模塊迅速抬起去核分瓣模塊，去核分瓣刀的空心圓形鋼管插入蘋果正中心，果核被插入圓形空心管內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)蘋果的去核及分瓣。蘋果去核分瓣完成后，在分離罩和空心管的作用下，果核和果肉掉進(jìn)不同儲(chǔ)存器中，最終實(shí)現(xiàn)果核和果肉瓣的分離避免混料。

2.6 升降功能模塊設(shè)計(jì)

升降功能模塊采用如圖7 所示傳動(dòng)方案。該方案為圓柱齒輪-齒輪齒條二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，再帶動(dòng)二級(jí)齒輪通過與安裝在升降安裝板上的齒條嚙合，達(dá)成由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化。通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)升降模塊的升降。

圖7 升降功能模塊結(jié)構(gòu)圖

2.7 左右移位功能模塊設(shè)計(jì)

移位模塊采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)螺母，螺母帶動(dòng)主軸插刀模塊進(jìn)行左右移動(dòng)。同時(shí)為了支撐和引導(dǎo)主軸插刀模塊運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了導(dǎo)向軸結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 左右移位功能模塊設(shè)計(jì)圖

3 電機(jī)的選型計(jì)算

3.1 驅(qū)動(dòng)源的選擇及生產(chǎn)要求的確定

為了準(zhǔn)確控制自動(dòng)蘋果去皮去核分瓣一體機(jī)各功能模塊的驅(qū)動(dòng)，即投料四分板的驅(qū)動(dòng)、主軸插刀的驅(qū)動(dòng)、左右移位絲杠的驅(qū)動(dòng)以及升降模塊的驅(qū)動(dòng)。蘋果加工時(shí)間的把控十分嚴(yán)格，通常在5 s 左右就要完成一個(gè)蘋果的去皮及去核分瓣。基于蘋果去皮及去核分瓣機(jī)器的設(shè)計(jì)可以認(rèn)為去皮工序需要1 s 左右，去核分瓣工序需要4 s。為了適應(yīng)此機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化，選配套有減速箱的電機(jī)更為合適，故此驅(qū)動(dòng)源選用直流減速電機(jī)。

3.2 主軸插刀電機(jī)的選型計(jì)算

一般地，在1 s 左右完成蘋果去皮需要主軸插刀旋轉(zhuǎn)速度達(dá)15 圈/s，即所需的轉(zhuǎn)速為900 r/min。查閱相關(guān)電機(jī)機(jī)型資料可知60GA775 型直流減速電機(jī)剛好滿足此要求。

3.3 投料四分板電機(jī)的選型計(jì)算

基于該生產(chǎn)要求，預(yù)先設(shè)定生產(chǎn)周期為5 s。為此，投料四分板機(jī)的轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速需要達(dá)到n= 12s/r=5 r/min。查閱相關(guān)電機(jī)機(jī)型資料，選擇38GX38652-12-50 型直流減速電機(jī)。

3.4 升降功能模塊電機(jī)的選型計(jì)算

升降功能模塊需要帶動(dòng)升降板，升降板上固定有矯位濾網(wǎng)安裝架，去皮刀架和去核分瓣刀通過升降滑塊固定在升降板上。該模塊在工作時(shí)，不僅需克服模塊自身的重力，還要克服插刀去核分瓣動(dòng)作時(shí)的阻力。因此，對(duì)于各部位的材料選取必須合理，比如濾網(wǎng)安裝架以密度為籽= 1.02 g/cm3的ABS 塑料材料為原材料、分離罩以密度為籽= 2.92 g/cm3的鋁合金為原材料。本設(shè)計(jì)升降模塊的升降運(yùn)動(dòng)為滑動(dòng)摩擦，在潤(rùn)滑條件充分的情況下滑動(dòng)摩擦阻力忽略不計(jì)。插果去核分瓣的阻力參考同類產(chǎn)品資料取10 倍的果重即：

總的需克服的力F總=mg+F阻= 4.04 kg 伊9.8 m/s2+19.6 N = 59.2 N

其中mg為整個(gè)升降模塊的自重力。

式中，KA為工況系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表取1.2；F總為所需克服的作用力；V1為升降速度，按工況要求及蘋果高度取0.1 m/s。

代入式（1）得：P= 7.1 W

式中：濁為從電機(jī)至齒條傳動(dòng)裝置的總效率，聯(lián)軸器濁1、軸承濁2、齒輪傳動(dòng)濁3 和齒條的傳動(dòng)效率濁4：查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1-1-3 得：

將數(shù)據(jù)代入式（3）得濁= 0.88 再將濁代入式（2）可得電機(jī)輸出功率PO= 8.1 W。電動(dòng)機(jī)的額定功率

因升降模塊的升降速度根據(jù)工況要求選取為0.1 m/s，根據(jù)式（5）便可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速：

式中：d為齒輪分度圓直徑，36 mm；n為齒輪轉(zhuǎn)速，53.1 r/min

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-1-5 可以得出二級(jí)開式傳動(dòng)最佳轉(zhuǎn)動(dòng)比取值區(qū)間為[1.5，4]，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速適合控制在80 r/min ～ 212.4 r/min。通過查閱相關(guān)電機(jī)機(jī)型資料選取60GA775 型電機(jī)，額定功率35 W，額定轉(zhuǎn)速100 r/min。

3.5 左右移位功能模塊電機(jī)的選型計(jì)算

本設(shè)計(jì)的左右移位模塊的給進(jìn)速度V2需保持在0.32 m/s。查絲杠選型表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表13-1-33，因本模塊的質(zhì)量為2 kg，比一般平均外徑較小的絲杠的質(zhì)量低得多。故選擇BSSZK 型1210-3 號(hào)內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副，其技術(shù)規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 滾珠絲杠副技術(shù)規(guī)格參數(shù)

根據(jù)表1 規(guī)格參數(shù)可得，BSSZK 型1210-3 號(hào)內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠的導(dǎo)程P 為10 mm，若需讓V2保持在0.32 m/s，那么絲杠的轉(zhuǎn)速必須在1176 r/s 以上，因此可以選用型號(hào)為130st-m04205 的電機(jī)來滿足絲杠的轉(zhuǎn)速要求。

4 仿真驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，使用了Solidworks 軟件對(duì)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模并進(jìn)行了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)仿真分析。圖9 為仿真運(yùn)動(dòng)至自動(dòng)矯正蘋果位置，圖10 為仿真運(yùn)動(dòng)至蘋果去皮位置，圖11 為仿真運(yùn)動(dòng)至去核及分瓣位置，整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真過程中機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢，無干涉。通過仿真驗(yàn)證，此一體機(jī)將降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升生產(chǎn)效率。

圖9 自動(dòng)矯正蘋果運(yùn)動(dòng)仿真

圖10 去皮運(yùn)動(dòng)仿真

圖11 去核及分瓣運(yùn)動(dòng)仿真

5 結(jié)語

根據(jù)市場(chǎng)實(shí)際需求和現(xiàn)有蘋果去皮去核機(jī)不足，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的新型自動(dòng)蘋果去皮去核及分瓣一體機(jī)，確定了該設(shè)備裝置各個(gè)結(jié)構(gòu)的原理，對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊所需的電機(jī)進(jìn)行了選型，使用Solidworks 軟件對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了建模及運(yùn)動(dòng)仿真，保證了各個(gè)機(jī)構(gòu)之間無干涉，能夠有效節(jié)約加工時(shí)間。設(shè)計(jì)將一體機(jī)總成結(jié)構(gòu)按功能模塊進(jìn)行拆分，其功能按照動(dòng)作分解成7 大功能模塊。能實(shí)現(xiàn)蘋果周期性平穩(wěn)下落，可完成不同大小蘋果的完整去皮，并能同時(shí)完成分瓣功能。有利于提高生產(chǎn)效率。該設(shè)計(jì)已得到了部分公司的認(rèn)可。