一種自動蘋果去皮去核及分瓣一體機設計

聶小春，敖智超，朱洪雷，高 琴

（1.廣州工程技術職業(yè)學院 機電工程學院，廣東 廣州 510925；2.深圳市感恩網絡科技有限公司，廣東 深圳 518129；3.北京科技大學 高等工程師學院，北京 100089）

0 引言

蘋果是常見的一種水果，其營養(yǎng)價值非常高，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。已有的文獻設計了手搖式單果削皮機[1]、多果半自動削皮機[2]、構造復雜的大型蘋果削皮機[3]以及全自動蘋果削皮去核一體機等[4]。手搖式和半自動式耗費人力物力，果肉損失大，而構造復雜的削皮機又非常的笨重，體積龐大，不宜推廣，缺乏創(chuàng)意[4]，削皮去核一體機無分瓣功能。針對此，設計了一種自動蘋果去皮去核及分瓣一體機，該一體機生產效率高、價格適宜、安全性高、占地面積不大。

1 一體機總體方案

本設計的自動蘋果去皮去核及分瓣一體機驅動源采用直流減速電機，包括投料四分板推動驅動、旋轉主軸驅動、左右移位絲杠驅動以及升降模塊驅動。為了實現(xiàn)蘋果從投料到自動去皮去核及分瓣的功能，將其分解設計成七大功能模塊：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。根據生產要求采用PLC 及行程開關對其整個生產過程實施精確控制，工人只需要把蘋果放入投料裝置中，后續(xù)加工就能自動完成，降低了危險事故發(fā)生率，極大減少了機械傷害，保障了人身安全，同時也降低了勞動強度。

設計的自動蘋果去皮去核及分瓣一體機的結構組成如圖1 所示。

圖1 一體機整體結構圖

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

2 一體機具體結構設計

2.1 投料功能模塊

為了實現(xiàn)蘋果周期性平穩(wěn)下落，投料功能模塊通過投料轉盤，其由四分推板以及保護模塊組成，把蘋果平穩(wěn)地送進輸送管道，完成投料環(huán)節(jié)，如圖2 所示，通過電機的驅動作用，促使投料轉盤運轉，由于多數蘋果的直徑為8cm 左右，環(huán)形蘋果保護罩根據蘋果直徑的大小設計，其與四分推板組成轉盤，并隨著中心軸的轉動而轉動。轉盤底部有一個半徑為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組成，在對蘋果運送的過程中有一定的保護作用。

圖2 投料功能結構圖

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與矯正桶，在運行過程中不僅可對蘋果進行清洗消毒，還可對蘋果的位置進行矯正，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，進而矯正其擺放位置。由于蘋果帶梗朝上時，從上往下看蘋果關于中心軸對稱，而水平方向并不是軸對稱圖形，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，可以達到矯正位置的效果。矯正濾網如圖3 所示。

圖3 矯位濾網結構圖

蘋果落入矯位濾網后，通過電機的驅動使升降模塊向下移動，進而將蘋果帶入矯正桶，蘋果在矯正桶中被清洗的同時其位置也被矯正，此過程完成后蘋果被矯位濾網帶出矯正桶，由于濾網的V 型設計，蘋果在濾網中會被中心定位，濾網在對蘋果帶出矯正桶的過程中，能保證其位置不發(fā)生改變，進而保障后面的插刀過程能順利進行。

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、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。在主軸插刀模塊設計過程中，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，且使用四棱刺結構。主軸電機通過聯(lián)軸器帶動插刀軸發(fā)生轉動，利用插刀軸轉動時蘋果產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。為了實現(xiàn)蘋果去皮后再進行蘋果去核和分瓣，在插刀結構上添加了一對角接觸球軸承，軸承的內圈利用插刀軸上的軸肩與螺母進行固定，外圈則穿過軸承座，使用擋圈固定。除此之外，還在插刀軸上設計了蘋果限位固定環(huán)，根據蘋果的實際大小可以調節(jié)刀尖露出的高度。

圖4 主軸插刀模塊結構圖

2.4 去皮功能模塊設計

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 去皮功能模塊結構圖

在去皮功能模塊工作時，在主軸插刀模塊電機的驅動下，蘋果隨著插刀沿著豎直方向移動，同時通過仿形擋片配合升降模塊使浮動刀頭緊貼蘋果表面旋轉完成去皮，使去掉的蘋果皮厚度盡量一致。去皮刀片的結構為中空弧頭形，選取該結構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 去核分瓣模塊設計

去核分瓣模塊結構如圖6 所示。該模塊主要由導向桿、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成，除此之外，去核分瓣刀與升降滑塊通過螺釘的作用相互連接。

圖6 去核分瓣模塊結構圖

該模塊的工作原理為：蘋果去皮完成后，在左右移動模塊驅動下移動至去核分瓣刀的正上方，然后再經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同時實現(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，果核和果肉掉進不同儲存器中，最終實現(xiàn)果核和果肉瓣的分離避免混料。

2.6 升降功能模塊設計

升降功能模塊采用如圖7 所示傳動方案。該方案為圓柱齒輪-齒輪齒條二級傳動機構組成，電機驅動一級圓柱齒輪傳動，再帶動二級齒輪通過與安裝在升降安裝板上的齒條嚙合，達成由旋轉運動變?yōu)橹本€運動的轉化。通過控制電機的正反轉運動，來實現(xiàn)升降模塊的升降。

圖7 升降功能模塊結構圖

2.7 左右移位功能模塊設計

移位模塊采用滾珠絲杠副傳動。由電機驅動絲杠帶動螺母，螺母帶動主軸插刀模塊進行左右移動。同時為了支撐和引導主軸插刀模塊運動，設計了導向軸結構，具體結構如圖8 所示。

圖8 左右移位功能模塊設計圖

3 電機的選型計算

3.1 驅動源的選擇及生產要求的確定

為了準確控制自動蘋果去皮去核分瓣一體機各功能模塊的驅動，即投料四分板的驅動、主軸插刀的驅動、左右移位絲杠的驅動以及升降模塊的驅動。蘋果加工時間的把控十分嚴格，通常在5 s 左右就要完成一個蘋果的去皮及去核分瓣?；谔O果去皮及去核分瓣機器的設計可以認為去皮工序需要1 s 左右，去核分瓣工序需要4 s。為了適應此機構的自動化，選配套有減速箱的電機更為合適，故此驅動源選用直流減速電機。

3.2 主軸插刀電機的選型計算

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

3.3 投料四分板電機的選型計算

基于該生產要求，預先設定生產周期為5 s。為此，投料四分板機的轉盤的轉速需要達到n= 12s/r=5 r/min。查閱相關電機機型資料，選擇38GX38652-12-50 型直流減速電機。

3.4 升降功能模塊電機的選型計算

升降功能模塊需要帶動升降板，升降板上固定有矯位濾網安裝架，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，不僅需克服模塊自身的重力，還要克服插刀去核分瓣動作時的阻力。因此，對于各部位的材料選取必須合理，比如濾網安裝架以密度為籽= 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。本設計升降模塊的升降運動為滑動摩擦，在潤滑條件充分的情況下滑動摩擦阻力忽略不計。插果去核分瓣的阻力參考同類產品資料取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為整個升降模塊的自重力。

式中，KA為工況系數，查《機械設計手冊》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：濁為從電機至齒條傳動裝置的總效率，聯(lián)軸器濁1、軸承濁2、齒輪傳動濁3 和齒條的傳動效率濁4：查《機械設計手冊》表1-1-3 得：

將數據代入式（3）得濁= 0.88 再將濁代入式（2）可得電機輸出功率PO= 8.1 W。電動機的額定功率

因升降模塊的升降速度根據工況要求選取為0.1 m/s，根據式（5）便可計算出電機轉速：

式中：d為齒輪分度圓直徑，36 mm；n為齒輪轉速，53.1 r/min

查閱機械設計手冊表15-1-5 可以得出二級開式傳動最佳轉動比取值區(qū)間為[1.5，4]，因此電機的轉速適合控制在80 r/min ～ 212.4 r/min。通過查閱相關電機機型資料選取60GA775 型電機，額定功率35 W，額定轉速100 r/min。

3.5 左右移位功能模塊電機的選型計算

本設計的左右移位模塊的給進速度V2需保持在0.32 m/s。查絲杠選型表《機械設計手冊》表13-1-33，因本模塊的質量為2 kg，比一般平均外徑較小的絲杠的質量低得多。故選擇BSSZK 型1210-3 號內循環(huán)滾珠絲杠副，其技術規(guī)格參數見表1。

表1 滾珠絲杠副技術規(guī)格參數

根據表1 規(guī)格參數可得，BSSZK 型1210-3 號內循環(huán)滾珠絲杠的導程P 為10 mm，若需讓V2保持在0.32 m/s，那么絲杠的轉速必須在1176 r/s 以上，因此可以選用型號為130st-m04205 的電機來滿足絲杠的轉速要求。

4 仿真驗證

根據設計方案，使用了Solidworks 軟件對各機構進行設計建模并進行了相應的運動仿真分析。圖9 為仿真運動至自動矯正蘋果位置，圖10 為仿真運動至蘋果去皮位置，圖11 為仿真運動至去核及分瓣位置，整個運動仿真過程中機構運行順暢，無干涉。通過仿真驗證，此一體機將降低人的勞動強度，提升生產效率。

圖9 自動矯正蘋果運動仿真

圖10 去皮運動仿真

圖11 去核及分瓣運動仿真

5 結語

根據市場實際需求和現(xiàn)有蘋果去皮去核機不足，設計了一種結構緊湊的新型自動蘋果去皮去核及分瓣一體機，確定了該設備裝置各個結構的原理，對運動模塊所需的電機進行了選型，使用Solidworks 軟件對該設備進行了建模及運動仿真，保證了各個機構之間無干涉，能夠有效節(jié)約加工時間。設計將一體機總成結構按功能模塊進行拆分，其功能按照動作分解成7 大功能模塊。能實現(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，并能同時完成分瓣功能。有利于提高生產效率。該設計已得到了部分公司的認可。