白雪寧， 陳海峰

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院， 陜西 咸陽 712000；2.陜西科技大學機電工程學院, 陜西 西安 710021)

0 引 言

圖1 全自動蘋果削皮機工作流程圖

相比于蘋果生產(chǎn),我國蘋果加工業(yè)整體加工能力薄弱,發(fā)展處于明顯劣勢,機械自動化程度遠遠落后于西方國家.目前在蘋果加工行業(yè)中廣泛使用的蘋果削皮機均為半自動,即由人工上果,機器自動削皮.為保證削皮的順利進行,必須為每臺去皮機配備人工,用手將蘋果插在蘋果削皮工位處,顯然費時、費力、勞動強度大,而且容易產(chǎn)生差錯乃至事故,為此市場上急需一種能夠降低勞動強度,提高勞動效率和降低事故率的全自動蘋果削皮機械.本文主要對全自動蘋果削皮機的整體工藝流程進行了分析與探討，進而完成了各主要功能單元的設計.該蘋果削皮機的工作流程如下：通過電機驅動，蘋果由果倉料斗被送上輸送帶，輸送帶在傳動的過程中以一定的頻率振動達到蘋果的自動擺正，通過圖形識別系統(tǒng)將未擺正的蘋果剔除送入下一輪的篩選.如蘋果已擺正則將蘋果送入蘋果托盤，并進行定位(蘋果果核軸線與蘋果插針重合)，定位準確的蘋果在下壓氣缸的作用下自動插入到果針上，在智能刀架對蘋果廓線的跟蹤識別下完成準確的削皮，之后完成自動沖核、切塊，最后利用三爪氣缸機械手完成蘋果果核的卸除.具體工作流程如圖1所示.

1 全自動蘋果削皮機各功能單元設計

1.1 自動上料系統(tǒng)設計

單果自動去皮機一般采用圓盤式供果方式,即圓盤圓周上等距分布若干蘋果插針,由人工將蘋果插于蘋果插針上,圓盤間歇轉動,將蘋果送往去皮工位.供料系統(tǒng)旨在實現(xiàn)無人工全自動上果,故其應完成如下任務:

(1)將絕大多數(shù)蘋果以蘋果中心軸豎直方向放置,以便于插果機構順利將蘋果沿軸線方向插于蘋果插針上,如此以利于后續(xù)削皮、去核工序的順利進行.

(2)自動剔除蘋果果梗非垂直于水平面的蘋果,使其重新回到料倉，接受第二輪選擇.

(3)自動將蘋果沿軸線方向插于蘋果插針上.

全自動蘋果去皮機的上料裝置的示意圖如圖2、圖3、圖4所示.為便于觀察,主視圖中省略了對心氣缸及其推果緩沖裝置,俯視圖中省略了支架及其附帶的其他零件.

圖2 全自動蘋果去皮機上料裝置整體結構示意圖

圖3 圖2的俯視圖

圖4 插果裝置的結構示意圖(右圖為左圖的俯視圖)

全自動蘋果去皮機上料裝置的工作過程如下：蘋果的倉庫與振動輸送裝置2聯(lián)結，并以一定的頻率于水平面內橫向振動，可將大部分的蘋果調整為果核軸線與水平面垂直的狀態(tài)，且由振動裝置上附帶的第一慢輸送帶11將蘋果通過銜接板12送上快第二輸送帶13，輸送帶13上兩側的擋板8距離由寬變窄，蘋果在通過第一輸送帶11滑上第二輸送帶13后各蘋果間保持一定的間距向前輸送.在通過第一光電傳感器7時，圖形識別器6拍下該蘋果的俯視圖并經(jīng)計算機處理，如為果核軸線垂直于水平面則蘋果推出汽缸9推桿不動，該蘋果順利通過；如若果核軸線不垂直于水平面，則推出汽缸9推桿伸出將蘋果推出，該蘋果循環(huán)輸送回料倉接受下一輪的識別與選擇.蘋果托板23與第二輸送帶13相聯(lián)結，蘋果對心汽缸22設有3個，且以120°夾角均布于平臺四周.蘋果通過第二輸送帶13被送上蘋果托盤23后，第二光電傳感器10開關量發(fā)生變化，發(fā)出信號給控制器，由控制器發(fā)出命令，3個對心汽缸22推桿同時伸出并瞬間縮回，將蘋果推至其果核軸線與蘋果托盤23下方的蘋果插針對齊的位置.下壓汽缸19的推桿下壓，帶動蘋果壓板17向下移動，在蘋果壓板17向下移動并和蘋果接觸之前蘋果托板23在彈簧21的作用下并不向下移動，蘋果壓板17和蘋果接觸后，蘋果托盤23、蘋果、蘋果壓板17與汽缸推桿一起向下移動，蘋果將被插入果針上,此時蘋果削皮機的蘋果插針所在的工作轉盤克服蘋果與托盤、蘋果壓板之間的摩擦力轉動，蘋果移出蘋果托板之后下壓汽缸22開始移動上升，并回歸原位,蘋果托盤23向上移動直至其上表面與平臺15的上表面相平齊,此即為蘋果從果倉到插上蘋果去皮機蘋果插針的整個工作過程.

由于在蘋果托板和蘋果壓板上開有與蘋果插針運動軌跡相重合的弧形缺口,故在蘋果壓板壓下時,蘋果插針所在的圓盤可順利轉動.裝于蘋果對心氣缸推桿上的緩沖裝置可保證推桿對蘋果不造成機械損傷.

1.2 工位轉換轉臺系統(tǒng)研究

蘋果通過輸送帶送往果盤之后，要進行自動插果，插入果針的蘋果要進行工位轉換，進入削皮工位.而且在削皮時，要求工作臺靜止，當削皮工作完成后，再進行工位轉換進入去核與切片工位，最后進入果核剝離工位.

工位轉換工作臺系統(tǒng)旨在實現(xiàn)工位間歇轉換,并使每個工位按要求完成相應的工作，應完成的任務如下:

(1)根據(jù)生產(chǎn)能力15 個/min，確定插果動作、削皮動作、沖核動作、蘋果剝離動作均為3 s，工作臺轉位時間為1 s.

(2)在削皮工位，蘋果隨果針自轉.

(3)在插果工位、削皮工位、蘋果剝離工位果針均靜止不動.

工位轉換臺系統(tǒng)的傳動方案示意圖如圖5所示.電動機12驅動，通過一級V帶傳動機構進行減速，然后再用蝸桿蝸輪機構進行二級減速，同時蝸桿蝸輪機構也將蝸桿3的水平軸線的旋轉運動轉換為蝸輪4豎直軸線的轉動.和蝸輪4同軸轉動的槽輪機構中的撥盤5將連續(xù)整周的回轉運動傳遞給間歇動作的槽輪6，槽輪6與工位轉換工作臺7同軸連接，從而實現(xiàn)了工作臺的間歇運動.

圖5 全自動蘋果削皮機工作臺間歇運動系統(tǒng)傳動方案

工位工作轉換臺7設計成圓盤狀，且其上均勻分布有4個工位，分別是插果工位、削皮工位、沖核與切片工位、果核剝離工位.每個工位都安裝有蘋果插針10，而且蘋果插針10設計成3針，在每個蘋果插針軸的末端裝有直齒圓柱齒輪9.獨立電機驅動齒輪8轉動，當工位轉換工作臺轉至削皮工位時，齒輪8與該工位下的齒輪9嚙合并進而轉動，帶動蘋果插針上的蘋果轉動.當削皮結束，工位轉換工作臺轉過90°，齒輪9脫離與齒輪8的嚙合，而后工位上的齒輪進入與齒輪8的嚙合位置，作相應的轉動，如此循環(huán).只有在削皮工位蘋果作旋轉運動，而在其它3個工位時，蘋果果針軸下的齒輪不與齒輪8嚙合，都處于相對靜止狀態(tài).

1.3 沖核機構設計

全自動蘋果削皮機自動插果、削皮工序完成后要進行沖核和切片工序.

沖核的方法一般有兩種:第一種：果核從下向上沖出來；第二種：沖頭由上向下完成果核與果體的分離.考慮到第一種沖核方法在實施過程中，由于蘋果個體差異，沖上來的果核線速度也不一樣，這就使果核不能完全進入果核箱，會有一部分果核掉到地上，影響生產(chǎn)車間的環(huán)境衛(wèi)生，也不符合食品安全標準，故該機器選用第二種沖核方法.

圖6 沖壓機構原理圖

該沖核機構利用了沖壓機構的工作原理，具體工作過程如圖6所示：凸輪1作為原動件轉動起來，將運動傳遞給杠桿2，杠桿2與凸輪以高副連接，杠桿2與連桿3在C處以轉動副鉸接，連桿3帶動沖頭4作往復直線運動.具體的機構運動簡圖如圖6(a)所示.此機構在設計時，要滿足凸輪轉動一圈，沖頭4往復運動一次的時間為工作臺停歇時間3 s，故凸輪廓線形狀在設計時要保證沖頭4向下移動沖核時間為2 s，向上回程時間為1 s.

若需切塊時，可將沖頭換成圖6(b)所示的形狀，一次完成沖核與切塊的動作.

這種沖核機構會使果核殘留在果針上，故應再設計相應的果核剝離機構.

1.4 果核剝離機構設計

圖7 果核剝離機械手機構

當蘋果插果工序、削皮工序、沖核與切片工序均完成后，拿掉果針上的果核就是最后一道工序.根據(jù)自動抓取果核并按規(guī)定地點存放的工作要求，需要的抓取機構應完成以下任務：

(1)機械手水平直線移動到蘋果上方，同時機械手處于張開狀態(tài)；

(2)機械手沿垂直于水平面方向下移至果核底部；

(3)機械手閉合，抓取蘋果后豎直上移；

(4)機械手移動到一定高度后沿水平直線返回，機械手張開，果核脫離.

蘋果果核剝離機構采用三爪汽缸式機械手，可自動實現(xiàn)抓取果核的動作.各爪內側采用三角形槽面可靠地夾取蘋果以防脫落.機械手結構如圖7所示.汽缸推桿的運動決定手爪的運動規(guī)律，滑桿3與手爪形成動副，當推桿做伸運動時，手爪沿滑桿上滑，手爪張開，果核脫落；當推桿做縮運動時，手爪閉合，抓取果核.

該機構能靈活、準確地抓取果核，同時也可將果核精確放入果核收集箱內，避免環(huán)境的污染，干凈衛(wèi)生.

2 結束語

本文從應用的角度出發(fā)，搭建、開發(fā)了全自動蘋果削皮機系統(tǒng),完成了自動上料、工作臺自動轉位、自動削皮、沖核與卸果核等機構的結構設計.本課題的研發(fā)從根本上實現(xiàn)了蘋果的全自動去皮功能，同時也實現(xiàn)了無人監(jiān)管的工作模式，提高了生產(chǎn)效率,降低了事故的發(fā)生率,因此在我國迅速發(fā)展的蘋果深加工業(yè)中必然會有非常廣闊的應用前景.

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