吳有明，莫名韶

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530008）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和發(fā)展，人們對(duì)食品深加工的要求日益提高，也促使食品加工設(shè)備行業(yè)的技術(shù)改進(jìn)不斷升級(jí)，當(dāng)今的很多食品加工設(shè)備是集成了光、機(jī)、電、氣等一體化的機(jī)械電子設(shè)備，各類先進(jìn)技術(shù)成熟的自動(dòng)化元器件得到廣泛應(yīng)用，將食品加工設(shè)備由機(jī)械化推向自動(dòng)化。但是很多的農(nóng)產(chǎn)品去皮加工過程，采用的還是傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，如芒果，由于保鮮時(shí)間短，需要經(jīng)過去皮加工后制成果脯等食品，因此芒果加工中也需要大量的去皮操作，但是目前傳統(tǒng)的加工工藝落后，基本都是人力手工的削皮操作，勞動(dòng)力需求量大，勞動(dòng)繁重。因此設(shè)計(jì)出機(jī)械結(jié)構(gòu)簡潔、控制系統(tǒng)穩(wěn)定去皮效果優(yōu)良的機(jī)電一體化芒果去皮設(shè)備具有十分廣闊的市場前景[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 芒果去皮機(jī)的設(shè)計(jì)要求

芒果去皮機(jī)應(yīng)滿足進(jìn)料、夾緊、去皮、出料這四個(gè)基本工藝過程，物料加工連續(xù)進(jìn)行，每個(gè)芒果的去皮加工應(yīng)該盡可能均勻，去皮厚度盡可能一致，接近人力手工操作，并且芒果表面不應(yīng)有欠去皮部位或者過度去皮的部位，整機(jī)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定高效，總體結(jié)構(gòu)簡潔，維護(hù)保養(yǎng)方便。主要技術(shù)參考指標(biāo)有：芒果尺寸長度在10-15 cm之間，直徑在8-14 cm之間，單機(jī)加工能力為每分鐘至少去皮3個(gè)芒果。單個(gè)芒果去皮加工的流程如圖1所示。

圖1 芒果削皮機(jī)動(dòng)作流程圖

1.2 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)和削皮工作原理

依據(jù)芒果削皮機(jī)設(shè)定的工藝過程，芒果削皮機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)可分別對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)為進(jìn)出料機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)共三大部分組成。因進(jìn)料與出料的動(dòng)作需求是一致的，因此可以由同一傳送帶來完成。

如圖2所示，芒果削皮機(jī)設(shè)置有料槽6，用于盛放單個(gè)芒果，料槽安置在傳送帶7之上，芒果的進(jìn)料和出料都有傳送帶完成，每次去皮加工時(shí)，傳送帶將芒果運(yùn)送至代加工位置后則停下，待芒果去皮加工完成后將芒果送出，同時(shí)下一個(gè)待加工芒果由傳送帶送入加工位置。對(duì)每個(gè)芒果進(jìn)行去皮加工的過程是，夾緊推桿1先向下運(yùn)動(dòng)，使用夾緊頭2由上而下頂住芒果，與料槽6一起將芒果定位并夾緊，之后切削軸向移動(dòng)電機(jī)5和切削橫向移動(dòng)推桿4帶動(dòng)切削頭3在芒果表面沿著芒果軸向方向進(jìn)行切削，每次軸向切削運(yùn)動(dòng)完成后，夾緊頭2上的電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)過一定角度，帶動(dòng)夾緊頭轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)芒果轉(zhuǎn)過一定的角度，然后切削頭3再次在芒果表面沿著芒果軸向方向進(jìn)行一次切削，重復(fù)以上多次連續(xù)地給芒果“轉(zhuǎn)身”并旋轉(zhuǎn)切削操作之后，實(shí)現(xiàn)將芒果表皮完全去除的目的。

圖2 總體結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)出料機(jī)構(gòu)

芒果的進(jìn)料和出料是由同一個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)的，即為安裝在傳送帶7上的料槽6.在芒果去皮機(jī)之外，傳送帶的進(jìn)料端，使用人工或者機(jī)械手將芒果沿其長度方向放入料槽中，每個(gè)料槽放置一個(gè)待去皮加工的芒果。料槽的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是內(nèi)部相對(duì)粗糙，以便芒果轉(zhuǎn)動(dòng)。切料槽支承包蓋芒果的面積約為120°，既要兼顧與夾緊頭2共同夾緊芒果時(shí)有足夠的面積使得夾緊穩(wěn)固，并且夾緊頭轉(zhuǎn)動(dòng)芒果時(shí)不至于將芒果轉(zhuǎn)出料槽，又要給切削頭3在進(jìn)行切削加工時(shí)留有足夠的運(yùn)動(dòng)空間。

2.2 夾緊機(jī)構(gòu)

芒果的夾緊機(jī)構(gòu)主要由夾緊推桿1和夾緊頭2組成，待切削芒果到位后，夾緊推桿1向下伸出，驅(qū)動(dòng)夾緊頭2夾持住芒果。夾緊頭2是由具有一定柔性的材料設(shè)計(jì)加工成圓柱形狀，并由一電機(jī)驅(qū)動(dòng)。夾緊頭2的作用有兩個(gè)，一是在切削加工時(shí)夾緊芒果，二是切削的間隙時(shí)間電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)芒果轉(zhuǎn)過一定的角度，把剛切削過的芒果表面部分轉(zhuǎn)動(dòng)從切削刀具的加工范圍移開，將未加工的表面表皮轉(zhuǎn)動(dòng)移入刀具切削范圍內(nèi)。

2.3 切削機(jī)構(gòu)

切削機(jī)構(gòu)主要由三個(gè)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)刀片組合而成，切削軸向移動(dòng)電機(jī)5配合絲杠或者同步帶，其作用是帶動(dòng)刀具可以沿著芒果軸線方向移動(dòng)，切削橫向移動(dòng)推桿4的作用是帶動(dòng)切削刀具頭3靠近和接觸芒果表面，切削頭3由旋轉(zhuǎn)刀片組和高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)組合而成，其作用是通過刀片組的高速旋轉(zhuǎn)將芒果表皮去除。

如圖3，為切削刀具的加工俯視圖示意圖。切削刀具工作時(shí)，橫向移動(dòng)電動(dòng)推桿4會(huì)在軸向移動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下沿著芒果1的軸向方向運(yùn)動(dòng)，推桿4通過彈性連接桿3與高速旋轉(zhuǎn)切削刀具2連接。連接桿3采用彈性材料的優(yōu)點(diǎn)在于在切削的過程中可以保持切削刀具與芒果表面的連續(xù)接觸，橫向電動(dòng)推桿不需要作高精度的移動(dòng)來確保刀具與芒果表面的接觸。

圖3 切削刀具工作示意圖

常見的農(nóng)作物去皮加工工藝流程是采用機(jī)械夾緊農(nóng)作物兩端，將農(nóng)作物高速旋轉(zhuǎn)，刀具貼近農(nóng)作物并沿軸向方向運(yùn)動(dòng)，由于干涉的存在，農(nóng)作物的兩端表皮不能夠被去除，只能在加工完成前將兩端切去。本芒果削皮機(jī)的設(shè)計(jì)沒有采用類似的加工動(dòng)作，而采用夾緊頭轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，在芒果中部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)芒果轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，不影響去皮刀具對(duì)芒果兩端的去皮加工，因此可以保留更多的果肉，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀具的運(yùn)動(dòng)采用彈性連接桿，在一定程度上模擬了人工去皮的動(dòng)作，彈性連接桿的變形一方面保持了刀具與芒果的接觸，另一方面實(shí)現(xiàn)了刀具與芒果之間接觸力的有限的小范圍的波動(dòng)，去皮深度變化有限。優(yōu)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取代了測距或測力傳感器的使用，對(duì)降低設(shè)備復(fù)雜性、制造成本，提高運(yùn)行可靠性均有幫助[2]。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 芒果削皮機(jī)的控制系統(tǒng)組成

依據(jù)芒果削皮機(jī)的機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)每個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。進(jìn)料和出料的傳送帶的控制由于需要精確的定位，控制每次芒果進(jìn)入加工區(qū)域的位置是準(zhǔn)確的，因此采用控制精度較高的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。壓頭的每次旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)芒果轉(zhuǎn)過一定的角度，轉(zhuǎn)過角度過大則切削有漏削的情況，角度過小，加工效率受影響，因此為了保證角度的準(zhǔn)確，該電機(jī)也采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其他的四個(gè)運(yùn)動(dòng)，出于成本和精度要求的考慮，采用直流電機(jī)即可。根據(jù)以上分析該芒果削皮機(jī)的控制系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 芒果削皮機(jī)控制系統(tǒng)

3.2 芒果削皮機(jī)控制流程

該芒果削皮機(jī)的主控制器采用C8051單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TB6560和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L298N協(xié)同運(yùn)動(dòng)。依據(jù)之前設(shè)計(jì)的加工工藝流程，逐步確定步進(jìn)電機(jī)、各推桿直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)順序，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)工作流程，并編制相應(yīng)的控制程序[3]。單片機(jī)控制器程序的控制流程如圖5所示。

圖5 單片機(jī)程序控制流程

4 結(jié)語

本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，參考了人工手工去除芒果表皮的操作方法，設(shè)計(jì)完善了芒果去皮加工的工藝流程和對(duì)應(yīng)的削皮機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)，可以滿足芒果去皮的加工要求。該裝置集成了機(jī)械、電氣等機(jī)電一體化技術(shù)，采用技術(shù)成熟的市場常見規(guī)格的元部件合理組合而成。在切削頭的設(shè)計(jì)上采用了彈性元件，減少了傳感器的使用，簡化了系統(tǒng)復(fù)雜性，并很好解決了不規(guī)則形狀農(nóng)產(chǎn)品的仿形跟蹤去皮加工的難點(diǎn)，該設(shè)計(jì)從效果到實(shí)現(xiàn)成本上均優(yōu)于常規(guī)的使用實(shí)時(shí)距離檢測調(diào)整切削深度的方式。該芒果削皮機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路對(duì)其他不規(guī)則形狀農(nóng)產(chǎn)品的去皮等加工實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化也是有益的參考。