康玉輝，李景陽

河南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院（新鄉(xiāng) 453003）

隨著社會的進(jìn)步和生活水平的提高，人們對深加工水果的需求越來越高，推動食品加工設(shè)備不斷提升。在蘋果、梨等水果的罐裝加工行業(yè)，對水果去皮、去核、切瓣是加工過程中的重要工序，而目前多數(shù)企業(yè)的水果的削皮切瓣加工基本采用傳統(tǒng)的人工削皮，手工削皮效率低，去皮厚度沒法保證，存在嚴(yán)重浪費，且衛(wèi)生無法保證；也有一些企業(yè)引入了半自動去皮機(jī)，需要每臺削皮機(jī)配備至少一個工人，一般是通過人工將水果插入自動削皮機(jī)的插針上或者放在削皮機(jī)的吸盤上，削皮機(jī)完成削皮動作，這種方式不但耗費人工，而且效率不高，且存在一定危險，容易產(chǎn)生事故[1-6]。所以市場上亟須一種全自動高效率且低風(fēng)險的削皮機(jī)，以解決上述技術(shù)的不足和高強(qiáng)度的勞動及浪費問題。因此設(shè)計一款操作簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、加工效果優(yōu)良的機(jī)電一體化去皮切瓣設(shè)備，具有廣闊的市場前景。本文主要針對蘋果、梨等果核水果，設(shè)計一款全自動削皮去核一體機(jī)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工藝要求

削皮機(jī)應(yīng)滿足的工作要求：（1）速度快，平均單果的處理速度應(yīng)在3 s以內(nèi)；（2）去掉的皮薄，在保證削皮質(zhì)量的情況下，消掉的皮越薄越好，應(yīng)控制在2 mm以內(nèi)；（3）操作簡單，最好能一鍵操作，且具有較高的穩(wěn)定性，維護(hù)方便。

通過分析水果削皮去核的過程可得，削皮機(jī)應(yīng)該具有自動送料、位置矯正，去皮去核、切瓣等功能[7-9]。其工作流程是：在電動機(jī)驅(qū)動下，物料經(jīng)過輸送帶逐個進(jìn)入位置擺正工位，通過圖形識別系統(tǒng)進(jìn)行位置識別，剔除位置不對的物料，將已擺正的物料通過送料氣缸送入指定位置，在氣缸的作用下插入果叉，在工作盤帶動下進(jìn)入削皮、切瓣去核、果核剝離工序。其工藝流程如圖1所示。

圖1 水果削皮機(jī)工藝流程圖

1.2 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)工藝流程，削皮機(jī)主要包括物料輸送機(jī)構(gòu)、位置矯正機(jī)構(gòu)、定位插果機(jī)構(gòu)、削皮機(jī)構(gòu)、沖核切瓣機(jī)構(gòu)及果核剝離機(jī)構(gòu)等部件[10-13]。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，物料通過輸送部件1逐個通過位置矯正料斗4掉入定位部件2的料盤中，物料在掉落的過程中一般會由于重力的作用實現(xiàn)果柄和果蒂的上下位置，但由于個別物料的外形原因，無法達(dá)到此位置，所以需要位置檢測部件5對物料位置進(jìn)行檢測并剔除位置不正確的水果，位置正確的水果通過定位部件2到達(dá)指定位置，插果氣缸10將其推入工作轉(zhuǎn)盤部件7上的插針內(nèi)，然后工作轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入削皮工位，削皮部件8對其作削皮處理，然后旋轉(zhuǎn)進(jìn)入切瓣工位，沖核切瓣部件9對其作切瓣處理，最后進(jìn)入果核剝離工位6。

削皮部件是一個多自由度的手臂，主要由舵機(jī)、彈簧、切刀等組成，物料進(jìn)入削皮工位時，刀片會在舵機(jī)的作用下完成下放并在彈簧的作用下緊貼水果表面，水果皮會在貼緊力的作用下被一圈圈削下來，并落入下方的物料桶內(nèi)。

沖核切瓣工序主要完成果肉的切瓣及與果核的分離，切瓣刀會在氣缸的帶動下自下而上完成果肉與果核的分離，并將果肉切為六瓣，切好的果瓣會掉入下方的物料桶內(nèi)，而果核會留在插針上，通過果核剝離機(jī)構(gòu)將其與插針分離，果核剝離主要是通過裝在氣缸的壓片在氣缸力的作用下對果核下壓完成，壓下來的果核同樣會掉入下方的物料桶內(nèi)。

圖2 水果削皮機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 工作轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

工作盤的主要作用是實現(xiàn)插果、削皮、沖核切瓣及果核剝離工位的轉(zhuǎn)換，且每個工位要按要求完成對應(yīng)的工作，并且要按一定時間間歇運動，且要求其在削皮工位時能夠使物料隨果叉自轉(zhuǎn)，在插果、沖核切瓣和果核剝離工位果叉靜止不動[14]。

工作轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其整體外形為圓盤形，盤上均勻安裝4組完全相同的果叉組件，每個果叉組件上均裝有果叉轉(zhuǎn)動從動齒輪9及3根均勻分布的果叉針14，工作盤通過平面推力軸承固定在安裝架8上。工作盤工位的轉(zhuǎn)換通過步進(jìn)電機(jī)帶動同步帶輪減速實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，通過控制步進(jìn)電機(jī)的間歇轉(zhuǎn)動實現(xiàn)工作盤的間歇運動，定位盤16上裝有定位傳感器12，與裝在工作盤上的定位傳感器感應(yīng)片15配合實現(xiàn)其位置的精確定位。果叉的自轉(zhuǎn)通過果叉轉(zhuǎn)動電機(jī)1及果叉轉(zhuǎn)動主動輪2帶動果叉轉(zhuǎn)動從動輪9轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，當(dāng)果叉進(jìn)入削皮工位時，果叉轉(zhuǎn)動主動輪2與果叉轉(zhuǎn)動從動輪9嚙合，帶動果叉轉(zhuǎn)動，削皮完成后，工作盤轉(zhuǎn)動使果叉轉(zhuǎn)動從動輪9與果叉轉(zhuǎn)動主動輪2脫離，果叉轉(zhuǎn)動隨之停止，后一個工位上的果叉組件進(jìn)入嚙合位置，如此循環(huán)往復(fù)。

圖3 工作轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

2.2 削皮組件結(jié)構(gòu)設(shè)計

削皮采用旋轉(zhuǎn)切削原理，物料隨著果叉作自轉(zhuǎn)運動，削皮刀同時作扇形旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運動[15]，運動的過程中需保證削皮刀與果皮緊密貼合。削皮組件基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，物料進(jìn)入削皮工位作自轉(zhuǎn)運動時，在舵機(jī)6的驅(qū)動下刀片安裝臂8放下，并在旋轉(zhuǎn)舵機(jī)2的作用下作逆時針旋轉(zhuǎn)運動，刀片9在紐簧7和彈簧4的作用下貼緊果皮，完成削皮動作，削皮完成后舵機(jī)6反向旋轉(zhuǎn)，將刀片抬起，最后旋轉(zhuǎn)舵機(jī)2返回原位。旋轉(zhuǎn)舵機(jī)2的最佳轉(zhuǎn)動角度需根據(jù)不同的水果試驗確定，可設(shè)定通用的最小旋轉(zhuǎn)角度。另外刀片的安裝角度也需經(jīng)過試驗確定，此角度會影響到去除果皮的厚度及果蒂和果柄位置余皮直徑的大小，紐簧和彈簧力的大小也需要通過試驗調(diào)試，其主要影響削皮厚度。

3 試驗

根據(jù)結(jié)構(gòu)原理設(shè)計制造試驗樣機(jī)，并通過試驗驗證自動削皮機(jī)結(jié)構(gòu)的可行性和其性能優(yōu)劣。試驗機(jī)采用C8051單片機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動實現(xiàn)控制部分。

設(shè)備對水果的削皮厚度和均勻性是評價其性能的最重要的指標(biāo)之一，削皮機(jī)削下的果皮是成一定厚度的長條狀，在削皮機(jī)工作的過程中，削皮刀的安裝角度、削皮組件的旋轉(zhuǎn)角度及被削皮水果的轉(zhuǎn)動速度等都會不同程度地影響削皮效果，這些均可通過試驗分析得到其最佳參數(shù)，在正式產(chǎn)品中可依次參數(shù)調(diào)校。

通過試驗得到，對蘋果進(jìn)行去皮處理時，削皮組件的最佳旋轉(zhuǎn)角度為141°；對梨進(jìn)行去皮處理時，削皮組件的最佳旋轉(zhuǎn)角度為137°。刀片的安裝角度在30°～35°之間，效果最佳，此兩個數(shù)據(jù)配合能夠達(dá)到果肉瓣上無果皮殘留。

按上述參數(shù)調(diào)試樣機(jī)，以蘋果為試驗對象，對削下來的果皮進(jìn)行測量，其散點圖如圖5所示，果皮厚度集中在1.0～1.2 mm之間，符合設(shè)計要求。

圖4 削皮組件基本結(jié)構(gòu)圖

圖5 果皮厚度測量點散圖

以蘋果為對象的試驗效果如圖6所示，削皮去核一體機(jī)每分鐘能夠完成15個水果的去皮切瓣處理，果瓣上果皮無殘留，果皮厚度均在1.2 mm以內(nèi)，能夠達(dá)到生產(chǎn)要求。

圖6 試驗效果圖

4 結(jié)語

設(shè)計了一款全自動水果削皮去核一體機(jī)，能夠完成自動送料、位置矯正，去皮、去核和切瓣等功能，且能夠全自動無人監(jiān)管工作。解決了罐裝等水果深加工企業(yè)存在的效率低、勞動強(qiáng)度高、衛(wèi)生不達(dá)標(biāo)等問題。其削皮厚度在1.2 mm以內(nèi)，平均單果加工速度4 s，且削皮效果良好，設(shè)備運轉(zhuǎn)性能穩(wěn)定，非常適用于蘋果、梨等水果的去皮加工，且其結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單，在我國迅速發(fā)展的水果深加工行業(yè)中有非常廣闊的應(yīng)用前景。