張攀峰，曾月鵬，彭見輝，羅彥琦

（東莞理工學(xué)院 城市學(xué)院，廣東東莞 523419）

0 引言

“智慧農(nóng)業(yè)”是從現(xiàn)代信息技術(shù)革命探索出來的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的新模式［1-2］。我國是農(nóng)業(yè)大國，水果總產(chǎn)量居世界第一，但是農(nóng)產(chǎn)品在采摘后到商品二次加工過程處理技術(shù)不完善［3-4］，顯示我國食品機(jī)械有廣闊的發(fā)展空間［5-6］。其中，柑普茶系列所需完整的橘皮需求量很大，2017年僅新會(huì)區(qū)生產(chǎn)用于制取柑普茶的鮮果6 500萬斤，近幾年產(chǎn)量更是迅速上升。當(dāng)前缺少實(shí)用又成本低廉的設(shè)備［7］，大部分生產(chǎn)仍然停留在人工剝離階段，效率低、壞果率高。以氣動(dòng)為主的生產(chǎn)線，成本高且無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)加工［8-9］。

為實(shí)現(xiàn)完整橘皮的自動(dòng)制取，本文設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自動(dòng)化試驗(yàn)樣機(jī)，使批量柑橘經(jīng)過分級上料后，依據(jù)不同外形尺寸進(jìn)行自動(dòng)加工，分離出柑普茶需要的完整橘皮。解決現(xiàn)有設(shè)備無法將果肉和橘皮白絲同工序去除的問題。

完整橘皮制取的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是柑橘上下開孔后果肉從橘皮的剝離。因此，本文針對柑橘從上料到橘皮分離過程，確定完整橘皮的制取加工工藝，完成機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化刀具夾具參數(shù)匹配關(guān)系，并研制試驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)柑橘到完整橘皮的制取過程。

1 工藝要求

將柑橘進(jìn)行上開孔和下開孔，并將果肉和果皮上的橘絲去除，在橘皮內(nèi)裝入普洱茶，經(jīng)過后續(xù)的制作工藝，達(dá)到味道融合。制作工藝的關(guān)鍵，是要求制取帶上下開孔、完整橘皮，且要求橘皮厚度均勻。

柑普茶使用的完整橘皮，在3個(gè)工位分別經(jīng)過3個(gè)過程加工，即柑橘上料后，經(jīng)過柑橘開孔、去芯和果肉分離階段，如圖1所示。既保證橘皮的完整性，也保證果肉與橘絲去除干凈。

圖1 完整橘皮制取工藝過程Fig.1 The technological process of intact orange peel

依據(jù)工藝過程，設(shè)計(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)線在柑橘上料后由夾具固定，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)刀具完成開孔和去芯動(dòng)作，即將柑橘從上部開圓孔，并將果芯以圓柱形取出，同時(shí)下部開出小孔。在碎果肉環(huán)節(jié)，碎果肉刀具由機(jī)械手控制進(jìn)入柑橘內(nèi)部空間，旋轉(zhuǎn)刀具將果肉和橘絲剝離，以保留完整橘皮。

2 生產(chǎn)線機(jī)構(gòu)總體方案

生產(chǎn)線的總體方案，分為機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完整的柑橘到橘皮制取的機(jī)械與電氣配置?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制，并按照工藝實(shí)現(xiàn)動(dòng)作流程。

2.1 機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

通過對橘皮生產(chǎn)工藝的分析，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與氣動(dòng)系統(tǒng)，為后續(xù)的電路設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。機(jī)構(gòu)如圖2所示,包括以下幾個(gè)部分：

圖2 總體設(shè)計(jì)Fig.2 Overall design

（1）控制屏幕。主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互過程中的參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。在試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)設(shè)定頁界面，可將設(shè)定的各項(xiàng)功能數(shù)值輸入，同時(shí)為了獲得更高的數(shù)據(jù)通用性，將各項(xiàng)功能顯示在控制屏幕并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入和更改。

（2）開孔去芯機(jī)構(gòu)。主要功能為上開孔取出圓柱形果芯同時(shí)把底孔打穿，主要包括上下移動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣缸和上下開孔環(huán)形刀。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)上開孔刀具下降并同時(shí)旋轉(zhuǎn)。

（3）夾具移動(dòng)機(jī)構(gòu)。絲杠帶動(dòng)夾具機(jī)構(gòu)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)工位循環(huán)工作，由伺服電機(jī)與光電傳感器實(shí)現(xiàn)精確定位，并在工作范圍以外，設(shè)定安全行程。其中，柑橘的夾具機(jī)構(gòu)，包括內(nèi)夾具和外夾具，主要完成柑橘的固定夾持與張開，在第一個(gè)工位夾持柑橘，經(jīng)過開孔去芯工位，在碎果肉工位完成果肉剝離后打開，完整橘皮取出。

（4）碎果肉機(jī)構(gòu)。碎果肉刀具為扇形刀，設(shè)計(jì)三坐標(biāo)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)碎果肉刀具進(jìn)入夾具內(nèi)進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)。為提高碎果肉效率，選用雷賽BLM57130型電機(jī)作為扇形刀的驅(qū)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000 r/min。電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀具自轉(zhuǎn)的同時(shí)，碎果肉刀具基于多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，完成切削空間運(yùn)動(dòng)，將果肉從橘皮上剝離。切削空間與內(nèi)夾具之間保留橘皮厚度間隙。刀具插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 碎果肉刀具插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Interpolation trajectory of fruit peeling off cutter

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括硬件電路、刀具運(yùn)動(dòng)及軌跡規(guī)劃，通過軟件實(shí)現(xiàn)。其中，硬件電路包括核心控制部件與電路，軟件程序包括所有加工過程的控制程序，及碎果肉運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算形成的控制程序。

為了保證加工后橘皮的均勻性，碎果肉工藝需要精確的加工軌跡，需要刀具夾具在加工過程中精確定位，控制系統(tǒng)的核心控制器PLC選用5軸輸出+擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)所有動(dòng)作。其中，碎果肉機(jī)構(gòu)與夾具移動(dòng)機(jī)構(gòu)，選用直角坐標(biāo)系設(shè)計(jì)空間位置，4個(gè)方向均為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。碎果肉刀具選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，去芯刀選用繼電器控制交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.4 Control system design

依照硬件控制系統(tǒng)所需動(dòng)作順序繪制控制流程圖，結(jié)合刀具夾具尺寸及軌跡規(guī)劃插補(bǔ)函數(shù)編寫程序。動(dòng)作流程如圖5所示。

圖5 完整橘皮生產(chǎn)過程Fig.5 Production process of intact peel

控制程序?qū)⑸a(chǎn)工藝所需流程及碎果肉軌跡計(jì)算得到的一系列數(shù)學(xué)模型，編寫成為模塊化的程序塊。根據(jù)控制原理及控制程序流程圖編寫程序。通過建立工件原點(diǎn)、機(jī)械原點(diǎn)、參考點(diǎn)的方式對程序的參數(shù)做出統(tǒng)一的規(guī)定，用于程序參數(shù)的調(diào)試工作。

3 刀具與夾具的匹配設(shè)計(jì)

刀具有3把，其中開孔去芯機(jī)構(gòu)中有2把，一是環(huán)形上開孔去芯刀，從柑橘頂部沿Z軸方向通過夾具的上開孔插入同時(shí)旋轉(zhuǎn)，插入柑橘內(nèi)一半以上深度后，利用倒牙將柑橘圓柱狀果芯從柑橘內(nèi)部掏出。二是底孔環(huán)形刀，從柑橘下部沿Z軸方向通過夾具的下底孔插入，插入柑橘內(nèi)表面后退出。三是碎果肉刀具，包括刀軸和扇形刀，在夾具和柑橘內(nèi)部，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將柑橘的果肉從橘皮上剝離。3把刀具的設(shè)計(jì)示意如圖6所示。

圖6 刀具設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Schematic diagram of cutter design

夾具平均分成左右2個(gè)部分，由同步氣缸驅(qū)動(dòng)。夾具內(nèi)表面形狀為正半球形，合并后，將柑橘固定成正球形。試驗(yàn)樣機(jī)中碎果肉刀具和夾具如圖7所示。

圖7 刀具夾具匹配設(shè)計(jì)Fig.7 Matching design of cutter and fixture

夾具中心與柑橘中心重合，夾具的上部有上開孔，用于開孔去芯刀進(jìn)入，夾具的下部有下底孔，用于底孔環(huán)形刀進(jìn)入，上下孔的尺寸根據(jù)柑橘尺寸設(shè)定。夾具內(nèi)部與柑橘外表面之間設(shè)有彈性內(nèi)夾具，內(nèi)夾具表面設(shè)計(jì)凸起，用于抱緊柑橘，防止加工過程中橘皮隨刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生偏差。

4 碎果肉刀具運(yùn)動(dòng)軌跡

碎果肉刀具運(yùn)動(dòng)軌跡根據(jù)完整橘皮工藝需要，完成碎果肉空間切削工作。依據(jù)柑橘尺寸以及柑普茶所需橘皮的厚度計(jì)算出碎果肉刀具軌跡，刀具中心做空間插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，覆蓋碎果肉空間表面做切削運(yùn)動(dòng)，將果肉從橘皮內(nèi)表面剝離。

三坐標(biāo)機(jī)械手夾持刀具中心通過控制程序?qū)崿F(xiàn)刀具在切削過程中球形空間的動(dòng)作。夾具到達(dá)碎果肉工位后，刀具經(jīng)過下刀、對心、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)和退刀步驟，完成果肉的剝離過程。

在建立的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)刀具尺寸與運(yùn)動(dòng)軌跡模型匹配關(guān)系分析計(jì)算刀具進(jìn)給量。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡的要求與可編程控制器的特點(diǎn)計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)坐標(biāo)及刀具中心運(yùn)行軌跡。切削空間與刀具運(yùn)行軌跡如圖8所示。碎果肉環(huán)節(jié)完成后，刀具依據(jù)進(jìn)刀軌跡退回。

圖8 切削刀具運(yùn)行軌跡示意圖Fig.8 Schematic diagram of the cutter running trajectory

5 調(diào)試與測試

依托5月份柑橘產(chǎn)地的樣品驗(yàn)證試驗(yàn)樣機(jī)的合理性，以直徑為45 mm和55 mm柑橘做測試。其中，外夾具尺寸內(nèi)徑選用65 mm，通過內(nèi)夾具厚度調(diào)整，以適應(yīng)不同柑橘尺寸試驗(yàn)需求。2種完整橘皮的工藝參數(shù)尺寸情況如表1所示。

表1 柑橘工藝參數(shù)尺寸表Tab.1 Table of technological parameters and dimensions of the orange dimension （單位：mm）

根據(jù)需要加工的柑橘工藝尺寸，進(jìn)行刀具夾具的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵尺寸如表2、表3、表4所示。

表2 夾具關(guān)鍵尺寸表Tab.2 The key dimensions table of fixture（單位：mm）

表3 去芯刀關(guān)鍵尺寸表Tab.3 The key dimensions table of core removing cutter （單位：mm）

表4 碎果肉刀關(guān)鍵尺寸表Tab.4 The key dimensions table of fruit pulp crushing cutter （單位：mm）

為便于調(diào)試，試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)了手動(dòng)操作調(diào)試界面，包含手動(dòng)操作頁面的各項(xiàng)功能，如圖9所示。主要包括柑橘尺寸設(shè)定、單步運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行的切換、各加工位置的初始復(fù)位、試驗(yàn)樣機(jī)的每一個(gè)單步過程測試、加工過程中各項(xiàng)功能所需參數(shù)調(diào)整界面，所需功能用按鈕全部列出并執(zhí)行主要程序的單步控制。

圖9 調(diào)試界面Fig.9 The debugging interface

經(jīng)過試驗(yàn)參數(shù)的反復(fù)修訂，從柑橘進(jìn)入夾具開始，完整橘皮的制取可在12秒內(nèi)完成，結(jié)果如圖10所示。單刀連續(xù)工作效率超過3個(gè)純手工，多刀頭聯(lián)動(dòng)加工，相當(dāng)于10人以上同時(shí)工作。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results

試驗(yàn)的橘皮樣品，開孔刃口清晰光滑，外觀無變形，橘皮內(nèi)表面無殘留，經(jīng)過100個(gè)尺寸相近的鮮果試驗(yàn)，合格率達(dá)到97%以上，遠(yuǎn)超過純?nèi)斯ず细衤?1%及氣動(dòng)生產(chǎn)線的93%，且通過橘皮厚度設(shè)定，合格率可達(dá)到99%以上，完全滿足柑普茶制作工藝要求。

6 結(jié)論

利用原理樣機(jī)進(jìn)行柑普茶完整橘皮制取試驗(yàn)，成功利用生產(chǎn)線完成橘皮分離，制取出厚度均勻帶上下開孔的完整橘皮。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）原理樣機(jī)設(shè)計(jì)的方案通過開孔、去芯和碎果肉3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)完整橘皮加工合理可行。

（2）通過合理設(shè)計(jì)刀具夾具的尺寸匹配關(guān)系、加工流程及刀具的球形切削空間運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法能夠正確有效剝離果肉。

（3）通過內(nèi)夾具厚度及刀具尺寸調(diào)整，試驗(yàn)樣機(jī)可適應(yīng)直徑45 mm以上規(guī)格的柑橘加工。

（4）橘皮根據(jù)生產(chǎn)需要，厚度設(shè)定為恒定值，均勻程度和質(zhì)量可通過碎果肉刀具插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的軌跡確定。試驗(yàn)測定橘皮厚度設(shè)定值在1.5～2.0 mm之間，為保證加工質(zhì)量，厚度應(yīng)大于1.0 mm。

通過后續(xù)優(yōu)化可進(jìn)一步提升效率和加工能力，此樣機(jī)包含的關(guān)鍵技術(shù)，可應(yīng)用于大批量完整柑普茶橘皮的生產(chǎn)。