一種芒果削皮機的設計

吳有明，莫名韶

（南寧職業(yè)技術學院，廣西 南寧530008）

隨著社會經(jīng)濟的進步和發(fā)展，人們對食品深加工的要求日益提高，也促使食品加工設備行業(yè)的技術改進不斷升級，當今的很多食品加工設備是集成了光、機、電、氣等一體化的機械電子設備，各類先進技術成熟的自動化元器件得到廣泛應用，將食品加工設備由機械化推向自動化。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，勞動力需求量大，勞動繁重。因此設計出機械結構簡潔、控制系統(tǒng)穩(wěn)定去皮效果優(yōu)良的機電一體化芒果去皮設備具有十分廣闊的市場前景[1]。

1 總體設計

1.1 芒果去皮機的設計要求

芒果去皮機應滿足進料、夾緊、去皮、出料這四個基本工藝過程，物料加工連續(xù)進行，每個芒果的去皮加工應該盡可能均勻，去皮厚度盡可能一致，接近人力手工操作，并且芒果表面不應有欠去皮部位或者過度去皮的部位，整機設備運行穩(wěn)定高效，總體結構簡潔，維護保養(yǎng)方便。主要技術參考指標有：芒果尺寸長度在10-15 cm之間，直徑在8-14 cm之間，單機加工能力為每分鐘至少去皮3個芒果。單個芒果去皮加工的流程如圖1所示。

圖1 芒果削皮機動作流程圖

1.2 設備總體結構和削皮工作原理

依據(jù)芒果削皮機設定的工藝過程，芒果削皮機的機械機構可分別對應設計為進出料機構、夾緊機構、切削機構共三大部分組成。因進料與出料的動作需求是一致的，因此可以由同一傳送帶來完成。

如圖2所示，芒果削皮機設置有料槽6，用于盛放單個芒果，料槽安置在傳送帶7之上，芒果的進料和出料都有傳送帶完成，每次去皮加工時，傳送帶將芒果運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，同時下一個待加工芒果由傳送帶送入加工位置。對每個芒果進行去皮加工的過程是，夾緊推桿1先向下運動，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，之后切削軸向移動電機5和切削橫向移動推桿4帶動切削頭3在芒果表面沿著芒果軸向方向進行切削，每次軸向切削運動完成后，夾緊頭2上的電機會轉(zhuǎn)過一定角度，帶動夾緊頭轉(zhuǎn)動，從而帶動芒果轉(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行一次切削，重復以上多次連續(xù)地給芒果“轉(zhuǎn)身”并旋轉(zhuǎn)切削操作之后，實現(xiàn)將芒果表皮完全去除的目的。

圖2 總體結構圖

2 機械結構設計

2.1 進出料機構

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

2.2 夾緊機構

芒果的夾緊機構主要由夾緊推桿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計加工成圓柱形狀，并由一電機驅(qū)動。夾緊頭2的作用有兩個，一是在切削加工時夾緊芒果，二是切削的間隙時間電機轉(zhuǎn)動帶動芒果轉(zhuǎn)過一定的角度，把剛切削過的芒果表面部分轉(zhuǎn)動從切削刀具的加工范圍移開，將未加工的表面表皮轉(zhuǎn)動移入刀具切削范圍內(nèi)。

2.3 切削機構

切削機構主要由三個電機和旋轉(zhuǎn)刀片組合而成，切削軸向移動電機5配合絲杠或者同步帶，其作用是帶動刀具可以沿著芒果軸線方向移動，切削橫向移動推桿4的作用是帶動切削刀具頭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)動電機組合而成，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，橫向移動電動推桿4會在軸向移動電機的帶動下沿著芒果1的軸向方向運動，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，橫向電動推桿不需要作高精度的移動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動，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。本芒果削皮機的設計沒有采用類似的加工動作，而采用夾緊頭轉(zhuǎn)動的方式，在芒果中部進行旋轉(zhuǎn)，帶動芒果轉(zhuǎn)動的方式，不影響去皮刀具對芒果兩端的去皮加工，因此可以保留更多的果肉，同時，旋轉(zhuǎn)刀具的運動采用彈性連接桿，在一定程度上模擬了人工去皮的動作，彈性連接桿的變形一方面保持了刀具與芒果的接觸，另一方面實現(xiàn)了刀具與芒果之間接觸力的有限的小范圍的波動，去皮深度變化有限。優(yōu)化的機械結構設計，取代了測距或測力傳感器的使用，對降低設備復雜性、制造成本，提高運行可靠性均有幫助[2]。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 芒果削皮機的控制系統(tǒng)組成

依據(jù)芒果削皮機的機械電氣結構，對應每個機械運動部件，設計其控制系統(tǒng)。進料和出料的傳送帶的控制由于需要精確的定位，控制每次芒果進入加工區(qū)域的位置是準確的，因此采用控制精度較高的步進電機進行驅(qū)動。壓頭的每次旋轉(zhuǎn)帶動芒果轉(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確，該電機也采用步進電機進行驅(qū)動。其他的四個運動，出于成本和精度要求的考慮，采用直流電機即可。根據(jù)以上分析該芒果削皮機的控制系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 芒果削皮機控制系統(tǒng)

3.2 芒果削皮機控制流程

該芒果削皮機的主控制器采用C8051單片機，驅(qū)動步進電機驅(qū)動器TB6560和直流電機驅(qū)動器L298N協(xié)同運動。依據(jù)之前設計的加工工藝流程，逐步確定步進電機、各推桿直流電機的運動順序，設計控制系統(tǒng)工作流程，并編制相應的控制程序[3]。單片機控制器程序的控制流程如圖5所示。

圖5 單片機程序控制流程

4 結語

本文從實際應用的角度出發(fā)，參考了人工手工去除芒果表皮的操作方法，設計完善了芒果去皮加工的工藝流程和對應的削皮機的機械結構、控制系統(tǒng)，可以滿足芒果去皮的加工要求。該裝置集成了機械、電氣等機電一體化技術，采用技術成熟的市場常見規(guī)格的元部件合理組合而成。在切削頭的設計上采用了彈性元件，減少了傳感器的使用，簡化了系統(tǒng)復雜性，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，該設計從效果到實現(xiàn)成本上均優(yōu)于常規(guī)的使用實時距離檢測調(diào)整切削深度的方式。該芒果削皮機的機械結構設計思路對其他不規(guī)則形狀農(nóng)產(chǎn)品的去皮等加工實現(xiàn)機械化自動化也是有益的參考。