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蘋果去皮機(jī)
指導(dǎo)老師：
摘要：分析了我國(guó)水果罐頭的行業(yè)的現(xiàn)狀，根據(jù)行業(yè)弊端提出行業(yè)加工領(lǐng)域的機(jī)械化、連續(xù)化程度的重要性。本設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括蘋果去皮機(jī)的總體設(shè)計(jì)、內(nèi)部傳動(dòng)設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)部分的計(jì)算、校核和部分標(biāo)準(zhǔn)件的選擇等，描述了機(jī)器的工作原理。本設(shè)計(jì)在手搖式蘋果去皮機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了蘋果去皮的自動(dòng)化。
關(guān)鍵字：蘋果去皮機(jī)；齒輪傳動(dòng)；設(shè)計(jì)
0前言
隨著我國(guó)水果罐頭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及世界其他國(guó)家對(duì)水果罐頭越來越多的需求，我國(guó)水果罐頭出口的發(fā)展面臨著良好的機(jī)遇。我國(guó)果品罐頭產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)和一定的市場(chǎng)份額【1】。盡管高新技術(shù)在我國(guó)果品加工業(yè)得到了逐步應(yīng)用，加工裝備水平也得到了明顯提高，但是由于缺乏有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)與管家制造技術(shù)，造成了我國(guó)果品加工業(yè)總體與加工裝備的最大問題就是加工過程中自動(dòng)化、連續(xù)化程度低，對(duì)先進(jìn)技術(shù)的掌握、使用、引進(jìn)、消化能力差。以蘋果罐頭為例：目前蘋果罐頭加工的主要工序仍要停留在人工操作水平上，機(jī)械化水平極低，這將在很大程度上限制生產(chǎn)效率及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
相比于蘋果生產(chǎn)，我國(guó)蘋果加工業(yè)整體能力薄弱，發(fā)展明顯弱勢(shì)，機(jī)械自動(dòng)化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方國(guó)家【1】。蘋果削皮是罐頭加工企業(yè)所必須的工藝流程，目前去皮設(shè)備大多都停留在手動(dòng)去皮程度，靠人工轉(zhuǎn)動(dòng)手柄、手動(dòng)將蘋果逐個(gè)插到固定針上或者手工持刀去皮，不僅生產(chǎn)效率低，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且很容易造成工傷事故；因此設(shè)計(jì)開發(fā)一種自動(dòng)化蘋果去皮能有效地解決加工過程自動(dòng)化及連續(xù)化水平低的問題，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和事故率，對(duì)其他果品加工也同樣適用。
1．蘋果去皮機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景
1.1蘋果去皮機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
據(jù)調(diào)查，當(dāng)前蘋果去皮機(jī)大體可以分為以下幾種【2】：
1.1.1手工去皮
手工去皮的優(yōu)點(diǎn)是細(xì)致，去皮徹底，損耗小。缺點(diǎn)是速度慢、功效低、成本高。對(duì)于生產(chǎn)量較大的情況下，手工去皮是無法適應(yīng)的【2】。
1.1.2半機(jī)械去皮
半機(jī)械去皮是借助于機(jī)具將果品固定在一個(gè)位置上，并使其轉(zhuǎn)動(dòng)，然后用刀將皮削去。常見的機(jī)具有兩種：
（1）手搖去皮機(jī) 該機(jī)主要應(yīng)用于蘋果、梨子、柿子的去皮。其工作原里是：將果實(shí)插在不銹鋼制的三叉上，插時(shí)花蒂對(duì)準(zhǔn)中心線。搖動(dòng)手柄使主齒輪傳動(dòng)，并傳動(dòng)三叉齒輪而使果實(shí)一起動(dòng)。主動(dòng)輪另一端的傘齒輪傳動(dòng)去皮傘齒輪而使果實(shí)去皮。去皮結(jié)束后，手動(dòng)將蘋果拔掉。該機(jī)的生產(chǎn)效率隨操作者的熟練程度而定。
（2）手動(dòng)去皮機(jī) 上面介紹的手搖去皮機(jī)其動(dòng)力是靠人。手動(dòng)去皮機(jī)其動(dòng)力是電機(jī)，將果品的花芯對(duì)準(zhǔn)中心線并插在不銹鋼的三叉上，叉由電機(jī)來傳動(dòng)，在果品的另一端加頂針，然后手持去皮刀隨果品弧度去皮，削皮結(jié)束后放開頂針，用手拔掉果品。該機(jī)的生產(chǎn)效率、去皮厚度及均勻程度隨操作者的熟練程度而定。
1.2蘋果去皮機(jī)應(yīng)用展望
目前，還有很大部分企業(yè)在蘋果加工方面均采用手搖式蘋果去皮機(jī)。該機(jī)械結(jié)構(gòu)小巧，方便實(shí)用，并且容易制造加工。但隨著人們生活水平的提高，很多人不愿意直接動(dòng)手操作機(jī)械，希望能有一些電動(dòng)控制工具，以節(jié)省人力。傳統(tǒng)的蘋果去皮機(jī)，不論是生產(chǎn)效率還是生產(chǎn)質(zhì)量，根本不能滿足使用要求，急切需要能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制的蘋果去皮機(jī)。所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將針對(duì)傳統(tǒng)蘋果去皮機(jī)的一些缺陷，提出優(yōu)化的改進(jìn)，在動(dòng)力源方面采用電動(dòng)機(jī)和齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)利用機(jī)電技術(shù)控制的蘋果去皮機(jī)設(shè)計(jì)，以滿足各企業(yè)對(duì)蘋果生產(chǎn)制作的要求，增強(qiáng)蘋果類食品開發(fā)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的潛力和實(shí)力【3】。
2. 去皮機(jī)設(shè)計(jì)
2.1去皮機(jī)整體工藝
一般蘋果罐頭的生產(chǎn)工藝為【4】 ：蘋果挑選->洗滌->去皮、清洗->切半、控芯->真空浸漬->瀝水->烘烤->裝罐->排氣、密封->殺菌、冷卻->貼標(biāo)貯藏。
本論文主要討論去皮工藝自動(dòng)化過程，整個(gè)去皮經(jīng)過的裝置為：儲(chǔ)料倉->傾斜式輸送帶->行星撥輪機(jī)構(gòu)->機(jī)械手上料裝置->去皮機(jī)構(gòu)。
蘋果在向上傾斜式輸送帶上輸送：蘋果的形狀特征（畸形蘋果除外）決定蘋果只有上下兩面可以在傾斜輸送帶上停留，蘋果由儲(chǔ)料倉進(jìn)去輸送帶的時(shí)候，若蘋果側(cè)面垂直于輸送帶則蘋果滾落。輸送帶的傾角可根據(jù)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到，決定傾角的條件為：蘋果上下面垂直于輸送帶時(shí)可順利運(yùn)輸，其他情況則蘋果滾落。
行星撥輪機(jī)構(gòu)是典型的整理及輸送裝置，在這里主要用來將蘋果按一定時(shí)間間隔送至機(jī)械手抓取蘋果工位。
2.2去皮機(jī)的設(shè)計(jì)
為提高生產(chǎn)效率并使成本增幅盡量減小，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械手自動(dòng)上料，雙向轉(zhuǎn)盤完成蘋果上料、削皮工位轉(zhuǎn)換。根據(jù)加工品形狀特征，蘋果削皮采用蘋果自轉(zhuǎn)仿形道具徑向移動(dòng)的方式。
2.2.1去皮機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理
其中供料機(jī)械手采用三爪氣缸式 可自動(dòng)對(duì)心將蘋果對(duì)中地插在插針6上。各爪內(nèi)側(cè)采用三角形槽面可靠地夾取蘋果防止脫落。
機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示氣缸推桿的運(yùn)動(dòng)決定手爪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，滑桿3與手爪4形成滑動(dòng)幅當(dāng)推桿做伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑桿上滑，手爪張開蘋果脫離；縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪閉合，抓取蘋果。
去皮機(jī)主要由供料機(jī)械手、蘋果工位轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)臺(tái)、刀具驅(qū)動(dòng)裝置三個(gè)主要部分組成， 如圖2所示 去皮機(jī)工作的前提是為其提供一供料裝置，該供料裝置應(yīng)使蘋果均以蘋果梗向上或向下的狀態(tài)停在固定位置，以供機(jī)械手夾取蘋果。去皮機(jī)工作流程圖如圖3所示 機(jī)械臂、轉(zhuǎn)臺(tái)、插針以及搖臂的旋轉(zhuǎn)均采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)；系統(tǒng)采用齒輪傳動(dòng)；卸載托圈在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用絲杠將電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為托圈的直線運(yùn)動(dòng)。該機(jī)中各運(yùn)動(dòng)部件的極限及關(guān)鍵位置均設(shè)置限位開關(guān)，用以控制各運(yùn)動(dòng)部件在關(guān)鍵位置的啟動(dòng)與停止。
2.2.2去皮仿形道具設(shè)計(jì)
該刀具設(shè)計(jì)圖如圖4所示。為便于觀察，將其外部構(gòu)件半剖并設(shè)為透明顯示。其刀刃采用鋸齒狀設(shè)計(jì)，使其容易切穿果皮；其外部構(gòu)件保證其刀刃切入深度保持在一定限度內(nèi)，防止過分削皮乃至浪費(fèi)了果肉部分。其刀具座上以及刀具上均有卡槽，可用卡環(huán)將刀片固定于刀座上。而刀座插入外部構(gòu)件的圓形孔內(nèi)，并以螺絲固定，刀具的外部構(gòu)件尾部設(shè)有方形孔此方形孔用以仿形刀電磁鐵銜鐵的插入并固定。切削蘋果時(shí)，以彈簧繃緊刀具貼于蘋果表面達(dá)到仿形加工的目的；非切削時(shí)電磁鐵通電將銜鐵吸起，仿形刀具可參考家用水果削皮機(jī)的刀具，并在尺寸 外部構(gòu)件及刀具形狀上有所改進(jìn)。該刀具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單巧妙，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
2.2.3系統(tǒng)的實(shí)用性分析
機(jī)械手擁有較大的操作空間和高度的運(yùn)動(dòng)冗余性，具有廣闊的應(yīng)用前景。很多大型制造業(yè)使用的機(jī)械手產(chǎn)品多來自于日本和歐美的一些制造業(yè)大國(guó)。這些企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械手價(jià)格高昂，國(guó)內(nèi)的大多數(shù)中小型企業(yè)難以承擔(dān)，目前我國(guó)的加工制造業(yè)還基本處于半自動(dòng)化狀態(tài)本設(shè)計(jì)研制的機(jī)械手經(jīng)濟(jì)實(shí)用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)中精度較高，非常適合中小型加工企業(yè)，另外它的動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸又由相應(yīng)的電磁閥控制，控制系統(tǒng)使用，可使整體體積小、可靠性高、故障率低、動(dòng)作精度高，對(duì)于質(zhì)量較小的水果，也可以直接采用手抓氣缸進(jìn)行抓取選用時(shí)應(yīng)綜合考慮成本及產(chǎn)品特征。
該設(shè)計(jì)只是針對(duì)蘋果去皮工藝設(shè)計(jì)的工位結(jié)構(gòu)，若考慮后續(xù)的切塊過程，可在轉(zhuǎn)臺(tái)上增加2個(gè)工位 轉(zhuǎn)臺(tái)每次旋轉(zhuǎn)900第1工位:蘋果插針；第2工位:方向加工去皮；第3工位:切塊；第4工位：蘋果核剝離。其轉(zhuǎn)動(dòng)角度完全可以通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，該部分具有很大的靈活性。
3總結(jié)
通過對(duì)蘋果去皮機(jī)工作原理的精確分析以及各部件的理論設(shè)計(jì)，確定了全自動(dòng)蘋果去皮機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案 首次將蘋果去皮機(jī)推向全自動(dòng)無人監(jiān)管形式，更好地提高了生產(chǎn)效率避免了工傷事故的發(fā)生，從某種程度上緩解了企業(yè)的研發(fā)及創(chuàng)新能力薄弱，技術(shù)落后的現(xiàn)狀【5】。
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