基于車螺紋原理的自動(dòng)切菠蘿機(jī)研究

摘要：基于車螺紋的原理來實(shí)現(xiàn)菠蘿去皮與去刺。對(duì)菠蘿采用單刀削皮、單刀循環(huán)切除菠蘿刺的結(jié)合方式，以刀具運(yùn)動(dòng)曲線配合螺紋曲線方式切割，匹配菠蘿彎曲輪廓，采用機(jī)電結(jié)合方式，以不同按鍵的選擇控制不同螺紋頭數(shù)，在上下頂尖夾緊菠蘿的情況下，主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩把刀具做直線運(yùn)動(dòng)完成切削效果。

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關(guān)鍵詞：切菠蘿 車螺紋原理 機(jī)電結(jié)合

1.背景：

菠蘿既是盛夏消暑、解渴的珍品，也是良好的減肥、健康水果。市面上菠蘿主要為小商販，家庭個(gè)人和食品加工廠所使用，但一直缺少一種簡(jiǎn)便又高效切除菠蘿皮與刺的機(jī)器。因此，我們提出了一個(gè)新型切菠蘿機(jī)，利用車床車削螺紋的原理來設(shè)計(jì)這款新型切菠蘿機(jī)。

2.菠蘿特征分析

雖然不同種類的菠蘿形狀、大小差別很大，但同一種類的菠蘿大部分特征還是在一定范圍以內(nèi)。在同類型菠蘿的分析中發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)參數(shù)的波動(dòng)范圍不大，仍在可控制范圍之內(nèi)，根據(jù)我們所做的調(diào)查，高度波動(dòng)：170～280mm；直徑波動(dòng)：125～190mm；螺紋頭數(shù)變化：7～11；菠蘿眼（刺）深度、皮厚：基本相同。

3.方案設(shè)計(jì)

基本思路：由車床車螺紋的工作方式為基本原理，可高效利用菠蘿果肉。關(guān)鍵在于解決原本菠蘿螺紋不同頭數(shù)，螺紋曲線、菠蘿彎曲輪廓，菠蘿尺寸大小，削皮切刺同步完成等難題，最終成品需簡(jiǎn)便小巧，適應(yīng)同類菠蘿的不用大小尺寸、螺紋頭數(shù)，有效的切除菠蘿毛刺。

3.1.刀具設(shè)計(jì)：

輪廓自適應(yīng)問題：考慮到菠蘿大小不同，輪廓不同，如果在機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)方案做成通過機(jī)構(gòu)調(diào)整切削運(yùn)動(dòng)，會(huì)使機(jī)器產(chǎn)生很多沒有必要的復(fù)雜機(jī)構(gòu)。這里借用蘋果削皮器的切削自適應(yīng)原理，采用彈簧自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。刀具削皮部分直接使用彈簧壓刀于菠蘿表面，而在去眼部分，需要防止刀具固定而使菠蘿切削螺紋上下淺中間深的情況，同樣需要令刀具緊貼菠蘿表面，采用一平面削皮刀片和V形去眼刀片結(jié)合的方式，刀片做成整體，連接在直線推桿上，刀具與推桿間用彈簧連接，減去一個(gè)方向的自由度，使刀具自適應(yīng)一定范圍內(nèi)大小形狀不同的菠蘿，自適應(yīng)菠蘿輪廓的弧形。

切削適應(yīng)性問題：經(jīng)過試驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，菠蘿皮韌性很大，倘若直接切削，菠蘿皮難以切斷，導(dǎo)致堵塞刀具口，擋住鋒利刀刃。故設(shè)計(jì)成分刀工作，削皮去刺兩步進(jìn)行，兩個(gè)推桿各裝一把，先削皮，后取刺。

3.2.運(yùn)動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)：

運(yùn)動(dòng)方式主要配合螺旋線方式，分解為縱向直線運(yùn)動(dòng)和平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過電機(jī)和推桿實(shí)現(xiàn)，以速度配合達(dá)到螺旋效果。使安裝在推桿上的刀具劃出螺旋軌跡，切削掉菠蘿刺。通過設(shè)定單片機(jī)的程序，實(shí)現(xiàn)7～11個(gè)螺紋頭數(shù)的運(yùn)動(dòng)變換。只需按鍵選擇頭數(shù)，程序自動(dòng)執(zhí)行改螺紋數(shù)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

3.3.夾具設(shè)計(jì)：

菠蘿外圍是刀具行走的位置，因此只有固定其上下兩端才是固定菠蘿最行之有效的方法。在驅(qū)動(dòng)菠蘿旋轉(zhuǎn)的電機(jī)外伸部分安裝了三叉固定零件，用以固定菠蘿底部。上部采取活動(dòng)頂尖，通過插銷按需要固定在上蓋中。

3.4.外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

此次設(shè)計(jì)中，直線電機(jī)占據(jù)了整個(gè)機(jī)器內(nèi)部的大部分空間和重量，因此外圍結(jié)構(gòu)部件主要采用輕型而有良好塑韌性的金屬。底座部分是角鋁貼合，中部依靠電機(jī)結(jié)構(gòu)安裝塑料定位點(diǎn)，上面覆以一層鐵皮防止菠蘿汁液流入電路空間；側(cè)圍使用了四根鋼條，一方面平衡電機(jī)的重量，一方面為加固上面的有機(jī)玻璃作牢靠的基本骨架。上面采用有機(jī)玻璃，用戶可以看清里面刀具實(shí)際加工菠蘿的狀態(tài)，便于監(jiān)控切削過程。廢料抽屜安裝在中部?jī)蓚?cè)，方便用戶清理。

4.算例分析：

Von Mises應(yīng)力分析結(jié)果：刀具通過彈簧的反作用力所產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的極限許用應(yīng)力，作為危險(xiǎn)點(diǎn)的推桿伸出位置的最低點(diǎn)的應(yīng)力也滿足實(shí)驗(yàn)要求。刀具通過彈簧的反作用力所產(chǎn)生的水平位移的極限值對(duì)壓力角的影響微乎其微，從而不會(huì)產(chǎn)生卡死等問題。終上所述，滿足評(píng)定的各項(xiàng)指標(biāo)。

5.電機(jī)選擇：

在基本運(yùn)動(dòng)方案設(shè)定好之后，考慮到切削菠蘿的受力和速度情況，運(yùn)動(dòng)方案受力不大，速度不高。根據(jù)市場(chǎng)上常用的電機(jī)種類，選擇推桿空載速度每秒60mm，WD-A-1L型直流電動(dòng)推桿L型推桿電機(jī)，推桿推程150mm，適用電壓24V，可承受力6000N。扭矩電機(jī)需選用自帶減速增扭矩裝置的電機(jī)，配合直線推桿，統(tǒng)一選用24V電源控制電源適配器選擇：通過理論分析選擇好電機(jī)之后，初定選定電壓、功率。按一定安全系數(shù)，選取70W功率電源適配器。

6.最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能：

刀片削皮、準(zhǔn)確切除菠蘿籽；廢料處理便捷，清洗方便；程序控制，一經(jīng)設(shè)定，自動(dòng)完成所有任務(wù)；人機(jī)交互界面，多檔支持，個(gè)性化控制。

作者簡(jiǎn)介：袁晨旺（1991-，男，江蘇海門人，工作單位：東華大學(xué)，職務(wù)：學(xué)生。

謝志軍（1991-，男，安徽蕪湖人，工作單位：東華大學(xué)，職務(wù)：學(xué)生。