一種智能水果切削裝置的設計與仿真

唐鵬輝 康穎安 汪侃炎 錢程 陳思涵

摘 要：基于對當前市面上已有的一些水果切削裝置調研分析，我們發現存在的產品可以分為半自動式和全自動式兩類，但這兩種都存在一定的局限性，大部分都只能單一地完成水果外皮的去除或者果肉切塊，而且其操作方式也都是需要人手動的啟動運行。基于此，同時也為了提升智能科技在大眾生活中的存在感，我們設計了一種可用語音控制工作且將削皮和切塊功能結合的新型智能水果切削裝置。

關鍵詞：水果;切削裝置;設計;仿真

中圖分類號：TH122文獻標識碼：A

水果對于人體的健康十分有益，大部分人每天都會食用水果。但是，隨著農業技術的發展，水果種植者在栽培過程幾乎都會使用農藥來保證水果的質量，一些不法商家還會為維持水果色澤給水果使用工業果蠟，因此我們在食用水果前會選擇削去水果的外皮，部分人還會將去除外皮的水果進行切塊用于制作水果拼盤。當前已有的一些水果切削裝置只能完成單一的削皮或者切塊工作，當下物聯網、人工智能等新興技術帶來了科技生活的重大變革，很多智能化的產品都已飛入尋常百姓家，基于此，我們設計了一種結合智能語音控制并將削皮、切塊功能整合的新型水果切削裝置，用于提高水果食用前處理效率和提升大眾的智能生活體驗感[1-3]。

1 總體方案與工作原理

1.1 總體方案

智能水果切削裝置由控制單元、切削刀具單元、收集盒、電機一、電機二、電機三、電機四、壓力傳感器、齒輪、絲杠一、絲杠二、絲杠三、推桿、托盤、插架、底座、頂蓋等構成，如圖1所示。其中，所述控制單元為整個裝置的大腦，采用開源電子平臺Arduino提供的語音模塊-ASR Board語音識別控制板，模塊對應有“切塊”“切皮”“切皮后切塊”三個語音指令;所述切削刀具單元包含切塊刀、削皮刀。控制單元及四個電機均放置在頂蓋內部，三根絲杠分別安裝在底座的左、右、后端（此文中所述的左、右、后方位僅僅限于圖1中），切塊刀與削皮刀分別通過螺紋配合安裝在絲杠一、絲杠二和絲杠三上，絲杠兩端都通過滾動軸承安裝在底座和頂端對應的軸承座中，托盤安裝在推桿的上端并且同推桿一致安裝在底座的正中央（切塊刀的正下方），絲杠均由對應的電機驅動，實現絲杠的旋轉，帶動切塊刀和削皮刀向下運動，完成切塊和削皮工作。插架一端用鍵連接齒輪，通過電機四及齒輪與齒輪之間的嚙合傳動使插架做回轉運動，從而帶動水果在削皮時繞水果中心軸線旋轉。兩個收集盒分別為對稱可抽出式，可從底座的左右兩側抽出，用來取出收集的果皮及果塊。

1.2 工作原理

裝置接入電源，驅動動力由電機提供，但電機的工作（正反轉）、停止均有控制單元根據使用者語音輸入的“切塊”“切皮”“切皮后切塊”指令間接控制，見圖2。切塊和削皮工作也均相互獨立，完全依據使用者輸入的指令實現相應功能，工作完成后自動復位。

削皮過程：推桿帶動放置在托盤上的水果上升被插架插入達到固定作用，水果頂端與插架上的壓力傳感器接觸產生壓力，電機三驅動絲杠三帶動削皮刀向下移動，同時，插架被電機四驅動帶動水果繞中軸線旋轉，通過削皮刀的平移和水果自身的旋轉實現削皮過程。

切塊過程：電機一、電機二分別驅動絲杠一、絲杠二運動，從而帶動切塊刀向下移動完成對水果的切塊工作。

果皮及果塊或僅去除果皮的水果收集：果皮和果塊都會在削皮、切塊過程由于重力掉入下方的收集盒中，將收集盒從兩側抽出即可得到果皮和果塊，僅需進行去除外皮的水果待完成削皮工作人為從插架取出即可。

2 主要結構設計

2.1 切塊刀與削皮刀

2.1.1 切塊刀

切塊刀由刀片、刀架構成，見圖3。切塊刀兩端的孔內設置有與絲杠一、二配合的螺紋，切塊刀安裝在絲杠一、二上，刀架的缺口設計為了防止在工作過程中發生運動干涉，刀片中間的圓形設計是切除某些存在果核的水果（如蘋果、梨子）。

2.1.2 削皮刀

削皮刀由刀架、刀片、刀托、輔助頭、調節彈簧構成，見圖4。刀架一端安裝在絲杠三上，刀片和輔助頭嵌套于刀托內部，刀托外緣套有一個調節彈簧，整個刀托扣鎖在刀架內，但其可以發生一定的軸線方向位移。調節彈簧便于使刀片與水果貼合，保證切皮的連續性;輔助頭是為了防止刀片過度切除果肉，使果皮去除的經濟性提高。

2.2 傳動單元

絲杠在工作過程需進行正反轉，其驅動電機采用步進電機，步進電機的電機軸端通過聯軸器與絲杠相連接，使電機扭矩和轉速輸入到絲杠上，絲杠螺母副再將旋轉運動轉換為切塊刀、削皮刀的上下直線運動（圖5中僅標注了絲杠一的傳動結構，絲杠二、絲杠三傳動結構同絲杠一一致），絲杠完成一次運動后控制單元通過設定時間自動控制電機反轉。插架的驅動由電機四的電機軸端通過鍵連接的齒輪與插架端的齒輪嚙合傳遞轉速，從而完成插架的旋轉運動。軸傳動單元如圖5所示。

3 運動仿真測試結果

基于三維仿真軟件對智能水果切削裝置運動仿真結果如圖6所示。圖6（a）為切塊刀在工作時移動速度變化情況，圖6（b）為削皮刀在工作時移動速度變化情況。通過對仿真結果分析，智能水果切削裝置在切塊和削皮過程中切塊刀和削皮刀的速度都比較平穩，且都是勻速運動。

4 結語

智能水果切削裝置的運動仿真結果表明，裝置在切塊和削皮過程中切塊刀和削皮刀的速度都比較平穩，且都是勻速運動，能夠保證水果去皮及切塊的質量。同時我們的設計方案將削皮和切塊兩種功能結合在一起，采用語音輸入指令來控制水果的切削，該裝置不僅滿足了人們對于水果切削的需求，而且使用方便、安全，還達到了一定的智能化程度。

參考文獻：

[1]陳翰乙旭.一種簡易水果削皮器[J].科學技術創新，2019（07）：136-137.

[2]侯欣欣，宋健，解福祥，陸子幸.小型自動水果削皮機的設計與仿真[J].山東工業技術，2018（07）：9+25.

[3]唐紅凱.水果削皮器的設計[J].機械工程師，2013（10）：3-5.

基金項目：2019年度湖南省大學生創新訓練計劃項目（S201911342031）

作者簡介：唐鵬輝（1999—），男，漢族，湖南衡南人，本科在讀，研究方向：智能水果切削裝置的設計。