水果自動削皮機的設計與試驗

康玉輝，李景陽

河南工學院機械工程學院（新鄉 453003）

隨著社會的進步和生活水平的提高，人們對深加工水果的需求越來越高，推動食品加工設備不斷提升。在蘋果、梨等水果的罐裝加工行業，對水果去皮、去核、切瓣是加工過程中的重要工序，而目前多數企業的水果的削皮切瓣加工基本采用傳統的人工削皮，手工削皮效率低，去皮厚度沒法保證，存在嚴重浪費，且衛生無法保證；也有一些企業引入了半自動去皮機，需要每臺削皮機配備至少一個工人，一般是通過人工將水果插入自動削皮機的插針上或者放在削皮機的吸盤上，削皮機完成削皮動作，這種方式不但耗費人工，而且效率不高，且存在一定危險，容易產生事故[1-6]。所以市場上亟須一種全自動高效率且低風險的削皮機，以解決上述技術的不足和高強度的勞動及浪費問題。因此設計一款操作簡單、系統穩定可靠、加工效果優良的機電一體化去皮切瓣設備，具有廣闊的市場前景。本文主要針對蘋果、梨等果核水果，設計一款全自動削皮去核一體機。

1 整體結構設計

1.1 工藝要求

削皮機應滿足的工作要求：（1）速度快，平均單果的處理速度應在3 s以內；（2）去掉的皮薄，在保證削皮質量的情況下，消掉的皮越薄越好，應控制在2 mm以內；（3）操作簡單，最好能一鍵操作，且具有較高的穩定性，維護方便。

通過分析水果削皮去核的過程可得，削皮機應該具有自動送料、位置矯正，去皮去核、切瓣等功能[7-9]。其工作流程是：在電動機驅動下，物料經過輸送帶逐個進入位置擺正工位，通過圖形識別系統進行位置識別，剔除位置不對的物料，將已擺正的物料通過送料氣缸送入指定位置，在氣缸的作用下插入果叉，在工作盤帶動下進入削皮、切瓣去核、果核剝離工序。其工藝流程如圖1所示。

圖1 水果削皮機工藝流程圖

1.2 整體結構與工作原理

根據工藝流程，削皮機主要包括物料輸送機構、位置矯正機構、定位插果機構、削皮機構、沖核切瓣機構及果核剝離機構等部件[10-13]。其結構原理圖如圖2所示，物料通過輸送部件1逐個通過位置矯正料斗4掉入定位部件2的料盤中，物料在掉落的過程中一般會由于重力的作用實現果柄和果蒂的上下位置，但由于個別物料的外形原因，無法達到此位置，所以需要位置檢測部件5對物料位置進行檢測并剔除位置不正確的水果，位置正確的水果通過定位部件2到達指定位置，插果氣缸10將其推入工作轉盤部件7上的插針內，然后工作轉盤旋轉，進入削皮工位，削皮部件8對其作削皮處理，然后旋轉進入切瓣工位，沖核切瓣部件9對其作切瓣處理，最后進入果核剝離工位6。

削皮部件是一個多自由度的手臂，主要由舵機、彈簧、切刀等組成，物料進入削皮工位時，刀片會在舵機的作用下完成下放并在彈簧的作用下緊貼水果表面，水果皮會在貼緊力的作用下被一圈圈削下來，并落入下方的物料桶內。

沖核切瓣工序主要完成果肉的切瓣及與果核的分離，切瓣刀會在氣缸的帶動下自下而上完成果肉與果核的分離，并將果肉切為六瓣，切好的果瓣會掉入下方的物料桶內，而果核會留在插針上，通過果核剝離機構將其與插針分離，果核剝離主要是通過裝在氣缸的壓片在氣缸力的作用下對果核下壓完成，壓下來的果核同樣會掉入下方的物料桶內。

圖2 水果削皮機結構原理圖

2 關鍵部件設計

2.1 工作轉盤結構設計

工作盤的主要作用是實現插果、削皮、沖核切瓣及果核剝離工位的轉換，且每個工位要按要求完成對應的工作，并且要按一定時間間歇運動，且要求其在削皮工位時能夠使物料隨果叉自轉，在插果、沖核切瓣和果核剝離工位果叉靜止不動[14]。

工作轉盤結構圖如圖3所示，其整體外形為圓盤形，盤上均勻安裝4組完全相同的果叉組件，每個果叉組件上均裝有果叉轉動從動齒輪9及3根均勻分布的果叉針14，工作盤通過平面推力軸承固定在安裝架8上。工作盤工位的轉換通過步進電機帶動同步帶輪減速實現轉動，通過控制步進電機的間歇轉動實現工作盤的間歇運動，定位盤16上裝有定位傳感器12，與裝在工作盤上的定位傳感器感應片15配合實現其位置的精確定位。果叉的自轉通過果叉轉動電機1及果叉轉動主動輪2帶動果叉轉動從動輪9轉動實現，當果叉進入削皮工位時，果叉轉動主動輪2與果叉轉動從動輪9嚙合，帶動果叉轉動，削皮完成后，工作盤轉動使果叉轉動從動輪9與果叉轉動主動輪2脫離，果叉轉動隨之停止，后一個工位上的果叉組件進入嚙合位置，如此循環往復。

圖3 工作轉盤結構圖

2.2 削皮組件結構設計

削皮采用旋轉切削原理，物料隨著果叉作自轉運動，削皮刀同時作扇形旋轉進給運動[15]，運動的過程中需保證削皮刀與果皮緊密貼合。削皮組件基本結構如圖4所示，物料進入削皮工位作自轉運動時，在舵機6的驅動下刀片安裝臂8放下，并在旋轉舵機2的作用下作逆時針旋轉運動，刀片9在紐簧7和彈簧4的作用下貼緊果皮，完成削皮動作，削皮完成后舵機6反向旋轉，將刀片抬起，最后旋轉舵機2返回原位。旋轉舵機2的最佳轉動角度需根據不同的水果試驗確定，可設定通用的最小旋轉角度。另外刀片的安裝角度也需經過試驗確定，此角度會影響到去除果皮的厚度及果蒂和果柄位置余皮直徑的大小，紐簧和彈簧力的大小也需要通過試驗調試，其主要影響削皮厚度。

3 試驗

根據結構原理設計制造試驗樣機，并通過試驗驗證自動削皮機結構的可行性和其性能優劣。試驗機采用C8051單片機及步進電機驅動器驅動實現控制部分。

設備對水果的削皮厚度和均勻性是評價其性能的最重要的指標之一，削皮機削下的果皮是成一定厚度的長條狀，在削皮機工作的過程中，削皮刀的安裝角度、削皮組件的旋轉角度及被削皮水果的轉動速度等都會不同程度地影響削皮效果，這些均可通過試驗分析得到其最佳參數，在正式產品中可依次參數調校。

通過試驗得到，對蘋果進行去皮處理時，削皮組件的最佳旋轉角度為141°；對梨進行去皮處理時，削皮組件的最佳旋轉角度為137°。刀片的安裝角度在30°～35°之間，效果最佳，此兩個數據配合能夠達到果肉瓣上無果皮殘留。

按上述參數調試樣機，以蘋果為試驗對象，對削下來的果皮進行測量，其散點圖如圖5所示，果皮厚度集中在1.0～1.2 mm之間，符合設計要求。

圖4 削皮組件基本結構圖

圖5 果皮厚度測量點散圖

以蘋果為對象的試驗效果如圖6所示，削皮去核一體機每分鐘能夠完成15個水果的去皮切瓣處理，果瓣上果皮無殘留，果皮厚度均在1.2 mm以內，能夠達到生產要求。

圖6 試驗效果圖

4 結語

設計了一款全自動水果削皮去核一體機，能夠完成自動送料、位置矯正，去皮、去核和切瓣等功能，且能夠全自動無人監管工作。解決了罐裝等水果深加工企業存在的效率低、勞動強度高、衛生不達標等問題。其削皮厚度在1.2 mm以內，平均單果加工速度4 s，且削皮效果良好，設備運轉性能穩定，非常適用于蘋果、梨等水果的去皮加工，且其結構緊湊、操作簡單，在我國迅速發展的水果深加工行業中有非常廣闊的應用前景。