一种智能水果切削装置的设计与仿真

唐鹏辉 康颖安 汪侃炎 钱程 陈思涵

摘 要：基于对当前市面上已有的一些水果切削装置调研分析，我们发现存在的产品可以分为半自动式和全自动式两类，但这两种都存在一定的局限性，大部分都只能单一地完成水果外皮的去除或者果肉切块，而且其操作方式也都是需要人手动的启动运行。基于此，同时也为了提升智能科技在大众生活中的存在感，我们设计了一种可用语音控制工作且将削皮和切块功能结合的新型智能水果切削装置。

关键词：水果;切削装置;设计;仿真

中图分类号：TH122文献标识码：A

水果对于人体的健康十分有益，大部分人每天都会食用水果。但是，随着农业技术的发展，水果种植者在栽培过程几乎都会使用农药来保证水果的质量，一些不法商家还会为维持水果色泽给水果使用工业果蜡，因此我们在食用水果前会选择削去水果的外皮，部分人还会将去除外皮的水果进行切块用于制作水果拼盘。当前已有的一些水果切削装置只能完成单一的削皮或者切块工作，当下物联网、人工智能等新兴技术带来了科技生活的重大变革，很多智能化的产品都已飞入寻常百姓家，基于此，我们设计了一种结合智能语音控制并将削皮、切块功能整合的新型水果切削装置，用于提高水果食用前处理效率和提升大众的智能生活体验感[1-3]。

1 总体方案与工作原理

1.1 总体方案

智能水果切削装置由控制单元、切削刀具单元、收集盒、电机一、电机二、电机三、电机四、压力传感器、齿轮、丝杠一、丝杠二、丝杠三、推杆、托盘、插架、底座、顶盖等构成，如图1所示。其中，所述控制单元为整个装置的大脑，采用开源电子平台Arduino提供的语音模块-ASR Board语音识别控制板，模块对应有“切块”“切皮”“切皮后切块”三个语音指令;所述切削刀具单元包含切块刀、削皮刀。控制单元及四个电机均放置在顶盖内部，三根丝杠分别安装在底座的左、右、后端（此文中所述的左、右、后方位仅仅限于图1中），切块刀与削皮刀分别通过螺纹配合安装在丝杠一、丝杠二和丝杠三上，丝杠两端都通过滚动轴承安装在底座和顶端对应的轴承座中，托盘安装在推杆的上端并且同推杆一致安装在底座的正中央（切块刀的正下方），丝杠均由对应的电机驱动，实现丝杠的旋转，带动切块刀和削皮刀向下运动，完成切块和削皮工作。插架一端用键连接齿轮，通过电机四及齿轮与齿轮之间的啮合传动使插架做回转运动，从而带动水果在削皮时绕水果中心轴线旋转。两个收集盒分别为对称可抽出式，可从底座的左右两侧抽出，用来取出收集的果皮及果块。

1.2 工作原理

装置接入电源，驱动动力由电机提供，但电机的工作（正反转）、停止均有控制单元根据使用者语音输入的“切块”“切皮”“切皮后切块”指令间接控制，见图2。切块和削皮工作也均相互独立，完全依据使用者输入的指令实现相应功能，工作完成后自动复位。

削皮过程：推杆带动放置在托盘上的水果上升被插架插入达到固定作用，水果顶端与插架上的压力传感器接触产生压力，电机三驱动丝杠三带动削皮刀向下移动，同时，插架被电机四驱动带动水果绕中轴线旋转，通过削皮刀的平移和水果自身的旋转实现削皮过程。

切块过程：电机一、电机二分别驱动丝杠一、丝杠二运动，从而带动切块刀向下移动完成对水果的切块工作。

果皮及果块或仅去除果皮的水果收集：果皮和果块都会在削皮、切块过程由于重力掉入下方的收集盒中，将收集盒从两侧抽出即可得到果皮和果块，仅需进行去除外皮的水果待完成削皮工作人為从插架取出即可。

2 主要结构设计

2.1 切块刀与削皮刀

2.1.1 切块刀

切块刀由刀片、刀架构成，见图3。切块刀两端的孔内设置有与丝杠一、二配合的螺纹，切块刀安装在丝杠一、二上，刀架的缺口设计为了防止在工作过程中发生运动干涉，刀片中间的圆形设计是切除某些存在果核的水果（如苹果、梨子）。

2.1.2 削皮刀

削皮刀由刀架、刀片、刀托、辅助头、调节弹簧构成，见图4。刀架一端安装在丝杠三上，刀片和辅助头嵌套于刀托内部，刀托外缘套有一个调节弹簧，整个刀托扣锁在刀架内，但其可以发生一定的轴线方向位移。调节弹簧便于使刀片与水果贴合，保证切皮的连续性;辅助头是为了防止刀片过度切除果肉，使果皮去除的经济性提高。

2.2 传动单元

丝杠在工作过程需进行正反转，其驱动电机采用步进电机，步进电机的电机轴端通过联轴器与丝杠相连接，使电机扭矩和转速输入到丝杠上，丝杠螺母副再将旋转运动转换为切块刀、削皮刀的上下直线运动（图5中仅标注了丝杠一的传动结构，丝杠二、丝杠三传动结构同丝杠一一致），丝杠完成一次运动后控制单元通过设定时间自动控制电机反转。插架的驱动由电机四的电机轴端通过键连接的齿轮与插架端的齿轮啮合传递转速，从而完成插架的旋转运动。轴传动单元如图5所示。

3 运动仿真测试结果

基于三维仿真软件对智能水果切削装置运动仿真结果如图6所示。图6（a）为切块刀在工作时移动速度变化情况，图6（b）为削皮刀在工作时移动速度变化情况。通过对仿真结果分析，智能水果切削装置在切块和削皮过程中切块刀和削皮刀的速度都比较平稳，且都是匀速运动。

4 结语

智能水果切削装置的运动仿真结果表明，装置在切块和削皮过程中切块刀和削皮刀的速度都比较平稳，且都是匀速运动，能够保证水果去皮及切块的质量。同时我们的设计方案将削皮和切块两种功能结合在一起，采用语音输入指令来控制水果的切削，该装置不仅满足了人们对于水果切削的需求，而且使用方便、安全，还达到了一定的智能化程度。

参考文献：

[1]陈翰乙旭.一种简易水果削皮器[J].科学技术创新，2019（07）：136-137.

[2]侯欣欣，宋健，解福祥，陆子幸.小型自动水果削皮机的设计与仿真[J].山东工业技术，2018（07）：9+25.

[3]唐红凯.水果削皮器的设计[J].机械工程师，2013（10）：3-5.

基金项目：2019年度湖南省大学生创新训练计划项目（S201911342031）

作者简介：唐鹏辉（1999—），男，汉族，湖南衡南人，本科在读，研究方向：智能水果切削装置的设计。