基于车螺纹原理的自动切菠萝机研究

摘要：基于车螺纹的原理来实现菠萝去皮与去刺。对菠萝采用单刀削皮、单刀循环切除菠萝刺的结合方式，以刀具运动曲线配合螺纹曲线方式切割，匹配菠萝弯曲轮廓，采用机电结合方式，以不同按键的选择控制不同螺纹头数，在上下顶尖夹紧菠萝的情况下，主轴做旋转运动，两把刀具做直线运动完成切削效果。

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关键词：切菠萝 车螺纹原理 机电结合

1.背景：

菠萝既是盛夏消暑、解渴的珍品，也是良好的减肥、健康水果。市面上菠萝主要为小商贩，家庭个人和食品加工厂所使用，但一直缺少一种简便又高效切除菠萝皮与刺的机器。因此，我们提出了一个新型切菠萝机，利用车床车削螺纹的原理来设计这款新型切菠萝机。

2.菠萝特征分析

虽然不同种类的菠萝形状、大小差别很大，但同一种类的菠萝大部分特征还是在一定范围以内。在同类型菠萝的分析中发现，各项参数的波动范围不大，仍在可控制范围之内，根据我们所做的调查，高度波动：170～280mm；直径波动：125～190mm；螺纹头数变化：7～11；菠萝眼（刺）深度、皮厚：基本相同。

3.方案设计

基本思路：由车床车螺纹的工作方式为基本原理，可高效利用菠萝果肉。关键在于解决原本菠萝螺纹不同头数，螺纹曲线、菠萝弯曲轮廓，菠萝尺寸大小，削皮切刺同步完成等难题，最终成品需简便小巧，适应同类菠萝的不用大小尺寸、螺纹头数，有效的切除菠萝毛刺。

3.1.刀具设计：

轮廓自适应问题：考虑到菠萝大小不同，轮廓不同，如果在机构部分设计方案做成通过机构调整切削运动，会使机器产生很多没有必要的复杂机构。这里借用苹果削皮器的切削自适应原理，采用弹簧自适应结构。刀具削皮部分直接使用弹簧压刀于菠萝表面，而在去眼部分，需要防止刀具固定而使菠萝切削螺纹上下浅中间深的情况，同样需要令刀具紧贴菠萝表面，采用一平面削皮刀片和V形去眼刀片结合的方式，刀片做成整体，连接在直线推杆上，刀具与推杆间用弹簧连接，减去一个方向的自由度，使刀具自适应一定范围内大小形状不同的菠萝，自适应菠萝轮廓的弧形。

切削适应性问题：经过试验之后发现，菠萝皮韧性很大，倘若直接切削，菠萝皮难以切断，导致堵塞刀具口，挡住锋利刀刃。故设计成分刀工作，削皮去刺两步进行，两个推杆各装一把，先削皮，后取刺。

3.2.运动控制部分设计：

运动方式主要配合螺旋线方式，分解为纵向直线运动和平面旋转运动，通过电机和推杆实现，以速度配合达到螺旋效果。使安装在推杆上的刀具划出螺旋轨迹，切削掉菠萝刺。通过设定单片机的程序，实现7～11个螺纹头数的运动变换。只需按键选择头数，程序自动执行改螺纹数的运动参数。

3.3.夹具设计：

菠萝是刀具行走的位置，因此只有固定其上下两端才是固定菠萝最行之有效的方法。在驱动菠萝旋转的电机外伸部分安装了三叉固定零件，用以固定菠萝底部。上部采取活动顶尖，通过插销按需要固定在上盖中。

3.4.外观结构设计：

此次设计中，直线电机占据了整个机器内部的大部分空间和重量，因此结构部件主要采用轻型而有良好塑韧性的金属。底座部分是角铝贴合，中部依靠电机结构安装塑料定位点，上面覆以一层铁皮防止菠萝汁液流入电路空间；侧围使用了四根钢条，一方面平衡电机的重量，一方面为加固上面的有机玻璃作牢靠的基本骨架。上面采用有机玻璃，用户可以看清里面刀具实际加工菠萝的状态，便于监控切削过程。废料抽屉安装在中部两侧，方便用户清理。

4.算例分析：

Von Mises应力分析结果：刀具通过弹簧的反作用力所产生的应力远远小于材料的极限许用应力，作为危险点的推杆伸出位置的最低点的应力也满足实验要求。刀具通过弹簧的反作用力所产生的水平位移的极限值对压力角的影响微乎其微，从而不会产生卡死等问题。终上所述，满足评定的各项指标。

5.电机选择：

在基本运动方案设定好之后，考虑到切削菠萝的受力和速度情况，运动方案受力不大，速度不高。根据市场上常用的电机种类，选择推杆空载速度每秒60mm，WD-A-1L型直流电动推杆L型推杆电机，推杆推程150mm，适用电压24V，可承受力6000N。扭矩电机需选用自带减速增扭矩装置的电机，配合直线推杆，统一选用24V电源控制电源适配器选择：通过理论分析选择好电机之后，初定选定电压、功率。按一定安全系数，选取70W功率电源适配器。

6.最终实现产品功能：

刀片削皮、准确切除菠萝籽；废料处理便捷，清洗方便；程序控制，一经设定，自动完成所有任务；人机交互界面，多档支持，个性化控制。

作者简介：袁晨旺（1991-，男，江苏海门人，工作单位：东华大学，职务：学生。

谢志军（1991-，男，安徽芜湖人，工作单位：东华大学，职务：学生。