(完整版)水果削皮机的工业工程设计毕业设计

本科毕业设计(论文) 题目：水果削皮机的工业工程设计

院（系）：机电工程学院

专业：工业工程

班级：

学生：

学号：110217

指导教师：

2015年6月

水果削皮机的工业工程创新设计

摘要

本文主要研究对苹果削皮机的创新设计，各结构单元的设计首先是分析设计背景，了解目前研究现状的优缺点，通过分析、比较来确定一种最合理的传动系统方案以实现既定的功能要求。最后结合人因工程相关理论知识，对各构件的主要参数与结构尺寸进行详细设计。整个系统机构设计简单小巧，结构精妙，性能稳定，完全颠覆了传统的水果削皮机功能单一，装配复杂，去皮效果不佳的工作模式。

设计的主要内容包括：

（1）整机方案确定：基于人机工程原理，对包括插果机构、削皮机构、切片去核机构、固定机构，进给机构以及机架进行优化创新设计。

（2）进给机构设计：引用车床车削工件的原理，由手柄、连杆、进给轴和叉刀组成的横向进给能很好地满足去皮要求。

（3）削皮和去核机构设计：由弹簧、刀具台、去皮刀具组成的随行去皮机构能与被切削物很好地贴合，且去皮厚度和宽度可调，配合切片去核刀具，能很好地完成被切削物的去皮、去核与切片，通过换装刀具，还能实现切丝等功能，完全改变了以往削皮机功能单一，不能满足日常需求的现状。

（4）固定机构的设计：本机采用吸盘固定的原理，将吸盘与底座相连，利用弯曲摇杆的摆动实现机器的固定与松动，方便使用。

（5）三维建模及关键部位有限元分析：利用SolidWorks实现水果削

皮机的三维建模，并对进给机构的运动进行仿真；本文还利用有限元分析软件ANSYS对部分零件进行了结构分析和强度校核。

关键词：苹果削皮机，多功能，SolidWorks，，强度校核，人机原理

设计，优化创新

Design and Development of an Apparatus for Grating and Peeling Fruits and Vegetables

Abstract

For the design of apple peeler each function unit ,the first step,the design background is analyzed, the advantages and disadvantages of the research status are understood. The most reasonable transmission system solution to realize the function of the set function requirements is determined through analysis and comparison. Finally combining human factors engineering related to theory knowledge, the mechanism of the main parameters and structural dimension are designed in detail.The entire system ingeniously design simple mechanical , compact structure, stable performance, change the operation mode of traditional fruit peeler’s a single feature and peeled ineffective completely.

The main content of the design include:

（1）Finalize the whole plan: based on the ergonomics principles, the optimized design including the insert fruit mechanism, peel mechanism, slicing to the core mechanism, fixing mechanism, the feed components and rack are carried out.

（2）Feed mechanism design: referring to the principle of the lathe turning workpiece, transverse feed by handle, connecting rod, feed shaft fork and knife of peel can meet the requirements well.

（3）Mechanism design for peeling and piting : peeling mechanism composed of spring, cutting tool base, peeling knives can be cut and fit well,

and peel thickness and width is adjustable, it is well done by cutting the

peel of content, to nuclear and slice with sliced to nuclear tool, through changing the cutting tool can also realize wire cutting, completely changed

the present situation of previous peeler’s single function and not satisfy the

daily requirements.

（4）Design of fixed mechanism: this machine adopts the principle of

chuck fixed and connects the suction cups to the base, uses the pendulum

motion of bending rocker to realize the machine fixed and loose and it is

easy to use.

（5）3D modeling and Ansys for key posts: build the 3D modeling of

fruit peeler by using Solidworks and carry on the feed mechanism movement simulation; This paper has also carried on some parts’ structure

analysis and strength check by using Ansys, the finite element analysis software.

Key Words: apple peeler, multi-function, Solidworks, strength check,

design of

ergomonics engineering principle, optimzation and innovation

目录

中文摘要......................................................英文摘要......................................................

1 绪论........................................................

1.1 前言.............................................................

1.2 苹果削皮机的研究现状............................................

1.2.1苹果去皮机发展现状调研 ......................................

1.2.2 苹果去皮机调研结果分析......................................

1.3 论文的主要研究内容...............................................

2 总体方案设计研究............................................

2.1设计目的 .........................................................

2.4水果削皮机的性能要求..............................................

2.5总体方案设计......................................................

2.6 可行性对比分析...................................................

3 SolidWorks三维建模和运动仿真................................

3.1 SolidWorks简介...................................................

3.2削皮构件的设计....................................................

3.2.1削皮刀具的设计..............................................

3.2.2 刀具台的设计................................................

3.2.3弹簧的设计..................................................

3.2.4削皮机构的结构特点..........................................

3.3挖心切片刀设计....................................................

3.4固定吸盘的选择....................................................

3.5进给机构设计......................................................

3.5.1 进给轴的设计................................................

3.5.2叉刀头的设计................................................

3.5.3手柄的优化设计..............................................

3.6削皮机的配色......................................................

3.7三维建模装配体的材料属性..........................................

4 设计校核...................................................

4.1 弹簧的校核.......................................................

4.1.1 弹簧丝横截面上的应力........................................

4.1.2 弹簧的变形..................................................

4.1.3 拉伸弹簧的校核..............................................

4.1.4 固定弹簧的校核..............................................

4.2真空吸盘的选取....................................................

4.4刀具的ANSYS分析..................................................

4.4.1 ANSYS简介..................................................

4.4.2 ANSYS分析的主要步骤........................................

4.4.3去核切片刀具有限元分析 ......................................

4.4.4 去皮刀具有限元分析..........................................

5 总结和展望.................................................

5.1 总结.............................................................

5.2 展望.............................................................毕业设计（论文）知识产权声明 ..................................毕业设计（论文）独创性声明 ....................................

1 绪论

1.1 前言

水果中含有较多的营养物质，但是现代生产的各种农药激素在蔬菜表面都有残留。有的人可能会说，水果洗了几次，并且用开水和洗涤剂消毒消毒之后，果皮上不就没了农药了吗？结果并不是这样，因为农药经过单纯的冲洗是不可能完全洗掉的，果农在管理果园时，从始至终，一直都在使用农药，时间一长，一些农药必定会残留在果皮里，像敌敌畏、敌百虫等毒素，这些农药对人体虽然只有有一点的毒性，但就算少量的也对儿童也极为不利。

水果果皮还有各种各样的细菌、寄生虫卵，有的是运输时或采摘时的员工手上污染的。有的是销售时用污水浇洗污染了的。据调查，有的地方水果果皮上大肠杆菌残留量达68%~96%。吃水果时，如果不削皮，就会连留在水果皮上的污物也一起吃进去。轻者会呕吐腹泻，重者则会危及生命。我们如何消除水果表皮上的残留物呢？一般来说，可以有以下几种方法清除：

第一是清水浸泡法，将买来的水果用清水浸泡30分钟以上，之后反复冲洗两三次，这样就可以除去部分残留农药。还可以使用果蔬洗剂之类的清洁剂，加大农药的溶出。

第二是碱水浸泡法：先用5%碱水浸泡5分钟以上，然后再用清水洗涤两三遍。

第三是开水浸泡法：将洗净的水果放入开水中泡3至5分钟，再用清水洗涤1至2遍。

第四是去皮法：对于带皮的水果，如苹果、梨等，先清洗一遍，再去表皮，这种方法就可以彻底去除水果表面的农药残留。

第五是储藏保管法：可以将水果买回后储藏15天左右，也能有效降低农药残留的毒性。

以上方法对于水果表皮残留的农药清除有良好的效果，既可以保证水果的营养成分，也让食用者更放心。但清水浸泡法、碱水浸泡法、储存保管法耗时太长，操作不便。开水浸泡法会烫伤果肉，营养成分降低。总之去皮法比较简便，即食即用，不会损伤水果的营养成分，这样一来水果去皮机的研制就十分必要。

1.2 苹果削皮机的研究现状

1.2.1苹果去皮机发展现状调研

目前苹果削皮机的研究和设计吸收了国内外众多设计成果的优点，正在不断完善中。而且，各种前沿技术也在不断在尝试使用到削皮机中，以提高果蔬的削皮质量和速率。比如基于计算视觉的水果无损检测技术、图形识别技术等先进技术都被提了出来，在削皮机中尝试着使用。在国内，水果削皮机的发明可以说是非常丰富，光公开的水果削皮机的专利数量超过20项，而且，现在市场上，各类苹果削皮机聆郎满目，为了深入了解苹果去皮机的发展现状，分析苹果削皮机各自存在的优缺点，进而开发出一种全新的、工作效率高的苹果去皮机，调研了以下苹果削皮机生产厂家。

a.深圳市际实业有限公司------实用水果削皮机

1）产品介绍该苹果削皮机的插果轴线垂直放置，利用齿轮机构与凸轮机构传递运动与动力，最终实现刀具由下到上绕苹果表面旋转去皮。全塑料材质，机身精致，小巧易用，让苹果去皮工作充满乐趣。

图1.1 立式家用水果削皮机

2）操作步骤

（1）装上手柄，将苹果削皮器放置在桌面上固定；

（2）将苹果竖直插入叉针上；

（3）转动手柄，刀头就会从苹果的底部开始向上旋转，沿着苹果表面旋转，直到苹果头部，工作结束后刀就会离开苹果。

3）注意事项：当刀头切削时，如果苹果表面被卡住，不要用力旋转手柄，应倒旋手柄，使刀头离开被卡处。

产品材质优质高级塑料

产品规格20.0×15.0×18.0cm

4）分析不足之处

（1）该类去皮机需要手动按压上果，容易伤手；

（2）苹果表面不平整时，特别是在凹凸表面处，容易卡住，故切削有局限性。

b .蚌埠市超越食品机械有限公司半自动果蔬去皮机

该水果削皮机也是将果蔬立式放置，刀具与水果接触切保持不动，电源提供动力带动果蔬旋转，达到自动去皮的效果。

图1.2 半自动水果削皮机

2）操作步骤

（1）装上4节5号电池，将水果削皮机固定放置在桌面上；

（2）将果蔬放到叉刀头上固定好，调节刀具与果蔬顶部接触；

（3）开动电源，当削皮结束时关闭电源。

3）分析不足之处

（1）该类水果削皮机容易发热，在不间断工作的情况下容易烧坏电机；

（2）由于运用的是5号电池，电量耗费严重，有浪费，不环保；

（3）价格较普通家用水果削皮机来说不具有竞争力。

c .江苏省昆山亿鸿食品机械有限公司——全自动高速苹果（梨）去皮开瓣机

全自动苹果（梨）去皮开瓣机适用于罐头、干袋、果脯等深加工的食品厂家使用。苹果、梨的大小形状只需适当分级就可以通用，根据加工要求可以选择加装去皮后开瓣装置，高效简便、美观大方。

此苹果去皮切片机为全新技术投入开发的新产品。这种机器适用于各地区不同品种，针对加工生硬的苹果，果型异常，形状大小不同的苹果去皮、去芯、切片。本机为多功能一体机，由人工上料，通过柔性刀组去皮，去皮厚度≥1.5mm，每个小时用耗电量为5.4KW，机械加工能力为70~100个每分钟。

去皮切片机的设计是有20个工作单位，每个单位安装有独立的刀片，可以实现单独去皮、去芯、开瓣。正常工作时配备两到三个人员将苹果插在三角刀上，再将苹果定位，去皮设计为盘式20个工作单位，安装在一个大转盘上。工作时大盘由电机控制其转动速度，被插住的苹果随着转盘旋转，去皮工作开始，苹果被大盘带入到去皮区，苹果自动开始旋转，去皮刀具由下至上的拉起，通过苹果的自转，去皮刀贴合在苹果的外侧，苹果皮被刨去。被去皮的苹果继续进入下一组工作区（切片）进行切片，切片刀设计为活动的，可以调节切片厚度5~15mm，根据加工需要不同也可以将切片去除，不进行切片。完成切片的苹果进行下组冲芯区，因为切片厚度要不小于冲刀的外径，所以冲芯后的苹果会被加工成为苹果圈，根据要求不同苹果也可以加工成6瓣或者8瓣。

图1.3 昆山亿鸿食品机械有限公司的削皮机

1）工作程序

（1）苹果原料提升→水浮式集料槽→人工上料→去皮→切片→冲芯→成品；

（2）按实际工艺可完成多种品种类型，如去皮后只冲芯，或去皮开两瓣，去皮后开4、6瓣，去皮后切成5~10mm厚的圈，还可以加工成扇形片，可一次加工成10×10×10或15×15×15的方块，功能十分强大；

（3）根据员工的实际操作能力，每分钟确保75~85个的加工量，设备的加工能力也可以上调，最高可达100~110个，连续使用整台设备只需3人操作。

2）分析不足

（1）由于是多工位削皮，工作台的连续转速较快，手工插果时必定会有漏插的现象，而且插果过程中容易伤到手。

（2）去皮机在工作时，需要的人力较多，加工成本高。不适用于家庭或一般水果店小批量的水果加工。

1.2.2 苹果去皮机调研结果分析

根据走访调研所得的资料与信息，分析、总结与归纳出当前的苹果削皮机大体分为一下几类：

（1）单果手动去皮机（第一类）

如图所示，工作时水果不动，摇动手柄，通过齿轮传动带动刀具工作，由于齿轮传动效率较低，造成削皮是费时费力，效率低下。塑料的机身注定了他的耐用度低，不能符合现代人对于家用水果削皮机的需求。不过其低廉的价格使其在水果削皮机的市场中有很大的保有量。

图1.4 立式单果手动去皮机功能示意图

（2）单果半自动削皮机（第二类）

作为手动去皮设备的延伸，这类削皮机大大提高了工作的效率，其工作原理如下图所示，外观新颖，去皮效果佳，但是价格较一般的手动削皮机来说很贵，由于设计目的是为了满足家庭需求，所以采用的是小型电机，用电池或220V插座提供电源，连续工作时容易发热。

图1.5 单果半自动水果削皮机工作原理示意图

（3）单果自动削皮机（第三类）

其工作原理如图所示。该类水果去皮机有一个转盘，转盘上设有数个苹果转动插针，均匀分布于圆盘的圆周之内。首先，人工将苹果插于苹果插针固定，圆盘转动一定角度，处理完后苹果被送于去皮工位，完成去皮工作，圆盘继续转动一定角度，待苹果完成切片工序，圆盘继续转动，苹果被送去去核工位，在该工位苹果核被去除，完成一个工作循环。此类去皮机较前两类去皮机去皮速度快，适合运用于小型苹果加工厂。

图1.6 单果自动去皮机工作原理

（4）多果自动去皮机（第四类）

如图所示。首先将苹果以苹果梗垂直于水平面的方向放置在苹果槽内，然后气缸推杆伸出带动升降板及其上电动机、插针等一同向下移动，直到苹果固定于于插针，之后气缸推杆回缩，将苹果提升到能够削皮的高度，电动机带动插刀、苹果一起旋转，直到完成苹果削皮工作，最后由将苹果卸下。这类削皮机属于自动化程度较高的设备，适合大型水果加工车间使用。

图1.7 多果自动去皮机工作原理示意图

目前，我国研制生产了各种水果削皮机。市场上的水果削皮机主要以手动和半自动的为主，但由于功能单一，质量水准参差不齐，难以满足现如今家庭用水果削皮机的市场需求，所以，设计一种功能齐全，价格低廉，质量过硬的水果削皮机刻不容缓。

1.3 论文的主要研究内容

主要通过问卷调查的形式，对具有一定基数的人群进行调查，对结果进行统计分析，直观的表达出目前人们对水果削皮的需求。

（1）查阅资料和调查分析，了解对人工水果削皮的多方位需求；

（2）利用工业工程的方法找出水果削皮机的创新因素；

（3）基于人机工程原理，给出创新设计原理，设计方案，并构建评价体系，实现方案的选择；

（4）完成削皮机结构装置、三维模型以及完整产品或模型制作。

2 总体方案设计研究

2.1设计目的

针对圆形的，需要去皮的果蔬，设计一款集削皮、去核、切片，切丝于一体的，适合家庭使用的小型便携式水果削皮机。

2.2该课题的研究流程

市场需求调研分析削皮机的性

能要求

总体方案设

计

结构原理设

计

实用性

分析图2.1研究流程图

2.3 市场调研需求分析

（1）问卷调查分析

通过问卷调查，了解现有水果削皮机的不足之处和改进型水果削皮机的市场所在，对所要设计的产品有一个大致方向上的把握。

图2.2问卷调查统计图

2.4水果削皮机的性能要求

本文研究的水果削皮机应满足操作简便、去皮效率高、耐用性强、多

功能、安全性能搞的前提，做到结构巧妙，价格经济合理等。

多功能水果削皮机应具有的性能要求：

（1）方便的操作和使用性能；

（2）切削运动平稳准确，能保证规定的运动进精度；

（3）工作的可靠性既能根据功能要求完成既定动作，且各动作应协调稳定；

（4）结构简单，制造容易，成本低；

（5）生产效率高，劳动强度低；

（6）留有发展的余地，需要改进时不至于造成全机报废。

本文研究的具体目标及技术参数：

（1）设计苹果削皮机，能够同时完成削皮、去核、切片、切丝等功能。

（2）机身小巧，能够方便快递运送，为后期批量生产上市销售做好准备。

技术指标：去皮能力：3~5个/min （与操作者体力有关）

去皮厚度：0.6mm

2.5总体方案设计

通过前期对国内外水果削皮机现状的调研，不难发现，如今市场上的，适用于家庭的水果削皮机，多采用的是立式、刀片沿水果表面环绕切割的切削模式，如深圳市新际实业有限公司的实用水果削皮和昆山亿鸿食品机械有限公司的半自动去皮机，前者由四个吸盘固定底座，手摇进行削皮程序，后者由人工放好水果后启动电源开始工作。由于采用的是立式、刀片环绕水果表面进给的方式，削皮机不能一次性完成去核、切片的工作，如需完成，需要用额外去核切片器对削完皮的水果进行再加工，使流程变得复杂，且使操作不便，故本课题的设计方案采用卧式进给的方式。