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   笔柿削皮机之研制





    
    
    
    摘 要
    
    本研究设计并试制一台笔柿削皮机雏型,可提供给笔柿饼(干)加工处理之削皮机械化作业应用。本机以人机介面和气压装置为作动元件,采用人工供料及二段式靠模切削,第一段作业系将笔柿正向(蒂头朝上)置于右侧真空吸盘上,先刨除蒂头边之果皮;第二段则将笔柿反向(蒂头朝下)置于左侧真空吸盘上与支撑顶杆下压固定,再接续削皮至尾端。试验结果显示,笔柿削皮作业所能容许之最大歪斜角为12°,其作业能力为192粒/小时,并可减少反覆触摸果品所产生之卫生问题,以及避免烘干后成品较黑而影响商品价值。
    
    关键字:笔柿、削皮机、人机介面。
    
    前 言
    
    台湾柿大多从中国大陆及日本引进栽种,主要产地分布在新竹、苗栗、龙岩、南投、嘉义和台东等地区,2010年种植面积5,348 ha,产量达58,401 ton(2)。由于柿子的种类繁多,一般依果实在树上成熟时能否自然脱涩,区分为甜柿与涩柿两大类,其中前者因成熟度增加,种子会产生如乙醇之挥发性物质,使柿果在树上自然脱涩;后者则无此现象,必须经过脱涩处理,使果实内可溶性单宁聚集,形成不溶性、结合态的大分子后,方可食用。该二类柿子品系,又可依授粉后形成种子及其果肉产生是否褐斑等,再细分为完全与不完全甜柿、完全与不完全涩柿等四种(1,2,5,6,7,11)。笔柿为不完全甜柿之ㄧ种,其果实侧面看似毛笔尖头而称之,因生长期比一般红柿多出两个月,所以果实色泽鲜红、甜度高、口感香Q,不论是鲜食或制成柿饼(干),品质、风味各有独到处,又称为蜜柿;其价格更具竞争力,不输日本进口者。根据农友表示,笔柿通常于装箱运输的过程中,以碳化钙(又称电石、电土)催熟处理,但其鲜食与贮藏时间较短,常因过熟而造成表皮破裂,致影响市场价值与消费者购买意愿。为减少裂果损失,并增加农产品附加价值,愈来愈多农友将其加工为柿饼,以提升生产利益。惟笔柿饼加工过程与石柿、牛心柿相同,首要解决的是削皮问题,传统皆靠人工以不锈钢刀或铜质刀具削皮,相当地辛苦与费工,希望能机械化作业,以提升效能。
    
    目前虽有农民尝试应用牛心柿简易削皮机进行作业,但因牛心柿外观近似圆扁形,笔柿则是长条形,二者因切削刀具之回转曲率不同而无法兼用。嘉义大学针对牛心柿研发柿子削皮机及去梗修蒂削皮机,其削皮皆以靠模原理,利用弹簧力量使刀架刃部接触柿果,止块沿凸轮环运动完成进刀与退刀作业(8。桃园区农业改良场亦曾研制 )柿子加工削梗修蒂与削皮机,其削皮方法与嘉义大学开发者类同,但二者最大差异是切削时之夹持方式,前者采刺针插果固定,后者则为真空吸附(10)。在其他果蔬削皮机械方面,农业试验所应用自动控制微处理系统,研制全自动水果削皮机;嘉义大学研制爱玉果粒削皮机,可达到果柄切除、果汁冲洗、果粒削皮等功能;高雄区农业改良场进行连续式青芒果削皮机之研制,可达成连续进料、削皮、自动出料的作业成果;苗栗区农业改良场则研制青木瓜削皮、剖半、切片一贯化作业机;另台南区农业改良场与本场亦分别针对加工芋头所需,采批次差速滚筒去粗皮与单粒靠模切削方式进行试验研制等(3,4,9,12),皆可供为相关机械开发之参考。本研究针对笔柿加工机械化作业需求,设计并试验研制一台削皮机械,以期降低人工作业辛苦,改善柿饼加工处理方法,提高作业卫生标准,进而增进柿农的附加收益。
    
    材料与方法
    
    一、机械设计原则
    
    (一)为减轻人工作业负荷与辛苦,以及注重机械操控方便性等,削皮机以电控驱动气压元件作业为规划方向。
    
    (二)因应笔柿果实外形或多或少会有差异,机械须有靠模切削之设计要求。
    
    (三)避免采穿刺等破坏性固定或夹持方式,而以真空吸附为设计原则。
    
    (四)削皮标的物为食品,须注重操作卫生,机身与台面应以不易氧化的金属材料为原则,且果实削皮后尽量避免直接手持触摸。
    
    (五)机械削皮尽量完整确实,减少人工补削麻烦,以及考量机械制造成本,拟采单粒化处理、二段切削之作业模式。
    
    (六)因应控制方便性,采人机介面与触控式操作。
    
    二、削皮机组装方式及作业流程
    
    本机依照前述设计原则而使用铝挤型骨架、不锈钢台面,并以气压驱动刀具切削,人机介面控制作业。两段式切削机构并列于机台正面,控制面板与各类开关固定于机台右侧下方,其余传动组件则包覆于机体内侧。
    
    削皮作业采人工供料,第一段作业系将笔柿正向(蒂头朝上)置于右侧真空吸盘上,先刨除蒂头边之果皮;第二段则将笔柿反向(蒂头朝下)置于左侧真空吸盘上与支撑顶杆下压固定,再接续第一段之靠模削皮至尾端。当操作人员放妥笔柿后,手压或脚踩操作按压开关,机械便依序进行各项动作,俟全部流程完成后才停止,但作业期间若有任何突发状况,只要再次笔柿削皮机之研制 3触动按压开关,则全部动作停止,且各项刀具复归至起始位置。其作业流程如图一所示,其中虚线框者系由人工辅助作业,实线框者则为本削皮机之作业项目。
    
    三、试验设备与材料
    
    (一)供试设备:研制完成之气压作动、人机介面控制之笔柿削皮机雏型。
    
    (二)供试材料:彰化县芬园乡张姓农友提供之笔柿,每粒已去蒂叶之果实平均重量138.35 g、长度84.80 mm、最大外径56.92 mm。
    
    (三)量测器材:计时器(电子式,精度0.01 sec)、电子秤(精度0.01 g)、角度规、游标尺等。
    
    四、试验项目
    
    (一)削皮机物理性能调查,包括机械全长、全宽、全高、全重等尺寸规格量测;切削刀具型式、尺寸,作业轨迹;电控系统及元件型式等。
    
    (二)机械削皮适用率测试:将待测笔柿去除蒂叶后,随机择取果实300粒,将每一粒置于削皮机第二段吸附盘上,并以支撑顶杆下压固定,再触动按压开关使笔柿回转,调查其脱离吸附盘之数目,可称为机械削皮不适用率(%);再换算适合采用机械削皮作业之比例,便是削皮适用率(%);此机械削皮不适用率与适用率之总和为1,即二者互为1的补数(Complement)。另机械削皮不适用者,即不再进行后续之试验项目。
    
    (三)机械容许笔柿最大歪斜度试验:将上述(二)所测得未脱离吸附盘之笔柿蒂头朝下且平贴于桌面,以角度规量测其尾端偏移铅垂线之角度(θ,不考虑正负值),如图二所示。设计以每3角度范围为单位,分别是θ<3°、3°≦θ<6°、6°≦θ<9°、9°≦θ<12°、12°≦θ<15°及θ≧15°等6个区间,以探究并标称本机械作业所能容许笔柿之最大歪斜角度。
    
    (四)削皮前后之果重变化与果皮废料重试验:随机择取适合机械作业之笔柿200粒,分别以机械与人工各削皮100粒,其中机械仅由1名人力进行供料,并采横向螺旋状切削作业;人工则以惯行之纵向直条型切削。量测二者完整削皮前后之重量变化,以及比较机械与人工削皮后之重量及百分比。另,当机械削皮不完整时,其人工补削部份亦并入计算之。
    
    (五)机械、人工削皮之作业时间与效率比较:随机择取适合机械作业之笔柿200粒,其中分别以机械与人工各削皮100粒,作业方式与(四)相同,调查每粒笔柿去蒂叶、人工削皮与机械削皮(包括第一段切削、人工供料、第二段切削,但不含最后之人工补修)之平均作业时间,并进行效率比较。
    
    (六)机械削皮完整率试验:随机择取适合机械作业之笔柿200粒,经由机械完成第二段削皮动作后,以目测方式观察切削结果,若不需要人工再补充削皮作业,即称为完整削皮,调查其削皮完整率(%);反之,需要人工再进行补削时,则是未完整削皮;其中削皮未完整率与削皮完整率互为1的补数。另针对必须补削皮之笔柿,以目测概略调查其补削比例(P),并以每隔10%为范围,意即区分为P=0、0<P≦10%、10%<P≦20%、20%<P≦30%、30%<P≦40%及P>40%等6个区间,并调查人工补削皮所花费的平均时间。
    
    结果与讨论
    
    一、依据机械设计原则,研制完成之笔柿削皮机雏型外观如图三所示,而其主要构造分为三大部份:
    
    (一)机台与电控机构:笔柿削皮雏型机外部尺寸设计为长800*宽800*高1,300 mm,并以铝挤型为支撑骨架,不锈钢铁板为台面与封边等,以确保笔柿加工处理之整洁度,避免生锈与脏污。其台面高度约580 mm,适合操作人员采坐姿进行第一段切削供料、第二段切削供料,以及手压或脚踏按压开关作业等。电控机构包括可程式控制器(PLC)与人θOblique anglePen-shaped persimmonTabletopStalk笔柿削皮机之研制 5机介面(HMI)设计,第一、二段切削机构之位置控制、速度调整器,以及手动与自动切换、紧急停止开关等。
    
    (二)第一段切削机构:包括喇叭开口型吸附盘(外缘直径40 mm)、夹环(夹持范围40-85 mm)、气压缸(M14×1.5P)、电动马达(40W×110V)及回转式刨刀(长25 mm)等。当操作人员将笔柿正向置于吸附盘,起动按压开关后,真空产生器作动将笔柿吸住,且夹环夹持与固定待削笔柿,纵向气压缸活塞伸出,带动电动马达及回转式刨刀等机构下降至适当位置(刚好顶到笔柿蒂头)时,刨刀迅速回转一圈,将蒂头边之果皮先予以去除,而后气压缸活塞带动电动马达及回转式刨刀等机构上升并回复至起始位置,夹环放开笔柿,即完成第一段切削作业。
    
    (三)第二段切削机构:包括自转式喇叭开口型吸附盘(外缘直径40 mm)、气压缸(M25×1P)及靠模摆动式刨刀(长25 mm)等。操作人员将第一段切削完成之笔柿翻转且反向置于第二段吸附盘上,并触动另一按压开关后,真空产生器便作动将笔柿吸住,且纵向气压缸活塞伸出(下降)至漏斗型塑胶头顶到笔柿时,吸附盘带动笔柿自转,刨刀借弹簧力作用与靠模原理,沿着第一段切削位置回转削皮,即至笔柿尾端时,气压缸活塞上升且回复至起始点,而刨刀继续削皮至尾端止,吸附盘停止转动、刀具复归,便完成第二段切削动作,再由操作人员取出笔柿并放置于盛盘,供后续进行风干、烘干等处理流程。该切削机构之顺序控制,皆由刨刀连杆机构经由传动升降板与5只近接开关(Proximity switch)之侦测而依序完成各部作业,其作动情形如图四所示。其中近接开关①系切削工作之终止位置感应;近接开关②是气压缸活塞回升之位置感应;近接开关③为刨刀尾端切削完成且复归之位置感应;近接开关④及⑤则是传动升降板之上、下死点之位置感应。
    
    二、机械削皮适用率试验结果:将各个笔柿分别置于削皮机第二段吸附盘上,进行切削时之吸附稳固试验。经测试结果显示,在300粒果实中,有73粒笔柿会因生长歪斜或离心力作用而脱离吸附盘,所以机械削皮不适用率为24.3%;其互为1的补数即削皮适用率为75.7%,适合藉由机械辅助进行削皮作业。探究笔柿果实歪斜原因,主要系其生长密度过高,又缺乏疏果,造成彼此间相互推挤的结果。然笔柿正立俯视呈现圆弧方形,而本机为确保笔柿削皮机之研制 7削皮完整性,切削刀具采靠模设计,故对于果实必定具有某一推力,因此除了吸附盘吸住果蒂外,尚需要藉由支撑顶杆前端之漏斗型塑胶头下压并罩住果尾,以避免笔柿因回转及刀具推力之作用而脱离吸附盘,造成削皮不适用率增高。
    
    三、机械容许笔柿最大歪斜度试验结果:针对未脱离吸附盘的227粒笔柿中,其偏移铅垂线角度范围之量测结果如图五所示。可知歪斜角(θ)小于3°之比例最高,介于12°与15°之间者最少;整体歪斜角小于12°者即占91.7%,但大于12°的2个区间之比例皆低于5%,且与其他区间之差异至少3倍以上。所以,若兼顾量测误差,并摒除歪斜角度较低比例范围者,以及确保机械削皮高适用率等因子,本机可标称所能容许笔柿之最大歪斜角为12°,超过时将有无法确实进行切削作业之疑虑。
    
    四、笔柿削皮前后之果实重量与果皮废料重之试验结果:随机择取适合机械作业之笔柿200粒,分别以机械与人工各削皮100粒,其削皮前后之果实重量及果皮废料重量如表一所示,换算可得机械与人工处理之果皮废料分别占削皮前重量之10.2%与11.7%,意即每粒柿子以机械削皮可减少2.32 g之果皮废料,此可增加后续加工柿饼的重量与价格;削下之果皮废料若未再进一步产制堆肥或供作其他用途,则相当于制造14.1%废弃物。另经试验发现,传统人工削皮会有厚薄不一的情形发生,且为确保削皮完整性,每一次切削皆采较宽的重叠,则刨除外皮的同时也削掉一部份果肉,所以损耗自然较多。而机械削皮的厚度较为一致,第一段与第二段切削分别为0.7与0.8 mm,但较嘉义大学研发之柿子削皮机(削皮厚度0.4 mm)(8)高出甚多,经推估可能是二者之标的物(笔柿与牛心柿)、切削轴方向(纵向与横向)不同所造成的差异。又削皮厚薄不一致的结果,是否会影响后续再生皮的生成,甚或柿饼的口感与品质,可于日后再予以探讨。
    
    五、机械、人工削皮之作业时间与效率试验结果:随机择取适合机械作业之笔柿200粒,分别以机械与人工各削皮100粒,经测试结果可知,每粒柿果以人工去蒂叶之平均时间为8.2sec,人工削皮则需要49.8 sec;机械作业包括人工供料、第一段与第二段切削,但不含最后之人工补削皮时间,则需花费18.9 sec,可知机械作业能量最快为每小时192个,效率较人工快2.6倍(不计算人工补削皮时间)。惟单独量测第一段与第二段切削之作业时间,分别为5.1 sec与15.5 sec,其中第二段切削刀复归时间需10.9 sec,并须俟其回覆到原始位置才能再进行下一次的切削动作,所以第二段作业时间相对耗费较多。若操作前先将笔柿予以筛选,让果实符合前述适合机械作业者(歪斜角小于12°),则整体作业流程就会较为顺畅,意即第一段与第二段之切削动作可同时搭配进行,足以缩短等待切削刀复归所延误的时间。六、机械削皮完整率试验结果:随机择取适合机械作业之笔柿200粒,经由机械完成削皮动作后,其结果发现,不需人工再补充削皮的笔柿共72个,即其削皮完整率占36% (P=0);反之,削皮不完整率占64%,且不同面积补削皮之比率如图六所示。
    
    机械削皮作业后需再由人工补削皮面积达40%以上者最多,完全不需补削皮者次之,补削皮面积30%以上者达55%,经分析研判应是试验样品多为圆弧方形,致刀具靠模切削时,因刀具跳动而造成未完整削皮,使得须补削皮者达到64%之多;另笔柿切削回转速度之快慢,亦是影响削皮完整与否的关键因子,后续可深入探究之。
    
    结论与建议
    
    完成一台人机介面和气压装置为作动元件,采人工供料及二段式靠模切削之笔柿削皮机雏型,其对于笔柿削皮之适用率为75.7%,容许柿果最大歪斜角度为铅锤线左右各12°,作业能量为每小时192个,效率较人工快2.6倍,可供笔柿饼(干)加工处理之削皮机械化作业应用。惟雏型机尚有缺失应予以修正,使其作业功能更趋于完善。如第二段切削机构之下压顶杆,其前端与柿尾接触之塑胶头为漏斗型,若能将其修改为喇叭型式,应可增加机械作业所能容许之最大歪斜角度(12°),并降低柿果被切削刀具推离吸附盘之比例。另切削刀具复归时间较长,致增加第二段切削时间,若能设法缩短之,将可提升机械整体作业效率。部份笔柿由蒂头向下观之(上视),呈现圆弧方形投影,其对于靠模切削较为不利,有时刀具会有跳跃而造成不连续削皮的情况发生;另削皮时需调整柿果置于吸附盘之吸力强度与最适回转速度,以避免柿果因快速回转或碰撞刀具而掉落,造成削皮动作失败,若能在人工去蒂叶的同时,先剔除外观较方形的柿子,则更能提升机械辅助削皮之适用性与完整性。


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