肖 兵 鄒光明 張心鋒 楊 杏 曹 康（武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081）

中國餐飲行業(yè)企業(yè)數(shù)量巨大［1］，餐廳、學(xué)校、企業(yè)內(nèi)部食堂的餐具分類及剩余飯菜清理工作主要依靠人工進行，勞動強度大、效率低，尤其在就餐高峰期，餐具大量堆積，剩菜剩飯無法及時清理，影響就餐環(huán)境。目前，市場上缺少餐具自動分類回收設(shè)備，國外的餐具自動回收清洗技術(shù)較為先進，自動化水平較高，其自動化流水線機械設(shè)備可實現(xiàn)餐具除渣、分揀、消毒甚至包裝等功能，值得借鑒，但是成本也很高，同時由于中外餐廳的差異，如非個性化定制，國外設(shè)備并不能完全適應(yīng)中國餐廳。鑒于此，設(shè)計一種食堂餐具回收裝置，實現(xiàn)對食堂里不同型號的不銹鋼餐具的自動回收、清理和分類工作，以期改善餐飲環(huán)境，提高用餐場所的個性化、自動化，獲得用餐人員的心理認同，提高食堂管理的經(jīng)濟性［2］。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)及工作原理

本餐具回收裝置由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，機械系統(tǒng)包括餐具輸送機、旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂和處理機三部分；控制系統(tǒng)包括主控模塊、電機驅(qū)動模塊和狀態(tài)信息反饋模塊。裝置整體三維模型見圖1。其工作原理為：餐具輸送機對餐具起收集作用，用以接收用餐人員使用過的帶有殘留物的不銹鋼餐具2，并將其傳送至旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂3；該機械臂帶有采用單片機控制的電磁吸盤，通過紅外線反射探測傳感器采集信息，從餐具輸送機一端自動接收餐具，接著將其中的殘留物倒入泔水桶6，然后將餐具送至處理機4；處理機工作面安裝有采用電機驅(qū)動的十字撥叉，工作時十字撥叉旋轉(zhuǎn)，并撥動餐具在工作面作圓周滑行。由于處理機工作面在沿餐具滑行的圓周上設(shè)有不同大小的圓孔，且孔徑依次增大，所以當(dāng)餐具滑至與之相匹配的圓孔處時，便從中落下，最終進入相應(yīng)的餐具回收筐中。這樣，就實現(xiàn)了對不同型號餐具的自動分類回收。

圖1 餐具回收裝置整體三維模型Figure 1 Overall 3D－model of the dishware recovery device

2 機械系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 餐具輸送機

餐具輸送機由機架、輸送帶、滾筒和驅(qū)動電機等組成。環(huán)形輸送帶由前后兩根滾筒支撐，可調(diào)速驅(qū)動電機將運動輸送至前滾筒，從而帶動輸送帶連續(xù)向前輸送餐具。餐具輸送機工作示意圖見圖2。餐具放在輸送機上，輸送帶將餐具輸送至輸送機的端部時被紅外線反射探測傳感器檢測到，通過控制系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂處于就緒狀態(tài)，餐具被旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂接收，然后進入下一處理環(huán)節(jié)。為保證機械臂依次接收餐具而不至于遺漏，輸送帶上設(shè)有若干工作位，使用時每個餐具都需放在工作位中。

根據(jù)人機工程學(xué)，設(shè)計的餐具輸送機長度為1 500mm，高度為750mm；試驗所用餐具最大外徑為200mm，輸送帶帶寬應(yīng)比其略大；旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂在工作中急轉(zhuǎn)急停提高了工作效率，但由于慣性又有時間延遲，進而制約了工作效率。因而，輸送帶速度不宜過慢或過快，可定在0.25m/s（15m/min）左右［3］，使用中根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。餐具輸送機的主要參數(shù)見表1。

表1 餐具輸送機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the dishware conveyor

2.2 旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂

圖3 旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂機構(gòu)簡圖Figure 3 Sketch of the rotating electromagnetic manipulator mechanism

2.2.1 工作原理 旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂機構(gòu)簡圖見圖3，其組件主要包括機架、電機、聯(lián)軸器、立軸、橫軸、橫軸底板和托盤。托盤內(nèi)裝有電磁鐵，并通過單片機控制，可實現(xiàn)對不銹鋼餐具的抓取和釋放，操作迅速可靠。旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂工作原理為：初始狀態(tài)下，托盤停留在餐具輸送機端部。如前所述，當(dāng)餐具即將到達餐具輸送機端部時，傳感器采集到信號并將其反饋至單片機，機械臂轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)，即電磁鐵通電。餐具從餐具輸送機端部滑入托盤后被電磁鐵吸住，受電機驅(qū)動橫軸順時針旋轉(zhuǎn)180°，餐具變?yōu)橥肟诔?，其中的殘留物落入下方的泔水桶中。短暫懸停后，立軸順時針旋轉(zhuǎn)，將餐具從泔水桶上方移至處理機工作位置上方。然后電磁鐵失電，餐具被釋放，立軸再逆時針旋轉(zhuǎn)至初始位置。與此同時，橫軸逆時針旋轉(zhuǎn)180°使托盤復(fù)位。就這樣，機械臂便完成一個工作周期。

為保證橫軸和立軸能旋轉(zhuǎn)確定角度并準(zhǔn)確復(fù)位，在兩軸附近也都安裝紅外線反射探測傳感器，來檢測軸是否轉(zhuǎn)動到特定位置。采用這種方法的優(yōu)點是，控制簡便且無累積誤差［4］。

2.2.2 強度校核 立軸、橫軸和橫軸底板為機械臂的核心部分，其中立軸、橫軸材料為45鋼，橫軸底板材料為鋁合金。立軸與橫軸底板剛性連接，屬于懸臂梁，橫軸也屬于懸臂梁，它們均受彎扭載荷［5］。由于橫軸主要承受托盤和餐具引起的載荷，而立軸要承受橫軸底板上所有部件的重量，所以主要對立軸進行強度校核。又由于機械臂在工作過程中產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形對其工作性能影響不大，故不需進行軸的剛度校核。

機械臂強度校核見圖4，其中M1＝M2＝5 440N·mm，M3＝767.168N·mm，T＝2 000N·mm。B點為螺紋部分，尺寸M12，也是軸上直徑最小的部分，再根據(jù)彎矩圖和扭矩圖，易知B點為危險截面，且危險截面直徑d＝10.2mm。

軸的彎扭合成強度條件為：

式中：

σca——軸的計算應(yīng)力，MPa；

M——軸所受的彎矩，N·mm，取M＝5 440N·mm；

α——折合系數(shù)，立軸受對稱循環(huán)變應(yīng)力，取α＝1；

T——軸所受的扭矩，N·mm，取T＝2 000N·mm；

W——軸的彎曲截面系數(shù)，mm3，取W＝104.18mm3；

［σ－1］——軸的許用應(yīng)力，MPa。

根據(jù)文獻［6］得45鋼［σ－1］＝60MPa，可得：

故立軸滿足強度條件。

圖4 機械臂強度校核簡圖Figure 4 Sketch of the strength about the manipulator

2.3 處理機

現(xiàn)將3種不同型號的餐具（外徑分別為150，170，190mm的201不銹鋼碗）分別稱為小號碗、中號碗和大號碗。為將其區(qū)分開來，使處理機能進行連續(xù)作業(yè)，處理機主體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖5。

圖5 處理機工作示意圖Figure 5 Working schematic of the processor

處理機工作原理為：處理機工作面為圓形，一共有A、B、C、D 4個工位，其中A工位用于承接機械臂釋放的碗，B、C、D 3個工位為3個不同大小的工作孔，孔徑依次增大，分別為160，180，200mm，依次與小號碗、中號碗和大號碗對應(yīng)，且比相應(yīng)碗的外徑稍大。工作過程中，十字撥叉順時針旋轉(zhuǎn)，撥動A工位處的碗在工作面作圓周滑行。此時，小號碗經(jīng)過B工位，即從小號孔落下；而中號碗在經(jīng)過小號孔時由于自身直徑比孔徑大，所以不會落下而繼續(xù)向前滑動，直到滑動至C工位從中號孔落下；同理，大號碗最終在D工位的大號孔落下。B、C、D孔下方均放有餐具回收筐，不同大小的碗從相應(yīng)的工作孔落下，再通過螺桿機構(gòu)緩緩送入對應(yīng)筐中，即實現(xiàn)對不同型號的餐具的分類回收。

通過以上對餐具回收裝置的詳細設(shè)計，其機械結(jié)構(gòu)和強度滿足設(shè)計要求，最終根據(jù)設(shè)計，加工制作了餐具回收裝置實驗樣機，見圖6。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

餐具回收裝置主要采用局部智能控制方式。控制系統(tǒng)主要包括主控模塊、驅(qū)動模塊和狀態(tài)信息反饋模塊，其結(jié)構(gòu)框圖見圖7。餐具輸送機采用220V電源供電，控制系統(tǒng)采用5V電源供電。

圖6 餐具回收裝置實驗樣機Figure 6 Physical prototype of the dishware recovery

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure 7 Block diagram of the system control

3.1 主控模塊

主控模塊即主控制器模塊，本系統(tǒng)采用AT89C52單片機，最小系統(tǒng)原理圖見圖8，包括程序下載接口、復(fù)位電路以及時鐘電路等［7］。轉(zhuǎn)置主控模塊主要負責(zé)控制旋轉(zhuǎn)電磁式機械臂的動作，當(dāng)餐具到達餐具輸送機端部時機械臂處于就緒狀態(tài)，當(dāng)機械臂接收餐具后開始動作（傾倒殘留物，旋轉(zhuǎn)至處理機釋放后再復(fù)位）。

圖8 AT89C52單片機最小系統(tǒng)原理圖Figure 8 Minimum system schematic of AT89C52SCM

3.2 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊采用雙H橋驅(qū)動模塊，使用L298N芯片，可控制兩路直流電機正反轉(zhuǎn)，分別用于驅(qū)動轉(zhuǎn)臂的立軸和橫軸的正反向轉(zhuǎn)動，從而完成傾倒、傳送及復(fù)位動作。

3.3 狀態(tài)信息反饋模塊

該模塊采用紅外線反射探測傳感器，傳感器的發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號，有效距離范圍2～30cm，實際檢測距離可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)，工作電壓為3.3～5.0V。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)，具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點。

該模塊共采用6個紅外線反射探測傳感器。其中有1個傳感器安裝于餐具輸送機上，檢測餐具輸送機端部是否有碗通過，并將信息反饋給主控器，從而控制電磁鐵是否通電；2個傳感器分別安裝于橫軸和立軸附近，檢測軸的轉(zhuǎn)動角度，并將信息反饋給主控器，以實現(xiàn)軸轉(zhuǎn)動確定角度并能準(zhǔn)確復(fù)位；3個傳感器安裝于處理機工作孔下方，檢測是否有碗落下，并將信息反饋給主控器，從而控制螺桿的轉(zhuǎn)動。

4 結(jié)論

設(shè)計并制造了一種食堂餐具回收裝置，并對其機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)做了詳細說明。該裝置處理性能分析及測試結(jié)果表明，裝置具有良好的運行性和可靠性，可對外徑為150，170，190mm的不銹鋼食堂用湯碗進行自動回收、清理和分類，且裝置外形緊湊，移動布置方便，適合大、中、小各類型食堂使用，對食堂餐具自動回收的發(fā)展具有一定的意義。

1 張鋒學(xué).中國食品安全監(jiān)管體系改革的法律思考［J］.食品與機械，2013，29（2）：255～257.

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3 何慶，李秀蓮，吳子鶴.餐具輸送機設(shè)計［J］.江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2013，19（4）：46～49.

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5 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.第5版.北京：高等教育出版社，2011.

6 濮良貴，紀(jì)名剛.機械設(shè)計［M］.第8版.北京：高等教育出版社，2006.

7 Liu Ya－li，Jing Lan.Application of single－chip computer［J］.IMP ＆ HIRFL Annual Report，2004，33（3）：50～51.