呂靜

[摘? ? 要]飲品售賣機(jī)是一種操作體驗(yàn)智能化、加工工序自動(dòng)化、終端產(chǎn)品多樣化的全自動(dòng)化設(shè)備。將手機(jī)操作平臺(tái)與自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合，消費(fèi)者可以通過手機(jī)操作平臺(tái)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，控制各個(gè)機(jī)械功能模塊運(yùn)轉(zhuǎn)，通過將不同原料液，按照消費(fèi)者設(shè)置好的比例關(guān)系，配比混合出各種口味的飲品，體會(huì)到自己調(diào)制飲品的快樂與滿足。本文重點(diǎn)介紹了飲品售賣機(jī)主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其關(guān)鍵零部件選型。

[關(guān)鍵詞]飲品售賣機(jī);智能化;自動(dòng)化;多樣化

[中圖分類號(hào)]TM619 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）10–00–03

Design of Transmission Mechanism in Beverage Vending Machine

Lv Jing

[Abstract]The beverage vending machine is a fully automatic equipment with intelligent operation experience， automatic processing process and diversified terminal products. By combining the mobile phone operation platform with the automatic electrical control system， consumers can set relevant parameters through the mobile phone operation platform to control the operation of each mechanical function module. By mixing different raw materials， according to the proportion relationship set by the consumers， mix all kinds of flavored drinks， and realize the happiness and satisfaction of their own drinks. This paper mainly introduces the main transmission mechanism and key parts selection of beverage vending machine.

[Keywords]beverage vending machine; intelligence; automation; diversification

1 飲品售賣機(jī)概述

1.1 飲品售賣機(jī)簡介

售賣機(jī)的幾乎所有工序都屬于自動(dòng)化控制系統(tǒng)，就連終端體驗(yàn)都采用掃碼制飲品、掃碼取飲品的操作系統(tǒng)，終端體驗(yàn)智能便捷。

1.2 飲品售賣機(jī)功能模塊劃分

根據(jù)調(diào)制飲品需要，該飲品售賣機(jī)結(jié)構(gòu)組成見圖1。

1.3 飲品售賣機(jī)工作流程分析

一旦消費(fèi)者通過手機(jī)終端定制了某款飲品，終端軟控系統(tǒng)就會(huì)向設(shè)備終端的電控系統(tǒng)發(fā)號(hào)“開始調(diào)制”飲品的指令，電控系統(tǒng)在收到該指令之后隨即啟動(dòng)設(shè)備各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開始有條不紊的運(yùn)作，調(diào)制飲品，具體的工作流程見圖2。

2 飲品售賣機(jī)主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其零部件選型

根據(jù)功能需要，此飲品售賣機(jī)主要有儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、調(diào)制灌裝機(jī)構(gòu)、暫存機(jī)構(gòu)（比較簡單，不再單獨(dú)介紹）等4大機(jī)構(gòu)。

2.1 儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)

此設(shè)備的儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)有3種機(jī)構(gòu)，包含原料液儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)、冰塊儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)杯機(jī)構(gòu)。

原料液儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)由多個(gè)原料瓶和防漏瓶塞組成。

冰塊儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)類似于一個(gè)小小的冰箱，依靠壓縮機(jī)和冷凝器制冷。把方塊冰碼入冰盒，一旦傳感器接收到出冰信號(hào)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)隨即帶動(dòng)攪籠轉(zhuǎn)動(dòng)，把方塊冰螺旋推送至出冰通道。

儲(chǔ)杯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中主要有4個(gè)轉(zhuǎn)筒。當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)筒里的杯子用完，光感傳感器接收到空杯信號(hào)，控制轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°，下一個(gè)存杯轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)到工作位，為杯子進(jìn)入輸送通道做準(zhǔn)備。一旦所有的杯子都被用完，光感傳感器就會(huì)發(fā)出空杯信號(hào)，提示工作人員添加杯子。

2.2 輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)包含原料液輸送機(jī)構(gòu)和杯子輸送機(jī)構(gòu)。

2.2.1 原料液輸送機(jī)構(gòu)

原料液輸送機(jī)構(gòu)主要由液壓泵、流量控制閥、軟管和一些控制模塊組成。

原料液輸送機(jī)構(gòu)主要需要考慮兩個(gè)方面，一是原料液的及時(shí)補(bǔ)給，二是原料在輸送過程中流量的控制。流量的控制是一大難點(diǎn)，在本設(shè)備中采用了流量控制閥和軟件控制相結(jié)合的辦法，經(jīng)過多次流量試驗(yàn)，找出最終流量控制的規(guī)律，來最大程度的滿足消費(fèi)者對(duì)飲品口感的預(yù)期。

2.2.2 杯子輸送機(jī)構(gòu)

如何高效可靠的從儲(chǔ)杯機(jī)構(gòu)里拿取杯子然后輸送到接液平臺(tái)，是設(shè)計(jì)之初需要重點(diǎn)考慮的問題。本設(shè)備通過兩個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)此目的，見圖3。

機(jī)構(gòu)1主要是把杯子從儲(chǔ)杯機(jī)構(gòu)里取出，然后平移到機(jī)構(gòu)2里杯座正上方，下移杯子到杯座里，隨即抓手上移，與杯子上沿距10 mm時(shí)，抓手平移到初始工作位，為下一次輸送杯子做準(zhǔn)備，也為機(jī)構(gòu)2里杯座的上移騰出空間。機(jī)構(gòu)2的杯座里被檢測到有杯子之后，杯座上移，至最高位行程開關(guān)作用，杯座停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)接液平臺(tái)處的光感傳感器檢測到有杯子存在，杯子輸送工作至此結(jié)束。

機(jī)構(gòu)1的運(yùn)動(dòng)軌跡分為水平移動(dòng)和上下移動(dòng)兩種。機(jī)械抓手開合是通過一個(gè)有刷直流減速電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)兩邊旋向相反的螺桿來實(shí)現(xiàn)的。整體水平移動(dòng)采用同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，水平位移為132 mm;上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[2]，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，垂直位移分別165 mm和220 mm。其主要零部件有帶動(dòng)同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)、同步輪、同步帶、直線導(dǎo)軌、行程開關(guān);以及帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿（含絲杠螺母）、起導(dǎo)向作用的導(dǎo)向光軸、直線軸承和行程開關(guān)等組成。

機(jī)構(gòu)2的運(yùn)動(dòng)軌跡為上下移動(dòng)一種，對(duì)精度要求也不是特別高，滿足±1 mm即可，因此采用了同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)中主要零部件包括帶動(dòng)同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)、同步輪、同步帶、直線導(dǎo)軌、行程開關(guān)和光電傳感器。

在整個(gè)輸送杯子過程中，無論上移、下移還是左右平移，都會(huì)在行程兩端各安裝一個(gè)行程開關(guān)，來控制運(yùn)動(dòng)行程，必要時(shí)還需加機(jī)械硬限位。

2.3 調(diào)制灌裝機(jī)構(gòu)

調(diào)制灌裝機(jī)構(gòu)就是要實(shí)現(xiàn)把各種原料液和冰塊混合，然后把調(diào)制好的飲品倒入杯子里的過程。這一系列動(dòng)作是通過一個(gè)六軸機(jī)器人來完成的，在可靠地滿足工作的同時(shí)大大的節(jié)省了人力成本。

2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中主要零部件選型

2.4.1 儲(chǔ)杯機(jī)構(gòu)中涉及到大小齒輪和齒輪電機(jī)的選型計(jì)算

（1）齒輪選型計(jì)算[3]如下：已知：選用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動(dòng)，材質(zhì)為45鋼調(diào)質(zhì)處理。則齒輪模數(shù)m=2，壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.25。齒寬b=Ψd×d（這里是懸臂配置變動(dòng)較大的情況，取Ψd=0.4[3]）。為減輕整體重量和大小選取主動(dòng)小齒輪齒數(shù)z1=14。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)要求，取齒輪副中心距a=125 mm。

則：b1=Ψd×d1=Ψd×m×z1=0.4×2×14=11.2 mm，

b1=b2=12 mm。

由齒輪副中心距a=m/2（z1+z2）=125 mm，得z2=111

分度圓直徑：d1=mz1=2×14=28 mm;

d2=mz2=2×111=222 mm。

齒頂高：ha=ha*×m=2 mm。

齒根高：hf=（ha*+c*）×m=2.5 mm。

齒高：h=ha+hf=4.5 mm。

齒頂圓直徑：da1=d1+2ha=32 mm。

da2=d2+2ha=226 mm。

齒根圓直徑：df1=d1-2hf=23 mm。

df2=d2-2hf=217 mm。

基圓直徑：db1=d1cosα=26.31 mm;

db2=d2cosα=208.61 mm。

齒頂圓壓力角：

=34°41′44″;

=22°37′26″。

重合度：端面重合度

（這里需+）

=1.664

縱向重合度;

總重合度=1.664。

（2）齒輪電機(jī)選型計(jì)算如下：已知：供電電壓24 V，負(fù)載質(zhì)量10 kg，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速n2=15 r/min。

①負(fù)載轉(zhuǎn)矩（加速轉(zhuǎn)矩+摩擦轉(zhuǎn)矩）：

M=FL=mgL=10 kg×9.8 N/kg×125/1000 M=12.3 NM（M力矩、F力、L力臂）

②由n1/n2=z2/z1推出n1=z2n2/z1≈119 r/min，即電機(jī)帶動(dòng)的小齒輪轉(zhuǎn)速n1≈119 r/min<300 r/min，則可以取安全系數(shù)S=1.5，步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩Tn=M×S=12.3×1.5=18.4 Nm，配減速比為1∶5的減速器。

綜上，此處選擇的電機(jī)為雷塞42系列兩相混合步進(jìn)電機(jī)，具體型號(hào)為42CM06配DM542S驅(qū)動(dòng)器。

2.4.2 輸送機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)1中涉及到1個(gè)直流電機(jī)、滾珠絲杠、同步帶傳動(dòng)的選型計(jì)算。

（1）直流電機(jī)選型參數(shù)如下：

①負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

M=FL=MgL=1 kg×9.8 N/kg×66/1000 m=0.65 Nm。

②轉(zhuǎn)速n=60 r/min。

綜上，選用圓睿鑫YGA20R130SH有刷直流微型減速電機(jī)，其參數(shù)如下：

額定電壓：3～12 V。

額定功率：0.3 W。

額定轉(zhuǎn)矩：3 Nm。

轉(zhuǎn)速：10～300r/min

（3）滾珠絲杠選型如下：已知：負(fù)載10 kg、傳送長度220 mm、速度0.1 m/s、精度C7、工作環(huán)境正常工作環(huán)境。

品牌型號(hào)：韓國太敬SFHR1210-DFC7-342-P1螺距10，具體參數(shù)見太敬選型樣冊(cè)截圖（圖4）。

（4）同步輪、同步帶選型計(jì)算校核[3]如下：此機(jī)構(gòu)中同步帶傳動(dòng)為水平傳動(dòng)，水平方向設(shè)計(jì)要求：滑塊行程132 mm，移動(dòng)負(fù)載2 N，滑塊運(yùn)動(dòng)132 mm所需要的時(shí)間為1 s。確定選用寧波蓋齊的同步帶和同步帶輪。

①設(shè)計(jì)功率Pd=KAP

P=2N×0.132m÷1s÷η=0.3 W;

KA根據(jù)工作情況查表取1.5。

Pd=KAP=1.5×0.3 W=0.45 W。

②帶型選擇

根據(jù)Pd=0.45 W和帶輪轉(zhuǎn)速n=100 r/min，查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇T5型梯形同步帶。

③帶輪齒數(shù)z及節(jié)圓直徑d1

根據(jù)帶速和安裝尺寸允許，z盡可能選擇較大值，通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。

選擇T5帶，齒數(shù)z=30，節(jié)圓直徑d1=47.75 mm，外圓直徑d0=46.9 mm

④帶速v

v=Πd1n/60×1000=0.25 m/s

⑤傳動(dòng)比i

因?yàn)橹鲃?dòng)輪和從動(dòng)輪同一個(gè)型號(hào)，所以i=1。

⑥初定中心距a0

a0=295 mm（根據(jù)結(jié)構(gòu)需要定）。

⑦初定帶的節(jié)線長度L0P及齒數(shù)ZP

L0P≈2a0+Π（d1+d2）/2+（d1-d2）2/4a0=739.94 mm，查表，取最接近L0P的LP=740 mm

⑧實(shí)際中心距a

a=a0+（LP-L0P）/2≈295 mm。

⑨基準(zhǔn)額定功率P0

可查表得P0=5 W。

⑩帶寬bS

bS≥10Pd/znPo，查表，取bS=18 mm。

綜上：同步帶輪型號(hào)為30-T5，同步帶為L740-T5-13。

3 結(jié)束語

本篇介紹了飲品售賣機(jī)的工作流程、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件選型。在設(shè)備結(jié)構(gòu)方面，三分設(shè)計(jì)七分制造。可見加工制造至關(guān)重要，按照?qǐng)D紙要求嚴(yán)把精度關(guān)，保證零部件的加工精度，保證裝配后精度，才能組裝成理想的設(shè)備。當(dāng)然一款好的設(shè)備，完美的結(jié)構(gòu)并不是其全部內(nèi)容，外觀、結(jié)構(gòu)、硬控和軟控的完美配合才是關(guān)鍵所在，才能給消費(fèi)者帶來更好的使用體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸巧男.經(jīng)濟(jì)型轎車用功率分流式無級(jí)變速器的設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2007.

[2] 賀成明.基于模糊免疫PID的金屬帶式無級(jí)變速器速比控制研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[3] 李旭.考慮齒側(cè)間隙的DCT斜齒輪接觸應(yīng)力分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[4] 周美蘭.轎車無級(jí)變速器綜合模糊控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2006.

[5] 周云山，王歆譽(yù)，張軍，等.基于瞬態(tài)激勵(lì)的CVT傳動(dòng)系統(tǒng)扭振響應(yīng)研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2015（6）：1-4.