席偉偉 沙 杰 簡(jiǎn)洋洋 吳宗慶 齊光宇

(河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)

隨著社會(huì)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了自動(dòng)售餐機(jī)和用于存放外賣的外賣柜[1]。目前，自動(dòng)售餐機(jī)的品種固定，消費(fèi)者只能從僅有的品種中作出選擇。雖然外賣柜能夠很好地彌補(bǔ)目前市場(chǎng)上的自動(dòng)售餐機(jī)在品種上的局限，但是其自身特點(diǎn)多為“一餐一門”的設(shè)置，功能單一且不夠便捷，不能很好地滿足社會(huì)的需求。自爆發(fā)新型冠狀病毒以來(lái)，市場(chǎng)對(duì)售餐機(jī)的需求更是急速增加[2]。為緩解高峰期就餐難，提升就餐品質(zhì)及效益，擬提出一種新型雙層售餐柜。

1 功能需求分析

據(jù)了解，消費(fèi)者對(duì)飲食的需求為：即時(shí)性需求和多樣化的需求。為滿足不同的消費(fèi)群體狀況，設(shè)備中應(yīng)能夠接收由中央廚房統(tǒng)一配送以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)定單形式配送的餐品。由于存在著兩種配送類型，因此，需要進(jìn)行分區(qū)保溫處理[3]。其中由中央廚房統(tǒng)一配送餐品區(qū)，因配送餐品較多通常采用人工存放；以網(wǎng)絡(luò)訂單形式配送區(qū)需存儲(chǔ)的餐品數(shù)量相對(duì)較少，若采用人工存儲(chǔ)則會(huì)頻繁開啟設(shè)備門，導(dǎo)致熱量散失增加電能損耗，因此，設(shè)備應(yīng)能夠進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)[4]，且識(shí)別餐品種類。完成網(wǎng)絡(luò)定單存儲(chǔ)之后應(yīng)能夠短信提醒消費(fèi)者取餐。

綜上，整體設(shè)備應(yīng)具備的功能為：① 線上/線下點(diǎn)餐售賣功能。② 分層保溫儲(chǔ)存功能。溫度設(shè)置50～60 ℃保障餐品的熱度。③ 自動(dòng)存儲(chǔ)功能。④ 識(shí)別功能。⑤ 短信提醒功能。⑥ 輸送取出功能。

2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前述，將雙層無(wú)人售賣儲(chǔ)餐柜結(jié)構(gòu)主體劃分為兩大部分：升降橫移取餐裝置和儲(chǔ)存裝置。儲(chǔ)存區(qū)域分為上、下雙層儲(chǔ)餐區(qū)域，如圖1所示。升降橫移取餐裝置用于整機(jī)餐品的取出，考慮到空間的布置將其設(shè)計(jì)為由橫移和升降平臺(tái)組成的形式[5]。上層儲(chǔ)餐裝置的餐品由于是人工存放，因此應(yīng)將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為輸送滾道形式以方便存放。下層儲(chǔ)餐裝置需具備自動(dòng)存儲(chǔ)功能，其結(jié)合市場(chǎng)外柜一餐一格的形式，將下層的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為圍繞升降存儲(chǔ)/推出機(jī)構(gòu)的單格回轉(zhuǎn)形式儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，便于餐品區(qū)分以及提升存儲(chǔ)和取出的效率[6]。對(duì)于存儲(chǔ)門的布置設(shè)計(jì)為單門自動(dòng)存儲(chǔ)，易于操作使用和保溫。整機(jī)對(duì)餐品的規(guī)格要求為：長(zhǎng)≤190 mm，寬≤140 mm，高≤75 mm。

圖1 結(jié)構(gòu)主體劃分

該設(shè)備的工作流程如圖2所示，消費(fèi)者購(gòu)買時(shí)，上層餐品可直接取出，下層餐品需配送員對(duì)中央廚房的網(wǎng)絡(luò)訂單餐品進(jìn)行配送、識(shí)別、存儲(chǔ)，待消費(fèi)者接收到短信提醒后，憑購(gòu)餐二維碼/取餐碼進(jìn)行取餐[7]。

圖2 工作流程圖

3 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用Solid Works三維軟件對(duì)設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，得到該雙層無(wú)人售賣儲(chǔ)餐柜的主體結(jié)構(gòu)[8]，如圖3所示。該設(shè)備主要由上層儲(chǔ)餐裝置、自動(dòng)存儲(chǔ)的下層儲(chǔ)餐裝置和用于整機(jī)取貨的升降橫移取餐裝置組成。

1. 上層儲(chǔ)餐裝置 2. 升降橫移取餐裝置 3. 下層儲(chǔ)餐裝置4. 出餐窗口 5. 存餐窗口

3.1 上層儲(chǔ)餐裝置

為了方便擺放以及增加餐品的擺放數(shù)量，提高空間利用率，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多層并排的輸送滾道[9]，并由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。單層有4列貨道，每列能夠容納5盒。

1. 升降取餐平臺(tái) 2. 餐品 3. 輸送帶 4. 減速電機(jī)

售賣時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降橫移取餐裝置移動(dòng)到指定的貨道，貨道減速電機(jī)工作輸送，當(dāng)餐品經(jīng)輸送帶移動(dòng)到升降取餐平臺(tái)的中間位置時(shí)，觸發(fā)光電傳感器信號(hào)，貨道上的減速電機(jī)停止工作，之后取餐裝置上的減速電機(jī)開始帶動(dòng)輸送帶工作，餐品到位后再運(yùn)送至出餐窗口取出。

3.2 下層儲(chǔ)餐裝置

為了提高存取過(guò)程的運(yùn)行效率，下層儲(chǔ)餐裝置采用圍繞升降存儲(chǔ)/推出機(jī)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)形式，并以環(huán)形導(dǎo)軌支撐，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)[10]。該部分由輸送機(jī)構(gòu)1(由輸送帶及推送機(jī)構(gòu)組成)、升降存儲(chǔ)/推出機(jī)構(gòu)2以及儲(chǔ)餐機(jī)構(gòu)3組成，如圖5所示。

1. 輸送機(jī)構(gòu) 2. 升降存儲(chǔ)/推出機(jī)構(gòu) 3. 儲(chǔ)餐機(jī)構(gòu)

進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，通過(guò)輸送帶將餐品輸送至推送機(jī)構(gòu)(見圖6)上，當(dāng)傳感器檢測(cè)到餐品到達(dá)指定位置后，推送機(jī)構(gòu)的推板7將需要存儲(chǔ)的餐品輸送到升降存儲(chǔ)/推出機(jī)構(gòu)上。

1. 同步帶輪 2. 同步帶 3. 橡膠輥 4. 導(dǎo)軌 5. 餐品 6. 導(dǎo)軌滑塊 7. 推板 8. 減速電機(jī) 9. 齒輪

1. 推板 2. 電動(dòng)推桿 3. 橡膠輥 4. 齒輪 5. 直線導(dǎo)軌 6. 齒條 7. 電機(jī) 8. 減速電機(jī) 9. 齒輪 10. 儲(chǔ)餐格

升降存儲(chǔ)/推出機(jī)構(gòu)集存儲(chǔ)和推出功能于一體，其升降過(guò)程由絲杠驅(qū)動(dòng)，圓柱導(dǎo)軌導(dǎo)向。餐品存儲(chǔ)時(shí)，儲(chǔ)餐機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)，并按照編好的程序工作，在霍爾傳感器檢測(cè)下實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)，使儲(chǔ)餐機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到指定位置，如圖7所示，由升降存儲(chǔ)/推出機(jī)構(gòu)輸送完成對(duì)餐品的存放[11]。取餐時(shí)，升降存儲(chǔ)/推出機(jī)構(gòu)中的電動(dòng)推桿2將餐品推出(所設(shè)計(jì)推程為150 mm)，使得餐品落在升降取餐機(jī)構(gòu)上，之后取餐工作原理與上層取餐一致完成取餐。

3.3 升降橫移取餐裝置

3.3.1 升降橫移取餐裝置設(shè)計(jì) 升降橫移取餐裝置如圖8(a) 所示，用于整個(gè)儲(chǔ)餐區(qū)域的取出及售賣。該裝置的橫移過(guò)程采用了鋼絲繩連接齒形帶，由U型鋼絲繩惰輪引導(dǎo)下形成的一個(gè)閉環(huán)傳動(dòng)。結(jié)構(gòu)上能減少電機(jī)的使用數(shù)量，保證橫移時(shí)的平衡性以及同步性，同時(shí)采用同步齒形帶傳動(dòng)無(wú)滑動(dòng)，初拉力較小，能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，保證了經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用下準(zhǔn)確快速的實(shí)現(xiàn)[12]。裝置的升降則采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶對(duì)升降取餐平臺(tái)進(jìn)行提升和降落。升降橫移取餐裝置的運(yùn)動(dòng)原理如圖8(b)所示。

1. 直線導(dǎo)軌 2. 鋼絲繩 3. U型鋼絲繩惰輪 4. 升降取餐平臺(tái) 5. 同步帶 6. 同步帶輪 7. 升降驅(qū)動(dòng)電機(jī) 8. 齒形帶 9. 軸承 10. 帶輪 11. 聯(lián)軸器 12. 橫移驅(qū)動(dòng)電機(jī) 13. 鋼絲繩張緊導(dǎo)向惰輪 14. 鋼絲繩引導(dǎo)惰輪

3.3.2 升降橫移取餐裝置的優(yōu)化分析 升降橫移取餐裝置作為整個(gè)售餐柜取餐的關(guān)鍵部分。為驗(yàn)證裝置的合理性，同時(shí)使得結(jié)構(gòu)緊湊輕便化。采用軟件Ansys Workbench 17.0將取餐平臺(tái)骨架、升降橫移板以及取餐平臺(tái)連接滑塊的模型導(dǎo)入[13]。

選用材料為304不銹鋼，定義材料性能的彈性模量195 GPa，泊松比0.3，密度7 930 kg/m3，許用應(yīng)力σs=205 MPa。根據(jù)載荷情況為有運(yùn)動(dòng)情況，取安全系數(shù)為1.2，因此許用應(yīng)力[σ]=170.83 MPa。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格自動(dòng)劃分，其劃分的稀疏得當(dāng)，之后添加約束固定，且加入載荷45 N在取餐平臺(tái)骨架上。

圖9 升降橫移取餐裝置的變形及應(yīng)力云圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前述的功能需求以及方案設(shè)計(jì)，結(jié)合設(shè)備自身情況，如圖10所示，雙層無(wú)人售賣儲(chǔ)餐柜的控制采用“智能終端+PLC”為核心的控制系統(tǒng)[14]，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的人機(jī)交互與自動(dòng)售賣。該控制系統(tǒng)信號(hào)輸入端有霍爾傳感器和光電傳感器等，執(zhí)行元件為電機(jī)、電動(dòng)推桿、加熱裝置及門鎖等主要元器件。

圖10 控制系統(tǒng)組成

4.2 核心元器件選型

執(zhí)行元器件主要針對(duì)電機(jī)和電動(dòng)推桿進(jìn)行選型。電機(jī)選用了兩類：減速電機(jī)及伺服電機(jī)。上層儲(chǔ)餐裝的輸送滾道中以及取餐平臺(tái)都選用了GW31YZ 24V蝸輪蝸桿減速電機(jī)，斷電時(shí)也具有極強(qiáng)的自鎖性，功耗低且扭矩大，并搭配E3F-DS30C4光電傳感器形成閉環(huán)控制，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)餐品的取出。在升降及橫移時(shí)，控制位置需要精確的定位，因此，采用制動(dòng)性能好，啟停反應(yīng)迅速的ECMA系列低慣量伺服電機(jī)。電動(dòng)推桿則選用直流24V JF-20A 筆式電動(dòng)推桿，其體積小便于安裝，并具有雙霍爾信號(hào)反饋，進(jìn)行餐品的推出能準(zhǔn)確獲取推板的位置。

系統(tǒng)中的控制核心PLC選用DVP-64EH00T，能夠適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用，具備擴(kuò)展模塊，程序及數(shù)據(jù)寄存器容量大。配有4組200 kHz的高速脈沖輸出(每組既能發(fā)射脈沖又能控制方向)，支持4組200 kHz硬件高速計(jì)數(shù)器，有多種運(yùn)動(dòng)控制指令，以達(dá)到高速準(zhǔn)確定位控制功能，輸出為NPN晶體管型。工作時(shí)，PLC通過(guò)系列傳感器的檢測(cè)及信號(hào)輸入控制執(zhí)行元件的啟停。

4.3 控制流程

控制流程如圖11所示，系統(tǒng)包含3個(gè)模式：① 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏選餐模式是消費(fèi)者線下選餐購(gòu)買，線上支付后，智能終端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器通信，最終作用到PLC完成對(duì)上層的取貨；② 取餐模式則是消費(fèi)者線上進(jìn)行購(gòu)餐，完成配送后，消費(fèi)者憑二維碼/取餐碼到設(shè)備處進(jìn)行取餐；③ 配送員存儲(chǔ)模式則是中央廚房接到訂單后，配送人員進(jìn)行配送存儲(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)需要經(jīng)過(guò)條形碼掃描識(shí)別將餐品信息傳至上位機(jī)，存儲(chǔ)過(guò)程中每層需系列傳感器信號(hào)的輸入，將每個(gè)儲(chǔ)餐格進(jìn)行編排序號(hào)，存取工作時(shí)需要進(jìn)行復(fù)位，且優(yōu)先存放在低層，完成存儲(chǔ)之后，將會(huì)生成短信通知消費(fèi)者取餐。

圖11 控制流程框圖

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前市場(chǎng)售餐設(shè)備不夠便捷的狀況，設(shè)計(jì)出了一款與成熟的物聯(lián)網(wǎng)銷售模式相結(jié)合的雙層無(wú)人售賣儲(chǔ)餐柜設(shè)備。該設(shè)備上層結(jié)構(gòu)以并排滾輪貨道，下層結(jié)構(gòu)則是具備自動(dòng)存儲(chǔ)的以單格回轉(zhuǎn)形式，控制方式采用“智能終端+PLC”為核心的控制系統(tǒng)，該設(shè)備具備現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)餐模式及網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)餐模式，兩種模式能夠滿足消費(fèi)者即時(shí)性需求及多樣化需求，為緩解高峰期就餐難，提升就餐品質(zhì)及效益提供了方案。雙層送無(wú)人售賣儲(chǔ)餐柜當(dāng)前的控制系統(tǒng)雖然能夠滿足預(yù)期要求，但運(yùn)行效率還是不夠高，因此后期需要通過(guò)算法的優(yōu)化，達(dá)到高效存取餐的目的。