張克彪 季德生 丁 寧 呂慶國 陳功賀 劉澤溢

（濱州學(xué)院 機電工程學(xué)院，濱州 256603）

隨著人們生活水平的提高，人們對飲食安全與方便的要求越來越高。燒烤作為一種傳統(tǒng)小吃，經(jīng)常被冠以不健康的名號。隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展，可供人們燒烤的地方也逐漸減少。因此，研發(fā)出一種既健康又方便的無人零售燒烤機器，以滿足消費者的雙重需求，具有廣闊的推廣前景與良好的經(jīng)濟效益，可廣泛應(yīng)用于電影院、商場、游樂場等娛樂場所[1-2]。據(jù)市場調(diào)查，目前比較多的燒烤類機器只能完成半自動燒烤功能，尚未有能做到集燒烤、抹醬撒料、包裝、置放等多功能于一身的帶有掃碼支付功能的機器。

1 機械設(shè)計及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

全自動無人零售燒烤機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機架2、烤箱5、下傳遞系統(tǒng)6、上傳遞系統(tǒng)8、抹醬系統(tǒng)9、撒料系統(tǒng)10、包裝系統(tǒng)11、放置系統(tǒng)1、烤串架12和控制系統(tǒng)3。其中：下傳遞系統(tǒng)6和上傳遞系統(tǒng)8上分別設(shè)置有下夾持機械手13和上夾持機械手14：上平臺7的一端開設(shè)有開槽，放置系統(tǒng)1設(shè)置于上平臺7的另一端：抹醬系統(tǒng)9、撒料系統(tǒng)10和包裝系統(tǒng)11依次設(shè)置于開槽至置放系統(tǒng)1之間；開槽一側(cè)的上平臺上固定有暫存烤串的中轉(zhuǎn)架；烤串經(jīng)下傳遞系統(tǒng)6的帶動，能夠?qū)崿F(xiàn)烤制并放置于中轉(zhuǎn)架上；烤串經(jīng)上傳遞系統(tǒng)8的帶動，能夠?qū)崿F(xiàn)抹醬、撒料、包裝和置放。

圖1 全自動無人零售燒烤機結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作流程

燒烤機工作流程如圖2所示。顧客通過掃描二維碼付款后，傳遞系統(tǒng)開始工作，機械手拿取烤串后通過同步輪和同步帶將烤串移動至烤箱上部，然后烤箱門打開，再由傳遞部分將烤串送入烤箱，然后關(guān)閉烤箱門開始進行加熱?？敬就曛罂鞠溟T打開，傳遞系統(tǒng)將烤串移動至上方中轉(zhuǎn)處，然后機械手拿取下一個肉串進行烤制。此時，另一個機械手會將放置在中轉(zhuǎn)處的肉串抓起，移動至抹醬部分，然后通過液泵的運作使醬料均勻滴出，此時機械手通過旋轉(zhuǎn)使滴落的醬料均勻涂抹在肉串上。之后撒料機構(gòu)通過電機轉(zhuǎn)動帶動撒料盒上下運動使調(diào)料粉漏出，同時機械手旋轉(zhuǎn)，使調(diào)料粉均勻分布。然后機械手通過傳遞系統(tǒng)帶動肉串運動至包裝等待區(qū)，包裝系統(tǒng)通過吸盤和整體移動裝置將已經(jīng)打開的袋子移動到等待區(qū)并完成包裝工作。機械手在包裝之后帶著包裝好的肉串移動至拿取箱中，然后舵機通電帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，與拿取箱下面的齒輪嚙合，使拿取箱旋轉(zhuǎn)至方便顧客拿取的地方。

圖2 燒烤機工作流程圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 烤箱

烤箱結(jié)構(gòu)如圖3所示，經(jīng)過實驗，烤箱能使溫度控制在200 ℃以下，以避免致癌物質(zhì)的產(chǎn)生[3]，并且可在1 min左右將一個肉串烤制完畢?？鞠溟T開合機構(gòu)為燒烤箱的主要機械結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該結(jié)構(gòu)主要由一個舵機完成烤箱門的開合，以保證烤箱的溫度適合烤制?？鞠鋬?nèi)外總共有3層，里層是肉串的放置區(qū)，中層是加熱區(qū)，最外層是由保溫棉構(gòu)成的保溫區(qū)[4]。經(jīng)過實驗，烤箱溫度達到200 ℃并保溫后，經(jīng)過1 min只降低一攝氏度，具有良好的保溫效果，能夠保證在最短時間內(nèi)將肉串烤熟。

圖3 烤箱結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳遞系統(tǒng)

傳遞系統(tǒng)由上下兩組傳遞結(jié)構(gòu)組成，每組都是由實現(xiàn)升降的同步輪傳動部分、實現(xiàn)左右平移的同步輪傳動部分和實現(xiàn)肉串抓取的機械手部分組成。下面一組機械手主要由兩個舵機輸出功率，其中一個舵機用來改變?nèi)獯乃脚c垂直方向，以實現(xiàn)機械手能夠水平抓取肉串，并垂直放入烤箱的功能，另一個舵機主要用來實現(xiàn)機械手爪的開合。上面一組的機械手部分也是由兩個舵機輸出功率，其中一個舵機用來使肉串軸向轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)均勻撒料抹醬的效果，另一個舵機用來實現(xiàn)機械手爪的開合。

2.3 抹醬撒料系統(tǒng)

如圖4所示，該系統(tǒng)包括一個減速電機、一個醬盒、一個清水盒和兩個齒輪，齒輪上方標有箭頭，用以指示管路中的液體種類，下方的減速電機通過帶動齒輪旋轉(zhuǎn)可使三通轉(zhuǎn)向，以實現(xiàn)液體泵切換抽取調(diào)味醬與清水的效果，從而達到清洗抹醬口的功能。出醬口采用連通器原理，有效地減小了醬泵的沖力，并能夠保證出醬口能均勻滴抹在肉串上。抹醬采用滴漏的方式能避免抹醬器被污染，保證了醬液的健康。撒料系統(tǒng)由曲柄往復(fù)機構(gòu)和料盒構(gòu)成[5]，如圖5所示。曲柄往復(fù)機構(gòu)能有效地將料粉從料盒中均勻灑出，也可通過減速電機的作用調(diào)節(jié)撒料的多少，從而滿足客戶對口味的需求。

圖4 抹醬系統(tǒng)示意圖

圖5 撒料系統(tǒng)示意圖

2.4 包裝系統(tǒng)

為保證機器的干凈衛(wèi)生，本產(chǎn)品特地設(shè)計了對肉串的包裝機構(gòu)，該機構(gòu)主要由絲杠、吸盤、升降機構(gòu)組成，如圖6所示。其工作過程為：首先，通過升降機構(gòu)以及吸盤將包裝盒里的包裝袋取出；其次，經(jīng)過底部電機的驅(qū)動將紙袋移動到包裝袋開口位置，并通過升降機構(gòu)以及吸盤將包裝袋的袋口打開[6]；最后，通過底部電機驅(qū)動將包裝袋移動至已經(jīng)撒料完成的烤串區(qū)域，以完成對烤串的包裝。

圖6 包裝系統(tǒng)示意圖

2.5 放置系統(tǒng)

為了方便顧客能夠一次性購買多個燒烤串，設(shè)立了放置系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由傳遞齒輪、存儲盒、旋轉(zhuǎn)舵機構(gòu)成。在機器完成全部肉串的烤制工作后，機械手將全部肉串置放于存儲盒中，再由舵機帶動存儲盒旋轉(zhuǎn)，使肉串竹簽面對消費者，以便于消費者拿取。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

整個機器主要由龍邱MK60DN單片機與3種不同繼電器以及17個光感形成閉環(huán)回路，以實現(xiàn)機器的全自動化運轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)以掃碼支付模塊為核心，由顧客實現(xiàn)掃碼支付后啟動機器并完成烤制工作。

4 結(jié)語

無人零售與燒烤相結(jié)合，解決了燒烤污染環(huán)境、不健康、不方便等問題，極大地節(jié)省了人力，能夠使顧客隨時隨地吃到健康的燒烤，該裝置可以廣泛應(yīng)用于商場、游樂場、電影院等娛樂場所，具有很大的推廣價值和經(jīng)濟效益。