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        自動化餐盤清洗設(shè)備發(fā)盤機構(gòu)設(shè)計

        2022-06-16 05:59:02游向東
        新型工業(yè)化 2022年4期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備設(shè)計

        游向東

        上超電器科技(上海)有限公司,上海,201801

        0 引言

        人們生活水平不斷提高,城市工作和生活節(jié)奏不斷加快,各類中西餐廳和城市大食堂數(shù)量越來越多,因此餐后餐盤清洗工作量也會越來越重,原先普通人工清洗,明顯無法滿足當今時代快節(jié)奏發(fā)展的要求,逐步采用如圖1所示的自動化餐盤清洗設(shè)備來輔助完成,全面提升清洗效率和清洗效果。

        一套成熟的自動化餐盤清洗設(shè)備一般由以下幾個部件組成:1)儲盤發(fā)盤機構(gòu);2)沖洗機構(gòu);3)刷洗機構(gòu);4)高壓噴洗機構(gòu);5)烘干消毒機構(gòu);6)堆疊擺放機構(gòu)[1]。自動化餐盤清洗設(shè)備總體上是由以上部件組成,并形成一套完整的設(shè)備。縱觀清洗設(shè)備組成,不難發(fā)現(xiàn),發(fā)盤機構(gòu)十分重要。也正因為如此,作為自動化餐盤清洗設(shè)備來講,改進優(yōu)化發(fā)盤機構(gòu)的設(shè)計,對于提升整體設(shè)備性能具有巨大意義。

        下面分別介紹2種不同的自動化餐盤清洗設(shè)備的發(fā)盤機構(gòu),進行發(fā)盤機構(gòu)的動作原理研究和設(shè)計計算,為本課題自動化餐盤清洗設(shè)備做好技術(shù)準備。

        1 發(fā)盤機類型

        目前,市場上較多的發(fā)盤機從驅(qū)動動力上來分,可以分為氣動和電動兩種基本形式。

        如圖2所示結(jié)構(gòu),為氣動夾持式自動發(fā)盤系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)為:首先,定位構(gòu)件及齒輪齒條型夾持機構(gòu)從兩個方向圍成垂直或傾斜一定角度的具有一定高度的上下通道,形成餐盤定位存儲通道;齒輪齒條型夾持機構(gòu)由定位構(gòu)件及夾持臂組成,夾持臂為獨立的構(gòu)件,通過復位彈簧與機架連接,并在齒輪齒條型夾持裝置的齒輪軸、夾持裝置的齒輪、夾持裝置的齒條驅(qū)動下完成夾持、松開過程;兩個方向的氣缸型發(fā)盤機構(gòu)安裝在餐盤定位存儲通道的定位構(gòu)件和夾持機構(gòu)的下方[2]。層疊的餐盤放置在餐盤定位存儲通道下部的發(fā)盤機構(gòu)的托臂上;由動力裝置驅(qū)動夾持裝置的齒輪軸及夾持裝置的齒輪旋轉(zhuǎn),帶動夾持裝置的齒條直線移動,從而帶動夾持臂伸向餐盤定位存儲通道內(nèi)側(cè)方向,將摞起的餐盤夾緊;齒輪軸及齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn),夾持裝置的齒條退回,在復位彈簧拉動下夾持臂在縮回,將摞起的餐盤放開,其因自身重力自然下落;氣缸在控制系統(tǒng)控制下氣缸放氣,托臂自動伸出或縮回,將餐盤托住或放下,餐盤因自身重力自然下落;剛落下的餐盤落入網(wǎng)帶,而后將餐具傳送并貫穿噴淋清洗和烘干消毒結(jié)構(gòu),進行清洗、烘干消毒。

        如圖3所示,為電動夾持式自動發(fā)盤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:餐盤定位存儲通道由定位構(gòu)件及凸輪型夾持機構(gòu)從四個方向圍成垂直或傾斜一定角度的具有一定高度的上下通道,定位構(gòu)件為桿狀構(gòu)件組成,餐盤定位存儲通道部分敞開,便于直接觀察餐盤剩余數(shù)量,適時添加餐盤;夾持臂(凸輪的凸起面),高于凸輪基面,用于夾持餐具,電機及減速機驅(qū)動凸輪軸旋轉(zhuǎn),帶動托臂回轉(zhuǎn)至餐盤定位存儲通道的內(nèi)側(cè)面時承載托住摞起的餐盤,托臂回轉(zhuǎn)至離開餐盤定位存儲通道的內(nèi)側(cè)面時,托臂旋出,將摞起的餐盤松開,摞起的餐盤因自身重力自然下落;凸輪軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn),回轉(zhuǎn)至直徑最大處即凸起面向餐盤定位存儲通道內(nèi)側(cè)方向,將摞起的餐盤二夾緊;兩個方向的托臂中的一個為第三種托臂,該托臂為回轉(zhuǎn)型,其結(jié)構(gòu)為圓盤型的一部分,和凸輪型夾持機構(gòu)共一個凸輪軸,凸輪軸帶動第三種托臂朝向餐盤定位存儲通道內(nèi)側(cè)方向時,擺起的餐盤放置在餐盤定位存儲通道內(nèi)的托臂上,凸輪軸帶動托臂離開餐盤定位存儲通道內(nèi)側(cè)方向時,不再托住餐盤定位存儲通道內(nèi)的餐盤;另一個方向的托臂為電磁鐵型,其托臂即鐵芯,電磁鐵主體驅(qū)動托臂即鐵芯伸出,摞起餐盤,電磁鐵主體驅(qū)動托臂縮回,將擺起的餐盤放下,托臂和鐵芯同時放下餐盤時,餐盤即落入輸送網(wǎng)帶,將餐具傳送并貫穿噴淋清洗烘干消毒機構(gòu),并最終將餐盤送出。

        綜上所述,市面上常見的發(fā)盤機構(gòu)有個相同的特點:層疊的餐盤必須配置定位裝夾機構(gòu),同時配置動力完成伸縮松夾,完成餐盤依次分流至輸送網(wǎng)帶完成后道工序[3]。但是眾所周知,由于氣動傳動在實際生產(chǎn)中,經(jīng)常依賴于外部環(huán)境,也存在較大的泄露可能性,進而嚴重影響設(shè)備運行可靠性;經(jīng)過技術(shù)更新,通過采用普通電機和減速機完成的凸輪式機械發(fā)盤機構(gòu),在機械原理上完成較大的技術(shù)更新,但是由于普通電機傳動精度低、響應慢及控制較困難等劣勢,因此,廣大研發(fā)工程師,基于基礎(chǔ)功能和傳動效率等方面考量,需要完成技術(shù)革新,不斷尋求更好更先進的技術(shù)方案。

        2 發(fā)盤機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        通過以上氣動和普通電機傳動的發(fā)盤機構(gòu)分析可知,盡管機械機構(gòu)較為簡單,調(diào)試也方便;但是,由于定位精度和響應速度上,仍存在較多不太令人滿意地方。因此,經(jīng)過結(jié)合常規(guī)機械傳動原理和發(fā)盤機工藝要求,完成如圖4所示的優(yōu)化型發(fā)盤機構(gòu)。其工作原理為:頂部伺服電機Ⅰ通過1組齒輪完成凸輪軸的轉(zhuǎn)動,完成餐盤的一側(cè)定位;而在另一側(cè),伺服電機Ⅱ滾珠絲杠傳動,完成橫向伸縮,實現(xiàn)對餐盤右側(cè)的定位。為保證傳動精度,目前國產(chǎn)伺服電機也基本可以滿足要求,如圖5所示,通過伺服驅(qū)動器控制,實現(xiàn)動力的精準輸入。

        3 傳動設(shè)計計算

        作為常規(guī)機械齒輪傳動設(shè)計計算來講,較為簡單,在此不做具體的深入設(shè)計計算。如圖6所示,由于滾珠絲杠螺母副傳動可以實現(xiàn)高精度傳動,同時可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度[4],因此本文中橫向伸縮部分,采用滾珠絲杠傳動,完成絲杠基本參數(shù)計算和強度的校核[5]。

        在完成計算之前,首先擬定基本運動參數(shù),根據(jù)普通餐盤長度尺寸L=400mm,為能否順利拖住餐盤,擬定定位長度l=200mm,這里再擬定工作節(jié)拍T=12。為便于設(shè)計計算,同時考慮整體設(shè)備具有輕便性的特點,層疊待清洗餐盤重量M=50kg,結(jié)合考慮速度較慢,因此我們初選螺紋副選擇D=16mm,選擇P=2mm,然后完成計算。

        一般螺旋副傳動,為考慮設(shè)計和生產(chǎn)方便,優(yōu)先選用梯形螺紋。根據(jù)相關(guān)國家標準,初選螺旋副的大徑D=16mm,中徑d2=14.701mm,小徑d2=13.835mm,螺距P=2mm。

        根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和擬定運動行程限定,可以確定絲杠前后運動的線速度。

        (1)絲杠線速度:

        上式中:V—絲杠線速度;T—工作節(jié)拍;L—工作行程

        首先完成定位和托起餐盤,在此過程中,盡可能控制速度均衡,因此速度曲線突變,容易產(chǎn)生信號干擾而引發(fā)可能的誤判。

        (2)螺旋升角γ及誘導摩擦角ργ

        得γ≈4°3′

        查表,鋼的摩擦系數(shù)f=μ=0.1,

        其中,梯形螺紋的牙型半角α=30°

        (3)推送力F0的確定

        根據(jù)以前所述,重量M=50kg,重力加速度g=9.8。同時考慮摩擦系數(shù)μ=0.1,根據(jù)力的合成原理:

        設(shè)計中留出預留量,即S=4,則

        (4)耐磨性校核

        因為磨損的速度與螺紋工作表面大小有直接關(guān)系,所以為了提高螺旋傳動壽命,必須限制螺紋工作表面壓強。

        這里,取梯形螺紋工作高度h=0.5P=2mm。試選用整體式螺母(ξ=2.2),因而H=φd2;螺母工件圈數(shù)為u=H/P。

        上面設(shè)計參數(shù)φ值,通常情況下設(shè)定φ=1.2-2.5,針對整體結(jié)構(gòu)螺旋副,絲牙之間磨損容易形成卡死,基于力學受力均衡考慮,螺旋傳動工作圈數(shù)應較少,這里取φ=1.2-2.5;但是,針對于剖分式結(jié)構(gòu)螺旋副來講,應取φ=2.5-3.5,另外僅針對高精度大載荷,甚至對于使用年限有所限定時,才允許取φ=4。在本文中,我們選用整體結(jié)構(gòu)螺旋副較為合適,所以選φ=2.5。

        絲杠螺母副傳動,通常材料選擇45#中碳鋼,這類材料一般采用調(diào)質(zhì)處理,也即實現(xiàn)外部接觸具有較高硬度,但是材料內(nèi)部具有一定韌性,才可以不容易產(chǎn)生斷裂失效。

        參考機械設(shè)計手冊,螺旋副傳動45#鋼的許用壓強[p]=(6~8)N·mm-2。顯然,有p<[p]成立,合格;同時螺旋副螺紋扣數(shù)滿足功用。目前滾珠絲杠螺母副國內(nèi)使用較多的當屬上銀H I W I N,因此結(jié)合樣本參數(shù)選擇FSC16-16K2,公稱外徑16mm,螺距2mm,導程達到16mm,滿足功用(參數(shù)如圖7所示)。

        4 總結(jié)

        (1)本文通過完成自動化餐盤清洗設(shè)備基本機構(gòu)及發(fā)盤機的分類研究,抓準課題研究方向定位。

        (2)通過針對氣動和普通電動發(fā)盤機的工作原理分析,分析對比其工藝和性能,最終形成以伺服電機和滾珠絲杠組合新型的發(fā)盤機構(gòu)設(shè)計。

        (3)發(fā)盤機的設(shè)計計算,重點在滾珠絲杠的設(shè)計計算部分,通過對滾珠絲杠耐磨性和剛度的計算,最終確定所用絲杠的基本尺寸參數(shù)。

        (4)發(fā)盤機構(gòu)是自動化餐盤清洗設(shè)備的核心部件,其研究水平的高低直接影響整個設(shè)備的效率、精度及使用壽命等關(guān)鍵要素。

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