智能鮮食面售賣機創(chuàng)新設(shè)計與實現(xiàn)

張?zhí)梗?沙杰， 朱月松， 司文斌

（河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)自動售賣行業(yè)也處于快速發(fā)展時期，但生活中常見的售賣機售賣商品大部分均為飲料、零食、小商品，與日常飲食面條制作相關(guān)的產(chǎn)品卻鮮有聽聞。日本是自動售賣機王國，類似的產(chǎn)品是將面條預(yù)先處理好，當(dāng)有顧客購買時，再提供開水進行二次加熱，其性質(zhì)類似于方便面。為了從源頭確保新鮮，并借助自動售貨機便利性，本文研究出一款集自動制面、煮面、加鹵、盛裝、售賣一體化設(shè)備，即“基于互聯(lián)網(wǎng)+智能鮮食面售賣機”。

1 鮮食面售賣機的組成及參數(shù)

“基于互聯(lián)網(wǎng)+智能鮮食面售賣機”采用統(tǒng)一配送面團和鹵料，現(xiàn)場制作面條，網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場銷售模式。根據(jù)鮮食面制作特點，設(shè)備主要由以下軟硬件結(jié)構(gòu)組成：面條制作系統(tǒng)，自動煮面系統(tǒng)，餐盒存儲落位及封裝系統(tǒng)，鹵料加注系統(tǒng)，面團及鹵料保鮮制冷系統(tǒng)，水、蒸汽循環(huán)系統(tǒng)，餐盒傳輸系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及點餐付費管理系統(tǒng)等。其功能模塊布局如圖1所示。

圖1 功能模塊布局圖

產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)如下：1）單份面重量在0.15～0.25 kg之間，可調(diào)控。2）具有添加4種以上不同口味鹵料及高湯的功能。3）具有一次加滿料可銷售100份盒飯，放置餐盒150個的能力。4）面團及鹵料應(yīng)保存在2～8℃的環(huán)境中，保持其口味與新鮮度。5）鹵料加熱應(yīng)控制在40～50℃，高湯加熱應(yīng)控制在50～70℃。6）售賣完成時間控制在2 min以內(nèi)。

2 主要功能模塊實現(xiàn)方案

通過對“鮮食面售賣機”各個功能模塊的細化，逐一分析并確定各模塊的功能實現(xiàn)方案，并利用SolidWorks三維軟件對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計。

2.1 鮮面條制作系統(tǒng)

該設(shè)備采用工廠統(tǒng)一制作配送面團，利于面品口感的一致性。目前市場上主要的自動化面條生產(chǎn)有擠壓式和刀削式，該設(shè)備所需面品選用擠壓式制作。

自動擠面切面裝置作為面條制作系統(tǒng)及整個機械系統(tǒng)的源頭裝置，也是保證面條新鮮口感的第一道工序。該裝置主要由面桶2、螺旋擠面機構(gòu)、接面?zhèn)}1、切面機構(gòu)等組成。根據(jù)前期的設(shè)計參數(shù)“單份面重量在0.15～0.25 kg，可調(diào)控”要求，通過時間繼電器控制，實現(xiàn)面條重量的可調(diào)。

實施時如圖2所示，電動機3驅(qū)動擠面螺桿4制作面條，再由切面機構(gòu)控制面條長度。制作好的面條在擠面電動機未停止以前，由接面?zhèn)}托面板6托起并存儲在接面?zhèn)}內(nèi)。完成一次擠面后，接面?zhèn)}上刀片5切面，下托面板打開，面條落入停留在下方的漏勺內(nèi)，完成一次面條制作過程。

圖2 擠面切面裝置

2.2 面條煮制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要分為循環(huán)煮面裝置和自動翻轉(zhuǎn)漏勺裝置兩大部分。

循環(huán)煮面裝置如圖3所示，在煮鍋4中心垂直安裝一轉(zhuǎn)軸5，轉(zhuǎn)軸下端安裝同步帶輪8，上端連接鍋蓋1，在鍋蓋的邊緣安裝有8個漏勺3。依據(jù)前期設(shè)計參數(shù)“售賣完成時間控制在2 min以內(nèi)”要求，漏勺的旋轉(zhuǎn)時間應(yīng)可控，角度位置可控，為此選用調(diào)速減速機及霍爾傳感器定位，可實現(xiàn)上述功能。漏勺從落入面條處記為原點，調(diào)速減速機調(diào)整好轉(zhuǎn)速并依靠同步帶驅(qū)動轉(zhuǎn)軸5，漏勺旋轉(zhuǎn)一周面條即煮熟。

圖3 旋轉(zhuǎn)煮面機構(gòu)

漏勺在面條煮熟后，在翻轉(zhuǎn)凸輪處完成翻轉(zhuǎn)動作，倒出面條至事先到位的餐盒中。自動翻轉(zhuǎn)漏勺裝置應(yīng)能實現(xiàn)面條的倒出及漏勺的復(fù)位兩個動作。面條要從漏勺中倒出，需漏勺從水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一定角度。為此，該部分機構(gòu)設(shè)計包括漏勺翻轉(zhuǎn)及復(fù)位功能的實現(xiàn)與最佳翻轉(zhuǎn)角度的確定兩個部分。

1）漏勺翻轉(zhuǎn)及復(fù)位功能實現(xiàn)。通過預(yù)先定義漏勺的運動規(guī)律，再運用SolidWorks motion動力學(xué)分析軟件，找到推桿的運動軌跡，從而得出翻轉(zhuǎn)凸輪的接觸曲線。圖4為漏勺的一級抬升、二級抬升、翻轉(zhuǎn)倒面及復(fù)位過程與凸輪輪廓曲線圖。此處我們采用垂直安裝的兩個推桿二次碰撞反轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)預(yù)期動作。

圖4 翻轉(zhuǎn)凸輪示意圖

2）漏勺最佳翻轉(zhuǎn)角度確定。通過SolidWorks motion對漏勺的抬升→翻轉(zhuǎn)→復(fù)位過程仿真分析得知，上述設(shè)計的翻轉(zhuǎn)凸輪可使漏勺可在4s內(nèi)完成整套動作，且反轉(zhuǎn)角度超過125°。經(jīng)多次實驗證實，煮制成熟的面條在漏勺傾斜120°時便可完全順利倒出。因此，凸輪的輪廓曲線設(shè)計滿足規(guī)劃動作要求。

圖5 漏勺反轉(zhuǎn)角度

2.3 餐盒存儲落位及封裝系統(tǒng)

該模塊的功能為將成摞的餐盒逐個分離，并由輸送轉(zhuǎn)盤裝置將餐盒運至預(yù)定位置等待盛面，依次完成加鹵后再對餐盒進行壓蓋封裝。該系統(tǒng)分為餐盒與封蓋自動分離裝置與自動壓蓋裝置等部分。

圖6 餐盒與封蓋自動分離裝置

1）餐盒與封蓋自動分離裝置。餐盒與封蓋自動分離裝置均采用凸輪嚙合推壓分離原理實現(xiàn)。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。碟裝的餐盒(封蓋)由5個圓周均勻分布的凸輪3夾緊，當(dāng)定速馬達8驅(qū)動凸輪底部安裝的同步帶輪4時，在同步帶的驅(qū)動下，圓周布置的凸輪同時運動，產(chǎn)生垂直推力將餐盒(封蓋)分離，凸輪每旋轉(zhuǎn)1周即實現(xiàn)1次分離，依次類推實現(xiàn)餐盒(封蓋)的落位。

2）自動壓蓋裝置。自動壓蓋裝置采用電磁鐵得電閉合產(chǎn)生推力，失電復(fù)位的原理。當(dāng)餐盒完成接面、加鹵、落蓋等一系列動作后轉(zhuǎn)移到封裝位時，電磁鐵1得電閉合帶動下部安裝的壓蓋板2向下運動，產(chǎn)生壓力，壓緊封蓋。裝置采用圓管式電磁鐵，動作快，壓蓋緊實?？紤]到安裝空間與工位需求，將其和餐盒與封蓋自動分離裝置集中整合一體，如圖7所示，設(shè)計為對稱布局不僅體積小且便于后期樣機的裝配。

圖7 集成-自動壓蓋裝置

2.4 鹵料加注系統(tǒng)

鹵料的制作和面團制作方案相同，也采用工廠統(tǒng)一制作配送的模式，全程冷鏈保鮮確保鹵料保持最佳風(fēng)味口感。鹵料的添加分兩個階段：第一階段是將冷鮮鹵料從保鮮室取出至加熱倉；第二階段是將鹵料從加熱倉添加到餐盒?？紤]到鹵制品的物理狀態(tài)，前者我們采用電動球閥向加熱倉內(nèi)定量添加鹵料。

圖7 加鹵機構(gòu)對比圖

第二階段的鹵料的添加功能采用機械機構(gòu)完成，該機構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備定量加鹵、量值可調(diào)、防止滴漏、安全衛(wèi)生、便于拆卸清洗等特點。該設(shè)備制定的加鹵方案有兩種：一種是模擬古時農(nóng)田灌溉用的“車水機構(gòu)”，電動機1垂直安裝，通過電動機軸下端錐形齒輪2與“車水機構(gòu)”主動軸端錐形齒輪3嚙合來傳遞動力，在鏈條上固定有搓斗，模仿“車水機構(gòu)”將鹵料刮進餐盒中；一種是采用螺旋輸送機構(gòu)，模擬糧食螺旋輸送機將鹵料提升，依次添加到餐盒中。該方案電動機軸通過萬向節(jié)8與螺桿11連接，可滿足螺桿傾斜一定角度，便于鹵料的提升。前者結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不利于后期拆卸與清洗。經(jīng)過方案對比論證，采用螺旋輸送機構(gòu)對鹵料進行加注。

3 工作流程

鮮食面售賣機的工作流程如圖8所示。消費者可通過手機進行現(xiàn)場掃碼支付確認(rèn)購買或是使用手機App進行網(wǎng)上訂餐，兩種模式下均需要消費者與售賣機終端觸摸屏交互。交互完成后，觸摸屏向PLC發(fā)送售賣指令，系統(tǒng)開始檢測水溫，水溫合格，自動擠面切面裝置開始面條現(xiàn)場制作并投入煮面漏勺中；漏勺旋轉(zhuǎn)一周面條即煮熟，經(jīng)過凸輪翻轉(zhuǎn)機構(gòu)完成盛面動作；再由輸送轉(zhuǎn)盤依次轉(zhuǎn)移到加鹵工位、落蓋工位、壓蓋封裝工位完成整套動作。執(zhí)行機構(gòu)動作結(jié)束后，向PLC發(fā)送執(zhí)行結(jié)束信號，執(zhí)行結(jié)束信號通過觸摸屏上無線通信模塊最終傳送到服務(wù)器上，服務(wù)器進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計記錄。

圖8 工作流程圖

4 結(jié)語

該智能鮮食面售賣機將成熟的互聯(lián)網(wǎng)+銷售模式與全新的自動售賣商品類型相結(jié)合，促進了面條售賣與快餐行業(yè)的融合，目前該產(chǎn)品已完成設(shè)計、分析階段，正在進行樣機的制造裝配與調(diào)試。本文詳細介紹了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，對其中關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)提出了實際可行的設(shè)計方案，并進行了仿真分析，結(jié)果滿足預(yù)期并驗證了結(jié)構(gòu)的科學(xué)性與合理性。

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