自動(dòng)化餐盤清洗設(shè)備發(fā)盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(huì)越來越重，原先普通人工清洗，明顯無法滿足當(dāng)今時(shí)代快節(jié)奏發(fā)展的要求，逐步采用如圖1所示的自動(dòng)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(dòng)化餐盤清洗設(shè)備一般由以下幾個(gè)部件組成：1）儲盤發(fā)盤機(jī)構(gòu)；2）沖洗機(jī)構(gòu)；3）刷洗機(jī)構(gòu)；4）高壓噴洗機(jī)構(gòu)；5）烘干消毒機(jī)構(gòu)；6）堆疊擺放機(jī)構(gòu)[1]。自動(dòng)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?？v觀清洗設(shè)備組成，不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)盤機(jī)構(gòu)十分重要。也正因?yàn)槿绱?，作為自?dòng)化餐盤清洗設(shè)備來講，改進(jìn)優(yōu)化發(fā)盤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(dòng)化餐盤清洗設(shè)備的發(fā)盤機(jī)構(gòu)，進(jìn)行發(fā)盤機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理研究和設(shè)計(jì)計(jì)算，為本課題自動(dòng)化餐盤清洗設(shè)備做好技術(shù)準(zhǔn)備。

1 發(fā)盤機(jī)類型

目前，市場上較多的發(fā)盤機(jī)從驅(qū)動(dòng)動(dòng)力上來分，可以分為氣動(dòng)和電動(dòng)兩種基本形式。

如圖2所示結(jié)構(gòu)，為氣動(dòng)夾持式自動(dòng)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(jī)構(gòu)從兩個(gè)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(jī)構(gòu)由定位構(gòu)件及夾持臂組成，夾持臂為獨(dú)立的構(gòu)件，通過復(fù)位彈簧與機(jī)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(dòng)下完成夾持、松開過程；兩個(gè)方向的氣缸型發(fā)盤機(jī)構(gòu)安裝在餐盤定位存儲通道的定位構(gòu)件和夾持機(jī)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(jī)構(gòu)的托臂上；由動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)夾持裝置的齒輪軸及夾持裝置的齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)夾持裝置的齒條直線移動(dòng)，從而帶動(dòng)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(fù)位彈簧拉動(dòng)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(dòng)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(jìn)行清洗、烘干消毒。

如圖3所示，為電動(dòng)夾持式自動(dòng)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(jī)構(gòu)從四個(gè)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(shí)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(jī)及減速機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)托臂回轉(zhuǎn)至餐盤定位存儲通道的內(nèi)側(cè)面時(shí)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(shí)，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(gè)方向的托臂中的一個(gè)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(jī)構(gòu)共一個(gè)凸輪軸，凸輪軸帶動(dòng)第三種托臂朝向餐盤定位存儲通道內(nèi)側(cè)方向時(shí)，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(dòng)托臂離開餐盤定位存儲通道內(nèi)側(cè)方向時(shí)，不再托住餐盤定位存儲通道內(nèi)的餐盤；另一個(gè)方向的托臂為電磁鐵型，其托臂即鐵芯，電磁鐵主體驅(qū)動(dòng)托臂即鐵芯伸出，摞起餐盤，電磁鐵主體驅(qū)動(dòng)托臂縮回，將擺起的餐盤放下，托臂和鐵芯同時(shí)放下餐盤時(shí)，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(jī)構(gòu)，并最終將餐盤送出。

綜上所述，市面上常見的發(fā)盤機(jī)構(gòu)有個(gè)相同的特點(diǎn)：層疊的餐盤必須配置定位裝夾機(jī)構(gòu)，同時(shí)配置動(dòng)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(dòng)傳動(dòng)在實(shí)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(jìn)而嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行可靠性；經(jīng)過技術(shù)更新，通過采用普通電機(jī)和減速機(jī)完成的凸輪式機(jī)械發(fā)盤機(jī)構(gòu)，在機(jī)械原理上完成較大的技術(shù)更新，但是由于普通電機(jī)傳動(dòng)精度低、響應(yīng)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(dòng)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(jìn)的技術(shù)方案。

2 發(fā)盤機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過以上氣動(dòng)和普通電機(jī)傳動(dòng)的發(fā)盤機(jī)構(gòu)分析可知，盡管機(jī)械機(jī)構(gòu)較為簡單，調(diào)試也方便；但是，由于定位精度和響應(yīng)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(jī)械傳動(dòng)原理和發(fā)盤機(jī)工藝要求，完成如圖4所示的優(yōu)化型發(fā)盤機(jī)構(gòu)。其工作原理為：頂部伺服電機(jī)Ⅰ通過1組齒輪完成凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成餐盤的一側(cè)定位；而在另一側(cè)，伺服電機(jī)Ⅱ滾珠絲杠傳動(dòng)，完成橫向伸縮，實(shí)現(xiàn)對餐盤右側(cè)的定位。為保證傳動(dòng)精度，目前國產(chǎn)伺服電機(jī)也基本可以滿足要求，如圖5所示，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的精準(zhǔn)輸入。

3 傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算

作為常規(guī)機(jī)械齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算來講，較為簡單，在此不做具體的深入設(shè)計(jì)計(jì)算。如圖6所示，由于滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)高精度傳動(dòng)，同時(shí)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(dòng)，完成絲杠基本參數(shù)計(jì)算和強(qiáng)度的校核[5]。

在完成計(jì)算之前，首先擬定基本運(yùn)動(dòng)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(jì)計(jì)算，同時(shí)考慮整體設(shè)備具有輕便性的特點(diǎn)，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(jì)算。

一般螺旋副傳動(dòng)，為考慮設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方便，優(yōu)先選用梯形螺紋。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和擬定運(yùn)動(dòng)行程限定，可以確定絲杠前后運(yùn)動(dòng)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(dǎo)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(shí)考慮摩擦系數(shù)μ=0.1，根據(jù)力的合成原理：

設(shè)計(jì)中留出預(yù)留量，即S=4，則

（4）耐磨性校核

因?yàn)槟p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(dòng)壽命，必須限制螺紋工作表面壓強(qiáng)。

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(jì)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(xué)受力均衡考慮，螺旋傳動(dòng)工作圈數(shù)應(yīng)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(yīng)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(shí)，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(dòng)，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(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊，螺旋副傳動(dòng)45#鋼的許用壓強(qiáng)[p]=(6～8)N·mm-2。顯然，有p＜[p]成立，合格；同時(shí)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(dāng)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(dǎo)程達(dá)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(dòng)化餐盤清洗設(shè)備基本機(jī)構(gòu)及發(fā)盤機(jī)的分類研究，抓準(zhǔn)課題研究方向定位。

（2）通過針對氣動(dòng)和普通電動(dòng)發(fā)盤機(jī)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(jī)和滾珠絲杠組合新型的發(fā)盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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

（4）發(fā)盤機(jī)構(gòu)是自動(dòng)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(gè)設(shè)備的效率、精度及使用壽命等關(guān)鍵要素。