一款新式自動餐盤清洗機的設(shè)計

楊 萌 祁宏偉 張子康

（濱州學院 電氣工程系，山東 濱州 256600）

1 引言

1.1 研究背景及意義

隨著社會的進步，餐飲業(yè)發(fā)展很快，餐廳越來越一體化。 而餐廳工作人員的工作量也越來越大，直接導致吃飯時的飯盤不能及時洗刷出來使用， 極大的影響人們的就餐。 自動洗盤機改變以往傳統(tǒng)洗碗機不能大量自動高效清洗餐盤的弊端，通過機械原理單片機控制，實現(xiàn)智能無需人力，達到自動、高效的清洗餐盤的目的。

1.2 研究現(xiàn)狀分析

1.2.1 隨著數(shù)字信息電腦的普及， 洗盤機已經(jīng)廣泛的進入人們的生活， 從而使人們從繁雜的勞動中解放出來，作為一種自動化設(shè)備，餐盤清洗機一般要實現(xiàn)自動注水。 自動加洗滌劑，自動排水，以及定時故障報警的功能。

1.2.2 市場現(xiàn)在主要有兩種餐盤清洗機，一種是銹鋼餐盤清洗機，但這種清洗機只能對餐盤進行精洗，即只能洗先粗洗過的餐具；另一種是噴淋式清洗機，即采用高壓可空轉(zhuǎn)馬達配合噴淋，噴射力度大，表面清洗效果明顯[1]。因此我們在此基礎(chǔ)上設(shè)計了新型自動噴淋式餐盤清洗機。

2.1 外部框架設(shè)計

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 實物模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

作品外部框架由金屬材料焊接而成（如圖1 和圖2，整體結(jié)構(gòu)圖）[2]:

框架有4 個金屬支撐柱， 框架上下分別由金屬圓柱和金屬平面焊接而成， 這樣就使得框架形成一個六面的立方體。 框架上方為上面，固定有屏幕的一側(cè)為正面，其后方為后面，其他兩個面為側(cè)面。

2.1.1 框架上面部分：

2.1.1.1 框架的上面有兩根光滑的金屬光軸，金屬光軸分別與側(cè)面鏈接，每根光軸上有兩個滑動軸承。

2.1.1.2 滑動軸承下面用螺絲固定著抓板，抓板的下方有吸盤，抓板的上方固定著電機，電機的主軸固定著一個齒輪。

2.2.2 框架底面部分： 框架底面用螺紋固定著四個萬向輪。

2.2.3 框架正面部分：

2.2.3.1 正面上方在兩根支撐柱之間焊接一個金屬角鐵，此金屬面用來固定控制面板、真空過濾器、電磁閥。

2.2.3.2 正面下方左側(cè)用扎帶固定有電源設(shè)備。

2.2.4 框架后面部分：

后面上方在兩根支撐柱之間焊接一個金屬角鐵，用來實現(xiàn)連接[3]。

2.2.5 框架兩個側(cè)面部分：

框架側(cè)面焊接有金屬四條（一側(cè)兩條）折面，用來固定內(nèi)部縱向軌道。 每個側(cè)面的兩條金屬折面由一個長度較短的金屬面焊接在一起，起到固定作用。

2.2 升餐盤裝置設(shè)計

升餐盤裝置共由6 部分組成（如圖3 和圖4）：

圖3 升餐盤裝置3D 模型

圖4 升餐盤裝置實物模型

2.2.1 電機：電機提供動力，固定在地盤上的電機的通過聯(lián)軸器帶動絲杠的轉(zhuǎn)動，推動托盤上升。

2.2.2 聯(lián)軸器：連接電機與絲杠，帶動絲杠的轉(zhuǎn)動。

2.2.3 軌道：由4 根角鐵固定在底面上，角鐵的凹槽對著電機，大小與托盤的面積相同。 作用是防止托盤上升的過程中搖晃。

2.2.4 轉(zhuǎn)軸：和絲杠配合，絲杠轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸在絲杠上由電機帶動實現(xiàn)上下移動。

2.2.5 托盤：

2.2.5.1 托盤上表面的長寬比餐盤的長寬各大10 厘米，表面光滑，和餐盤的上表面貼合的比較好，并且上表面有一個凸起，所形成的面積正好和餐盤的面積相等，這樣餐盤就可以在上升的過程中不發(fā)生滑動現(xiàn)象。

2.2.5.2 托盤下表面固定在支撐桿上， 焊接連接，并且又加4 個螺絲固定， 這樣在升降多個餐盤的時候不發(fā)生斷裂或彎折現(xiàn)象。

2.2.6 傳感器：

2.2.6.1 升餐盤裝置初始化傳感器，安放在正面軌道內(nèi)，當餐盤下降，托盤的下表面碰到傳感器時，電機停止轉(zhuǎn)動，延遲10 秒鐘，餐盤放入后電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)餐盤的縱向運動，這樣實現(xiàn)餐盤的上升。

2.2.6.2 升餐盤裝置停止傳感器， 安放在裝置的正面，在傳送裝置的下面，當餐盤上升，餐盤的下表面碰到傳感器，電機停止轉(zhuǎn)動，延遲10 秒鐘，轉(zhuǎn)送裝置工作，實現(xiàn)餐盤的縱線運動變?yōu)闄M向運動。

2.3 清洗結(jié)構(gòu)

2.3.1 當餐盤上升到碰到碰撞開關(guān)的時候，3 個舵機帶動3 個高壓水槍進行沖洗餐盤的下表面。

2.3.2 當餐盤由吸盤吸住進行橫向運動的時候，毛刷配合兩個高低不同的高壓水槍進行刷洗和沖洗。

2.3.3 當刷洗和沖洗結(jié)束以后， 餐盤放到降餐盤裝置上，高能紫外線燈進行消毒[4]。

2.4 傳送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳送裝置由電機、齒條、滑軌、載物板構(gòu)成。

2.4.1 電機與吸盤固定在載物板上當吸盤吸住餐盤的時候，電機通過和齒條的配合帶動載物板運動。 實現(xiàn)餐盤的橫向運動。

2.4.2 滑軌起固定作用，載物板固定在在滑軌上，電機就可以帶動整個載物板橫向運動。

2.4.3 4 個滑動模塊固定在載物板上，電機的轉(zhuǎn)動提供動力，這樣滑動模塊在滑軌上滑動，這樣就可以整體運動。

2.4.4 載物板的下表面安裝碰撞開關(guān)， 當餐盤上升碰到碰撞開關(guān)，托盤停止上升，吸盤吸住餐盤，載物板帶動餐盤橫向運動。

2.5 其他小部件設(shè)計

2.5.1 空壓機：

空壓機出氣口分為兩路分別為吸盤吸住餐盤和高壓水槍提供動力。 采用的空壓機型號為v-0 17/8 排氣量0.15 壓力0.8 功率1.5[5]。 （如圖5）[6]

2.5.2 電池閥：

電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔都通向不同電磁閥的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁、鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來擋住或漏出不同的排油的孔， 液壓油會進入不同的排油管， 然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置動。 這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機械運動[6]。

圖5 空壓機

圖6 電磁閥

2.6 詳細尺寸及理論計算

本計算是基于該實物模型得出的

主電機功率P=15 W=0.015KW，

轉(zhuǎn)速：n=23RPM

根據(jù)差速電機的輸出扭矩公式：

T=9550P/n

經(jīng)計算得：T=9550*0.015KW/23rpm

=6.2n·m

=62kg·cm

故而得到一個電機功率與輸出力的對應(yīng)關(guān)系：15W輸出12.4kg 這個力對應(yīng)的是餐盤的起重載荷量。

另外， 上下電機輸出的橫向推動力為10W：8.27kg，由于載物板固定在滑軌上，所造成的摩擦力很小，根據(jù)F=f*G， 得知在該推動力下， 所能推動的重量為F/f=8.27kg/0.2=41.3kg。

經(jīng)對比可以看出， 載物板的承載能力取決于主電機的拉動力[7]。

3 電氣控制系統(tǒng)

3.1 整體控制電路

主要包含以下元器件。

AVRmega16 微控制器一片、12864 液晶屏一塊、4x4矩陣鍵盤一個、碰撞開關(guān)4 個、繼電器3 個、直流電動機3個、三極管3 個、串口通信接口1 個。

3.2 碰撞開關(guān)

A.碰撞傳感器的布局設(shè)計

碰撞開關(guān)放置于一側(cè)的4 個角上， 任意一個存儲倉庫單元碰到任意一個碰撞開關(guān)， 都會被單片機檢測到，MCU 將觸發(fā)相應(yīng)的電機開始轉(zhuǎn)動。具體設(shè)計如下：

3.2.1 首先，托盤帶動餐盤縱向移動，當餐盤的表面碰到載物板的下表面的碰撞傳感器，托盤停止上升。 吸盤吸住餐盤；

3.2.2 下一步載物板在電機的帶動下橫向移動，當碰到齒條末端的碰撞傳感器，載物板停止運動，吸盤放開餐盤；

3.2.3 餐盤在托盤的作用下縱向向下移動， 碰到碰撞傳感器，托盤停止運動；

3.2.4 下一步載物板返回， 碰到齒條首段的碰撞傳感器，停止運動，準備吸下一個餐盤做準備；

3.2.5 按照以上步驟，進行循環(huán)工作，直到清洗完所有餐盤。

B.碰撞傳感器的電氣工作原理：

碰撞傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當于一個普通開關(guān)， 它的兩根引腳， 一根接地GND， 另一邊通過上拉電阻引入AVR 單片機控制器的PA0:3，總共4 個端口，工作時，由控制器讀取IO 的狀態(tài)，由于連入了上拉電阻，當未觸發(fā)開關(guān)時，IO 默認為高電平，即輸入為1，當有存儲倉庫單元碰撞時，IO 被連接入GND，IO 接變?yōu)?， 從而實現(xiàn)了MCU 對該外圍設(shè)備的控制[8]。

3.3 輸入設(shè)備設(shè)計[9]

在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時， 為了減少I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩矩陣形式。 在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通， 而是通過一個按鍵加以連接。 這樣，一個端口（如P1 口）就可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出了一倍。

按鍵的檢測原理如下， 單片機的PC 口用作鍵盤I/O口，鍵盤的列線接到P1 口的低4 位，鍵盤的行線接到PC口的高4 位。列線PC.0-PC.3 分別接有4 個上拉電阻到正電源+5V，并把列線PC.0-PC.3 設(shè)置為輸入線，行線PC.4-PC.7 設(shè)置為輸出線。 4 根行線和4 根列線形成16 個相交點。

首先讓P1 口高四位為1，低四位為0，。 若有按鍵按下，則高四位中會有一個1 翻轉(zhuǎn)為0，低四位不會變，此時即可確定被按下的鍵的行位置。

然后讓P1 口高四位為0， 低四位為1。 若有按鍵按下，則低四位中會有一個1 翻轉(zhuǎn)為0，高四位不會變，此時即可確定被按下的鍵的列位置[10]。

3.4 顯示設(shè)備

屏幕選擇的是含中文字庫的12864 液晶[11]，產(chǎn)品的各項操作均有屏幕漢字提示，人性化操作。

控制器有輸入要求時，會在液晶上面顯示提示，提示菜單一般分為4 個選項，分別對應(yīng)鍵盤上的1-4 號按鍵，按下相應(yīng)的按鍵，MCU 會執(zhí)行相應(yīng)的程序，另外在某些沒有提示的界面，可以按下“#”號鍵退出，同時返回上層菜單或回到首頁菜單。

3.5 其他傳感器

為充分利用單片機的端口資源， 產(chǎn)品加入了以下功能模塊：光敏傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

光敏傳感器在裝置內(nèi)部， 使裝置運行的過程中更加準確無誤。

火焰?zhèn)鞲衅鳎?它是基于AD 轉(zhuǎn)換的一個模塊， 利用AVR 單片機的內(nèi)部AD 轉(zhuǎn)換，可以實時讀取火焰的強度，無火和有火所反饋回來的數(shù)值火焰?zhèn)鞲衅骱痛谟泻艽蟛顒e，我們通過設(shè)定這個閥值，可通過程序判斷附近是否有明火[12]。

3.6 微控制器與計算機連接控制電路

我們的產(chǎn)品可以與計算機進行連接通信， 采用的是計算機串口連接， 連接線是SERIAL—USB （串口轉(zhuǎn)接USB），在MCU 微控制器一端再接入MAX232，進行計算機的12V—單片機5V 的TTL 電平轉(zhuǎn)換， 最后通過RXD和TXD 兩根引線即可與PC 進行雙向通信了。

連接入計算機以后MCU 將實現(xiàn)以下功能：

3.6.1 控制器對餐盤的清洗操作都有詳細的記錄，包括記錄清洗餐盤用的時間，消毒時間等，通過屏幕的選取操作，可以把記錄的數(shù)據(jù)傳到計算機上進行統(tǒng)計管理。

3.6.2 連接電腦以后， 可以更改清洗時間和消毒時間等。

4 結(jié)論

4.1 設(shè)計創(chuàng)新點

4.1.1 設(shè)計新穎的機械結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)了自動餐盤清洗機所應(yīng)該具有的功能。

4.1.2 餐盤整體放入，單個清洗，省時省力，清洗更高效。

4.1.3 通過舵機、 單片機和各種部件的配合做到清洗時完全自動，無需人的控制。

4.1.4 清洗速度快， 節(jié)省時間， 極大的提高工作效率，能夠很好解決節(jié)假日期間清洗工作忙的難題。

4.1.5 系統(tǒng)可連接入計算機進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與管理。

4.2 前景展望

本產(chǎn)品功能強大，清洗便利，操作簡單，且制作成本低廉，可用于大中型學校食堂和企業(yè)餐廳。 鑒于該產(chǎn)品強大的功能基礎(chǔ)，且市場上還未出現(xiàn)類似的產(chǎn)品和裝置，所以該產(chǎn)品應(yīng)用前景廣泛，尤其是當今社會，餐飲業(yè)越來越發(fā)達。 使用這種餐盤清理清洗機械，能減少勞動力資源，提高清潔效率，能大大改善食堂的就餐環(huán)境，給食堂經(jīng)營帶來經(jīng)濟效益。 尤其是在現(xiàn)代社會高效率、快節(jié)奏的背景下，社會的發(fā)展對智能化、信息化提出了更高的要求，本作品對控制和計算機的應(yīng)用充分體現(xiàn)了該特點， 具有鮮明的時代特征。

［1］于正林，蘇成志，曹國華．AVR 單片機原理及應(yīng)用［M］．國防工業(yè)出版社，2009.

［2］John R Levine.Tony Mason.Doug Brown LEX & YACC 200.

［3］譚民.景奉水開放式先進機器人控制器開發(fā)“Advanced Robot Open Controller”，2000.

［4］SoftSERCANS——SERCOS Master-Connection for PC Based Control Systems，2001.

［5］余錫存，曹國華．單片機原理及接口技術(shù)［M］.西安電子科技大學出版社，2011，8.

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［8］陳衛(wèi)福，楊建武.開放式運動數(shù)字控制結(jié)構(gòu)及SERCOS接口應(yīng)用技術(shù)，2002.

［9］阿 霍.Compilers:principles，techniques，and tools ［M］.Addison Wesley，2006.

［10］中國重型機械工業(yè)協(xié)會，北京海洋出版社，2001，9.

［11］秦曾煌.電工學［M］.高等教育出版社，1993.

［12］張建奇，李墨翰．自動化立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計［J］．自動化儀表期刊，2012（1）：37-41.