全自動餐具分類回收一體機的設計*

曹建猛，劉 敬，王占瑞，顏廷宇，石姚林

（濱州學院機電工程學院，山東濱州 256600）

0 引言

在學生餐廳、職工餐廳等公共飲食場所就餐人數較多，飯后會留下大量的餐具等待分類回收[1-2]。目前餐廳多采用人工分離回收餐具，這種分類方式速度慢、效率低且工作量大，而且隨著社會勞動力的短缺，人工成本也逐漸升高[3-4]。目前，市場上的餐具回收裝置以傳送、清洗功能為主，所附加的餐具分類功能不完善，不能將勺子、筷子、碗與餐盤進行有效分類收集，且食物殘渣得不到及時的回收[5-8]。餐具的分離需要完成勺子、筷子、碗與餐盤的分離，并將分離出的殘渣收集，若將這些工序由一臺機器連續完成，則能夠節約大量勞動力，并大大提高工作效率。為了克服現有技術的不足，本文設計了一款全自動餐具分類回收一體機，能夠代替人工實現餐具的分類回收，提高工作效率的同時改善就餐環境。

1 整體結構及設計理念

機器的整體尺寸根據實際需要設計，在充分考慮勺子、筷子、碗與餐盤的分離以及殘渣分離收集的功能需求下，構思并設計全自動餐具分類回收一體機的整體結構，以確保不同工序由1臺機器連續完成。

圖1所示為全自動餐具分類回收一體機的整體結構示意圖，主要由機架、勺子分離機構、傳送機構、飯筷篩選機構、飯筷分離機構和碗盤分離機構組成。將餐具放置于傳輸機構，當餐具經過勺子分離機構時，磁性轉盤將勺子吸起，擋勺板將勺子擋落在勺子滑軌，最終勺子落入勺子收集箱。餐具隨傳送機構向機器后方繼續傳輸，經過飯筷篩選機構時，在3根錯落布置的刷軸作用下，將食物殘渣和筷子掃落至飯筷分離機構。

清除殘渣后的碗和餐盤隨傳送帶運至后方的碗盤分離機構。筷子和食物殘渣落至飯筷分離機構后，隨推板在漏飯柵板上往復推移，殘渣從漏飯孔落入下方的殘渣收集箱，筷子則從柵板兩端落入筷子收集箱。

圖1 全自動餐具分類回收一體機結構示意圖

當碗和餐盤運至碗盤分離機構，落入該機構的篩選斗，篩選斗能夠上下往復振動，促使盤子從餐盤出口落入下方的餐盤收集箱，碗從出碗口落入下方的碗收集箱。

2 機械結構設計

2.1 勺子分離機構

該機構包括吸勺機構、勺子滑道和擋勺板，如圖2所示。吸勺機構由磁性轉盤、轉軸和轉盤電機構成，磁性轉盤上表面分布有強力磁鐵，磁性轉盤上表面與轉軸固接，轉軸通過聯軸器與轉盤電機相連。當餐盤上的勺子經過吸勺機構時，磁性轉盤將勺子吸附于下表面。擋勺板豎向設置，擋勺板上端與磁性轉盤下表面相切，下端固定在機架上，所述勺子滑道固定在擋勺板側面。當勺子隨磁性轉盤轉動至擋勺板處，勺子與吸勺機構分離，并沿固定于擋勺板側面的勺子滑道滑落于勺子收集箱中。

圖2 勺子分離機構示意圖

2.2 傳送機構

傳送機構由傳送帶、帶軸、滾軸和傳動電機構成，其中，傳送帶有2個，處于同一水平面并且沿傳送方向前后對稱設置。第1傳送帶位于機器前端，繞第1帶軸和第2帶軸轉動，第1帶軸通過聯軸器與第1傳送電機相連，第2傳送帶繞第3帶軸和第4帶軸轉動，第3帶軸通過聯軸器與第2傳送電機相連，第1傳送帶和第2傳送帶之間有一定距離（120～140 mm），2個傳送帶之間設置有與帶軸平行的滾軸，滾軸與2個傳送帶間距相等，且處于同一水平面；帶軸和滾軸兩端均通過軸承座固定在機架上；第3帶軸和滾軸的同一側均安裝有鏈輪，2個鏈輪通過傳動鏈條連接，傳動鏈條在豎直平面內轉動，如圖3所示。

2.3 飯筷篩選機構

飯筷篩選機構主要包括第1刷軸、推碗軸、第2刷軸，其中推碗軸上等間隔固定4個推碗板，如圖3所示。第1刷軸位于第1傳送帶的中部上方，與第1傳送帶間的豎直距離為80～100 mm，當第1刷軸轉動時，刷毛可以深入碗內將殘渣掃出。推碗軸和滾軸在同一豎直平面且與滾軸間的豎直距離為100～120 mm，當推碗軸在電機帶動下轉動時，推碗板隨之旋轉，推動碗越過第2刷軸至第2傳送帶上，碗繼續向機器后方傳送；所述第2刷軸將筷子及殘渣與餐盤分離，第2刷軸位于第2傳送帶起始端，與第3帶軸位于同一豎直平面內，第二刷軸與第2傳送帶間的豎直距離為20～30 mm，此豎直距離只有餐盤可以通過；飯筷篩選機構的工作過程為，當餐具經過飯筷篩選機構時，第1刷軸將碗中殘渣掃出，推碗軸帶動推碗板將碗推至第2傳送帶，餐盤從第2刷軸下方經過，第2刷軸將餐盤中的食物掃落在下方的飯筷分離機構。

圖3 飯筷篩選和傳送機構的位置關系示意圖

2.4 飯筷分離機構

飯筷分離機構主要包括漏飯柵板和飯筷推板，如圖4所示。其中，漏飯柵板上開有漏飯孔，漏飯孔交錯分布且直徑小于筷子長度的1/2，飯筷推板與漏飯柵板相切。飯筷分離機構的工作過程為，當飯筷落在漏飯柵板上時，往復運動的飯筷推板將飯筷來回推動，在推動過程中筷子隨飯筷推板平行前進，食物殘渣從漏飯孔落入下方的殘渣收集箱，筷子則從漏飯柵板兩端落入下方的筷子收集箱。

圖4 飯筷分離機構

2.5 碗盤分離機構

碗盤分離機構主要包括篩選斗、上下往復振動機構，如圖5所示。篩選斗設置在機器后端，并與第2傳送帶末端承接，篩選斗的底板傾斜設置，底板末端開有寬為100～120 mm的出碗口，篩選斗底板下端開有寬10～15 mm的餐盤出口，所述上下往復振動機構包括第2光軸、偏心振動輪、第3光軸、振動電機組成，振動電機固定在機架上，振動電機工作時帶動偏心振動輪轉動，進而實現篩選斗的上下振動。碗盤分離機構的工作過程為，當碗和餐盤落入篩選斗，沿篩選斗底板下滑，最終碗從出碗口落入下方的碗收集箱，餐盤從餐盤出口滑出，落在下方的餐盤收集箱，整個過程振動機構不停振動篩選斗，使分離更加順暢。

圖5 碗盤分離機構

3 控制系統

為使機器各機構能夠合理順暢的工作，該機器以機電一體化為基礎，通過控制系統對全自動餐具分類回收一體機進行集成控制，實現勺子分離、飯筷篩選、飯筷分離、碗盤分離等一系列處理工藝的自動化。

本研究所設計的控制系統以STM89C51單片機為控制核心，同時采用L298N電機驅動器、光電傳感器和降壓模塊等電器元件進行輔助，實現餐具的自動分類回收功能。在模塊電源方面設計了過流和過壓保護，進一步增加控制系統抵抗電壓和電流的沖擊能力。

4 樣機制作與試驗

依據如上設計對樣機進行試制并試驗餐具分類回收效果。結果表明：該機器能夠順利實現餐具分類回收的自動化，每分鐘可分類6～10套餐具；食物殘渣去除率達78%～85%，未去除的食物殘渣主要集中在餐盤底部，對餐具表面的破壞程度小；傳輸機構可流暢連續地進行傳送；經試驗，設定磁性轉盤的旋轉速度為30～50 r/min，振動盒的振動頻率為20～40次/min，飯筷推板運動速度為5～10 cm/s。后期改進可考慮在碗盤分離機構上附加水管，以便及時沖洗碗盤。

圖6 全自動餐具分類回收一體機樣機

5 結束語

本文設計了一款新型全自動餐具分類回收機，各機構在控制系統的配合下能夠自動實現勺子、筷子、碗盤及殘渣的分類回收，不僅能夠大大提高工作效率，還能節約大量勞動力，該機器可用于就餐人口密集的學生食堂、員工餐廳，具有廣闊的應用前景。