飲品售賣機中傳動機構的設計

呂靜

[摘? ? 要]飲品售賣機是一種操作體驗智能化、加工工序自動化、終端產品多樣化的全自動化設備。將手機操作平臺與自動化電氣控制系統相結合，消費者可以通過手機操作平臺設置相關參數，控制各個機械功能模塊運轉，通過將不同原料液，按照消費者設置好的比例關系，配比混合出各種口味的飲品，體會到自己調制飲品的快樂與滿足。本文重點介紹了飲品售賣機主要傳動機構及其關鍵零部件選型。

[關鍵詞]飲品售賣機;智能化;自動化;多樣化

[中圖分類號]TM619 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）10–00–03

Design of Transmission Mechanism in Beverage Vending Machine

Lv Jing

[Abstract]The beverage vending machine is a fully automatic equipment with intelligent operation experience， automatic processing process and diversified terminal products. By combining the mobile phone operation platform with the automatic electrical control system， consumers can set relevant parameters through the mobile phone operation platform to control the operation of each mechanical function module. By mixing different raw materials， according to the proportion relationship set by the consumers， mix all kinds of flavored drinks， and realize the happiness and satisfaction of their own drinks. This paper mainly introduces the main transmission mechanism and key parts selection of beverage vending machine.

[Keywords]beverage vending machine; intelligence; automation; diversification

1 飲品售賣機概述

1.1 飲品售賣機簡介

售賣機的幾乎所有工序都屬于自動化控制系統，就連終端體驗都采用掃碼制飲品、掃碼取飲品的操作系統，終端體驗智能便捷。

1.2 飲品售賣機功能模塊劃分

根據調制飲品需要，該飲品售賣機結構組成見圖1。

1.3 飲品售賣機工作流程分析

一旦消費者通過手機終端定制了某款飲品，終端軟控系統就會向設備終端的電控系統發號“開始調制”飲品的指令，電控系統在收到該指令之后隨即啟動設備各傳動機構開始有條不紊的運作，調制飲品，具體的工作流程見圖2。

2 飲品售賣機主要傳動機構及其零部件選型

根據功能需要，此飲品售賣機主要有儲料機構、輸送機構、調制灌裝機構、暫存機構（比較簡單，不再單獨介紹）等4大機構。

2.1 儲料機構

此設備的儲料機構有3種機構，包含原料液儲存機構、冰塊儲存機構和儲杯機構。

原料液儲存機構由多個原料瓶和防漏瓶塞組成。

冰塊儲存機構類似于一個小小的冰箱，依靠壓縮機和冷凝器制冷。把方塊冰碼入冰盒，一旦傳感器接收到出冰信號，旋轉電機隨即帶動攪籠轉動，把方塊冰螺旋推送至出冰通道。

儲杯機構的結構中主要有4個轉筒。當一個轉筒里的杯子用完，光感傳感器接收到空杯信號，控制轉動電機帶動齒輪轉動90°，下一個存杯轉筒轉到工作位，為杯子進入輸送通道做準備。一旦所有的杯子都被用完，光感傳感器就會發出空杯信號，提示工作人員添加杯子。

2.2 輸送機構

輸送機構包含原料液輸送機構和杯子輸送機構。

2.2.1 原料液輸送機構

原料液輸送機構主要由液壓泵、流量控制閥、軟管和一些控制模塊組成。

原料液輸送機構主要需要考慮兩個方面，一是原料液的及時補給，二是原料在輸送過程中流量的控制。流量的控制是一大難點，在本設備中采用了流量控制閥和軟件控制相結合的辦法，經過多次流量試驗，找出最終流量控制的規律，來最大程度的滿足消費者對飲品口感的預期。

2.2.2 杯子輸送機構

如何高效可靠的從儲杯機構里拿取杯子然后輸送到接液平臺，是設計之初需要重點考慮的問題。本設備通過兩個傳動機構來實現此目的，見圖3。

機構1主要是把杯子從儲杯機構里取出，然后平移到機構2里杯座正上方，下移杯子到杯座里，隨即抓手上移，與杯子上沿距10 mm時，抓手平移到初始工作位，為下一次輸送杯子做準備，也為機構2里杯座的上移騰出空間。機構2的杯座里被檢測到有杯子之后，杯座上移，至最高位行程開關作用，杯座停止運動，此時接液平臺處的光感傳感器檢測到有杯子存在，杯子輸送工作至此結束。

機構1的運動軌跡分為水平移動和上下移動兩種。機械抓手開合是通過一個有刷直流減速電機帶動一個兩邊旋向相反的螺桿來實現的。整體水平移動采用同步帶傳動機構[1]，往復運動，水平位移為132 mm;上下移動機構采用滾珠絲杠傳動機構[2]，往復運動，垂直位移分別165 mm和220 mm。其主要零部件有帶動同步輪轉動的步進電機、同步輪、同步帶、直線導軌、行程開關;以及帶動絲杠轉動的步進電機、滾珠絲桿（含絲杠螺母）、起導向作用的導向光軸、直線軸承和行程開關等組成。

機構2的運動軌跡為上下移動一種，對精度要求也不是特別高，滿足±1 mm即可，因此采用了同步帶傳動機構。此機構中主要零部件包括帶動同步輪轉動的步進電機、同步輪、同步帶、直線導軌、行程開關和光電傳感器。

在整個輸送杯子過程中，無論上移、下移還是左右平移，都會在行程兩端各安裝一個行程開關，來控制運動行程，必要時還需加機械硬限位。

2.3 調制灌裝機構

調制灌裝機構就是要實現把各種原料液和冰塊混合，然后把調制好的飲品倒入杯子里的過程。這一系列動作是通過一個六軸機器人來完成的，在可靠地滿足工作的同時大大的節省了人力成本。

2.4 傳動機構中主要零部件選型

2.4.1 儲杯機構中涉及到大小齒輪和齒輪電機的選型計算

（1）齒輪選型計算[3]如下：已知：選用漸開線標準圓柱齒輪傳動，材質為45鋼調質處理。則齒輪模數m=2，壓力角α=20°，齒頂高系數ha*=1，頂隙系數c*=0.25。齒寬b=Ψd×d（這里是懸臂配置變動較大的情況，取Ψd=0.4[3]）。為減輕整體重量和大小選取主動小齒輪齒數z1=14。根據整體結構要求，取齒輪副中心距a=125 mm。

則：b1=Ψd×d1=Ψd×m×z1=0.4×2×14=11.2 mm，

b1=b2=12 mm。

由齒輪副中心距a=m/2（z1+z2）=125 mm，得z2=111

分度圓直徑：d1=mz1=2×14=28 mm;

d2=mz2=2×111=222 mm。

齒頂高：ha=ha*×m=2 mm。

齒根高：hf=（ha*+c*）×m=2.5 mm。

齒高：h=ha+hf=4.5 mm。

齒頂圓直徑：da1=d1+2ha=32 mm。

da2=d2+2ha=226 mm。

齒根圓直徑：df1=d1-2hf=23 mm。

df2=d2-2hf=217 mm。

基圓直徑：db1=d1cosα=26.31 mm;

db2=d2cosα=208.61 mm。

齒頂圓壓力角：

=34°41′44″;

=22°37′26″。

重合度：端面重合度

（這里需+）

=1.664

縱向重合度;

總重合度=1.664。

（2）齒輪電機選型計算如下：已知：供電電壓24 V，負載質量10 kg，轉筒轉速n2=15 r/min。

①負載轉矩（加速轉矩+摩擦轉矩）：

M=FL=mgL=10 kg×9.8 N/kg×125/1000 M=12.3 NM（M力矩、F力、L力臂）

②由n1/n2=z2/z1推出n1=z2n2/z1≈119 r/min，即電機帶動的小齒輪轉速n1≈119 r/min<300 r/min，則可以取安全系數S=1.5，步進電機保持轉矩Tn=M×S=12.3×1.5=18.4 Nm，配減速比為1∶5的減速器。

綜上，此處選擇的電機為雷塞42系列兩相混合步進電機，具體型號為42CM06配DM542S驅動器。

2.4.2 輸送機構機構1中涉及到1個直流電機、滾珠絲杠、同步帶傳動的選型計算。

（1）直流電機選型參數如下：

①負載轉矩：

M=FL=MgL=1 kg×9.8 N/kg×66/1000 m=0.65 Nm。

②轉速n=60 r/min。

綜上，選用圓睿鑫YGA20R130SH有刷直流微型減速電機，其參數如下：

額定電壓：3～12 V。

額定功率：0.3 W。

額定轉矩：3 Nm。

轉速：10～300r/min

（3）滾珠絲杠選型如下：已知：負載10 kg、傳送長度220 mm、速度0.1 m/s、精度C7、工作環境正常工作環境。

品牌型號：韓國太敬SFHR1210-DFC7-342-P1螺距10，具體參數見太敬選型樣冊截圖（圖4）。

（4）同步輪、同步帶選型計算校核[3]如下：此機構中同步帶傳動為水平傳動，水平方向設計要求：滑塊行程132 mm，移動負載2 N，滑塊運動132 mm所需要的時間為1 s。確定選用寧波蓋齊的同步帶和同步帶輪。

①設計功率Pd=KAP

P=2N×0.132m÷1s÷η=0.3 W;

KA根據工作情況查表取1.5。

Pd=KAP=1.5×0.3 W=0.45 W。

②帶型選擇

根據Pd=0.45 W和帶輪轉速n=100 r/min，查詢機械設計手冊選擇T5型梯形同步帶。

③帶輪齒數z及節圓直徑d1

根據帶速和安裝尺寸允許，z盡可能選擇較大值，通過查機械設計手冊。

選擇T5帶，齒數z=30，節圓直徑d1=47.75 mm，外圓直徑d0=46.9 mm

④帶速v

v=Πd1n/60×1000=0.25 m/s

⑤傳動比i

因為主動輪和從動輪同一個型號，所以i=1。

⑥初定中心距a0

a0=295 mm（根據結構需要定）。

⑦初定帶的節線長度L0P及齒數ZP

L0P≈2a0+Π（d1+d2）/2+（d1-d2）2/4a0=739.94 mm，查表，取最接近L0P的LP=740 mm

⑧實際中心距a

a=a0+（LP-L0P）/2≈295 mm。

⑨基準額定功率P0

可查表得P0=5 W。

⑩帶寬bS

bS≥10Pd/znPo，查表，取bS=18 mm。

綜上：同步帶輪型號為30-T5，同步帶為L740-T5-13。

3 結束語

本篇介紹了飲品售賣機的工作流程、機構設計、零部件選型。在設備結構方面，三分設計七分制造?？梢娂庸ぶ圃熘陵P重要，按照圖紙要求嚴把精度關，保證零部件的加工精度，保證裝配后精度，才能組裝成理想的設備。當然一款好的設備，完美的結構并不是其全部內容，外觀、結構、硬控和軟控的完美配合才是關鍵所在，才能給消費者帶來更好的使用體驗。

參考文獻

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[5] 周云山，王歆譽，張軍，等.基于瞬態激勵的CVT傳動系統扭振響應研究[J].機械傳動，2015（6）：1-4.