一種具有分杯功能的全自動飲水機*

□ 趙宇鵬 □ 朱 海 □ 劉付生 □ 李凱宇 □ 馬 銘 □ 楊 鵬

東北林業大學 機電工程學院 哈爾濱 150040

1 設計背景

隨著科學技術的進步、人們生活水平的提高,自動化、智能化走進了人們的生活,飲水機是其中的典型。飲水機的出現解決了傳統燒水問題,能夠更加快速、方便地向人們提供飲用水。但是,公共飲水機的衛生問題仍未得到有效解決,如在火車站、醫院提供的飲水機上隨意擺放一次性紙杯,沒有將杯子與飲水機設置為一體化,很容易造成紙杯污染,進而傳遞病菌[1]。現有飲水機大多為手動操作,并且多數為冷熱雙通道流水,不但增加燙傷的風險,而且存在安全隱患。當前,市面上已經出現帶有儲杯裝置的飲水機,但這類裝置局限于兩種。一種是有一對彈簧卡扣,抽取底部紙杯之后,上方紙杯自動下落。另一種是按壓式取杯裝置,取杯時利用裝置內部兩對卡扣之間的配合運動完成紙杯分離[2-3]。這兩種方式均為手動取杯,并未實現自動化取杯過程。對此,筆者設計了一種具有分杯功能的全自動飲水機,實現了自動出杯和冷熱水單通道,安全、有效解決了上述問題。

2 設計理念

筆者設計的具有分杯功能的全自動飲水機,在現有裝置的基礎上,改變雙通道出水模式,使用單一出水口,采用兩個無壓電磁閥控制冷熱水流出。改變紙杯存放位置,將紙杯存儲于飲水機內部。增加了自動分杯機構與自動輸送裝置,能夠將存儲的紙杯分離并運輸至出水處取水,供飲水者使用。

3 飲水機本體

筆者設計的具有分杯功能的全自動飲水機本體內部有自動出水機構和加熱機構[4],正面外壁有顯示器,上端有儲杯通道,出水口下側設有廢水儲水缸。

自動出水機構包括儲水器、繼電器、無壓電磁閥、硅膠軟管。儲水器采用通用型號,用于存儲水,并將其平穩供給加熱器和冷水出水口。無壓電磁閥通過繼電器控制自動出水機構通斷電,控制出水過程。硅膠軟管用于組成輸水管道。

加熱機構包括加熱器和加熱器支撐板。加熱器與儲水器連接,通過連通器原理使水自然流入加熱器中。加熱器內部有溫度控制器,在未達到指定溫度時,對內部水進行加熱,確保熱水溫度達到用戶要求。溫度控制器中的溫度傳感器采用DSl8B20型,是測溫單元的核心器件。溫度傳感器對當前水溫進行采集,然后進行數據處理,將數字溫度信號發送至控制系統,達到控制水溫的目的。溫度傳感器的測量范圍為-55～125 ℃,增量值為0.5 ℃時,可在1 s內將溫度轉換為數字信號,精度和速度符合設計要求。

顯示器采用有機發光二極管顯示屏,主要用于顯示當前加熱器中熱水的實時溫度。

儲杯通道位于飲水機本體上端,紙杯放入后可直達分杯機構。儲杯通道平時存儲紙杯,使用時通過分杯機構取用紙杯。

廢水儲水缸設置在飲水機本體的最下部,用于存儲漏出或傾倒的廢水。

4 控制系統

使用者按下熱水或冷水按鈕,控制系統接收信號,將指令傳遞給分杯電機[5-7]。分杯電機帶動同步帶機構轉動,繼而帶動與同步帶輪同軸的分杯凸輪旋轉,實現單個紙杯的分離下落。當傳感器檢測到紙杯下落后,將信號傳送至單片機,及時控制分杯電機停機,并且同時啟動傳送電機。傳送電機控制傳送帶開始傳送紙杯,到達指定位置后,另一傳感器感應到紙杯,將信號傳送至控制系統,關閉傳送電機,停止紙杯傳送。控制系統的繼電器使對應控制熱水或冷水出水的無壓電磁閥打開,經過一定時間后,繼電器斷開,無壓電磁閥關閉,完成控制系統的自動分杯取水功能。

5 分杯機構

分杯機構如圖1所示,主要包括分杯電機、同步帶、支撐板、光電傳感器[8]、同步帶輪、分杯凸輪等。

▲圖1 分杯機構

紙杯存儲于分杯機構中。支撐板通過連桿與飲水機本體相連,支撐板上安裝有分杯電機、分杯凸輪、光電傳感器等。光電傳感器安裝于支撐板上部,負責監測同步帶輪是否自動完成紙杯的分離工作。每監測到取下一個紙杯,將信號傳送至控制系統,控制電機停止運轉。

分杯電機通過螺栓與支撐板固定,與控制系統連接,并通過聯軸器與同步帶輪連接。分杯電機定轉速旋轉,控制聯軸器、同步帶輪分杯凸輪軸旋轉,進而控制分杯凸輪旋轉,使紙杯順利下落。設置減速器與光電傳感器配合,及時斷電,停止運轉。分杯電機采用直流電機,自帶減速器,轉速恒定為20 r/min。聯軸器是連接電機軸與同步帶輪分杯凸輪軸的扭矩傳遞機構,傳遞的扭矩較小,考慮有微小變形,選擇鋁合金彈性聯軸器,型號為D20L26,內孔直徑為6 mm。

分杯電機驅動其中一個同步帶輪轉動,多個同步帶輪通過同步帶同步轉動,每個同步帶輪通過同步帶輪分杯凸輪軸與對應同軸分杯凸輪連接,同步帶輪分杯凸輪軸通過軸承與支撐板連接。同步帶負責傳遞動力,由于分離紙杯時所需的扭矩較小,因此選擇3M型橡膠同步帶。同步帶輪通過螺釘壓裝在軸上,配套橡膠同步帶選擇兩平面3M12齒鋁合金帶輪,帶輪擋邊外徑為15 mm,槽寬為11 mm,適配帶寬為11 mm的同步帶,軸孔內徑為5 mm。

分杯凸輪用于支撐紙杯及按壓紙杯下落,多組分杯凸輪沿支撐板的周向均布。每組分杯凸輪均包括兩個分杯凸輪,這兩個分杯凸輪以支撐板的中線為對稱軸對稱設置,每組分杯凸輪的設置角度均不同。過盈連接位于同步帶輪分杯凸輪軸上端,與同步帶輪同軸連接。由分杯凸輪下側面推動紙杯杯口上側,實現紙杯單個分離。分杯凸輪如圖2所示。分杯凸輪采用聚丙烯食品級塑料材質,用于將紙杯各個依次分離。

▲圖2 分杯凸輪

6 紙杯傳送機構

紙杯傳送機構如圖3所示,主要由傳送電機、傳送帶和傳送輪組成[9]。

傳送電機與傳輸控制系統連接,選用直流減速電機,采用聯軸器與傳送輪軸連接的形式,帶動傳送輪旋轉,為整個傳送帶提供動力。飲水機本體出水口的下端設有光電傳感器,與傳輸控制系統連接。當出水口處光電傳感器檢測到紙杯后,將信號發送至傳輸控制系統,控制傳送電機停止轉動。

傳送輪與軸形成過盈緊固連接,進行同步轉動。主動傳送輪與軸同步開始轉動后,在傳送帶張緊力作用下驅動被動傳送輪轉動。兩組傳送輪軸均與傳送裝置支撐板通過軸承連接,支撐板緊固在飲水機主體左右側板上,用于支撐紙杯傳送機構。

▲圖3 紙杯傳送機構

傳送帶設置在飲水機本體出水口的下端、廢水儲水缸的上端,沿長度方向均布多個漏水孔,便于漏水及使用者倒水進入廢水儲水缸。傳送帶寬度為90 mm,保證下落的紙杯能平穩地運送到出水口正下方。

7 飲水機總成

具有分杯功能的全自動飲水機總成結構如圖4所示。使用時,將飲水桶倒扣在飲水機上。水由于重力作用,通過硅膠軟管流入加熱器,充滿整個硅膠管道。加熱器進行加熱,溫度傳感器監控加熱器中的水溫,并將數據傳送至控制系統,再經過數模轉換通過顯示器顯示熱水的實時溫度。

▲圖4 飲水機總成

8 工作流程

具有分杯功能的全自動飲水機工作流程如圖5所示。

▲圖5 飲水機工作流程

9 結束語

筆者設計的具有分杯功能的全自動飲水機合理利用飲水機內部空間存儲紙杯,避免紙杯受外界環境污染。由單片機控制的分杯裝置能夠實現不同數量紙杯的精準取用。應用紙杯傳送機構,將紙杯運送到出水口下方,自動出水。

這一全自動飲水機操作方便快捷,機械結構簡單,工作安全可靠,避免了資源浪費和使用過程中的安全隱患[10],可廣泛應用于車站、商場、寫字樓等公共場所,具有較高的商業價值。