饮品售卖机中传动机构的设计

吕静

[摘    要]饮品售卖机是一种操作体验智能化、加工工序自动化、终端产品多样化的全自动化设备。将手机操作平台与自动化电气控制系统相结合，消费者可以通过手机操作平台设置相关参数，控制各个机械功能模块运转，通过将不同原料液，按照消费者设置好的比例关系，配比混合出各种口味的饮品，体会到自己调制饮品的快乐与满足。本文重点介绍了饮品售卖机主要传动机构及其关键零部件选型。

[关键词]饮品售卖机;智能化;自动化;多样化

[中图分类号]TM619 [文献标志码]A [文章编号]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 飲品售卖机概述

1.1 饮品售卖机简介

售卖机的几乎所有工序都属于自动化控制系统，就连终端体验都采用扫码制饮品、扫码取饮品的操作系统，终端体验智能便捷。

1.2 饮品售卖机功能模块划分

根据调制饮品需要，该饮品售卖机结构组成见图1。

1.3 饮品售卖机工作流程分析

一旦消费者通过手机终端定制了某款饮品，终端软控系统就会向设备终端的电控系统发号“开始调制”饮品的指令，电控系统在收到该指令之后随即启动设备各传动机构开始有条不紊的运作，调制饮品，具体的工作流程见图2。

2 饮品售卖机主要传动机构及其零部件选型

根据功能需要，此饮品售卖机主要有储料机构、输送机构、调制灌装机构、暂存机构（比较简单，不再单独介绍）等4大机构。

2.1 储料机构

此设备的储料机构有3种机构，包含原料液储存机构、冰块储存机构和储杯机构。

原料液储存机构由多个原料瓶和防漏瓶塞组成。

冰块储存机构类似于一个小小的冰箱，依靠压缩机和冷凝器制冷。把方块冰码入冰盒，一旦传感器接收到出冰信号，旋转电机随即带动搅笼转动，把方块冰螺旋推送至出冰通道。

储杯机构的结构中主要有4个转筒。当一个转筒里的杯子用完，光感传感器接收到空杯信号，控制转动电机带动齿轮转动90°，下一个存杯转筒转到工作位，为杯子进入输送通道做准备。一旦所有的杯子都被用完，光感传感器就会发出空杯信号，提示工作人员添加杯子。

2.2 输送机构

输送机构包含原料液输送机构和杯子输送机构。

2.2.1 原料液输送机构

原料液输送机构主要由液压泵、流量控制阀、软管和一些控制模块组成。

原料液输送机构主要需要考虑两个方面，一是原料液的及时补给，二是原料在输送过程中流量的控制。流量的控制是一大难点，在本设备中采用了流量控制阀和软件控制相结合的办法，经过多次流量试验，找出最终流量控制的规律，来最大程度的满足消费者对饮品口感的预期。

2.2.2 杯子输送机构

如何高效可靠的从储杯机构里拿取杯子然后输送到接液平台，是设计之初需要重点考虑的问题。本设备通过两个传动机构来实现此目的，见图3。

机构1主要是把杯子从储杯机构里取出，然后平移到机构2里杯座正上方，下移杯子到杯座里，随即抓手上移，与杯子上沿距10 mm时，抓手平移到初始工作位，为下一次输送杯子做准备，也为机构2里杯座的上移腾出空间。机构2的杯座里被检测到有杯子之后，杯座上移，至最高位行程开关作用，杯座停止运动，此时接液平台处的光感传感器检测到有杯子存在，杯子输送工作至此结束。

机构1的运动轨迹分为水平移动和上下移动两种。机械抓手开合是通过一个有刷直流减速电机带动一个两边旋向相反的螺杆来实现的。整体水平移动采用同步带传动机构[1]，往复运动，水平位移为132 mm;上下移动机构采用滚珠丝杠传动机构[2]，往复运动，垂直位移分别165 mm和220 mm。其主要零部件有带动同步轮转动的步进电机、同步轮、同步带、直线导轨、行程开关;以及带动丝杠转动的步进电机、滚珠丝杆（含丝杠螺母）、起导向作用的导向光轴、直线轴承和行程开关等组成。

机构2的运动轨迹为上下移动一种，对精度要求也不是特别高，满足±1 mm即可，因此采用了同步带传动机构。此机构中主要零部件包括带动同步轮转动的步进电机、同步轮、同步带、直线导轨、行程开关和光电传感器。

在整个输送杯子过程中，无论上移、下移还是左右平移，都会在行程两端各安装一个行程开关，来控制运动行程，必要时还需加机械硬限位。

2.3 调制灌装机构

调制灌装机构就是要实现把各种原料液和冰块混合，然后把调制好的饮品倒入杯子里的过程。这一系列动作是通过一个六轴机器人来完成的，在可靠地满足工作的同时大大的节省了人力成本。

2.4 传动机构中主要零部件选型

2.4.1 储杯机构中涉及到大小齿轮和齿轮电机的选型计算

（1）齿轮选型计算[3]如下：已知：选用渐开线标准圆柱齿轮传动，材质为45钢调质处理。则齿轮模数m=2，压力角α=20°，齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25。齿宽b=Ψd×d（这里是悬臂配置变动较大的情况，取Ψd=0.4[3]）。为减轻整体重量和大小选取主动小齿轮齿数z1=14。根据整体结构要求，取齿轮副中心距a=125 mm。

则：b1=Ψd×d1=Ψd×m×z1=0.4×2×14=11.2 mm，

b1=b2=12 mm。

由齿轮副中心距a=m/2（z1+z2）=125 mm，得z2=111

分度圆直径：d1=mz1=2×14=28 mm;

d2=mz2=2×111=222 mm。

齿顶高：ha=ha*×m=2 mm。

齿根高：hf=（ha*+c*）×m=2.5 mm。

齿高：h=ha+hf=4.5 mm。

齿顶圆直径：da1=d1+2ha=32 mm。

da2=d2+2ha=226 mm。

齿根圆直径：df1=d1-2hf=23 mm。

df2=d2-2hf=217 mm。

基圆直径：db1=d1cosα=26.31 mm;

db2=d2cosα=208.61 mm。

齿顶圆压力角：

=34°41′44″;

=22°37′26″。

重合度：端面重合度

（这里需+）

=1.664

纵向重合度;

总重合度=1.664。

（2）齿轮电机选型计算如下：已知：供电电压24 V，负载质量10 kg，转筒转速n2=15 r/min。

①负载转矩（加速转矩+摩擦转矩）：

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，即电机带动的小齿轮转速n1≈119 r/min<300 r/min，则可以取安全系数S=1.5，步进电机保持转矩Tn=M×S=12.3×1.5=18.4 Nm，配减速比为1∶5的减速器。

综上，此处选择的电机为雷塞42系列两相混合步进电机，具体型号为42CM06配DM542S驱动器。

2.4.2 输送机构机构1中涉及到1个直流电机、滚珠丝杠、同步带传动的选型計算。

（1）直流电机选型参数如下：

①负载转矩：

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

②转速n=60 r/min。

综上，选用圆睿鑫YGA20R130SH有刷直流微型减速电机，其参数如下：

额定电压：3～12 V。

额定功率：0.3 W。

额定转矩：3 Nm。

转速：10～300r/min

（3）滚珠丝杠选型如下：已知：负载10 kg、传送长度220 mm、速度0.1 m/s、精度C7、工作环境正常工作环境。

品牌型号：韩国太敬SFHR1210-DFC7-342-P1螺距10，具体参数见太敬选型样册截图（图4）。

（4）同步轮、同步带选型计算校核[3]如下：此机构中同步带传动为水平传动，水平方向设计要求：滑块行程132 mm，移动负载2 N，滑块运动132 mm所需要的时间为1 s。确定选用宁波盖齐的同步带和同步带轮。

①设计功率Pd=KAP

P=2N×0.132m÷1s÷η=0.3 W;

KA根据工作情况查表取1.5。

Pd=KAP=1.5×0.3 W=0.45 W。

②带型选择

根据Pd=0.45 W和带轮转速n=100 r/min，查询机械设计手册选择T5型梯形同步带。

③带轮齿数z及节圆直径d1

根据带速和安装尺寸允许，z尽可能选择较大值，通过查机械设计手册。

选择T5带，齿数z=30，节圆直径d1=47.75 mm，外圆直径d0=46.9 mm

④带速v

v=Πd1n/60×1000=0.25 m/s

⑤传动比i

因为主动轮和从动轮同一个型号，所以i=1。

⑥初定中心距a0

a0=295 mm（根据结构需要定）。

⑦初定带的节线长度L0P及齿数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实际中心距a

a=a0+（LP-L0P）/2≈295 mm。

⑨基准额定功率P0

可查表得P0=5 W。

⑩带宽bS

bS≥10Pd/znPo，查表，取bS=18 mm。

综上：同步带轮型号为30-T5，同步带为L740-T5-13。

3 结束语

本篇介绍了饮品售卖机的工作流程、机构设计、零部件选型。在设备结构方面，三分设计七分制造。可见加工制造至关重要，按照图纸要求严把精度关，保证零部件的加工精度，保证装配后精度，才能组装成理想的设备。当然一款好的设备，完美的结构并不是其全部内容，外观、结构、硬控和软控的完美配合才是关键所在，才能给消费者带来更好的使用体验。

参考文献

[1] 陆巧男.经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究[D].南京：南京理工大学，2007.

[2] 贺成明.基于模糊免疫PID的金属带式无级变速器速比控制研究[D].天津：天津大学，2010.

[3] 李旭.考虑齿侧间隙的DCT斜齿轮接触应力分析[D].合肥：合肥工业大学，2015.

[4] 周美兰.轿车无级变速器综合模糊控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2006.

[5] 周云山，王歆誉，张军，等.基于瞬态激励的CVT传动系统扭振响应研究[J].机械传动，2015（6）：1-4.