一种具有分杯功能的全自动饮水机*

□ 赵宇鹏 □ 朱 海 □ 刘付生 □ 李凯宇 □ 马 铭 □ 杨 鹏

东北林业大学 机电工程学院 哈尔滨 150040

1 设计背景

随着科学技术的进步、人们生活水平的提高,自动化、智能化走进了人们的生活,饮水机是其中的典型。饮水机的出现解决了传统烧水问题,能够更加快速、方便地向人们提供饮用水。但是,公共饮水机的卫生问题仍未得到有效解决,如在火车站、医院提供的饮水机上随意摆放一次性纸杯,没有将杯子与饮水机设置为一体化,很容易造成纸杯污染,进而传递病菌[1]。现有饮水机大多为手动操作,并且多数为冷热双通道流水,不但增加烫伤的风险,而且存在安全隐患。当前,市面上已经出现带有储杯装置的饮水机,但这类装置局限于两种。一种是有一对弹簧卡扣,抽取底部纸杯之后,上方纸杯自动下落。另一种是按压式取杯装置,取杯时利用装置内部两对卡扣之间的配合运动完成纸杯分离[2-3]。这两种方式均为手动取杯,并未实现自动化取杯过程。对此,笔者设计了一种具有分杯功能的全自动饮水机,实现了自动出杯和冷热水单通道,安全、有效解决了上述问题。

2 设计理念

笔者设计的具有分杯功能的全自动饮水机,在现有装置的基础上,改变双通道出水模式,使用单一出水口,采用两个无压电磁阀控制冷热水流出。改变纸杯存放位置,将纸杯存储于饮水机内部。增加了自动分杯机构与自动输送装置,能够将存储的纸杯分离并运输至出水处取水,供饮水者使用。

3 饮水机本体

笔者设计的具有分杯功能的全自动饮水机本体内部有自动出水机构和加热机构[4],正面外壁有显示器,上端有储杯通道,出水口下侧设有废水储水缸。

自动出水机构包括储水器、继电器、无压电磁阀、硅胶软管。储水器采用通用型号,用于存储水,并将其平稳供给加热器和冷水出水口。无压电磁阀通过继电器控制自动出水机构通断电,控制出水过程。硅胶软管用于组成输水管道。

加热机构包括加热器和加热器支撑板。加热器与储水器连接,通过连通器原理使水自然流入加热器中。加热器内部有温度控制器,在未达到指定温度时,对内部水进行加热,确保热水温度达到用户要求。温度控制器中的温度传感器采用DSl8B20型,是测温单元的核心器件。温度传感器对当前水温进行采集,然后进行数据处理,将数字温度信号发送至控制系统,达到控制水温的目的。温度传感器的测量范围为-55～125 ℃,增量值为0.5 ℃时,可在1 s内将温度转换为数字信号,精度和速度符合设计要求。

显示器采用有机发光二极管显示屏,主要用于显示当前加热器中热水的实时温度。

储杯通道位于饮水机本体上端,纸杯放入后可直达分杯机构。储杯通道平时存储纸杯,使用时通过分杯机构取用纸杯。

废水储水缸设置在饮水机本体的最下部,用于存储漏出或倾倒的废水。

4 控制系统

使用者按下热水或冷水按钮,控制系统接收信号,将指令传递给分杯电机[5-7]。分杯电机带动同步带机构转动,继而带动与同步带轮同轴的分杯凸轮旋转,实现单个纸杯的分离下落。当传感器检测到纸杯下落后,将信号传送至单片机,及时控制分杯电机停机,并且同时启动传送电机。传送电机控制传送带开始传送纸杯,到达指定位置后,另一传感器感应到纸杯,将信号传送至控制系统,关闭传送电机,停止纸杯传送。控制系统的继电器使对应控制热水或冷水出水的无压电磁阀打开,经过一定时间后,继电器断开,无压电磁阀关闭,完成控制系统的自动分杯取水功能。

5 分杯机构

分杯机构如图1所示,主要包括分杯电机、同步带、支撑板、光电传感器[8]、同步带轮、分杯凸轮等。

▲图1 分杯机构

纸杯存储于分杯机构中。支撑板通过连杆与饮水机本体相连,支撑板上安装有分杯电机、分杯凸轮、光电传感器等。光电传感器安装于支撑板上部,负责监测同步带轮是否自动完成纸杯的分离工作。每监测到取下一个纸杯,将信号传送至控制系统,控制电机停止运转。

分杯电机通过螺栓与支撑板固定,与控制系统连接,并通过联轴器与同步带轮连接。分杯电机定转速旋转,控制联轴器、同步带轮分杯凸轮轴旋转,进而控制分杯凸轮旋转,使纸杯顺利下落。设置减速器与光电传感器配合,及时断电,停止运转。分杯电机采用直流电机,自带减速器,转速恒定为20 r/min。联轴器是连接电机轴与同步带轮分杯凸轮轴的扭矩传递机构,传递的扭矩较小,考虑有微小变形,选择铝合金弹性联轴器,型号为D20L26,内孔直径为6 mm。

分杯电机驱动其中一个同步带轮转动,多个同步带轮通过同步带同步转动,每个同步带轮通过同步带轮分杯凸轮轴与对应同轴分杯凸轮连接,同步带轮分杯凸轮轴通过轴承与支撑板连接。同步带负责传递动力,由于分离纸杯时所需的扭矩较小,因此选择3M型橡胶同步带。同步带轮通过螺钉压装在轴上,配套橡胶同步带选择两平面3M12齿铝合金带轮,带轮挡边外径为15 mm,槽宽为11 mm,适配带宽为11 mm的同步带,轴孔内径为5 mm。

分杯凸轮用于支撑纸杯及按压纸杯下落,多组分杯凸轮沿支撑板的周向均布。每组分杯凸轮均包括两个分杯凸轮,这两个分杯凸轮以支撑板的中线为对称轴对称设置,每组分杯凸轮的设置角度均不同。过盈连接位于同步带轮分杯凸轮轴上端,与同步带轮同轴连接。由分杯凸轮下侧面推动纸杯杯口上侧,实现纸杯单个分离。分杯凸轮如图2所示。分杯凸轮采用聚丙烯食品级塑料材质,用于将纸杯各个依次分离。

▲图2 分杯凸轮

6 纸杯传送机构

纸杯传送机构如图3所示,主要由传送电机、传送带和传送轮组成[9]。

传送电机与传输控制系统连接,选用直流减速电机,采用联轴器与传送轮轴连接的形式,带动传送轮旋转,为整个传送带提供动力。饮水机本体出水口的下端设有光电传感器,与传输控制系统连接。当出水口处光电传感器检测到纸杯后,将信号发送至传输控制系统,控制传送电机停止转动。

传送轮与轴形成过盈紧固连接,进行同步转动。主动传送轮与轴同步开始转动后,在传送带张紧力作用下驱动被动传送轮转动。两组传送轮轴均与传送装置支撑板通过轴承连接,支撑板紧固在饮水机主体左右侧板上,用于支撑纸杯传送机构。

▲图3 纸杯传送机构

传送带设置在饮水机本体出水口的下端、废水储水缸的上端,沿长度方向均布多个漏水孔,便于漏水及使用者倒水进入废水储水缸。传送带宽度为90 mm,保证下落的纸杯能平稳地运送到出水口正下方。

7 饮水机总成

具有分杯功能的全自动饮水机总成结构如图4所示。使用时,将饮水桶倒扣在饮水机上。水由于重力作用,通过硅胶软管流入加热器,充满整个硅胶管道。加热器进行加热,温度传感器监控加热器中的水温,并将数据传送至控制系统,再经过数模转换通过显示器显示热水的实时温度。

▲图4 饮水机总成

8 工作流程

具有分杯功能的全自动饮水机工作流程如图5所示。

▲图5 饮水机工作流程

9 结束语

笔者设计的具有分杯功能的全自动饮水机合理利用饮水机内部空间存储纸杯,避免纸杯受外界环境污染。由单片机控制的分杯装置能够实现不同数量纸杯的精准取用。应用纸杯传送机构,将纸杯运送到出水口下方,自动出水。

这一全自动饮水机操作方便快捷,机械结构简单,工作安全可靠,避免了资源浪费和使用过程中的安全隐患[10],可广泛应用于车站、商场、写字楼等公共场所,具有较高的商业价值。