智能饮品冲调机的设计

2022-05-23马新玲曾溢涛牟昊铎林新绅曹霁阳

包装与食品机械 2022年2期

马新玲，曾溢涛，牟昊铎，林新绅，曹霁阳

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）

0 引言

自2020年新冠疫情爆发以来，抗疫工作对各方面卫生标准都提出了更高的要求。从长远的角度看，此次疫情在一定程度上，是对现有的卫生和疾控体系的一次“严格”检测，其所带来的教训和启示是全方位的。此外，人口老年化趋势明显，智能化养老将对我国养老事业的持续发展有巨大作用。结合医养及PPP项目框架［1-3］，本团队将目光投向了饮品冲调机器的研究。

目前，市面上相关类型的机器主要有咖啡机、奶粉冲调机、颗粒调配机和自动奶茶机等，但均存在产品结构简单、功能单一等不足之处［4-8］。无论是国内还是国外，都缺乏一种应用面广阔的饮品冲调机器。因此，聚焦于冲调饮品和口服冲调药剂等领域，设计研发一款全自动饮品冲调机——健康先行智能“益喝宝”。通过5个模块的协调配合，实现一体化自动冲调饮品的过程。操作简单，人机交互友好，流程可视化，充分保证出品的卫生安全。

1 总体方案设计

整机结构如图1。若选择冲调袋装料包，料包被放入开包器夹槽内，通过语音或按键选择冲调模式并启动程序。随后机身底部的放杯传输模块将饮品杯传输至开袋送料模块下方，开袋器转子旋转，挤压固定块压紧料包，并由切割刀具将其割开，物料掉落至杯中从而完成袋装物料的加料。饮品杯继续被运送至螺杆及转轮送料模块下方。

图1 整机示意图Fig.1 Schematic diagram of the whole machine

若选择添加其他物料。螺杆送料模块可根据选择添加多种小颗粒物料，如咖啡粉、奶粉等，转轮送料模块可添加各类大颗粒物料，如枸杞、菊花等。饮品杯在2个送料模块出料口下方停留，完成物料接收。物料添加完毕后，移位钩爪将饮品杯沿轨道移位至冲调搅拌区域。通过水泵与注水管将纯净水添加至杯中，随后搅拌器下降，将杯中液体搅拌均匀。这样便完成了1杯饮品的自动冲调，既满足用户个性化需求，又保证出品的卫生安全。

2 各功能模块设计

机器共有5个功能模块，分别为开袋送料模块、螺杆送料模块、转轮送料模块、放杯传输模块和冲调搅拌模块。

2.1 开袋送料模块

为实现对袋装料包的开袋及物料添加，设计有开袋送料模块。其优势为设计新颖巧妙，可循环开袋，完成度高。结构示意如图2所示，主要由导轨外壳、转子机芯和切割刀架组成。首先转子处于初始位置，挤压固定块位于宽轨区域，受轨道外壳上的磁铁磁吸力被向上拉出，料包顺利放入转子机芯夹槽内。随后电机带动转子旋转，挤压固定块旋转至窄轨区域，被轨道外壳挤压下移，将料包两边压紧固定。转子继续旋转，料包接触下方切割刀具，刀尖以一定角度轻易刺穿料包，料包继续旋转继而被完全切开，物料迅速掉入杯中。空料包继续旋转离开切割区域，挤压固定块转入宽轨区域，并再次被磁铁吸引拉出，使空料包处于自由状态，随后在重力的作用下滑出夹槽，掉入空料包收纳盒中。

图2 开袋送料模块示意图Fig.2 Schematic diagram of open bag feeding module

如图3所示，为使挤压固定块能更顺畅地自宽轨区域旋转至窄轨区域，减小旋转过程中的卡塞，经过大量测试得：轨道过渡区斜面及挤压固定块侧边缘面的倾角α=35°时，机构运行阻力最小，连贯性最佳。

图3 挤压固定块侧边角度结构图Fig.3 Side angle structure diagram of extrusion fixed block

在最大工作载荷下，对传动花键轴进行受力分析。在轴前端加载1 N·m的扭矩，最大应力在轴加载处，为27.413 MPa，结果如图4。轴所用材料为聚丙烯塑料［9］，拉伸强度δb=33.6 MPa，剪切强度τ=35.6 MPa，均大于导杆最大应力，满足强度要求。

图4 花键轴应力云图Fig.4 Stress nephogram of the splined shaft

2.2 螺杆送料模块

为实现对小颗粒配料的定量添加，设计有螺杆送料模块。其优势为精准加料、结构紧凑、空间利用率高，结构示意如图5所示。

图5 螺杆送料模块结构Fig.5 Structure diagram of screw feeding module

TT电机带动阿基米德螺杆以一定转速旋转。储料盒中的物料在螺杆叶片的推动下，从直角平行连接管左端传送至右端，继而掉入杯中。整个送料过程连续进行，直至达到给定量后，TT电机停止转动，结束送料。

2.3 转轮送料模块

为实现对大颗粒配料的精准添加，设计有转轮送料模块。其优势为设计简约，结构精巧，易于控制。结构示意如图6所示。

图6 转轮送料模块结构Fig.6 Structure diagram of rotating shaft feeding module

TT电机带动转轮按每旋转半圈停滞0.5 s的规律不断循环旋转。当凹槽朝上时，储料盒内的物料通过转轮外壳的上方入口落入凹槽；转轮朝下时，凹槽内的物料下落掉出下方出口，进入出料通道再落入杯中，从而完成大颗粒物料加料。通过控制转轮旋转总时间与转速即可调整添加量。

2.4 放杯传输模块

为实现对杯子的传输移位，设计有放杯传输模块。其优势为响应迅速，运行稳定，全自动控制，结构示意如图7所示。

图7 放杯传输模块结构Fig.7 Structure diagram of cup releasing and t ransmission module

步进电机带动丝杆按给定步频旋转，进而带动移动托盘沿轨道前进。饮品杯放置于杯托上，移动托盘推动杯托前进，并依次停于3个送料模块出料口下方，完成物料的添加。杯托到达半圆形轨道位置后，移动托盘侧边齿条与移位钩爪下方齿轮开始接触，移动托盘继续前进，使齿轮齿条配合传动，进而使移位钩爪旋转将杯托推过圆形轨道到达冲调搅拌区域。随后电机带动丝杆反转，移动托盘退回复位，带动齿轮及移位钩爪反转至初始位置。

放杯传输模块齿轮齿条的设计参数见表1。

表1 齿轮齿条部分设计参数Tab.1 Some design parameters of rack and pinion

2.5 冲调搅拌模块

为实现向杯中注入纯净水，并将液体搅拌均匀，设计有搅拌冲调模块。其优势为可定温定量添加纯净水，集成化程度高，结构示意如图8所示。

图8 冲调搅拌模块结构Fig.8 Structure of mixing and stirring module

直线模组为该模块核心，使搅拌器及连接支座上下运动。饮品杯被运送至加水区域后，水泵启动开始吸水，纯净水沿水管通过注水管加入杯中。当杯中水量达到设定值后，水泵自动停止，注水完成。随后连接支座下降适当高度，将搅拌器伸入杯中，搅拌电机启动带动叶片搅拌杯中液体。此过程中水温和加水量都可由用户自行设置，满足个性化需求。搅拌完成后，连接支座上升回到初始位置，由于搅拌器叶片表面涂有疏水材料，能避免液体滴落或飞溅，保证整个搅拌流程的安全卫生。

搅拌器直杆与注水管平行放置，环形套筒将注水管和搅拌器直杆加以约束，可减小搅拌器旋转时直杆的偏移。同时较长的注水管也使得出水口更接近杯子，减小加水过程中纯净水被污染的可能性，使冲调更加安全卫生。

如图9，在电机搅拌座水平面施加100 N压力（大于搅拌器加电机重力），最大应变处为水平面中间最前点，数值为9.4755 ×10-7m，不会对模块运行造成影响，结构合理［10］。