馬新玲，曾溢濤，牟昊鐸，林新紳，曹霽陽

（華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

自2020年新冠疫情爆發(fā)以來，抗疫工作對各方面衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)都提出了更高的要求。從長遠的角度看，此次疫情在一定程度上，是對現(xiàn)有的衛(wèi)生和疾控體系的一次“嚴格”檢測，其所帶來的教訓(xùn)和啟示是全方位的。此外，人口老年化趨勢明顯，智能化養(yǎng)老將對我國養(yǎng)老事業(yè)的持續(xù)發(fā)展有巨大作用。結(jié)合醫(yī)養(yǎng)及PPP項目框架［1-3］，本團隊將目光投向了飲品沖調(diào)機器的研究。

目前，市面上相關(guān)類型的機器主要有咖啡機、奶粉沖調(diào)機、顆粒調(diào)配機和自動奶茶機等，但均存在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、功能單一等不足之處［4-8］。無論是國內(nèi)還是國外，都缺乏一種應(yīng)用面廣闊的飲品沖調(diào)機器。因此，聚焦于沖調(diào)飲品和口服沖調(diào)藥劑等領(lǐng)域，設(shè)計研發(fā)一款全自動飲品沖調(diào)機——健康先行智能“益喝寶”。通過5個模塊的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)一體化自動沖調(diào)飲品的過程。操作簡單，人機交互友好，流程可視化，充分保證出品的衛(wèi)生安全。

1 總體方案設(shè)計

整機結(jié)構(gòu)如圖1。若選擇沖調(diào)袋裝料包，料包被放入開包器夾槽內(nèi)，通過語音或按鍵選擇沖調(diào)模式并啟動程序。隨后機身底部的放杯傳輸模塊將飲品杯傳輸至開袋送料模塊下方，開袋器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，擠壓固定塊壓緊料包，并由切割刀具將其割開，物料掉落至杯中從而完成袋裝物料的加料。飲品杯繼續(xù)被運送至螺桿及轉(zhuǎn)輪送料模塊下方。

圖1 整機示意圖Fig.1 Schematic diagram of the whole machine

若選擇添加其他物料。螺桿送料模塊可根據(jù)選擇添加多種小顆粒物料，如咖啡粉、奶粉等，轉(zhuǎn)輪送料模塊可添加各類大顆粒物料，如枸杞、菊花等。飲品杯在2個送料模塊出料口下方停留，完成物料接收。物料添加完畢后，移位鉤爪將飲品杯沿軌道移位至沖調(diào)攪拌區(qū)域。通過水泵與注水管將純凈水添加至杯中，隨后攪拌器下降，將杯中液體攪拌均勻。這樣便完成了1杯飲品的自動沖調(diào)，既滿足用戶個性化需求，又保證出品的衛(wèi)生安全。

2 各功能模塊設(shè)計

機器共有5個功能模塊，分別為開袋送料模塊、螺桿送料模塊、轉(zhuǎn)輪送料模塊、放杯傳輸模塊和沖調(diào)攪拌模塊。

2.1 開袋送料模塊

為實現(xiàn)對袋裝料包的開袋及物料添加，設(shè)計有開袋送料模塊。其優(yōu)勢為設(shè)計新穎巧妙，可循環(huán)開袋，完成度高。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，主要由導(dǎo)軌外殼、轉(zhuǎn)子機芯和切割刀架組成。首先轉(zhuǎn)子處于初始位置，擠壓固定塊位于寬軌區(qū)域，受軌道外殼上的磁鐵磁吸力被向上拉出，料包順利放入轉(zhuǎn)子機芯夾槽內(nèi)。隨后電機帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，擠壓固定塊旋轉(zhuǎn)至窄軌區(qū)域，被軌道外殼擠壓下移，將料包兩邊壓緊固定。轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，料包接觸下方切割刀具，刀尖以一定角度輕易刺穿料包，料包繼續(xù)旋轉(zhuǎn)繼而被完全切開，物料迅速掉入杯中?？樟习^續(xù)旋轉(zhuǎn)離開切割區(qū)域，擠壓固定塊轉(zhuǎn)入寬軌區(qū)域，并再次被磁鐵吸引拉出，使空料包處于自由狀態(tài)，隨后在重力的作用下滑出夾槽，掉入空料包收納盒中。

圖2 開袋送料模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of open bag feeding module

如圖3所示，為使擠壓固定塊能更順暢地自寬軌區(qū)域旋轉(zhuǎn)至窄軌區(qū)域，減小旋轉(zhuǎn)過程中的卡塞，經(jīng)過大量測試得：軌道過渡區(qū)斜面及擠壓固定塊側(cè)邊緣面的傾角α=35°時，機構(gòu)運行阻力最小，連貫性最佳。

圖3 擠壓固定塊側(cè)邊角度結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Side angle structure diagram of extrusion fixed block

在最大工作載荷下，對傳動花鍵軸進行受力分析。在軸前端加載1 N·m的扭矩，最大應(yīng)力在軸加載處，為27.413 MPa，結(jié)果如圖4。軸所用材料為聚丙烯塑料［9］，拉伸強度δb=33.6 MPa，剪切強度τ=35.6 MPa，均大于導(dǎo)桿最大應(yīng)力，滿足強度要求。

圖4 花鍵軸應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of the splined shaft

2.2 螺桿送料模塊

為實現(xiàn)對小顆粒配料的定量添加，設(shè)計有螺桿送料模塊。其優(yōu)勢為精準(zhǔn)加料、結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高，結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 螺桿送料模塊結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of screw feeding module

TT電機帶動阿基米德螺桿以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。儲料盒中的物料在螺桿葉片的推動下，從直角平行連接管左端傳送至右端，繼而掉入杯中。整個送料過程連續(xù)進行，直至達到給定量后，TT電機停止轉(zhuǎn)動，結(jié)束送料。

2.3 轉(zhuǎn)輪送料模塊

為實現(xiàn)對大顆粒配料的精準(zhǔn)添加，設(shè)計有轉(zhuǎn)輪送料模塊。其優(yōu)勢為設(shè)計簡約，結(jié)構(gòu)精巧，易于控制。結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)輪送料模塊結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of rotating shaft feeding module

TT電機帶動轉(zhuǎn)輪按每旋轉(zhuǎn)半圈停滯0.5 s的規(guī)律不斷循環(huán)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)凹槽朝上時，儲料盒內(nèi)的物料通過轉(zhuǎn)輪外殼的上方入口落入凹槽；轉(zhuǎn)輪朝下時，凹槽內(nèi)的物料下落掉出下方出口，進入出料通道再落入杯中，從而完成大顆粒物料加料。通過控制轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)總時間與轉(zhuǎn)速即可調(diào)整添加量。

2.4 放杯傳輸模塊

為實現(xiàn)對杯子的傳輸移位，設(shè)計有放杯傳輸模塊。其優(yōu)勢為響應(yīng)迅速，運行穩(wěn)定，全自動控制，結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 放杯傳輸模塊結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure diagram of cup releasing and t ransmission module

步進電機帶動絲桿按給定步頻旋轉(zhuǎn)，進而帶動移動托盤沿軌道前進。飲品杯放置于杯托上，移動托盤推動杯托前進，并依次停于3個送料模塊出料口下方，完成物料的添加。杯托到達半圓形軌道位置后，移動托盤側(cè)邊齒條與移位鉤爪下方齒輪開始接觸，移動托盤繼續(xù)前進，使齒輪齒條配合傳動，進而使移位鉤爪旋轉(zhuǎn)將杯托推過圓形軌道到達沖調(diào)攪拌區(qū)域。隨后電機帶動絲桿反轉(zhuǎn)，移動托盤退回復(fù)位，帶動齒輪及移位鉤爪反轉(zhuǎn)至初始位置。

放杯傳輸模塊齒輪齒條的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 齒輪齒條部分設(shè)計參數(shù)Tab.1 Some design parameters of rack and pinion

2.5 沖調(diào)攪拌模塊

為實現(xiàn)向杯中注入純凈水，并將液體攪拌均勻，設(shè)計有攪拌沖調(diào)模塊。其優(yōu)勢為可定溫定量添加純凈水，集成化程度高，結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

圖8 沖調(diào)攪拌模塊結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of mixing and stirring module

直線模組為該模塊核心，使攪拌器及連接支座上下運動。飲品杯被運送至加水區(qū)域后，水泵啟動開始吸水，純凈水沿水管通過注水管加入杯中。當(dāng)杯中水量達到設(shè)定值后，水泵自動停止，注水完成。隨后連接支座下降適當(dāng)高度，將攪拌器伸入杯中，攪拌電機啟動帶動葉片攪拌杯中液體。此過程中水溫和加水量都可由用戶自行設(shè)置，滿足個性化需求。攪拌完成后，連接支座上升回到初始位置，由于攪拌器葉片表面涂有疏水材料，能避免液體滴落或飛濺，保證整個攪拌流程的安全衛(wèi)生。

攪拌器直桿與注水管平行放置，環(huán)形套筒將注水管和攪拌器直桿加以約束，可減小攪拌器旋轉(zhuǎn)時直桿的偏移。同時較長的注水管也使得出水口更接近杯子，減小加水過程中純凈水被污染的可能性，使沖調(diào)更加安全衛(wèi)生。

如圖9，在電機攪拌座水平面施加100 N壓力（大于攪拌器加電機重力），最大應(yīng)變處為水平面中間最前點，數(shù)值為9.4755 ×10-7m，不會對模塊運行造成影響，結(jié)構(gòu)合理［10］。

圖9 連接支座應(yīng)變云圖Fig.9 Strain nephogram of connecting support

機器采用先加入物料顆粒，后注入純凈水的工作方式，因此固液混合率低。為使溶液充分混合，達到最佳飲用口感，裝置采用雙槳葉攪拌器，槳葉傾角為20°。經(jīng)分析及大量試驗證明，在同等條件下，槳葉傾角20°時具有最佳攪拌效果［11］。

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)組成及其流程

如圖10，控制系統(tǒng)由Arduino控制器、人機交互界面HMI、通信線路及電源組成。系統(tǒng)通過人機交互界面實現(xiàn)各項指令的接收，隨后控制器處理各類指令，并向各模塊電機輸出電信號，完成相應(yīng)功能。

圖10 控制流程圖Fig.10 Control flow chart

3.2 人機交互系統(tǒng)

健康先行智能“益喝寶”的人機交互界面高效簡約、易讀性強、功能選擇豐富。通過觸控屏，用戶輸入多種個性化數(shù)據(jù)，包含是否使用料包加料、小顆粒物料及大顆粒物料的添加量、水溫及攪拌時長等，從而調(diào)配出品類豐富、口感更佳的飲品。同時產(chǎn)品能夠記錄用戶的設(shè)定數(shù)據(jù)，分析偏好習(xí)慣，生成喜好方案，方便用戶后續(xù)快速選擇。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的健康先行智能“益喝寶”全自動飲品沖調(diào)機，提供一種全面的飲品沖調(diào)解決思路。憑借控制系統(tǒng)以及五大功能模塊的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)各種品類飲品物料的加料沖調(diào)，在保證健康衛(wèi)生的同時，達到?jīng)_調(diào)飲品的最佳口感。產(chǎn)品設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)精巧，功能強大。

實物樣機（圖11）獲得2021年第十屆上海市大學(xué)生機械工程創(chuàng)新大賽一等獎。獲授權(quán)實用新型專利1項（授權(quán)公告號CN215457332U）。

圖11 實物樣機照片F(xiàn)ig.11 Photo of physical prototype