雙層無人售賣儲餐柜的設計與分析

席偉偉 沙 杰 簡洋洋 吳宗慶 齊光宇

(河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450000)

隨著社會的發展，市場上出現了自動售餐機和用于存放外賣的外賣柜[1]。目前，自動售餐機的品種固定，消費者只能從僅有的品種中作出選擇。雖然外賣柜能夠很好地彌補目前市場上的自動售餐機在品種上的局限，但是其自身特點多為“一餐一門”的設置，功能單一且不夠便捷，不能很好地滿足社會的需求。自爆發新型冠狀病毒以來，市場對售餐機的需求更是急速增加[2]。為緩解高峰期就餐難，提升就餐品質及效益，擬提出一種新型雙層售餐柜。

1 功能需求分析

據了解，消費者對飲食的需求為：即時性需求和多樣化的需求。為滿足不同的消費群體狀況，設備中應能夠接收由中央廚房統一配送以及通過網絡定單形式配送的餐品。由于存在著兩種配送類型，因此，需要進行分區保溫處理[3]。其中由中央廚房統一配送餐品區，因配送餐品較多通常采用人工存放；以網絡訂單形式配送區需存儲的餐品數量相對較少，若采用人工存儲則會頻繁開啟設備門，導致熱量散失增加電能損耗，因此，設備應能夠進行自動存儲[4]，且識別餐品種類。完成網絡定單存儲之后應能夠短信提醒消費者取餐。

綜上，整體設備應具備的功能為：① 線上/線下點餐售賣功能。② 分層保溫儲存功能。溫度設置50～60 ℃保障餐品的熱度。③ 自動存儲功能。④ 識別功能。⑤ 短信提醒功能。⑥ 輸送取出功能。

2 方案設計

根據前述，將雙層無人售賣儲餐柜結構主體劃分為兩大部分：升降橫移取餐裝置和儲存裝置。儲存區域分為上、下雙層儲餐區域，如圖1所示。升降橫移取餐裝置用于整機餐品的取出，考慮到空間的布置將其設計為由橫移和升降平臺組成的形式[5]。上層儲餐裝置的餐品由于是人工存放，因此應將結構設計為輸送滾道形式以方便存放。下層儲餐裝置需具備自動存儲功能，其結合市場外柜一餐一格的形式，將下層的結構形式設計為圍繞升降存儲/推出機構的單格回轉形式儲存機構，便于餐品區分以及提升存儲和取出的效率[6]。對于存儲門的布置設計為單門自動存儲，易于操作使用和保溫。整機對餐品的規格要求為：長≤190 mm，寬≤140 mm，高≤75 mm。

圖1 結構主體劃分

該設備的工作流程如圖2所示，消費者購買時，上層餐品可直接取出，下層餐品需配送員對中央廚房的網絡訂單餐品進行配送、識別、存儲，待消費者接收到短信提醒后，憑購餐二維碼/取餐碼進行取餐[7]。

圖2 工作流程圖

3 機構結構設計

利用Solid Works三維軟件對設備的主體結構進行建模設計，得到該雙層無人售賣儲餐柜的主體結構[8]，如圖3所示。該設備主要由上層儲餐裝置、自動存儲的下層儲餐裝置和用于整機取貨的升降橫移取餐裝置組成。

1. 上層儲餐裝置 2. 升降橫移取餐裝置 3. 下層儲餐裝置4. 出餐窗口 5. 存餐窗口

3.1 上層儲餐裝置

為了方便擺放以及增加餐品的擺放數量，提高空間利用率，將結構設計為多層并排的輸送滾道[9]，并由減速電機驅動，如圖4所示。單層有4列貨道，每列能夠容納5盒。

1. 升降取餐平臺 2. 餐品 3. 輸送帶 4. 減速電機

售賣時，伺服電機驅動升降橫移取餐裝置移動到指定的貨道，貨道減速電機工作輸送，當餐品經輸送帶移動到升降取餐平臺的中間位置時，觸發光電傳感器信號，貨道上的減速電機停止工作，之后取餐裝置上的減速電機開始帶動輸送帶工作，餐品到位后再運送至出餐窗口取出。

3.2 下層儲餐裝置

為了提高存取過程的運行效率，下層儲餐裝置采用圍繞升降存儲/推出機構2的結構形式，并以環形導軌支撐，伺服電機驅動[10]。該部分由輸送機構1(由輸送帶及推送機構組成)、升降存儲/推出機構2以及儲餐機構3組成，如圖5所示。

1. 輸送機構 2. 升降存儲/推出機構 3. 儲餐機構

進行存儲時，通過輸送帶將餐品輸送至推送機構(見圖6)上，當傳感器檢測到餐品到達指定位置后，推送機構的推板7將需要存儲的餐品輸送到升降存儲/推出機構上。

1. 同步帶輪 2. 同步帶 3. 橡膠輥 4. 導軌 5. 餐品 6. 導軌滑塊 7. 推板 8. 減速電機 9. 齒輪

1. 推板 2. 電動推桿 3. 橡膠輥 4. 齒輪 5. 直線導軌 6. 齒條 7. 電機 8. 減速電機 9. 齒輪 10. 儲餐格

升降存儲/推出機構集存儲和推出功能于一體，其升降過程由絲杠驅動，圓柱導軌導向。餐品存儲時，儲餐機構進行復位轉動，并按照編好的程序工作，在霍爾傳感器檢測下實現電機制動，使儲餐機構轉到指定位置，如圖7所示，由升降存儲/推出機構輸送完成對餐品的存放[11]。取餐時，升降存儲/推出機構中的電動推桿2將餐品推出(所設計推程為150 mm)，使得餐品落在升降取餐機構上，之后取餐工作原理與上層取餐一致完成取餐。

3.3 升降橫移取餐裝置

3.3.1 升降橫移取餐裝置設計 升降橫移取餐裝置如圖8(a) 所示，用于整個儲餐區域的取出及售賣。該裝置的橫移過程采用了鋼絲繩連接齒形帶，由U型鋼絲繩惰輪引導下形成的一個閉環傳動。結構上能減少電機的使用數量，保證橫移時的平衡性以及同步性，同時采用同步齒形帶傳動無滑動，初拉力較小，能保持準確的傳動比，保證了經驅動電機作用下準確快速的實現[12]。裝置的升降則采用伺服電機驅動同步帶對升降取餐平臺進行提升和降落。升降橫移取餐裝置的運動原理如圖8(b)所示。

1. 直線導軌 2. 鋼絲繩 3. U型鋼絲繩惰輪 4. 升降取餐平臺 5. 同步帶 6. 同步帶輪 7. 升降驅動電機 8. 齒形帶 9. 軸承 10. 帶輪 11. 聯軸器 12. 橫移驅動電機 13. 鋼絲繩張緊導向惰輪 14. 鋼絲繩引導惰輪

3.3.2 升降橫移取餐裝置的優化分析 升降橫移取餐裝置作為整個售餐柜取餐的關鍵部分。為驗證裝置的合理性，同時使得結構緊湊輕便化。采用軟件Ansys Workbench 17.0將取餐平臺骨架、升降橫移板以及取餐平臺連接滑塊的模型導入[13]。

選用材料為304不銹鋼，定義材料性能的彈性模量195 GPa，泊松比0.3，密度7 930 kg/m3，許用應力σs=205 MPa。根據載荷情況為有運動情況，取安全系數為1.2，因此許用應力[σ]=170.83 MPa。經過網格自動劃分，其劃分的稀疏得當，之后添加約束固定，且加入載荷45 N在取餐平臺骨架上。

圖9 升降橫移取餐裝置的變形及應力云圖

4 控制系統設計

4.1 控制系統方案設計

根據前述的功能需求以及方案設計，結合設備自身情況，如圖10所示，雙層無人售賣儲餐柜的控制采用“智能終端+PLC”為核心的控制系統[14]，通過互聯網實現設備的人機交互與自動售賣。該控制系統信號輸入端有霍爾傳感器和光電傳感器等，執行元件為電機、電動推桿、加熱裝置及門鎖等主要元器件。

圖10 控制系統組成

4.2 核心元器件選型

執行元器件主要針對電機和電動推桿進行選型。電機選用了兩類：減速電機及伺服電機。上層儲餐裝的輸送滾道中以及取餐平臺都選用了GW31YZ 24V蝸輪蝸桿減速電機，斷電時也具有極強的自鎖性，功耗低且扭矩大，并搭配E3F-DS30C4光電傳感器形成閉環控制，能夠準確實現餐品的取出。在升降及橫移時，控制位置需要精確的定位，因此，采用制動性能好，啟停反應迅速的ECMA系列低慣量伺服電機。電動推桿則選用直流24V JF-20A 筆式電動推桿，其體積小便于安裝，并具有雙霍爾信號反饋，進行餐品的推出能準確獲取推板的位置。

系統中的控制核心PLC選用DVP-64EH00T，能夠適應復雜的應用，具備擴展模塊，程序及數據寄存器容量大。配有4組200 kHz的高速脈沖輸出(每組既能發射脈沖又能控制方向)，支持4組200 kHz硬件高速計數器，有多種運動控制指令，以達到高速準確定位控制功能，輸出為NPN晶體管型。工作時，PLC通過系列傳感器的檢測及信號輸入控制執行元件的啟停。

4.3 控制流程

控制流程如圖11所示，系統包含3個模式：① 現場觸摸屏選餐模式是消費者線下選餐購買，線上支付后，智能終端通過互聯網與服務器通信，最終作用到PLC完成對上層的取貨；② 取餐模式則是消費者線上進行購餐，完成配送后，消費者憑二維碼/取餐碼到設備處進行取餐；③ 配送員存儲模式則是中央廚房接到訂單后，配送人員進行配送存儲，存儲時需要經過條形碼掃描識別將餐品信息傳至上位機，存儲過程中每層需系列傳感器信號的輸入，將每個儲餐格進行編排序號，存取工作時需要進行復位，且優先存放在低層，完成存儲之后，將會生成短信通知消費者取餐。

圖11 控制流程框圖

5 結語

針對目前市場售餐設備不夠便捷的狀況，設計出了一款與成熟的物聯網銷售模式相結合的雙層無人售賣儲餐柜設備。該設備上層結構以并排滾輪貨道，下層結構則是具備自動存儲的以單格回轉形式，控制方式采用“智能終端+PLC”為核心的控制系統，該設備具備現場點餐模式及網絡點餐模式，兩種模式能夠滿足消費者即時性需求及多樣化需求，為緩解高峰期就餐難，提升就餐品質及效益提供了方案。雙層送無人售賣儲餐柜當前的控制系統雖然能夠滿足預期要求，但運行效率還是不夠高，因此后期需要通過算法的優化，達到高效存取餐的目的。