自動化餐盤清洗設備發盤機構設計

游向東

上超電器科技（上海）有限公司，上海，201801

0 引言

人們生活水平不斷提高，城市工作和生活節奏不斷加快，各類中西餐廳和城市大食堂數量越來越多，因此餐后餐盤清洗工作量也會越來越重，原先普通人工清洗，明顯無法滿足當今時代快節奏發展的要求，逐步采用如圖1所示的自動化餐盤清洗設備來輔助完成，全面提升清洗效率和清洗效果。

一套成熟的自動化餐盤清洗設備一般由以下幾個部件組成：1）儲盤發盤機構；2）沖洗機構；3）刷洗機構；4）高壓噴洗機構；5）烘干消毒機構；6）堆疊擺放機構[1]。自動化餐盤清洗設備總體上是由以上部件組成，并形成一套完整的設備。縱觀清洗設備組成，不難發現，發盤機構十分重要。也正因為如此，作為自動化餐盤清洗設備來講，改進優化發盤機構的設計，對于提升整體設備性能具有巨大意義。

下面分別介紹2種不同的自動化餐盤清洗設備的發盤機構，進行發盤機構的動作原理研究和設計計算，為本課題自動化餐盤清洗設備做好技術準備。

1 發盤機類型

目前，市場上較多的發盤機從驅動動力上來分，可以分為氣動和電動兩種基本形式。

如圖2所示結構，為氣動夾持式自動發盤系統，其結構為：首先，定位構件及齒輪齒條型夾持機構從兩個方向圍成垂直或傾斜一定角度的具有一定高度的上下通道，形成餐盤定位存儲通道；齒輪齒條型夾持機構由定位構件及夾持臂組成，夾持臂為獨立的構件，通過復位彈簧與機架連接，并在齒輪齒條型夾持裝置的齒輪軸、夾持裝置的齒輪、夾持裝置的齒條驅動下完成夾持、松開過程；兩個方向的氣缸型發盤機構安裝在餐盤定位存儲通道的定位構件和夾持機構的下方[2]。層疊的餐盤放置在餐盤定位存儲通道下部的發盤機構的托臂上；由動力裝置驅動夾持裝置的齒輪軸及夾持裝置的齒輪旋轉，帶動夾持裝置的齒條直線移動，從而帶動夾持臂伸向餐盤定位存儲通道內側方向，將摞起的餐盤夾緊；齒輪軸及齒輪繼續旋轉，夾持裝置的齒條退回，在復位彈簧拉動下夾持臂在縮回，將摞起的餐盤放開，其因自身重力自然下落；氣缸在控制系統控制下氣缸放氣，托臂自動伸出或縮回，將餐盤托住或放下，餐盤因自身重力自然下落；剛落下的餐盤落入網帶，而后將餐具傳送并貫穿噴淋清洗和烘干消毒結構，進行清洗、烘干消毒。

如圖3所示，為電動夾持式自動發盤系統的結構為：餐盤定位存儲通道由定位構件及凸輪型夾持機構從四個方向圍成垂直或傾斜一定角度的具有一定高度的上下通道，定位構件為桿狀構件組成，餐盤定位存儲通道部分敞開，便于直接觀察餐盤剩余數量，適時添加餐盤；夾持臂（凸輪的凸起面），高于凸輪基面，用于夾持餐具，電機及減速機驅動凸輪軸旋轉，帶動托臂回轉至餐盤定位存儲通道的內側面時承載托住摞起的餐盤，托臂回轉至離開餐盤定位存儲通道的內側面時，托臂旋出，將摞起的餐盤松開，摞起的餐盤因自身重力自然下落；凸輪軸繼續旋轉，回轉至直徑最大處即凸起面向餐盤定位存儲通道內側方向，將摞起的餐盤二夾緊；兩個方向的托臂中的一個為第三種托臂，該托臂為回轉型，其結構為圓盤型的一部分，和凸輪型夾持機構共一個凸輪軸，凸輪軸帶動第三種托臂朝向餐盤定位存儲通道內側方向時，擺起的餐盤放置在餐盤定位存儲通道內的托臂上，凸輪軸帶動托臂離開餐盤定位存儲通道內側方向時，不再托住餐盤定位存儲通道內的餐盤；另一個方向的托臂為電磁鐵型，其托臂即鐵芯，電磁鐵主體驅動托臂即鐵芯伸出，摞起餐盤，電磁鐵主體驅動托臂縮回，將擺起的餐盤放下，托臂和鐵芯同時放下餐盤時，餐盤即落入輸送網帶，將餐具傳送并貫穿噴淋清洗烘干消毒機構，并最終將餐盤送出。

綜上所述，市面上常見的發盤機構有個相同的特點：層疊的餐盤必須配置定位裝夾機構，同時配置動力完成伸縮松夾，完成餐盤依次分流至輸送網帶完成后道工序[3]。但是眾所周知，由于氣動傳動在實際生產中，經常依賴于外部環境，也存在較大的泄露可能性，進而嚴重影響設備運行可靠性；經過技術更新，通過采用普通電機和減速機完成的凸輪式機械發盤機構，在機械原理上完成較大的技術更新，但是由于普通電機傳動精度低、響應慢及控制較困難等劣勢，因此，廣大研發工程師，基于基礎功能和傳動效率等方面考量，需要完成技術革新，不斷尋求更好更先進的技術方案。

2 發盤機構優化設計

通過以上氣動和普通電機傳動的發盤機構分析可知，盡管機械機構較為簡單，調試也方便；但是，由于定位精度和響應速度上，仍存在較多不太令人滿意地方。因此，經過結合常規機械傳動原理和發盤機工藝要求，完成如圖4所示的優化型發盤機構。其工作原理為：頂部伺服電機Ⅰ通過1組齒輪完成凸輪軸的轉動，完成餐盤的一側定位；而在另一側，伺服電機Ⅱ滾珠絲杠傳動，完成橫向伸縮，實現對餐盤右側的定位。為保證傳動精度，目前國產伺服電機也基本可以滿足要求，如圖5所示，通過伺服驅動器控制，實現動力的精準輸入。

3 傳動設計計算

作為常規機械齒輪傳動設計計算來講，較為簡單，在此不做具體的深入設計計算。如圖6所示，由于滾珠絲杠螺母副傳動可以實現高精度傳動，同時可以優化結構剛度[4]，因此本文中橫向伸縮部分，采用滾珠絲杠傳動，完成絲杠基本參數計算和強度的校核[5]。

在完成計算之前，首先擬定基本運動參數，根據普通餐盤長度尺寸L=400mm，為能否順利拖住餐盤，擬定定位長度l=200mm，這里再擬定工作節拍T=12。為便于設計計算，同時考慮整體設備具有輕便性的特點，層疊待清洗餐盤重量M=50kg，結合考慮速度較慢，因此我們初選螺紋副選擇D=16mm，選擇P=2mm，然后完成計算。

一般螺旋副傳動，為考慮設計和生產方便，優先選用梯形螺紋。根據相關國家標準，初選螺旋副的大徑D=16mm，中徑d2=14.701mm，小徑d2=13.835mm，螺距P=2mm。

根據生產實踐經驗和擬定運動行程限定，可以確定絲杠前后運動的線速度。

（1）絲杠線速度：

上式中：V—絲杠線速度；T—工作節拍；L—工作行程

首先完成定位和托起餐盤，在此過程中，盡可能控制速度均衡，因此速度曲線突變，容易產生信號干擾而引發可能的誤判。

（2）螺旋升角γ及誘導摩擦角ργ

得γ≈4°3′

查表，鋼的摩擦系數f=μ=0.1，

其中，梯形螺紋的牙型半角α=30°

（3）推送力F0的確定

根據以前所述，重量M=50kg，重力加速度g=9.8。同時考慮摩擦系數μ=0.1，根據力的合成原理：

設計中留出預留量，即S=4，則

（4）耐磨性校核

因為磨損的速度與螺紋工作表面大小有直接關系，所以為了提高螺旋傳動壽命，必須限制螺紋工作表面壓強。

這里，取梯形螺紋工作高度h=0.5P=2mm。試選用整體式螺母(ξ=2.2)，因而H=φd2；螺母工件圈數為u=H/P。

上面設計參數φ值，通常情況下設定φ=1.2-2.5，針對整體結構螺旋副，絲牙之間磨損容易形成卡死，基于力學受力均衡考慮，螺旋傳動工作圈數應較少，這里取φ=1.2-2.5；但是，針對于剖分式結構螺旋副來講，應取φ=2.5-3.5，另外僅針對高精度大載荷，甚至對于使用年限有所限定時，才允許取φ=4。在本文中，我們選用整體結構螺旋副較為合適，所以選φ=2.5。

絲杠螺母副傳動，通常材料選擇45#中碳鋼，這類材料一般采用調質處理，也即實現外部接觸具有較高硬度，但是材料內部具有一定韌性，才可以不容易產生斷裂失效。

參考機械設計手冊，螺旋副傳動45#鋼的許用壓強[p]=(6～8)N·mm-2。顯然，有p＜[p]成立，合格；同時螺旋副螺紋扣數滿足功用。目前滾珠絲杠螺母副國內使用較多的當屬上銀H I W I N，因此結合樣本參數選擇FSC16-16K2，公稱外徑16mm，螺距2mm，導程達到16mm，滿足功用(參數如圖7所示)。

4 總結

（1）本文通過完成自動化餐盤清洗設備基本機構及發盤機的分類研究，抓準課題研究方向定位。

（2）通過針對氣動和普通電動發盤機的工作原理分析，分析對比其工藝和性能，最終形成以伺服電機和滾珠絲杠組合新型的發盤機構設計。

（3）發盤機的設計計算，重點在滾珠絲杠的設計計算部分，通過對滾珠絲杠耐磨性和剛度的計算，最終確定所用絲杠的基本尺寸參數。

（4）發盤機構是自動化餐盤清洗設備的核心部件，其研究水平的高低直接影響整個設備的效率、精度及使用壽命等關鍵要素。