全自动餐具分类回收一体机的设计*

曹建猛，刘 敬，王占瑞，颜廷宇，石姚林

（滨州学院机电工程学院，山东滨州 256600）

0 引言

在学生餐厅、职工餐厅等公共饮食场所就餐人数较多，饭后会留下大量的餐具等待分类回收[1-2]。目前餐厅多采用人工分离回收餐具，这种分类方式速度慢、效率低且工作量大，而且随着社会劳动力的短缺，人工成本也逐渐升高[3-4]。目前，市场上的餐具回收装置以传送、清洗功能为主，所附加的餐具分类功能不完善，不能将勺子、筷子、碗与餐盘进行有效分类收集，且食物残渣得不到及时的回收[5-8]。餐具的分离需要完成勺子、筷子、碗与餐盘的分离，并将分离出的残渣收集，若将这些工序由一台机器连续完成，则能够节约大量劳动力，并大大提高工作效率。为了克服现有技术的不足，本文设计了一款全自动餐具分类回收一体机，能够代替人工实现餐具的分类回收，提高工作效率的同时改善就餐环境。

1 整体结构及设计理念

机器的整体尺寸根据实际需要设计，在充分考虑勺子、筷子、碗与餐盘的分离以及残渣分离收集的功能需求下，构思并设计全自动餐具分类回收一体机的整体结构，以确保不同工序由1台机器连续完成。

图1所示为全自动餐具分类回收一体机的整体结构示意图，主要由机架、勺子分离机构、传送机构、饭筷筛选机构、饭筷分离机构和碗盘分离机构组成。将餐具放置于传输机构，当餐具经过勺子分离机构时，磁性转盘将勺子吸起，挡勺板将勺子挡落在勺子滑轨，最终勺子落入勺子收集箱。餐具随传送机构向机器后方继续传输，经过饭筷筛选机构时，在3根错落布置的刷轴作用下，将食物残渣和筷子扫落至饭筷分离机构。

清除残渣后的碗和餐盘随传送带运至后方的碗盘分离机构。筷子和食物残渣落至饭筷分离机构后，随推板在漏饭栅板上往复推移，残渣从漏饭孔落入下方的残渣收集箱，筷子则从栅板两端落入筷子收集箱。

图1 全自动餐具分类回收一体机结构示意图

当碗和餐盘运至碗盘分离机构，落入该机构的筛选斗，筛选斗能够上下往复振动，促使盘子从餐盘出口落入下方的餐盘收集箱，碗从出碗口落入下方的碗收集箱。

2 机械结构设计

2.1 勺子分离机构

该机构包括吸勺机构、勺子滑道和挡勺板，如图2所示。吸勺机构由磁性转盘、转轴和转盘电机构成，磁性转盘上表面分布有强力磁铁，磁性转盘上表面与转轴固接，转轴通过联轴器与转盘电机相连。当餐盘上的勺子经过吸勺机构时，磁性转盘将勺子吸附于下表面。挡勺板竖向设置，挡勺板上端与磁性转盘下表面相切，下端固定在机架上，所述勺子滑道固定在挡勺板侧面。当勺子随磁性转盘转动至挡勺板处，勺子与吸勺机构分离，并沿固定于挡勺板侧面的勺子滑道滑落于勺子收集箱中。

图2 勺子分离机构示意图

2.2 传送机构

传送机构由传送带、带轴、滚轴和传动电机构成，其中，传送带有2个，处于同一水平面并且沿传送方向前后对称设置。第1传送带位于机器前端，绕第1带轴和第2带轴转动，第1带轴通过联轴器与第1传送电机相连，第2传送带绕第3带轴和第4带轴转动，第3带轴通过联轴器与第2传送电机相连，第1传送带和第2传送带之间有一定距离（120～140 mm），2个传送带之间设置有与带轴平行的滚轴，滚轴与2个传送带间距相等，且处于同一水平面；带轴和滚轴两端均通过轴承座固定在机架上；第3带轴和滚轴的同一侧均安装有链轮，2个链轮通过传动链条连接，传动链条在竖直平面内转动，如图3所示。

2.3 饭筷筛选机构

饭筷筛选机构主要包括第1刷轴、推碗轴、第2刷轴，其中推碗轴上等间隔固定4个推碗板，如图3所示。第1刷轴位于第1传送带的中部上方，与第1传送带间的竖直距离为80～100 mm，当第1刷轴转动时，刷毛可以深入碗内将残渣扫出。推碗轴和滚轴在同一竖直平面且与滚轴间的竖直距离为100～120 mm，当推碗轴在电机带动下转动时，推碗板随之旋转，推动碗越过第2刷轴至第2传送带上，碗继续向机器后方传送；所述第2刷轴将筷子及残渣与餐盘分离，第2刷轴位于第2传送带起始端，与第3带轴位于同一竖直平面内，第二刷轴与第2传送带间的竖直距离为20～30 mm，此竖直距离只有餐盘可以通过；饭筷筛选机构的工作过程为，当餐具经过饭筷筛选机构时，第1刷轴将碗中残渣扫出，推碗轴带动推碗板将碗推至第2传送带，餐盘从第2刷轴下方经过，第2刷轴将餐盘中的食物扫落在下方的饭筷分离机构。

图3 饭筷筛选和传送机构的位置关系示意图

2.4 饭筷分离机构

饭筷分离机构主要包括漏饭栅板和饭筷推板，如图4所示。其中，漏饭栅板上开有漏饭孔，漏饭孔交错分布且直径小于筷子长度的1/2，饭筷推板与漏饭栅板相切。饭筷分离机构的工作过程为，当饭筷落在漏饭栅板上时，往复运动的饭筷推板将饭筷来回推动，在推动过程中筷子随饭筷推板平行前进，食物残渣从漏饭孔落入下方的残渣收集箱，筷子则从漏饭栅板两端落入下方的筷子收集箱。

图4 饭筷分离机构

2.5 碗盘分离机构

碗盘分离机构主要包括筛选斗、上下往复振动机构，如图5所示。筛选斗设置在机器后端，并与第2传送带末端承接，筛选斗的底板倾斜设置，底板末端开有宽为100～120 mm的出碗口，筛选斗底板下端开有宽10～15 mm的餐盘出口，所述上下往复振动机构包括第2光轴、偏心振动轮、第3光轴、振动电机组成，振动电机固定在机架上，振动电机工作时带动偏心振动轮转动，进而实现筛选斗的上下振动。碗盘分离机构的工作过程为，当碗和餐盘落入筛选斗，沿筛选斗底板下滑，最终碗从出碗口落入下方的碗收集箱，餐盘从餐盘出口滑出，落在下方的餐盘收集箱，整个过程振动机构不停振动筛选斗，使分离更加顺畅。

图5 碗盘分离机构

3 控制系统

为使机器各机构能够合理顺畅的工作，该机器以机电一体化为基础，通过控制系统对全自动餐具分类回收一体机进行集成控制，实现勺子分离、饭筷筛选、饭筷分离、碗盘分离等一系列处理工艺的自动化。

本研究所设计的控制系统以STM89C51单片机为控制核心，同时采用L298N电机驱动器、光电传感器和降压模块等电器元件进行辅助，实现餐具的自动分类回收功能。在模块电源方面设计了过流和过压保护，进一步增加控制系统抵抗电压和电流的冲击能力。

4 样机制作与试验

依据如上设计对样机进行试制并试验餐具分类回收效果。结果表明：该机器能够顺利实现餐具分类回收的自动化，每分钟可分类6～10套餐具；食物残渣去除率达78%～85%，未去除的食物残渣主要集中在餐盘底部，对餐具表面的破坏程度小；传输机构可流畅连续地进行传送；经试验，设定磁性转盘的旋转速度为30～50 r/min，振动盒的振动频率为20～40次/min，饭筷推板运动速度为5～10 cm/s。后期改进可考虑在碗盘分离机构上附加水管，以便及时冲洗碗盘。

图6 全自动餐具分类回收一体机样机

5 结束语

本文设计了一款新型全自动餐具分类回收机，各机构在控制系统的配合下能够自动实现勺子、筷子、碗盘及残渣的分类回收，不仅能够大大提高工作效率，还能节约大量劳动力，该机器可用于就餐人口密集的学生食堂、员工餐厅，具有广阔的应用前景。