自动化餐盘清洗设备发盘机构设计

游向东

上超电器科技（上海）有限公司，上海，201801

0 引言

人们生活水平不断提高，城市工作和生活节奏不断加快，各类中西餐厅和城市大食堂数量越来越多，因此餐后餐盘清洗工作量也会越来越重，原先普通人工清洗，明显无法满足当今时代快节奏发展的要求，逐步采用如图1所示的自动化餐盘清洗设备来辅助完成，全面提升清洗效率和清洗效果。

一套成熟的自动化餐盘清洗设备一般由以下几个部件组成：1）储盘发盘机构；2）冲洗机构；3）刷洗机构；4）高压喷洗机构；5）烘干消毒机构；6）堆叠摆放机构[1]。自动化餐盘清洗设备总体上是由以上部件组成，并形成一套完整的设备。纵观清洗设备组成，不难发现，发盘机构十分重要。也正因为如此，作为自动化餐盘清洗设备来讲，改进优化发盘机构的设计，对于提升整体设备性能具有巨大意义。

下面分别介绍2种不同的自动化餐盘清洗设备的发盘机构，进行发盘机构的动作原理研究和设计计算，为本课题自动化餐盘清洗设备做好技术准备。

1 发盘机类型

目前，市场上较多的发盘机从驱动动力上来分，可以分为气动和电动两种基本形式。

如图2所示结构，为气动夹持式自动发盘系统，其结构为：首先，定位构件及齿轮齿条型夹持机构从两个方向围成垂直或倾斜一定角度的具有一定高度的上下通道，形成餐盘定位存储通道；齿轮齿条型夹持机构由定位构件及夹持臂组成，夹持臂为独立的构件，通过复位弹簧与机架连接，并在齿轮齿条型夹持装置的齿轮轴、夹持装置的齿轮、夹持装置的齿条驱动下完成夹持、松开过程；两个方向的气缸型发盘机构安装在餐盘定位存储通道的定位构件和夹持机构的下方[2]。层叠的餐盘放置在餐盘定位存储通道下部的发盘机构的托臂上；由动力装置驱动夹持装置的齿轮轴及夹持装置的齿轮旋转，带动夹持装置的齿条直线移动，从而带动夹持臂伸向餐盘定位存储通道内侧方向，将摞起的餐盘夹紧；齿轮轴及齿轮继续旋转，夹持装置的齿条退回，在复位弹簧拉动下夹持臂在缩回，将摞起的餐盘放开，其因自身重力自然下落；气缸在控制系统控制下气缸放气，托臂自动伸出或缩回，将餐盘托住或放下，餐盘因自身重力自然下落；刚落下的餐盘落入网带，而后将餐具传送并贯穿喷淋清洗和烘干消毒结构，进行清洗、烘干消毒。

如图3所示，为电动夹持式自动发盘系统的结构为：餐盘定位存储通道由定位构件及凸轮型夹持机构从四个方向围成垂直或倾斜一定角度的具有一定高度的上下通道，定位构件为杆状构件组成，餐盘定位存储通道部分敞开，便于直接观察餐盘剩余数量，适时添加餐盘；夹持臂（凸轮的凸起面），高于凸轮基面，用于夹持餐具，电机及减速机驱动凸轮轴旋转，带动托臂回转至餐盘定位存储通道的内侧面时承载托住摞起的餐盘，托臂回转至离开餐盘定位存储通道的内侧面时，托臂旋出，将摞起的餐盘松开，摞起的餐盘因自身重力自然下落；凸轮轴继续旋转，回转至直径最大处即凸起面向餐盘定位存储通道内侧方向，将摞起的餐盘二夹紧；两个方向的托臂中的一个为第三种托臂，该托臂为回转型，其结构为圆盘型的一部分，和凸轮型夹持机构共一个凸轮轴，凸轮轴带动第三种托臂朝向餐盘定位存储通道内侧方向时，摆起的餐盘放置在餐盘定位存储通道内的托臂上，凸轮轴带动托臂离开餐盘定位存储通道内侧方向时，不再托住餐盘定位存储通道内的餐盘；另一个方向的托臂为电磁铁型，其托臂即铁芯，电磁铁主体驱动托臂即铁芯伸出，摞起餐盘，电磁铁主体驱动托臂缩回，将摆起的餐盘放下，托臂和铁芯同时放下餐盘时，餐盘即落入输送网带，将餐具传送并贯穿喷淋清洗烘干消毒机构，并最终将餐盘送出。

综上所述，市面上常见的发盘机构有个相同的特点：层叠的餐盘必须配置定位装夹机构，同时配置动力完成伸缩松夹，完成餐盘依次分流至输送网带完成后道工序[3]。但是众所周知，由于气动传动在实际生产中，经常依赖于外部环境，也存在较大的泄露可能性，进而严重影响设备运行可靠性；经过技术更新，通过采用普通电机和减速机完成的凸轮式机械发盘机构，在机械原理上完成较大的技术更新，但是由于普通电机传动精度低、响应慢及控制较困难等劣势，因此，广大研发工程师，基于基础功能和传动效率等方面考量，需要完成技术革新，不断寻求更好更先进的技术方案。

2 发盘机构优化设计

通过以上气动和普通电机传动的发盘机构分析可知，尽管机械机构较为简单，调试也方便；但是，由于定位精度和响应速度上，仍存在较多不太令人满意地方。因此，经过结合常规机械传动原理和发盘机工艺要求，完成如图4所示的优化型发盘机构。其工作原理为：顶部伺服电机Ⅰ通过1组齿轮完成凸轮轴的转动，完成餐盘的一侧定位；而在另一侧，伺服电机Ⅱ滚珠丝杠传动，完成横向伸缩，实现对餐盘右侧的定位。为保证传动精度，目前国产伺服电机也基本可以满足要求，如图5所示，通过伺服驱动器控制，实现动力的精准输入。

3 传动设计计算

作为常规机械齿轮传动设计计算来讲，较为简单，在此不做具体的深入设计计算。如图6所示，由于滚珠丝杠螺母副传动可以实现高精度传动，同时可以优化结构刚度[4]，因此本文中横向伸缩部分，采用滚珠丝杠传动，完成丝杠基本参数计算和强度的校核[5]。

在完成计算之前，首先拟定基本运动参数，根据普通餐盘长度尺寸L=400mm，为能否顺利拖住餐盘，拟定定位长度l=200mm，这里再拟定工作节拍T=12。为便于设计计算，同时考虑整体设备具有轻便性的特点，层叠待清洗餐盘重量M=50kg，结合考虑速度较慢，因此我们初选螺纹副选择D=16mm，选择P=2mm，然后完成计算。

一般螺旋副传动，为考虑设计和生产方便，优先选用梯形螺纹。根据相关国家标准，初选螺旋副的大径D=16mm，中径d2=14.701mm，小径d2=13.835mm，螺距P=2mm。

根据生产实践经验和拟定运动行程限定，可以确定丝杠前后运动的线速度。

（1）丝杠线速度：

上式中：V—丝杠线速度；T—工作节拍；L—工作行程

首先完成定位和托起餐盘，在此过程中，尽可能控制速度均衡，因此速度曲线突变，容易产生信号干扰而引发可能的误判。

（2）螺旋升角γ及诱导摩擦角ργ

得γ≈4°3′

查表，钢的摩擦系数f=μ=0.1，

其中，梯形螺纹的牙型半角α=30°

（3）推送力F0的确定

根据以前所述，重量M=50kg，重力加速度g=9.8。同时考虑摩擦系数μ=0.1，根据力的合成原理：

设计中留出预留量，即S=4，则

（4）耐磨性校核

因为磨损的速度与螺纹工作表面大小有直接关系，所以为了提高螺旋传动寿命，必须限制螺纹工作表面压强。

这里，取梯形螺纹工作高度h=0.5P=2mm。试选用整体式螺母(ξ=2.2)，因而H=φd2；螺母工件圈数为u=H/P。

上面设计参数φ值，通常情况下设定φ=1.2-2.5，针对整体结构螺旋副，丝牙之间磨损容易形成卡死，基于力学受力均衡考虑，螺旋传动工作圈数应较少，这里取φ=1.2-2.5；但是，针对于剖分式结构螺旋副来讲，应取φ=2.5-3.5，另外仅针对高精度大载荷，甚至对于使用年限有所限定时，才允许取φ=4。在本文中，我们选用整体结构螺旋副较为合适，所以选φ=2.5。

丝杠螺母副传动，通常材料选择45#中碳钢，这类材料一般采用调质处理，也即实现外部接触具有较高硬度，但是材料内部具有一定韧性，才可以不容易产生断裂失效。

参考机械设计手册，螺旋副传动45#钢的许用压强[p]=(6～8)N·mm-2。显然，有p＜[p]成立，合格；同时螺旋副螺纹扣数满足功用。目前滚珠丝杠螺母副国内使用较多的当属上银H I W I N，因此结合样本参数选择FSC16-16K2，公称外径16mm，螺距2mm，导程达到16mm，满足功用(参数如图7所示)。

4 总结

（1）本文通过完成自动化餐盘清洗设备基本机构及发盘机的分类研究，抓准课题研究方向定位。

（2）通过针对气动和普通电动发盘机的工作原理分析，分析对比其工艺和性能，最终形成以伺服电机和滚珠丝杠组合新型的发盘机构设计。

（3）发盘机的设计计算，重点在滚珠丝杠的设计计算部分，通过对滚珠丝杠耐磨性和刚度的计算，最终确定所用丝杠的基本尺寸参数。

（4）发盘机构是自动化餐盘清洗设备的核心部件，其研究水平的高低直接影响整个设备的效率、精度及使用寿命等关键要素。