曹建猛，劉 敬，王占瑞，顏廷宇，石姚林

（濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600）

0 引言

在學(xué)生餐廳、職工餐廳等公共飲食場所就餐人數(shù)較多，飯后會留下大量的餐具等待分類回收[1-2]。目前餐廳多采用人工分離回收餐具，這種分類方式速度慢、效率低且工作量大，而且隨著社會勞動力的短缺，人工成本也逐漸升高[3-4]。目前，市場上的餐具回收裝置以傳送、清洗功能為主，所附加的餐具分類功能不完善，不能將勺子、筷子、碗與餐盤進(jìn)行有效分類收集，且食物殘渣得不到及時的回收[5-8]。餐具的分離需要完成勺子、筷子、碗與餐盤的分離，并將分離出的殘渣收集，若將這些工序由一臺機(jī)器連續(xù)完成，則能夠節(jié)約大量勞動力，并大大提高工作效率。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計了一款全自動餐具分類回收一體機(jī)，能夠代替人工實(shí)現(xiàn)餐具的分類回收，提高工作效率的同時改善就餐環(huán)境。

1 整體結(jié)構(gòu)及設(shè)計理念

機(jī)器的整體尺寸根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計，在充分考慮勺子、筷子、碗與餐盤的分離以及殘渣分離收集的功能需求下，構(gòu)思并設(shè)計全自動餐具分類回收一體機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，以確保不同工序由1臺機(jī)器連續(xù)完成。

圖1所示為全自動餐具分類回收一體機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖，主要由機(jī)架、勺子分離機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、飯筷篩選機(jī)構(gòu)、飯筷分離機(jī)構(gòu)和碗盤分離機(jī)構(gòu)組成。將餐具放置于傳輸機(jī)構(gòu)，當(dāng)餐具經(jīng)過勺子分離機(jī)構(gòu)時，磁性轉(zhuǎn)盤將勺子吸起，擋勺板將勺子擋落在勺子滑軌，最終勺子落入勺子收集箱。餐具隨傳送機(jī)構(gòu)向機(jī)器后方繼續(xù)傳輸，經(jīng)過飯筷篩選機(jī)構(gòu)時，在3根錯落布置的刷軸作用下，將食物殘渣和筷子掃落至飯筷分離機(jī)構(gòu)。

清除殘渣后的碗和餐盤隨傳送帶運(yùn)至后方的碗盤分離機(jī)構(gòu)?？曜雍褪澄餁堅渲溜埧攴蛛x機(jī)構(gòu)后，隨推板在漏飯柵板上往復(fù)推移，殘渣從漏飯孔落入下方的殘渣收集箱，筷子則從柵板兩端落入筷子收集箱。

圖1 全自動餐具分類回收一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)碗和餐盤運(yùn)至碗盤分離機(jī)構(gòu)，落入該機(jī)構(gòu)的篩選斗，篩選斗能夠上下往復(fù)振動，促使盤子從餐盤出口落入下方的餐盤收集箱，碗從出碗口落入下方的碗收集箱。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 勺子分離機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)包括吸勺機(jī)構(gòu)、勺子滑道和擋勺板，如圖2所示。吸勺機(jī)構(gòu)由磁性轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)盤電機(jī)構(gòu)成，磁性轉(zhuǎn)盤上表面分布有強(qiáng)力磁鐵，磁性轉(zhuǎn)盤上表面與轉(zhuǎn)軸固接，轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)盤電機(jī)相連。當(dāng)餐盤上的勺子經(jīng)過吸勺機(jī)構(gòu)時，磁性轉(zhuǎn)盤將勺子吸附于下表面。擋勺板豎向設(shè)置，擋勺板上端與磁性轉(zhuǎn)盤下表面相切，下端固定在機(jī)架上，所述勺子滑道固定在擋勺板側(cè)面。當(dāng)勺子隨磁性轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動至擋勺板處，勺子與吸勺機(jī)構(gòu)分離，并沿固定于擋勺板側(cè)面的勺子滑道滑落于勺子收集箱中。

圖2 勺子分離機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 傳送機(jī)構(gòu)

傳送機(jī)構(gòu)由傳送帶、帶軸、滾軸和傳動電機(jī)構(gòu)成，其中，傳送帶有2個，處于同一水平面并且沿傳送方向前后對稱設(shè)置。第1傳送帶位于機(jī)器前端，繞第1帶軸和第2帶軸轉(zhuǎn)動，第1帶軸通過聯(lián)軸器與第1傳送電機(jī)相連，第2傳送帶繞第3帶軸和第4帶軸轉(zhuǎn)動，第3帶軸通過聯(lián)軸器與第2傳送電機(jī)相連，第1傳送帶和第2傳送帶之間有一定距離（120～140 mm），2個傳送帶之間設(shè)置有與帶軸平行的滾軸，滾軸與2個傳送帶間距相等，且處于同一水平面；帶軸和滾軸兩端均通過軸承座固定在機(jī)架上；第3帶軸和滾軸的同一側(cè)均安裝有鏈輪，2個鏈輪通過傳動鏈條連接，傳動鏈條在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，如圖3所示。

2.3 飯筷篩選機(jī)構(gòu)

飯筷篩選機(jī)構(gòu)主要包括第1刷軸、推碗軸、第2刷軸，其中推碗軸上等間隔固定4個推碗板，如圖3所示。第1刷軸位于第1傳送帶的中部上方，與第1傳送帶間的豎直距離為80～100 mm，當(dāng)?shù)?刷軸轉(zhuǎn)動時，刷毛可以深入碗內(nèi)將殘渣掃出。推碗軸和滾軸在同一豎直平面且與滾軸間的豎直距離為100～120 mm，當(dāng)推碗軸在電機(jī)帶動下轉(zhuǎn)動時，推碗板隨之旋轉(zhuǎn)，推動碗越過第2刷軸至第2傳送帶上，碗繼續(xù)向機(jī)器后方傳送；所述第2刷軸將筷子及殘渣與餐盤分離，第2刷軸位于第2傳送帶起始端，與第3帶軸位于同一豎直平面內(nèi)，第二刷軸與第2傳送帶間的豎直距離為20～30 mm，此豎直距離只有餐盤可以通過；飯筷篩選機(jī)構(gòu)的工作過程為，當(dāng)餐具經(jīng)過飯筷篩選機(jī)構(gòu)時，第1刷軸將碗中殘渣掃出，推碗軸帶動推碗板將碗推至第2傳送帶，餐盤從第2刷軸下方經(jīng)過，第2刷軸將餐盤中的食物掃落在下方的飯筷分離機(jī)構(gòu)。

圖3 飯筷篩選和傳送機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系示意圖

2.4 飯筷分離機(jī)構(gòu)

飯筷分離機(jī)構(gòu)主要包括漏飯柵板和飯筷推板，如圖4所示。其中，漏飯柵板上開有漏飯孔，漏飯孔交錯分布且直徑小于筷子長度的1/2，飯筷推板與漏飯柵板相切。飯筷分離機(jī)構(gòu)的工作過程為，當(dāng)飯筷落在漏飯柵板上時，往復(fù)運(yùn)動的飯筷推板將飯筷來回推動，在推動過程中筷子隨飯筷推板平行前進(jìn)，食物殘渣從漏飯孔落入下方的殘渣收集箱，筷子則從漏飯柵板兩端落入下方的筷子收集箱。

圖4 飯筷分離機(jī)構(gòu)

2.5 碗盤分離機(jī)構(gòu)

碗盤分離機(jī)構(gòu)主要包括篩選斗、上下往復(fù)振動機(jī)構(gòu)，如圖5所示。篩選斗設(shè)置在機(jī)器后端，并與第2傳送帶末端承接，篩選斗的底板傾斜設(shè)置，底板末端開有寬為100～120 mm的出碗口，篩選斗底板下端開有寬10～15 mm的餐盤出口，所述上下往復(fù)振動機(jī)構(gòu)包括第2光軸、偏心振動輪、第3光軸、振動電機(jī)組成，振動電機(jī)固定在機(jī)架上，振動電機(jī)工作時帶動偏心振動輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)篩選斗的上下振動。碗盤分離機(jī)構(gòu)的工作過程為，當(dāng)碗和餐盤落入篩選斗，沿篩選斗底板下滑，最終碗從出碗口落入下方的碗收集箱，餐盤從餐盤出口滑出，落在下方的餐盤收集箱，整個過程振動機(jī)構(gòu)不停振動篩選斗，使分離更加順暢。

圖5 碗盤分離機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)

為使機(jī)器各機(jī)構(gòu)能夠合理順暢的工作，該機(jī)器以機(jī)電一體化為基礎(chǔ)，通過控制系統(tǒng)對全自動餐具分類回收一體機(jī)進(jìn)行集成控制，實(shí)現(xiàn)勺子分離、飯筷篩選、飯筷分離、碗盤分離等一系列處理工藝的自動化。

本研究所設(shè)計的控制系統(tǒng)以STM89C51單片機(jī)為控制核心，同時采用L298N電機(jī)驅(qū)動器、光電傳感器和降壓模塊等電器元件進(jìn)行輔助，實(shí)現(xiàn)餐具的自動分類回收功能。在模塊電源方面設(shè)計了過流和過壓保護(hù)，進(jìn)一步增加控制系統(tǒng)抵抗電壓和電流的沖擊能力。

4 樣機(jī)制作與試驗(yàn)

依據(jù)如上設(shè)計對樣機(jī)進(jìn)行試制并試驗(yàn)餐具分類回收效果。結(jié)果表明：該機(jī)器能夠順利實(shí)現(xiàn)餐具分類回收的自動化，每分鐘可分類6～10套餐具；食物殘渣去除率達(dá)78%～85%，未去除的食物殘渣主要集中在餐盤底部，對餐具表面的破壞程度?。粋鬏敊C(jī)構(gòu)可流暢連續(xù)地進(jìn)行傳送；經(jīng)試驗(yàn)，設(shè)定磁性轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度為30～50 r/min，振動盒的振動頻率為20～40次/min，飯筷推板運(yùn)動速度為5～10 cm/s。后期改進(jìn)可考慮在碗盤分離機(jī)構(gòu)上附加水管，以便及時沖洗碗盤。

圖6 全自動餐具分類回收一體機(jī)樣機(jī)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款新型全自動餐具分類回收機(jī)，各機(jī)構(gòu)在控制系統(tǒng)的配合下能夠自動實(shí)現(xiàn)勺子、筷子、碗盤及殘渣的分類回收，不僅能夠大大提高工作效率，還能節(jié)約大量勞動力，該機(jī)器可用于就餐人口密集的學(xué)生食堂、員工餐廳，具有廣闊的應(yīng)用前景。