智能飲品沖調機的設計

馬新玲，曾溢濤，牟昊鐸，林新紳，曹霽陽

（華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237）

0 引言

自2020年新冠疫情爆發以來，抗疫工作對各方面衛生標準都提出了更高的要求。從長遠的角度看，此次疫情在一定程度上，是對現有的衛生和疾控體系的一次“嚴格”檢測，其所帶來的教訓和啟示是全方位的。此外，人口老年化趨勢明顯，智能化養老將對我國養老事業的持續發展有巨大作用。結合醫養及PPP項目框架［1-3］，本團隊將目光投向了飲品沖調機器的研究。

目前，市面上相關類型的機器主要有咖啡機、奶粉沖調機、顆粒調配機和自動奶茶機等，但均存在產品結構簡單、功能單一等不足之處［4-8］。無論是國內還是國外，都缺乏一種應用面廣闊的飲品沖調機器。因此，聚焦于沖調飲品和口服沖調藥劑等領域，設計研發一款全自動飲品沖調機——健康先行智能“益喝寶”。通過5個模塊的協調配合，實現一體化自動沖調飲品的過程。操作簡單，人機交互友好，流程可視化，充分保證出品的衛生安全。

1 總體方案設計

整機結構如圖1。若選擇沖調袋裝料包，料包被放入開包器夾槽內，通過語音或按鍵選擇沖調模式并啟動程序。隨后機身底部的放杯傳輸模塊將飲品杯傳輸至開袋送料模塊下方，開袋器轉子旋轉，擠壓固定塊壓緊料包，并由切割刀具將其割開，物料掉落至杯中從而完成袋裝物料的加料。飲品杯繼續被運送至螺桿及轉輪送料模塊下方。

圖1 整機示意圖Fig.1 Schematic diagram of the whole machine

若選擇添加其他物料。螺桿送料模塊可根據選擇添加多種小顆粒物料，如咖啡粉、奶粉等，轉輪送料模塊可添加各類大顆粒物料，如枸杞、菊花等。飲品杯在2個送料模塊出料口下方停留，完成物料接收。物料添加完畢后，移位鉤爪將飲品杯沿軌道移位至沖調攪拌區域。通過水泵與注水管將純凈水添加至杯中，隨后攪拌器下降，將杯中液體攪拌均勻。這樣便完成了1杯飲品的自動沖調，既滿足用戶個性化需求，又保證出品的衛生安全。

2 各功能模塊設計

機器共有5個功能模塊，分別為開袋送料模塊、螺桿送料模塊、轉輪送料模塊、放杯傳輸模塊和沖調攪拌模塊。

2.1 開袋送料模塊

為實現對袋裝料包的開袋及物料添加，設計有開袋送料模塊。其優勢為設計新穎巧妙，可循環開袋，完成度高。結構示意如圖2所示，主要由導軌外殼、轉子機芯和切割刀架組成。首先轉子處于初始位置，擠壓固定塊位于寬軌區域，受軌道外殼上的磁鐵磁吸力被向上拉出，料包順利放入轉子機芯夾槽內。隨后電機帶動轉子旋轉，擠壓固定塊旋轉至窄軌區域，被軌道外殼擠壓下移，將料包兩邊壓緊固定。轉子繼續旋轉，料包接觸下方切割刀具，刀尖以一定角度輕易刺穿料包，料包繼續旋轉繼而被完全切開，物料迅速掉入杯中?？樟习^續旋轉離開切割區域，擠壓固定塊轉入寬軌區域，并再次被磁鐵吸引拉出，使空料包處于自由狀態，隨后在重力的作用下滑出夾槽，掉入空料包收納盒中。

圖2 開袋送料模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of open bag feeding module

如圖3所示，為使擠壓固定塊能更順暢地自寬軌區域旋轉至窄軌區域，減小旋轉過程中的卡塞，經過大量測試得：軌道過渡區斜面及擠壓固定塊側邊緣面的傾角α=35°時，機構運行阻力最小，連貫性最佳。

圖3 擠壓固定塊側邊角度結構圖Fig.3 Side angle structure diagram of extrusion fixed block

在最大工作載荷下，對傳動花鍵軸進行受力分析。在軸前端加載1 N·m的扭矩，最大應力在軸加載處，為27.413 MPa，結果如圖4。軸所用材料為聚丙烯塑料［9］，拉伸強度δb=33.6 MPa，剪切強度τ=35.6 MPa，均大于導桿最大應力，滿足強度要求。

圖4 花鍵軸應力云圖Fig.4 Stress nephogram of the splined shaft

2.2 螺桿送料模塊

為實現對小顆粒配料的定量添加，設計有螺桿送料模塊。其優勢為精準加料、結構緊湊、空間利用率高，結構示意如圖5所示。

圖5 螺桿送料模塊結構Fig.5 Structure diagram of screw feeding module

TT電機帶動阿基米德螺桿以一定轉速旋轉。儲料盒中的物料在螺桿葉片的推動下，從直角平行連接管左端傳送至右端，繼而掉入杯中。整個送料過程連續進行，直至達到給定量后，TT電機停止轉動，結束送料。

2.3 轉輪送料模塊

為實現對大顆粒配料的精準添加，設計有轉輪送料模塊。其優勢為設計簡約，結構精巧，易于控制。結構示意如圖6所示。

圖6 轉輪送料模塊結構Fig.6 Structure diagram of rotating shaft feeding module

TT電機帶動轉輪按每旋轉半圈停滯0.5 s的規律不斷循環旋轉。當凹槽朝上時，儲料盒內的物料通過轉輪外殼的上方入口落入凹槽；轉輪朝下時，凹槽內的物料下落掉出下方出口，進入出料通道再落入杯中，從而完成大顆粒物料加料。通過控制轉輪旋轉總時間與轉速即可調整添加量。

2.4 放杯傳輸模塊

為實現對杯子的傳輸移位，設計有放杯傳輸模塊。其優勢為響應迅速，運行穩定，全自動控制，結構示意如圖7所示。

圖7 放杯傳輸模塊結構Fig.7 Structure diagram of cup releasing and t ransmission module

步進電機帶動絲桿按給定步頻旋轉，進而帶動移動托盤沿軌道前進。飲品杯放置于杯托上，移動托盤推動杯托前進，并依次停于3個送料模塊出料口下方，完成物料的添加。杯托到達半圓形軌道位置后，移動托盤側邊齒條與移位鉤爪下方齒輪開始接觸，移動托盤繼續前進，使齒輪齒條配合傳動，進而使移位鉤爪旋轉將杯托推過圓形軌道到達沖調攪拌區域。隨后電機帶動絲桿反轉，移動托盤退回復位，帶動齒輪及移位鉤爪反轉至初始位置。

放杯傳輸模塊齒輪齒條的設計參數見表1。

表1 齒輪齒條部分設計參數Tab.1 Some design parameters of rack and pinion

2.5 沖調攪拌模塊

為實現向杯中注入純凈水，并將液體攪拌均勻，設計有攪拌沖調模塊。其優勢為可定溫定量添加純凈水，集成化程度高，結構示意如圖8所示。

圖8 沖調攪拌模塊結構Fig.8 Structure of mixing and stirring module

直線模組為該模塊核心，使攪拌器及連接支座上下運動。飲品杯被運送至加水區域后，水泵啟動開始吸水，純凈水沿水管通過注水管加入杯中。當杯中水量達到設定值后，水泵自動停止，注水完成。隨后連接支座下降適當高度，將攪拌器伸入杯中，攪拌電機啟動帶動葉片攪拌杯中液體。此過程中水溫和加水量都可由用戶自行設置，滿足個性化需求。攪拌完成后，連接支座上升回到初始位置，由于攪拌器葉片表面涂有疏水材料，能避免液體滴落或飛濺，保證整個攪拌流程的安全衛生。

攪拌器直桿與注水管平行放置，環形套筒將注水管和攪拌器直桿加以約束，可減小攪拌器旋轉時直桿的偏移。同時較長的注水管也使得出水口更接近杯子，減小加水過程中純凈水被污染的可能性，使沖調更加安全衛生。

如圖9，在電機攪拌座水平面施加100 N壓力（大于攪拌器加電機重力），最大應變處為水平面中間最前點，數值為9.4755 ×10-7m，不會對模塊運行造成影響，結構合理［10］。

圖9 連接支座應變云圖Fig.9 Strain nephogram of connecting support

機器采用先加入物料顆粒，后注入純凈水的工作方式，因此固液混合率低。為使溶液充分混合，達到最佳飲用口感，裝置采用雙槳葉攪拌器，槳葉傾角為20°。經分析及大量試驗證明，在同等條件下，槳葉傾角20°時具有最佳攪拌效果［11］。

3 控制系統

3.1 控制系統組成及其流程

如圖10，控制系統由Arduino控制器、人機交互界面HMI、通信線路及電源組成。系統通過人機交互界面實現各項指令的接收，隨后控制器處理各類指令，并向各模塊電機輸出電信號，完成相應功能。

圖10 控制流程圖Fig.10 Control flow chart

3.2 人機交互系統

健康先行智能“益喝寶”的人機交互界面高效簡約、易讀性強、功能選擇豐富。通過觸控屏，用戶輸入多種個性化數據，包含是否使用料包加料、小顆粒物料及大顆粒物料的添加量、水溫及攪拌時長等，從而調配出品類豐富、口感更佳的飲品。同時產品能夠記錄用戶的設定數據，分析偏好習慣，生成喜好方案，方便用戶后續快速選擇。

4 結語

本文設計的健康先行智能“益喝寶”全自動飲品沖調機，提供一種全面的飲品沖調解決思路。憑借控制系統以及五大功能模塊的協調配合，實現各種品類飲品物料的加料沖調，在保證健康衛生的同時，達到沖調飲品的最佳口感。產品設計新穎，結構精巧，功能強大。

實物樣機（圖11）獲得2021年第十屆上海市大學生機械工程創新大賽一等獎。獲授權實用新型專利1項（授權公告號CN215457332U）。

圖11 實物樣機照片Fig.11 Photo of physical prototype