【文章內(nèi)容簡介】 可以分為粉碎研磨機構(gòu)、加熱并供水系統(tǒng)、萃取釀造室、控制中心幾個系統(tǒng)。 從工藝流程上來看，首先以研磨機構(gòu)搗碎研磨烘焙好的咖啡豆，獲得一定粗細(xì)度的咖啡粉；咖啡粉由送粉電機輸送至釀造器中。在水路方面，純凈水由泵加壓對水路系統(tǒng)進行供水，然后一定壓力的水先進入加熱器加熱到設(shè)定的溫度，之后熱水或熱蒸汽進入釀造室，與之前輸送來的咖啡粉接觸、萃取，泡成濃度適宜的咖啡液，從咖啡口流出滴入指定位置的容器中。釀造完畢之后， 系統(tǒng)進行自動與人工相結(jié)合的方式進行除渣清洗工作。整個工作循環(huán)由控制電路控制。 咖啡機的工作流程如圖 1所示： 圖 1 全自動咖啡機的工作流程圖 從這個流程圖中可以看出，全自動咖啡機研發(fā)重點部分在于研磨粉碎機構(gòu)，加熱供水系統(tǒng)、釀造器、控制電氣系統(tǒng)。 研磨機構(gòu)設(shè)計 方案設(shè)計及原理 咖啡機一般通過兩研磨磨盤將咖啡豆磨成咖啡粉。在本次設(shè)計中，我們采用以下方案思路設(shè)計一種可以清除研磨機構(gòu)中咖啡粉殘留物并且能夠調(diào)節(jié)咖啡粉粗細(xì)的研磨機構(gòu)：研磨裝置上方設(shè)一個盛豆倉，盛豆倉下方設(shè)有磨體，磨體里面有兩個磨盤，一 個轉(zhuǎn)動磨盤，一個靜止磨盤，兩個磨盤具有一定的形狀和厚度，研磨機構(gòu)電機的轉(zhuǎn)軸間接與轉(zhuǎn)動磨盤相中國 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 6 頁 連，磨出的咖啡粉直接掉入下方的送粉螺桿里，或者通過不斷轉(zhuǎn)動的小刷子掃入螺桿里。所述的靜止磨盤通過螺釘固定在靜止磨盤架上，靜止磨盤架利用螺紋固定于外緣帶螺紋的連接件上，連接件利用螺紋旋接于磨體上，轉(zhuǎn)動磨盤通過螺釘與轉(zhuǎn)動磨盤架相連，轉(zhuǎn)動磨盤架通過鍵槽與轉(zhuǎn)軸相連。 我們采用這種方案的優(yōu)點是：因為靜止磨盤固定于靜止磨盤架上，靜止磨盤架又與外緣帶螺紋的連接件固定相連，連接件與磨體相連；其可將盛豆倉、靜止磨盤、靜止磨盤架從磨體上拆 下來，如此一來定期清洗研磨裝置中殘留的咖啡粉就十分方便。使用時，將靜止磨盤、靜止磨盤架、盛豆倉旋入磨體中，便可進行磨豆操作。整個研磨示意圖如圖 2 所示： 圖 2 研磨機構(gòu)示意圖 1電源箱 2送粉電機 3聯(lián)軸器 4磨體 5鍵 6轉(zhuǎn)動磨盤架 7螺栓 8墊圈 9轉(zhuǎn)動磨盤 10連接件 11豆倉 12調(diào)節(jié)桿 13調(diào)節(jié)齒 14連接件 15調(diào)節(jié)齒輪 16靜止磨盤架 19靜止磨盤 20小毛刷 21螺旋送粉軸 22釀造室 23彈簧 24除渣銷 25密封墊片 26磨豆電機 29密集濾網(wǎng) 本次設(shè)計的搗碎研磨機構(gòu)設(shè)置有簡單的咖啡粉末粗細(xì)調(diào)節(jié)裝置，包括：調(diào)節(jié)桿和設(shè)在桿上的調(diào)節(jié)齒輪，在連接件設(shè)上設(shè)有與調(diào)節(jié)齒輪相配合的調(diào)節(jié)齒。當(dāng)需要調(diào)整粉末粗細(xì)的時候，人工轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)齒輪，調(diào)節(jié)齒輪帶動配合在連接件上的調(diào)節(jié)齒，這樣連接件相對于磨體轉(zhuǎn)動，靜止磨盤和轉(zhuǎn)動磨盤間的間隙就可以被調(diào)整，以此來調(diào)節(jié)所磨咖啡粉末的粗細(xì)。 我們在出粉通道中設(shè)有螺旋軸，送粉電機與螺旋軸相連，研磨電機開啟后，送粉電機中國 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 7 頁 也相應(yīng)開啟，這樣可將咖啡粉送出的比較干凈，減少了咖啡粉在研磨裝置中得殘留，而且節(jié)省總體沖泡時 間。 下面就上圖進行一下簡單說明： 19是靜止磨盤，固定于靜止磨盤架 16上， 16 固定在外緣帶螺紋的連接件 14 上， 14 再旋接于磨體 4 上； 9 是轉(zhuǎn)動磨盤，通過轉(zhuǎn)動磨盤架 6 與轉(zhuǎn)軸相連。 粉末粗細(xì)調(diào)整機構(gòu)包括：調(diào)節(jié)桿 12 和設(shè)于調(diào)節(jié)桿上的調(diào)節(jié)齒輪 15，連接件 14 上設(shè)有與調(diào)節(jié)齒輪相配合的調(diào)節(jié)齒 13。出粉通道內(nèi)設(shè)有螺旋送粉軸 21，與送粉電機 2 通過聯(lián)軸器 3相連。 在電機轉(zhuǎn)軸上套有一木制的小毛刷，隨轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)動磨盤一起轉(zhuǎn)動，可以把非螺旋軸的一側(cè)的咖啡粉掃進螺旋軸中，更好的將磨成的咖啡粉輸送出去。 磨盤的選擇與計算 市面 上的磨盤一般分為陶瓷制的磨盤和金屬材料的磨盤。 陶瓷磨盤的好處： 機械強度高； 耐磨性、耐腐蝕性好； 熱穩(wěn)定性好； 環(huán)保無污染等。 缺點是： 脆性大，耐沖擊能力低、易碎； 產(chǎn)品不易回收利用，一次成型。 金屬磨盤由于具有，抗碰撞，輕盈，耐高溫等的優(yōu)點，因此本次設(shè)計選擇金屬制的磨盤。采用 45 鋼制作，外鍍合金鋼使其不生銹。如圖 3 所示為常見的不銹鋼磨盤。 圖 3 不銹鋼磨盤 根據(jù)試驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)所得，生產(chǎn)力 Q 和研磨直徑 D 基本滿足以下關(guān)系： k生產(chǎn)系數(shù) ，本次計算取 ； v磨盤對緣的線速度； D磨盤直徑； q比壓荷，咖啡豆加工時取 2kg/ ； g重力加速度； 磨盤對緣速度： 中國 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 8 頁 為了保證生產(chǎn)率， Q 一般取 10kg/h,結(jié)合上述兩公式，初步帶入轉(zhuǎn)速為 700r/min。可得 得出， D 。此設(shè)計中，選擇 D=。其厚度定為 15mm。具體結(jié)構(gòu)參見零件圖“轉(zhuǎn)動磨盤零件圖”和“靜止磨盤零件 圖”。 磨豆電機的計算與選擇 一般來說，兩磨盤與咖啡豆之間擠壓的正壓力不會超過 2021N，摩擦系數(shù)經(jīng)過查表取，根據(jù)材料力學(xué)的公式得出工作時所需要的扭矩 M=f dx= m 考慮到過載，為了有足夠的工作能力，代入負(fù)載扭矩為 1N m。 根據(jù)直流電機的功率計算公式 其中： P的單位為 kw； T為扭矩，單位 N m； n為轉(zhuǎn)速，取 700r/min. 得出 P=73w。 綜上所述，本設(shè)計選擇功率為 100w，額定轉(zhuǎn)矩為 10N m，額定轉(zhuǎn)速為 700r/min 的小型 直流電機。經(jīng)過查找手冊和網(wǎng)絡(luò)，選出一款型號為 LR775 的有刷直流磨豆電機，額定電壓為 24v，額定電流為 ，額定轉(zhuǎn)速為 760r/min,額定轉(zhuǎn)矩為 10N m，效率為 80%。其輸出軸直徑為 10mm。輸出軸的長度為 60mm。外形尺寸為 93mm 56mm。 電機輸出軸的強度校核 由于電機輸出軸主要受到的是不超過 1N m負(fù)載扭矩的作用，對于實心軸來說， 由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計算公式： = =5000000Pa =5MPa[ ]=20Mpa。 所以軸的扭轉(zhuǎn)強度是足夠的。 鍵的選用與校核 考慮到咖啡機內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)以及強度滿足的問題，我們直接在電機輸出軸上開鍵槽，利用鍵與轉(zhuǎn)動磨盤架直接相連。 對于 10mm 的軸，查手冊 GB/T10962021 此處可以選用 B型平鍵。 鍵寬 b=3mm 鍵高 h=3mm 鍵公稱長度 l=12mm 中國 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 9 頁 鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時通過鍵與側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩，受到擠壓和剪切力。 實踐證明，鍵連接的主要失效形式是它工作側(cè)面被壓潰。所以我們校核時按擠壓應(yīng)力進行校核。 = =[ ]=110MPa。 所以，擠壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。 送粉電機與送粉螺旋軸 對于送粉電機，由于沒有特別的負(fù)載要求，我們選擇一款產(chǎn)品型號為 JGB37520 的直流電機即可，電壓為 12V，轉(zhuǎn)速為 600r/min，額定功率 3W。輸出軸的直徑為 7mm。 對于送粉螺旋軸，已知輸送機的功率為 P=,工作轉(zhuǎn)速為 n=600r/min。 對只受轉(zhuǎn)矩或以承受轉(zhuǎn)矩為主的傳動軸 ,應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算軸的直徑。若 有彎矩作用 ,可用降低許用應(yīng)力的方法來考慮影響。 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算： 3333][ 10 npAnpd ??? ? 式中： d— 計算剖面處軸的直徑 mm； T— 軸傳遞的額定扭矩 N m, T=9550000N m ； N— 軸傳遞的額定功率 ； n— 軸的轉(zhuǎn)速 600r/min； [? ]— 軸的許用應(yīng)力 MPa ； A— 按 [? ]所定的系數(shù)查表得 A=130。 代入上述公式得， d。 為了保持與電機輸出軸保持一致，也選擇直徑為 7mm 的送粉螺桿。 聯(lián)軸器 在電機輸出軸與螺桿軸之間選擇彈性柱銷聯(lián)軸器 FCL80。它的參數(shù)為： 額定扭矩 m 最大扭矩 13N m 最高轉(zhuǎn)速 4000r/min 徑向偏差 角向偏差 軸向偏差 + 重量 420g 彈性柱銷聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)相對簡單，正常條件可連續(xù)長期運行。承載能力大，使用壽命長，可靠安全。工作穩(wěn)定可靠，擁有優(yōu)良的減振、電氣 絕緣和緩沖性能。具有較大的和角向和軸向、徑向補償能力。結(jié)構(gòu)簡單，徑向尺寸較小，重量輕，轉(zhuǎn)動慣量小，適用于中高速場合。在網(wǎng)上，目前有很多孔徑的柱銷聯(lián)軸器可以供選擇，對于咖啡機內(nèi)部來說，空間小、質(zhì)量輕的聯(lián)軸器是我們需要的產(chǎn)品。 中國 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 10 頁 調(diào)節(jié)齒輪與調(diào)節(jié)齒 在調(diào)節(jié)齒輪方面，由于是人工手動調(diào)速，轉(zhuǎn)速不高，頻率不高，沒有大的沖擊載荷和負(fù)載。 因此我們直接加工模數(shù) m=，齒數(shù)為 19的調(diào)節(jié)齒輪，在連接件上做出相應(yīng)的一段齒即可。硬度為 400HBsE，材料選擇鑄鋼。 在連接件上鑄上模數(shù)為 ，齒數(shù)為 43 的齒。 兩個配合齒輪基本參數(shù)整理見表 1。 表 1：調(diào)節(jié)齒輪與連接件上齒的基本參數(shù) 名稱 符號 公式 調(diào)節(jié)齒輪 調(diào)節(jié)齒（所在齒輪） 齒數(shù) z z 19 43 模數(shù) m m 傳動比 i i 分度圓直徑 d d=mz 齒頂高 ha ha =h*a m 齒根高 hf hf=(ha*+c*)m 齒全高 h h=ha+hf 齒頂圓直徑 da da =d +2ha 續(xù)表 1：調(diào) 節(jié)齒輪與連接件上齒的基本參數(shù) 齒根圓直徑 df df =d2hf 基圓直徑 db db =d cos20 中心距 a a=m(z1+z2) 93 93 齒距 p P= m 齒厚 s S= m/2 齒槽寬 e e = m/2 頂隙 c c=c*m 螺釘與螺 紋的選用 1）螺釘?shù)倪x用 :由于磨盤較厚，并且考慮到不阻擋咖啡豆和磨好的咖啡粉的路徑，在靜止磨盤與靜止磨盤架、轉(zhuǎn)動磨盤與轉(zhuǎn)動磨盤架的連接固定問題上，選擇不貫穿的螺釘連接，結(jié)構(gòu)也更簡單緊湊。查國標(biāo) GB/,選擇規(guī)格 d為 ，螺距 P為 ， s為 ，規(guī)格長度為 4 的六角圓柱頭螺栓 8只。 下面我們分別來校核一下靜止磨盤和轉(zhuǎn)動磨盤所使用的螺釘?shù)膹姸仁欠穹弦螅? 中國 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 11 頁 （ 1）靜止磨盤螺釘校核 靜止磨盤使用的螺釘主要承受由于摩擦產(chǎn)生的力矩 T，由螺釘與墊片之間的摩擦轉(zhuǎn)矩抵消。受力圖如下圖 4所示： 圖 4 靜止磨盤螺釘受力示意圖 假設(shè)底板結(jié)合面上各螺釘連接處的摩擦力均相等且集中于螺釘中心，并垂直于螺釘中心島地板旋轉(zhuǎn)中心的連線。這些摩擦力對地板旋轉(zhuǎn)中心力矩的綜合平衡旋轉(zhuǎn)力矩 T。 fFl1+ fFl2+ fFl3+ fFl4=KfT f為結(jié)合件之間的摩擦系數(shù)，此處取 ； l代表螺釘中心到磨盤中心的距離，此處為 ，即 ； Kf 為考慮摩擦傳力的可靠性系數(shù)，一般取 ，這里代入 ； T為旋轉(zhuǎn)力矩，經(jīng)過上面的計算可知 T為 m，我們代入 1N m 來校核。 這樣代 入數(shù)值算得 =149N。 螺釘強度條件為 = =97MPa =400MPa。 d為螺釘?shù)墓Q直徑，單位： mm 因此螺釘?shù)膹姸葷M足要求。 （ 2）轉(zhuǎn)動磨盤螺釘?shù)男：? 與靜止磨盤一樣，轉(zhuǎn)動磨盤使用的螺釘主要承受由于摩擦產(chǎn)生的力矩 T，由螺釘與墊片之間的摩擦轉(zhuǎn)矩抵消。受力圖如下圖 5 所示： 中國 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 12 頁 圖 5 轉(zhuǎn)動磨盤螺釘受力示意圖 假設(shè)底板結(jié)合面上各螺釘連接處的摩擦力均相等且集中于螺釘中心，并垂直于螺釘中心島地板旋轉(zhuǎn)中心的連線。這 些摩擦力對地板旋轉(zhuǎn)中心力矩的綜合平衡旋轉(zhuǎn)力矩 T。 fFl1+ fFl2+ fFl3+ fFl4=KfT f結(jié)合件之間的摩擦系數(shù)，此處取 ； l代表螺釘中心到磨盤中心的距離，此處為 21mm，即 ； Kf 為考慮摩擦傳力的可靠性系數(shù)，一般取 ，這里代入 ； T為旋轉(zhuǎn)力矩，經(jīng)過上面的計算可知 T為 m，我們代入 1N m 來校核。 這樣代入數(shù)值算得 = 螺釘強度條件為 = = =400MPa 因此螺釘?shù)膹姸葷M足要求。 2）連接件與磨體之間螺紋連接，磨體上為內(nèi)螺紋，連接件上為外螺紋。按照 GB/T 1922021,選擇外螺紋公稱直徑為 58mm，螺距為 3mm，單程，旋合長度為 S級， 8mm。 3）連接件與靜止磨盤架之間為螺紋連接，連接件上為內(nèi)螺紋，靜止磨盤架上為外螺紋。按照 GB/T 1922021，選擇外螺紋公稱直徑為 50mm，螺距為 3mm，單程，旋和長度為S級， 10mm。 調(diào)節(jié)齒輪的精度 由以上的調(diào)節(jié)齒輪與配合螺紋的選擇，我們可以計算出來 ,當(dāng)調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn) 一圈時，連