【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可以分為粉碎研磨機(jī)構(gòu)、加熱并供水系統(tǒng)、萃取釀造室、控制中心幾個(gè)系統(tǒng)。 從工藝流程上來(lái)看，首先以研磨機(jī)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(jī)輸送至釀造器中。在水路方面，純凈水由泵加壓對(duì)水路系統(tǒng)進(jìn)行供水，然后一定壓力的水先進(jìn)入加熱器加熱到設(shè)定的溫度，之后熱水或熱蒸汽進(jìn)入釀造室，與之前輸送來(lái)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(jìn)行自動(dòng)與人工相結(jié)合的方式進(jìn)行除渣清洗工作。整個(gè)工作循環(huán)由控制電路控制。 咖啡機(jī)的工作流程如圖 1所示： 圖 1 全自動(dòng)咖啡機(jī)的工作流程圖 從這個(gè)流程圖中可以看出，全自動(dòng)咖啡機(jī)研發(fā)重點(diǎn)部分在于研磨粉碎機(jī)構(gòu)，加熱供水系統(tǒng)、釀造器、控制電氣系統(tǒng)。 研磨機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)及原理 咖啡機(jī)一般通過(guò)兩研磨磨盤將咖啡豆磨成咖啡粉。在本次設(shè)計(jì)中，我們采用以下方案思路設(shè)計(jì)一種可以清除研磨機(jī)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(jī)構(gòu)：研磨裝置上方設(shè)一個(gè)盛豆倉(cāng)，盛豆倉(cāng)下方設(shè)有磨體，磨體里面有兩個(gè)磨盤，一 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤，一個(gè)靜止磨盤，兩個(gè)磨盤具有一定的形狀和厚度，研磨機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸間接與轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤相中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 6 頁(yè) 連，磨出的咖啡粉直接掉入下方的送粉螺桿里，或者通過(guò)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的小刷子掃入螺桿里。所述的靜止磨盤通過(guò)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(dòng)磨盤通過(guò)螺釘與轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤架相連，轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤架通過(guò)鍵槽與轉(zhuǎn)軸相連。 我們采用這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：因?yàn)殪o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(cāng)、靜止磨盤、靜止磨盤架從磨體上拆 下來(lái)，如此一來(lái)定期清洗研磨裝置中殘留的咖啡粉就十分方便。使用時(shí)，將靜止磨盤、靜止磨盤架、盛豆倉(cāng)旋入磨體中，便可進(jìn)行磨豆操作。整個(gè)研磨示意圖如圖 2 所示： 圖 2 研磨機(jī)構(gòu)示意圖 1電源箱 2送粉電機(jī) 3聯(lián)軸器 4磨體 5鍵 6轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤架 7螺栓 8墊圈 9轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤 10連接件 11豆倉(cāng) 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(jī) 29密集濾網(wǎng) 本次設(shè)計(jì)的搗碎研磨機(jī)構(gòu)設(shè)置有簡(jiǎn)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(shí)候，人工轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)齒輪，調(diào)節(jié)齒輪帶動(dòng)配合在連接件上的調(diào)節(jié)齒，這樣連接件相對(duì)于磨體轉(zhuǎn)動(dòng)，靜止磨盤和轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤間的間隙就可以被調(diào)整，以此來(lái)調(diào)節(jié)所磨咖啡粉末的粗細(xì)。 我們?cè)诔龇弁ǖ乐性O(shè)有螺旋軸，送粉電機(jī)與螺旋軸相連，研磨電機(jī)開(kāi)啟后，送粉電機(jī)中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 7 頁(yè) 也相應(yīng)開(kāi)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(shí) 間。 下面就上圖進(jìn)行一下簡(jiǎn)單說(shuō)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(dòng)磨盤，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤架 6 與轉(zhuǎn)軸相連。 粉末粗細(xì)調(diào)整機(jī)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(jī) 2 通過(guò)聯(lián)軸器 3相連。 在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上套有一木制的小毛刷，隨轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可以把非螺旋軸的一側(cè)的咖啡粉掃進(jìn)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(jì)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(jī)械強(qiáng)度高； 耐磨性、耐腐蝕性好； 熱穩(wěn)定性好； 環(huán)保無(wú)污染等。 缺點(diǎn)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(diǎn)，因此本次設(shè)計(jì)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(jiàn)的不銹鋼磨盤。 圖 3 不銹鋼磨盤 根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)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(jì)算取 ； v磨盤對(duì)緣的線速度； D磨盤直徑； q比壓荷，咖啡豆加工時(shí)取 2kg/ ； g重力加速度； 磨盤對(duì)緣速度： 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 8 頁(yè) 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?？傻? 得出， D 。此設(shè)計(jì)中，選擇 D=。其厚度定為 15mm。具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)零件圖“轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤零件圖”和“靜止磨盤零件 圖”。 磨豆電機(jī)的計(jì)算與選擇 一般來(lái)說(shuō)，兩磨盤與咖啡豆之間擠壓的正壓力不會(huì)超過(guò) 2021N，摩擦系數(shù)經(jīng)過(guò)查表取，根據(jù)材料力學(xué)的公式得出工作時(shí)所需要的扭矩 M=f dx= m 考慮到過(guò)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(jī)的功率計(jì)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(jì)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(jī)。經(jīng)過(guò)查找手冊(cè)和網(wǎng)絡(luò)，選出一款型號(hào)為 LR775 的有刷直流磨豆電機(jī)，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(zhǎng)度為 60mm。外形尺寸為 93mm 56mm。 電機(jī)輸出軸的強(qiáng)度校核 由于電機(jī)輸出軸主要受到的是不超過(guò) 1N m負(fù)載扭矩的作用，對(duì)于實(shí)心軸來(lái)說(shuō)， 由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計(jì)算公式： = =5000000Pa =5MPa[ ]=20Mpa。 所以軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度是足夠的。 鍵的選用與校核 考慮到咖啡機(jī)內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度滿足的問(wèn)題，我們直接在電機(jī)輸出軸上開(kāi)鍵槽，利用鍵與轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤架直接相連。 對(duì)于 10mm 的軸，查手冊(cè) GB/T10962021 此處可以選用 B型平鍵。 鍵寬 b=3mm 鍵高 h=3mm 鍵公稱長(zhǎng)度 l=12mm 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 9 頁(yè) 鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時(shí)通過(guò)鍵與側(cè)面的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，受到擠壓和剪切力。 實(shí)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(shí)按擠壓應(yīng)力進(jìn)行校核。 = =[ ]=110MPa。 所以，擠壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。 送粉電機(jī)與送粉螺旋軸 對(duì)于送粉電機(jī)，由于沒(méi)有特別的負(fù)載要求，我們選擇一款產(chǎn)品型號(hào)為 JGB37520 的直流電機(jī)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(duì)于送粉螺旋軸，已知輸送機(jī)的功率為 P=,工作轉(zhuǎn)速為 n=600r/min。 對(duì)只受轉(zhuǎn)矩或以承受轉(zhuǎn)矩為主的傳動(dòng)軸 ,應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算軸的直徑。若 有彎矩作用 ,可用降低許用應(yīng)力的方法來(lái)考慮影響。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算： 3333][ 10 npAnpd ??? ? 式中： d— 計(jì)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(jī)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(jī)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(duì)簡(jiǎn)單，正常條件可連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行。承載能力大，使用壽命長(zhǎng)，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(bǔ)償能力。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，徑向尺寸較小，重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適用于中高速場(chǎng)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(duì)于咖啡機(jī)內(nèi)部來(lái)說(shuō)，空間小、質(zhì)量輕的聯(lián)軸器是我們需要的產(chǎn)品。 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 10 頁(yè) 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(dòng)調(diào)速，轉(zhuǎn)速不高，頻率不高，沒(méi)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(gè)配合齒輪基本參數(shù)整理見(jiàn)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(hào) 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(dòng)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(dòng)磨盤與轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤架的連接固定問(wèn)題上，選擇不貫穿的螺釘連接，結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單緊湊。查國(guó)標(biāo) GB/,選擇規(guī)格 d為 ，螺距 P為 ， s為 ，規(guī)格長(zhǎng)度為 4 的六角圓柱頭螺栓 8只。 下面我們分別來(lái)校核一下靜止磨盤和轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤所使用的螺釘?shù)膹?qiáng)度是否符合要求： 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 11 頁(yè) （ 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(duì)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(guò)上面的計(jì)算可知 T為 m，我們代入 1N m 來(lái)校核。 這樣代 入數(shù)值算得 =149N。 螺釘強(qiáng)度條件為 = =97MPa =400MPa。 d為螺釘?shù)墓Q直徑，單位： mm 因此螺釘?shù)膹?qiáng)度滿足要求。 （ 2）轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤螺釘?shù)男：? 與靜止磨盤一樣，轉(zhuǎn)動(dòng)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(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 12 頁(yè) 圖 5 轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(guò)上面的計(jì)算可知 T為 m，我們代入 1N m 來(lái)校核。 這樣代入數(shù)值算得 = 螺釘強(qiáng)度條件為 = = =400MPa 因此螺釘?shù)膹?qiáng)度滿足要求。 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(zhǎng)度為 S級(jí)， 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(zhǎng)度為S級(jí)， 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(jì)算出來(lái) ,當(dāng)調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn) 一圈時(shí)，連