【正文】 ents of 中國 礦業(yè)大學 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 2 頁 the machine, design of mechanical CAD diagram is given, such as grinding mechanism, a brewing chamber, and the hydraulic principle diagram. The control part of the machine, the design from two aspects of hardware and software is given by Protel circuit diagram and C language program. Keywords: grinding mechanism, hydraulic system, 89C51 SCM, C language program 1 緒論 咖啡機的歷史 二十世紀初，在意大利拿坡里附近有一位“急性子工程師”，由于他對滴漏煮咖啡所花費的時間太長感到不耐煩，所以在等待時間想出一個方法，以高溫，高壓的方式泡咖啡縮短時間，于是發(fā)明了世界上獨一無二的意大利咖啡快速調(diào)理， Espresso 也開始風行。人們通過這樣的方式來紀念這位工程師的發(fā)現(xiàn)。 以上敘述說的“二十世紀初的急性子工程師”，指的很可能是 Luigi Bezzera。 由于釀造時間過久，咖啡粉末不太可能研磨得太細，一般來說粗糙的研磨萃取出的芳香成分也比細致粉末要少。 如果說 Bezzera 一個人“發(fā)明”了 Espresso，大概也無法被認同，即便他首個嘗試以蒸氣為壓力去制造商用咖啡機，還創(chuàng)造了在吧中現(xiàn)做，而且直接將咖啡注入客人杯中的Espresso 文化特質(zhì)。這主要是源于， Bezzera 的咖啡機是運用水沸騰時產(chǎn)生的水蒸氣，蒸氣在密閉的鍋爐產(chǎn)生壓力，壓力將熱水推至蓮蓬頭里的咖啡粉末。而由 Bezzera 的機器上煮出來的咖 啡無法形 Crema ，主要有兩中國 礦業(yè)大學 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 3 頁 個原因： 第一，沖煮咖啡的熱水溫度過高，使油質(zhì)喪失； 第二，蒸氣鍋爐無法提供足夠的壓力。只是如果不用蒸氣，還可以用什么作為壓力來源？更深層的問題是：到底要施加多大壓力，才可能獲得最佳萃取率？ 20 世紀初， Desiderio Pavoni 獲得了 Bezzera 的設(shè)計專利。后來， Teresio Arduino 也跟著生產(chǎn)類似的咖啡機，其他的廠商相繼跟進。但意大利人似乎對蒸氣壓力咖啡機的成果不甚滿意。因此，便有人想到：能不能直接加壓于熱水，取代將水煮沸，以蒸氣作為壓力的方式？ 二次大戰(zhàn)的時候，人們利用水龍頭流出的本身壓力來提高煮咖啡的壓力。每一壺水設(shè)計煮一份咖啡，并且每一小壺都連接到水龍頭上。根 據(jù)各地區(qū)水壓的不同，一般而言，由此類咖啡機產(chǎn)生的壓力比蒸氣壓力咖啡機產(chǎn)生的還要大 個大氣壓。在外觀上更符合當時二十年代晚期的流行趨勢 — 以幾何圖形和直線條代替蒸汽壓力咖啡機的弧形。當把咖啡機上的橫向桿提起時，把水注入被活塞占據(jù)的空間，此時壓下橫桿，水會被活塞上的壓力平均注入到濾器里的咖啡粉，這表示了熱水也可以在未沸騰時就泡咖啡，從而不致燙壞咖啡粉。這方法逐漸被其他生產(chǎn)廠商采用。甚至在現(xiàn)今，也可以在家用機器 — 帕凡尼（ La Pavoni）上發(fā)現(xiàn)這種原理的應(yīng)用。 第二次世界大戰(zhàn)暫時中斷了 Cremonesi 和 Gaggia 對咖啡機的改良工作。 1947 年 Gaggia 將原本的活塞原理加以改良，改由彈簧控制活塞。待活塞上面的彈簧膨脹時，活塞被往下壓，熱水流至咖啡處，上面的桿子又回到原來的位置。所以在咖啡上生成了一層克麗瑪。至此，克麗瑪成了意大利咖啡的象征 。 Gaggia 發(fā)明的咖啡機也使得咖啡的泡制過程更加戲劇有趣。 中國 礦業(yè)大學 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 4 頁 在這將近一百年的咖啡機器進化史中，人們還發(fā)現(xiàn)，如果利用額外的 89bar 加壓，強制性地讓水迅速地穿過咖啡粉，咖啡粉與飽含壓力的水間產(chǎn)生的抗力，會讓每杯咖啡的萃取釀造時時長縮小到 25 秒，還使得咖啡粉末搗碎研磨到面粉般柔細，提高了萃取率。一方面它使得咖啡館經(jīng)營者節(jié)省了成本和時間，每日沖煮量增加了數(shù)倍，另一方面也吸引了更加廣泛的咖啡人口，如今早已風靡了世界的咖啡市場，變?yōu)槭袌錾系闹髁?。作為小家電家族中的重要成員咖啡機雖然大多數(shù)人并不十分熟悉，但其在西方發(fā)達國家已經(jīng)十分流行普及，咖啡文化早已在歐美經(jīng)久不衰。 咖啡機行業(yè) 的發(fā)展歷程可以劃分為幾個階段，最開始的虹吸式、滴落機械式、電子編程控制式，發(fā)展到現(xiàn)在主流的高壓蒸汽式，今后發(fā)展的趨勢勢必是全自動組合式。但到了后期，受制于單機利潤逐年的下滑，管理成本與材料成本持續(xù)居高等眾多不好因素的影響，咖啡機產(chǎn)業(yè)又逐漸青睞于迅速發(fā)展起來的更具競爭力和活力的民營企業(yè)。 課題的意義及目的 國內(nèi)生產(chǎn)的咖啡機，大多是半自動的，溫度控制精度不高，且操作較為不方便，更多的是以手工輔助進行間歇式工作，泡制前的準備工作以及清洗既繁瑣又不方便。所以很有必要設(shè)計開發(fā)一款功能相對齊全高效而且低價的咖啡機。 在磨豆裝置中設(shè)置有調(diào)節(jié)咖啡粉粗細度的機構(gòu)，可以人工實現(xiàn)研磨咖啡粉的粒度。我們通過控制中心以及撥碼開關(guān)，用戶可以自行控制泡制的水量。 在釀造器的設(shè)計中，我們考慮到了殘渣的清除，設(shè)計了一扇彈簧控制的拉門，可以在釀造完畢后打開，露出濾網(wǎng)以待清洗，方便簡單有效。 2 總體方案設(shè)計 中國 礦業(yè)大學 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 第 5 頁 咖啡機的工作原理 現(xiàn)磨的咖啡粉的粗細度、釀造咖啡時的水溫包括水與咖啡粉的混合比例即咖啡液的濃度等都會關(guān)系到咖啡的口味。 一般來說，咖啡的泡制釀造方法是：首先對咖啡豆進行搗碎研磨到適宜的粗細度，將清水的溫度燒到指定溫度（一般 90℃），在釀造器中對咖啡粉進行萃取、釀造。 所以，咖啡機的重要設(shè)計參數(shù)要以此為基準。 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，獲得一定粗細度的咖啡粉；咖啡粉由送粉電機輸送至釀造器中。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。 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)。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 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。 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。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。 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 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。 粉末粗細調(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。 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。 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。 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。如圖 3 所示為常見的不銹鋼磨盤?？傻? 得出， D 。其厚度定為 15mm。 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)材料力學的公式得出工作時所需要的扭矩 M=f dx= m。 m； n為轉(zhuǎn)速，取 700r/min. 得出 P=73w。 m，額定轉(zhuǎn)速為 700r/min 的小型 直流電機。 m，效率為 80%。輸出軸的長度為 60mm。 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 所以軸的扭轉(zhuǎn)強度是足夠的。 對于 10mm 的軸，查手冊 GB/T10962021 此處可以選用 B型平鍵。 實踐證明，鍵連接的主要失效形式是它工作側(cè)面被壓潰。 = =[ ]=110MPa。 送粉電機與送粉螺旋軸 對于送粉電機，由于沒有特別的負載要求，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。 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。若 有彎矩作用 ,可用降低許用應(yīng)力的方法來考慮影響。 m, T=9550000N 代入上述公式得， d。 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。 m 最大扭矩 13N承載能力大，使用壽命長，可靠安全。具有較大的和角向和軸向、徑向補償能力。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。 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。 在連接件上鑄上模數(shù)為 ，齒數(shù)為 43 的齒。 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。 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 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。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。 m，我們代入 1N 這樣代 入數(shù)值算得 =149N。 d為螺釘?shù)墓Q直徑，單位： mm 因此螺釘?shù)膹姸葷M足要求。受力圖如下圖 5 所示： 中國 礦業(yè)大學 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。 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 來校核。 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。 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。 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 ,當調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn) 一圈時，連接件轉(zhuǎn)動 1/i= 圈，此時連接件與磨體之間的相對