基于PLC自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)摘要:科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)著自動(dòng)化商業(yè)機(jī)械的廣泛應(yīng)用，其中自動(dòng)售貨機(jī)是商業(yè)自動(dòng)化裝置代表之一，較大程度地方便了人們的生活。目前自動(dòng)售貨機(jī)雖然形式多樣，但對于飲料自動(dòng)售貨機(jī)所出售的飲品而言，都是瓶裝礦泉水、飲料等，且對于奶茶這種深受消費(fèi)者青睞的現(xiàn)配休閑飲品，現(xiàn)階段仍處在人工現(xiàn)場調(diào)配階段。針對所述現(xiàn)象，結(jié)合自動(dòng)售貨機(jī)與現(xiàn)配飲品兩者的特點(diǎn)，本文利用自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)研制了一套智能飲品調(diào)配售貨機(jī)系統(tǒng)裝置，實(shí)現(xiàn)飲品調(diào)配過程的機(jī)械自動(dòng)化。最后對智能飲品調(diào)配售貨機(jī)系統(tǒng)的上位機(jī)部分從購貨流程、移動(dòng)支付部分以及后臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)對已經(jīng)完成的工作內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并指出系統(tǒng)中所存在的問題和后續(xù)工作進(jìn)一步的改進(jìn)方向。關(guān)鍵詞:自動(dòng)售貨機(jī)；飲品調(diào)配；平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手；有限元分析；PLC控制目錄TOC\o"1-3"\h\u9061第一章緒論 5208691.1研究背景與意義 5282051.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 5292001.2.1國外自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展 5112681.2.2國內(nèi)自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展 729629第二章智能飲品調(diào)配售貨機(jī)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 8103762.1飲品調(diào)配售貨機(jī)用戶需求分析 8246282.1.1消費(fèi)者需求分析 823572.1.2經(jīng)營者需求分析 8265192.2系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)與分析 992002.2.1系統(tǒng)研究目標(biāo) 9320842.2.2系統(tǒng)整體思路設(shè)計(jì) 9181882.2.3系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1093832.3系統(tǒng)運(yùn)行流程分析 1326174第三章飲品自動(dòng)灌裝和傳輸平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)與分析 14128503.1飲品原漿定量灌裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14318323.2定量灌裝理論分析與實(shí)驗(yàn) 15131413.2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合與驗(yàn)證 15122323.3飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)模塊 19289613.3.1傳輸平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19307683.3.2驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 2029733第四章系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制和上位機(jī)模塊設(shè)計(jì) 21137114.1控制系統(tǒng)硬件部分 21223744.1.1PLC選擇 21281104.1.2系統(tǒng)控制架構(gòu) 22277074.1.3控制元器件選型 24193854.1.4控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 26322284.2控制系統(tǒng)軟件部分 2747694.2.1編程語言與環(huán)境 27151344.2.2控制程序設(shè)計(jì) 2851854.3系統(tǒng)上位機(jī)部分 29156094.3.1上位機(jī)購物界面 30252454.3.2系統(tǒng)支付界面 3076124.3.3后臺(tái)數(shù)據(jù)查詢界面 311517結(jié)論 3326531參考文獻(xiàn) 33第一章緒論1.1研究背景與意義隨著科技的不斷發(fā)展，自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)發(fā)展得也越來越快，自動(dòng)化商業(yè)機(jī)械的應(yīng)用也越來越廣泛，自動(dòng)售貨機(jī)作為其中的代表之一，被普遍用于商場、地鐵站、學(xué)校等人流量較大的場所進(jìn)行自助售貨，給人們的生活帶來了極大的方便。越來越多的人借助于這種既方便又靈敏的自動(dòng)售貨機(jī)，來順應(yīng)如今社會(huì)生活的快節(jié)奏和高效率。同時(shí)，自動(dòng)售貨機(jī)不僅節(jié)省了大量勞動(dòng)力的資金成本，而且減少投資者的經(jīng)營成本，將逐步成為人們生活中不可或缺的售賣方式。目前自動(dòng)售貨機(jī)在國內(nèi)還處于發(fā)展階段，在應(yīng)用技術(shù)和操作簡單方面都在不斷改進(jìn)過程中。就出售產(chǎn)品而言，自動(dòng)售貨機(jī)銷售的種類繁多產(chǎn)品都是已經(jīng)固裝好的瓶裝飲品、袋裝零食等，例如礦泉水、飲料、奶茶，它們都是廠家已經(jīng)生產(chǎn)好的瓶裝成品放在自動(dòng)售貨機(jī)中進(jìn)行售賣。然而，現(xiàn)代都市人大多面臨著亞健康的狀態(tài)，在飲食方面會(huì)更加注重選擇健康、養(yǎng)生的產(chǎn)品，消費(fèi)者也越來越關(guān)注飲品的營養(yǎng)與健康。相對于已生產(chǎn)好的瓶裝飲品來說，人們更加青睞于各種現(xiàn)制現(xiàn)配的飲品。近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，休閑消費(fèi)逐漸成為國內(nèi)居民生活的重要組成部分，休閑產(chǎn)業(yè)也隨之興起——休閑飲品店。對于奶茶這個(gè)口味品種多樣的休閑飲品，具有方便快捷時(shí)尚的特點(diǎn)，受到越來越多消費(fèi)者的喜愛，尤其是年輕消費(fèi)者。隨著人們可支配收入的不斷增長，休閑飲品的快速升級(jí)和多樣化，奶茶消費(fèi)群體不斷擴(kuò)展，群體規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大。而且，奶茶行業(yè)作為飲料制造業(yè)里新興的細(xì)分行業(yè)，多年以來銷售速度飛速并且毛利較高，吸引了不少市場參與者的加入，飲料行業(yè)巨頭紛紛爭先投入奶茶市場。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1國外自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展自動(dòng)售貨機(jī)的前身，可追溯至公元1世紀(jì)，古希臘數(shù)學(xué)家希羅制造出一種通過硬幣來自動(dòng)出售圣水的裝置，是世界上最早的自助售賣機(jī)。希羅圣水儀的設(shè)計(jì)很簡單，它是一個(gè)圍繞杠桿原理設(shè)計(jì)的小機(jī)器，如圖1.1所示。圖1.1世界上最早的自助售賣機(jī)原理圖1615年，英國小酒店里出現(xiàn)販賣香煙的自動(dòng)售貨機(jī)，是現(xiàn)在世界上存在的最古老自動(dòng)售貨機(jī)。美國曾是自動(dòng)售貨機(jī)最發(fā)達(dá)的國家之一，世界上第一臺(tái)商用自動(dòng)售貨機(jī)是美國20世紀(jì)60年代推出的，人們可用1美分在自動(dòng)售貨機(jī)上買一塊口香糖。到20世紀(jì)20年代末期，香煙自動(dòng)售貨機(jī)的推出很大程度上引領(lǐng)了自助售貨業(yè)的潮流。據(jù)相關(guān)記載統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)70年代，美國的自動(dòng)售貨機(jī)產(chǎn)生的營業(yè)額將近30億美元，緊接著10年之間，其營業(yè)額增加約20億美元，達(dá)到49億美元。而到20世紀(jì)90年代初，自動(dòng)售貨機(jī)創(chuàng)造了高達(dá)250億美元的營業(yè)額。日本自動(dòng)售貨機(jī)的銷售雖然起步相對其他國家來說較晚，但是其發(fā)展的速度卻極其迅速，曾被稱作“自動(dòng)售貨的王國”。據(jù)記載，在19世紀(jì)80年代，日本出現(xiàn)第一臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)，其真正發(fā)展起來始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)日本自動(dòng)售貨機(jī)數(shù)量近達(dá)24萬臺(tái)。隨后15年里，自動(dòng)售貨機(jī)的數(shù)量以兩位數(shù)的速度迅速增長，到20世紀(jì)90年代末，其數(shù)量超過400萬臺(tái)，當(dāng)年商品的銷售總額將近6萬多億日元，平均每一個(gè)日本人約達(dá)5萬日元。而且，自動(dòng)售貨機(jī)本身正在不斷朝著多功能、高科技和大型化的方向發(fā)展，其發(fā)展前景是非?？捎^的。在歐洲，自動(dòng)售貨機(jī)也是很普遍的。20世紀(jì)40年代，英國第一次把自動(dòng)售貨機(jī)用在銷售食品上，從而為售貨機(jī)的市場開拓出一片新天地。到20世紀(jì)50年代的時(shí)候，已經(jīng)有將近五百多家食品公司用自動(dòng)售貨機(jī)銷售商品，到20世紀(jì)60年代末期商家已經(jīng)增至23萬家，并且銷售的商品設(shè)計(jì)涉及的范圍也在擴(kuò)大，如：飲食、文化用品、香煙等等。20世紀(jì)80年代以來，自動(dòng)售貨機(jī)在法國、德國、意大利等歐洲國家得到迅速的普及與發(fā)展，已成為零售業(yè)態(tài)增長速度最快的行業(yè)之一。目前，自動(dòng)售貨機(jī)在國外隨處可見，其銷售的物品種類也是多樣化，如圖1.2所示。且國外對自動(dòng)售貨機(jī)的研究主要從銷售動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)、資金結(jié)算、銷售數(shù)量及剩余數(shù)量的統(tǒng)計(jì)以及能耗的研究這三個(gè)方面進(jìn)行。國外對于前兩個(gè)方面的內(nèi)容研究多年并取得不錯(cuò)的成果。目前，對其環(huán)境保護(hù)等問題的研究是國外研究的重要領(lǐng)域之一。圖1.2品種多樣的自動(dòng)售貨機(jī)1.2.2國內(nèi)自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展在國外自動(dòng)售貨機(jī)已發(fā)展為一個(gè)相對來說較成熟的零售業(yè)，而我國自助售貨行業(yè)正處于蓬勃的發(fā)展期，相對于歐美國家來說并不是很發(fā)達(dá)。對于出售內(nèi)容來說，目前我國自動(dòng)售貨機(jī)主要是以銷售各種瓶裝飲品（如圖1.3所示）、小零食（如圖1.4所示）為主，銷售的產(chǎn)品種類總體來說比較單一；對于分布區(qū)域來說，國內(nèi)自動(dòng)售貨機(jī)主要是被擺放在商場、學(xué)校、車站等人流量較多的地方。雖然自動(dòng)售貨機(jī)在國內(nèi)存在并發(fā)展已經(jīng)有數(shù)十年，但由于國內(nèi)人們生活方式、習(xí)慣以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各個(gè)因素的影響，自動(dòng)售貨機(jī)一直沒能實(shí)現(xiàn)較好的全面普及。圖1.3瓶裝飲品自動(dòng)售貨機(jī)圖1.4小零食自動(dòng)售貨機(jī)20世紀(jì)90年代初期，我國從日本和韓國等國家引進(jìn)了自動(dòng)售貨機(jī)并且投放到市場。1995年，國內(nèi)第一臺(tái)國產(chǎn)自動(dòng)售貨機(jī)在北京研制成功。南開戈德公司研制了第一套自動(dòng)售貨機(jī)上能夠識(shí)別人民幣的智能辨識(shí)系統(tǒng)，之后該家公司成為國內(nèi)第一家生產(chǎn)對紙幣和硬幣都能識(shí)別的自動(dòng)售貨機(jī)公司。到20世紀(jì)末期，國產(chǎn)自動(dòng)售貨機(jī)實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)并投放市場。與國外一些發(fā)達(dá)國家相比，我國擁有的自動(dòng)售貨機(jī)數(shù)量較少，僅有十幾萬臺(tái)。20世紀(jì)初期我國才只有十幾家公司能夠做到集研發(fā)、制造及運(yùn)營為一體。那時(shí)，我國自動(dòng)售貨機(jī)的總數(shù)量才將近十萬余臺(tái)，這與我國巨大的人口基數(shù)相比顯得微乎其微。國內(nèi)自助售貨業(yè)發(fā)展之所以緩慢，原因是多因素造成的。其中，消費(fèi)者對自動(dòng)售貨機(jī)的易操作性與可靠性存在疑惑是最大障礙。此外，自動(dòng)售貨機(jī)所銷售的商品較單一，且價(jià)格比便利店、超市的同類商品都要高一些。近年來，隨著科學(xué)的發(fā)展和消費(fèi)者對自動(dòng)售貨機(jī)的了解，國內(nèi)越來越多的消費(fèi)者青睞于自動(dòng)售貨機(jī)這種更為靈活方便的消費(fèi)方式，因而自動(dòng)售貨機(jī)運(yùn)營商數(shù)量也隨之增長較快。目前，國內(nèi)自助售賣機(jī)銷售的商品可以根據(jù)放置場所的需求量身定制，如一些冷熱飲品、小零食及電話卡等。并且存貨、銷售等信息可以通過智能售貨系統(tǒng)及時(shí)準(zhǔn)確地反映給客戶或者管理人員。此外，還能支持多種的交易支付模式。2004年，國內(nèi)出現(xiàn)可以通過手機(jī)購物的無線自動(dòng)售貨機(jī)，該種新一代的自動(dòng)售貨機(jī)除了能夠更方便地售賣貨品以外，還被看作是廣告媒介的另一種傳播廣泛的方式。第二章智能飲品調(diào)配售貨機(jī)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)2.1飲品調(diào)配售貨機(jī)用戶需求分析2.1.1消費(fèi)者需求分析本課題研究的飲品調(diào)配售貨機(jī)所要售賣的是現(xiàn)場調(diào)配的休閑飲品，比如奶茶這種受大眾歡迎的飲品，消費(fèi)者對此類的休閑飲品的要求大體上如下：（1）需要所購買的飲品口感好，這是保證對消費(fèi)者忠誠態(tài)度的基本條件；（2）要求自動(dòng)售貨機(jī)可售飲品是現(xiàn)配的且種類多，這不僅能增加消費(fèi)者的購買興趣，而且現(xiàn)配飲品更符合現(xiàn)代人們對綠色健康食品的追求以及養(yǎng)生觀念；（3）飲品調(diào)配可以根據(jù)消費(fèi)者不同需求進(jìn)行選擇，消費(fèi)者可以購買單種配料的飲品，也可以購買多種配料的飲品，售貨機(jī)提供消費(fèi)者自我選擇的配料；（4）購買流程簡單，操作方便，飲品調(diào)配時(shí)間需要盡量短，過長時(shí)間的等待會(huì)使得消費(fèi)者失去用自動(dòng)售貨機(jī)購買飲品的耐心。而且，消費(fèi)者對自動(dòng)售貨機(jī)這種無人進(jìn)行看管、方便靈活的全新一代售貨方式也有以下一些需求：（1）工作需要穩(wěn)定可靠，不能出現(xiàn)選擇飲品后無法進(jìn)行支付，從而導(dǎo)致不能進(jìn)行飲品調(diào)配售賣；（2）支付手段需要滿足當(dāng)代支付需求與形式，一般最簡單常見的支付方式就是投入紙幣或者硬幣來進(jìn)行購買。但是對于特定場合或者人群來說也可對應(yīng)地提供不同的支付方式。比如，對于學(xué)校這種能夠使用校園一卡通來支付的場所，一卡通支付的方式能夠較大程度方便師生進(jìn)行購買；對于一些經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，手機(jī)支付正在逐漸成為主流支付方式，自動(dòng)售貨機(jī)自然要滿足這種主流支付方式；還有其他的支付方式，比如銀行卡、IC卡消費(fèi)等等。2.1.2經(jīng)營者需求分析提供自動(dòng)售貨機(jī)這種服務(wù)以及對其進(jìn)行維護(hù)的管理個(gè)體或者團(tuán)隊(duì)，統(tǒng)一稱之為經(jīng)營者。他們是體現(xiàn)市場需求的一個(gè)群體，他們的需求也更能貼近市場對自動(dòng)售貨機(jī)的產(chǎn)品需求、功能需求以及整個(gè)自助售貨行業(yè)的發(fā)展趨勢所在。經(jīng)營者對自動(dòng)售貨機(jī)的要求大致如下：（1）飲品調(diào)配售貨機(jī)要可靠穩(wěn)定地運(yùn)作，使用壽命長，整體功耗低，維護(hù)成本低，能夠適于不同的工作環(huán)境；（2）售貨機(jī)內(nèi)的執(zhí)行部件需有故障檢測與故障報(bào)警的功能，可以自動(dòng)進(jìn)行檢測、恢復(fù)以及停止等功能；（3）最好能夠具有遠(yuǎn)程監(jiān)控，銷售信息統(tǒng)計(jì)以及管理的功能，能對設(shè)備的運(yùn)行情況做及時(shí)匯報(bào)，且便于經(jīng)營者能更好地去了解市場需求，從而及時(shí)做出銷售策略調(diào)整；（4）可充分地發(fā)揮自動(dòng)售貨機(jī)具備的特有附加價(jià)值，比如新穎外觀、配置觸摸屏作為人機(jī)界面和廣告媒介載體等等，增加親和力以及吸引力。2.2系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)與分析2.2.1系統(tǒng)研究目標(biāo)本課題研究目標(biāo)是研制一款智能飲品調(diào)配售貨機(jī)系統(tǒng)，能夠完成對休閑飲品的調(diào)配與售賣過程。目的是將休閑飲品的人工調(diào)配制作過程轉(zhuǎn)換為機(jī)械自動(dòng)可視化形式的調(diào)配過程，并對各種飲品原漿的儲(chǔ)存量實(shí)時(shí)監(jiān)控，智能通知補(bǔ)貨員是否需要及時(shí)補(bǔ)充貨物，同時(shí)對消費(fèi)者的相關(guān)購買信息進(jìn)行收集、儲(chǔ)存、管理和加工，方便運(yùn)營商對其進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘來獲取其中有意義的、具有潛在價(jià)值的信息，使得飲品調(diào)配售貨機(jī)的管理更加智能化。消費(fèi)者通過觸摸屏向機(jī)械手傳遞任務(wù)命令，機(jī)械手本體接受任務(wù)命令后，完成飲品的調(diào)配，傳送，出貨的功能。系統(tǒng)中機(jī)械手主體理想工作區(qū)域如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)中機(jī)械手主體理想工作平面圖消費(fèi)者通過上位機(jī)對機(jī)械手進(jìn)行任務(wù)指令的下達(dá)，機(jī)械手接受到信息指令后，按照一定的程式開始進(jìn)行工作，從而完成取杯、加飲品原漿等一系列調(diào)配過程，最終將調(diào)配好的飲品通過飲品旋轉(zhuǎn)托盤送出，便于消費(fèi)者自行拿取。2.2.2系統(tǒng)整體思路設(shè)計(jì)本課題是將運(yùn)用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)飲品的自動(dòng)調(diào)配過程，即用機(jī)械手來取代人工飲品調(diào)配過程，但飲品調(diào)配的過程相對來說比較復(fù)雜，倘若僅僅依靠單獨(dú)的系統(tǒng)模塊是很難實(shí)現(xiàn)的，因此需要將一個(gè)大系統(tǒng)分解成多個(gè)小系統(tǒng)模塊進(jìn)行相互配合工作，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的基本要求，所以在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)以下基本設(shè)計(jì)法則進(jìn)行考慮：（1）設(shè)計(jì)合理的飲品調(diào)配灌裝控制系統(tǒng)，能夠保證飲品原漿被定量的灌裝至飲品杯中；（2）根據(jù)不同飲品杯的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的機(jī)械手末端夾取飲品杯的機(jī)械手爪，保證整個(gè)夾取過程的可靠性與穩(wěn)定性；（3）合理地設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)要求的機(jī)械手，能夠準(zhǔn)確地將夾取好的飲品杯送至工作平面的任意位置，并且不與系統(tǒng)中的其它機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞；（4）根據(jù)系統(tǒng)基本要求選擇最合適的控制方案，從而保障整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地進(jìn)行工作過程。2.2.3系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)休閑飲品人工調(diào)配制作過程，結(jié)合自動(dòng)售貨機(jī)售賣相關(guān)技術(shù)和整個(gè)系統(tǒng)所需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出智能飲品調(diào)配售貨機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。智能飲品調(diào)配售貨機(jī)控制系統(tǒng)主要由機(jī)械手自動(dòng)夾取飲品杯模塊、飲品原漿自動(dòng)灌裝模塊、飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)模塊、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制模塊以及上位機(jī)模塊組成。機(jī)械手自動(dòng)夾取飲品杯模塊是整個(gè)飲品調(diào)配過程中重要組成部分之一，它對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性有非常大的影響。它主要是完成對飲品杯進(jìn)行準(zhǔn)確定位夾取，并在一定范圍內(nèi)將夾取好的飲品杯以正確的方式送至飲品原漿灌裝預(yù)定的工位處，機(jī)械手本體是整個(gè)系統(tǒng)中軸心部件，起到機(jī)器換人的作用。機(jī)械手通常由控制器、驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械手臂以及末端執(zhí)行器構(gòu)成。因此結(jié)合本課題研究方案設(shè)計(jì)，采用空間三自由度機(jī)械手作為本系統(tǒng)中完成飲品調(diào)配過程的關(guān)鍵部件。飲品原漿自動(dòng)灌裝模塊是用于對飲品原漿進(jìn)行定量灌裝的部分，主要由若干個(gè)定量灌裝箱設(shè)備組成，每個(gè)定量灌裝箱設(shè)備里面儲(chǔ)存著一種飲品原漿，當(dāng)接收到控制系統(tǒng)的指令后，定量灌裝箱設(shè)備上面的液體電磁閥開始工作，從而使得定量灌裝箱里面的飲品原漿流至飲品杯中。飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)模塊是將調(diào)配好的飲品送出系統(tǒng)工作環(huán)境，即機(jī)械手將調(diào)配好的飲品送至飲品傳輸平臺(tái)上的飲品傳遞托盤上，系統(tǒng)控制飲品傳輸平臺(tái)工作完成飲品自動(dòng)傳輸過程。由于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)體積、質(zhì)量較大，并且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格偏高，更加適合帶動(dòng)大負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，結(jié)合本系統(tǒng)所需性能指標(biāo)，對于本系統(tǒng)中飲品杯這類小負(fù)載來說，選取自行設(shè)計(jì)的飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)對飲品進(jìn)行傳輸。具體的飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將在后續(xù)相關(guān)章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)解釋說明。智能飲品調(diào)配售貨機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成如圖2.2所示。圖2.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成圖機(jī)械手自動(dòng)夾取飲品杯模塊主要是由自行設(shè)計(jì)的空間三自由度機(jī)器人的大、小手臂和末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)夾取抓手等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，其主要功能就是對飲品杯的抓取以及將飲品杯送至系統(tǒng)所需要達(dá)到的工位，即飲品原漿灌裝工位和飲品自動(dòng)傳輸工位。首先機(jī)器人在豎直方向（Z軸方向）上升到抓取飲品杯平面，然后氣動(dòng)夾取抓手夾住飲品杯，整個(gè)機(jī)器人在豎直方向下降至初始位置平面，接著由平面二自由度機(jī)械手臂帶動(dòng)著氣動(dòng)夾取抓手將飲品杯送至對應(yīng)飲品灌裝工位進(jìn)行相應(yīng)飲品的灌裝，對應(yīng)飲品原漿灌裝好后，機(jī)械手臂帶動(dòng)著氣動(dòng)夾取抓手將裝有對應(yīng)飲品原漿的飲品杯送至飲品傳遞托盤上，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中對飲品杯整個(gè)傳送過程。飲品原漿自動(dòng)灌裝模塊主要由飲品原漿儲(chǔ)存容器和液體電磁閥組成，其主要功能就是飲品原漿儲(chǔ)蓄容器對飲品原漿進(jìn)行儲(chǔ)存和液體電磁閥對飲品原漿灌裝管路的通斷。首先飲品原漿被儲(chǔ)存在飲品原漿儲(chǔ)存容器中，當(dāng)消費(fèi)者選購所需飲品后，機(jī)械手根據(jù)前面所述運(yùn)動(dòng)過程將飲品杯送至相應(yīng)飲品灌裝工位，然后通過控制連接在飲品原漿儲(chǔ)存容器上的液體電磁閥的通斷時(shí)間，從而接取一定量的飲品原漿完成對飲品原漿的灌裝。飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)模塊主要由飲品傳遞托盤和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，其主要功能就是將機(jī)械手送至托盤上調(diào)配好的飲品從系統(tǒng)工作空間內(nèi)部送至外部，以便供消費(fèi)者自行拿取。首先機(jī)械手將調(diào)配好的飲品送至飲品傳遞托盤上，然后通過控制電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)飲品傳遞托盤旋轉(zhuǎn)，將調(diào)配好的飲品送出售貨機(jī)外，實(shí)現(xiàn)飲品的自動(dòng)傳輸。智能飲品調(diào)配售貨機(jī)系統(tǒng)的三維整體裝配圖如圖2.3所示。圖2.3系統(tǒng)三維整體裝配圖其中，整個(gè)系統(tǒng)框架由零部件1搭建完成，飲品杯儲(chǔ)存處由零部件2完成，上位機(jī)部分由部件22實(shí)現(xiàn)，機(jī)械手自動(dòng)夾取飲品杯模塊主要由零部件3-12組成，飲品原漿自動(dòng)灌裝模塊主要由零部件13-18組成，飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)模塊主要由零部件19-21組成，各個(gè)零部件的標(biāo)注及功能說明如下：1—合金角鋁型材，用作搭建整個(gè)系統(tǒng)的立方體框架結(jié)構(gòu)；2—取杯器，用作儲(chǔ)存飲品杯；3—?dú)鈩?dòng)夾取抓手，用于夾取飲品杯；4—非移動(dòng)機(jī)械手的小臂；5—行星減速器，用來降低機(jī)械手臂的小臂運(yùn)動(dòng)速度同時(shí)提高輸出扭矩，降低負(fù)載的慣量；6—伺服電機(jī)，與機(jī)械手臂的小臂連接，用來控制小臂運(yùn)動(dòng)；7—非移動(dòng)機(jī)械手的大臂；8—諧波減速器，用于調(diào)節(jié)機(jī)械手臂的大臂運(yùn)動(dòng)速度與加大工作力矩，從而提高負(fù)載；9—伺服電機(jī)，與機(jī)械手臂的大臂連接，用來控制大臂運(yùn)動(dòng)；10—基座，用來固定安裝諧波減速器并承載諧波減速器以上部分的零部件；11—支撐板，用來固定安裝行程氣缸以及承載氣缸以上部分的零部件；12—行程氣缸，作為非移動(dòng)機(jī)械手主體在豎直方向（Z軸）上做升降運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源，用來驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)平面和取杯平面之間升降運(yùn)動(dòng)；13—飲品原漿1儲(chǔ)存容器，用來儲(chǔ)存一定量的飲品原漿1，由于節(jié)約資源，系統(tǒng)中用純凈冷水代替飲品原漿1；14—飲品原漿2儲(chǔ)存容器，用來儲(chǔ)存一定量的飲品原漿2，由于節(jié)約資源，系統(tǒng)中用熱水代替飲品原漿2；15—飲品原漿3儲(chǔ)存容器，用來儲(chǔ)存一定量的飲品原漿3，由于節(jié)約資源，系統(tǒng)中用飲料代替飲品原漿3；16、17、18—液體電磁閥，用來控制飲品原漿灌裝管路的通斷；19—飲品傳遞托盤，用來承載飲品調(diào)配好后的飲品杯；20—電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，與飲品傳遞托盤相連接，實(shí)現(xiàn)對飲品的自動(dòng)傳輸；21—步進(jìn)電機(jī)，與電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接，用來控制電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)飲品傳遞托盤旋轉(zhuǎn)，將調(diào)配好后的飲品由系統(tǒng)工作內(nèi)部空間內(nèi)部傳輸?shù)酵獠浚?2—觸摸屏，主要用于人機(jī)交互，還可以用來作為廣告媒體宣傳。2.3系統(tǒng)運(yùn)行流程分析在智能飲品調(diào)配售貨機(jī)系統(tǒng)中，包括幾個(gè)關(guān)鍵部位的運(yùn)行過程，其系統(tǒng)整體工作運(yùn)行流程如圖2.4所示。圖2.4系統(tǒng)整體運(yùn)行流程下面對該系統(tǒng)的整體工作運(yùn)行流程作簡要闡述。（1）首先非移動(dòng)機(jī)械手本體進(jìn)行初始化使得機(jī)械手臂到達(dá)初始位置，消費(fèi)者通過上位機(jī)的購物界面進(jìn)行購物選擇，移動(dòng)手機(jī)的支付寶或者微信掃描觸摸屏上的二維碼，在移動(dòng)手機(jī)上選擇確認(rèn)購物信息并支付；（2）當(dāng)系統(tǒng)接收到該支付信號(hào)后，系統(tǒng)根據(jù)得到的指令信號(hào)，可編程控制器（PLC）控制高壓氣體電磁閥來使得非移動(dòng)機(jī)械手升降以及氣動(dòng)夾取抓手動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)取飲品杯的動(dòng)作；（3）非移動(dòng)機(jī)械手完成取飲品杯之后，根據(jù)消費(fèi)者選擇飲品種類的不用，選擇不同飲品原漿（此處飲品原漿1、原漿2、原漿3分別用冷水、熱水、飲料替代）進(jìn)行添加；（4）當(dāng)系統(tǒng)接收到消費(fèi)者選擇不同飲品原漿的信號(hào)后，PLC輸出兩組脈沖指令分別控制機(jī)械手大臂、小臂的伺服驅(qū)動(dòng)器，從而使伺服電機(jī)分別控制大臂、小臂轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得飲品杯達(dá)到相應(yīng)飲品原漿灌裝儲(chǔ)存容器工位，進(jìn)行相應(yīng)飲品原漿的添加；（5）添加完飲品原漿，系統(tǒng)分別控制非移動(dòng)機(jī)械手的大臂和小臂運(yùn)動(dòng)，使得非移動(dòng)機(jī)械手將飲品杯送至飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)；（6）可編程控制器（PLC）控制高壓氣體電磁閥使得氣動(dòng)夾取抓手放開飲品杯；（7）系統(tǒng)控制飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)連接在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的飲品傳遞托盤旋轉(zhuǎn)180°送出飲品；（8）最后系統(tǒng)控制非移動(dòng)機(jī)械手的大臂和小臂運(yùn)動(dòng)到初始位置，于此完成整個(gè)飲品的調(diào)配與售貨過程。第三章飲品自動(dòng)灌裝和傳輸平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)與分析3.1飲品原漿定量灌裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)飲品原漿灌裝結(jié)構(gòu)主要用于對飲品原漿的儲(chǔ)存以及當(dāng)系統(tǒng)需要對某種原漿進(jìn)行灌裝時(shí)能夠流出對應(yīng)的原漿，因此該部分的基本結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，即飲品原漿儲(chǔ)存容器和控制飲品原漿管路通斷的液體電磁閥。飲品儲(chǔ)存容器材質(zhì)種類較多，為了保證飲品原漿在可接受時(shí)間范圍內(nèi)儲(chǔ)存過程中是環(huán)保的，并根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況以及食品級(jí)安全規(guī)定選取飲品原漿儲(chǔ)存容器為食品級(jí)安全材質(zhì)儲(chǔ)存容器?？刂骑嬈吩瓭{管路通斷的液體電磁閥根據(jù)飲品儲(chǔ)存容器通孔的大小選取對應(yīng)通徑規(guī)格的電磁閥。整個(gè)用于儲(chǔ)存飲品灌裝部分的實(shí)物圖如圖3.1所示。圖3.1飲品原漿儲(chǔ)存容器實(shí)物由于節(jié)約成本以及資源有限，本系統(tǒng)中用純凈冷水代替飲品原漿1，用熱水代替飲品原漿2，用飲料代替飲品原漿3。其中，儲(chǔ)存純凈水和飲料的容器為食品級(jí)安全塑料灌裝箱，其配置的液體電磁閥技術(shù)參數(shù)如表3.1所示；儲(chǔ)存熱水的容器為不銹鋼奶茶桶，其配置的液體電磁閥是定制耐高溫的，其技術(shù)參數(shù)如表3.2所示。表3.1常規(guī)液體電磁閥技術(shù)參數(shù)表3.2耐高溫液體電磁閥技術(shù)參數(shù)3.2定量灌裝理論分析與實(shí)驗(yàn)3.2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合與驗(yàn)證為了更好地去說明上述理論分析所得定量灌裝理論函數(shù)的合理性，通過多次實(shí)驗(yàn)測量并記錄相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將所得數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行擬合得到對應(yīng)的擬合函數(shù)，將擬合函數(shù)與理論分析所得的理論函數(shù)進(jìn)行對比做誤差分析，從而來驗(yàn)證理論函數(shù)的可行性。從理論分析可知，每次飲品原漿的接取量的多少不僅與液體電磁閥的開通時(shí)間有關(guān)，還與飲品原漿儲(chǔ)存容器中飲品的液位高度有關(guān)。采用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)置每進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)時(shí)液體電磁閥的通斷時(shí)間t固定，記錄該通斷時(shí)間下第n次飲品接取前儲(chǔ)存容器內(nèi)液位高度hn-1和接取后的液位高度hn，由于第n次接取后的液位高度就是第n+1次飲品接取前儲(chǔ)存容器內(nèi)液位高度，所以實(shí)驗(yàn)中需記錄下每次飲品接取前容器內(nèi)液位高度。液體電磁閥的通斷時(shí)間以1s為時(shí)間間隔，每天分上午和下午兩個(gè)階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)各一次，連續(xù)一周記錄下每個(gè)固定通斷時(shí)間時(shí)每次飲品接取前容器內(nèi)液位高度，通過多次實(shí)驗(yàn)對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來驗(yàn)證理論函數(shù)。取以1s為時(shí)間間隔，液體電磁閥的通斷時(shí)間4s至11s內(nèi)每個(gè)固定通斷時(shí)間下共160組液位高度數(shù)據(jù)，即取液體電磁閥每個(gè)固定通斷時(shí)間下20組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3.3。表3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最小二乘法的核心內(nèi)容是利用最小化誤差的平方和，去尋找某一擬合函數(shù)的最佳函數(shù)匹配它是一種數(shù)學(xué)形式的優(yōu)化技術(shù)。該方法常被用在進(jìn)行曲線擬合上。利用最小二乘法在Matlab中編程對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可以得到函數(shù)殘差圖如圖3.3所示。圖3.3數(shù)據(jù)擬合殘差圖通過Matlab編程可得擬合函數(shù)的常數(shù)項(xiàng)為=1.28470934217978，系數(shù)1為=125.397148690731，系數(shù)2為的置信區(qū)間為[0.949200461381295，1.62021822297827]，的置信區(qū)間為[122.302760493760,128.491536887703]，的置信區(qū)間為[-128.782541561117，-122.597212421905]常數(shù)項(xiàng)和系數(shù)、分別在其置信區(qū)間內(nèi)分別對其保留小數(shù)點(diǎn)后兩位可得擬合函數(shù)的函數(shù)關(guān)系式為：（3-1）從而可得擬合函數(shù)圖像如圖3.4所示。圖3.4擬合函數(shù)圖像由理論函數(shù)圖像見圖3.2與擬合函數(shù)圖像見圖3.4對比，我們可以看出兩者圖像在一定程度上相同，可以說明理論函數(shù)在一定程度上是合理的，為了更進(jìn)一步說明其可靠性，對理論函數(shù)與擬合函數(shù)模型進(jìn)行相關(guān)性分析，由Matlab編程可得其相關(guān)系數(shù)矩陣為：（3-2）由上式(3-2)可知相關(guān)系數(shù)R接近于1，即理論函數(shù)與擬合函數(shù)的相關(guān)度較高。再將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論函數(shù)做誤差分析得到誤差結(jié)果如圖3.5所示。圖3.5誤差分析結(jié)果從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，擬合函數(shù)與理論函數(shù)的誤差在5%之間，在允許誤差范圍內(nèi)，證明理論成立即該理論函數(shù)成立。為了驗(yàn)證飲品原漿定量罐裝理論函數(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，現(xiàn)以每杯飲品接取量80g作為目標(biāo)接取量做20組實(shí)驗(yàn)，通過理論函數(shù)來計(jì)算出每次接取飲品所需開通液體電磁閥的通斷時(shí)間，然后對每次接取的每杯飲品質(zhì)量進(jìn)行稱重測量，并將每次稱重量與目標(biāo)接取量進(jìn)行對比。該實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表3.4所示。表3.4定量罐裝（目標(biāo)接取量80g）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將實(shí)際接取量的測量值與目標(biāo)接取量做誤差分析可得每次飲品接取量的誤差結(jié)果如圖3.6所示。每杯飲品實(shí)際接取量與目標(biāo)接取量對比分布圖如圖3.7所示，圖中橫線表示的是目標(biāo)接取量所在值，每杯飲品實(shí)際接取量用小圓點(diǎn)表示。圖3.6飲品接取量的誤差結(jié)果圖3.7實(shí)際接取量與目標(biāo)接取量對比分布圖從誤差分析結(jié)果圖3.6可知，每次飲品實(shí)際接取量與目標(biāo)接取量的誤差都在誤差允許范圍內(nèi)，且從圖3.7中可看出每杯飲品的實(shí)際接取量的量值點(diǎn)均分布在目標(biāo)接取量橫線的上方，即每杯飲品的實(shí)際接取量均能保證有80g，這也是符合飲品定量罐裝要求的，從而再次驗(yàn)證了飲品定量罐裝的理論函數(shù)的合理性與可行性。3.3飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)模塊3.3.1傳輸平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)主要作用是將調(diào)配好的飲品由系統(tǒng)工作空間內(nèi)部通過傳輸平臺(tái)傳遞到工作空間外部供顧客拿取。其設(shè)計(jì)要求不僅需要安裝旋轉(zhuǎn)托盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還需要能夠承載托盤上端飲品載荷，緩解對旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出軸的力矩。自動(dòng)傳輸平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括飲品傳遞托盤和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)連接裝置的設(shè)計(jì)，飲品傳遞托盤用于承載調(diào)配好的飲品，而電動(dòng)旋轉(zhuǎn)連接裝置主要用于連接傳遞托盤與傳輸平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，起著連接機(jī)構(gòu)的作用。飲品傳遞托盤主要由底板和擋板兩部分組成，擋板居中固定在底板上，底板通過螺絲安裝固定在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)連接裝置上，為了使飲品傳遞托盤結(jié)構(gòu)牢固并且質(zhì)量較輕，底板采用厚度為5mm的鋁材質(zhì)，底板中間的擋板主要為了保證統(tǒng)工作空間的封閉性且可視化，因此擋板采用的是透明亞克力板。整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡單，方便安裝。傳遞托盤三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3.8所示，該托盤申請一項(xiàng)實(shí)用新型專利“一種飲品傳遞托盤”已受理。圖3.8飲品傳遞托盤結(jié)構(gòu)圖由于傳統(tǒng)的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)體積大，質(zhì)量更大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不滿足該系統(tǒng)空間安裝需求，并且價(jià)格偏高，更加適合帶動(dòng)較大的負(fù)載。對于本系統(tǒng)中飲品杯這類小負(fù)載，據(jù)此自行設(shè)計(jì)了適合本系統(tǒng)的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)連接裝置，它作為飲品傳遞托盤與驅(qū)動(dòng)裝置之間的連接旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖3.9所示，該旋轉(zhuǎn)裝置申請一項(xiàng)實(shí)用新型專利“一種電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置”已授權(quán)。圖3.9電動(dòng)旋轉(zhuǎn)連接裝置結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)軸通過法蘭帶動(dòng)軸承內(nèi)圈下壓緊蓋轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)過深溝球軸承傳動(dòng)到軸承內(nèi)圈上壓緊蓋，從而帶動(dòng)安裝固定在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)連接裝置上方的飲品傳遞托盤轉(zhuǎn)動(dòng)。3.3.2驅(qū)動(dòng)裝置的選擇飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)需要為其選擇合適的驅(qū)動(dòng)裝置，根據(jù)第三章中機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇部分可知，目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用最為廣泛的一種驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)速度較快，輸出功率大，傳輸較方便且控制簡單。根據(jù)系統(tǒng)中飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)的特性可知，傳遞托盤所承載的飲品負(fù)載較小，所需電機(jī)輸出功率不大，每次調(diào)配好的飲品放置在自動(dòng)傳輸平臺(tái)上，傳輸平臺(tái)需要旋轉(zhuǎn)180°將飲品從系統(tǒng)工作空間內(nèi)側(cè)傳輸?shù)酵鈧?cè)。考慮到研究成本以及滿足實(shí)際運(yùn)動(dòng)要求的前提下，飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)選擇TELESKY兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為57BYG250B，其技術(shù)參數(shù)如表3.5所示，實(shí)物如圖3.10所示。表3.5步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)圖3.1057BYG250B步進(jìn)電機(jī)第四章系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制和上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)硬件部分4.1.1PLC選擇PLC是ProgrammableLogicController的簡稱，即是可編程控制器。PLC的開發(fā)設(shè)計(jì)主要是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，以中央處理器（CPU）為核心并綜合了通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中新型控制設(shè)備。其工作原理基本上與計(jì)算機(jī)的工作原理是相同的，可以簡單地概述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過寫入專用程序來完成用戶的指定任務(wù)，且系統(tǒng)工作任務(wù)的管理以及專用程序的執(zhí)行都是采用循環(huán)掃描的工作方式進(jìn)行的。其抗干擾能力非常強(qiáng)，具有很好的可靠性，應(yīng)用廣泛。針對本課題研究需求，PLC控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)伺服電機(jī)需要3個(gè)高速脈沖輸出以及3個(gè)數(shù)字量輸出，機(jī)械手基座驅(qū)動(dòng)氣缸上升和下降對應(yīng)2個(gè)數(shù)字量輸入，機(jī)械手大臂和小臂的正反轉(zhuǎn)對應(yīng)4個(gè)數(shù)字量輸入，傳遞托盤的正反轉(zhuǎn)對應(yīng)2個(gè)數(shù)字量的輸入，移動(dòng)支付模塊占用1個(gè)數(shù)字量輸入，機(jī)械手氣動(dòng)夾取抓手需要1個(gè)數(shù)字量輸出，三個(gè)液體電磁閥和一個(gè)高壓氣體電磁閥的通斷需要4個(gè)數(shù)字量輸出。而且，PLC需要與上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行通訊，則需具有一個(gè)RS232串口通訊的接口。依據(jù)上述所需數(shù)字量輸入輸出口以及串口通訊接口的要求，并且遵循可編程控制器的選型原則以及研究成本，綜合考慮選擇三菱FX3U系列PLC，型號(hào)為FX3U-48M。圖4.1三菱FX3U-48M該型號(hào)PLC是第三代微型可編程控制器，結(jié)構(gòu)緊湊，220V交流電源供電，提供24個(gè)數(shù)字量輸入口和24個(gè)數(shù)字量輸出口，具有3組高速脈沖輸出，并且內(nèi)置高達(dá)64K大容量的RAM儲(chǔ)存器，內(nèi)置獨(dú)立3軸100KHz定位功能，具有RS232和RS485通訊接口。除了浮點(diǎn)數(shù)、字符串處理指令之外，還具備定坐標(biāo)指令等豐富指令。4.1.2系統(tǒng)控制架構(gòu)智能飲品調(diào)配售貨機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以三菱FX3U系列PLC和上位機(jī)（觸摸屏）為核心，兩者之間是通過RS232串行通訊接口連接，從而完成信息之間的相互傳遞。其中PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心控制器，執(zhí)行著系統(tǒng)所有控制程序，產(chǎn)生相應(yīng)控制信號(hào)作用于系統(tǒng)的執(zhí)行器上，從而控制著整個(gè)控制系統(tǒng)正常的運(yùn)作。上位機(jī)用于消費(fèi)者進(jìn)行掃碼支付，將支付信號(hào)傳遞給PLC控制器，并將消費(fèi)者的交易信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理，供運(yùn)營商對其數(shù)據(jù)信息挖掘，從而后續(xù)提供更好地服務(wù)給消費(fèi)者。PLC控制器執(zhí)行對系統(tǒng)中機(jī)械手主體的控制，實(shí)現(xiàn)對飲品的調(diào)配過程。該控制系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、繼電器、高壓氣體電磁閥、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液體電磁閥和機(jī)械手等組成。當(dāng)智能飲品調(diào)配售貨機(jī)系統(tǒng)開始準(zhǔn)備運(yùn)作時(shí)，消費(fèi)者通過上位機(jī)（觸摸屏）進(jìn)行手機(jī)移動(dòng)支付掃碼，在手機(jī)端完成相應(yīng)飲品選擇以及支付后，上位機(jī)將支付完成信號(hào)通過RS232串口通訊傳遞給PLC控制器，PLC控制器根據(jù)支付信號(hào)通過繼電器控制高壓氣體電磁閥的通斷氣，從而使得飲品調(diào)配機(jī)械手主體的升降以及氣動(dòng)夾取抓手閉合動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)對飲品杯的抓取動(dòng)作；完成取杯動(dòng)作的信號(hào)傳遞給PLC控制器之后，PLC控制器輸出兩組脈沖信號(hào)分別控制機(jī)械手大臂和小臂的伺服驅(qū)動(dòng)器，從而控制伺服電機(jī)分別控制機(jī)械手大臂和小臂轉(zhuǎn)動(dòng)至相應(yīng)飲品灌裝工作位；飲品杯達(dá)到相應(yīng)飲品接取工作位后PLC控制器延時(shí)控制相應(yīng)繼電器動(dòng)作，進(jìn)而控制對應(yīng)液體電磁閥導(dǎo)通，對飲品進(jìn)行接取動(dòng)作；液體電磁閥關(guān)斷信號(hào)傳遞給PLC控制器，PLC控制器控制機(jī)械手將調(diào)配好的飲品送至飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)，進(jìn)而控制高壓氣體電磁閥斷氣使得氣動(dòng)夾取抓手開張，即機(jī)械手將飲品杯放置在傳遞托盤上；高壓氣體電磁閥斷氣的信號(hào)傳遞給PLC控制器，PLC控制器接收到該信號(hào)后輸出一組脈沖指令控制傳輸平臺(tái)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，從而控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)連接裝置旋轉(zhuǎn)180°送出飲品。整個(gè)系統(tǒng)的控制架構(gòu)框架示意圖，如圖4.2所示。圖4.2PLC控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖綜合實(shí)際情況需求設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)物樣機(jī)平臺(tái)搭建如圖4.3所示。整個(gè)系統(tǒng)外框架用鋁型材搭建，平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式機(jī)械手固定在整個(gè)框架中間偏右的位置，飲品杯儲(chǔ)存器通過鋁型材固定安裝在機(jī)械手氣動(dòng)夾取抓手正上方位置，飲品原漿灌裝儲(chǔ)存容器依次排放在系統(tǒng)框架的后部，飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)在系統(tǒng)框架最前方。按照事先設(shè)計(jì)位置將每個(gè)模塊搭建安裝好后，整個(gè)系統(tǒng)外框架下部分用非透明亞克力板封裝起來，上部分用透明亞克力板進(jìn)行封裝，讓整個(gè)飲品調(diào)配過程可視化，更加符合顧客安全消費(fèi)的心理。在上半部分透明亞克力板的右上方開槽位置安裝好上位機(jī)（觸摸屏），最后搭建系統(tǒng)控制箱，依次連接系統(tǒng)控制電路、PLC控制器與觸摸屏。圖4.3系統(tǒng)整體裝置實(shí)物圖4.1.3控制元器件選型（1）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器又稱為伺服控制器，是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制重要組成部分，在工業(yè)機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。它是伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中重要器件，用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，主要用于高精度定位系統(tǒng)中。伺服驅(qū)動(dòng)器的控制核心是數(shù)字信號(hào)處理器，其作用類似于變頻器作用在普通交流馬達(dá)，它是在發(fā)展變頻技術(shù)前提下，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部有比一般變頻技術(shù)更精確控制技術(shù)與算法的電流環(huán)、速度環(huán)以及位置環(huán)。利用系統(tǒng)控制器發(fā)送脈沖序列來控制速度和位置。本課題控制機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇的是臺(tái)達(dá)公司ASD-B2系列400W伺服驅(qū)動(dòng)器，其型號(hào)為ASD-B2-0421-B，如圖4.4所示。其工作電壓為三相或者單相220V，連續(xù)輸出電流2.6Arms，編碼器分辨率為17-bit，支持位置P、速度S以及轉(zhuǎn)矩T三種控制模式。（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度就是步距角。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是根據(jù)控制器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向指令對步進(jìn)電機(jī)的角位移量和正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)和其對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器共同構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中重要組件，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能由步進(jìn)電機(jī)本身性能與其對應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣共同決定。選擇步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的一般原則為：1）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的最大額定電流要略大于步進(jìn)電機(jī)的額定電流；2）根據(jù)系統(tǒng)所需運(yùn)動(dòng)精度選擇合適的驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)。本系統(tǒng)選擇的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如圖4.5所示，其具有自動(dòng)半流、過壓和過流保護(hù)等功能。微步細(xì)分共15檔，最大步數(shù)為25000Pluse/rev，可以通過4位撥碼開關(guān)進(jìn)行選擇；輸出電流共8檔，工作峰值電流范圍為1.0A-4.2A，可以通過3位撥碼開關(guān)進(jìn)行選擇，電流的分辨率約為0.45A；直流供電驅(qū)動(dòng)，脈沖信號(hào)電壓為5V，工作電壓范圍為DC24V-36V，其不超過50VDC且不低于20VDC。本系統(tǒng)中選擇24V直流電壓供電。圖4.4伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖圖4.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（3）電磁閥電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，是用來控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器。當(dāng)電磁閥通電時(shí)，內(nèi)部電磁線圈通電產(chǎn)生電磁力，從閥座上提起關(guān)閉件，閥門導(dǎo)通；當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生的電磁力消失，電磁閥內(nèi)部彈簧將關(guān)閉件彈回閥座上，閥門關(guān)閉。本課題中機(jī)械手自動(dòng)夾取飲品杯模塊的氣體電磁閥選擇AirTAC公司型號(hào)為4V210-08/DC24V的二位五通換氣電磁閥，如圖4.6所示。其使用壓力范圍是0.15-0.8Mpa，工作電壓是直流24V，最高動(dòng)作頻率是5次/秒。圖4.6二位五通換氣電磁閥4.1.4控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)電源是保障整個(gè)控制系統(tǒng)能夠正常工作的源動(dòng)力，是系統(tǒng)中所有設(shè)備能夠工作的基礎(chǔ)，因此系統(tǒng)電源電路的合理電氣設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行的保障，且對于工作人員的生命安全也是至關(guān)重要的。本系統(tǒng)中電源電路的設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分，即主電路作為一部分，用于給控制系統(tǒng)中核心處理器和交流轉(zhuǎn)直流模塊供電；輔助主電路來控制其通斷電的輔助電路作為另一部分。電源電路的電氣設(shè)計(jì)如下圖4.7所示，從圖中可知，在左側(cè)的輔助電路中，啟動(dòng)按鈕SB1是按照常開觸點(diǎn)進(jìn)行連接，停止按鈕SB0是按照常閉觸點(diǎn)進(jìn)行連接。當(dāng)按下SB1，線圈KM0將會(huì)通電進(jìn)行吸合，它的一個(gè)輔助觸點(diǎn)KM0與啟動(dòng)按鈕SB1并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)電路自鎖，能夠讓電路始終為供電狀態(tài)。若斷開與該電路串聯(lián)連接的停止按鈕SB0，則使得主電路為斷電狀態(tài)。而按下輔助電路中急停按鈕SB2，則使得主電路停止為PLC控制器和交流轉(zhuǎn)直流模塊供電。圖4.7電源電路的電氣原理圖根據(jù)系統(tǒng)中所需PLC輸入輸出接口，在三菱FX3U-48M型號(hào)PLC上分配，PLC處理器與其外圍元器件的控制電路以及控制箱實(shí)物接線圖分別如圖4.8和圖4.9所示。圖4.8PLC控制電路圖圖4.9系統(tǒng)控制電路接線實(shí)物圖4.2控制系統(tǒng)軟件部分4.2.1編程語言與環(huán)境三菱FX3U-48M可編程控制器是智能飲品調(diào)配售貨機(jī)控制系統(tǒng)的硬件控制核心，需要編寫合適的控制程序才能夠使得三菱FX3U-48M恰當(dāng)?shù)乜刂普麄€(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，所以飲品調(diào)配售貨機(jī)控制系統(tǒng)是否能夠正常工作取決于軟件部分是否設(shè)計(jì)合理。針對本系統(tǒng)采用的可編程控制器三菱FX3U-48M，三菱電機(jī)推出了專門用于PLC設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)的三菱綜合PLC編程軟件GXWorks2，該軟件是繼編程軟件GXDeveloper和仿真軟件GXSimulator之后推出的綜合編程軟件，其具有簡單工程和結(jié)構(gòu)工程兩種編程方式。支持梯形圖、指令表、SFC、結(jié)構(gòu)化梯形圖等編程語言，集成了編程仿真軟件GXSimulator2，具備程序編輯、參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)設(shè)定、監(jiān)控、仿真調(diào)試、在線更改等功能，可以在沒有硬件設(shè)備的情況下，進(jìn)行在線模擬和仿真，提高了功能以及操作性能的同時(shí)變得更加容易使用。適用于三菱Q、FX系列的PLC，該軟件的新建工程設(shè)置界面和工程建立后的編輯界面分別如圖4.10和圖4.11所示。圖4.10GXWorks2新建工程設(shè)置界面圖4.11GXWorks2程序編輯界面4.2.2控制程序設(shè)計(jì)（1）軟件設(shè)計(jì)思路為了使得軟件設(shè)計(jì)程序的結(jié)構(gòu)清晰，且方便對程序的理解以及調(diào)試，本課題的控制系統(tǒng)軟件部分采用梯形圖以及功能塊的設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)程序按照工作流程的不同功能分階段進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，將任務(wù)從整體到局部功能進(jìn)行分析，從而更容易理解程序的邏輯性，有利于程序的編寫設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試。本軟件的設(shè)計(jì)主要包括氣動(dòng)夾取抓手夾取飲品杯部分、機(jī)械手抓取飲品杯運(yùn)動(dòng)部分、飲品原漿灌裝部分、飲品自動(dòng)傳輸平臺(tái)部分以及上位機(jī)部分。通過對五個(gè)部分進(jìn)行分析，將整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件部分簡單化，最終實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的有效控制。（2）軟件設(shè)計(jì)流程根據(jù)系統(tǒng)需求以及工作流程，對三菱FX3U-48M型號(hào)PLC上的I/O端口進(jìn)行具體分配如下表4.1。表4.1PLC輸入輸出口分配整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，控制系統(tǒng)上電復(fù)位，PLC控制器掃描初始化，按照系統(tǒng)設(shè)定的工作流程，當(dāng)有消費(fèi)者通過觸摸屏進(jìn)行移動(dòng)掃碼后，通過手機(jī)端支付進(jìn)行飲品種類選擇并支付成功將該信號(hào)發(fā)送給控制器，控制器接收到支付成功信號(hào)對機(jī)械手進(jìn)行初始化，使其到達(dá)初始位置等待下一個(gè)指令，若機(jī)械手到達(dá)初始位置則控制器控制氣缸上升使機(jī)械手到達(dá)取杯平面，接著控制氣動(dòng)夾取抓手閉合并使升降氣缸下降，完成取杯動(dòng)作，然后控制器根據(jù)消費(fèi)者選取飲品種類的指令，控制夾取著飲品杯的機(jī)械手的大臂、小臂運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)飲品原漿灌裝工作位進(jìn)行飲品原漿的灌裝，當(dāng)飲品原漿灌裝完的信號(hào)給控制器，控制平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到自動(dòng)傳輸平臺(tái)放飲品杯的位置，此時(shí)氣動(dòng)夾取抓手張開放下調(diào)配好的飲品至傳遞托盤上，控制器控制自動(dòng)傳輸平臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°將飲品傳遞出系統(tǒng)調(diào)配工作空間，最后控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到初始位置等待下一次指令動(dòng)作。4.3系統(tǒng)上位機(jī)部分4.3.1上位機(jī)購物界面如圖4.12所示，上位機(jī)的購物界面主要包括四個(gè)部分：購物主輔料選擇模塊、選購須知模塊、月售排行模塊以及購物車模塊。圖4.12系統(tǒng)上位機(jī)的購物界面在上位機(jī)界面的不同區(qū)域分別顯示主料選擇和輔料選擇，使得整個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)界面更加符合消費(fèi)者購物需求。選擇須知的顯示，可以讓消費(fèi)者能夠清楚飲品調(diào)配售貨機(jī)的整個(gè)購物過程以及選購過程中所需要注意的細(xì)節(jié)地方，使得整個(gè)售貨機(jī)的服務(wù)更加人性化。月銷售排行模塊展示的是選購當(dāng)天的一個(gè)月前所有售出飲品記錄的排行榜單，消費(fèi)者可以根據(jù)自身喜好或者月銷售排行榜單進(jìn)行飲品選購，能夠更好地為消費(fèi)者提供飲品選購參考向?qū)В奖阆M(fèi)者購物。購物車模塊則是供消費(fèi)者進(jìn)行購物清單以及支付金額的確認(rèn)，并且在