摘要：基于机器视觉设计了一款智能变量售饭机。详细介绍了其主体机构、变量模组的结构、PCB控制板与触摸一体PCL的结合使用，给出了米饭检测（传感器）装置和PLC中央控制器控制出饭结构模型的创新设计和设计要点。专业检测结果显示，售饭平均速度达到2.55 s、饭量误差不大于5 g、连续运行时间3 h无故障、触摸感应平均时间0.5 s，且拥有杀菌消毒功能。实践证明，该售饭机运行平稳、安全，变量误差精度都达到设计要求，劳动生产率提高约50%。与其他同类型售饭机相比，该售饭机在各项功能上都有优势，用户满意度较高。

　　关键词：智能；变量；售饭机

　　0引言

　　随着生活节奏的加快，人们越来越追求生活的便捷性，尤其是在餐饮问题上。如何能够提供快速、智能、安全、方便的餐饮服务，满足现代都市人的需求，研究一款能够解决上述问题的智能变量售饭机[1]显得尤为重要。本文通过精确计量和自动化操作，助力减少食物浪费，符合当前社会对节约资源和保护环境的要求。采用智能技术[2-3]和机器视觉技术[4]为智能变量售饭机提供技术支持，通过机器视觉技术，智能变量售饭机能够实现自动识别、计量和交易，可以大幅度提高售饭的效率和准确性。在食品安全[5-6]日益受到关注的当下，智能变量售饭机通过自动化操作减少人为接触，大幅度提高食品的卫生安全标准[7]。

　　本文设计一种基于机器视觉的智能变量售饭机，通过精确识别和设计定量行程机构对米饭的切割，实现自动化、个性化、定量化的售饭服务。研究内容包括智能变量售饭机的系统架构设计[8]、机器视觉识别[9-11]、米饭定量机构设计，以及系统集成和实地测试等。采用的方法包括图像处理[12]、模式识别、机器学习等先进技术。研究成果在提高售饭效率、降低运营成本、实现定量售饭、提升顾客满意度等方面的优势显著。此外，该智能变量售饭机的成功应用也将为餐饮服务行业的自动化和智能化发展提供新的思路和实践参考。

　　1设计原理

　　采用物联网技术[13]、大数据、视觉检测等先进技术实现食品储存、销售、支付等全程的智能化管理，为消费者提供更加安全、高效、快捷的用餐体验。智能变量售饭机的主要技术特征包括机器视觉的餐盘检测定位系统、售饭机本体、餐盘图像处理等，如图1所示。

　　2机械结构

　　根据用户的外观及结构设计[14-17]要求，智能变量售饭机采用食品级304不锈钢材料，外观设计需要达到简洁、大方、快捷、安全、卫生、变量精准的要求。综合上述要求，智能变量售饭机的机构应主要包括主体部分、变量模组、储饭器机座部分、储饭器运输装置，如图2所示。储物机座固定在售饭机主体的下方。售饭机主体设计壳体和储饭器，壳体内设有储饭器定位装置，储饭器上设置与该储饭器定位装置相匹配的定位单元，储饭器通过储饭器运输装置运送到壳体内，并通过储饭器定位装置和定位单元与壳体定位和固定。

　　2.1变量模组机构设计

　　根据智能变量售饭机的设计指标参数，售饭机的变量模组结构采用松饭机构、下饭斗、切饭装置和出饭机构，下饭斗设置在松饭机构下方。切饭装置设置在下饭斗与出饭机构之间，如图3所示。结构紧凑、节约空间、运行稳定性好。

　　切饭装置（图4）采用包括上刀片机构、下刀片机构、定量行程机构和横切机构。采用不锈钢刀片对四方饭团进行切割，能够保证食品卫生的安全，同时也容易进行清洁，保证了食品的安全问题。上刀片机构和下刀片机构位于下饭斗下方，定量行程机构与上刀片机构进行连接，定量行程机构带动上刀片机构沿竖直方向移动。横切机构分别与上刀片机构和下刀片机构连接，横切机构带动上刀片机构和下刀片机构中的刀片沿水平方向移动。这样的设置可以通过定量行程机构带动上刀片机构的移动来实现米饭高度的调整，从而改变米饭饭量，通过此结构设计，可以更好地控制切饭机构运行的稳定性，同时精准地控制饭量。

　　上刀片机构（见图4相应位置）设计有导向座和上滑轨，导向座套设在下饭斗外侧，避免滑轨在长期运动摩擦中产生的卫生问题，方便清洁。上滑轨设置在导向座底部，上刀片组设置在上滑轨中，定量行程机构与导向座连接，能够保证饭量的精准切割，从而保证售饭机的出饭准确度达到设计要求。导向座设置有一通孔，通过该通孔套设在下饭斗外侧。导向座的两侧分别设置有侧板，连接块的第二杆与侧板固定连接。定量行程机构通过连接块带动上刀片机构沿竖直方向移动，上滑轨的边缘设置有导向孔。连接块和侧板是为储饭器及其运输装置提供导向作用。

　　下刀片机构（见图4相应位置）包括下滑轨，下刀片组设置在下滑轨中，下滑轨的上表面设置有向上凸出的导向柱，导向柱与导向孔的位置相对应，导向柱插入至导向孔中，这样可以保证下刀片机构的整体稳定性和灵活性。

　　横切机构（图5）包括摆杆和凸轮单元，利用摆杆和凸轮单元的机构设计，可以增大切饭的力度，保证刀具在切饭过程中的精准度和连贯性。摆杆的一端与凸轮单元连接，摆杆的另一端与上刀片组连接，凸轮单元可带动摆杆与上刀片组的连接端沿水平方向运动。摆杆的一端设置有开口的卡槽，上刀片组的边缘设置有向上凸出的立柱，摆杆的卡槽卡设在立柱外侧，摆杆通过凸轮单元摆动时可以利用卡槽推动立柱，立柱带动上刀片组沿水平方向移动。下刀片组的横移方式和上刀片组的移动方式一样。横切机构的驱动方式采用伺服电动机+蜗轮蜗杆传动。

　　2.2储饭器及其运输装置设计

　　储饭器及其运输装置如图6~7所示，均采用食品级304不锈钢材料。运输装置具有自动上下储饭器的功能，设计高度与售饭机相同，有两个定位单元。储饭器通过定位单元配合壳体上的储饭器定位装置，实现与运输装置的快速定位和固定。从而使储饭器的安装、拆卸、提升、移动都变得更加方便快捷和准确。

　　壳体内的储饭器定位装置包括2个储饭器承载板和导向块。2个储饭器承载板分别设置在壳体相对的两侧内壁上，并将壳体分成连通的上空腔和下空腔。每个储饭器承载板上设有至少1个导向块，用于为储饭器滑行导向。壳体的后方设有开启和关闭的后门。

　　储饭器通过储饭器运输装置运送到壳体的上空腔和下空腔之间，并与储饭器定位装置快速定位和固定。松饭机构设置在壳体的下空腔内，并位于储饭器的下方，用于将米饭均匀地送入分饭机构内。分饭机构设置在壳体的下空腔内，并位于松饭机构的下方，用于按量将饭团切分排出下落到出饭机构。出饭机构设置在壳体的下空腔内，并位于分饭机构的下方，用于将定量的饭团送出到下方的盛饭容器。

　　储饭器运输装置采用四轮手推式，包括支架、固定储饭器的升降平台、驱动升降平台上下移动的驱动机构，以及驱动支架移动的推动机构，实现储饭器的自动控制，减少人力成本，提高卫生程度。升降平台滑动设置在支架上，可沿着支架上下移动。支架包括固定架、竖直支架、2个水平支架。竖直支架上设升降导轨。升降驱动机构驱动升降平台沿升降导轨上下移动。2个水平支架平行相对，且均为Z形的弯折型结构，提高了升降平台的工作稳定性，提高了捏合效果。升降平台包括滑块、2个支撑条和水平定位单元。滑块滑动设置在竖直支架上。2个支撑条水平设置并平行相对，分别垂直固定在滑块上。滑块和2个支撑条之间形成一个用于容置储饭器的容置空间。水平定位单元设置在2个支撑条水平定位单元包括3对定位块，第1定位块（可为一三棱锥）、第2定位块和第3定位块。2个第1定位块分别固定在2个支撑条的上表面，储饭器放置在升降平台上，第1定位块的一端面与第2定位模块的一端面相贴合，顶住第2定位模块，防止储饭器向前移动。第2定位块的两端分别与2个支撑条的内侧面连接，储饭器放置在升降平台的容置空间上时，第2定位块的一侧面与储饭器的2个支撑脚的一侧面相贴合，以顶住储饭器的支撑脚，防止储饭器向后移动。至少2个第3定位块分别固定在2个支撑条的外侧面，并突出于支撑条，在储饭器滑入到壳体内的合适位置时，通过第3定位块挡在壳体上，阻止储饭器继续向壳体内滑行。

　　3智能控制系统

　　智能控制系统由3部分组成：餐盘自动检测定位系统由工业相机、多功能光源、光学镜头、图像采集卡、图像处理软件构成。执行模块由视觉模块[18]、机器手、末端执行器和控制器构成。控制模块由上位机和上位机软件构成。智能控制系统的结构如图8所示，其工作流程如图9所示。

　　米饭检测装置采用3对对射传感器[19]。第一对射传感器设置在壳体下空腔相对的两侧壁上，与储饭桶的下端端部在同一水平线上，用来检测储饭桶内米饭量的变化，当米饭量减少到警戒窗口时会及时发出报警。第二对射传感器设置在壳体下空腔相对的两侧壁上，与分饭机构在同一水平线上，用来检测分饭机构内米饭量的变.化，当米饭没有及时补充到警戒窗口时会发出报警。第三对射传感器设置在出饭机构下方的两侧，以检测在出饭机构下是否放置了盛饭容器，当第三对射传感器检测到盛饭容器到位时，发送信号到PLC中央控制器[20]，控制出饭机构准确定量的排出米饭。PCB控制板与触摸一体PCL相结合.

　　4应用验证与效果分析

　　所设计的智能变量售饭机的功能及价格和国外某品牌自动售饭机的对比结果如表1所示。经第三方专业检测机构检测[21-22]和用户的使用，本文设计的智能变量售饭机在饭量误差、臭氧杀菌消毒功能、连续运行时间、触摸感应时间等方面，以及电源适应性、电气安全、绝缘电阻、泄温电流、耐压电气强度、接地装置、温电保护等指标均达到使用要求。

　　（1）从使用功能方面看，所设计的智能变量售饭机的使用功能有5种型号的不同变量，而国外某品牌自动售饭机采用的是固定变量350 g。与国外3个品牌对比，此款智能变量售饭机的变量基础更加多样，能满足不同人群的需求。在售饭时间上，此款智能变量售饭机的单次售饭时间达到约3 s，而国外某品牌约为10 s。通过使用功能和价格两个指标对比，此款智能变量售饭机具有明显的先进性。

　　（2）从销售价格来看，所设计的智能售饭机的销售价格和欧美发达国家的智能售饭机销售价格具有明显的优势，性价比较好。

　　5结束语

　　本文基于机器视觉设计了一款智能变量售饭机。创究领域为机械设计与制造、自动化设备。新提出了PCB控制板与触摸一体PCL的结合使用，采用机器视觉技术搭建了餐盘检测定位系统，判别餐盘的边缘轮廓，通过运动定位机构调整餐盘位置。设计了能够实现快速售卖动作的机构模块，每次售饭动作大约2.5 s。从使用功能方面看，此款智能变量售饭机在消毒时间、售饭速度、米饭存量、装拆时间上与国内外的同类产品相比，都有显著的优势。实际应用结果表明，所设计的智能变量售饭机受到客户的一致好评，能产生较大的经济效应。

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