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为解决目前全自动咖啡机不具备封口功能，不利于携带等问题，设计了一款集咖啡的制作与封口一体的全自动咖啡机。该设备以PLC作为主控单元，通过梯形图编程控制电磁阀、气缸、电动磁化杯等装置进行动作。现场实验表明，此系统能够实现预期功能并且成本较低，工作可靠。 1 引言
咖啡是世界范围内的流行饮品，是世界贸易总量最大的农产品之一，喝咖啡已经慢慢地成为人们的一种生活习惯（文志华，毕晓菲，鲁维艳，中国咖啡消费趋势浅谈：农产品加工，2018）。随着社会经济的发展、生活节奏的加快，全自动咖啡机应运而生。国内外已经有很多学者研究并设计了多种全自动咖啡机。文献（郭艳婕，袁林，方作为，杨立娟，田绍华，高蓓，基于单片机的全自动咖啡机的设计及实现：
高校实验室工作研究，2017）提出了一种单片机作为主控单元的全自动咖啡机，该咖啡机可以实现控制温度、流量、浓度等预期功能。文献（朱军山，潘坚，张向萍，洪在地，黄加乐，陈威，全自动咖啡机的研究：家电科技，2005）提出了一种基于单片机的咖啡机设计，重点设计了咖啡机的加热器、酿造器和控制系统。文献（丘永亮，邱腾雄，新型全自动胶囊咖啡机研究与设计：机电工程技术，2016）通过引入单向电磁阀、流量计、水位传感器来实现对胶囊咖啡冲泡的控制。本文提出了一种集咖啡的实时制作与封口一体的全自动咖啡机，并以可编程逻辑控制器作为主控单元，具有操作简单，工作可靠，抗干扰能力强等优点（Dacheng M,Zhimin H,Jie G,et al.Research and implementation of building distributed control system based on S7-200 PLC and PC:International Conference on Computer & Automation Engineering. IEEE,2010）。 2 全自动咖啡机机械结构及工作原理
2.1 全自动咖啡机机械结构
本全自动咖啡机系统机械结构如图1所示，包括饮水机，桶装
水，送料机构，电动磁化杯，自动封口机，纸杯，气缸，压力传感器，光电传感器等。其中，饮水机和桶装水作为水源，并且饮水机具备加热功能；电磁阀用来控制水流的通断；超声波传感器（颜浩，周林，栾文洲，逄增栋，严俊，基于超声波传感器的液位控制系统：价值工程，2018）用来控制磁化
杯中咖啡的容量；送料机构由气缸1、特殊外形的尼龙块、量杯构成，用来储存和定量输送咖
啡；电动磁化杯用来搅拌以实现咖啡的溶解；气缸2用来进行纸杯的上来运动进而实现封口；自动封口机用以实现纸杯的封口；压力传感器用来检测纸杯中咖啡的量，达到设定容量后，气缸2向下运
动，触发自动封口机动作。
图1 全自动咖啡机系统机械结构图
2.2 全自动咖啡机工作原理
全自动咖啡机系统工作原理如图2所示。纸杯置于托盘上时，光电传感器获得信号，根据客户按钮选择，只通电电磁阀1或同时通电电磁阀1和2，与此同此动作气缸1，将定量的咖啡粉推入电动 磁化杯中。电动磁化杯动作，将咖啡粉均匀搅拌，当液面达到一定高度时，超声波传感器获得信号，打开电磁阀3并同时断开电磁阀1、2和电动磁化杯。当压力传感器获得信号后，气缸2向下动作，
基于PLC的全自动咖啡机研究与实现
上海工程技术大学机械与汽车工程学院 韩 松 金晓怡
郭圣卫 汪雅茹
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触发自动封口机信号进行封口，待封口结束后，光电传感器2获得信号，气缸2
咖啡加工
向上动作，纸杯回到原位置，工作结束。
图2 全自动咖啡机系统工作原理图
图3 全自动咖啡机控制系统及接线
3 全自动咖啡机控制系统及接线
全自动咖啡机控制系统及接线如图3所示，经过对所需输入输出信号点数及成本等各方面分析，最终选
用选用三菱FX （Ridley J.Mitsubishi FX Programmable Logic Controllers||Special M
coils:2003）系列小型PLC ，具体型号为FX2N-32MR （张运刚，宋小春，郭武强，三菱FX2NPLC 技术与应用，2007），光电传感器、压力传感器等传感器选用NPN 型且均采用可编程逻辑控制器自带24V 电压供电，气缸1选用通过两位五通电磁阀控制的双控笔形气缸，气缸2选为通过两位五通电磁阀控制的双控三轴气缸（郝飞，唐春霞，寇常乐，基于PLC 的气动多工位装配装置的设计：煤矿机械，2018）。光电传感器、压力传感器作为PLC 输入信号使用，与PLC 输入端子相连；电磁阀作为输出信号与PLC 输出端子相连，并且电磁阀控制着执行元件的运动。通过梯形图的编程（江永富，廖晓梅，三菱PLC 编程技术及工程案例精选：机械工业出版社，2011）实现输入信号控制执行元件进行预期动作。
4 系统调试
经过设计、加工、装配、电气部件接线并不断调试后，全自动咖啡机已经能够初步实现预期中的目标功能。将一次性纸杯置于托盘上，光电传感器1获得信号，半分钟即可得到一杯封口完成的咖啡。目前，样机已经过多次实验，工作运行基本可靠。
5 结论
本咖啡机设计并实现了咖啡的自动冲泡及自动封口功能。通
过可编程逻辑控制器作为主控单元，光电传感器、压力传感器、超
声波传感器等多种传感作为检测装置并将处理完成后的信号输入可编程逻辑控制器，控制器经过相应的程序处理，输出对应的信号给气缸、电动磁化杯等执行元件，执行元件完成一系列相应的动作，实现预期的咖啡制作与封口功能。经过反复调试，可以达到预期效果，纸杯置于托盘之上，半分钟后即可得到一杯封口完成的咖啡。
项目名称：上海市大学生创新训练项目（cs1801012）。
作者简介：韩松（1998—），男，安徽人，大学本科，现就读
于上海工程技术大学机械设计制造及其自动化专业。
通讯作者：金晓怡（1966—），女，江苏人，博士，教授，研究方向：仿生机器人、机构学、摩擦学。
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