[美食] 【Weekend Project】一台入门级单品磨豆机的升级与改造

CHH ID：诸葛奉先

Falcon MK1

前言
入门级咖啡磨经过长期的市场博弈其市场格局已经非常稳定，其中卧式咖啡磨的结构均源自某国的经典型号。本来的这类入门级磨豆机的市场定位是面向单品、法压、摩卡壶用户，但时过境迁，国内咖啡圈对设备的要求已经达到了世界领先水平，这个市场也逐渐被崛起的专业手摇磨豆机占据，目前此类卧式磨豆机的地位仅在微型打豆机之上。
使用完全相同结构的品牌有很多，小飞鹰是其中价格最低的，其实“小飞鹰”并不是一个品牌，而是一系列国产品牌的集合，他们有着不同的产地与名称，但在销售渠道均统一称之为“国产小飞鹰”价格也就一百多元。小飞鹰经过了相当长时间的发展已经在这个价位上达到了性价比的极致，整体用料相当扎实，主体部分的加工精度比我想的要高，虽然许多小型部件无论是精度还是用料都相当差，但因其结构简单、便于加工或使用标准件替换，因此具备相当的改造的潜力，在反复推理改造方案后正式启动了这个项目。

小飞鹰的重量大约是3.6kg，根据各部件的工况合理的使用了碳钢、铝合金、塑料等材料，很难想象其售价仅为一百多元。

原配刀盘是一对60mm平盘刀，打开后可以看到在前盖的位置积累了很多飞粉。

研磨仓，整体精度比我想的要高，主轴直径为12mm，

两端通过滚珠轴承固定，这种结构其实相当稳定。

改造目标

本项目的初衷是打造一台低调、可靠、强大的设备，一方面是为了让我喝到更好的咖啡，另一方面也是为我后续的研究积累经验。为了方便任何一名爱好者在没有专业设备的情况下能够轻易复现，方案中会刻意使用标准件以降低成本，对于非标准件也会提供图纸，大家可以委托任何一个金属加工厂加工。

确立改造方案前先分析一下小飞鹰的缺点：

1. 刀盘素质较差：小飞鹰的刀盘属于比较原始的单品刀盘，为多级切割刃，尺寸精度还可以，但是硬度与结构都不能胜任意式咖啡的研磨，我这台小飞鹰使用的并不频繁但是初级切割刃已经磨损的很厉害了。

2. 动刀盘定位精度差：虽然几个大部件加工精度良好但是最关键的动刀盘架的加工精度实在是太差，直接导致动刀盘与定刀盘平行度不足无法研磨意式细粉。

3. 出品不稳定：磨意式细粉的时候很难把握到一个稳定出品的点，用矫正筛调完后下次使用仍需重新调整，主要原因是调隙机构刚性很低，因此在不同的豆子、进料量等因素下会导致刀盘间隙变化，从而导致出粉的稳定性较差。

4. 残粉率高：卧式磨豆机都难免会在进料杆附近囤积一些残粉，这部分可以通过粉吹吹走，但小飞鹰的扫粉块与研磨仓在各个方向上的空隙都较大，因此会残留许多极细粉，使用粉吹也无法清除。

动刀盘组件，也是这台设备的短板，集成了进料杆与两个扫粉块，

可以看见扫粉块也是沉积细粉的主要区域，而且扫粉块的轴向尺寸与径向尺寸都不足，

与各方面的间隙都很大，不能很好的完成扫粉工作。

安装刀盘的平面肉眼可见的不平，贴近扫粉块的位置竟然比平面最低点高了约0.5mm，

这导致了这个磨盘在磨细粉的时候会发出较大噪音。

调隙机构为塑料螺栓+滚珠轴承+橡胶垫，整体刚性可以用“柔软”来形容，间隙会随着进豆量或豆子的硬度而变化。

综合考虑以上项点，制定改造方案如下：
1. 更换刀盘：将原刀盘更换为意式刀盘，使磨豆机兼具单品与意式的能力。
2. 提升架构精度：加工不锈钢材质的动刀盘架与静刀盘转接环，提升整体精度的同时并具备微调的能力，也顺便解决三孔刀盘的固定问题。
3. 提升调节精度：更换全套的调隙组件，增加组件刚度，提高调隙精度。
4. 动态扫粉：增加可自适应间隙的扫粉机构，降低残粉。
5. 外观改造：对外观进行一定的改造，提升使用体验。

作为一名机械工程师，额外追加2个限定：
1. 资金成本不超过三位数：包含小飞鹰原机、追加部件、委托加工费，之所以要严格限制到千元以内是因为超过一千元即可买到国产商用立式磨豆机或塑料结构的锥刀磨豆机了，这两种类型的机器虽然也算不上专业但性价比会优于升级改造方案。
2. 时间成本不超过一个周末：虽然这个项目断断续续的经历了很久，但大部分时间都是因为遇到问题而采购新配件寻求解决方案，实际工时并不多，方案形成后可在1个小时内完成改造与调试。

更换刀盘

刀盘是咖啡磨的核心，是一门深不见底的学问，评价标准很多，但问题是各种参数化的指标与用于评价咖啡“风味”的指标并不完全重合，因此哪种刀盘更优并无定论。至于出粉颗粒是“粒状”还是“片状”，出液是“虎纹型”还是“蜂蜜型”这种问题这里就直接跳过，以后还是要研发一款可方便更换多种刀盘并能够控制变量的参数化磨豆机，而后组织大样本盲测才能有结论。

小飞鹰的替换刀盘市面上有多种，有的版本和原厂刀盘制式相同但升级了材质以及精度，有的是新型切割刃结构，但因产量和需求均不足，所以价格也直逼专业意式刀盘。本项目会升级核心结构，因此可以跳出小飞鹰的替换刀盘阵列，直接选用三孔的专业意式刀盘。在选择刀盘的时候需要注意以下项点：一是升级刀盘的外径要略小于原刀盘的外径，否则可能会因扭力不足而导致电机过载；二是升级刀盘内径不要太小，因为卧式咖啡磨的主轴会通过刀盘内孔，因此会减小进豆截面的面积，过小的内径会提升卡豆风险；三是确定研磨舱的厚度是否能容纳新刀盘，小飞鹰的刀盘可以说是市面上最薄的，需要确认换装新刀盘后是否超出限界。

综合以上因素，对比了市面上大量的意式刀盘，最终选择了MAZZER的182D，这个刀盘的原配机型是MAZZER MINI手拨版，外径58mm，内径33mm，厚度8.5mm，对比小飞鹰原装刀盘的外径60mm，内径35.5mm，厚度6.9mm完美符合了全部尺寸要求，同时MAZZER作为专业磨豆机厂商其刀盘的性能也是合格的。

MAZZER的刀盘还是很靠谱的，供货充足，价格也非常实惠。

型号为 182D，适用于MAZZER MINI手拨版本，原机的价格在4000元左右。

整体尺寸精度很高。

小飞鹰的刀盘在对比之下相形见绌，

除了固定孔由2个改为了3个，还需要注意这两个刀盘的旋转方向是相反的。

好在是直流电机，仅需将正负极调换一下位置即可。

直流电机在同等功率下启动力矩更大，更适合咖啡磨的工况。

架构精度提升

原机之所以会无法胜任意式咖啡的研磨，其主要原因是动刀盘架的加工精度不足。对卧式磨豆机而言，动刀盘架是一个集成了多种功能的核心部件，包含进料杆，刀盘支架，扫粉块等结构，但这个非常重要部件也正是小飞鹰质量最差的一个部件，几个重要的平面存在肉眼可见的弧度、安装在主轴上也会有轻微的晃动，这都会影响意式细粉的出品，于是这个项目重新使用不锈钢材料重新加工了核心组件，也顺便解决了刀盘固定孔由2孔变为3孔的问题。静刀盘可以通过在研磨仓重新钻孔的形式安装，但我还是加工了一个转接环，这样可以使静刀盘在同心度与平面度方面都具备更大的调节余量，便于后期的微调。

MK1方案——动刀盘架

设计动刀盘架的时候比较激进，想直接去除进料蜗杆，使用补土在进料仓形成一个陡峭的斜面让豆子自然下落，这也是参考了市面上另外一款卧式磨豆机的形式。但我换装的刀盘内孔比较小，豆子自然进入的时候会卡住，后来不得不使用铜垫片与铸工胶补了一个进料蜗杆。在MK2的设计中加上了进料蜗杆。

MK1方案——静刀盘架

除了用于将2孔固定转为3孔固定外，也便于调整同心度与平行度。

加工精度还可以，普通游标卡尺无法测出偏差。

换个视角，旋转组件顶端留有推力轴承的安装沉孔。

转接环因为空间有限所以自己打磨了螺栓，直径与厚度均大幅缩小。

图中可以看出刀盘转接件安装完成后与腔体并非完全同心，但刀盘在转接件的安装是可调的，

最终同心度会通过动刀盘与静刀盘相互调整到精确的位置。

MK2方案——动刀盘架

增加了进料螺纹，优化了部分尺寸。

MK2方案——静刀盘架

优化了部分结构与尺寸。

提升调节精度

调节精度对磨豆机而言也是至关重要的，主要用于精确的调整刀盘的间距从而调整出粉的颗粒度。小飞鹰的原装调隙机构由一个塑料螺栓、一个滚珠轴承、一个橡胶垫组成，滚珠轴承与橡胶垫的组合模拟了推力轴承的结构作用。这三个部件在轴向的刚度都是很低的，调整到一个位置后会因工作负载产生位移，对于意式咖啡粉研磨而言这一位移会直接导致出粉的颗粒度产生不可忽视的波动。

首先是将螺纹替换为不锈钢部件，本来想加工一个，但考虑到这种价格极低的大批量设备其螺纹必定是通用型号，最终使用了一个G3/4法兰面堵头搞定，长度与直径完美匹配。而后使用了一个真正的推力轴承代替了原来的滚珠轴承+橡胶垫的组合，因为推力轴承的两个端片的加工精度很高，摩擦系数很低，硬度也非常高，因此可以直接去除滚珠盘直接使用滑动摩擦，进一步提升了轴向刚度。

小飞鹰调隙螺纹的型号是G3/4也就是行业中的6分螺纹，螺距为1.814mm。

动刀盘的末端留有一个安装沉孔，用于精确的定位推力轴承的端片，这个部件以后就作为滑动摩擦片使用。

在磨豆机的工况下，结合推力轴承端片的接触面积、加工精度、硬度基本无需考虑磨损的问题。

最后为提升精度搭配了一只机床刻度环来作为间隙调节的刻度，刻度环为100等分，顺时针方向数值减少。升级后的调隙机构的使用方式如下：

在不安装刻度盘的情况下将旋钮拧到底部，使两个刀盘紧紧贴合在一起，此时安装刻度环并将指针位置对准刻度环0的位置，也可以说是100的位置。而后将刻度环与旋钮固定在一起完成归零设置。逆时针旋转刻度环使刀盘逐渐分开，假设旋转到刻度为85的位置，此时整个调隙机构旋转了（100-85）/100个圆周，也就相当于调隙机构的间距由0增加了一个螺距的15%，结合G3/4螺纹的螺距为1.814mm，可以得出此时刀盘的间隙是0.272mm，需要注意的是这个间隙并不等于出粉的颗粒度因为平盘刀磨出的颗粒为片状。

法兰堵头的螺帽直径非常小，这里使用一个标准的轴端锁紧挡圈将直径扩大，便于安装刻度环。

上面的是原配的塑料旋钮，提升精度后原来的8段刻度就不够精确了，

使用了一个通用的机床刻度环提升精度，为了便于计算实际间隙使用100等分制式。

有了精确的刻度盘后经过了一段时间的测试得出了几个结论：

1. 刻度为90的时候会偶尔产生堵转现象，此时刀盘间隙为0.18mm，出粉显著减少而且静电极大。

2. 适合我的口味的意式咖啡刻度是87，此时刀盘间隙为0.24mm，出液会产生一定的虎纹，代表其中有一定的细粉。

3. 适合我的口味的摩卡壶咖啡的刻度是60，此时刀盘间隙为0.73mm，这种颗粒度的粉会产生一定的油脂且不会喝到细粉。

4. 刻度到53的时候会出现偶尔堵转现象，此时刀盘间隙为0.85mm，使用标准咖啡矫正筛的通过率为88%，也就是说这台咖啡磨受限于扭力与功率无法磨比较粗的手冲粉了。

刻度53的时候会出现堵转现象，此时刀盘间隙为0.85mm，标准咖啡粉筛的通过率为88%，

想不到磨的粗也会发生堵转问题，后续方案还是要使用带行星减速器的无刷电机根除扭力不足的问题。

动态扫粉机构

卧式磨豆机受结构所限，残粉问题比立式要多，小飞鹰的残粉主要由三部分组成：一是进料蜗杆与进料舱不能完美贴合，所以会在进料舱留有部分大颗粒残粉，此部分可以通过粉吹吹走；二是动刀盘扫粉块非常小，无法在轴向与径向两个方向扫到研磨舱的边缘，因此会留有部分细粉，有的位置处于研磨仓的死角无法通过粉吹有效清除；三是动刀盘组件的外平面与研磨仓盖之间存在一个比较大的间隙，此部分也会残留许多细粉，也是气流的死角无法被粉吹吹走。

为了根除上述三部分残粉首先用铜垫片与铸工胶补足了缺失的进料螺纹，而后使用补土填补了进料仓的下缘，让蜗杆与进料仓尽量贴合，以此降低进料仓的大颗粒残粉；使用了动态扫粉机构配合加长的扫粉柱延伸了轴向的扫粉范围，动态扫粉机构在轴向有一个自由度，可以借助离心力让扫粉柱贴合研磨仓外缘；扫粉机构的摆臂天然形成了刀盘组件与研磨仓盖的扫粉机构，可以有效清除此处残粉。

进料仓使用补土缩减了下轮廓，使之与蜗杆更加贴合。

因为卡豆的问题，自由落豆的想法无法实现，因此使用铜垫圈和铸工胶补足了进料螺纹，

使用了加长的圆柱螺母作为新的扫粉柱，工作时会借助离心力尽量贴合研磨仓外缘。

摆臂除了提供扫粉柱的自由度外也用于清除这个平面与研磨仓盖之间的残粉。

安装后的状态，从此不再需要担心残粉问题。

整机调教

本项目在设计阶段已经充分考虑的调教阶段的需要，与刀盘相关的位置均在x、y方向保留了0.5mm的平移调整余量，z方向与刀盘之间的平行度将使用垫片进行局部调整来实现，具体步骤如下：

1. 动刀盘初步定位：动刀盘架的加工精度比较高，外缘直径与刀盘直径相同，使用一个比较光滑的高硬度平面即可完成二者的初步定位。

2. 静刀盘初步定位：将动刀盘组件安装到机身上，以动刀盘的位置为基准调整静刀盘的位置，刀盘的边缘非常锋利，任何偏差均可通过目视发现。

3. 平面度微调：使用黑色记号笔在刀盘外缘进行标记，而后将动刀盘组件安装到位而后稍微旋转，观察黑色被擦除的位置，如果局部被擦除证明这部分高出平均高度，需要在对称位置增加垫片，而后反复调整两到三次，直到全部黑色可以利落的擦除。

4. 同心度微调：通过动刀盘的位置初步确定静刀盘位置后，转动动刀盘一周，观察是否有偏心出现，如动刀盘某处的外缘周期性的超出静刀盘的边界则代表动刀盘需要调整，标记位置后稍微松动固定螺丝进行微调，反之则调整静刀盘。

反复进行步骤3与步骤4，大概4个循环后可以使两个刀盘完成精调。经过测试发现，动刀盘架的精度较高，无需进行平面度调整，静刀盘因通过了转接，因此平面度与同心度均需要反复调整。

刀盘外缘使用马克笔涂黑，此种方式简单易行而且精度并不低。

完成调整后，仅旋转一个很小角度即可擦除全部颜色

如果发现仅有局部的黑色被擦除则在相反位置增加垫片，

垫片使用超薄的不锈钢带或锡纸均可，但一定要压实。

出品测试

因为没有测量颗粒度的设备因此大家直接看图好了。咖啡机使用了此前改造的参数化意式咖啡机，可以较为精确的控制温度与压力。使用单杯份粉碗，装粉量9g，萃取压力初期9bar后期10.5bar，萃取温度初期92°，豆子是放置了一个多月的普通阿拉比卡拼配豆。

出粉，刻度为85，推算出刀盘间隙为0.272mm

压实

单杯份粉碗，粉碗离无底手柄底部比较远。

萃取开始

中期

后期，发现流量有点大，一看压力表已经到了10.5bar，就这样吧。

合格

对比此前提升很大，从主观角度讲是甜度明显提升。

外观改造

至此本项目的主要工作已经完成，而后是部分外观提升工作，主要内容如下：

胡桃木装饰板：使用家里的胡桃木杯垫用锯子切割而后打磨，给这个设备增加点人文气息。

铝合金豆仓：原装的塑料豆仓是一磅的，对个人用户而言有点大，而且质感不足，更换了一个适合单次品鉴的铝合金豆仓，也方便使用粉吹。

追加出粉口：出粉口加了一个钢制粉嘴，可以直接吸合在出粉口的磁铁上，使出粉更加聚拢，进一步减少飞粉。

接粉架：使用退役的刀盘做了一个手柄架子，这样可以让手柄在一个合适的位置接粉。

胡桃木杯垫，挑了一个花纹比较有胡桃木特色的。

手工切割打磨，虽然不是严丝合缝但也给设备增加了一些温度。

铝合金豆仓，提升一下质感，便于使用粉吹。

这个钢制出粉口正好可以吸合在原来出粉口的磁铁上，

原装的磁铁号称可以去除静电，实际上好像没有科学依据。

原装刀盘，作为接粉架高度正合适。

至此，在咖啡设备领域的研究告一段落。

物料清单

整个项目的成本大约900元左右，最重要的成本组成就是委托加工部件与意式刀盘，也是最直接影响性能的组件。如果推广形成小批量产品，整机成本大约500元左右，在市场上应该有一定的竞争力。

小飞鹰标准版：市面售价大约150元左右。

委托加工部件：动刀盘架与静刀盘转接环，因为尺寸很小，所以原料成本可以忽略，大约需要一到两个工时，收费根据各地人工成本大约500元左右。量产价格可以参考结构类似的法兰联轴器，小批量成本应低于100元。

意式刀盘：根据情况选择原厂刀盘，推荐MAZZER的182D，性能方面我虽然评价不了但是产品的口碑和性价比还是可以的，市场售价大约230元左右。

推力轴承：标准件，型号为51100，内径10mm，外径24mm，高度9mm，成本个位数。

一字平码：用于制作动态扫粉机构的摆臂，半标准件，长32mm，宽8mm，孔距24mm，厚1.5mm，孔径3.5mm，成本个位数。

圆柱螺母：用于制作动态扫粉机构的扫粉块，标准件，内丝3mm，外径6mm，长16mm，成本个位数。

法兰堵头：用于替换此前的调隙螺栓，标准件，螺纹规格G3/4，牙长14mm，螺帽直径32mm，成本个位数。

轴端锁紧挡圈：用于增加法兰堵头的直径，便于安装刻度环，标准件，内径32mm，外径52mm，高14mm，成本个位数。

刻度环：用于更精确的显示及计算间隙，半标准件，成本十几元。

胡桃木装饰板（非必须）：定制，成本个位数。

铝合金进料仓（非必须）：半标准件，成本90元左右。

钢制出粉口（非必须）：使用轴承内衬，标准件，内径20mm，外径24mm，高度16mm，成本个位数。

构想中的咖啡磨

构想中的咖啡磨应该有如下特点：

立式结构：立式磨豆机因为结构原因精度天生就比卧式的要高，而且残粉也更少。

不锈钢框架：关键核心部件使用不锈钢部件，尽量提升精度，因立式磨豆机的结构特点，影响精度的关键部件尺寸并不大，因此会使用车床加工最核心的部件。外壳等不影响研磨精度的部件到时候会随意发挥并提供多种方案供用户选择。

多刀盘适配：为了便于品鉴和对比，将利用立式磨豆机的结构优势在刀盘架上预留多个尺寸刀盘的安装孔，适配从50mm至90mm的平盘刀。

参数化控制：通过可编程控制器精确的控制主轴转速，实时显示电机的功率、转速甚至即时扭力，其中扭力对于咖啡研磨而言是个蛮重要的参数，但为了控制成本暂且不考虑扭力传感器，实时扭力可以由编制控制器通过功率和转速计算得出。这样这台咖啡磨就具备了参数化控制能力以及一定的逻辑运算能力，除了可以进行恒定转速研磨外可以选择恒定扭力研磨，这样可以更好的控制变量以便应对不同尺寸的刀盘，而后可以开放接口便于大家编制自己的控制程序。这一部分说起来比较复杂但毕竟只是控制一个电机，对工业界而言有多种低成本的解决方案。

无刷电机：因刀盘的区间较大，所以不能用恒定功率的电动机，否则会导致小刀盘转速过高，大刀盘带不动的情况。构想中的磨豆机计划使用工业界标准的80或86无刷电机，之所以选择无刷电机是因为其有如下几个优势：一是效率高，同等功率下体积更小，发热也更低；二是因其工作原理可以较为精确的调节转速，便于参数化控制；三是因为没有碳刷所以使用寿命长，对咖啡磨而言可以做到免维护。尽管有这么多优点，作为大宗产品，其价格与普通直流或交流电机比起来也没什么显著差异。80或86无刷电机的功率区间涵盖200至800瓦，届时会根据实际需要选择。限于工作原理，也需配备成本为几百元的电源与控制器。

行星减速器：虽然无刷电机的转速可调且力矩稳定但还是会根据需要配备一个工业行星减速器，一方面降低整机功率，一方面可以获得一个比较精密的输出轴系统，工业行星减速器也是半标准件，供货充足，型号齐全，价格几百元而已，而且可以和各个型号的无刷电机精密结合。

圆锥滚子轴承：目前咖啡机输出轴一般使用的是球轴承，难免在工作负载下在轴向产生位移，构想中的咖啡磨将使用一个圆锥滚子轴承作为最终输出端轴承，让电动机的轴承专心负责减少摩擦，由圆锥滚子轴承承担全部工作负载并，减少轴向负载位移与工作负载冲击，因其结构特点，圆锥滚子轴承在各个方向的刚性比滚珠轴承高出一个数量级，成本也不过几十元而已。

动态扫粉机构：这个项目中发现了动态离心扫粉机构的优势，基本不会在舱内留下残粉，因此下个项目会配备更加精巧的动态扫粉机构。

后记

本项目在有限的时间与预算下完成了一台入门级单品咖啡磨的升级与改造，主要目的是让更多的人在极低的成本下使用入门咖啡设备喝到更好的咖啡。此外也通过实践更加深刻的了解了咖啡磨的工作原理，为后续的研究奠定了基础。

如果大家对咖啡设备感兴趣或有咖啡设备研发计划也欢迎留言与我交流讨论。

2022年6月12日

于青岛

诸葛奉先