摘要：近幾年我國(guó)咖啡機(jī)行業(yè)發(fā)展速度較快，受益于咖啡機(jī)行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高以及下游需求市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，咖啡機(jī)的種類不斷由低端的半自動(dòng)向全自動(dòng)、由單功能向多功能發(fā)展。鑒于眼下咖啡機(jī)行業(yè)在我國(guó)的蓬勃發(fā)展，文章圍繞著全自動(dòng)咖啡機(jī)核心部件之一——攪拌棒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、原理設(shè)計(jì)、重要參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：咖啡機(jī)行業(yè)；全自動(dòng)咖啡機(jī)；攪拌棒系統(tǒng)；攪拌棒；原理設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TB47 文章編號(hào)：1009-2374（2016）21-0006-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.003

1 概述

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，近幾年我國(guó)咖啡機(jī)行業(yè)發(fā)展速度較快，受益于咖啡機(jī)行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高以及下游需求市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，咖啡機(jī)的種類也不斷地由低端的半自動(dòng)向全自動(dòng)、由單功能向多功能發(fā)展。一臺(tái)全自動(dòng)多功能的咖啡機(jī)需要包含如下核心部件：研磨器、醞釀器、攪拌器、攪拌棒供給機(jī)構(gòu)、杯子供給機(jī)構(gòu)等。本篇圍繞全自動(dòng)咖啡機(jī)核心機(jī)構(gòu)——攪拌棒供給機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì)與驗(yàn)算做介紹，為大家展示一個(gè)實(shí)際運(yùn)用的案例，希望能為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

2 準(zhǔn)備工作、前期分析

2.1 攪拌棒結(jié)構(gòu)尺寸分析

本篇介紹的咖啡機(jī)攪拌棒如圖1形狀，厚度1.4mm，寬度9.5mm，長(zhǎng)度90、105、115、125mm等系列。此件由注塑模生產(chǎn)而成，目前國(guó)內(nèi)外有多家廠能生產(chǎn)尺寸相同的此產(chǎn)品，但模具結(jié)構(gòu)有所不同。如，澆口設(shè)計(jì)不同：端面?zhèn)人?，頂面點(diǎn)水口；分型面不同：A分型面設(shè)計(jì)在底面，B分型面設(shè)計(jì)在產(chǎn)品中部；產(chǎn)品表面處理不同：有的產(chǎn)品表面蝕紋，有的產(chǎn)品表面拋光；產(chǎn)品缺陷不同：側(cè)面毛邊，水口太高甚至變形等。在做原理設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到各個(gè)方面，才能保證設(shè)計(jì)出的機(jī)構(gòu)能效適應(yīng)各種不良狀況，使機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定、工作效率高。

2.2 攪拌棒需求分析

系統(tǒng)原理時(shí)，需要了解不同長(zhǎng)度的攪拌棒所使用的環(huán)境。多數(shù)機(jī)器根據(jù)不同的飲料配有相應(yīng)長(zhǎng)度的攪拌棒，如：意大利濃咖啡（Espresso）需要90mm攪拌棒，卡布奇諾（Cappuccino）需要115mm，大杯巧克力咖啡（Chocolate-coffee）、湯（Soup）需要125mm。所以咖啡機(jī)能配備的攪拌棒長(zhǎng)度規(guī)格越多，整個(gè)系統(tǒng)靈活性就越高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力就越強(qiáng)。

2.3 攪拌棒數(shù)量分析

機(jī)構(gòu)原理時(shí)，還需要綜合考慮在一臺(tái)咖啡機(jī)內(nèi)應(yīng)配備多少數(shù)量的攪拌棒。攪拌棒配備數(shù)量越多維護(hù)成本越低，但需要的驅(qū)動(dòng)件動(dòng)力更大，需要占用的空間越多等。本篇結(jié)合咖啡機(jī)的整體布局、售賣量與維護(hù)周期，設(shè)計(jì)了兩種長(zhǎng)度攪拌棒，每種長(zhǎng)度的能可裝填350件。

3 原理設(shè)計(jì)及各參數(shù)確定

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是：智能控制，動(dòng)作穩(wěn)定，壽命可靠，易于裝填，數(shù)量合理，不易受到外部的污染，容易維護(hù)。

3.1 攪拌棒取件方式設(shè)計(jì)

考慮到裝填方便與實(shí)際需求，在此咖啡機(jī)內(nèi)放置兩疊不同長(zhǎng)度的攪拌棒（根據(jù)售賣市場(chǎng)不同，長(zhǎng)度可調(diào)），每疊可放350件，如圖3（a）。填料方式是從上向下，而取攪拌棒的順序是從下向上，如此可保證先進(jìn)先出。由于是從整疊的最底部取走一件，余下部分在重力作用下自動(dòng)下落填補(bǔ)空間。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)便可考慮設(shè)計(jì)一個(gè)部件做往復(fù)運(yùn)動(dòng)取攪拌棒，至到將整疊取完，這樣的設(shè)計(jì)有效利用了產(chǎn)品的重力，從而巧妙地簡(jiǎn)化了此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

考慮如何取攪拌棒：（1）在整疊攪拌棒底部設(shè)計(jì)一個(gè)摩擦輪，利用摩擦力將最底一件攪拌棒從長(zhǎng)度方向或?qū)挾确较驇С觯唬?）在整疊底部設(shè)計(jì)推塊，將最下一件攪拌棒從寬度或長(zhǎng)度方向推出。兩種取件方式優(yōu)缺點(diǎn)分析：方式（1）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，但是由于攪拌棒之間殘留的水口及表面蝕紋，造成摩擦力過(guò)大，而不能保證每次有效地將其推出（這點(diǎn)在實(shí)際測(cè)試中也得到了驗(yàn)證）；方式（2）可解決摩擦力影響的問(wèn)題。接下來(lái)選擇具體機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)方式（2）：在帶輪上設(shè)計(jì)一個(gè)推塊，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)或周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)取攪拌棒；用連桿機(jī)構(gòu)；齒輪齒條機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。各種方式實(shí)現(xiàn)的空間與布局會(huì)有所不同，從本機(jī)布局方面，我們傾向于設(shè)計(jì)成兩個(gè)并排放置，從長(zhǎng)度方向取件的機(jī)構(gòu)。最終選擇的攪拌棒取件方式為：螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3.2 具體參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.2.1 重要零件尺寸設(shè)計(jì)。螺桿、推塊、馬達(dá)及齒輪等重要零部件的相應(yīng)尺寸根據(jù)攪拌棒長(zhǎng)、寬大可致確定。螺桿尺寸：由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在攪拌棒底部，在工作過(guò)程中螺桿徑向需要承受上方的重力，合計(jì)約500g（如下細(xì)節(jié)計(jì)算）。通過(guò)驗(yàn)證，螺桿設(shè)計(jì)為M8×1.5，長(zhǎng)度130mm（大于最長(zhǎng)攪拌棒）；馬達(dá)尺寸：選擇?26mm，長(zhǎng)度40mm，最大效率處參數(shù)：T0=3.835N·mm，SPEED=8100RPM，直流電機(jī)；齒輪尺寸：推塊按現(xiàn)選馬達(dá)與螺桿計(jì)算其運(yùn)動(dòng)速度v=1.5×8100/60=202.5mm/s，此速度太快，在工作中容易出錯(cuò)，需要加入二級(jí)齒輪降速并提高輸入力。經(jīng)過(guò)初步計(jì)算（計(jì)算過(guò)程略）此設(shè)計(jì)選擇：主動(dòng)齒：M0.5-Z19，從動(dòng)齒：M0.5-Z55。

3.2.2 參數(shù)驗(yàn)證。攪拌棒重力產(chǎn)的壓力：G=1.3×350+50=500g=5N（125mm長(zhǎng)度攪拌棒約重1.3g，配重塊重約50g）。

阻力（摩擦力）：Ff=5×0.8=4N[攪拌棒（Polystyrene聚苯乙烯）之間摩擦系數(shù)0.5，考慮到水口與蝕紋的影響，將其擴(kuò)大到0.80，以增加保險(xiǎn)系數(shù)]。

螺桿能提供的扭矩：

3.3 控制、運(yùn)動(dòng)過(guò)程

下面簡(jiǎn)要介紹最終系統(tǒng)的控制與運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以便對(duì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制有全面的認(rèn)識(shí)（具體設(shè)計(jì)、調(diào)試與改善過(guò)程此處不再做詳細(xì)介紹）。如圖3（a）為設(shè)計(jì)的外觀結(jié)構(gòu)（本機(jī)構(gòu)配置了兩件4此結(jié)構(gòu)）；圖3（b）推塊待命狀態(tài)圖中可看到，此設(shè)計(jì)兩個(gè)感應(yīng)器1、12分別控制推塊左、右運(yùn)動(dòng)位置，感應(yīng)器13記錄被推出的攪拌棒狀態(tài)。機(jī)構(gòu)操作過(guò)程如下：

3.3.1 準(zhǔn)備工作：根據(jù)需要的攪拌棒長(zhǎng)度調(diào)整調(diào)節(jié)塊3的位置，從上向下放入攪拌棒2、配重塊1。

3.3.2 取攪拌棒過(guò)程，如圖3（b）：推塊11處于待命狀態(tài)，當(dāng)客戶在咖啡機(jī)面板中選擇飲料，系統(tǒng)會(huì)智能驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的推塊向右運(yùn)動(dòng)64mm并觸發(fā)感應(yīng)器12而停止，同時(shí)一件攪拌棒會(huì)在自重作用下落入咖啡杯內(nèi)，完成取攪拌棒。

3.3.3 復(fù)位過(guò)程：當(dāng)客戶拿走咖啡杯后，推塊11會(huì)自動(dòng)向左運(yùn)動(dòng)并在感應(yīng)器10下方停下2秒，確保上方攪拌棒落入攪拌棒盒后，繼而向右，同時(shí)推出一件新攪拌棒運(yùn)動(dòng)至如圖3（b）位置待命。

3.3.4 重點(diǎn)：待命位置設(shè)計(jì)在中部，可縮短有效工作距離，因?yàn)閺?fù)位過(guò)程不占用實(shí)際取攪拌棒的時(shí)間；同時(shí)在待命狀態(tài)懸竿14是由自由狀態(tài)，如圖3（c）在攪拌棒驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)并激活了感應(yīng)器13，如果機(jī)構(gòu)內(nèi)沒(méi)有攪拌棒或沒(méi)有效推出攪拌棒，感應(yīng)器13便不能被激活，這樣系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)推塊11重復(fù)一次取件動(dòng)作，如果傳感器13仍然未能被激活，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為攪拌棒用完，下次客戶買咖啡機(jī)時(shí)便不會(huì)再驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)取攪拌棒，而是出現(xiàn)一個(gè)提攪拌棒已用完的提示。同時(shí)后臺(tái)會(huì)將此信息第一時(shí)間通過(guò)遠(yuǎn)程發(fā)給運(yùn)營(yíng)商。為了使此系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、有效，在實(shí)際設(shè)計(jì)中還需要重點(diǎn)考慮螺桿、推塊、齒輪、底座各重要零部件材料、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，在軟件調(diào)試方面也做相當(dāng)多的調(diào)整與特殊處理，這里不再做

介紹。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)充分考慮了維護(hù)、制造、智能化、可靠性、耐久性等多方因素，從原理設(shè)計(jì)、驗(yàn)算、材料選擇、模板加工測(cè)試、改善、開模、實(shí)際樣件裝機(jī)測(cè)試等步步為營(yíng)，設(shè)計(jì)出一個(gè)全新、智能、可靠的機(jī)構(gòu)。本文圍繞咖啡機(jī)攪拌棒供給機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件尺寸參數(shù)確定、受力驗(yàn)算等做實(shí)例，為讀者介紹新設(shè)計(jì)需要考慮、驗(yàn)證的問(wèn)題、過(guò)程，以供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃平，朱文堅(jiān).機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：李勇（1977-），男，四川仁壽人，法雷奧發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻（佛山）有限公司工程師，研究方向：機(jī)電技術(shù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）