馬春峰 威海職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系 264210

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紙杯自動(dòng)分離器的設(shè)計(jì)

馬春峰 威海職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系 264210

【文章摘要】

紙杯自動(dòng)分離功能在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)液態(tài)食品零售業(yè)中具有廣泛的需求，根據(jù)疊裝紙杯特點(diǎn)提出紙杯分離器機(jī)械部分結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定量取用、自動(dòng)分離及缺杯報(bào)警等功能。

【關(guān)鍵詞】

紙杯；分離器；凸輪

1　設(shè)計(jì)背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，飲料、牛奶、酸奶等液體、流體食品的自動(dòng)售賣機(jī)由于具有運(yùn)營(yíng)成本優(yōu)勢(shì)也逐漸在推廣應(yīng)用，而這些食品的售賣離不開包裝紙杯。市面上在售的紙杯均為疊裝，大多為消費(fèi)者用手取用，如何實(shí)現(xiàn)單個(gè)紙杯的可靠分離成為自動(dòng)售賣設(shè)備必須要解決的問題。目前國(guó)內(nèi)外紙杯分離器在機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)、酒店、高鐵等場(chǎng)合雖已應(yīng)用，均為手動(dòng)式取杯器，暫無自動(dòng)分離產(chǎn)品。

2　分杯器設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)要求

根據(jù)分杯器的功能要求，在觸發(fā)信號(hào)到來之后，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、準(zhǔn)確分離。要求機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，同時(shí)適應(yīng)性要強(qiáng)，能夠?qū)Σ煌?guī)格的紙杯進(jìn)行分離。因此，以300ml紙杯為例，確定設(shè)計(jì)要求如下：

①分離對(duì)象為Φ90mm的疊裝紙杯；②有觸發(fā)信號(hào)，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)；③單個(gè)紙杯分離時(shí)間不超過3秒；④能根據(jù)指令進(jìn)行連續(xù)分杯，準(zhǔn)確停止；⑤缺紙杯報(bào)警。

3　設(shè)計(jì)方案

3.1分離方案的制定

從已有上市產(chǎn)品來看，手動(dòng)分杯器機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。高鐵上的抽取式裝置內(nèi)部只有一對(duì)彈簧卡扣，抽取底部紙杯后，上方紙杯自動(dòng)落下；一鍵按壓式取杯裝置，取杯時(shí)依靠?jī)?nèi)部?jī)蓪?duì)卡扣的配合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)紙杯分離；上述兩種結(jié)構(gòu)方案對(duì)完成自動(dòng)分杯來說均不適用。

從已公布的一種自動(dòng)出杯裝置 中可以看出，整個(gè)機(jī)構(gòu)可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪帶動(dòng)4個(gè)分離齒輪同步旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分杯，但仍存在以下問題：周邊共有5個(gè)旋轉(zhuǎn)零部件，使得接觸齒數(shù)較少，易打滑；分離齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作困難；同步齒帶自身沒有彈性，安裝過程中不易保證4輪同步。

針對(duì)上述問題，提出以下改進(jìn)方案。①將分離齒輪分為凸輪和同步帶輪兩部分，同步帶輪通過螺釘壓裝在軸上，分離凸輪通過四方鍵與軸連接實(shí)現(xiàn)同軸旋轉(zhuǎn)。②其中一個(gè)同步帶輪為主動(dòng)輪，則零件數(shù)量減為4個(gè)，以增加嚙合齒數(shù)，使傳動(dòng)可靠。③軸一端為光軸，可實(shí)現(xiàn)插接式快速裝配，方便4個(gè)凸輪同步。④具有同步帶張緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，易于裝配。⑤設(shè)計(jì)自動(dòng)控制裝置，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)單個(gè)紙杯分離、準(zhǔn)停。

3.2法蘭盤的設(shè)計(jì)計(jì)算

紙杯中心線、凸輪旋轉(zhuǎn)軸線、凸輪半徑之間的尺寸鏈關(guān)系如圖1。

圖1　分離機(jī)構(gòu)尺寸鏈

其中R1為紙杯半徑，R2為分離凸輪外圓直徑，R3為法蘭盤旋轉(zhuǎn)軸分布半徑。其中R1與R2重疊部分為凸輪支撐平面和紙杯卷邊重合部位。根據(jù)以上尺寸關(guān)系確定：R1為45mm，重疊部分為3mm，選擇凸輪半徑R2 為17.5mm，則R3=R1+R2-3=59.5mm。

3.3同步帶、同步帶輪的選擇

由于分離紙杯產(chǎn)生的扭矩很小，選擇144MXL（B180）*6的橡膠同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)為365.76mm，180個(gè)齒；同步輪選用MXL16T鋁帶輪，適合帶寬7mm同步帶，軸孔內(nèi)徑為6mm。

3.4電機(jī)及聯(lián)軸器的選擇

電機(jī)選用50KTYZ型永磁同步電機(jī)（交流220V），正反轉(zhuǎn)可控、自帶減速機(jī)，轉(zhuǎn)速為定速20r/min；每轉(zhuǎn)（3秒鐘）分離一個(gè)紙杯。聯(lián)軸器選用鋁合金彈性聯(lián)軸器，型號(hào)為D19L25，內(nèi)孔6mm。

3.5檢測(cè)元件的選用

選用兩個(gè)檢測(cè)元件：一個(gè)光電傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有無紙杯，傳出信號(hào)給單片機(jī)驅(qū)動(dòng)報(bào)警器；一個(gè)霍爾元件負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)凸輪完成一周旋轉(zhuǎn)（分離一個(gè)紙杯）并傳出信號(hào)給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

4　分杯器總成及工作原理

分杯器主體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2。其工作原理：凸輪為PP食品級(jí)塑料材質(zhì)，內(nèi)孔為正方形，插接在軸端部形成鍵連接，與下方同步帶輪同軸連接，4個(gè)同步帶輪均與同步帶嚙合。疊放的紙杯置于4個(gè)凸輪頂面由電機(jī)通過聯(lián)軸器、軸帶動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)，由凸輪下側(cè)面推動(dòng)紙杯杯口上側(cè)實(shí)現(xiàn)紙杯單個(gè)分離。上法蘭盤上、下側(cè)各有一個(gè)傳感器，上方傳感器為光電傳感器、檢測(cè)當(dāng)前是否還有紙杯；下方傳感器監(jiān)測(cè)同步帶輪是否完成自動(dòng)旋轉(zhuǎn)一周。取杯時(shí)，按下按鈕，電機(jī)開始以定速旋轉(zhuǎn)，每完成一周（完成一個(gè)紙杯分離）觸發(fā)下傳感器發(fā)出一個(gè)電信號(hào)給單片機(jī)，控制電機(jī)電源的切斷。

圖2　分杯器示意圖

5　結(jié)論

通過快速更換不同大小的凸輪，該產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確的對(duì)市面上常用規(guī)格的疊裝紙杯進(jìn)行單個(gè)分離，配備單片機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)量紙杯的取用，用于飲料、純凈水等自動(dòng)售賣機(jī)；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，人機(jī)界面友好，工作可靠。

【參考文獻(xiàn)】

［1］孫開元，李長(zhǎng)娜.機(jī)械制圖新標(biāo)準(zhǔn)解讀及畫法實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［2］張信群.互換性與測(cè)量技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］梁洪坤.一種自動(dòng)出杯裝置.中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局.ZL：200420070929.3.

【作者簡(jiǎn)介】

馬春峰，1978年1月生，男，講師，工學(xué)碩士，機(jī)電一體化方向，專任教師。