咖啡機(jī)分杯器原理及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　摘要：基于眼下咖啡機(jī)行業(yè)在中國的蓬勃發(fā)展，本篇圍繞全自動(dòng)咖啡機(jī)核心部件之一的分杯器組件的原理設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)試及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)整個(gè)過程做一個(gè)詳細(xì)的闡述，為相關(guān)研究者提供借鑒。
　　關(guān)鍵詞：全自動(dòng)咖啡機(jī)　分杯器　原理設(shè)計(jì)　機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　中圖分類號(hào)：TB47　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文章編號(hào)：1672-3791(2012)01(b)-0089-02
　　隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，咖啡也融入了人們的日常生活，中國有望成為世界最大咖啡市場之一。伴隨著咖啡市場的擴(kuò)大，近年我國咖啡機(jī)行業(yè)也迅速發(fā)展，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，咖啡機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)不斷得到提高。
　　做為一臺(tái)全自動(dòng)多功能的咖啡機(jī)，實(shí)際就是一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。其通常包含如下核心子系統(tǒng)：研磨器、醞釀器、攪拌器、容器系統(tǒng)、攪拌棒供給系統(tǒng)、分杯系統(tǒng)、供杯系統(tǒng)、支付系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)。做為核心部件之一的分杯系統(tǒng)運(yùn)行效果直接影響到整個(gè)咖啡機(jī)的性能與質(zhì)量。筆者在此，就分杯系統(tǒng)中核心部件之一：“分杯器”的原理設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及需要考慮的各方面，為大家展示一個(gè)實(shí)際運(yùn)用的類似機(jī)構(gòu)，為相關(guān)產(chǎn)品的后來研究者提供有益的參考。
　　1　準(zhǔn)備工作，前期分析　為了結(jié)構(gòu)與控制方式設(shè)計(jì)能考慮全面　，符合市場需求，在設(shè)計(jì)前需要充分了解行業(yè)使用和各種不同需求。自動(dòng)售賣咖啡機(jī)使用的杯子是有其一定規(guī)律的，表1列舉了部分規(guī)格，讀者提供參考，形狀及尺寸參考，圖1、表1。杯子的包裝方式是：50個(gè)，或100個(gè)相同型號(hào)的杯子重疊成一條后，裝箱運(yùn)輸。裝填時(shí)，直接將整條杯子向容杯器內(nèi)放置。如此包裝、搬運(yùn)，可能會(huì)造成兩個(gè)杯之間壓得太緊；放置時(shí)也為因維護(hù)人員操作不規(guī)范造成杯子有少許不平整。從而可能會(huì)對(duì)分杯效果及穩(wěn)定性造成一定的影響。因此，在設(shè)計(jì)前需要充分考慮到各種不利因素，設(shè)計(jì)出的機(jī)構(gòu)才能更好地適應(yīng)各種情景。
　　
　　2　原理設(shè)計(jì)
　　2.1　設(shè)計(jì)要求及總體目標(biāo)是：
　　分杯器能兼容更多規(guī)格的杯子，易于裝配；寬度尺寸小(薄)，分杯動(dòng)作平穩(wěn)，分杯時(shí)不能有震動(dòng)，分出的杯子不能傾斜，以防掉落偏移；動(dòng)作可靠性高，每次只能分一個(gè)杯，壽命可靠，不易受到外部的干擾；填杯方便，容杯數(shù)量合理，不易受到外部的污染；能智能判斷分杯狀況，能記錄已分出杯子的數(shù)量，能檢測(cè)杯子剩余狀態(tài)，超強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，在分杯出錯(cuò)時(shí)能自動(dòng)探測(cè)并修正。
　　2.2　運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)
　　本例巧妙地運(yùn)用了帶螺旋面的分杯輪，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分杯。整列杯子壓下輪子上，當(dāng)分杯輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，最下面一個(gè)杯子的杯沿會(huì)被帶入螺紋面內(nèi)(由于螺紋節(jié)距只能容納一個(gè)杯通過)。當(dāng)分杯輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，杯子被帶到螺旋面下方，處于懸空狀態(tài)。如此，杯子將在重力和螺旋面壓力作用下順暢下落，準(zhǔn)確掉人下方取杯器中，從而達(dá)到設(shè)計(jì)意圖。
　　2.3　控制原理設(shè)計(jì)
　　運(yùn)用傳感器，控制分杯輪初始角度、運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)角度；運(yùn)用傳感器探測(cè)分杯是否成功，探測(cè)杯筒內(nèi)的杯子是否用完。
　　3　詳細(xì)設(shè)計(jì)及動(dòng)作講解
　　3.1　齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)
　　分杯齒環(huán)2：模數(shù)M=1mm，齒數(shù)Z=90，內(nèi)孔d=83mm；分杯輪3：模數(shù)M=1mm，齒數(shù)Z=12；驅(qū)動(dòng)齒輪4：模數(shù)M：1mm，齒數(shù)z=24。如此，當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)半圈，分杯輪運(yùn)動(dòng)一整圈，完成一次分杯運(yùn)動(dòng)。
　　3.2　部件組成及裝配方式
　　于配秋波此部件的外殼通過巧妙設(shè)計(jì)，上下殼為同一個(gè)零件，可通過周邊直口及內(nèi)部孔軸定位，周邊均勻分布的四個(gè)卡鉤可將其穩(wěn)定地扣在一起，形成分杯器外殼。裝配時(shí)先將分杯齒環(huán)3裝入外殼1內(nèi)，再將六個(gè)分杯輪2的缺口在夾具的定位下裝入外殼1，最后將驅(qū)動(dòng)齒輪4裝入帶定位的卡鉤內(nèi)，注意其裝配方向；將傳感器5裝入另一個(gè)外殼1內(nèi)(此傳感器PCB板上放置了兩個(gè)傳感器，其一為hali傳感器，作用為：定位驅(qū)動(dòng)齒輪4的初始及停止角度；另一個(gè)為光電傳感器，其作用為：利用紅外線，探測(cè)杯子的剩余狀態(tài)。)；兩個(gè)分別裝有元件的外殼互配成為一個(gè)分杯器。
　　3.3　具體運(yùn)動(dòng)動(dòng)作(為方便觀察，此處隱藏了上部裝配零件)
　　
　　整列杯子如圖3方式，放置在分杯器中，處于復(fù)位狀態(tài)(如圖3，a)。六個(gè)分杯輪3經(jīng)過分杯齒環(huán)2傳動(dòng)同時(shí)做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)到(圖3，b)位置。此時(shí)，最下面一個(gè)杯子被帶到螺紋面下方，而上方杯子仍擱在分杯輪上，這樣就將一個(gè)杯子從整列杯中分離開來。分杯輪3繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，被分離杯子被帶到螺旋面下方，處于懸空狀態(tài)；同時(shí)，其杯沿上表面在分杯輪下方螺紋面的壓力作用下，加大與上方杯子距離，并順利下落(如圖3，c)。驅(qū)動(dòng)齒輪4驅(qū)動(dòng)分杯輪3繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過一整圈運(yùn)動(dòng)后，在傳感器定位下，再次停在(如圖3，a)位置，這樣，一次分杯動(dòng)作完成。
　　3.4　互換性
　　如上分析，因市場及飲品不同，需要不同規(guī)格的杯子，我們不可能一種杯子就設(shè)計(jì)一套分杯器，如此，既浪費(fèi)資源又不方便生產(chǎn)管理及維護(hù)。因此，在此設(shè)計(jì)中，我們考慮的是，以更換分杯輪3方式來適應(yīng)不同大小的杯子。各尺寸的分杯輪保持與分齒環(huán)配合的齒輪不變，只改變上部螺紋面的直徑。如此設(shè)計(jì)，配合其余零件便可做出一個(gè)系列的分杯器。此例設(shè)計(jì)的分杯器可適應(yīng)的杯子尺寸直徑范圍是：63mm-80mm。
　　3.5　設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　外殼：設(shè)計(jì)方面考慮：為節(jié)省模具成本，優(yōu)化物料管理及裝配便利，上下殼設(shè)計(jì)為一個(gè)零件，裝配時(shí)通過調(diào)整方向，自身互配，組合成一個(gè)外殼；材料及成型考慮：由于各件需要在此件上運(yùn)動(dòng)，選用用耐磨工程塑料，同時(shí)加工與成型尺寸精密、穩(wěn)定。綜合各方面要求，此件選用POM+TF。
　　分杯輪：考慮有三點(diǎn)：(I)互換性：以適應(yīng)更多的杯子，本例設(shè)計(jì)了不同規(guī)格的分杯輪，通過更換分杯輪來組合不同規(guī)格的分杯器，裝配簡單，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定；(2)分杯平穩(wěn)性：一套分杯器中，分杯輪放置個(gè)數(shù)直接關(guān)系到分杯的平穩(wěn)與否，行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)為4～8個(gè)；(3)材料選用：本例選擇食品級(jí)的POM，重點(diǎn)控制分杯輪內(nèi)孔尺寸。
　　分杯齒環(huán)：齒數(shù)及模數(shù)設(shè)計(jì)：需要結(jié)合杯子尺寸及各分杯輪裝配時(shí)的定位方向，做特別計(jì)算。此件在分杯時(shí)，同時(shí)受到六個(gè)分杯輪及驅(qū)動(dòng)齒輪的作用，不可避免的會(huì)出現(xiàn)受力不均，從而造成一定變形，因此在模數(shù)方面需要選擇較大(如M=1或1.25mm)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要保證強(qiáng)度，以防出現(xiàn)跳齒與卡死等，運(yùn)動(dòng)不暢現(xiàn)象；材料考慮：此件需要成型穩(wěn)定性要求高的塑料，以保證成品的尺寸精度，因此，選用POM+TF。
　　4　經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
　　此設(shè)計(jì)運(yùn)用了一個(gè)簡單的原理，巧妙的結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確的材料選取加上精確的尺寸控制，保證了動(dòng)作的一致性與穩(wěn)定性，使此繁雜機(jī)構(gòu)變得簡單，明了。外形尺寸小，裝配靈活，更換方便；在設(shè)計(jì)上充分考慮各件共用，節(jié)省模具成本，方便管理，優(yōu)化裝配。值得相關(guān)行業(yè)人員研究與借