摘要：近幾年我國咖啡機(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不斷擴(kuò)大，咖啡機(jī)的種類不斷由低端的半自動向全自動、由單功能向多功能發(fā)展。鑒于眼下咖啡機(jī)行業(yè)在我國的蓬勃發(fā)展，文章圍繞著全自動咖啡機(jī)核心部件之一——攪拌棒機(jī)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)備、原理設(shè)計、重要參數(shù)計算進(jìn)行了闡述。

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

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

1 概述

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，近幾年我國咖啡機(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不斷擴(kuò)大，咖啡機(jī)的種類也不斷地由低端的半自動向全自動、由單功能向多功能發(fā)展。一臺全自動多功能的咖啡機(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)計與驗算做介紹，為大家展示一個實際運用的案例，希望能為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

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，長度90、105、115、125mm等系列。此件由注塑模生產(chǎn)而成，目前國內(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)計不同：端面?zhèn)人?，頂面點水口；分型面不同：A分型面設(shè)計在底面，B分型面設(shè)計在產(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)計時，需要充分考慮到各個方面，才能保證設(shè)計出的機(jī)構(gòu)能效適應(yīng)各種不良狀況，使機(jī)構(gòu)運行穩(wěn)定、工作效率高。

2.2 攪拌棒需求分析

系統(tǒng)原理時，需要了解不同長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)能配備的攪拌棒長度規(guī)格越多，整個系統(tǒng)靈活性就越高，市場競爭力就越強(qiáng)。

2.3 攪拌棒數(shù)量分析

機(jī)構(gòu)原理時，還需要綜合考慮在一臺咖啡機(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)動件動力更大，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)計了兩種長度攪拌棒，每種長度的能可裝填350件。

3 原理設(shè)計及各參數(shù)確定

系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)是：智能控制，動作穩(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

考慮到裝填方便與實際需求，在此咖啡機(jī)內(nèi)放置兩疊不同長度的攪拌棒（根據(jù)售賣市場不同，長度可調(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下落填補(bǔ)空間。在機(jī)構(gòu)設(shè)計時便可考慮設(shè)計一個部件做往復(fù)運動取攪拌棒，至到將整疊取完，這樣的設(shè)計有效利用了產(chǎn)品的重力，從而巧妙地簡化了此系統(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)計一個摩擦輪，利用摩擦力將最底一件攪拌棒從長度方向或?qū)挾确较驇С觯唬?）在整疊底部設(shè)計推塊，將最下一件攪拌棒從寬度或長度方向推出。兩種取件方式優(yōu)缺點分析：方式（1）機(jī)構(gòu)設(shè)計更為簡單，但是由于攪拌棒之間殘留的水口及表面蝕紋，造成摩擦力過大，而不能保證每次有效地將其推出（這點在實際測試中也得到了驗證）；方式（2）可解決摩擦力影響的問題。接下來選擇具體機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)方式（2）：在帶輪上設(shè)計一個推塊，做往復(fù)運動或周轉(zhuǎn)運動取攪拌棒；用連桿機(jī)構(gòu)；齒輪齒條機(jī)構(gòu)；設(shè)計螺桿傳動機(jī)構(gòu)。各種方式實現(xiàn)的空間與布局會有所不同，從本機(jī)布局方面，我們傾向于設(shè)計成兩個并排放置，從長度方向取件的機(jī)構(gòu)。最終選擇的攪拌棒取件方式為：螺桿傳動機(jī)構(gòu)。

3.2 具體參數(shù)的設(shè)計

3.2.1 重要零件尺寸設(shè)計。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、寬大可致確定。螺桿尺寸：由于傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計在攪拌棒底部，在工作過程中螺桿徑向需要承受上方的重力，合計約500g（如下細(xì)節(jié)計算）。通過驗證，螺桿設(shè)計為M8×1.5，長度130mm（大于最長攪拌棒）；馬達(dá)尺寸：選擇?26mm，長度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)與螺桿計算其運動速度v=1.5×8100/60=202.5mm/s，此速度太快，在工作中容易出錯，需要加入二級齒輪降速并提高輸入力。經(jīng)過初步計算（計算過程略）此設(shè)計選擇：主動齒：M0.5-Z19，從動齒：M0.5-Z55。

3.2.2 參數(shù)驗證。攪拌棒重力產(chǎn)的壓力：G=1.3×350+50=500g=5N（125mm長度攪拌棒約重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，以增加保險系數(shù)]。

螺桿能提供的扭矩：

3.3 控制、運動過程

下面簡要介紹最終系統(tǒng)的控制與運動過程，以便對整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制有全面的認(rèn)識（具體設(shè)計、調(diào)試與改善過程此處不再做詳細(xì)介紹）。如圖3（a）為設(shè)計的外觀結(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)計兩個感應(yīng)器1、12分別控制推塊左、右運動位置，感應(yīng)器13記錄被推出的攪拌棒狀態(tài)。機(jī)構(gòu)操作過程如下：

3.3.1 準(zhǔn)備工作：根據(jù)需要的攪拌棒長度調(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)會智能驅(qū)動相應(yīng)的推塊向右運動64mm并觸發(fā)感應(yīng)器12而停止，同時一件攪拌棒會在自重作用下落入咖啡杯內(nèi)，完成取攪拌棒。

3.3.3 復(fù)位過程：當(dāng)客戶拿走咖啡杯后，推塊11會自動向左運動并在感應(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，同時推出一件新攪拌棒運動至如圖3（b）位置待命。

3.3.4 重點：待命位置設(shè)計在中部，可縮短有效工作距離，因為復(fù)位過程不占用實際取攪拌棒的時間；同時在待命狀態(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)沒有攪拌棒或沒有效推出攪拌棒，感應(yīng)器13便不能被激活，這樣系統(tǒng)會驅(qū)動推塊11重復(fù)一次取件動作，如果傳感器13仍然未能被激活，系統(tǒng)會認(rèn)為攪拌棒用完，下次客戶買咖啡機(jī)時便不會再驅(qū)動機(jī)構(gòu)取攪拌棒，而是出現(xiàn)一個提攪拌棒已用完的提示。同時后臺會將此信息第一時間通過遠(yuǎn)程發(fā)給運營商。為了使此系統(tǒng)運動平穩(wěn)、有效，在實際設(shè)計中還需要重點考慮螺桿、推塊、齒輪、底座各重要零部件材料、細(xì)節(jié)設(shè)計，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

本設(shè)計充分考慮了維護(hù)、制造、智能化、可靠性、耐久性等多方因素，從原理設(shè)計、驗算、材料選擇、模板加工測試、改善、開模、實際樣件裝機(jī)測試等步步為營，設(shè)計出一個全新、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、關(guān)鍵零部件尺寸參數(shù)確定、受力驗算等做實例，為讀者介紹新設(shè)計需要考慮、驗證的問題、過程，以供參考。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡介：李勇（1977-），男，四川仁壽人，法雷奧發(fā)動機(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）