随着中国经济的迅猛发展, 咖啡也融入了人们的日常生活, 中国有望成为世界最大咖啡市场之一。伴随着咖啡市场的扩大, 近年我国咖啡机行业也迅速发展, 咖啡机的种类也不断地由低端的半自动向全自动, 由单功能向多功能发展, 咖啡机的设计、生产技术不断得到提高。
做为一台全自动多功能的咖啡机, 实际就是一套自动控制系统。其通常包含如下核心子系统:研磨器、酝酿器、搅拌器、容器系统、搅拌棒供给系统、分杯系统、供杯系统、支付系统、热水系统、制冷系统。做为核心部件之一的分杯系统运行效果直接影响到整个咖啡机的性能与质量。笔者在此, 就分杯系统中核心部件之一:“分杯器”的原理设计、机构设计及需要考虑的各方面, 为大家展示一个实际运用的类似机构, 为相关产品的后来研究者提供有益的参考。
为了结构与控制方式设计能考虑全面, 符合市场需求, 在设计前需要充分了解行业使用和各种不同需求。自动售卖咖啡机使用的杯子是有其一定规律的, 表1列举了部分规格, 读者提供参考, 形状及尺寸参考, 图1、表1。杯子的包装方式是:50个, 或100个相同型号的杯子重叠成一条后, 装箱运输。装填时, 直接将整条杯子向容杯器内放置。如此包装、搬运, 可能会造成两个杯之间压得太紧;放置时也为因维护人员操作不规范造成杯子有少许不平整。从而可能会对分杯效果及稳定性造成一定的影响。因此, 在设计前需要充分考虑到各种不利因素, 设计出的机构才能更好地适应各种情景。
分杯器能兼容更多规格的杯子, 易于装配;宽度尺寸小 (薄) , 分杯动作平稳, 分杯时不能有震动, 分出的杯子不能倾斜, 以防掉落偏移;动作可靠性高, 每次只能分一个杯, 寿命可靠, 不易受到外部的干扰;填杯方便, 容杯数量合理, 不易受到外部的污染;能智能判断分杯状况, 能记录已分出杯子的数量, 能检测杯子剩余状态, 超强的纠错能力, 在分杯出错时能自动探测并修正。
本例巧妙地运用了带螺旋面的分杯轮, 通过旋转运动分杯。整列杯子压下轮子上, 当分杯轮旋转时, 最下面一个杯子的杯沿会被带入螺纹面内 (由于螺纹节距只能容纳一个杯通过) 。当分杯轮继续转动, 杯子被带到螺旋面下方, 处于悬空状态。如此, 杯子将在重力和螺旋面压力作用下顺畅下落, 准确掉入下方取杯器中, 从而达到设计意图。
运用传感器, 控制分杯轮初始角度、运动方向及运动角度;运用传感器探测分杯是否成功, 探测杯筒内的杯子是否用完。
1.外壳;2.传感器;3.分杯轮;4.分杯齿环;5.驱动齿轮;
分杯齿环2:模数M=1mm, 齿数Z=90, 内孔d=83mm;分杯轮3:模数M=1mm, 齿数Z=12;驱动齿轮4:模数M=1mm, 齿数Z=24。如此, 当驱动齿轮运动半圈, 分杯轮运动一整圈, 完成一次分杯运动。
于配秋波此部件的外壳通过巧妙设计, 上下壳为同一个零件, 可通过周边直口及内部孔轴定位, 周边均匀分布的四个卡钩可将其稳定地扣在一起, 形成分杯器外壳。装配时先将分杯齿环3装入外壳1内, 再将六个分杯轮2的缺口在夹具的定位下装入外壳1, 最后将驱动齿轮4装入带定位的卡钩内, 注意其装配方向;将传感器5装入另一个外壳1内 (此传感器PCB板上放置了两个传感器, 其一为hall传感器, 作用为:定位驱动齿轮4的初始及停止角度;另一个为光电传感器, 其作用为:利用红外线, 探测杯子的剩余状态。) ;两个分别装有元件的外壳互配成为一个分杯器。
整列杯子如图3方式, 放置在分杯器中, 处于复位状态 (如图3, a) 。六个分杯轮3经过分杯齿环2传动同时做逆时针旋转, 运动到 (图3, b) 位置。此时, 最下面一个杯子被带到螺纹面下方, 而上方杯子仍搁在分杯轮上, 这样就将一个杯子从整列杯中分离开来。分杯轮3继续逆时针旋转, 被分离杯子被带到螺旋面下方, 处于悬空状态;同时, 其杯沿上表面在分杯轮下方螺纹面的压力作用下, 加大与上方杯子距离, 并顺利下落 (如图3, c) 。驱动齿轮4驱动分杯轮3继续旋转, 经过一整圈运动后, 在传感器定位下, 再次停在 (如图3, a) 位置, 这样, 一次分杯动作完成。
如上分析, 因市场及饮品不同, 需要不同规格的杯子, 我们不可能一种杯子就设计一套分杯器, 如此, 既浪费资源又不方便生产管理及维护。因此, 在此设计中, 我们考虑的是, 以更换分杯轮3方式来适应不同大小的杯子。各尺寸的分杯轮保持与分齿环配合的齿轮不变, 只改变上部螺纹面的直径。如此设计, 配合其余零件便可做出一个系列的分杯器。此例设计的分杯器可适应的杯子尺寸直径范围是:63mm~80mm。
外壳:设计方面考虑:为节省模具成本, 优化物料管理及装配便利, 上下壳设计为一个零件, 装配时通过调整方向, 自身互配, 组合成一个外壳;材料及成型考虑:由于各件需要在此件上运动, 选用用耐磨工程塑料, 同时加工与成型尺寸精密、稳定。综合各方面要求, 此件选用POM+TF。
分杯轮:考虑有三点: (1) 互换性:以适应更多的杯子, 本例设计了不同规格的分杯轮, 通过更换分杯轮来组合不同规格的分杯器, 装配简单, 运动稳定; (2) 分杯平稳性:一套分杯器中, 分杯轮放置个数直接关系到分杯的平稳与否, 行业内设计为4~8个; (3) 材料选用:本例选择食品级的POM, 重点控制分杯轮内孔尺寸。
分杯齿环:齿数及模数设计:需要结合杯子尺寸及各分杯轮装配时的定位方向, 做特别计算。此件在分杯时, 同时受到六个分杯轮及驱动齿轮的作用, 不可避免的会出现受力不均, 从而造成一定变形, 因此在模数方面需要选择较大 (如M=1或1.25mm) , 结构设计需要保证强度, 以防出现跳齿与卡死等, 运动不畅现象;材料考虑:此件需要成型稳定性要求高的塑料, 以保证成品的尺寸精度, 因此, 选用POM+TF。
此设计运用了一个简单的原理, 巧妙的结构, 准确的材料选取加上精确的尺寸控制, 保证了动作的一致性与稳定性, 使此繁杂机构变得简单, 明了。外形尺寸小, 装配灵活, 更换方便;在设计上充分考虑各件共用, 节省模具成本, 方便管理, 优化装配。值得相关行业人员研究与借鉴。
摘要：鉴于眼下咖啡机行业在中国的蓬勃发展, 本篇围绕全自动咖啡机核心部件之一的分杯器组件的原理设计、机构设计、测试及经验总结整个过程做一个详细的阐述, 为相关研究者提供借鉴。
关键词：全自动咖啡机,分杯器,原理设计,机构设计
[1] 陈玉宏, 向凤红.自动控制原理[M].重庆:重庆大学出版社, 2003.
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