紙杯自動分離器的設計

馬春峰 威海職業學院機電工程系 264210

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紙杯自動分離器的設計

馬春峰 威海職業學院機電工程系 264210

【文章摘要】

紙杯自動分離功能在當前物聯網液態食品零售業中具有廣泛的需求，根據疊裝紙杯特點提出紙杯分離器機械部分結構，設計了單片機控制系統，實現定量取用、自動分離及缺杯報警等功能。

【關鍵詞】

紙杯；分離器；凸輪

1　設計背景及國內外研究現狀

隨著物聯網的發展，飲料、牛奶、酸奶等液體、流體食品的自動售賣機由于具有運營成本優勢也逐漸在推廣應用，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，大多為消費者用手取用，如何實現單個紙杯的可靠分離成為自動售賣設備必須要解決的問題。目前國內外紙杯分離器在機場、商場、酒店、高鐵等場合雖已應用，均為手動式取杯器，暫無自動分離產品。

2　分杯器設計參數與設計要求

根據分杯器的功能要求，在觸發信號到來之后，整個過程實現自動、準確分離。要求機械結構簡單、工作可靠，同時適應性要強，能夠對不同規格的紙杯進行分離。因此，以300ml紙杯為例，確定設計要求如下：

①分離對象為Φ90mm的疊裝紙杯；②有觸發信號，采用自動控制系統；③單個紙杯分離時間不超過3秒；④能根據指令進行連續分杯，準確停止；⑤缺紙杯報警。

3　設計方案

3.1分離方案的制定

從已有上市產品來看，手動分杯器機械結構相對簡單。高鐵上的抽取式裝置內部只有一對彈簧卡扣，抽取底部紙杯后，上方紙杯自動落下；一鍵按壓式取杯裝置，取杯時依靠內部兩對卡扣的配合運動實現紙杯分離；上述兩種結構方案對完成自動分杯來說均不適用。

從已公布的一種自動出杯裝置 中可以看出，整個機構可由電機驅動主動輪帶動4個分離齒輪同步旋轉實現分杯，但仍存在以下問題：周邊共有5個旋轉零部件，使得接觸齒數較少，易打滑；分離齒輪結構復雜、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。

針對上述問題，提出以下改進方案。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現同軸旋轉。②其中一個同步帶輪為主動輪，則零件數量減為4個，以增加嚙合齒數，使傳動可靠。③軸一端為光軸，可實現插接式快速裝配，方便4個凸輪同步。④具有同步帶張緊調節機構，易于裝配。⑤設計自動控制裝置，準確實現單個紙杯分離、準停。

3.2法蘭盤的設計計算

紙杯中心線、凸輪旋轉軸線、凸輪半徑之間的尺寸鏈關系如圖1。

圖1　分離機構尺寸鏈

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。根據以上尺寸關系確定：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

由于分離紙杯產生的扭矩很小，選擇144MXL（B180）*6的橡膠同步帶，其節線長為365.76mm，180個齒；同步輪選用MXL16T鋁帶輪，適合帶寬7mm同步帶，軸孔內徑為6mm。

3.4電機及聯軸器的選擇

電機選用50KTYZ型永磁同步電機（交流220V），正反轉可控、自帶減速機，轉速為定速20r/min；每轉（3秒鐘）分離一個紙杯。聯軸器選用鋁合金彈性聯軸器，型號為D19L25，內孔6mm。

3.5檢測元件的選用

選用兩個檢測元件：一個光電傳感器負責實時監測有無紙杯，傳出信號給單片機驅動報警器；一個霍爾元件負責監測凸輪完成一周旋轉（分離一個紙杯）并傳出信號給單片機進行計數。

4　分杯器總成及工作原理

分杯器主體機械結構如圖2。其工作原理：凸輪為PP食品級塑料材質，內孔為正方形，插接在軸端部形成鍵連接，與下方同步帶輪同軸連接，4個同步帶輪均與同步帶嚙合。疊放的紙杯置于4個凸輪頂面由電機通過聯軸器、軸帶動同步旋轉，由凸輪下側面推動紙杯杯口上側實現紙杯單個分離。上法蘭盤上、下側各有一個傳感器，上方傳感器為光電傳感器、檢測當前是否還有紙杯；下方傳感器監測同步帶輪是否完成自動旋轉一周。取杯時，按下按鈕，電機開始以定速旋轉，每完成一周（完成一個紙杯分離）觸發下傳感器發出一個電信號給單片機，控制電機電源的切斷。

圖2　分杯器示意圖

5　結論

通過快速更換不同大小的凸輪，該產品能夠準確的對市面上常用規格的疊裝紙杯進行單個分離，配備單片機控制系統可實現不同數量紙杯的取用，用于飲料、純凈水等自動售賣機；機械結構簡單、合理，人機界面友好，工作可靠。

【參考文獻】

［1］孫開元，李長娜.機械制圖新標準解讀及畫法實例［M］.北京：化學工業出版社，2013.

［2］張信群.互換性與測量技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［3］梁洪坤.一種自動出杯裝置.中華人民共和國國家知識產權局.ZL：200420070929.3.

【作者簡介】

馬春峰，1978年1月生，男，講師，工學碩士，機電一體化方向，專任教師。