基于瓶裝水自動供給裝置的設計

陳紀欽，孫大許，謝智陽

（1.河源職業技術學院機電工程學院，廣東河源517000；2.廣東機電職業技術學院汽車學院，廣東廣州510550）

基于瓶裝水自動供給裝置的設計

陳紀欽1，孫大許2，謝智陽1

（1.河源職業技術學院機電工程學院，廣東河源517000；2.廣東機電職業技術學院汽車學院，廣東廣州510550）

設計了一種瓶裝水自動供給裝置,分析了自適應連續供給式斜面軌道、翻轉杠桿、感應式升降臺、拉索式升降軌道、帶光耦隔離的雙繼電器電機驅動模塊、開源硬件控制板等主要部件的具體設計與實現，解決了瓶裝水按指令逐瓶自動送出桌面、磁吸式位置開關信號偶發性控制失靈等問題，實現了出水等待時間小于0.5 s，連續出水間隔小于3 s，一次性裝載量不少于20瓶.測試結果表明裝置性能穩定可靠，解決了業務洽談桌或會議桌瓶裝水取用不便的問題.

瓶裝水；自動供給；自適應斜面軌道；翻轉杠桿

目前已有的瓶裝水儲存取送機構大多都是面向自動售貨機設計，如文獻［1］提及了一種適合瓶裝飲料的螺旋彈簧式儲存取送機構，彈簧后端連接一個驅動電機，電機驅動彈簧旋轉一圈可以將放置于彈簧縫隙中的瓶體推出掉落到出貨口，該機構能裝載多款外形各異的飲料瓶，適用范圍廣；劉海剛等設計了一款無人售貨機內部所有裝載的瓶體跟隨驅動電機旋轉，而出口處安裝的兩個電機則驅動推瓶器將瓶體推進取貨口，該裝置適合高密度裝載圓柱形罐裝飲料［2］；關祥毅等則優化了一款罐體送出機構，該機構利用直線步進電機驅動推拉桿促使槽輪繞轉動中心作往返轉動將貨道內存儲的罐裝飲料逐瓶分離并送到出貨口［3］.

參照上述機構的一些設計思路的基礎上，設計了一套能夠安裝于桌子下方的瓶裝水自動供給裝置.該裝置運用了自適應連續供給式斜面軌道、翻轉杠桿及拉索軌道電控升降臺等機構，提升了傳輸穩定性和可靠性；只采用了1個低壓直流電機作為動力源，降低了控制系統的復雜性.當按下桌面取水按鈕后，機構能將預先存儲的瓶裝水送出桌面，解決了重要場合取水不便的問題.

1 工作原理與結構組成

瓶裝水自動供給裝置包含了自適應斜面軌道、翻轉杠桿、感應拉索軌道電控升降臺等主要部件，系統工作原理見圖1.

自適應斜面軌道上存儲擺放著一定數量的瓶裝水，裝置工作時，瓶裝水由于重力作用自行向下滾動（見圖2）.自適應斜面軌道最下方的瓶裝水會順勢滾入翻轉杠桿中.翻轉杠桿能將滾入其中的平躺狀態的瓶裝水逐瓶翻轉為豎直狀態，并將其滑落到升降臺.升降臺上的壓力開關感知瓶裝水滑落到位后將其舉升到等待位.當使用者按下桌面取水按鈕后，瓶裝水由等待位升至最高位（此時瓶裝水露出桌面等待被取用）.若壓力開關感知瓶裝水被取走后，升降臺下降至最低位，承托從翻轉杠桿翻轉過來的下一瓶瓶裝水.整套機構動作均由電控系統根據各開關、位置信號來實施控制.

圖1 裝置總體設計框圖

圖2 裝置整體機構設計

1.1 自適應斜面軌道的設計

裝置主要針對X寶350 ml裝的純凈水設計，因為這款瓶裝水外形并非標準圓柱形，所以必須在斜板上加裝支撐導向軌使得瓶身中軸線與斜板平面平行（縱截面見圖3），以保證瓶裝水能逐瓶平穩向下滑滾.側擋板與支撐導向軌配合可以保證瓶裝水整齊隊列在斜板上，不發生橫向滑移.

圖3 滑滾導軌結構

1.2 翻轉杠桿的設計

翻轉杠桿實現的功能包括：（1）將滑滾導軌上成排的瓶裝水逐瓶分離；（2）將分離出來的瓶裝水由水平狀態翻轉為豎直狀態；（3）杠桿機構受升降臺控制，升降臺下降過程能夠壓下杠桿翻轉翻斗.

翻斗底部靠斜面軌道的一側設計了隔離板，確保了翻轉過程中，斜面軌道上排列的瓶裝水被阻擋暫停向下滑滾，實現逐瓶分離.翻斗受杠桿機構撬動，可繞轉軸旋轉，其上瓶裝水在翻轉過程中順利滑落到升降臺.翻轉杠桿的結構見圖4.

1.3 升降臺的設計

升降臺使用了一款車窗玻璃升降導軌進行改裝，在原玻璃固定孔處安裝一個內徑稍大于瓶裝水直徑的托杯，托杯底部安裝一個升降臺壓力開關.升降臺底部在下降運動的末期會壓觸翻轉杠桿的滾輪端，并撬動翻斗實現翻轉運動.1.4升降臺電機與拉索軌道的設計

圖4 翻轉杠桿結構

選用了某款車載玻璃升降電機及拉索軌道軌作為本系統升降臺驅動電機與升降導軌［4］.該電機為直流永磁有刷電機，標準工作電壓為12 V.在舉升負載不超過1 kg的情況下，啟動電流瞬間不大于2.5 A，工作過程電流不大于1.8 A，升降速度約為0.32 m/s.升降導軌的有效升降高度不小于0.3 m.

1.5 升降臺電機驅動模塊的設計

電機啟動電流比較大、工作過程啟停頻繁，且不涉及調速控制，本系統采用雙繼電器的方案來實現換向控制.控制板輸出的信號送給光耦隔離元件U1，隔離放大后的信號被用來驅動一個NPN三極管Q1，而Q1則控制了繼電器RL1的線圈回路的形成.為了提升驅動模塊穩定性，RL1線圈兩端連接了一個D1，在U1和Q1之間則布置了一個限流電阻R1（見圖5）.

若給光耦元件U1的2號端子輸入低電壓信號，RL1吸合，電流從上到下流過升降臺電機，電機正轉.相反，若給光耦元件U2的2號端子輸入低電壓信號，RL2吸合，電流從下到上流過升降臺電機，電機反轉.

1.6 位置傳感器與開關的設計

升降臺的停留位置包括下限位（壓下翻轉杠桿，瓶裝水從翻斗滑落到升降臺）、等待位（此時已裝載瓶裝水，該位置靠近桌面，可以縮短系統響應時間）和上限位（此時瓶裝水露出桌面，等待用戶取走）.下限位、等待位、上限位信號分別由安裝在與升降臺運動軌跡平行的立柱上的磁吸開關獲得.當升降臺運動時，其一側安裝的釹鐵硼強磁鐵可以控制相應位置的磁吸開關閉合（見圖6）［5］.

圖5 電機驅動模塊電路原理

圖6 磁吸開關工作原理

取水鍵信號由安裝在桌面的點動式按鈕開關獲取；升降臺壓力開關由安裝在升降臺托杯底部的點動式按鈕開關獲取；復位鍵信號由安裝在瓶裝水加載口內側的點動式按鈕開關獲取，打開加載口可以自動完成一次系統重啟；警告燈則被設計為繞取水按鍵周邊的燈圈.

1.7 系統控制板的選用

裝置使用了兩個數字I/O口作為輸出端，實現電機運動控制；使用了一個數字I/O口作為輸出端，實現警告燈閃爍控制；使用了3個數字I/O口作為輸入端，獲取升降臺位置；使用一個數字I/O口作為輸入端，獲取升降臺杯托負載信號；使用了Reset端口，實現裝置重啟復位.選用的開源硬件Arduino UNO R3開發板具有6個模擬I/O口A0～A5，14個數字I/O口D0～D13，1個重啟接線端子，1個電源輸入口（推薦7～12 V），1個USB口（程序燒錄或測試供電用），不僅能完全滿足當今使用，也為未來升級改造預留了一定空間.

Arduino是一款開源電子原型平臺，其專有開發環境簡單清晰，硬件板成熟穩定且擴展方便，配套軟硬件資源非常豐富且易于使用，非常適合選用作為本裝置及類似裝置的系統控制板［6-7］.

裝置Arduino板的D5和D6兩個端子與電機驅動模塊兩個光耦對應的端子相連；D7用于警告燈信號輸出；D8用于采集桌面取水開關信號；D9～D11分別用于采集下限位、等待位和上限位的信號；D12用于采集升降臺壓力開關信號（見圖7）.

2 控制邏輯的設計及系統測試

圖7 系統控制板與外圍電路的連接

2.1 邏輯設計

系統的控制邏輯按照圖8的流程進行設計，并在Arduino IDE中將編譯好的系統控制程序燒錄到控制板.

圖8 系統控制流程圖

2.2 系統測試

將設計制作好的各模塊按系統總體設計進行組裝，并開機測試（見圖9）.功能測試結果顯示：出水等待時間（從客戶按下取水按鈕到瓶裝水升出桌面停止位置的時間）小于0.5 s；連續出水時間間隔（上一瓶水取走到下一瓶水升出桌面停止位置的時間）小于3 s；裝載便利，裝載20瓶瓶裝水的時間小于30 s；可以容納瓶裝水數量超過20瓶.

圖9 裝置測試實物圖

穩定性測試結果顯示：環境溫度約25°C時，系統連續運行100個工作循環（每個工作循環裝載20瓶水，并按下取水按鈕逐瓶取出），出現故障為零.

3 結語

（1）運用瓶裝水自身重力實現連續供給，運用杠桿機構控制翻斗運動，這些設計有效減少了驅動電機數量，避免了多動力源機構的相互運動干涉問題.

（2）磁吸開關是一款非接觸式開關，將用于行程檢測，特別適合中間位置較多的場合.若檢測物運動速度比較快，建議在程序中增加冗余指令.如本系統中的升降臺到達等待位觸發該開關后，單片機在連續100 ms內一直向電機發送停轉指令.

（3）裝置設計過程一定要考慮使用者的操作體驗，如裝置設計的等待位可以有效縮短出水等待時間；設計的缺水裝載提醒、系統重啟等功能可以提升系統魯棒性.

［1］李養旺.自動售貨機易拉罐出罐機構研究[J].機電技術，2005（2）：73-76.

［2］劉海剛，王剛，高建彪.一種新型無人售貨機的設計與分析[J].食品與機械，2016，32（3）：109-112.

［3］關祥毅，劉恩德，隋承海，等.自動售貨機罐裝送出機構設計優化的研究[J].哈爾濱商業大學學報，2007，23（6）：747-749.

［4］王劍.升降系統布置以及零件設計[J].汽車實用技術，2014（4）：72-77.

［5］徐永，徐善堂.基于雙干簧管的礦用磁性接近開關設計[J].工礦自動化，2012（10）：26-28.

［6］彭攀來，馬婭婕，劉智旸.基于Arduino的移動機器人控制系統設計[J].自動化與儀表，2016（3）：1-4.

［7］楊繼志.Arduino的互動產品平臺創新設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2012（4）：39-41.

Automobile，Guangdong Mechanical and Electrical Polytechnic，Guangzhou 510550，Guangdong，China）Abstract:One kind of automatic feeding device for bottled water has been designed.The design and implementation of the main components,such as adaptive continuous feeding inclined rail，turnover lever，cable lifting track，induction lifting platform，dual relay motor drive module with opt coupler isolation，control board of open source hardware and the like,were introduced.Bottled water was automatically sent to the desktop one by one follow the orders，and the magnetic suction position switch signal control failure by accident and so on has been solved.Waiting time is less than 0.5 s，the continuous time interval is less than 3 s，and the loading capacity is not less than 20 bottles.The use of bottled water for business negotiation table or conference table has been improved.

Design of Automatic Feeding Device for Bottled Water

CHEN Ji-qin1，SUN Da-xu2，XIE Zhi-yang1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Heyuan Polytechnic，Heyuan 517000；2.School of

bottled water；automatic supply；adaptive inclined rail；turnover lever

G80-05

A

1007-5348（2017）06-0040-05

（責任編輯：歐愷）

2017-03-19

陳紀欽（1983-），男，廣東梅州人，河源職業技術學院機電工程學院講師，碩士；研究方向：智能控制機械裝置及汽車.