常見瓶蓋同向排列設(shè)備的設(shè)計

羅彬賓

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州市高端制造裝備智能化技術(shù)重點實驗室，江蘇 常州 213164）

0 引言

瓶蓋是生活中最常見的物品之一，它與我們的生活息息相關(guān)，大多數(shù)人每天都會用到它，比如水杯、藥瓶、飲料瓶、酒瓶等。這些杯子或瓶子的封口部件的結(jié)構(gòu)基本都是類似的：內(nèi)凹式帶螺紋圓柱蓋。因此工業(yè)上往往就其結(jié)構(gòu)針對性地設(shè)計各種各樣的上料機(jī)構(gòu)，確保瓶蓋與其瓶身裝配時同向排列。這些機(jī)構(gòu)中最常見的是振動盤[1-4]，振動盤作為一種給料裝置廣泛運用于工業(yè)的各個方面[5-8],很受自動化設(shè)計人員的歡迎。當(dāng)然也有一些其它形式的機(jī)構(gòu)同樣也能做到瓶蓋的同向排列，比如氣壓式機(jī)構(gòu)[9]等。這些機(jī)構(gòu)無一例外均針對其內(nèi)凹式圓柱結(jié)構(gòu)入手，巧妙地利用掛鉤、氣壓或蓋口朝下跌落等方式達(dá)到瓶蓋同向排列的目的。本文另辟蹊徑，針對常見的礦泉水瓶蓋設(shè)計了一款瓶蓋同向排列設(shè)備[10]。

1 理論和實驗支撐

瓶蓋給人的第一印象是其簡潔實用的結(jié)構(gòu)，所以針對其結(jié)構(gòu)設(shè)計的同向排列機(jī)構(gòu)多不勝數(shù)。其簡單的結(jié)構(gòu)包含一個很重要的信息，那就是其重心所在的位置。當(dāng)然當(dāng)瓶蓋處于平放狀態(tài)時，其重心在其旋轉(zhuǎn)中心軸線上，而其豎立時，那么其重心就不在其蓋面和蓋口的中間，其遠(yuǎn)離蓋口而更靠近蓋面，本文利用這種重心位置的偏差來設(shè)計其方向選擇機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，更為重要的是：當(dāng)瓶蓋豎立且直線方向滾動時，其重心位置也是直線運行的，并不會因為其滾動而發(fā)生非規(guī)律性變化。為了更直觀地驗證其可行性，根據(jù)圖1所示形狀的瓶蓋構(gòu)建了圖2所示的實驗?zāi)Ｐ停⒏鶕?jù)此實驗?zāi)Ｐ妥隽舜罅康膶嶒灐?/p>

圖 1 瓶蓋

圖2 瓶蓋擇向?qū)嶒災(zāi)Ｐ?/p>

由圖1可以看到，這是一個普通的礦泉水瓶蓋，其基本尺寸為：外徑為φ32 mm，壁厚為1 mm，高為12.6 mm，其重心在離蓋面4.6 mm處。圖2所示的瓶蓋擇向?qū)嶒災(zāi)Ｐ陀蓳醢濉⑵可w擇道及收納箱組成。收納箱靠近瓶蓋擇道端設(shè)計一個高度比瓶蓋直徑略大、寬度比瓶蓋高度略大的流入口。其中瓶蓋擇道長度為150 mm，寬度為7.5 mm，且與水平面呈一定的角度θ，擋板的高度略低于瓶蓋的高度，根據(jù)這個模型做了大量的模擬實驗。首先，將瓶蓋擇道與水平面的角度分別設(shè)置為10°、15°、20°、25°及30°，每個角度狀況下做50組實驗，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)蓋口朝內(nèi)（即蓋口貼靠擋板）時，將瓶蓋置于瓶蓋擇道初始端，由于瓶蓋豎立狀態(tài)下蓋口到瓶蓋重心的距離為8 mm，因此瓶蓋擇道無法為瓶蓋提供有效支撐，那么毫無例外，瓶蓋全部掉落，沒有一個瓶蓋能夠進(jìn)入收納箱的流入口。而當(dāng)蓋口朝外，即蓋面貼靠擋板時，我們發(fā)現(xiàn)部分瓶蓋掉落，而部分瓶蓋通過擇道進(jìn)入收納箱，其結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看到，當(dāng)瓶蓋擇道的傾斜角在15°～20°之間時，瓶蓋成功流入收納箱的概率最大。雖然這個樣本數(shù)并不大，且瓶蓋初始滾動時處于理想狀態(tài)與實際狀態(tài)有所不同，實際情況下瓶蓋成功流入收納箱的概率比實驗要低，但是此模型成功地驗證了通過重心選擇法設(shè)計一種全新的瓶蓋同向排列機(jī)構(gòu)的可行性。

表1 瓶蓋成功進(jìn)入收納箱次數(shù)

2 瓶蓋同向排列設(shè)備的整體設(shè)計方案

由于已經(jīng)確定了使用重心的非對稱性作為完全無序狀態(tài)下瓶蓋方向選擇的方法，那么首先要面臨的問題是：如何讓瓶蓋站起來。因此瓶蓋同向排列設(shè)計的設(shè)計流程為：無序的瓶蓋→站立的瓶蓋→瓶蓋方向的選擇→同向瓶蓋的輸出。首先是讓無序的瓶蓋豎立，然后才是驅(qū)使豎立的瓶蓋有序地通過圖2中的瓶蓋擇道，排除蓋口面向擋板的那些瓶蓋，而盡量保留蓋面面向擋板的那些瓶蓋，最后是同向瓶蓋的輸出，為瓶蓋與瓶身的安裝做好上料準(zhǔn)備。由圖1瓶蓋本身的結(jié)構(gòu)可知，瓶蓋本身的徑高比（即瓶蓋直徑與高度的比值）遠(yuǎn)大于1，當(dāng)瓶蓋處于隨機(jī)狀態(tài)時，在重力的作用下，瓶蓋絕大多數(shù)狀態(tài)下應(yīng)該是蓋口或蓋面傾向于貼附在水平面上，隨機(jī)堆積狀態(tài)下亦是如此，因此一個高效率的瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)就變得尤為重要了。

3 瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)的設(shè)計

一般情況下，可以先驅(qū)使瓶蓋前進(jìn)，當(dāng)瓶蓋通過僅比瓶蓋高度稍高的限高桿，阻止部分豎立的瓶蓋通過，然后通過矯正軌道或直接旋轉(zhuǎn)90°將瓶蓋豎立起來，這么做的劣勢是會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過于龐大，占地面積大，而且成本較高。本文考慮到種種因素，給出了圖3所示的設(shè)計方案。

如圖3所示，這個瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)是由料斗、電動機(jī)、收納箱葉片和串珠組成，其中葉片和串珠是整個機(jī)構(gòu)中的重要組成部分，它們的形狀如圖4、圖5所示，葉片的結(jié)構(gòu)是回旋的軸的一側(cè)帶有微微凸起的薄薄長片，且葉片與電動機(jī)相連，在電動機(jī)的作用下，葉片相對于水平面做小幅度擺動，不斷地調(diào)整料斗底部瓶蓋的姿態(tài)，直到其以側(cè)身豎立的姿態(tài)落入中空寬度僅比瓶蓋高度稍大的收納箱中。串珠是由中空的球體串聯(lián)在一起，增加料斗底部葉片與瓶蓋之間的滑動性，防止堆積在料斗底部的瓶蓋卡住葉片，因而導(dǎo)致瓶蓋的損傷。此瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，更重要的是其占地面積小，既不需要設(shè)計驅(qū)動瓶蓋前進(jìn)的軌道或機(jī)構(gòu)讓其平躺，也不需要設(shè)計專門的機(jī)構(gòu)讓瓶蓋從平躺的姿勢到豎立狀態(tài)。因此其相對于其他瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)更加有優(yōu)勢。

圖3 瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)

圖4 葉片

圖5 串珠

4 瓶蓋同向排列設(shè)備的總設(shè)計方案

結(jié)合圖2所示的瓶蓋擇向?qū)嶒災(zāi)Ｐ图皥D4所示的瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)，可以輕松做到瓶蓋同向排列，其設(shè)計模型如圖6所示，它是由料斗、電動機(jī)、收納箱1、瓶蓋擇道及收納箱2等組成，當(dāng)料斗中的瓶蓋通過圖4中的葉片繞水平面小幅度擺動，不停地調(diào)整料斗中的瓶蓋姿態(tài)，直到其以合適的姿態(tài)側(cè)身豎立進(jìn)入中空寬度僅比瓶蓋高度稍大的收納箱1中，這時候的瓶蓋的蓋口的方向是隨機(jī)的，那么進(jìn)入收納箱1中的蓋口隨機(jī)的瓶蓋在重力及收納箱底部傾斜的結(jié)構(gòu)雙重作用下從流出口1中流出，滾到瓶蓋擇道上，當(dāng)蓋口朝向擋板時，由于瓶蓋重心在瓶蓋擇道外，那么在重力的作用下它會迅速掉落下去，而蓋口背向擋板時，部分瓶蓋也會在其流出速度及流出的姿態(tài)的影響下掉落下去，甚至擋板及瓶蓋擇道的表面光潔度及周遭環(huán)境的微幅振動也會影響到瓶蓋的掉落，能夠流入收納箱2的流入口的瓶蓋均為蓋口背向擋板的，故收納箱2內(nèi)的瓶蓋都是同向的，如果在流出口2處位置設(shè)置瓶蓋倒向軌道，就可以得到瓶蓋蓋口全部朝上或全部朝下的瓶蓋，這樣就可以為下一步瓶蓋與瓶身的裝配做好上料準(zhǔn)備。

圖6 瓶蓋同向排列設(shè)備

5 結(jié)論

瓶蓋是生活中常見的物品，其同向排列的工業(yè)價值是不言而喻的。市面上有形形色色的瓶蓋同向排列設(shè)備，都是從瓶蓋本身的結(jié)構(gòu)出發(fā)而進(jìn)行排列的，本文從豎立的瓶蓋的重心非對稱性這一點出發(fā)，另辟蹊徑，通過其重心位置在蓋口和蓋面上的非對稱性，設(shè)置合適的瓶蓋方向選擇軌道，排除掉蓋口朝向擋板的瓶蓋，盡量保有蓋口背向擋板的瓶蓋，最后做到進(jìn)入收納箱的瓶蓋同向排列，為設(shè)計者們提供一種有效的設(shè)計思路。