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        廚用旋緊式瓶蓋開啟裝置設(shè)計

        2023-09-21 08:17:20張占輝黃顯堂
        科學技術(shù)創(chuàng)新 2023年22期
        關(guān)鍵詞:開瓶封蓋瓶身

        張占輝,黃顯堂

        (1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學院,廣東 廣州;2.東莞維科電池有限公司,廣東 東莞)

        引言

        在工業(yè)上,罐頭類食品的封裝行業(yè)已然飽和,生產(chǎn)上也采用非標的封裝設(shè)備對產(chǎn)品進行包裝,但經(jīng)包裝后的產(chǎn)品送到消費者手中而如何打開瓶蓋卻成為第一道難題,針對旋緊式瓶蓋,家用、生活中所用的開瓶裝置較為短缺,且常年從事于人工開蓋工作場合如餐館、酒店等,更是增加患腱鞘炎的風險。因此在非工業(yè)化領(lǐng)域當中,非標開瓶器或許是一項待挖掘、可發(fā)展的便民產(chǎn)品。瓶蓋的設(shè)計方面,一般要求便于消費者開啟。我們在生活中可能都遇到過瓶蓋太緊,怎么使勁都擰不開,非常不方便,而如果采用自動開瓶器操作,則如何合理的對瓶蓋開啟力大小進行控制是生產(chǎn)單位在線或離線檢測的重點[1]。汪正揚和錢呈則針對擰不開飲料瓶蓋或罐頭蓋的情況,設(shè)計了一款省力的擰瓶蓋神器[2]。為改善人們的生活質(zhì)量,幫助居家婦女、老人、小孩掃清開瓶障礙,本研究設(shè)計了一款廚用旋緊式瓶蓋開啟裝置。

        1 研究現(xiàn)狀分析總結(jié)

        1.1 研究現(xiàn)狀

        針對不易開瓶的現(xiàn)象,主要有以下原因及解決方案。大多時候瓶蓋不易打開,主要取決于容器內(nèi)外氣壓不一[3],因此可采用增溫衡壓法解決。新型的易開型瓶蓋是在鋁蓋的外面加一層塑料蓋,開啟時直接用手將塑料蓋掰開即可,近年來逐漸取代了傳統(tǒng)瓶蓋[4]。用機械裝置代替人工,高效實用且可實現(xiàn)開瓶功能。趙海峰等人[5]指出,可采用電機作為驅(qū)動裝置,結(jié)合傳動裝置和執(zhí)行裝置實現(xiàn)上述三個動作,實現(xiàn)了自動開瓶的功能。針對特殊職業(yè)所面對的不易開瓶問題,特制開瓶裝置能夠有效解決問題。張永惠等人[6]指出,用TRIZ 理論設(shè)計出一個多功能醫(yī)用開瓶器。

        1.2 問題分析總結(jié)

        1.2.1 開瓶器仍以人工為主 基于國內(nèi)現(xiàn)有的開瓶技巧及小巧開瓶裝置,它們的共同點都是起到了輔助作用,即動力源依舊來源于人力,雖然可提高消費者打開產(chǎn)品瓶蓋的效率,但效率依舊取決于使用者的狀態(tài)和開啟瓶蓋方式的規(guī)范性等多方面因素,從某種意義上來說,并未解放雙手,變相人工打開瓶蓋,無法做到真正的利民、便民的出發(fā)點。

        1.2.2 使用范圍小 國內(nèi)現(xiàn)有的開瓶技巧及小巧開瓶裝置都是針對某個行業(yè)、某款產(chǎn)品、某種格式去設(shè)計的便民開瓶裝置,而產(chǎn)品瓶蓋的規(guī)格、大小、款式則成為它們的局限性,這樣一來,國內(nèi)現(xiàn)有的開瓶裝置可用范圍比較小,離成為一款可靠、萬能的開瓶裝置還有一段路要走,要使開瓶裝置真正做到便民,通用性是必須要考慮的一個特性。

        1.2.3 安全隱患 國內(nèi)現(xiàn)有的開瓶裝置和開瓶技巧都是基于人工,那么衛(wèi)生、安全隱患必然尚存。如何正確打開瓶蓋依舊取決于操作者的操作意識,如何保證開啟瓶蓋的同時能夠?qū)⑵可砝卫喂潭?,如何確保開啟瓶蓋時開瓶裝置亦或者外界環(huán)境的細菌不會影響到容器內(nèi)的產(chǎn)品,以上幾點操作不當均有可能影響到產(chǎn)品的衛(wèi)生、打破產(chǎn)品、甚至是造成人身安全,且依舊采用人工同樣會有患腱鞘炎亦或者損傷手腕等受傷的風險。

        因此針對大部分居家婦女、老人、小孩對于開瓶這一痛點問題,本研究設(shè)計了一款兼具實用性、通用性、高效衛(wèi)生的智能瓶蓋開啟裝置。

        2 研究內(nèi)容

        2.1 總體設(shè)計方案

        2.1.1 開瓶裝置的技術(shù)要求 本課題擬研究的旋緊式瓶蓋開啟裝置的主要功能有:人工將欠開蓋、封蓋產(chǎn)品粗略放置固定臺,按下觸摸屏上的相應功能,固定機構(gòu)會將產(chǎn)品緩慢推向固定臺正中央,且將固定其瓶身。接著旋蓋機構(gòu)會在升降機構(gòu)的作用下,自動定位至適宜的工作高度,先是有三爪夾手平緩靠攏瓶蓋,直至緊緊貼合瓶蓋后反饋至控制系統(tǒng),則該機構(gòu)開始做旋向運動,當瓶蓋被開啟后,三爪夾手緩慢擴張,旋蓋機構(gòu)工作結(jié)束,回原點。

        2.1.2 可精確定位的升降機構(gòu) 升降機構(gòu)由電缸、距離傳感器、連接板所組成。電缸的動力來源為伺服電機,能夠高精度地控制行程,搭配紅外測距傳感器的使用,則更有效地判斷欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的位置,隨即反饋到電缸,直至升降到工作高度。連接板則是作為升降機構(gòu)與旋蓋機構(gòu)的橋梁,起到固定、傳動的效果。

        2.1.3 集夾緊旋緊為一體的旋蓋機構(gòu) 該旋蓋機構(gòu)主要由步進電機、減速器、傳動軸、梯形絲杠、夾緊裝置、活動聯(lián)軸器、線圈、彈簧、滾動軸承、定位卡環(huán)、非標行程開關(guān)所組成。該機構(gòu)由步進電機提供動力源,在減速器作用下,增大工作時的額定扭矩,通過傳動軸、非標聯(lián)軸器,將動力傳遞給梯形絲杠,梯形絲杠開始做圓周運動,慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線運動,在非標三爪夾手裝置的功能下,滑塊的上下運動可轉(zhuǎn)變?yōu)槿A手的收攏和擴張運動。當三爪夾手緊緊貼合瓶蓋時,梯形絲杠則無法再做圓周運動,因過大且不處釋放的扭力,這樣會導致非標聯(lián)軸器和絲杠開始脫節(jié),聯(lián)軸器會抵抗彈簧向上運動,從而觸發(fā)非標行程開關(guān)觸點,反饋至控制系統(tǒng),線圈得電,釋放電磁力將活動聯(lián)軸器吸上來,因此裝置箱體與傳動軸變?yōu)橐惑w,可與傳動軸作旋向運動。

        2.1.4 同步夾持瓶身機構(gòu) 固定機構(gòu)由普通電機、一對交錯式橡膠夾具,一對帶齒條的活動板、固定臺、齒輪等組成。當欠開蓋、封蓋產(chǎn)品放置固定臺上方,電機驅(qū)動齒輪,與一對帶齒條的活動板相互嚙合,致使它們開始做同速、反向的直線運動,因此可自動將產(chǎn)品定心,在電機的作用下,交錯式橡膠夾具可因其獨特的設(shè)計,大幅度提高對各式各樣瓶身形體的夾緊力,增強了該裝置的功能性、通用性。

        2.1.5 單片機控制模塊 單片機選型為51 單片機,主要內(nèi)容有AT89C51 芯片、復位電路、晶振電路、時鐘電路、三大驅(qū)動模塊,外部中斷信號源以及傳感器。相比于PLC 可接收觸摸屏和傳感器傳輸信號甚至是執(zhí)行復雜程序,單片機同樣具有這些功能。在軟件上,單片機會根據(jù)編程對三大驅(qū)動模塊發(fā)出相對應的指令,在硬件上,單片機需要控制諸類元器件來穩(wěn)定調(diào)節(jié)伺服電缸的速度以及位置、用三極管來控制輔助繼電器驅(qū)動另外兩個動力源、以及用到運算放大器增強紅外測距傳感器的輸出信號,外部中斷請求也為裝置增添了急停按鈕,提高了可靠性、安全性。

        2.2 可精確定位的升降機構(gòu)

        2.2.1 升降驅(qū)動 本研究中設(shè)計裝置主體場合為家用,考慮到生活中見過的各式各樣旋緊式瓶蓋產(chǎn)品,小到胡椒粉瓶、調(diào)料醬罐頭,大到水果罐頭、奶粉罐等這一類產(chǎn)品,因為產(chǎn)品類型不同,它們的瓶身大小不同、瓶蓋形狀不同、整體高度不同,為本研究裝置設(shè)計建立起第一道障礙,如何精準定位到欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的位置,是本章節(jié)當中重點解決的問題所在。

        針對不同高度、不規(guī)則瓶蓋類型的消費產(chǎn)品,一個可精確定位的升降機構(gòu)則顯得很有必要。在本研究設(shè)計當中,為滿足精度高,動作平緩的要求,較先考慮到電缸的采用。

        電缸的動力來源通常是由伺服電機驅(qū)動,伺服電機對速度控制良好,位置精度準確,可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速以達到驅(qū)動功能。因此,電缸則是一款由伺服電機和絲杠搭配使用的一體化產(chǎn)品,集結(jié)了伺服電機的高精度位置控制,速度控制等優(yōu)點,極其適合作為本研究設(shè)計中升降機構(gòu)所要求的驅(qū)動裝置。

        升降機構(gòu)功能于控制旋蓋機構(gòu)的工作高度,因此要求選型電缸須有一定的承載能力,防止旋蓋機械結(jié)構(gòu)的位置丟失、甚至是掉落,且伺服電缸的工作電壓范圍在12 V~380 V,只需搭配24 V 開關(guān)電源,則可滿足電動缸的額定電壓。考慮欠開蓋、封蓋產(chǎn)品整體高度在70 mm~250 mm,旋蓋機構(gòu)于產(chǎn)品上方必須預留有50 mm 的安全距離、以及諸多其他因素的影響。

        為節(jié)省成本,提高電缸的利用率和效率,故選型SDG40 系列,絲杠導程為2 mm、最大推力為2 kN、最大速度為100/ms,最大行程為300 mm。

        2.2.2 距離傳感器 上一小節(jié)選型完電動缸的型號后,該如何精準地定位到欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的位置及整體高度是本小節(jié)擬解決的主要問題。

        考慮傳感器作為升降機構(gòu)的“眼睛”,在傳感器感應到產(chǎn)品之后通過電信號傳輸給控制中樞(單片機),控制部分會發(fā)送信號給驅(qū)動部分,這樣便能實現(xiàn)升降機構(gòu)想要快速精準定位到產(chǎn)品位置的功能。

        基于本章升降機構(gòu)的技術(shù)要求,考慮采用距離傳感器來作為接收信號裝置。距離傳感器是一種感應其與某物體之間距離的特殊裝置,它可將與欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的距離輸送至控制中樞,從而使單片機下達指令讓電缸驅(qū)動,以達至工作高度為目的。

        為使計算方便,采用將紅外測距傳感器安裝至旋蓋機構(gòu)的最下方(三爪夾手的正中央),使其與欠開蓋、封蓋產(chǎn)品之間的距離最直接明了,簡化了單片機編程的計算過程。

        2.2.3 旋蓋部分設(shè)計 在實現(xiàn)了對瓶蓋的夾緊過程后,需對整個瓶蓋做旋鈕動作,電機與梯形絲杠之間的聯(lián)系主要是靠聯(lián)軸器傳動,那么聯(lián)軸器就像是一個觸點,既能讓絲杠轉(zhuǎn)起來,也可以讓絲杠不工作,因此如我們既能保證斷開聯(lián)軸器與梯形絲杠之間的傳動,也能使聯(lián)軸器與其他傳動件相結(jié)合,這樣便可以實現(xiàn)一個電機有兩種控制狀態(tài),從而達到高效、智能的目的。

        此聯(lián)軸器下方是與絲杠一端聯(lián)軸器相嵌合的部分,在彈簧與重力的作用下,聯(lián)軸器會與絲杠上的聯(lián)軸器緊緊貼合,只要兩者未發(fā)生過度剛性碰撞,即可實現(xiàn)傳動,而上方兩邊對稱突出的地方是作為傳動的“鍵”,只需當布置在箱體里的線圈收到指令時通電,根據(jù)電磁鐵原理,聯(lián)軸器整體(綠色部分)會受到巨大磁力抵抗彈簧力往上做直線運動,從而與箱體接合,反倒與絲杠脫節(jié),即可實現(xiàn)對箱體做圓周運動。

        2.3 同步夾持瓶身裝置

        本裝置可使用的產(chǎn)品規(guī)格可在一定的范圍之間,只要滿足瓶身最大半徑、產(chǎn)品高度在本裝置的規(guī)定范圍內(nèi)且瓶身非軟體材質(zhì)以及瓶口采用旋緊式瓶蓋的產(chǎn)品,大多數(shù)可選用本研究設(shè)計的裝置去開/封蓋。

        經(jīng)過大量查閱網(wǎng)購平臺、生活超市、以及日常生活中所能夠看到的旋緊式瓶蓋產(chǎn)品,研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)產(chǎn)品的瓶身大部分都是呈現(xiàn)直線型且垂直于地面,例如調(diào)料醬罐頭。但也有少部分產(chǎn)品的瓶身是呈現(xiàn)圓弧形、花瓶形、凸臺型,例如水果罐頭。考慮到這一類產(chǎn)品不易固定,容易“打滑”的現(xiàn)象,無疑是增加了該機械結(jié)構(gòu)的固定要求以及技術(shù)難度。

        在保證高效、安全、衛(wèi)生的前提下,既要滿足不同規(guī)格大小的產(chǎn)品,又需要對少數(shù)不易夾持瓶身產(chǎn)品做些夾緊補償,現(xiàn)設(shè)想有如圖1 所示的夾持瓶身機構(gòu)。

        圖1 交錯式橡膠夾具的三維設(shè)計

        假設(shè)本夾具在工作臺表面方向上可以做直線運動,采用交錯式的夾持,一可滿足不同大小規(guī)格的瓶身,二也可增大夾持器具對瓶身的接觸面積。而與瓶身直接接觸的表面選用橡膠材質(zhì),既保證了該裝置的安全性,防止壓力過大或器具表面硬度過高會直接壓碎一些脆弱瓶身,也能夠提高兩兩之間接觸表面的摩擦力。

        2.4 單片機開發(fā)及控制原理

        單片機相比較PLC,的確有著價格便宜、縮小空間、物盡其用的特點。這與本設(shè)計目的在打造出一款可靠,價格優(yōu)廉的便民家居上相符合,關(guān)于單片機選型及構(gòu)造的內(nèi)容如下:分析在本研究設(shè)計中所需要編程內(nèi)容的難易程度以及需要添加的外設(shè)。輸入設(shè)備是用來探測欠開蓋、封蓋產(chǎn)品位置的紅外測距傳感器以及觸摸屏上的各種執(zhí)行功能、急停按鈕的信號傳入。輸出設(shè)備主要有三大機械結(jié)構(gòu),不同于伺服電缸所需的速度要求,其他兩個電機模塊只需進行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個動作。整體流程初步分析并不繁瑣,只需規(guī)定電機在接收到指令后動作即可,且每一個驅(qū)動模塊都是獨立運行,而具體的執(zhí)行指令則交由編程來實現(xiàn)。

        3 結(jié)論

        在本研究設(shè)計當中,有三大機械結(jié)構(gòu)作為骨架,單片機控制,即可實現(xiàn)對欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的工作要求。為使本裝置成本低廉,提高本設(shè)計裝置的受歡迎度,對電機的選型以簡約為主,對產(chǎn)品原料選型也遵循合理性、實用性。有了這一套非標裝置,亦可放在任何需要頻繁開蓋、封蓋及遍布旋緊式瓶口產(chǎn)品的場合,大大提高了人們的生活質(zhì)量,既可使消費者解放雙手,又可排除掉人工開蓋帶來的不必要安全隱患,從而設(shè)計了該款通用性、經(jīng)濟性、實用性的智能家居。

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