咖啡机搅拌棒供给系统设计

摘要：近几年我国咖啡机行业发展速度较快，受益于咖啡机行业生产技术不断提高以及下游需求市场不断扩大，咖啡机的种类不断由低端的半自动向全自动、由单功能向多功能发展。鉴于眼下咖啡机行业在我国的蓬勃发展，文章围绕着全自动咖啡机核心部件之一——搅拌棒机构设计准备、原理设计、重要参数计算进行了阐述。

关键词：咖啡机行业；全自动咖啡机；搅拌棒系统；搅拌棒；原理设计 文献标识码：A

中图分类号：TB47 文章编号：1009-2374（2016）21-0006-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.003

1 概述

随着中国经济的迅猛发展，近几年我国咖啡机行业发展速度较快，受益于咖啡机行业生产技术不断提高以及下游需求市场不断扩大，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。一台全自动多功能的咖啡机需要包含如下核心部件：研磨器、酝酿器、搅拌器、搅拌棒供给机构、杯子供给机构等。本篇围绕全自动咖啡机核心机构——搅拌棒供给机构的原理设计与验算做介绍，为大家展示一个实际运用的案例，希望能为相关产品设计提供参考。

2 准备工作、前期分析

2.1 搅拌棒结构尺寸分析

本篇介绍的咖啡机搅拌棒如图1形状，厚度1.4mm，宽度9.5mm，长度90、105、115、125mm等系列。此件由注塑模生产而成，目前国内外有多家厂能生产尺寸相同的此产品，但模具结构有所不同。如，浇口设计不同：端面侧水口，顶面点水口；分型面不同：A分型面设计在底面，B分型面设计在产品中部；产品表面处理不同：有的产品表面蚀纹，有的产品表面抛光；产品缺陷不同：侧面毛边，水口太高甚至变形等。在做原理设计时，需要充分考虑到各个方面，才能保证设计出的机构能效适应各种不良状况，使机构运行稳定、工作效率高。

2.2 搅拌棒需求分析

系统原理时，需要了解不同长度的搅拌棒所使用的环境。多数机器根据不同的饮料配有相应长度的搅拌棒，如：意大利浓咖啡（Espresso）需要90mm搅拌棒，卡布奇诺（Cappuccino）需要115mm，大杯巧克力咖啡（Chocolate-coffee）、汤（Soup）需要125mm。所以咖啡机能配备的搅拌棒长度规格越多，整个系统灵活性就越高，市场竞争力就越强。

2.3 搅拌棒数量分析

机构原理时，还需要综合考虑在一台咖啡机内应配备多少数量的搅拌棒。搅拌棒配备数量越多维护成本越低，但需要的驱动件动力更大，需要占用的空间越多等。本篇结合咖啡机的整体布局、售卖量与维护周期，设计了两种长度搅拌棒，每种长度的能可装填350件。

3 原理设计及各参数确定

系统设计的总体目标是：智能控制，动作稳定，寿命可靠，易于装填，数量合理，不易受到外部的污染，容易维护。

3.1 搅拌棒取件方式设计

考虑到装填方便与实际需求，在此咖啡机内放置两叠不同长度的搅拌棒（根据售卖市场不同，长度可调），每叠可放350件，如图3（a）。填料方式是从上向下，而取搅拌棒的顺序是从下向上，如此可保证先进先出。由于是从整叠的最底部取走一件，余下部分在重力作用下自动下落填补空间。在机构设计时便可考虑设计一个部件做往复运动取搅拌棒，至到将整叠取完，这样的设计有效利用了产品的重力，从而巧妙地简化了此系统的结构。

考虑如何取搅拌棒：（1）在整叠搅拌棒底部设计一个摩擦轮，利用摩擦力将最底一件搅拌棒从长度方向或宽度方向带出；（2）在整叠底部设计推块，将最下一件搅拌棒从宽度或长度方向推出。两种取件方式优缺点分析：方式（1）机构设计更为简单，但是由于搅拌棒之间残留的水口及表面蚀纹，造成摩擦力过大，而不能保证每次有效地将其推出（这点在实际测试中也得到了验证）；方式（2）可解决摩擦力影响的问题。接下来选择具体机构来实现方式（2）：在带轮上设计一个推块，做往复运动或周转运动取搅拌棒；用连杆机构；齿轮齿条机构；设计螺杆传动机构。各种方式实现的空间与布局会有所不同，从本机布局方面，我们倾向于设计成两个并排放置，从长度方向取件的机构。最终选择的搅拌棒取件方式为：螺杆传动机构。

3.2 具体参数的设计

3.2.1 重要零件尺寸设计。螺杆、推块、马达及齿轮等重要零部件的相应尺寸根据搅拌棒长、宽大可致确定。螺杆尺寸：由于传动机构设计在搅拌棒底部，在工作过程中螺杆径向需要承受上方的重力，合计约500g（如下细节计算）。通过验证，螺杆设计为M8×1.5，长度130mm（大于最长搅拌棒）；马达尺寸：选择?26mm，长度40mm，最大效率处参数：T0=3.835N·mm，SPEED=8100RPM，直流电机；齿轮尺寸：推块按现选马达与螺杆计算其运动速度v=1.5×8100/60=202.5mm/s，此速度太快，在工作中容易出错，需要加入二级齿轮降速并提高输入力。经过初步计算（计算过程略）此设计选择：主动齿：M0.5-Z19，从动齿：M0.5-Z55。

3.2.2 参数验证。搅拌棒重力产的压力：G=1.3×350+50=500g=5N（125mm长度搅拌棒约重1.3g，配重块重约50g）。

阻力（摩擦力）：Ff=5×0.8=4N[搅拌棒（Polystyrene聚苯乙烯）之间摩擦系数0.5，考虑到水口与蚀纹的影响，将其扩大到0.80，以增加保险系数]。

螺杆能提供的扭矩：

3.3 控制、运动过程

下面简要介绍最终系统的控制与运动过程，以便对整个系统结构与控制有全面的认识（具体设计、调试与改善过程此处不再做详细介绍）。如图3（a）为设计的外观结构（本机构配置了两件4此结构）；图3（b）推块待命状态图中可看到，此设计两个感应器1、12分别控制推块左、右运动位置，感应器13记录被推出的搅拌棒状态。机构操作过程如下：

3.3.1 准备工作：根据需要的搅拌棒长度调整调节块3的位置，从上向下放入搅拌棒2、配重块1。

3.3.2 取搅拌棒过程，如图3（b）：推块11处于待命状态，当客户在咖啡机面板中选择饮料，系统会智能驱动相应的推块向右运动64mm并触发感应器12而停止，同时一件搅拌棒会在自重作用下落入咖啡杯内，完成取搅拌棒。

3.3.3 复位过程：当客户拿走咖啡杯后，推块11会自动向左运动并在感应器10下方停下2秒，确保上方搅拌棒落入搅拌棒盒后，继而向右，同时推出一件新搅拌棒运动至如图3（b）位置待命。

3.3.4 重点：待命位置设计在中部，可缩短有效工作距离，因为复位过程不占用实际取搅拌棒的时间；同时在待命状态悬竿14是由自由状态，如图3（c）在搅拌棒驱动下旋转到水平状态并激活了感应器13，如果机构内没有搅拌棒或没有效推出搅拌棒，感应器13便不能被激活，这样系统会驱动推块11重复一次取件动作，如果传感器13仍然未能被激活，系统会认为搅拌棒用完，下次客户买咖啡机时便不会再驱动机构取搅拌棒，而是出现一个提搅拌棒已用完的提示。同时后台会将此信息第一时间通过远程发给运营商。为了使此系统运动平稳、有效，在实际设计中还需要重点考虑螺杆、推块、齿轮、底座各重要零部件材料、细节设计，在软件调试方面也做相当多的调整与特殊处理，这里不再做

介绍。

4 结语

本设计充分考虑了维护、制造、智能化、可靠性、耐久性等多方因素，从原理设计、验算、材料选择、模板加工测试、改善、开模、实际样件装机测试等步步为营，设计出一个全新、智能、可靠的机构。本文围绕咖啡机搅拌棒供给机构原理设计、关键零部件尺寸参数确定、受力验算等做实例，为读者介绍新设计需要考虑、验证的问题、过程，以供参考。

参考文献

[1] 黄平，朱文坚.机械设计基础[M].广州：华南理工大学出版社，2008.

作者简介：李勇（1977-），男，四川仁寿人，法雷奥发动机冷却（佛山）有限公司工程师，研究方向：机电技术。

（责任编辑：黄银芳）