纸杯自动分离器的设计

2016-06-18马春峰威海职业学院机电工程系264210

电子制作 2016年12期

关键词：同步带联轴器凸轮

马春峰威海职业学院机电工程系 264210

纸杯自动分离器的设计

马春峰威海职业学院机电工程系 264210

【文章摘要】

纸杯自动分离功能在当前物联网液态食品零售业中具有广泛的需求，根据叠装纸杯特点提出纸杯分离器机械部分结构，设计了单片机控制系统，实现定量取用、自动分离及缺杯报警等功能。

【关键词】

纸杯；分离器；凸轮

1　设计背景及国内外研究现状

随着物联网的发展，饮料、牛奶、酸奶等液体、流体食品的自动售卖机由于具有运营成本优势也逐渐在推广应用，而这些食品的售卖离不开包装纸杯。市面上在售的纸杯均为叠装，大多为消费者用手取用，如何实现单个纸杯的可靠分离成为自动售卖设备必须要解决的问题。目前国内外纸杯分离器在机场、商场、酒店、高铁等场合虽已应用，均为手动式取杯器，暂无自动分离产品。

2　分杯器设计参数与设计要求

根据分杯器的功能要求，在触发信号到来之后，整个过程实现自动、准确分离。要求机械结构简单、工作可靠，同时适应性要强，能够对不同规格的纸杯进行分离。因此，以300ml纸杯为例，确定设计要求如下：

①分离对象为Φ90mm的叠装纸杯；②有触发信号，采用自动控制系统；③单个纸杯分离时间不超过3秒；④能根据指令进行连续分杯，准确停止；⑤缺纸杯报警。

3　设计方案

3.1分离方案的制定

从已有上市产品来看，手动分杯器机械结构相对简单。高铁上的抽取式装置内部只有一对弹簧卡扣，抽取底部纸杯后，上方纸杯自动落下；一键按压式取杯装置，取杯时依靠内部两对卡扣的配合运动实现纸杯分离；上述两种结构方案对完成自动分杯来说均不适用。

从已公布的一种自动出杯装置中可以看出，整个机构可由电机驱动主动轮带动4个分离齿轮同步旋转实现分杯，但仍存在以下问题：周边共有5个旋转零部件，使得接触齿数较少，易打滑；分离齿轮结构复杂、制作困难；同步齿带自身没有弹性，安装过程中不易保证4轮同步。

针对上述问题，提出以下改进方案。①将分离齿轮分为凸轮和同步带轮两部分，同步带轮通过螺钉压装在轴上，分离凸轮通过四方键与轴连接实现同轴旋转。②其中一个同步带轮为主动轮，则零件数量减为4个，以增加啮合齿数，使传动可靠。③轴一端为光轴，可实现插接式快速装配，方便4个凸轮同步。④具有同步带张紧调节机构，易于装配。⑤设计自动控制装置，准确实现单个纸杯分离、准停。

3.2法兰盘的设计计算

纸杯中心线、凸轮旋转轴线、凸轮半径之间的尺寸链关系如图1。

图1　分离机构尺寸链

其中R1为纸杯半径，R2为分离凸轮外圆直径，R3为法兰盘旋转轴分布半径。其中R1与R2重叠部分为凸轮支撑平面和纸杯卷边重合部位。根据以上尺寸关系确定：R1为45mm，重叠部分为3mm，选择凸轮半径R2 为17.5mm，则R3=R1+R2-3=59.5mm。

3.3同步带、同步带轮的选择

由于分离纸杯产生的扭矩很小，选择144MXL（B180）*6的橡胶同步带，其节线长为365.76mm，180个齿；同步轮选用MXL16T铝带轮，适合带宽7mm同步带，轴孔内径为6mm。

3.4电机及联轴器的选择

电机选用50KTYZ型永磁同步电机（交流220V），正反转可控、自带减速机，转速为定速20r/min；每转（3秒钟）分离一个纸杯。联轴器选用铝合金弹性联轴器，型号为D19L25，内孔6mm。

3.5检测元件的选用

选用两个检测元件：一个光电传感器负责实时监测有无纸杯，传出信号给单片机驱动报警器；一个霍尔元件负责监测凸轮完成一周旋转（分离一个纸杯）并传出信号给单片机进行计数。

4　分杯器总成及工作原理

分杯器主体机械结构如图2。其工作原理：凸轮为PP食品级塑料材质，内孔为正方形，插接在轴端部形成键连接，与下方同步带轮同轴连接，4个同步带轮均与同步带啮合。叠放的纸杯置于4个凸轮顶面由电机通过联轴器、轴带动同步旋转，由凸轮下侧面推动纸杯杯口上侧实现纸杯单个分离。上法兰盘上、下侧各有一个传感器，上方传感器为光电传感器、检测当前是否还有纸杯；下方传感器监测同步带轮是否完成自动旋转一周。取杯时，按下按钮，电机开始以定速旋转，每完成一周（完成一个纸杯分离）触发下传感器发出一个电信号给单片机，控制电机电源的切断。