常见瓶盖同向排列设备的设计

罗彬宾

（常州信息职业技术学院 常州市高端制造装备智能化技术重点实验室，江苏 常州 213164）

0 引言

瓶盖是生活中最常见的物品之一，它与我们的生活息息相关，大多数人每天都会用到它，比如水杯、药瓶、饮料瓶、酒瓶等。这些杯子或瓶子的封口部件的结构基本都是类似的：内凹式带螺纹圆柱盖。因此工业上往往就其结构针对性地设计各种各样的上料机构，确保瓶盖与其瓶身装配时同向排列。这些机构中最常见的是振动盘[1-4]，振动盘作为一种给料装置广泛运用于工业的各个方面[5-8],很受自动化设计人员的欢迎。当然也有一些其它形式的机构同样也能做到瓶盖的同向排列，比如气压式机构[9]等。这些机构无一例外均针对其内凹式圆柱结构入手，巧妙地利用挂钩、气压或盖口朝下跌落等方式达到瓶盖同向排列的目的。本文另辟蹊径，针对常见的矿泉水瓶盖设计了一款瓶盖同向排列设备[10]。

1 理论和实验支撑

瓶盖给人的第一印象是其简洁实用的结构，所以针对其结构设计的同向排列机构多不胜数。其简单的结构包含一个很重要的信息，那就是其重心所在的位置。当然当瓶盖处于平放状态时，其重心在其旋转中心轴线上，而其竖立时，那么其重心就不在其盖面和盖口的中间，其远离盖口而更靠近盖面，本文利用这种重心位置的偏差来设计其方向选择机构。当然，更为重要的是：当瓶盖竖立且直线方向滚动时，其重心位置也是直线运行的，并不会因为其滚动而发生非规律性变化。为了更直观地验证其可行性，根据图1所示形状的瓶盖构建了图2所示的实验模型，并根据此实验模型做了大量的实验。

图 1 瓶盖

图2 瓶盖择向实验模型

由图1可以看到，这是一个普通的矿泉水瓶盖，其基本尺寸为：外径为φ32 mm，壁厚为1 mm，高为12.6 mm，其重心在离盖面4.6 mm处。图2所示的瓶盖择向实验模型由挡板、瓶盖择道及收纳箱组成。收纳箱靠近瓶盖择道端设计一个高度比瓶盖直径略大、宽度比瓶盖高度略大的流入口。其中瓶盖择道长度为150 mm，宽度为7.5 mm，且与水平面呈一定的角度θ，挡板的高度略低于瓶盖的高度，根据这个模型做了大量的模拟实验。首先，将瓶盖择道与水平面的角度分别设置为10°、15°、20°、25°及30°，每个角度状况下做50组实验，我们发现当盖口朝内（即盖口贴靠挡板）时，将瓶盖置于瓶盖择道初始端，由于瓶盖竖立状态下盖口到瓶盖重心的距离为8 mm，因此瓶盖择道无法为瓶盖提供有效支撑，那么毫无例外，瓶盖全部掉落，没有一个瓶盖能够进入收纳箱的流入口。而当盖口朝外，即盖面贴靠挡板时，我们发现部分瓶盖掉落，而部分瓶盖通过择道进入收纳箱，其结果如表1所示。

从表1中可以看到，当瓶盖择道的倾斜角在15°～20°之间时，瓶盖成功流入收纳箱的概率最大。虽然这个样本数并不大，且瓶盖初始滚动时处于理想状态与实际状态有所不同，实际情况下瓶盖成功流入收纳箱的概率比实验要低，但是此模型成功地验证了通过重心选择法设计一种全新的瓶盖同向排列机构的可行性。

表1 瓶盖成功进入收纳箱次数

2 瓶盖同向排列设备的整体设计方案

由于已经确定了使用重心的非对称性作为完全无序状态下瓶盖方向选择的方法，那么首先要面临的问题是：如何让瓶盖站起来。因此瓶盖同向排列设计的设计流程为：无序的瓶盖→站立的瓶盖→瓶盖方向的选择→同向瓶盖的输出。首先是让无序的瓶盖竖立，然后才是驱使竖立的瓶盖有序地通过图2中的瓶盖择道，排除盖口面向挡板的那些瓶盖，而尽量保留盖面面向挡板的那些瓶盖，最后是同向瓶盖的输出，为瓶盖与瓶身的安装做好上料准备。由图1瓶盖本身的结构可知，瓶盖本身的径高比（即瓶盖直径与高度的比值）远大于1，当瓶盖处于随机状态时，在重力的作用下，瓶盖绝大多数状态下应该是盖口或盖面倾向于贴附在水平面上，随机堆积状态下亦是如此，因此一个高效率的瓶盖竖立机构就变得尤为重要了。

3 瓶盖竖立机构的设计

一般情况下，可以先驱使瓶盖前进，当瓶盖通过仅比瓶盖高度稍高的限高杆，阻止部分竖立的瓶盖通过，然后通过矫正轨道或直接旋转90°将瓶盖竖立起来，这么做的劣势是会导致结构过于庞大，占地面积大，而且成本较高。本文考虑到种种因素，给出了图3所示的设计方案。

如图3所示，这个瓶盖竖立机构是由料斗、电动机、收纳箱叶片和串珠组成，其中叶片和串珠是整个机构中的重要组成部分，它们的形状如图4、图5所示，叶片的结构是回旋的轴的一侧带有微微凸起的薄薄长片，且叶片与电动机相连，在电动机的作用下，叶片相对于水平面做小幅度摆动，不断地调整料斗底部瓶盖的姿态，直到其以侧身竖立的姿态落入中空宽度仅比瓶盖高度稍大的收纳箱中。串珠是由中空的球体串联在一起，增加料斗底部叶片与瓶盖之间的滑动性，防止堆积在料斗底部的瓶盖卡住叶片，因而导致瓶盖的损伤。此瓶盖竖立机构结构简单，造价便宜，更重要的是其占地面积小，既不需要设计驱动瓶盖前进的轨道或机构让其平躺，也不需要设计专门的机构让瓶盖从平躺的姿势到竖立状态。因此其相对于其他瓶盖竖立机构更加有优势。

图3 瓶盖竖立机构

图4 叶片

图5 串珠

4 瓶盖同向排列设备的总设计方案

结合图2所示的瓶盖择向实验模型及图4所示的瓶盖竖立机构，可以轻松做到瓶盖同向排列，其设计模型如图6所示，它是由料斗、电动机、收纳箱1、瓶盖择道及收纳箱2等组成，当料斗中的瓶盖通过图4中的叶片绕水平面小幅度摆动，不停地调整料斗中的瓶盖姿态，直到其以合适的姿态侧身竖立进入中空宽度仅比瓶盖高度稍大的收纳箱1中，这时候的瓶盖的盖口的方向是随机的，那么进入收纳箱1中的盖口随机的瓶盖在重力及收纳箱底部倾斜的结构双重作用下从流出口1中流出，滚到瓶盖择道上，当盖口朝向挡板时，由于瓶盖重心在瓶盖择道外，那么在重力的作用下它会迅速掉落下去，而盖口背向挡板时，部分瓶盖也会在其流出速度及流出的姿态的影响下掉落下去，甚至挡板及瓶盖择道的表面光洁度及周遭环境的微幅振动也会影响到瓶盖的掉落，能够流入收纳箱2的流入口的瓶盖均为盖口背向挡板的，故收纳箱2内的瓶盖都是同向的，如果在流出口2处位置设置瓶盖倒向轨道，就可以得到瓶盖盖口全部朝上或全部朝下的瓶盖，这样就可以为下一步瓶盖与瓶身的装配做好上料准备。

图6 瓶盖同向排列设备

5 结论

瓶盖是生活中常见的物品，其同向排列的工业价值是不言而喻的。市面上有形形色色的瓶盖同向排列设备，都是从瓶盖本身的结构出发而进行排列的，本文从竖立的瓶盖的重心非对称性这一点出发，另辟蹊径，通过其重心位置在盖口和盖面上的非对称性，设置合适的瓶盖方向选择轨道，排除掉盖口朝向挡板的瓶盖，尽量保有盖口背向挡板的瓶盖，最后做到进入收纳箱的瓶盖同向排列，为设计者们提供一种有效的设计思路。