厨用旋紧式瓶盖开启装置设计

张占辉，黄显堂

（1.广州番禺职业技术学院，广东 广州；2.东莞维科电池有限公司，广东 东莞）

引言

在工业上，罐头类食品的封装行业已然饱和，生产上也采用非标的封装设备对产品进行包装，但经包装后的产品送到消费者手中而如何打开瓶盖却成为第一道难题，针对旋紧式瓶盖，家用、生活中所用的开瓶装置较为短缺，且常年从事于人工开盖工作场合如餐馆、酒店等，更是增加患腱鞘炎的风险。因此在非工业化领域当中，非标开瓶器或许是一项待挖掘、可发展的便民产品。瓶盖的设计方面，一般要求便于消费者开启。我们在生活中可能都遇到过瓶盖太紧，怎么使劲都拧不开，非常不方便，而如果采用自动开瓶器操作，则如何合理的对瓶盖开启力大小进行控制是生产单位在线或离线检测的重点[1]。汪正扬和钱呈则针对拧不开饮料瓶盖或罐头盖的情况，设计了一款省力的拧瓶盖神器[2]。为改善人们的生活质量，帮助居家妇女、老人、小孩扫清开瓶障碍，本研究设计了一款厨用旋紧式瓶盖开启装置。

1 研究现状分析总结

1.1 研究现状

针对不易开瓶的现象，主要有以下原因及解决方案。大多时候瓶盖不易打开，主要取决于容器内外气压不一[3]，因此可采用增温衡压法解决。新型的易开型瓶盖是在铝盖的外面加一层塑料盖，开启时直接用手将塑料盖掰开即可，近年来逐渐取代了传统瓶盖[4]。用机械装置代替人工，高效实用且可实现开瓶功能。赵海峰等人[5]指出，可采用电机作为驱动装置，结合传动装置和执行装置实现上述三个动作，实现了自动开瓶的功能。针对特殊职业所面对的不易开瓶问题，特制开瓶装置能够有效解决问题。张永惠等人[6]指出，用TRIZ 理论设计出一个多功能医用开瓶器。

1.2 问题分析总结

1.2.1 开瓶器仍以人工为主 基于国内现有的开瓶技巧及小巧开瓶装置，它们的共同点都是起到了辅助作用，即动力源依旧来源于人力，虽然可提高消费者打开产品瓶盖的效率，但效率依旧取决于使用者的状态和开启瓶盖方式的规范性等多方面因素，从某种意义上来说，并未解放双手，变相人工打开瓶盖，无法做到真正的利民、便民的出发点。

1.2.2 使用范围小 国内现有的开瓶技巧及小巧开瓶装置都是针对某个行业、某款产品、某种格式去设计的便民开瓶装置，而产品瓶盖的规格、大小、款式则成为它们的局限性，这样一来，国内现有的开瓶装置可用范围比较小，离成为一款可靠、万能的开瓶装置还有一段路要走，要使开瓶装置真正做到便民，通用性是必须要考虑的一个特性。

1.2.3 安全隐患 国内现有的开瓶装置和开瓶技巧都是基于人工，那么卫生、安全隐患必然尚存。如何正确打开瓶盖依旧取决于操作者的操作意识，如何保证开启瓶盖的同时能够将瓶身牢牢固定，如何确保开启瓶盖时开瓶装置亦或者外界环境的细菌不会影响到容器内的产品，以上几点操作不当均有可能影响到产品的卫生、打破产品、甚至是造成人身安全，且依旧采用人工同样会有患腱鞘炎亦或者损伤手腕等受伤的风险。

因此针对大部分居家妇女、老人、小孩对于开瓶这一痛点问题，本研究设计了一款兼具实用性、通用性、高效卫生的智能瓶盖开启装置。

2 研究内容

2.1 总体设计方案

2.1.1 开瓶装置的技术要求 本课题拟研究的旋紧式瓶盖开启装置的主要功能有：人工将欠开盖、封盖产品粗略放置固定台，按下触摸屏上的相应功能，固定机构会将产品缓慢推向固定台正中央，且将固定其瓶身。接着旋盖机构会在升降机构的作用下，自动定位至适宜的工作高度，先是有三爪夹手平缓靠拢瓶盖，直至紧紧贴合瓶盖后反馈至控制系统，则该机构开始做旋向运动，当瓶盖被开启后，三爪夹手缓慢扩张，旋盖机构工作结束，回原点。

2.1.2 可精确定位的升降机构 升降机构由电缸、距离传感器、连接板所组成。电缸的动力来源为伺服电机，能够高精度地控制行程，搭配红外测距传感器的使用，则更有效地判断欠开盖、封盖产品的位置，随即反馈到电缸，直至升降到工作高度。连接板则是作为升降机构与旋盖机构的桥梁，起到固定、传动的效果。

2.1.3 集夹紧旋紧为一体的旋盖机构 该旋盖机构主要由步进电机、减速器、传动轴、梯形丝杠、夹紧装置、活动联轴器、线圈、弹簧、滚动轴承、定位卡环、非标行程开关所组成。该机构由步进电机提供动力源，在减速器作用下，增大工作时的额定扭矩，通过传动轴、非标联轴器，将动力传递给梯形丝杠，梯形丝杠开始做圆周运动，慢慢转变为滑块的直线运动，在非标三爪夹手装置的功能下，滑块的上下运动可转变为三爪夹手的收拢和扩张运动。当三爪夹手紧紧贴合瓶盖时，梯形丝杠则无法再做圆周运动，因过大且不处释放的扭力，这样会导致非标联轴器和丝杠开始脱节，联轴器会抵抗弹簧向上运动，从而触发非标行程开关触点，反馈至控制系统，线圈得电，释放电磁力将活动联轴器吸上来，因此装置箱体与传动轴变为一体，可与传动轴作旋向运动。

2.1.4 同步夹持瓶身机构 固定机构由普通电机、一对交错式橡胶夹具，一对带齿条的活动板、固定台、齿轮等组成。当欠开盖、封盖产品放置固定台上方，电机驱动齿轮，与一对带齿条的活动板相互啮合，致使它们开始做同速、反向的直线运动，因此可自动将产品定心，在电机的作用下，交错式橡胶夹具可因其独特的设计，大幅度提高对各式各样瓶身形体的夹紧力，增强了该装置的功能性、通用性。

2.1.5 单片机控制模块 单片机选型为51 单片机，主要内容有AT89C51 芯片、复位电路、晶振电路、时钟电路、三大驱动模块，外部中断信号源以及传感器。相比于PLC 可接收触摸屏和传感器传输信号甚至是执行复杂程序，单片机同样具有这些功能。在软件上，单片机会根据编程对三大驱动模块发出相对应的指令，在硬件上，单片机需要控制诸类元器件来稳定调节伺服电缸的速度以及位置、用三极管来控制辅助继电器驱动另外两个动力源、以及用到运算放大器增强红外测距传感器的输出信号，外部中断请求也为装置增添了急停按钮，提高了可靠性、安全性。

2.2 可精确定位的升降机构

2.2.1 升降驱动 本研究中设计装置主体场合为家用，考虑到生活中见过的各式各样旋紧式瓶盖产品，小到胡椒粉瓶、调料酱罐头，大到水果罐头、奶粉罐等这一类产品，因为产品类型不同，它们的瓶身大小不同、瓶盖形状不同、整体高度不同，为本研究装置设计建立起第一道障碍，如何精准定位到欠开盖、封盖产品的位置，是本章节当中重点解决的问题所在。

针对不同高度、不规则瓶盖类型的消费产品，一个可精确定位的升降机构则显得很有必要。在本研究设计当中，为满足精度高，动作平缓的要求，较先考虑到电缸的采用。

电缸的动力来源通常是由伺服电机驱动，伺服电机对速度控制良好，位置精度准确，可以将电压信号转化为转矩或转速以达到驱动功能。因此，电缸则是一款由伺服电机和丝杠搭配使用的一体化产品，集结了伺服电机的高精度位置控制，速度控制等优点，极其适合作为本研究设计中升降机构所要求的驱动装置。

升降机构功能于控制旋盖机构的工作高度，因此要求选型电缸须有一定的承载能力，防止旋盖机械结构的位置丢失、甚至是掉落，且伺服电缸的工作电压范围在12 V～380 V，只需搭配24 V 开关电源，则可满足电动缸的额定电压。考虑欠开盖、封盖产品整体高度在70 mm～250 mm，旋盖机构于产品上方必须预留有50 mm 的安全距离、以及诸多其他因素的影响。

为节省成本，提高电缸的利用率和效率，故选型SDG40 系列，丝杠导程为2 mm、最大推力为2 kN、最大速度为100/ms，最大行程为300 mm。

2.2.2 距离传感器 上一小节选型完电动缸的型号后，该如何精准地定位到欠开盖、封盖产品的位置及整体高度是本小节拟解决的主要问题。

考虑传感器作为升降机构的“眼睛”，在传感器感应到产品之后通过电信号传输给控制中枢（单片机），控制部分会发送信号给驱动部分，这样便能实现升降机构想要快速精准定位到产品位置的功能。

基于本章升降机构的技术要求，考虑采用距离传感器来作为接收信号装置。距离传感器是一种感应其与某物体之间距离的特殊装置，它可将与欠开盖、封盖产品的距离输送至控制中枢，从而使单片机下达指令让电缸驱动，以达至工作高度为目的。

为使计算方便，采用将红外测距传感器安装至旋盖机构的最下方（三爪夹手的正中央），使其与欠开盖、封盖产品之间的距离最直接明了，简化了单片机编程的计算过程。

2.2.3 旋盖部分设计 在实现了对瓶盖的夹紧过程后，需对整个瓶盖做旋钮动作，电机与梯形丝杠之间的联系主要是靠联轴器传动，那么联轴器就像是一个触点，既能让丝杠转起来，也可以让丝杠不工作，因此如我们既能保证断开联轴器与梯形丝杠之间的传动，也能使联轴器与其他传动件相结合，这样便可以实现一个电机有两种控制状态，从而达到高效、智能的目的。

此联轴器下方是与丝杠一端联轴器相嵌合的部分，在弹簧与重力的作用下，联轴器会与丝杠上的联轴器紧紧贴合，只要两者未发生过度刚性碰撞，即可实现传动，而上方两边对称突出的地方是作为传动的“键”，只需当布置在箱体里的线圈收到指令时通电，根据电磁铁原理，联轴器整体（绿色部分）会受到巨大磁力抵抗弹簧力往上做直线运动，从而与箱体接合，反倒与丝杠脱节，即可实现对箱体做圆周运动。

2.3 同步夹持瓶身装置

本装置可使用的产品规格可在一定的范围之间，只要满足瓶身最大半径、产品高度在本装置的规定范围内且瓶身非软体材质以及瓶口采用旋紧式瓶盖的产品，大多数可选用本研究设计的装置去开/封盖。

经过大量查阅网购平台、生活超市、以及日常生活中所能够看到的旋紧式瓶盖产品，研究发现多数产品的瓶身大部分都是呈现直线型且垂直于地面，例如调料酱罐头。但也有少部分产品的瓶身是呈现圆弧形、花瓶形、凸台型，例如水果罐头。考虑到这一类产品不易固定，容易“打滑”的现象，无疑是增加了该机械结构的固定要求以及技术难度。

在保证高效、安全、卫生的前提下，既要满足不同规格大小的产品，又需要对少数不易夹持瓶身产品做些夹紧补偿，现设想有如图1 所示的夹持瓶身机构。

图1 交错式橡胶夹具的三维设计

假设本夹具在工作台表面方向上可以做直线运动，采用交错式的夹持，一可满足不同大小规格的瓶身，二也可增大夹持器具对瓶身的接触面积。而与瓶身直接接触的表面选用橡胶材质，既保证了该装置的安全性，防止压力过大或器具表面硬度过高会直接压碎一些脆弱瓶身，也能够提高两两之间接触表面的摩擦力。

2.4 单片机开发及控制原理

单片机相比较PLC，的确有着价格便宜、缩小空间、物尽其用的特点。这与本设计目的在打造出一款可靠，价格优廉的便民家居上相符合，关于单片机选型及构造的内容如下：分析在本研究设计中所需要编程内容的难易程度以及需要添加的外设。输入设备是用来探测欠开盖、封盖产品位置的红外测距传感器以及触摸屏上的各种执行功能、急停按钮的信号传入。输出设备主要有三大机械结构，不同于伺服电缸所需的速度要求，其他两个电机模块只需进行正转和反转两个动作。整体流程初步分析并不繁琐，只需规定电机在接收到指令后动作即可，且每一个驱动模块都是独立运行，而具体的执行指令则交由编程来实现。

3 结论

在本研究设计当中，有三大机械结构作为骨架，单片机控制，即可实现对欠开盖、封盖产品的工作要求。为使本装置成本低廉，提高本设计装置的受欢迎度，对电机的选型以简约为主，对产品原料选型也遵循合理性、实用性。有了这一套非标装置，亦可放在任何需要频繁开盖、封盖及遍布旋紧式瓶口产品的场合，大大提高了人们的生活质量，既可使消费者解放双手，又可排除掉人工开盖带来的不必要安全隐患，从而设计了该款通用性、经济性、实用性的智能家居。