咖啡機分杯器原理及機構設計

　　摘要：基于眼下咖啡機行業在中國的蓬勃發展，本篇圍繞全自動咖啡機核心部件之一的分杯器組件的原理設計，機構設計，測試及經驗總結整個過程做一個詳細的闡述，為相關研究者提供借鑒。
　　關鍵詞：全自動咖啡機　分杯器　原理設計　機構設計
　　中圖分類號：TB47　文獻標識碼：A　文章編號：1672-3791(2012)01(b)-0089-02
　　隨著中國經濟的迅猛發展，咖啡也融入了人們的日常生活，中國有望成為世界最大咖啡市場之一。伴隨著咖啡市場的擴大，近年我國咖啡機行業也迅速發展，咖啡機的種類也不斷地由低端的半自動向全自動，由單功能向多功能發展，咖啡機的設計、生產技術不斷得到提高。
　　做為一臺全自動多功能的咖啡機，實際就是一套自動控制系統。其通常包含如下核心子系統：研磨器、醞釀器、攪拌器、容器系統、攪拌棒供給系統、分杯系統、供杯系統、支付系統、熱水系統、制冷系統。做為核心部件之一的分杯系統運行效果直接影響到整個咖啡機的性能與質量。筆者在此，就分杯系統中核心部件之一：“分杯器”的原理設計、機構設計及需要考慮的各方面，為大家展示一個實際運用的類似機構，為相關產品的后來研究者提供有益的參考。
　　1　準備工作，前期分析　為了結構與控制方式設計能考慮全面　，符合市場需求，在設計前需要充分了解行業使用和各種不同需求。自動售賣咖啡機使用的杯子是有其一定規律的，表1列舉了部分規格，讀者提供參考，形狀及尺寸參考，圖1、表1。杯子的包裝方式是：50個，或100個相同型號的杯子重疊成一條后，裝箱運輸。裝填時，直接將整條杯子向容杯器內放置。如此包裝、搬運，可能會造成兩個杯之間壓得太緊；放置時也為因維護人員操作不規范造成杯子有少許不平整。從而可能會對分杯效果及穩定性造成一定的影響。因此，在設計前需要充分考慮到各種不利因素，設計出的機構才能更好地適應各種情景。
　　
　　2　原理設計
　　2.1　設計要求及總體目標是：
　　分杯器能兼容更多規格的杯子，易于裝配；寬度尺寸小(薄)，分杯動作平穩，分杯時不能有震動，分出的杯子不能傾斜，以防掉落偏移；動作可靠性高，每次只能分一個杯，壽命可靠，不易受到外部的干擾；填杯方便，容杯數量合理，不易受到外部的污染；能智能判斷分杯狀況，能記錄已分出杯子的數量，能檢測杯子剩余狀態，超強的糾錯能力，在分杯出錯時能自動探測并修正。
　　2.2　運動原理設計
　　本例巧妙地運用了帶螺旋面的分杯輪，通過旋轉運動分杯。整列杯子壓下輪子上，當分杯輪旋轉時，最下面一個杯子的杯沿會被帶入螺紋面內(由于螺紋節距只能容納一個杯通過)。當分杯輪繼續轉動，杯子被帶到螺旋面下方，處于懸空狀態。如此，杯子將在重力和螺旋面壓力作用下順暢下落，準確掉人下方取杯器中，從而達到設計意圖。
　　2.3　控制原理設計
　　運用傳感器，控制分杯輪初始角度、運動方向及運動角度；運用傳感器探測分杯是否成功，探測杯筒內的杯子是否用完。
　　3　詳細設計及動作講解
　　3.1　齒輪參數設計
　　分杯齒環2：模數M=1mm，齒數Z=90，內孔d=83mm；分杯輪3：模數M=1mm，齒數Z=12；驅動齒輪4：模數M：1mm，齒數z=24。如此，當驅動齒輪運動半圈，分杯輪運動一整圈，完成一次分杯運動。
　　3.2　部件組成及裝配方式
　　于配秋波此部件的外殼通過巧妙設計，上下殼為同一個零件，可通過周邊直口及內部孔軸定位，周邊均勻分布的四個卡鉤可將其穩定地扣在一起，形成分杯器外殼。裝配時先將分杯齒環3裝入外殼1內，再將六個分杯輪2的缺口在夾具的定位下裝入外殼1，最后將驅動齒輪4裝入帶定位的卡鉤內，注意其裝配方向；將傳感器5裝入另一個外殼1內(此傳感器PCB板上放置了兩個傳感器，其一為hali傳感器，作用為：定位驅動齒輪4的初始及停止角度；另一個為光電傳感器，其作用為：利用紅外線，探測杯子的剩余狀態。)；兩個分別裝有元件的外殼互配成為一個分杯器。
　　3.3　具體運動動作(為方便觀察，此處隱藏了上部裝配零件)
　　
　　整列杯子如圖3方式，放置在分杯器中，處于復位狀態(如圖3，a)。六個分杯輪3經過分杯齒環2傳動同時做逆時針旋轉，運動到(圖3，b)位置。此時，最下面一個杯子被帶到螺紋面下方，而上方杯子仍擱在分杯輪上，這樣就將一個杯子從整列杯中分離開來。分杯輪3繼續逆時針旋轉，被分離杯子被帶到螺旋面下方，處于懸空狀態；同時，其杯沿上表面在分杯輪下方螺紋面的壓力作用下，加大與上方杯子距離，并順利下落(如圖3，c)。驅動齒輪4驅動分杯輪3繼續旋轉，經過一整圈運動后，在傳感器定位下，再次停在(如圖3，a)位置，這樣，一次分杯動作完成。
　　3.4　互換性
　　如上分析，因市場及飲品不同，需要不同規格的杯子，我們不可能一種杯子就設計一套分杯器，如此，既浪費資源又不方便生產管理及維護。因此，在此設計中，我們考慮的是，以更換分杯輪3方式來適應不同大小的杯子。各尺寸的分杯輪保持與分齒環配合的齒輪不變，只改變上部螺紋面的直徑。如此設計，配合其余零件便可做出一個系列的分杯器。此例設計的分杯器可適應的杯子尺寸直徑范圍是：63mm-80mm。
　　3.5　設計要點
　　外殼：設計方面考慮：為節省模具成本，優化物料管理及裝配便利，上下殼設計為一個零件，裝配時通過調整方向，自身互配，組合成一個外殼；材料及成型考慮：由于各件需要在此件上運動，選用用耐磨工程塑料，同時加工與成型尺寸精密、穩定。綜合各方面要求，此件選用POM+TF。
　　分杯輪：考慮有三點：(I)互換性：以適應更多的杯子，本例設計了不同規格的分杯輪，通過更換分杯輪來組合不同規格的分杯器，裝配簡單，運動穩定；(2)分杯平穩性：一套分杯器中，分杯輪放置個數直接關系到分杯的平穩與否，行業內設計為4～8個；(3)材料選用：本例選擇食品級的POM，重點控制分杯輪內孔尺寸。
　　分杯齒環：齒數及模數設計：需要結合杯子尺寸及各分杯輪裝配時的定位方向，做特別計算。此件在分杯時，同時受到六個分杯輪及驅動齒輪的作用，不可避免的會出現受力不均，從而造成一定變形，因此在模數方面需要選擇較大(如M=1或1.25mm)，結構設計需要保證強度，以防出現跳齒與卡死等，運動不暢現象；材料考慮：此件需要成型穩定性要求高的塑料，以保證成品的尺寸精度，因此，選用POM+TF。
　　4　經驗總結
　　此設計運用了一個簡單的原理，巧妙的結構，準確的材料選取加上精確的尺寸控制，保證了動作的一致性與穩定性，使此繁雜機構變得簡單，明了。外形尺寸小，裝配靈活，更換方便；在設計上充分考慮各件共用，節省模具成本，方便管理，優化裝配。值得相關行業人員研究與借