常見瓶蓋同向排列設備的設計

羅彬賓

（常州信息職業技術學院 常州市高端制造裝備智能化技術重點實驗室，江蘇 常州 213164）

0 引言

瓶蓋是生活中最常見的物品之一，它與我們的生活息息相關，大多數人每天都會用到它，比如水杯、藥瓶、飲料瓶、酒瓶等。這些杯子或瓶子的封口部件的結構基本都是類似的：內凹式帶螺紋圓柱蓋。因此工業上往往就其結構針對性地設計各種各樣的上料機構，確保瓶蓋與其瓶身裝配時同向排列。這些機構中最常見的是振動盤[1-4]，振動盤作為一種給料裝置廣泛運用于工業的各個方面[5-8],很受自動化設計人員的歡迎。當然也有一些其它形式的機構同樣也能做到瓶蓋的同向排列，比如氣壓式機構[9]等。這些機構無一例外均針對其內凹式圓柱結構入手，巧妙地利用掛鉤、氣壓或蓋口朝下跌落等方式達到瓶蓋同向排列的目的。本文另辟蹊徑，針對常見的礦泉水瓶蓋設計了一款瓶蓋同向排列設備[10]。

1 理論和實驗支撐

瓶蓋給人的第一印象是其簡潔實用的結構，所以針對其結構設計的同向排列機構多不勝數。其簡單的結構包含一個很重要的信息，那就是其重心所在的位置。當然當瓶蓋處于平放狀態時，其重心在其旋轉中心軸線上，而其豎立時，那么其重心就不在其蓋面和蓋口的中間，其遠離蓋口而更靠近蓋面，本文利用這種重心位置的偏差來設計其方向選擇機構。當然，更為重要的是：當瓶蓋豎立且直線方向滾動時，其重心位置也是直線運行的，并不會因為其滾動而發生非規律性變化。為了更直觀地驗證其可行性，根據圖1所示形狀的瓶蓋構建了圖2所示的實驗模型，并根據此實驗模型做了大量的實驗。

圖 1 瓶蓋

圖2 瓶蓋擇向實驗模型

由圖1可以看到，這是一個普通的礦泉水瓶蓋，其基本尺寸為：外徑為φ32 mm，壁厚為1 mm，高為12.6 mm，其重心在離蓋面4.6 mm處。圖2所示的瓶蓋擇向實驗模型由擋板、瓶蓋擇道及收納箱組成。收納箱靠近瓶蓋擇道端設計一個高度比瓶蓋直徑略大、寬度比瓶蓋高度略大的流入口。其中瓶蓋擇道長度為150 mm，寬度為7.5 mm，且與水平面呈一定的角度θ，擋板的高度略低于瓶蓋的高度，根據這個模型做了大量的模擬實驗。首先，將瓶蓋擇道與水平面的角度分別設置為10°、15°、20°、25°及30°，每個角度狀況下做50組實驗，我們發現當蓋口朝內（即蓋口貼靠擋板）時，將瓶蓋置于瓶蓋擇道初始端，由于瓶蓋豎立狀態下蓋口到瓶蓋重心的距離為8 mm，因此瓶蓋擇道無法為瓶蓋提供有效支撐，那么毫無例外，瓶蓋全部掉落，沒有一個瓶蓋能夠進入收納箱的流入口。而當蓋口朝外，即蓋面貼靠擋板時，我們發現部分瓶蓋掉落，而部分瓶蓋通過擇道進入收納箱，其結果如表1所示。

從表1中可以看到，當瓶蓋擇道的傾斜角在15°～20°之間時，瓶蓋成功流入收納箱的概率最大。雖然這個樣本數并不大，且瓶蓋初始滾動時處于理想狀態與實際狀態有所不同，實際情況下瓶蓋成功流入收納箱的概率比實驗要低，但是此模型成功地驗證了通過重心選擇法設計一種全新的瓶蓋同向排列機構的可行性。

表1 瓶蓋成功進入收納箱次數

2 瓶蓋同向排列設備的整體設計方案

由于已經確定了使用重心的非對稱性作為完全無序狀態下瓶蓋方向選擇的方法，那么首先要面臨的問題是：如何讓瓶蓋站起來。因此瓶蓋同向排列設計的設計流程為：無序的瓶蓋→站立的瓶蓋→瓶蓋方向的選擇→同向瓶蓋的輸出。首先是讓無序的瓶蓋豎立，然后才是驅使豎立的瓶蓋有序地通過圖2中的瓶蓋擇道，排除蓋口面向擋板的那些瓶蓋，而盡量保留蓋面面向擋板的那些瓶蓋，最后是同向瓶蓋的輸出，為瓶蓋與瓶身的安裝做好上料準備。由圖1瓶蓋本身的結構可知，瓶蓋本身的徑高比（即瓶蓋直徑與高度的比值）遠大于1，當瓶蓋處于隨機狀態時，在重力的作用下，瓶蓋絕大多數狀態下應該是蓋口或蓋面傾向于貼附在水平面上，隨機堆積狀態下亦是如此，因此一個高效率的瓶蓋豎立機構就變得尤為重要了。

3 瓶蓋豎立機構的設計

一般情況下，可以先驅使瓶蓋前進，當瓶蓋通過僅比瓶蓋高度稍高的限高桿，阻止部分豎立的瓶蓋通過，然后通過矯正軌道或直接旋轉90°將瓶蓋豎立起來，這么做的劣勢是會導致結構過于龐大，占地面積大，而且成本較高。本文考慮到種種因素，給出了圖3所示的設計方案。

如圖3所示，這個瓶蓋豎立機構是由料斗、電動機、收納箱葉片和串珠組成，其中葉片和串珠是整個機構中的重要組成部分，它們的形狀如圖4、圖5所示，葉片的結構是回旋的軸的一側帶有微微凸起的薄薄長片，且葉片與電動機相連，在電動機的作用下，葉片相對于水平面做小幅度擺動，不斷地調整料斗底部瓶蓋的姿態，直到其以側身豎立的姿態落入中空寬度僅比瓶蓋高度稍大的收納箱中。串珠是由中空的球體串聯在一起，增加料斗底部葉片與瓶蓋之間的滑動性，防止堆積在料斗底部的瓶蓋卡住葉片，因而導致瓶蓋的損傷。此瓶蓋豎立機構結構簡單，造價便宜，更重要的是其占地面積小，既不需要設計驅動瓶蓋前進的軌道或機構讓其平躺，也不需要設計專門的機構讓瓶蓋從平躺的姿勢到豎立狀態。因此其相對于其他瓶蓋豎立機構更加有優勢。

圖3 瓶蓋豎立機構

圖4 葉片

圖5 串珠

4 瓶蓋同向排列設備的總設計方案

結合圖2所示的瓶蓋擇向實驗模型及圖4所示的瓶蓋豎立機構，可以輕松做到瓶蓋同向排列，其設計模型如圖6所示，它是由料斗、電動機、收納箱1、瓶蓋擇道及收納箱2等組成，當料斗中的瓶蓋通過圖4中的葉片繞水平面小幅度擺動，不停地調整料斗中的瓶蓋姿態，直到其以合適的姿態側身豎立進入中空寬度僅比瓶蓋高度稍大的收納箱1中，這時候的瓶蓋的蓋口的方向是隨機的，那么進入收納箱1中的蓋口隨機的瓶蓋在重力及收納箱底部傾斜的結構雙重作用下從流出口1中流出，滾到瓶蓋擇道上，當蓋口朝向擋板時，由于瓶蓋重心在瓶蓋擇道外，那么在重力的作用下它會迅速掉落下去，而蓋口背向擋板時，部分瓶蓋也會在其流出速度及流出的姿態的影響下掉落下去，甚至擋板及瓶蓋擇道的表面光潔度及周遭環境的微幅振動也會影響到瓶蓋的掉落，能夠流入收納箱2的流入口的瓶蓋均為蓋口背向擋板的，故收納箱2內的瓶蓋都是同向的，如果在流出口2處位置設置瓶蓋倒向軌道，就可以得到瓶蓋蓋口全部朝上或全部朝下的瓶蓋，這樣就可以為下一步瓶蓋與瓶身的裝配做好上料準備。

圖6 瓶蓋同向排列設備

5 結論

瓶蓋是生活中常見的物品，其同向排列的工業價值是不言而喻的。市面上有形形色色的瓶蓋同向排列設備，都是從瓶蓋本身的結構出發而進行排列的，本文從豎立的瓶蓋的重心非對稱性這一點出發，另辟蹊徑，通過其重心位置在蓋口和蓋面上的非對稱性，設置合適的瓶蓋方向選擇軌道，排除掉蓋口朝向擋板的瓶蓋，盡量保有蓋口背向擋板的瓶蓋，最后做到進入收納箱的瓶蓋同向排列，為設計者們提供一種有效的設計思路。