廚用旋緊式瓶蓋開啟裝置設(shè)計

張占輝，黃顯堂

（1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州；2.東莞維科電池有限公司，廣東 東莞）

引言

在工業(yè)上，罐頭類食品的封裝行業(yè)已然飽和，生產(chǎn)上也采用非標(biāo)的封裝設(shè)備對產(chǎn)品進(jìn)行包裝，但經(jīng)包裝后的產(chǎn)品送到消費(fèi)者手中而如何打開瓶蓋卻成為第一道難題，針對旋緊式瓶蓋，家用、生活中所用的開瓶裝置較為短缺，且常年從事于人工開蓋工作場合如餐館、酒店等，更是增加患腱鞘炎的風(fēng)險。因此在非工業(yè)化領(lǐng)域當(dāng)中，非標(biāo)開瓶器或許是一項待挖掘、可發(fā)展的便民產(chǎn)品。瓶蓋的設(shè)計方面，一般要求便于消費(fèi)者開啟。我們在生活中可能都遇到過瓶蓋太緊，怎么使勁都擰不開，非常不方便，而如果采用自動開瓶器操作，則如何合理的對瓶蓋開啟力大小進(jìn)行控制是生產(chǎn)單位在線或離線檢測的重點(diǎn)[1]。汪正揚(yáng)和錢呈則針對擰不開飲料瓶蓋或罐頭蓋的情況，設(shè)計了一款省力的擰瓶蓋神器[2]。為改善人們的生活質(zhì)量，幫助居家婦女、老人、小孩掃清開瓶障礙，本研究設(shè)計了一款廚用旋緊式瓶蓋開啟裝置。

1 研究現(xiàn)狀分析總結(jié)

1.1 研究現(xiàn)狀

針對不易開瓶的現(xiàn)象，主要有以下原因及解決方案。大多時候瓶蓋不易打開，主要取決于容器內(nèi)外氣壓不一[3]，因此可采用增溫衡壓法解決。新型的易開型瓶蓋是在鋁蓋的外面加一層塑料蓋，開啟時直接用手將塑料蓋掰開即可，近年來逐漸取代了傳統(tǒng)瓶蓋[4]。用機(jī)械裝置代替人工，高效實(shí)用且可實(shí)現(xiàn)開瓶功能。趙海峰等人[5]指出，可采用電機(jī)作為驅(qū)動裝置，結(jié)合傳動裝置和執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)上述三個動作，實(shí)現(xiàn)了自動開瓶的功能。針對特殊職業(yè)所面對的不易開瓶問題，特制開瓶裝置能夠有效解決問題。張永惠等人[6]指出，用TRIZ 理論設(shè)計出一個多功能醫(yī)用開瓶器。

1.2 問題分析總結(jié)

1.2.1 開瓶器仍以人工為主 基于國內(nèi)現(xiàn)有的開瓶技巧及小巧開瓶裝置，它們的共同點(diǎn)都是起到了輔助作用，即動力源依舊來源于人力，雖然可提高消費(fèi)者打開產(chǎn)品瓶蓋的效率，但效率依舊取決于使用者的狀態(tài)和開啟瓶蓋方式的規(guī)范性等多方面因素，從某種意義上來說，并未解放雙手，變相人工打開瓶蓋，無法做到真正的利民、便民的出發(fā)點(diǎn)。

1.2.2 使用范圍小 國內(nèi)現(xiàn)有的開瓶技巧及小巧開瓶裝置都是針對某個行業(yè)、某款產(chǎn)品、某種格式去設(shè)計的便民開瓶裝置，而產(chǎn)品瓶蓋的規(guī)格、大小、款式則成為它們的局限性，這樣一來，國內(nèi)現(xiàn)有的開瓶裝置可用范圍比較小，離成為一款可靠、萬能的開瓶裝置還有一段路要走，要使開瓶裝置真正做到便民，通用性是必須要考慮的一個特性。

1.2.3 安全隱患 國內(nèi)現(xiàn)有的開瓶裝置和開瓶技巧都是基于人工，那么衛(wèi)生、安全隱患必然尚存。如何正確打開瓶蓋依舊取決于操作者的操作意識，如何保證開啟瓶蓋的同時能夠?qū)⑵可砝卫喂潭ǎ绾未_保開啟瓶蓋時開瓶裝置亦或者外界環(huán)境的細(xì)菌不會影響到容器內(nèi)的產(chǎn)品，以上幾點(diǎn)操作不當(dāng)均有可能影響到產(chǎn)品的衛(wèi)生、打破產(chǎn)品、甚至是造成人身安全，且依舊采用人工同樣會有患腱鞘炎亦或者損傷手腕等受傷的風(fēng)險。

因此針對大部分居家婦女、老人、小孩對于開瓶這一痛點(diǎn)問題，本研究設(shè)計了一款兼具實(shí)用性、通用性、高效衛(wèi)生的智能瓶蓋開啟裝置。

2 研究內(nèi)容

2.1 總體設(shè)計方案

2.1.1 開瓶裝置的技術(shù)要求 本課題擬研究的旋緊式瓶蓋開啟裝置的主要功能有：人工將欠開蓋、封蓋產(chǎn)品粗略放置固定臺，按下觸摸屏上的相應(yīng)功能，固定機(jī)構(gòu)會將產(chǎn)品緩慢推向固定臺正中央，且將固定其瓶身。接著旋蓋機(jī)構(gòu)會在升降機(jī)構(gòu)的作用下，自動定位至適宜的工作高度，先是有三爪夾手平緩靠攏瓶蓋，直至緊緊貼合瓶蓋后反饋至控制系統(tǒng)，則該機(jī)構(gòu)開始做旋向運(yùn)動，當(dāng)瓶蓋被開啟后，三爪夾手緩慢擴(kuò)張，旋蓋機(jī)構(gòu)工作結(jié)束，回原點(diǎn)。

2.1.2 可精確定位的升降機(jī)構(gòu) 升降機(jī)構(gòu)由電缸、距離傳感器、連接板所組成。電缸的動力來源為伺服電機(jī)，能夠高精度地控制行程，搭配紅外測距傳感器的使用，則更有效地判斷欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的位置，隨即反饋到電缸，直至升降到工作高度。連接板則是作為升降機(jī)構(gòu)與旋蓋機(jī)構(gòu)的橋梁，起到固定、傳動的效果。

2.1.3 集夾緊旋緊為一體的旋蓋機(jī)構(gòu) 該旋蓋機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器、傳動軸、梯形絲杠、夾緊裝置、活動聯(lián)軸器、線圈、彈簧、滾動軸承、定位卡環(huán)、非標(biāo)行程開關(guān)所組成。該機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)提供動力源，在減速器作用下，增大工作時的額定扭矩，通過傳動軸、非標(biāo)聯(lián)軸器，將動力傳遞給梯形絲杠，梯形絲杠開始做圓周運(yùn)動，慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線運(yùn)動，在非標(biāo)三爪夾手裝置的功能下，滑塊的上下運(yùn)動可轉(zhuǎn)變?yōu)槿A手的收攏和擴(kuò)張運(yùn)動。當(dāng)三爪夾手緊緊貼合瓶蓋時，梯形絲杠則無法再做圓周運(yùn)動，因過大且不處釋放的扭力，這樣會導(dǎo)致非標(biāo)聯(lián)軸器和絲杠開始脫節(jié)，聯(lián)軸器會抵抗彈簧向上運(yùn)動，從而觸發(fā)非標(biāo)行程開關(guān)觸點(diǎn)，反饋至控制系統(tǒng)，線圈得電，釋放電磁力將活動聯(lián)軸器吸上來，因此裝置箱體與傳動軸變?yōu)橐惑w，可與傳動軸作旋向運(yùn)動。

2.1.4 同步夾持瓶身機(jī)構(gòu) 固定機(jī)構(gòu)由普通電機(jī)、一對交錯式橡膠夾具，一對帶齒條的活動板、固定臺、齒輪等組成。當(dāng)欠開蓋、封蓋產(chǎn)品放置固定臺上方，電機(jī)驅(qū)動齒輪，與一對帶齒條的活動板相互嚙合，致使它們開始做同速、反向的直線運(yùn)動，因此可自動將產(chǎn)品定心，在電機(jī)的作用下，交錯式橡膠夾具可因其獨(dú)特的設(shè)計，大幅度提高對各式各樣瓶身形體的夾緊力，增強(qiáng)了該裝置的功能性、通用性。

2.1.5 單片機(jī)控制模塊 單片機(jī)選型為51 單片機(jī)，主要內(nèi)容有AT89C51 芯片、復(fù)位電路、晶振電路、時鐘電路、三大驅(qū)動模塊，外部中斷信號源以及傳感器。相比于PLC 可接收觸摸屏和傳感器傳輸信號甚至是執(zhí)行復(fù)雜程序，單片機(jī)同樣具有這些功能。在軟件上，單片機(jī)會根據(jù)編程對三大驅(qū)動模塊發(fā)出相對應(yīng)的指令，在硬件上，單片機(jī)需要控制諸類元器件來穩(wěn)定調(diào)節(jié)伺服電缸的速度以及位置、用三極管來控制輔助繼電器驅(qū)動另外兩個動力源、以及用到運(yùn)算放大器增強(qiáng)紅外測距傳感器的輸出信號，外部中斷請求也為裝置增添了急停按鈕，提高了可靠性、安全性。

2.2 可精確定位的升降機(jī)構(gòu)

2.2.1 升降驅(qū)動 本研究中設(shè)計裝置主體場合為家用，考慮到生活中見過的各式各樣旋緊式瓶蓋產(chǎn)品，小到胡椒粉瓶、調(diào)料醬罐頭，大到水果罐頭、奶粉罐等這一類產(chǎn)品，因?yàn)楫a(chǎn)品類型不同，它們的瓶身大小不同、瓶蓋形狀不同、整體高度不同，為本研究裝置設(shè)計建立起第一道障礙，如何精準(zhǔn)定位到欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的位置，是本章節(jié)當(dāng)中重點(diǎn)解決的問題所在。

針對不同高度、不規(guī)則瓶蓋類型的消費(fèi)產(chǎn)品，一個可精確定位的升降機(jī)構(gòu)則顯得很有必要。在本研究設(shè)計當(dāng)中，為滿足精度高，動作平緩的要求，較先考慮到電缸的采用。

電缸的動力來源通常是由伺服電機(jī)驅(qū)動，伺服電機(jī)對速度控制良好，位置精度準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速以達(dá)到驅(qū)動功能。因此，電缸則是一款由伺服電機(jī)和絲杠搭配使用的一體化產(chǎn)品，集結(jié)了伺服電機(jī)的高精度位置控制，速度控制等優(yōu)點(diǎn)，極其適合作為本研究設(shè)計中升降機(jī)構(gòu)所要求的驅(qū)動裝置。

升降機(jī)構(gòu)功能于控制旋蓋機(jī)構(gòu)的工作高度，因此要求選型電缸須有一定的承載能力，防止旋蓋機(jī)械結(jié)構(gòu)的位置丟失、甚至是掉落，且伺服電缸的工作電壓范圍在12 V～380 V，只需搭配24 V 開關(guān)電源，則可滿足電動缸的額定電壓。考慮欠開蓋、封蓋產(chǎn)品整體高度在70 mm～250 mm，旋蓋機(jī)構(gòu)于產(chǎn)品上方必須預(yù)留有50 mm 的安全距離、以及諸多其他因素的影響。

為節(jié)省成本，提高電缸的利用率和效率，故選型SDG40 系列，絲杠導(dǎo)程為2 mm、最大推力為2 kN、最大速度為100/ms，最大行程為300 mm。

2.2.2 距離傳感器 上一小節(jié)選型完電動缸的型號后，該如何精準(zhǔn)地定位到欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的位置及整體高度是本小節(jié)擬解決的主要問題。

考慮傳感器作為升降機(jī)構(gòu)的“眼睛”，在傳感器感應(yīng)到產(chǎn)品之后通過電信號傳輸給控制中樞（單片機(jī)），控制部分會發(fā)送信號給驅(qū)動部分，這樣便能實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)想要快速精準(zhǔn)定位到產(chǎn)品位置的功能。

基于本章升降機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求，考慮采用距離傳感器來作為接收信號裝置。距離傳感器是一種感應(yīng)其與某物體之間距離的特殊裝置，它可將與欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的距離輸送至控制中樞，從而使單片機(jī)下達(dá)指令讓電缸驅(qū)動，以達(dá)至工作高度為目的。

為使計算方便，采用將紅外測距傳感器安裝至旋蓋機(jī)構(gòu)的最下方（三爪夾手的正中央），使其與欠開蓋、封蓋產(chǎn)品之間的距離最直接明了，簡化了單片機(jī)編程的計算過程。

2.2.3 旋蓋部分設(shè)計 在實(shí)現(xiàn)了對瓶蓋的夾緊過程后，需對整個瓶蓋做旋鈕動作，電機(jī)與梯形絲杠之間的聯(lián)系主要是靠聯(lián)軸器傳動，那么聯(lián)軸器就像是一個觸點(diǎn)，既能讓絲杠轉(zhuǎn)起來，也可以讓絲杠不工作，因此如我們既能保證斷開聯(lián)軸器與梯形絲杠之間的傳動，也能使聯(lián)軸器與其他傳動件相結(jié)合，這樣便可以實(shí)現(xiàn)一個電機(jī)有兩種控制狀態(tài)，從而達(dá)到高效、智能的目的。

此聯(lián)軸器下方是與絲杠一端聯(lián)軸器相嵌合的部分，在彈簧與重力的作用下，聯(lián)軸器會與絲杠上的聯(lián)軸器緊緊貼合，只要兩者未發(fā)生過度剛性碰撞，即可實(shí)現(xiàn)傳動，而上方兩邊對稱突出的地方是作為傳動的“鍵”，只需當(dāng)布置在箱體里的線圈收到指令時通電，根據(jù)電磁鐵原理，聯(lián)軸器整體（綠色部分）會受到巨大磁力抵抗彈簧力往上做直線運(yùn)動，從而與箱體接合，反倒與絲杠脫節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)對箱體做圓周運(yùn)動。

2.3 同步夾持瓶身裝置

本裝置可使用的產(chǎn)品規(guī)格可在一定的范圍之間，只要滿足瓶身最大半徑、產(chǎn)品高度在本裝置的規(guī)定范圍內(nèi)且瓶身非軟體材質(zhì)以及瓶口采用旋緊式瓶蓋的產(chǎn)品，大多數(shù)可選用本研究設(shè)計的裝置去開/封蓋。

經(jīng)過大量查閱網(wǎng)購平臺、生活超市、以及日常生活中所能夠看到的旋緊式瓶蓋產(chǎn)品，研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)產(chǎn)品的瓶身大部分都是呈現(xiàn)直線型且垂直于地面，例如調(diào)料醬罐頭。但也有少部分產(chǎn)品的瓶身是呈現(xiàn)圓弧形、花瓶形、凸臺型，例如水果罐頭?？紤]到這一類產(chǎn)品不易固定，容易“打滑”的現(xiàn)象，無疑是增加了該機(jī)械結(jié)構(gòu)的固定要求以及技術(shù)難度。

在保證高效、安全、衛(wèi)生的前提下，既要滿足不同規(guī)格大小的產(chǎn)品，又需要對少數(shù)不易夾持瓶身產(chǎn)品做些夾緊補(bǔ)償，現(xiàn)設(shè)想有如圖1 所示的夾持瓶身機(jī)構(gòu)。

圖1 交錯式橡膠夾具的三維設(shè)計

假設(shè)本夾具在工作臺表面方向上可以做直線運(yùn)動，采用交錯式的夾持，一可滿足不同大小規(guī)格的瓶身，二也可增大夾持器具對瓶身的接觸面積。而與瓶身直接接觸的表面選用橡膠材質(zhì)，既保證了該裝置的安全性，防止壓力過大或器具表面硬度過高會直接壓碎一些脆弱瓶身，也能夠提高兩兩之間接觸表面的摩擦力。

2.4 單片機(jī)開發(fā)及控制原理

單片機(jī)相比較PLC，的確有著價格便宜、縮小空間、物盡其用的特點(diǎn)。這與本設(shè)計目的在打造出一款可靠，價格優(yōu)廉的便民家居上相符合，關(guān)于單片機(jī)選型及構(gòu)造的內(nèi)容如下：分析在本研究設(shè)計中所需要編程內(nèi)容的難易程度以及需要添加的外設(shè)。輸入設(shè)備是用來探測欠開蓋、封蓋產(chǎn)品位置的紅外測距傳感器以及觸摸屏上的各種執(zhí)行功能、急停按鈕的信號傳入。輸出設(shè)備主要有三大機(jī)械結(jié)構(gòu)，不同于伺服電缸所需的速度要求，其他兩個電機(jī)模塊只需進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個動作。整體流程初步分析并不繁瑣，只需規(guī)定電機(jī)在接收到指令后動作即可，且每一個驅(qū)動模塊都是獨(dú)立運(yùn)行，而具體的執(zhí)行指令則交由編程來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

在本研究設(shè)計當(dāng)中，有三大機(jī)械結(jié)構(gòu)作為骨架，單片機(jī)控制，即可實(shí)現(xiàn)對欠開蓋、封蓋產(chǎn)品的工作要求。為使本裝置成本低廉，提高本設(shè)計裝置的受歡迎度，對電機(jī)的選型以簡約為主，對產(chǎn)品原料選型也遵循合理性、實(shí)用性。有了這一套非標(biāo)裝置，亦可放在任何需要頻繁開蓋、封蓋及遍布旋緊式瓶口產(chǎn)品的場合，大大提高了人們的生活質(zhì)量，既可使消費(fèi)者解放雙手，又可排除掉人工開蓋帶來的不必要安全隱患，從而設(shè)計了該款通用性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性的智能家居。