羅彬賓

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州市高端制造裝備智能化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)，大多數(shù)人每天都會(huì)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(jié)構(gòu)基本都是類似的：內(nèi)凹式帶螺紋圓柱蓋。因此工業(yè)上往往就其結(jié)構(gòu)針對(duì)性地設(shè)計(jì)各種各樣的上料機(jī)構(gòu)，確保瓶蓋與其瓶身裝配時(shí)同向排列。這些機(jī)構(gòu)中最常見的是振動(dòng)盤[1-4]，振動(dòng)盤作為一種給料裝置廣泛運(yùn)用于工業(yè)的各個(gè)方面[5-8],很受自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員的歡迎。當(dāng)然也有一些其它形式的機(jī)構(gòu)同樣也能做到瓶蓋的同向排列，比如氣壓式機(jī)構(gòu)[9]等。這些機(jī)構(gòu)無(wú)一例外均針對(duì)其內(nèi)凹式圓柱結(jié)構(gòu)入手，巧妙地利用掛鉤、氣壓或蓋口朝下跌落等方式達(dá)到瓶蓋同向排列的目的。本文另辟蹊徑，針對(duì)常見的礦泉水瓶蓋設(shè)計(jì)了一款瓶蓋同向排列設(shè)備[10]。

1 理論和實(shí)驗(yàn)支撐

瓶蓋給人的第一印象是其簡(jiǎn)潔實(shí)用的結(jié)構(gòu)，所以針對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同向排列機(jī)構(gòu)多不勝數(shù)。其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)包含一個(gè)很重要的信息，那就是其重心所在的位置。當(dāng)然當(dāng)瓶蓋處于平放狀態(tài)時(shí)，其重心在其旋轉(zhuǎn)中心軸線上，而其豎立時(shí)，那么其重心就不在其蓋面和蓋口的中間，其遠(yuǎn)離蓋口而更靠近蓋面，本文利用這種重心位置的偏差來(lái)設(shè)計(jì)其方向選擇機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，更為重要的是：當(dāng)瓶蓋豎立且直線方向滾動(dòng)時(shí)，其重心位置也是直線運(yùn)行的，并不會(huì)因?yàn)槠錆L動(dòng)而發(fā)生非規(guī)律性變化。為了更直觀地驗(yàn)證其可行性，根據(jù)圖1所示形狀的瓶蓋構(gòu)建了圖2所示的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并根?jù)此實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥隽舜罅康膶?shí)驗(yàn)。

圖 1 瓶蓋

圖2 瓶蓋擇向?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ?/p>

由圖1可以看到，這是一個(gè)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?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ陀蓳醢濉⑵可w擇道及收納箱組成。收納箱靠近瓶蓋擇道端設(shè)計(jì)一個(gè)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(zhǎng)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(jù)這個(gè)模型做了大量的模擬實(shí)驗(yàn)。首先，將瓶蓋擇道與水平面的角度分別設(shè)置為10°、15°、20°、25°及30°，每個(gè)角度狀況下做50組實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)蓋口朝內(nèi)（即蓋口貼靠擋板）時(shí)，將瓶蓋置于瓶蓋擇道初始端，由于瓶蓋豎立狀態(tài)下蓋口到瓶蓋重心的距離為8 mm，因此瓶蓋擇道無(wú)法為瓶蓋提供有效支撐，那么毫無(wú)例外，瓶蓋全部掉落，沒(méi)有一個(gè)瓶蓋能夠進(jìn)入收納箱的流入口。而當(dāng)蓋口朝外，即蓋面貼靠擋板時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)部分瓶蓋掉落，而部分瓶蓋通過(guò)擇道進(jìn)入收納箱，其結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看到，當(dāng)瓶蓋擇道的傾斜角在15°～20°之間時(shí)，瓶蓋成功流入收納箱的概率最大。雖然這個(gè)樣本數(shù)并不大，且瓶蓋初始滾動(dòng)時(shí)處于理想狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)有所不同，實(shí)際情況下瓶蓋成功流入收納箱的概率比實(shí)驗(yàn)要低，但是此模型成功地驗(yàn)證了通過(guò)重心選擇法設(shè)計(jì)一種全新的瓶蓋同向排列機(jī)構(gòu)的可行性。

表1 瓶蓋成功進(jìn)入收納箱次數(shù)

2 瓶蓋同向排列設(shè)備的整體設(shè)計(jì)方案

由于已經(jīng)確定了使用重心的非對(duì)稱性作為完全無(wú)序狀態(tài)下瓶蓋方向選擇的方法，那么首先要面臨的問(wèn)題是：如何讓瓶蓋站起來(lái)。因此瓶蓋同向排列設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程為：無(wú)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(wú)序的瓶蓋豎立，然后才是驅(qū)使豎立的瓶蓋有序地通過(guò)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(zhǔn)備。由圖1瓶蓋本身的結(jié)構(gòu)可知，瓶蓋本身的徑高比（即瓶蓋直徑與高度的比值）遠(yuǎn)大于1，當(dāng)瓶蓋處于隨機(jī)狀態(tài)時(shí)，在重力的作用下，瓶蓋絕大多數(shù)狀態(tài)下應(yīng)該是蓋口或蓋面傾向于貼附在水平面上，隨機(jī)堆積狀態(tài)下亦是如此，因此一個(gè)高效率的瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)就變得尤為重要了。

3 瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

一般情況下，可以先驅(qū)使瓶蓋前進(jìn)，當(dāng)瓶蓋通過(guò)僅比瓶蓋高度稍高的限高桿，阻止部分豎立的瓶蓋通過(guò)，然后通過(guò)矯正軌道或直接旋轉(zhuǎn)90°將瓶蓋豎立起來(lái)，這么做的劣勢(shì)是會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)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(shè)計(jì)方案。

如圖3所示，這個(gè)瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)是由料斗、電動(dòng)機(jī)、收納箱葉片和串珠組成，其中葉片和串珠是整個(gè)機(jī)構(gòu)中的重要組成部分，它們的形狀如圖4、圖5所示，葉片的結(jié)構(gòu)是回旋的軸的一側(cè)帶有微微凸起的薄薄長(zhǎng)片，且葉片與電動(dòng)機(jī)相連，在電動(dòng)機(jī)的作用下，葉片相對(duì)于水平面做小幅度擺動(dòng)，不斷地調(diào)整料斗底部瓶蓋的姿態(tài)，直到其以側(cè)身豎立的姿態(tài)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(lián)在一起，增加料斗底部葉片與瓶蓋之間的滑動(dòng)性，防止堆積在料斗底部的瓶蓋卡住葉片，因而導(dǎo)致瓶蓋的損傷。此瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，更重要的是其占地面積小，既不需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)瓶蓋前進(jìn)的軌道或機(jī)構(gòu)讓其平躺，也不需要設(shè)計(jì)專門的機(jī)構(gòu)讓瓶蓋從平躺的姿勢(shì)到豎立狀態(tài)。因此其相對(duì)于其他瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)更加有優(yōu)勢(shì)。

圖3 瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)

圖4 葉片

圖5 串珠

4 瓶蓋同向排列設(shè)備的總設(shè)計(jì)方案

結(jié)合圖2所示的瓶蓋擇向?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ图皥D4所示的瓶蓋豎立機(jī)構(gòu)，可以輕松做到瓶蓋同向排列，其設(shè)計(jì)模型如圖6所示，它是由料斗、電動(dòng)機(jī)、收納箱1、瓶蓋擇道及收納箱2等組成，當(dāng)料斗中的瓶蓋通過(guò)圖4中的葉片繞水平面小幅度擺動(dòng)，不停地調(diào)整料斗中的瓶蓋姿態(tài)，直到其以合適的姿態(tài)側(cè)身豎立進(jìn)入中空寬度僅比瓶蓋高度稍大的收納箱1中，這時(shí)候的瓶蓋的蓋口的方向是隨機(jī)的，那么進(jìn)入收納箱1中的蓋口隨機(jī)的瓶蓋在重力及收納箱底部?jī)A斜的結(jié)構(gòu)雙重作用下從流出口1中流出，滾到瓶蓋擇道上，當(dāng)蓋口朝向擋板時(shí)，由于瓶蓋重心在瓶蓋擇道外，那么在重力的作用下它會(huì)迅速掉落下去，而蓋口背向擋板時(shí)，部分瓶蓋也會(huì)在其流出速度及流出的姿態(tài)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(huán)境的微幅振動(dòng)也會(huì)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(nèi)的瓶蓋都是同向的，如果在流出口2處位置設(shè)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(zhǔn)備。

圖6 瓶蓋同向排列設(shè)備

5 結(jié)論

瓶蓋是生活中常見的物品，其同向排列的工業(yè)價(jià)值是不言而喻的。市面上有形形色色的瓶蓋同向排列設(shè)備，都是從瓶蓋本身的結(jié)構(gòu)出發(fā)而進(jìn)行排列的，本文從豎立的瓶蓋的重心非對(duì)稱性這一點(diǎn)出發(fā)，另辟蹊徑，通過(guò)其重心位置在蓋口和蓋面上的非對(duì)稱性，設(shè)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(jìn)入收納箱的瓶蓋同向排列，為設(shè)計(jì)者們提供一種有效的設(shè)計(jì)思路。