自助式奶茶机的结构设计

自助式奶茶机的结构设计

搅拌封盖结构设计

摘要

奶茶越来越受到年轻人的喜爱，但奶茶在生产过程中相对复杂，在奶茶店

或餐饮店都是人工操作。针对生产工序及卫生程度的考虑，本论文主要对奶茶机

的搅拌封盖工序进行结构设计，包括充分搅拌，盖子的顺序计入、压盖等动作，

实现奶茶机的自动化搅拌与封盖。论文主要包括结论，方案设计，三维模型建立

与装配，分析计算与优化，并出具零件图与装配图等。

关键词：奶茶,奶茶机，封盖，自动化

Structuraldesignofstirandcover

Abstract

Milkteaismoreandmorepopularamongyoungpeople,buttheproductionprocess

ofmilkteaisrelativelycomplex,whichismanuallyoperatedinmilkteashopsor

restaurants.Inviewoftheproductionprocessandhygienelevel,thispapermainly

designsthestructureofthemixingandcappingprocessofthemilkteamachine,

includingfullmixing,thesequenceofcapping,cappingandotheractions,soasto

realizetheautomaticmixingandcappingofthemilkteamachine.Thispapermainly

includesintroduction,schemedesign,three-dimensionalmodelbuildingandassembly,

analysis,calculationandoptimization,aswellaspartdrawingandassemblydrawing.

Keywords:milktea,milkteamachine,capping,automatic

目录

第一章绪论.......................................................................1

1.1国内外概况....................................................................1

1.2研究背景......................................................................1

L3研究内容及意义................................................................2

第二章原理方案设计..............................................................3

2.1总体方案......................................................................3

2.2整体结构的组成与结构.........................................................3

第三章结构尺寸确定..............................................................8

3.1搅拌装置电机的选用...........................................................8

3.2搅拌装置气缸的选用...........................................................8

3.3封盖装置气缸的选用...........................................................9

第四章三维建模及装配...........................................................10

4.1奶茶杯与奶茶杯盖的建模......................................................11

4.2奶茶杯和奶茶杯盖传送带的建模...............................................11

4.4奶茶杯盖抓取装置建模........................................................12

4.4搅拌和封盖装置建模..........................................................13

4.4总装.........................................................................15

第五章有限元分析...............................................................16

5.1有限元软件分析步骤..........................................................16

5.2压力板的有限分析............................................................17

结论.............................................................................22

参考文献.........................................................................23

致谢.............................................................................24

第一章绪论

1.1国内外概况

奶茶原来为中国北方游牧民族（蒙古族）的日常饮品，据史料记载至今已有

上千年的历史，由元朝蒙古军队传遍世界各地，目前在世界各地都有不同种类奶

茶流行文化，蒙古高原的奶茶千百年以来从未改变，至今仍是蒙古族人民日常饮

用及待客接友的必备饮料。

食品搅拌机是一类能够达成将多种类的食品液体混合搅拌，可以搅拌很多种

花样的机器。食品搅拌机在世界各地的日常生活中应用的很普遍，已经走入全世

界数亿家庭。食品搅拌机在木质上可分为两大类，一是家用搅拌机，二是工业级

商用搅拌机。如字面意义上所示，家用食品搅拌机可用来自制奶茶，自制果汁，

和增肌餐等。工业级的商用搅拌机则可用来搅拌生产用的食品材料，经过一系列

杀菌消毒包装等操作最终形成是售商品，食品行业的机器有全球通用的标准。家

用搅拌机的特点是体积小，重量轻，功率也小。而工业级商用食品搅拌机体积比

家用大，两者不在同一个应用量级，商用搅拌机大部分用食品加工制造行业等。

1.2研究背景

随着国内居民GDP国民生产总值不断提高，休闲消费越来越成为中国各

个城市的居民生活中的一部分。而奶茶作为新时代的饮品及休闲娱乐消费饮品,

更具有方便快捷时尚的特点，受到市场上各大消费者的欢迎，国内奶茶品牌起

步很早，在20世纪80年代随着台商的引入，天街小巷开始有奶茶店的身影，

国内品牌后来居上，比如最近火热的瑞幸咖啡和益禾堂的奶茶产品也是如日中

天地火爆。奶茶产品的消费者原来大多是追求潮流的年轻女性消费者，近年来

奶茶市场对男性消费群体也得到不断扩展，例如星巴克就推出了奶茶情侣套餐

吸引大量的男性消费者，并向各种职业人群渗透;另外，由于奶茶市场的爆炸

式推广普及，大城市的中高收入群体对奶茶产品的需求也有所增加。奶茶的未

1

来形式也不会以门店式销售一家独大，而是以门店式销售为主，冲泡式和封装

式为辅的销售模式，这会大大提升奶茶供应效率、缩短制作成本和顾客的时间

成本，从宏观意义上来讲，流水线制作的封装式奶茶的未来一片光明。图1.1

为国内各级城市奶茶门店及销售报表。

2019年全国各级城市奶茶门店数与市场规模

平均每城门单店日均平均客单总计年销售额

-城市数总计门店数

店数客单数价（元）际）

一线城市4157506300010015340

新一线城市1570001050008012363

二线城市3040001200006010259

三线城市70130091000408105

四线城市908007200040883

五线城市1284005120040859

总计337-502200--1209

图1』国内各级城市奶茶门店与市场规模

1・3研究内容及意义

我所负责的研究内容是奶茶的搅拌和封盖。奶茶搅拌机是•类能够达成多种

味料混合搅拌，可以搅拌出均匀的奶茶。搅拌机可以帮奶茶制作者省下来大把的

时间和精力。奶茶机拥有以下优点：1.最大化提升奶茶制作效率，节省制作奶茶

的人工成本，有研究显示奶茶的制作成本中人工成本所占费用是奶茶成本的1/3,

降低人工费用可以使奶茶的利益最大化；2.降低顾客等待的时间成本，让顾客不

用再为等待奶茶浪费时间，提高消费者幸福感；3.自动化生产可以降低门店人力

资源浪费，只需要两个店员就可以完成所有操作。奶茶机的设计宗旨为操作方便、

便于清理，清洁卫生，噪音小效率高。它由进出料线、搅拌机构、抓取杯盖机构

和封盖机构组成。搅拌机构负责奶茶的搅拌；抓取装置负责对杯盖的抓取；压盖

机构使奶茶密封不易洒出。这样的设计有助于增加奶茶行业的营业利益。

2

第二章原理方案设计

2」总体方案

针对现有技术的不足，本设计提供一种全新的设计方案，具备将已加注的奶

茶进行均匀搅拌、自动封盖的功能。奶茶在各个工位间通过步进电机进行传动,

可以准确、有效、可靠地在各个工位之间快速移动，增强奶茶机的可靠性和生产

效率。搅拌机构通过电机旋转进行搅拌，然而搅拌机构头部必须伸入奶茶杯内部,

这就需要一个可以自由上下移动的机构来带动搅拌电机和搅拌杆，本设计将采用

自由伸缩的气缸来实现这一功能。封盖装置只需要用气缸带动压块对杯盖进行压

盖动作，为了缓冲气缸的冲击力，必须在压盖上部做一个缓冲弹簧来抵消气缸的

下压力，同时又能够可靠地将奶茶盖压紧并且不发生将奶茶杯盖和杯身压坏的情

况，从而达到本设计的设计目的。

根据总体的初步方案，可列举出本设计中的奶茶机主要工作方式为：传送带

将己经加料完成的奶茶杯送到搅拌装置前气缸充气带动搅拌器下行至奶茶杯

中一,搅拌机搅拌--->奶茶杯进入压盖装置--->气缸充气带动压盖装置压盖一,封

口后传输到顾客面前，其制作流程方框图如图2.1。

图2.1奶茶制作流程方框图

2.2整体结构的组成与结构

根据本设计的总体初步思路，首先应根据市场调研等手段建立好奶茶杯及奶

茶盖的模型，根据奶茶杯和奶茶盖的尺寸初步设计总体框架，再利用总体框架的

结构及排布方式对搅拌机构和封盖机构进行设计，同时对需要使用到的步进电机、

3

气缸和电动机进行相应的选型。最后建立起一整套生产线的排布方式以及其他部

件的建模，完成总体结构设计。

2.2.1奶茶杯及奶茶杯盖构型

根据对市面上现存的奶茶杯进行调研，并查阅相关资料和奶茶杯供应商信息,

我们发现杯口直径为698mm，高度为130mm的奶茶杯大小合适且最受消费者欢

迎，外观比例和谐，因此本次设计的奶茶搅拌封盖机也是基于这个尺寸的奶茶杯

进行相关设计，杯身与杯盖的具体尺寸如图2.2。

8C,0C

图2.2奶茶杯身与杯盖尺寸简图

2.2.2奶茶杯的运输装置

奶茶杯需要通过输送平台经过搅拌和封盖的工序，具体思路为流水线中的传

送带运输，这种方式既方便快捷，乂节省空间。如图2.3表示

2.3进杯出杯输送平台

2.2.3奶茶杯盖的运输装置

4

奶茶杯盖的输送平台也同样使用传送带运输。如图2.4所示。

图2.4杯盖输送平台

2.2.4奶茶搅拌装置的组成

在制作奶茶的过程中，店员们往往需要进行搅拌让奶茶的各种物质进行混合

提升香气，目前奶茶店中所采取的搅拌方式多为手动搅拌或手持电动搅拌，这并

不适用用在全自动的奶茶机上。奶茶搅拌装置设置在送杯传送带的前半段上方,

该装置的原理通过气缸工作，气缸下安装一个小功率电机带动搅拌器，搅拌器通

过气缸下压至杯中，并启动小电机开始搅拌，搅拌结束后气缸收回，搅拌器退出

杯子，一个搅拌工步完成。

搅拌机由气缸、电机、搅拌器组成，如图2.5所示。

5

搅拌棒

图2.5搅拌器结构图

当奶茶杯抵达搅拌器下方，步进电机停止，包缸中通入0.5Mpa的空气让气缸

向下运动，气缸下的电机开始转动，并带动搅拌器对奶茶进行搅拌，电机转速很

小，，搅拌完成后气缸内空气放出，气缸杆向上运动，搅拌器收回，等待下一杯

奶茶进入工位。

2.2.5奶茶杯盖抓取装置

6

在进入奶茶压盖装置之前，需要一个装置来将奶茶杯盖放置于奶茶杯上方,

吸嘴

气缸

此处选用回旋夹紧气缸，加上吸嘴和吸盘构成此装置。如图2.6所示。

图2.6奶茶杯盖抓取装置

当奶茶杯进去指定位置时，气缸工作，通过吸盘将传动带上的奶茶杯盖吸附,

然后转动90将奶茶杯盖放置于奶茶杯上方。

2.2.6奶茶自动封盖装置的组成

奶茶自动封盖装置由气缸、杆件、缓冲弹簧、压力板、压块组成，气缸座位

气动技术的执行元件，被广泛应用于机械等领域，在这里，气缸给封盖机提供动

力，气缸带动杆件往下位移，将压力板向下压，弹簧的弹力带动压块压紧奶茶杯

盖，然后气缸收回，压块上移，一杯奶茶的封盖就完成了。如图2.7所示

气缸

压力板

□I

压块

7

图2.7奶茶自动封盖装置

第三章结构尺寸确定

3.1搅拌装置电机的选用

电机功率：P=FV3-1

根据转矩：T=FR3-2

推得：F=T/R3-3

线速度V=2兀Rn/60

=7iRn/303-4

将公式3-3、3-4代入公式3-1得:P=FV

=T/RxnRn/30

=nTn/303-5

P二功率单位W,T二转矩单位Nm,n=每分钟转速单位转/分钟

如果将P的单位换成KW,得

9549.297*P=T*n

智选30WAXH230K-A调速电机对其进行推导：

查表得扭矩T=1.8N.m

得F=T/R=1.8N.m/3mm=600N

由3-5得电机转速n=160转/分故选用该电机满足要求。

3.2搅拌装置气缸的选用

气缸上的负载：Fl=MG3-6

其中M为电机重量，M=5KG

故气缸推力最少为50N

气缸推力：F=PS

8

S=TIr3-7

其中P为气压，i•为气缸缸径。

公式3-7代入3-8得F产71P3-8

其中P=0.5MPa

故7：r2=1得r=0.6cm故气缸选缸径大于12

故选25气缸。查表选用气缸：SDA-25-130

3.3封盖装置气缸的选用

气缸上的负载:F2=MG

M为压力块的重量，M=1KG

故气缸推力最少为10N

气缸推力:F=PS

S=Kr

其中P为气压，r为气缸缸径。

Fm=7rr2p

其中P=0.5Mpa

故兀r1得r=0.5cm故气缸选缸径大于10

故选12气缸。查表选用气缸：SDA-12-30

9

第四章三维建模及装配

我所采用的建模软件为达索公司的solidworks2016。

常见的三维设计软件有CATIA、solidworks>PROE、、UGCAXA和3Dmax

等，其中前两者为法国的达索公司开发，CATIA主要用在航空航天及汽车整车

外形设计，其独到的算法可以利用很小的资源绘制出多变的曲面，而

SOLIDWORKS在机械设计领域运用较广，学习solidworks是每一位机械工程师

必备的技能之一，无论是实体建模、锁金制造、模具开发，solidworks都有一套

独特的算法，能够简单快捷地建立出机械模型。PROE在机械设计上也有较多运

用，算法精湛，特别是在机床加工领域，它可以快速建立出每一个走刀的工步,

十分强大。国外的三维软件发展进程及更新迭代非常迅速，国内的CAXA也是

一款有自主只是产权的国产三维软件，特别适合中国工程师的思维习惯。

在目前市面上的三维建模解决方案中，SolidWorks是比较简便而方便的三维

设计软件之一。因此，此次的建模也是基于solidworks2016,利用这个软件可以

前期先建立构型再进行细化，达到我们建立整个奶茶机的所有机械构型的根本目

的。

利用solidworks建立起来的三维模型，后利用工程图模块建立出二维图纸,

再导成DWG格式的AUTOCAD二维模型，在AUTOCAD2016里进行相关标注

和修改，达到从概念模型到实际运用加工的根本I的。

10

4.1奶茶杯与奶茶杯盖的建模

利用第二章中对奶茶杯及杯盖选型所得数据，用solidworks建立起的奶茶杯

和奶茶盖模型，如图4.142

图4.1奶茶杯模型

图4.2奶茶杯盖模型

4.2奶茶杯和奶茶杯盖传送带的建模

将建模好的杯子和盖子摆放在第二章所示的*送带上如图4.3所示。

11

图4.3奶茶杯勺杯盖的输送模型

4.4奶茶杯盖抓取装置建模

该装置选用的是回旋夹紧气缸，需要一个底座来对它进行固定如图4.4

图4.4回旋夹紧气缸底座

然后将图2.6放在该底座上便完成了奶茶杯盖抓取装置的建模如图4.5

12

图4.5奶茶杯盖抓取装置模型

4.4搅拌和封盖装置建模

搅拌装置和封盖装置是本次设计的重点。首先分别用三维软件建立气缸、电

机和杆件底座等三维模型，再对它们进行装配。如图4.6及图4.7

13

图4.6搅拌装置模型

图4.7封盖装置模型

14

4.4总装

将建立好的模型进行总装：将奶茶杯盖与杯子的传送带并排摆放，将搅拌装

置放置于传送带前端，封盖装置放于后端，奶茶杯盖抓取盖装置置于封盖装置前,

再插入螺母螺栓等紧固标准件，对不合理的结构尺寸进行相应调整，并做一些尺

寸上的修复，加入，最后整合进整体框架上，并将杯身和杯盖排列完整，完成整

体模型，如图4.8所示。

通过回旋夹紫气缸

将奶茶杵或放j奶

茶杯上方

图4.8总装模型图

15

第五章有限元分析

本设计所运用的有限元仿真软件为solidworks自带的仿真模块simulat沁n,有

限元最有名的要数ANSYS公司，ANSYS公司在中国的代理商为安世亚太，是

世界有限元仿真工业软件的领头羊。与ANSYS公司相比，ABAQUS也是一款

新进的有限元仿真软件，近年来也是拿下了很大一部分的有限元仿真市场份额。

ANSYS早年收购了很多领域的仿真软件公司，比如Fluenl和Ansoh,前者是流

体仿真界赫赫有名的公司，而后者是电磁电路仿真领域的知名品牌。通过兼并这

些大大小小的软件公司，ANSYS在声光电热等领域可以做到向上向下兼容的状

态，流体和固体仿真耦合计算等多场计算更是不在话下。在网格划分方面，

ANSYS开发了多种网格划分方法，可以用于结构静力动力分析、结构非线性分

析、动力学分析、热分析,、电磁场分析、流体分析、声场分析、压电分析H6L

实体建模有SPACECLAIM和DM这两款简易模型软件，用户也可以根据自己的

需求，导入其他三维软件建立的模型进行处理。ABAQUS可处理复杂的固体力

学、结构力学和高度模拟的非线性力学等力学问题。相较于其他有限元分析软件,

ABAQUS最大的特点是可以进行系统级别的分析。主要功能包括：静态应力分

析、位移响应分析、水下冲击分析、疲劳寿命分析等多种工业工况的分析，但其

至今未更新流体计算的模块，各模块间相互独立，联系性不强。

Solidworks的simulation模块在2009年上线，与solidworks实体建模模块无

缝对接，其前身为著名的FEA软件COSMOSWorks,拥有了这个模块，节省了

不同软件对接的模型处理时间，简单方便且界面友好，大大降低了有限元仿真的

门槛。

因此，就海内外市场而言，ANSYS是目前民用市场里运用最广泛的有限元

工业软件。但就便捷性而言，solidworks的simulation更胜一筹。

5.1有限元软件分析步骤

国内国外各有限元分析软件种类很多，令人眼花缭乱，操作界面及风格不尽

相同、语言不通、模拟运动的类型不同，但是处理分析的过程大同小异：

分析过程一般分为以下几个步骤：

1.导入模型：将模型导入，把装配体拆解成不同零件并定义零件的单元类型,

例如实体单元、杆单元、壳体单元或者板单元。

2.应用材料的选定：设定零件的材料属性，可直接在自带的材料库中选择。

3.定义约束：将模型中零件之间的不同组合方式，对自由度受限制的零件添

加相应的约束。

16

4.设定载荷：设定载荷的大小与方向，将作用在模型节点和单元上的外界载

荷添加到系统中。

5.生成网格：网格划分与计算精度息息相关，最能影响仿真分析结果的真实

性和精确性。对导入模型进行合理简化，处理不同区域的网格数量及网格属性,

达到最终想要的效果。

6.运行算例：得到整体或零部件的压力、变形、应力、应变和加速度等。

5.2压力板的有限分析

5.2.1压力板的模型建立

使用solidworks建立封盖装置中压力板的三维模型，压力板承受来自气缸的

压力，如果发生变形，会导致严重的后果，比如在封盖过程中会导致奶茶出、掉

落等问题。压力板如图5.1所示

图5.1压力板结构图

5.2.2应用材料的选取

建立好压力板的几何模型，打开simulation,将模型导入模块中，打开静应

力分析界面，首先进行应用材料的选取，进行材料设定，依照solidworks自带的

材料库，选用合金钢材料,其泊松比u=0.28,屈服强度o=620Mpa,密度p=7700

kg/m3o如图5.2所示。

17

通solidworksmatenalsA闻性表格和左线外观剖面送自定义应用程序救3S收聿

材片属性

H1023飒®阳尊认库0的村料无法翔8.您必须首天将材用复制到自定义库以进行编

§=201退火不四8($$)

?=4%铁基超台金颤联二二二人

?=AIS11010«3,次轧条材格位回SI.N/mA2(Pa)*

«=AISI1015ff?.冷拔(SS)类别心：钢

J=AIS11020

HAISI1020W.飙

fi±vonMiles

?EAISI1035网ISS)

|=AISI1045S?.冷饭蜩Q：|

［三AISI304^S0((O):

?=A6I316退火不铸钢条网

狂AI5IXG不侨两板(55)

HAISI321退火不锈钢(SS)

HAISI347ifi火不锈钢(SS)

HAISM13OS9.退火温度为865c

§三AISI4130网.正火温度为870c

HAISI4340ffj.

HAISI4340跌

f=AISI类型3161不楮的

HA0类型A2刀具钢

e合全蜗

:二V

图5.2压力板材料选取

5.2.3添加夹具

下一步就是对•压力板添加夹具，在静态分析时对算例模型添加合理约束使其无法

移动。选择Simulation下的载荷一夹具，系统弹出夹具对话框，选择夹具类型为

固定几何体，然后选择压力板模型需要固定的面。如图5.3所示

图5.3添加夹具

5.2.4设定载荷

在Simulation菜单选项下选择载荷。在弹出的力/扭矩对话框中选择力。分

析支架受力情况，主要的在载荷面为压力板的上方。因此选择该面为载荷面并对

其赋予力的参数，输入力的大小为100N,点击确定按钮完成对压力板的载荷添

18

加。如图54所示。

图5.4设定载荷

F例………ws

5.556所示

图5.5生成网格

19

*X

算例名称______________静应力分析1国认•)

网格类型实体网格

所用网格器标准网格

自幼过渡关闭

包后网格自动环关闭

雅可比点4点

单元大小5.61178mm

公差0.280589rrm

网格品质高

节总数14568

单元总数8719

最大高宽比例12.428

图5.6网格质量检查结果

5.2.6运行算例及分析

点击运行算例后，系统便自行计算得出结果，应力仿真结果如图5Z7-5.8所示

例。可以看出最大应力为0.82MPa,远小于材料的屈服极限620MPa。

vonMue$(N/my

8,224s85

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■.68541005

.6.169e*005

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4S00e*00S

4.11Se*005

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1.376e*OO5

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6ABe>00?

—*ISS历62tMe.308

图5.7应力计算结果

20

URES(mm)

124失84

M114Se-CO4

M.1XM1e-OCM

.9.366c-005

8.325e-OO5

7.285C0O5

6.244e-OO5

5.2O3e-OO5

4l63e-0O5

3.122e-OO5

2Q610.85

1.041e-005

1XXXHO3O

图5.8变形计算结果

由计算数据显示压力板的最大变形量为0.000124mm,变形量非常小因此可

以忽略不。压力板的变形量依然在安全范围内。结果分析■：压力板的受到的最大

应力在材料的许用应力范围内，几乎没有出现应力变形。因此压力板的设计符合

强度要求。