陳水宣， 丁宏， 李文望， 姜勇劍

(廈門(mén)理工學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361024)

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多方位智能跟蹤花灑淋浴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳水宣， 丁宏， 李文望， 姜勇劍

(廈門(mén)理工學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361024)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)固定式花灑淋浴操作不靈活、淋浴不方便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套可在墻面任意位置移動(dòng)、固定，能翻轉(zhuǎn)角度的多方位智能手勢(shì)跟蹤淋浴系統(tǒng).該系統(tǒng)采用低電壓直流電動(dòng)機(jī)、同步帶、同步帶輪、導(dǎo)軌及滑塊等實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的移動(dòng)，通過(guò)花灑座上的光電傳感器及內(nèi)部PLC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制2個(gè)電機(jī)，同步帶輪帶動(dòng)同步帶，實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)；通過(guò)控制微型減速電機(jī)控制花灑的上下擺動(dòng)，通過(guò)設(shè)置磁鐵組合，同步移動(dòng)墻體內(nèi)部移動(dòng)座和外部花灑座.研究表明：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三自由度花灑控制，可滿(mǎn)足輕松、便捷、靈活的現(xiàn)代淋浴需要.

關(guān)鍵詞：淋浴系統(tǒng)； 花灑； 智能跟蹤； 三自由度； 可編程邏輯控制

隨著人們的生活水平不斷提高，智能化的產(chǎn)品逐漸取代以往的老式產(chǎn)品，如恒溫水龍頭、智能溫控?zé)崴鞯萚1-6].衛(wèi)浴產(chǎn)品是人們生活中不可或缺的一部分，因其應(yīng)用廣泛，便利、舒適,一直是人們關(guān)注的話(huà)題.在衛(wèi)浴產(chǎn)品中，花灑淋浴可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單便捷的方式.通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的花灑設(shè)計(jì)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有花灑一般為固定式，即通過(guò)花灑座固定在前面的某一位置或者直接固定在天花板，雖然淋浴時(shí)可以將花灑取下，但使用時(shí)需用手持，相同用水量下,置頂式的淋浴范圍更為局限.針對(duì)傳統(tǒng)固定式花灑淋浴存在的操作死板、淋浴不便的問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)一種可在墻面上任意位置移動(dòng)和停留的新型多方位智能淋浴系統(tǒng).

1花灑淋浴系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了在淋浴過(guò)程中徹底解放雙手，需要設(shè)計(jì)的花灑及執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠在墻面上任意位置移動(dòng)和停留，從而實(shí)現(xiàn)多方位智能淋浴.花灑淋浴系統(tǒng)的總體方案模型，如圖1所示.執(zhí)行系統(tǒng)機(jī)構(gòu)利用平面內(nèi)兩垂直方向上的低電壓電動(dòng)機(jī)、同步帶、同步帶輪，以及導(dǎo)軌、滑塊實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的移動(dòng)，并通過(guò)花灑座上的光電傳感器及內(nèi)部PLC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)同步帶的兩軸聯(lián)動(dòng)，通過(guò)設(shè)置磁鐵組合，實(shí)現(xiàn)墻體內(nèi)部移動(dòng)座和外部花灑座的同步移動(dòng)[7].

圖1　整體方案模型Fig.1　Model of overall scheme

此外，花灑設(shè)計(jì)的角度為0°～90°可調(diào)；為適應(yīng)不同身高的用戶(hù)使用，X，Y軸平面可移動(dòng)行程均為1 000 mm.智能花灑系統(tǒng)整機(jī)功率小于200 W，厚度小于100 mm，總質(zhì)量小于50 kg，方便用戶(hù)裝配或者在原有家居基礎(chǔ)上進(jìn)行改造.

該方案主要有如下4點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：1) 采用電機(jī)帶動(dòng)同步帶實(shí)現(xiàn)X，Y兩軸位置聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、成本低廉；2) 采用磁鐵實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)花灑與X，Y聯(lián)動(dòng)平臺(tái)的無(wú)接觸控制，無(wú)需破壞墻面；3) 采用非接觸傳感器進(jìn)行花灑的三自由度控制，操作方便、便捷；4) 運(yùn)行控制器編程靈活，方便根據(jù)用戶(hù)不同的具體要求進(jìn)行改進(jìn).

2各部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　兩軸聯(lián)動(dòng)的穩(wěn)定控制

花灑背面的軌道控制，如圖2所示.由圖2可知：通過(guò)兩垂直方向上安裝的電機(jī)帶動(dòng)同步帶，實(shí)現(xiàn)水平豎直方向上的移動(dòng)，即電機(jī)1、同步帶1控制豎直方向移動(dòng)，電機(jī)2、同步帶2控制水平方向移動(dòng).為提高機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用了雙滑塊的固定方式.

圖2　花灑背面的軌道控制Fig.2　Orbit control of the shower back

2.2　花灑座的控制移動(dòng)

花灑座的控制設(shè)計(jì)，如圖3所示.圖3中：1為花灑;2為花灑座;3為上下擺光電傳感器；4為左右移動(dòng)光電傳感器；5為上下移動(dòng)光電傳感器.在花灑座盒中設(shè)置4個(gè)光電傳感器，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)方向的移動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)4個(gè)方向上的信號(hào)拾取.

圖3　花灑盒控制設(shè)計(jì)Fig.3　Design of sprinkler box control

花灑盒右部為移動(dòng)傳感器組.其工作原理是，當(dāng)某一方向上的光電傳感器受到遮擋，傳感器將信號(hào)傳給PLC系統(tǒng).此時(shí)，通過(guò)PLC系統(tǒng)的信號(hào)處理，觸發(fā)相應(yīng)方向的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，直至手部離開(kāi)監(jiān)測(cè)范圍，信號(hào)斷開(kāi)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)花灑座位置的移動(dòng).此外，在4個(gè)方向上都安裝有微動(dòng)開(kāi)關(guān)，作為行程極限位置限位，防止過(guò)行程動(dòng)作，提高機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性.

花灑盒左部為擺動(dòng)傳感器組.其工作原理是，當(dāng)遮擋上部時(shí)，傳感器拾取信號(hào)，花灑座內(nèi)部電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)減速箱帶動(dòng)花灑座軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使花灑出水端角度抬升；而當(dāng)遮擋下部時(shí)花灑出水端角度降低，實(shí)現(xiàn)花灑淋浴角度的改變.同時(shí)，在上下兩個(gè)擺角極限位置也裝有微動(dòng)開(kāi)關(guān)，起到限位作用.

2.3　墻體內(nèi)部滑塊和墻體外部花灑座的同步移動(dòng)

為防止機(jī)構(gòu)受到淋浴水的腐蝕及室內(nèi)裝修的美觀，將電機(jī)、同步帶、移動(dòng)座和花灑座隔開(kāi).此時(shí)，隔開(kāi)后兩部分的同步運(yùn)動(dòng)成了設(shè)計(jì)難題.在比較幾種已知方案后，選取利用磁鐵吸合的方法解決該難題.通過(guò)內(nèi)外一一對(duì)應(yīng)的磁鐵組，完成墻體內(nèi)部移動(dòng)座和墻體外部花灑座的同步移動(dòng).

2.4　花灑可調(diào)式擺角的設(shè)定

設(shè)定花灑轉(zhuǎn)動(dòng)速度n=5 r·min-1，考慮花灑帶水工作及擺角變化引起的重心變化，花灑軸轉(zhuǎn)動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩T=1 N·m.控制電機(jī)要求：體積小，扭矩大，工作電壓3～24 V，經(jīng)濟(jì)性好.經(jīng)查閱，初步選用ALONG 12AN20型微型減速電機(jī).由于電源均采用12，24 V控制，因此選用12 V系列的減速電機(jī)，其轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于花灑實(shí)際所需轉(zhuǎn)速，所以必須設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu).

考慮加工成本及加工難度，最終采用直齒輪二級(jí)減速，購(gòu)買(mǎi)塑料小齒輪，模數(shù)為0.5，一級(jí)減速傳動(dòng)比n1為3，二級(jí)減速傳動(dòng)比n2為6，所需電機(jī)轉(zhuǎn)速n電=n·n1·n2=5×3×6=90 r·min-1.經(jīng)查產(chǎn)品系列參數(shù)，采用最接近值，即選用額定電壓為12 V， 轉(zhuǎn)速為87 r·min-1的減速電機(jī).減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為2 N·m，已滿(mǎn)足工作轉(zhuǎn)矩要求，加上減速機(jī)構(gòu)后，最終輸出轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于工作所需轉(zhuǎn)矩[8].考慮該電機(jī)價(jià)格便宜，易于采購(gòu)，參數(shù)優(yōu)于其他電機(jī)，且過(guò)大轉(zhuǎn)矩對(duì)機(jī)構(gòu)影響不大，且能提高轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性，最終輸出轉(zhuǎn)矩太大的缺點(diǎn)可以忽略.

2.5　墻體內(nèi)外的始終吸合

為保證墻面不夠光滑平整時(shí)花灑移動(dòng)的平順性，墻體內(nèi)部移動(dòng)座和外部花灑座通過(guò)磁鐵始終吸合使其不掉落，其結(jié)構(gòu)如圖2中圓圈所示.設(shè)置調(diào)整機(jī)構(gòu)提高墻體內(nèi)部移動(dòng)座的自由度，當(dāng)墻面平整度不同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)墻體內(nèi)部移動(dòng)座上合頁(yè)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，保證墻體內(nèi)部的移動(dòng)座跟外面的花灑座始終吸合.

3PLC控制器的設(shè)計(jì)

考慮到PLC的穩(wěn)定性，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短，編程簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，所以選用PLC作為本設(shè)計(jì)的運(yùn)行控制器[9].PLC各I/O口的配置說(shuō)明，如表1所示.利用PLC輸入端口接收光電傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，然后以?huà)呙璧墓ぷ鞣绞桨呀邮盏降男盘?hào)傳輸?shù)絇LC內(nèi)部程序運(yùn)行，通過(guò)事先設(shè)計(jì)好的程序控制輸出端口，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)傳感器的信號(hào)控制外部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作.

表1　I/O口輸入和輸出點(diǎn)的配置說(shuō)明

程序中共用到6個(gè)光電傳感器，分別控制花灑盒的上、下、左、右，以及花灑座的上、下運(yùn)動(dòng)[10].為了實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)功能，6個(gè)傳感器采用并聯(lián)的編程方法，從而達(dá)到可以自由控制花灑盒的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自由淋浴的目的.為了保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，程序中每?jī)蓚€(gè)相反方向(如上，下)的回路中采用互鎖控制和限位開(kāi)關(guān)，以達(dá)到保護(hù)機(jī)構(gòu)的安全和智能控制的目的.

此外，為了使整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行系統(tǒng)更直觀和智能化，程序中編有極限位置的指示燈和報(bào)警器.當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，指示燈和報(bào)警燈會(huì)及時(shí)響應(yīng)報(bào)警.根據(jù)本系統(tǒng)的控制需要，采用三菱板式系列PLC，經(jīng)濟(jì)實(shí)用[11-14].PLC控制器的硬件接線(xiàn)圖和電氣接線(xiàn)圖，分別如圖4，5所示.

圖4　硬件接線(xiàn)圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5　電氣接線(xiàn)圖Fig.4　Hardware connection diagram　　　　　　　　　　Fig.5　Diagram of electrical wiring

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)固定式花灑淋浴存在的操作死板、淋浴不便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種可在墻面上任意位置移動(dòng)和停留新型的多方位智能淋浴系統(tǒng).該淋浴系統(tǒng)可在墻面任意位置移動(dòng)、固定并且翻轉(zhuǎn)角度，使得淋浴系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了沐浴的效率，很大程度上減少了水資源的浪費(fèi).與此同時(shí)，該淋浴系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)隱藏在墻面背后，整體安裝效果美觀.此外，PLC控制沐浴系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化保證了花灑的可靠和穩(wěn)定，將智能化技術(shù)落實(shí)到日常生活中，為人們生活帶來(lái)便利.

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(責(zé)任編輯： 黃曉楠英文審校： 楊建紅)

Design of Multi-Azimuth Intelligent Tracking Shower System

CHEN Shuixuan， DING Hong， LI Wenwang， JIANG Yongjian

(School of Mechanical and Automotive Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， China)

Abstract：Aiming at the problem that the operation of the traditional fixed sprinkler is not flexible， the shower is not convenient, design a set of multi-azimuth intelligent gesture tracking shower system that can move, fixed and flip angle anywhere on the wall. The system adopts low-voltage DC motor， timing belts， timing belt pulleys， rails and sliders and the others to achieve plane mobile. Through coordination of shower seat on the photoelectric sensors and internal programmable logic control (PLC) system to control two motors， synchronous pulley drives synchronous belt to achieve two linked. By controlling the micro gear motor to control the bobbing shower. By setting the magnet assembly， wall inside the movable block and external shower seat are moved synchronously. Research shows, the system realizes the sprinkler control of three degrees of freedom， which can meet the modern shower needs of easy, convenient and flexible.

Keywords：shower system； sprinkler； intelligent tracking； three degrees of freedom； programmable logic control

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205336)； 福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012H0041， 2013H0050)； 福建省廈門(mén)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20143033)

通信作者：李文望(1966-)，男，教授，博士，主要從事機(jī)械CAD/CAM、微納制造技術(shù)的研究.E-mail:xmlww@xmut.edu.cn.

收稿日期：2015-11-06

中圖分類(lèi)號(hào)：TH 137

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0017

文章編號(hào)：1000-5013(2016)01-0017-04