金榮通，馬佳彬，李豐伸，錢 懿

（湖州師范學(xué)院求真學(xué)院，浙江 湖州 313000）

雨傘是人們生活的必需品，而濕雨傘一直以來都是人們煩惱的問題。每到下雨天，濕漉漉的雨傘被帶進(jìn)圖書館、商場(chǎng)、學(xué)校等一些公共場(chǎng)所，傘布上積累的水珠落在地板上，會(huì)造成地面積水，容易打滑，這樣便會(huì)嚴(yán)重威脅到老人、小孩的安全。而這個(gè)問題不可避免地增加了清潔工人的工作強(qiáng)度，而且影響了環(huán)境整潔度。出于多方面考慮，一種能使雨傘在短時(shí)間內(nèi)脫水的設(shè)備就有待研究設(shè)計(jì)。

1 雨傘脫水設(shè)備的研究現(xiàn)狀

在現(xiàn)有技術(shù)中，也出現(xiàn)了利用離心力來實(shí)現(xiàn)雨傘脫水的裝置，比如CN 103196283 A所公開的一種雨傘脫水機(jī)，是通過把濕的雨傘倒在輻條型的內(nèi)桶里，再使用電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)桶做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使雨傘產(chǎn)生離心力，從而實(shí)現(xiàn)雨傘的脫水。這種脫水機(jī)的缺點(diǎn)在于，由于雨傘處于收攏狀態(tài)，傘布有折疊夾層，如果完全依靠電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，雨傘上的水珠不易被甩開，這樣就會(huì)導(dǎo)致脫水的效果差，效率低；收攏時(shí)的雨傘骨架松散，而內(nèi)筒的轉(zhuǎn)速需要達(dá)到800～1000 r/min，這般高速的轉(zhuǎn)動(dòng)難免造成雨傘的使用壽命下降，得不償失。

2 雨傘脫水機(jī)總體設(shè)計(jì)

市面上雨傘的種類很多，每種類型的傘折攏后有水傘面的位置不盡相同，直傘和折疊傘的收攏形狀也不同。這些多樣化的雨傘給雨傘快速脫水裝置的研究造成一定的困難。但是不管是什么類型的雨傘，都有一個(gè)共同的形狀。當(dāng)雨傘撐開時(shí)，雨傘傘面弧形鋪開，且傘骨都被傘布穩(wěn)穩(wěn)地固定，這種形狀的雨傘更容易去除水滴。本文由此入手開始設(shè)計(jì)雨傘脫水裝置。傘柄定心夾持機(jī)構(gòu)夾持雨傘傘柄并定位雨傘，之后傘柄摩擦驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的3個(gè)摩擦輪接觸傘柄，通過摩擦力帶動(dòng)雨傘旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)的過程中，通過吸水腔內(nèi)的吸水海綿吸走傘面絕大多數(shù)水分。

2.1 傘柄定心夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在查閱大量現(xiàn)有的夾持機(jī)構(gòu)資料后，本文利用雙向絲桿的對(duì)稱特性，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，2個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)件隨著絲桿螺母快速靠近或遠(yuǎn)離，優(yōu)點(diǎn)在于能滿足定心的要求。

絲桿分為滾珠絲桿和梯形絲桿2種，在本機(jī)構(gòu)中，夾持機(jī)構(gòu)扮演著使傘柄中心歸中水平的角色，不需要多次定位，且滾珠絲桿不能自鎖，所以最后選擇價(jià)格低廉、能夠自鎖的梯形絲桿。將絲桿兩端固定并配合直線導(dǎo)軌約束絲桿螺母的圓周運(yùn)動(dòng)，將直線導(dǎo)軌安裝在絲桿側(cè)面，且與傘柄中心兩側(cè)對(duì)稱。直線導(dǎo)軌與梯形絲桿法蘭螺母之間用一個(gè)鈑金件連接，該鈑金件也起著接觸傘柄的作用。為了讓傘柄能正好進(jìn)入該機(jī)構(gòu)可以夾持的區(qū)域，特意在安裝板上挖出一個(gè)導(dǎo)引槽，只需將雨傘傘柄放入導(dǎo)引槽，傘柄就會(huì)進(jìn)入夾持區(qū)。

傘柄定心夾持機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 主動(dòng)摩擦輪的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

主動(dòng)摩擦輪內(nèi)孔為六角孔，其軸為六角棒并在兩端車圓放置軸承。在軸端一側(cè)有同步帶輪，連接放置在主動(dòng)摩擦輪安裝板上的直流電機(jī)。如果直流電機(jī)被固定在安裝板上，當(dāng)摩擦輪移動(dòng)時(shí)，將會(huì)改變摩擦輪軸與電機(jī)軸之間的距離，使同步帶傳動(dòng)不可靠。為了解決這個(gè)問題，提出2個(gè)方案：①將電機(jī)安裝在摩擦輪支架上，讓電機(jī)跟隨摩擦輪移動(dòng)。該方案的缺點(diǎn)在于所用電機(jī)尺寸相對(duì)于摩擦輪過大，這種安裝結(jié)構(gòu)所需空間較大。②在電機(jī)安裝支架和摩擦輪支架上，以兩軸中心線之間的直線為邊，設(shè)計(jì)平行四邊形結(jié)構(gòu)。這一方案一方面解決了機(jī)構(gòu)體積問題，使空間得到充分利用；另一方面減輕了絲桿螺母升降機(jī)構(gòu)的質(zhì)量負(fù)擔(dān)。因此在電機(jī)安裝支架和摩擦輪支架上設(shè)置了球頭連桿。隨著運(yùn)行時(shí)間越來越長(zhǎng)，同步帶輪會(huì)產(chǎn)生磨損，因此需在球頭連桿上設(shè)置螺紋，可改變球頭連桿的長(zhǎng)度，張緊同步帶。

主動(dòng)摩擦輪機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

經(jīng)測(cè)量，使傘柄啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其截面圓周上的切向力Fτ大約為15 N，摩擦輪的半徑r＝23 mm。由轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式得T＝345 N/mm，需選用小型但功率足夠的減速直流電機(jī)。

2.3 傘面吸水擦拭腔概述

如圖4所示，傘面吸水擦拭腔主要由擋水圈、弧形海綿支座組成。低速旋轉(zhuǎn)的雨傘轉(zhuǎn)速為100 r/min，在極短的時(shí)間內(nèi)即可轉(zhuǎn)完一周，與傘面接觸的海綿將會(huì)在旋轉(zhuǎn)的過程中擦走水分，擋水圈可以防止水滴向外濺射，并搜集海綿中滴下的水分，使其經(jīng)過導(dǎo)水槽被引入下水道。

2.4 控制方案設(shè)計(jì)及說明

控制方面，使用性能優(yōu)良的STC12C5A60S2單片機(jī)，其高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn)有助于提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。系統(tǒng)控制流程如下：①庸光電開關(guān)檢測(cè)裝置中軸線是否有雨傘，如果有雨傘，進(jìn)行下一步，沒有雨傘，則一直等待，等待過程中亮綠燈，表示裝置處于空閑狀態(tài)；②雨傘放入機(jī)器中，光電開關(guān)檢測(cè)到雨傘，此時(shí)綠燈滅，紅燈亮，夾持步進(jìn)電機(jī)4號(hào)和5號(hào)同時(shí)正轉(zhuǎn)，夾緊機(jī)構(gòu)向中軸線運(yùn)動(dòng)；③接近開關(guān)接近到傘柄，步進(jìn)電機(jī)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；④隨后，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)同時(shí)正轉(zhuǎn)，摩擦輪向傘柄運(yùn)動(dòng)，等待光電開關(guān)響應(yīng)；⑤待光電開關(guān)現(xiàn)響應(yīng)后，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)全部停止；⑥全速啟動(dòng)直流電機(jī)，延時(shí)1 s后半速轉(zhuǎn)動(dòng)直流電機(jī)；⑦等待20 s，待雨傘干凈；⑧直流電機(jī)停止工作；⑨5個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)反轉(zhuǎn)，等待機(jī)構(gòu)碰到固定的限位開關(guān)，5個(gè)步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立停止。⑩紅燈滅，綠燈亮，等待進(jìn)入下一次循環(huán)。

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要包括傘柄自動(dòng)定心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、主動(dòng)摩擦輪的設(shè)計(jì)、從動(dòng)摩擦輪的設(shè)計(jì)、擦拭腔的設(shè)計(jì)、電氣電路設(shè)計(jì)和程序編寫。雨傘的質(zhì)量很輕，裝置的實(shí)際工作載荷較小，按理論經(jīng)驗(yàn)，這些部件是擁有足夠壽命的，在此不再贅述。

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