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        基于齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)疊衣裝置研究

        2021-02-22 06:47:26高淑芬劉藝李俊付培軍趙鵬
        機(jī)電信息 2021年5期

        高淑芬 劉藝 李俊 付培軍 趙鵬

        摘要:隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們的生活節(jié)奏也在加快,用于做家務(wù)的時(shí)間少之又少?;跍p少人們整理衣服時(shí)間這一需求,設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)疊衣裝置,其能迅速整理、放置衣服。同時(shí),以設(shè)計(jì)自動(dòng)疊衣裝置的過(guò)程為例,結(jié)合第九屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的要求,引出基于齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)疊衣裝置的優(yōu)化與實(shí)踐研究。

        關(guān)鍵詞:自動(dòng)疊衣;齒輪齒條;惰輪

        0 引言

        隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們的生活壓力也越來(lái)越大,尤其是忙碌的上班族,他們用于做家務(wù)的時(shí)間很少。市場(chǎng)上雖然已經(jīng)出現(xiàn)了新型疊衣機(jī),但沒(méi)有得到大面積推廣,其總體上還存在一定的缺陷和局限性,不能滿足人們的需求。因此,自動(dòng)疊衣裝置存在著巨大的市場(chǎng)空間,需要有更好的設(shè)計(jì)來(lái)滿足人們的需求。

        1 方案設(shè)計(jì)

        通過(guò)對(duì)自動(dòng)疊衣裝置的功能分析可知,該裝置衣物需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換以及順利實(shí)現(xiàn)緩沖作用。為了設(shè)計(jì)方便,先對(duì)本裝置進(jìn)行劃分進(jìn)而開(kāi)展模塊化設(shè)計(jì)。為了得到令人滿意的方案,本設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊,尋求多種可行的方案和構(gòu)思。

        在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素,同時(shí)盡量避免直接決策,減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素,使得所選擇的方案能夠綜合最優(yōu),以便最終加工制作成自動(dòng)疊衣裝置。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        根據(jù)自動(dòng)疊衣裝置所要完成的功能,其可劃分為5個(gè)部分:底座、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、惰輪機(jī)構(gòu)。

        2.1? ? 底座

        該裝置底座不用承受很大的力,精度要求低。同時(shí),考慮到重量、加工和成本等因素,該裝置采用矩形底座。

        2.2? ? 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

        該裝置動(dòng)力機(jī)構(gòu)的作用是將主動(dòng)齒輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為齒條的機(jī)械能。給定一個(gè)適合的初始力F,為了避免齒條在移動(dòng)過(guò)程中速度過(guò)大或過(guò)小造成翻板轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,應(yīng)使齒條保持加速度為零的勻速運(yùn)動(dòng)。

        選用主動(dòng)齒輪的模數(shù)m=2,齒數(shù)z=20,壓力角取標(biāo)準(zhǔn)值α=20°,齒頂高系數(shù)ha*=1,頂隙系數(shù)c*=0.25,由公式齒頂高h(yuǎn)a=ha*m,齒根高h(yuǎn)f=(ha*+c*)m,可以推出:

        分度圓直徑:d=mz=40 mm(1)

        齒頂圓直徑:da=d+2ha=44 mm(2)

        齒根圓直徑:df=d-2hf=35 mm(3)

        翻板在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中保持速度稍大,防止衣物的自重使衣物的袖口滑落側(cè)板,造成疊衣失敗或者衣物卡住的情況。由于不同的軌道對(duì)齒條的摩擦不一樣,因此挑選相同粗糙度的軌道可使齒條能平滑地在軌道上滑動(dòng)。

        2.3? ? 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

        傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到碳纖維板上,使衣物疊在指定的位置。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是自動(dòng)疊衣裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位,直接決定著整個(gè)機(jī)構(gòu)的實(shí)用性。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須具備傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕等特點(diǎn)。

        選用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)使翻板轉(zhuǎn)動(dòng)的方式具有傳動(dòng)比穩(wěn)定、傳動(dòng)效率高、工作可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),在不考慮其他條件時(shí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)是最優(yōu)的方式。齒輪齒條傳動(dòng)既省力,又可以改變力的方向,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

        由齒輪齒條正確嚙合條件可知,齒條的模數(shù)m=2;根據(jù)底座的高度選取齒條的長(zhǎng)度和寬度均為20 mm。

        采用齒輪齒條配合是為了使齒條移動(dòng)時(shí)能同時(shí)控制兩邊纖維板的轉(zhuǎn)動(dòng),極大地提高轉(zhuǎn)動(dòng)精度及效率。

        從動(dòng)齒輪選取相同的模數(shù)m=2,齒數(shù)z=20,壓力角α=20°,齒頂高系數(shù)1,頂隙系數(shù)0.25,其分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑都可以根據(jù)上文所述公式計(jì)算出來(lái),從而選取適合的齒條和從動(dòng)齒輪。

        2.4? ? 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

        旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)特定設(shè)計(jì)的鉸鏈來(lái)完成旋轉(zhuǎn)。翻板與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),為了減少零部件之間的摩擦,選用合適的軸承和軸承座。同時(shí)確定軸承座的位置,避免相互干涉。

        該機(jī)構(gòu)要求翻板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性,能夠穩(wěn)定完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

        2.5? ? 惰輪機(jī)構(gòu)

        惰輪機(jī)構(gòu)作為該裝置的一種安全、高效機(jī)構(gòu),能有效使衣領(lǐng)翻板在規(guī)定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度。惰輪用于控制衣領(lǐng)翻板的轉(zhuǎn)動(dòng)以及角度。惰輪機(jī)構(gòu)的性能要求:精度要求高,使用過(guò)程中要承載巨大的載荷,且需要耐腐蝕。惰輪每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為旋轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)角的大小可利用編程程序設(shè)定,從而控制翻板的角度和速度。

        2.6? ? 實(shí)現(xiàn)方式

        如圖1所示,自動(dòng)疊衣裝置包括:1基座、2基板、3第一翻板、4第二翻板、驅(qū)動(dòng)件和6衣領(lǐng)翻板,其中驅(qū)動(dòng)件包括5.1電機(jī)、5.2主動(dòng)齒輪、5.3從動(dòng)齒輪和齒條。

        (1)基座:優(yōu)選采用金屬材料,需將其固定于平整的連接面上,以便于折疊衣物??紤]到重量問(wèn)題,也可選用木材。

        (2)基板:基板的上表面應(yīng)保持平整,同時(shí)為了減輕基板的重量,在基板上開(kāi)設(shè)有多個(gè)減重孔。

        (3)第一翻板:其可轉(zhuǎn)動(dòng)式安裝于基板的一側(cè)面邊沿。第一翻板與第一樞軸配合,加上軸承與軸承座固定軸的位置,第一樞軸可轉(zhuǎn)動(dòng)式安裝于基板上,翻轉(zhuǎn)第一翻板可使鋪設(shè)于翻板上的衣物一側(cè)部分折向基板。

        (4)第二翻板:其可轉(zhuǎn)動(dòng)式安裝于基板與第一翻板相對(duì)的一側(cè)面邊沿,與第一翻板相似,翻轉(zhuǎn)第二翻板可使鋪設(shè)于第二翻板上的衣物一側(cè)部分折向基板上。需要注意的是,與基板相類似,第一翻板和第二翻板上均開(kāi)設(shè)有多個(gè)減重孔。

        (5)驅(qū)動(dòng)件:包括電機(jī)、齒條、主動(dòng)齒輪和兩個(gè)從動(dòng)齒輪。

        兩個(gè)從動(dòng)齒輪的輸出端分別連接第一翻板和第二翻板,以驅(qū)動(dòng)第一翻板和第二翻板翻轉(zhuǎn)。在自動(dòng)疊衣裝置中,第一從動(dòng)齒輪套設(shè)于第一翻板的第一樞軸上,第二從動(dòng)齒輪套設(shè)于第二翻板的第二樞軸上,主動(dòng)齒輪設(shè)置于第一從動(dòng)齒輪和第二從動(dòng)齒輪之間,且主動(dòng)齒輪套設(shè)于電機(jī)的輸出端,齒條分別與第一從動(dòng)齒輪、第二從動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪嚙合。對(duì)于驅(qū)動(dòng)件的設(shè)置必須要驅(qū)動(dòng)第一翻板和第二翻板先后翻轉(zhuǎn),因此要求齒條長(zhǎng)度L大于第一從動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪的中心距a1,大于第二從動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪的中心距a2,且齒條長(zhǎng)度小于第一從動(dòng)齒輪和第二從動(dòng)齒輪的中心距a3,即L>a1,L>a2,L

        齒條:基座上開(kāi)設(shè)有導(dǎo)槽,齒條滑動(dòng)范圍小于設(shè)置的導(dǎo)槽總長(zhǎng)度。

        (6)衣領(lǐng)翻板:設(shè)置于第一翻板和第二翻板之間。衣領(lǐng)翻板由惰輪控制,并安裝于基板邊緣。

        總之,自動(dòng)疊衣裝置的實(shí)現(xiàn)方式是將基座固定于可靠的連接面,基板安裝于基座之上,第一翻板和第二翻板分別可轉(zhuǎn)動(dòng)式安裝于基板相對(duì)的兩個(gè)邊沿上,衣領(lǐng)翻板安裝于基板另一邊緣。在實(shí)際使用過(guò)程中,需要將衣物鋪設(shè)于基板、第一翻板、第二翻板和衣領(lǐng)翻板之上,而后利用驅(qū)動(dòng)件分別驅(qū)動(dòng)第一翻板和第二翻板轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)第一翻板則會(huì)將鋪設(shè)于第一翻板上的衣物折向基板,相應(yīng)地,轉(zhuǎn)動(dòng)第二翻板則會(huì)將鋪設(shè)于第二翻板上的衣物折向基板,轉(zhuǎn)動(dòng)衣領(lǐng)翻板會(huì)將鋪設(shè)于衣領(lǐng)翻板上的衣物折向基板,從而完成衣物的折疊,減少折疊衣物所耗費(fèi)的人力。

        2.7? ? 斷電保護(hù)設(shè)計(jì)

        通過(guò)所述主控板的電機(jī)接收繼電器信號(hào),家用電220 V通過(guò)電源模塊可輸出供給步進(jìn)電機(jī)使用的12 V和主控板使用的3 V穩(wěn)定直流電壓。

        在家里正常供電的情況下,繼電器輸入高電壓,程序正常運(yùn)行;當(dāng)家里斷電后,繼電器輸入低電壓,此時(shí)供電為備用電源,程序進(jìn)入復(fù)位狀態(tài),程序退出,如圖2所示。

        3 結(jié)語(yǔ)

        為了解決上班族做家務(wù)時(shí)間少的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)疊衣裝置,其在通電狀態(tài)下能迅速整理、放置衣服。該裝置采用了方案設(shè)計(jì)—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)—保護(hù)設(shè)計(jì)—反饋修改的項(xiàng)目式設(shè)計(jì)方法,為之后裝置的優(yōu)化與改進(jìn)提供了思路,本文重點(diǎn)介紹了其中的方案設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

        設(shè)計(jì)初期在確定結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)比、減少摩擦的情況下,為了減輕裝置的重量以及實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化,不但要考慮加工的難易程度,還要考慮經(jīng)費(fèi)、效能等問(wèn)題。在不斷完善的過(guò)程中,團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題,學(xué)會(huì)了如何從工程設(shè)計(jì)的角度去看待問(wèn)題,意識(shí)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性,不僅在加工階段激發(fā)自己的興趣和積極性,而且在調(diào)試階段讓團(tuán)隊(duì)看到此項(xiàng)目的可操作性,激發(fā)他們的主動(dòng)性,從而培養(yǎng)個(gè)人的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

        [參考文獻(xiàn)]

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        收稿日期:2020-12-21

        作者簡(jiǎn)介:高淑芬(1989—),女,山東濱州人,實(shí)驗(yàn)師,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械控制等。

        劉藝(1999—),男,湖北十堰人,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

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