杜 爽,周洪艷,謝昭旭

(長春師范大學(xué) 工程學(xué)院,吉林 長春 130032)

0 引 言

現(xiàn)如今,隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提升,使得智能衣柜的需求越來越大[1]。對(duì)于衣物的存儲(chǔ),目前衣柜普遍采用折疊式和吊掛式,而對(duì)于高處衣格區(qū)一般設(shè)計(jì)成折疊式存儲(chǔ),黃金尺寸高度為350～500 mm,對(duì)于低處衣格區(qū)設(shè)計(jì)成吊掛式,黃金尺寸高度為1 400～1 700 mm。根據(jù)現(xiàn)代衣物材質(zhì)特點(diǎn),西裝、大衣、褲子等大部分衣物適于掛起。另外,高處衣物取放不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,尤其對(duì)于老人和孩子群體既不方便又不安全。因此,設(shè)計(jì)一種適用于衣柜高處衣格區(qū)的旋轉(zhuǎn)衣架存取系統(tǒng)是很有必要的。筆者將智能旋轉(zhuǎn)衣架設(shè)于高處衣格區(qū),通過智能旋轉(zhuǎn)衣架結(jié)合升降機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂和機(jī)械手來解決高處衣物的存儲(chǔ)和自動(dòng)取放的問題,提升了智能衣柜產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力,滿足了用戶的需求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

智能衣柜旋轉(zhuǎn)衣架系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分是由升降機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、平行機(jī)械手、智能旋轉(zhuǎn)衣架組成。智能旋轉(zhuǎn)衣架帶動(dòng)衣物旋轉(zhuǎn),將目標(biāo)衣物轉(zhuǎn)至平行機(jī)械手附近,再通過升降機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、平行機(jī)械手實(shí)現(xiàn)高處衣物的取放?？傮w效果圖如圖1所示。

圖1 智能衣柜旋轉(zhuǎn)衣架系統(tǒng)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)圖1.渦桿 2.渦輪 3.機(jī)架 4.皮帶輪 5.升降臂 6.齒條1 7.齒條2 8.齒條3 9.直齒輪1 10.直齒輪2 11.直齒輪3 12.錐齒輪1 13.錐齒輪2 14.錐齒輪3 15.錐齒輪4 16.錐齒輪5 17.軸1 18.軸2 19.軸3 20.軸4 21.軸5 22.直齒輪5 23.同步帶 24.直齒輪6 25.搖桿1 26.連桿1 27.搖桿2 28.直齒輪3 29.搖桿3 30.連桿2 31.搖桿4 32.直齒輪4

2.1 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 升降機(jī)構(gòu)動(dòng)力源的計(jì)算與選型

(1) 電動(dòng)機(jī)選型

電動(dòng)機(jī)類型要根據(jù)電源種類,工作條件,載荷特點(diǎn),起動(dòng)性能和起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)的頻繁程度,轉(zhuǎn)速高低和調(diào)速性能要求等條件來確定。

確定目前傳動(dòng)的工作條件是:載荷平穩(wěn),雙向旋轉(zhuǎn),工作環(huán)境為室溫下少灰塵,工作力矩小,承受的載荷性質(zhì)為低等沖擊載荷。綜合分析工作條件和性價(jià)比應(yīng)選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

(2) 電動(dòng)機(jī)容量計(jì)算

明確相應(yīng)部件的質(zhì)量,由Inventor可測(cè)得對(duì)應(yīng)的升降機(jī)構(gòu)的工作部分、機(jī)械臂和機(jī)械手的總質(zhì)量m1為21.207 kg,一件衣服的質(zhì)量m2大致為0.4 kg。重量的計(jì)算公式為:

M1=m1g

(1)

M2=m2g

(2)

M=M1+M2

(3)

式中:M為物體總重量,N;m1、M1分別為升降機(jī)構(gòu)的工作部分、機(jī)械臂和機(jī)械手的質(zhì)量和總重量;m2、M2為衣服的質(zhì)量和重量;g取9.8 N/kg。

計(jì)算得:M1=212.07 N;M2=4 N;M=M1+M2=212.07+4=216.07 N。

輸送帶的牽引力F=M=216.07 N。

擬定衣柜內(nèi)升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度V為0.1 m/s,傳送帶滾筒直徑為56 mm。則工作機(jī)所需功率:

≈2.161×10-2kW

(4)

查表得:聯(lián)軸器的效率:η1=0.99;滾動(dòng)軸承的效率:η2=0.99;閉式圓柱齒輪的效率:η3=0.98;工作機(jī)的效率:ηW=0.96;則:

=0.877

(5)

電動(dòng)機(jī)所需額定功率:

(6)

工作機(jī)軸轉(zhuǎn)速:

(7)

式中:V為傳送帶速度,m/s;D為傳送帶滾筒直徑,D=56 mm;π=3.14。

二級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)比范圍為:8～40,所以合理的總傳動(dòng)比范圍為:8～40?？蛇x擇的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為nd=ia×nw=(8～40)×34.1=272.8～1 364 r/min。綜合考慮價(jià)格、重量、傳動(dòng)比等因素,選定電機(jī)為混合式步進(jìn)電機(jī)[2]。

2.1.2 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通衣柜的柜體一般較高,對(duì)于高處衣物的取放十分困難,而皮帶滾輪升降機(jī)構(gòu)便可以很好的完成衣物的運(yùn)送,可以有效解決這一問題。該皮帶滾輪升降機(jī)構(gòu)是由電動(dòng)機(jī)、渦輪渦桿、滑塊滑軌、皮帶、皮帶輪、傳動(dòng)軸和升降臂組成。電動(dòng)機(jī)與渦桿相連,渦輪與渦桿之間進(jìn)行螺旋傳動(dòng),帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)軸上安裝有兩個(gè)皮帶輪,皮帶一端纏繞在皮帶輪上,另一端繞過升降機(jī)架最上端的另兩個(gè)皮帶輪固定于升降臂上。升降臂左右兩端的滑塊與升降機(jī)架兩端內(nèi)側(cè)的滑軌相配合。當(dāng)電動(dòng)機(jī)開始工作時(shí),通過渦輪渦桿帶動(dòng)傳動(dòng)軸,進(jìn)而帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng),使得皮帶纏繞在皮帶輪上,皮帶通過摩擦力帶動(dòng)升降臂沿著滑軌移動(dòng),實(shí)現(xiàn)升降臂的升降[3]。升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖2(a)所示。

2.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

2.2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)械臂主要是由齒輪齒條和錐齒輪配合來實(shí)現(xiàn)多方位運(yùn)動(dòng)效果。其中齒條1、齒條2、齒條3分別與直齒輪1、直齒輪2、直齒輪3嚙合。直齒輪1和直齒輪2通過軸1、軸2分別帶動(dòng)錐齒輪1和錐齒輪2的旋轉(zhuǎn)。直齒輪3與轉(zhuǎn)桿1相配合,轉(zhuǎn)桿后部兩端分別裝配有一個(gè)齒輪軸,分別記為軸3、軸4。軸3和軸4上分別安裝有錐齒輪3和錐齒輪4,錐齒輪4上端有孔,與機(jī)械手作為一體的齒輪軸便與該孔進(jìn)行配合,齒輪軸的另一端裝有一錐齒輪,記為錐齒輪5。在在齒輪的相互關(guān)系中:直齒輪1和直齒輪2分別與錐齒輪1和錐齒輪2進(jìn)行同軸轉(zhuǎn)動(dòng),錐齒輪1與錐齒輪3嚙合,錐齒輪3與錐齒輪5嚙合,錐齒輪2與錐齒輪4嚙合。

當(dāng)齒條1運(yùn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)直齒輪1的旋轉(zhuǎn),直齒輪1通過軸1帶動(dòng)錐齒輪1的旋轉(zhuǎn),錐齒輪1再帶動(dòng)錐齒輪3的旋轉(zhuǎn),進(jìn)而帶動(dòng)錐齒輪5的旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自身的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)齒條2運(yùn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)直齒輪2的旋轉(zhuǎn),直齒輪2通過軸2帶動(dòng)錐齒輪2的旋轉(zhuǎn),再帶動(dòng)錐齒輪4的旋轉(zhuǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手繞某點(diǎn)的旋轉(zhuǎn);當(dāng)齒條3運(yùn)動(dòng)時(shí),齒條3的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)直齒輪3的旋轉(zhuǎn),進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的整體運(yùn)動(dòng)。三個(gè)齒條不僅可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng),還可以同時(shí)運(yùn)動(dòng),相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)臂結(jié)構(gòu)圖如圖2(b)所示。

2.2.2 機(jī)械臂的強(qiáng)度校核

為了保證機(jī)械臂可以穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),電機(jī)所需要提供的動(dòng)力要遠(yuǎn)大于拿起衣服所需要的力。因此,將除校核部分以外的部分看作墻壁,其中F為衣物的重力,q為機(jī)械臂簡化后的線密度。結(jié)構(gòu)受力簡化圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)受力簡化圖

借由截面法對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析,得到此結(jié)構(gòu)的剪力圖和彎矩圖,如圖4所示。由剪應(yīng)力與彎矩圖可知,危險(xiǎn)點(diǎn)在機(jī)械臂的端面處。

圖4 結(jié)構(gòu)的剪力圖與彎矩圖

Ftmax=F+qL

(8)

Mmax=(2F+qL)L/2

(9)

由公式可得最大切應(yīng)力及最大拉應(yīng)力分別為Ftmax=5.78 N,Mmax=0.463 N·m。

為了簡化計(jì)算,將機(jī)械臂的截面形狀簡化為圓形,A、W分別為此結(jié)構(gòu)的當(dāng)量面積和當(dāng)量抗彎模量。

τmax=Ft/A′

(10)

σmax=M/W′

(11)

W=πD3/32

(12)

通過計(jì)算得τmax=1.278×10-2MPa,σmax=0.342 MPa,W=1.357×10-6mm3。

經(jīng)查得資料可知鋼的許用切應(yīng)力及其拉應(yīng)力為:[τ]=110.6 MPa,[σ]=158 MPa。

經(jīng)過比較,結(jié)構(gòu)中的最大彎曲應(yīng)力和最大切應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。經(jīng)校核,滿足強(qiáng)度要求,可選用Q235作為機(jī)械臂的材料。

2.3 平行機(jī)械手結(jié)構(gòu)

平行機(jī)械手機(jī)構(gòu)主要由齒輪和雙搖桿機(jī)構(gòu)組成。兩個(gè)搖桿由兩個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng),這兩個(gè)搖桿帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng),連桿的尾端是抓夾設(shè)計(jì),抓夾內(nèi)部有防滑硅膠,便于更加牢固地夾緊衣掛,這兩個(gè)連桿為主要做功的部件,余下的兩個(gè)連桿起到導(dǎo)向的作用,他們之間都是利用銷軸進(jìn)行結(jié)合。利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)齒輪,便可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過齒輪和雙搖桿機(jī)構(gòu)的相互配合,使該平行機(jī)械手實(shí)現(xiàn)平行運(yùn)動(dòng)[4]。平行機(jī)構(gòu)手結(jié)構(gòu)圖如圖2(c)所示。

2.4 旋轉(zhuǎn)衣架結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)衣架結(jié)構(gòu)主要是由齒輪和同步帶構(gòu)成。兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別給兩個(gè)齒輪提供動(dòng)力,齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)同步帶的轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)衣架的旋轉(zhuǎn)。此結(jié)構(gòu)選用同步帶傳動(dòng)作為結(jié)構(gòu)的主體,同步帶傳動(dòng)通過傳動(dòng)帶內(nèi)表面上等距分布的橫向齒和帶輪上的相應(yīng)齒槽的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)。由于此結(jié)構(gòu)正常工作要求較大的中心距,而帶傳動(dòng)可以保證在較大中心距的情況下運(yùn)行穩(wěn)定,且對(duì)于啟停所造成的沖擊有一定的緩沖作用,故選擇帶傳動(dòng)。而相較于V帶,平帶由于其依靠嚙合傳動(dòng),可以保證運(yùn)行的精準(zhǔn)性,滿足機(jī)械手拿取固定衣物的要求。每一個(gè)衣架都有相應(yīng)的編號(hào),旋轉(zhuǎn)衣架可以將目標(biāo)衣物轉(zhuǎn)至平行機(jī)械手附近,便于機(jī)械手拿取衣物。旋轉(zhuǎn)衣架結(jié)構(gòu)圖如圖2(d)所示。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用功能

當(dāng)需要拿取衣物時(shí),在智能衣柜按鍵部分按下“TAKE”按鈕,旋轉(zhuǎn)衣架開始旋轉(zhuǎn)。用戶通過觀察可以確定目標(biāo)衣物對(duì)應(yīng)編號(hào),隨即在按鍵部分輸入相應(yīng)編號(hào),旋轉(zhuǎn)衣架轉(zhuǎn)動(dòng),將目標(biāo)衣物運(yùn)送至機(jī)械手附近。通過機(jī)械臂的多方位運(yùn)動(dòng),將機(jī)械手移至目標(biāo)衣物處,機(jī)械手啟動(dòng)夾緊衣掛,隨即機(jī)械手復(fù)位在升降機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下移動(dòng)到下端指定位置,之后轉(zhuǎn)動(dòng)90°,便于用戶直接拿取。當(dāng)檢測(cè)到衣物被拿取后,系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

當(dāng)需要放置衣物時(shí),在智能衣柜按鍵部分按下“PUT”按鈕,旋轉(zhuǎn)衣架開始旋轉(zhuǎn)。用戶通過觀察可以確定空衣架對(duì)應(yīng)編號(hào),隨即在按鍵部分輸入相應(yīng)編號(hào),旋轉(zhuǎn)衣架轉(zhuǎn)動(dòng),將目標(biāo)衣掛運(yùn)送至機(jī)械手附近。通過機(jī)械臂的多方位運(yùn)動(dòng),將機(jī)械手移至目標(biāo)衣掛處,機(jī)械手啟動(dòng)夾緊衣掛,隨即機(jī)械手復(fù)位在升降機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下移動(dòng)到下端指定位置,之后轉(zhuǎn)動(dòng)90°,便于用戶直接掛衣物。當(dāng)檢測(cè)到衣物掛好后,升降機(jī)構(gòu)將其運(yùn)送到上端指定位置,機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)完成衣物放置,隨即復(fù)位。

4 結(jié) 語

針對(duì)高處衣格存儲(chǔ)方式單一且衣物拿取不便的問題,提出了一種智能衣柜旋轉(zhuǎn)衣架系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了升降機(jī)構(gòu),機(jī)械臂,平行機(jī)械手,智能旋轉(zhuǎn)衣架以完成衣物的智能取放,分析了各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)效果并且進(jìn)行了部分關(guān)鍵零件的強(qiáng)度校核以確保整體結(jié)構(gòu)的可行性。后續(xù)將繼續(xù)開展電控部分設(shè)計(jì),以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改良,使得其可以精準(zhǔn)地存取衣物。該裝置對(duì)于陽臺(tái)晾衣架設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。