一種智能衣柜旋轉衣架系統設計*

杜 爽,周洪艷,謝昭旭

(長春師范大學 工程學院,吉林 長春 130032)

0 引 言

現如今,隨著人們對生活質量要求的不斷提升,使得智能衣柜的需求越來越大[1]。對于衣物的存儲,目前衣柜普遍采用折疊式和吊掛式,而對于高處衣格區一般設計成折疊式存儲,黃金尺寸高度為350～500 mm,對于低處衣格區設計成吊掛式,黃金尺寸高度為1 400～1 700 mm。根據現代衣物材質特點,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時費力,尤其對于老人和孩子群體既不方便又不安全。因此,設計一種適用于衣柜高處衣格區的旋轉衣架存取系統是很有必要的。筆者將智能旋轉衣架設于高處衣格區,通過智能旋轉衣架結合升降機構、機械臂和機械手來解決高處衣物的存儲和自動取放的問題,提升了智能衣柜產品的競爭力,滿足了用戶的需求。

1 總體設計方案

智能衣柜旋轉衣架系統的機械結構部分是由升降機構、機械臂、平行機械手、智能旋轉衣架組成。智能旋轉衣架帶動衣物旋轉,將目標衣物轉至平行機械手附近,再通過升降機構、機械臂、平行機械手實現高處衣物的取放?？傮w效果圖如圖1所示。

圖1 智能衣柜旋轉衣架系統

2 結構設計

運動部件結構圖如圖2所示。

圖2 運動部件結構圖1.渦桿 2.渦輪 3.機架 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 升降機構設計

2.1.1 升降機構動力源的計算與選型

(1) 電動機選型

電動機類型要根據電源種類,工作條件,載荷特點,起動性能和起動、制動、反轉的頻繁程度,轉速高低和調速性能要求等條件來確定。

確定目前傳動的工作條件是:載荷平穩,雙向旋轉,工作環境為室溫下少灰塵,工作力矩小,承受的載荷性質為低等沖擊載荷。綜合分析工作條件和性價比應選用步進電動機。

(2) 電動機容量計算

明確相應部件的質量,由Inventor可測得對應的升降機構的工作部分、機械臂和機械手的總質量m1為21.207 kg,一件衣服的質量m2大致為0.4 kg。重量的計算公式為:

M1=m1g

(1)

M2=m2g

(2)

M=M1+M2

(3)

式中:M為物體總重量,N;m1、M1分別為升降機構的工作部分、機械臂和機械手的質量和總重量;m2、M2為衣服的質量和重量;g取9.8 N/kg。

計算得: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。

擬定衣柜內升降機構的運行速度V為0.1 m/s,傳送帶滾筒直徑為56 mm。則工作機所需功率:

≈2.161×10-2kW

(4)

查表得:聯軸器的效率:η1=0.99;滾動軸承的效率:η2=0.99;閉式圓柱齒輪的效率:η3=0.98;工作機的效率:ηW=0.96;則:

=0.877

(5)

電動機所需額定功率:

(6)

工作機軸轉速:

(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。

二級圓柱齒輪傳動比范圍為:8～40,所以合理的總傳動比范圍為:8～40?？蛇x擇的電動機轉速范圍為nd=ia×nw=(8～40)×34.1=272.8～1 364 r/min。綜合考慮價格、重量、傳動比等因素,選定電機為混合式步進電機[2]。

2.1.2 升降機構結構設計

普通衣柜的柜體一般較高,對于高處衣物的取放十分困難,而皮帶滾輪升降機構便可以很好的完成衣物的運送,可以有效解決這一問題。該皮帶滾輪升降機構是由電動機、渦輪渦桿、滑塊滑軌、皮帶、皮帶輪、傳動軸和升降臂組成。電動機與渦桿相連,渦輪與渦桿之間進行螺旋傳動,帶動渦輪轉動,進而帶動傳動軸轉動。傳動軸上安裝有兩個皮帶輪,皮帶一端纏繞在皮帶輪上,另一端繞過升降機架最上端的另兩個皮帶輪固定于升降臂上。升降臂左右兩端的滑塊與升降機架兩端內側的滑軌相配合。當電動機開始工作時,通過渦輪渦桿帶動傳動軸,進而帶動皮帶轉動,使得皮帶纏繞在皮帶輪上,皮帶通過摩擦力帶動升降臂沿著滑軌移動,實現升降臂的升降[3]。升降機構結構圖如圖2(a)所示。

2.2 機械臂結構

2.2.1 機械臂結構設計

該機械臂主要是由齒輪齒條和錐齒輪配合來實現多方位運動效果。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分別帶動錐齒輪1和錐齒輪2的旋轉。直齒輪3與轉桿1相配合,轉桿后部兩端分別裝配有一個齒輪軸,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,與機械手作為一體的齒輪軸便與該孔進行配合,齒輪軸的另一端裝有一錐齒輪,記為錐齒輪5。在在齒輪的相互關系中:直齒輪1和直齒輪2分別與錐齒輪1和錐齒輪2進行同軸轉動,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。

當齒條1運動時,帶動直齒輪1的旋轉,直齒輪1通過軸1帶動錐齒輪1的旋轉,錐齒輪1再帶動錐齒輪3的旋轉,進而帶動錐齒輪5的旋轉,從而實現機械手自身的繞軸轉動;當齒條2運動時,帶動直齒輪2的旋轉,直齒輪2通過軸2帶動錐齒輪2的旋轉,再帶動錐齒輪4的旋轉,進而實現機械手繞某點的旋轉;當齒條3運動時,齒條3的運動帶動直齒輪3的旋轉,進而帶動轉桿轉動,從而實現機械手的整體運動。三個齒條不僅可以單獨運動,還可以同時運動,相互協作實現機械臂的復雜運動。機構臂結構圖如圖2(b)所示。

2.2.2 機械臂的強度校核

為了保證機械臂可以穩定運動,電機所需要提供的動力要遠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為機械臂簡化后的線密度。結構受力簡化圖如圖3所示。

圖3 結構受力簡化圖

借由截面法對結構內力進行分析,得到此結構的剪力圖和彎矩圖,如圖4所示。由剪應力與彎矩圖可知,危險點在機械臂的端面處。

圖4 結構的剪力圖與彎矩圖

Ftmax=F+qL

(8)

Mmax=(2F+qL)L/2

(9)

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

為了簡化計算,將機械臂的截面形狀簡化為圓形,A、W分別為此結構的當量面積和當量抗彎模量。

τmax=Ft/A′

(10)

σmax=M/W′

(11)

W=πD3/32

(12)

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

經查得資料可知鋼的許用切應力及其拉應力為:[τ]=110.6 MPa,[σ]=158 MPa。

經過比較,結構中的最大彎曲應力和最大切應力小于材料的許用應力。經校核,滿足強度要求,可選用Q235作為機械臂的材料。

2.3 平行機械手結構

平行機械手機構主要由齒輪和雙搖桿機構組成。兩個搖桿由兩個齒輪驅動,這兩個搖桿帶動連桿運動,連桿的尾端是抓夾設計,抓夾內部有防滑硅膠,便于更加牢固地夾緊衣掛,這兩個連桿為主要做功的部件,余下的兩個連桿起到導向的作用,他們之間都是利用銷軸進行結合。利用電動機驅動其中一個齒輪,便可以實現相對運動。通過齒輪和雙搖桿機構的相互配合,使該平行機械手實現平行運動[4]。平行機構手結構圖如圖2(c)所示。

2.4 旋轉衣架結構

旋轉衣架結構主要是由齒輪和同步帶構成。兩個電動機分別給兩個齒輪提供動力,齒輪旋轉帶動同步帶的轉動,從而帶動衣架的旋轉。此結構選用同步帶傳動作為結構的主體,同步帶傳動通過傳動帶內表面上等距分布的橫向齒和帶輪上的相應齒槽的嚙合來傳遞運動。由于此結構正常工作要求較大的中心距,而帶傳動可以保證在較大中心距的情況下運行穩定,且對于啟停所造成的沖擊有一定的緩沖作用,故選擇帶傳動。而相較于V帶,平帶由于其依靠嚙合傳動,可以保證運行的精準性,滿足機械手拿取固定衣物的要求。每一個衣架都有相應的編號,旋轉衣架可以將目標衣物轉至平行機械手附近,便于機械手拿取衣物。旋轉衣架結構圖如圖2(d)所示。

3 設計應用功能

當需要拿取衣物時,在智能衣柜按鍵部分按下“TAKE”按鈕,旋轉衣架開始旋轉。用戶通過觀察可以確定目標衣物對應編號,隨即在按鍵部分輸入相應編號,旋轉衣架轉動,將目標衣物運送至機械手附近。通過機械臂的多方位運動,將機械手移至目標衣物處,機械手啟動夾緊衣掛,隨即機械手復位在升降機構的帶動下移動到下端指定位置,之后轉動90°,便于用戶直接拿取。當檢測到衣物被拿取后,系統自動復位。

當需要放置衣物時,在智能衣柜按鍵部分按下“PUT”按鈕,旋轉衣架開始旋轉。用戶通過觀察可以確定空衣架對應編號,隨即在按鍵部分輸入相應編號,旋轉衣架轉動,將目標衣掛運送至機械手附近。通過機械臂的多方位運動,將機械手移至目標衣掛處,機械手啟動夾緊衣掛,隨即機械手復位在升降機構的帶動下移動到下端指定位置,之后轉動90°,便于用戶直接掛衣物。當檢測到衣物掛好后,升降機構將其運送到上端指定位置,機械臂運動完成衣物放置,隨即復位。

4 結 語

針對高處衣格存儲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衣架系統設計方案,設計了升降機構,機械臂,平行機械手,智能旋轉衣架以完成衣物的智能取放,分析了各個機構的運動效果并且進行了部分關鍵零件的強度校核以確保整體結構的可行性。后續將繼續開展電控部分設計,以對該系統進行進一步改良,使得其可以精準地存取衣物。該裝置對于陽臺晾衣架設計具有一定的參考價值。