智能更换及抽取纸巾设备结构设计*

2018-05-07卢桂萍周昭滨曾勇辉

机电工程技术 2018年3期

卢桂萍，周昭滨，曾勇辉，杨杰

（北京理工大学珠海学院工业自动化学院，广东珠海 519088）

0 引言

随着中国科学技术的快速发展，新产品新技术的应用层出不穷，人们越来越注重智能家居产品的“实用主义”和“以人为本”[1]。在当前生活中的洗手间里，有关纸巾的智能家居产品就有自动抽纸机[2-3]、超声波智能烘手机[4]和快速烘干的烘手机[5]等。这些智能家居产品在一定程度上提高了人们的生活质量，但是长期地更换纸巾以及烘手时间过长却提高了人力成本，并且造成时间消耗。

智能更换及抽取纸巾设备是属于智能家居领域的智能产品。为了实现低人力成本和可持续发展的“绿色科技”研究理念，智能更换及抽取纸巾设备可实现智能更换纸巾、抽取纸巾的功能，具有效率高、低能耗、使用便捷的特点。本文以结构简单的连杆机构为主要支撑，设计一种智能更换及抽取卷筒纸巾设备的结构，丰富智能家居家电的发展。

1 设计方案

为了实现该设备能够自动抽取和更换纸巾的功能，智能纸巾更换及抽取设备可大致分为纸巾更换部分及纸巾抽取部分，也可细分为纸巾送料装置、纸页分离装置、纸巾固定装置、推纸筒装置和切纸装置。

1.1 纸巾更换部分

纸巾更换部分如图1所示，主要由纸页分离装置、推纸筒装置、卷筒纸巾送料装置和纸巾固定装置四个不同装置组成，并且安装于壳体内的左右两面侧板上。在纸页分离装置中的纸巾用完的时候，光敏传感器将感应不到有纸巾流出，进一步的纸巾固定装置复位松开纸巾筒，进一步的推纸筒装置将纸巾筒从出料口推出，进一步的卷筒纸巾送料装置将纸巾送入纸页分离装置中，进一步的纸巾固定装置将纸巾压紧，进一步的纸页分离装置将纸巾分页流出纸巾直至光敏传感器感应到纸巾为止。在此过程中，也会出现存放纸巾的储备箱中纸巾用完的情况，此时设备外壳的信号灯将会出现报警提示，等待人员在储备箱中添加纸巾并关闭警示灯为止。

图1 纸巾更换部分流程方案

1.2 纸巾抽取部分

纸巾抽取部分如图2所示，主要由纸页分离装置和切纸装置组成，在外壳下表面安装有人体红外传感器。当红外传感器感应到人手时，切纸装置回到最初的位置，进一步的纸页分离装置将纸页分离，从该装置中的前侧或后侧流出至出料口，当光敏传感器感应到纸巾并且延长一定时间后，进一步的切纸装置中的主切刀从最远位置逐渐向前移动，从而与被切刀相切将纸巾剪短进而达到自动抽取纸巾的目的。刀具下方安装有挡块，在手掌伸入出料口时，可以避免刀具上手以实现安全、人性操作，符合人机工程学原理[6]。

图2 纸巾抽取部分流程方案

2 结构设计及工作原理

2.1 整体结构设计及工作原理

智能更换及抽取纸巾设备根据设计方案对设备结构进行研究设计。整体的结构设计应用了齿轮传动机构以提高工作效率，应用了连杆机构以实现前后移动运动规律[7]。

2.1.1 整体结构设计

图3是智能更换及抽取纸巾设备整体的侧视面结构示意图。壳体上方是通过翻盖实现开/闭合的送料口。在壳体送料口和纸页分离装置之间，是利用齿轮传动提高效率，将纸巾从存储箱中送入纸页分离块的纸巾送料装置。

在纸巾送料装置下方及壳体中部，安装有用于分离纸页的纸页分离装置。在纸页分离装置和纸巾送料装置之间是用于固定落入纸页分离装置中的纸巾的纸巾固定装置。在纸巾固定装置后方，有用于将多余纸筒从出料口推出的推纸筒装置。在推纸筒装置下方，安装有用于将纸巾剪断的切纸机构。位于壳体的下方安装有人体红外传感器，用于感应人手。

图3 侧视整体结构示意图

图4是智能更换及抽取纸巾设备正视面中纸巾固定装置的结构示意图。当纸巾从送料装置中落入纸页分离块后，纸巾固定装置的电机转动，通过主动压帽将纸巾与缓冲压帽中的弹簧相互挤压从而达到压紧纸巾的功能。

图4 纸巾固定装置结构示意图

2.1.2 工作原理

智能更换及抽取纸巾设备的主要功能是实现当感应到人体时，能够智能抽取纸巾，当分离块中的纸巾用完时，能够自动清理残留的纸巾筒，并且能及时更换新的纸巾进入设备分离块中。该设备是通过单片机系统控制各个装置的电机的工作流程，利用人体红外传感器感应人手，利用光敏传感器感应纸巾的流出情况以便传递设备更换纸巾的信号。在壳体表面有用于提示的纸巾存储箱内的纸巾情况。

2.2 装置模型建立和设计

智能更换及抽取纸巾设备由纸巾送料装置、纸页分离装置、纸巾固定装置、推纸筒装置、切纸装置、外观壳体、用于组装的左右侧板、传感器和各个装置的电机构成。图5所示是去除外壳、左右侧板和部分挡块后，设备内部的主要结构示意图。

2.2.1 纸巾送料装置结构设计

纸巾送料装置是通过第一电机控制，使小齿轮转动，并与大齿轮相互啮合传动，带动送料轮中的纸巾旋转进入到纸页分离装置中。其中，小齿轮与大齿轮啮合的传动比为3∶1，使送料轮在静止时，受纸巾自身重力影响而产生的误差大幅度缩小。送料轮中心安装有送料轮轴，送料轮轴两端装有轴承，使其运动顺畅，并减小摩擦系数。整个装置安装于送料轮两侧的左右侧板上。

图5 装置内部主要装置的结构示意图

2.2.2 纸巾固定装置和纸页分离装置结构设计

纸巾固定装置和纸页分离装置共用一个纸巾分离块和一个第四电机。由图6纸页分离装置、纸巾固定装置的结构示意图可以看出，纸巾固定装置主要是利用第三电机转动带动与之相连的曲柄滑块机构运动，使机构前端的主动压帽从最远处水平向前推动并推压放置在纸页分离块上的卷筒纸巾向前推压缓冲压帽，使缓冲压帽后方的弹簧压缩，进而固定卷筒纸巾。

图6 纸页分离装置、纸巾固定装置的结构示意图

通过市场调查可以发现，卷筒纸巾拆开包装后的封口是利用水性胶粘紧的，而本设备使用的卷筒纸巾是在市场上现有的卷筒纸巾的基础上，解开封口后，在纸巾前一圈半上围上静电吸附薄膜，从而实现纸巾完整包装并且纸页容易被分离错开的目的，进而利用到纸页分离装置当中。

纸页分离装置是在卷筒纸巾包装方面经过改良后进行结构上的设计，主要包括纸页分离块、光敏传感器和第四电机。其中，光敏传感器安装在纸页分离块的前部和后部，当纸巾落入纸页分离块并被固定后，通过第四电机转动带动纸巾转动，纸页分离块将纸巾表面的静电吸附薄膜错开分离后，从纸页分离块的前部或后部流出，经过光敏传感器感应后，经过切纸机构并从出料口流出纸巾。