智能衣柜存取机械系统设计与分析

2020-06-22秦思源王屹辉曹鑫源胡金平

机械工程与自动化 2020年3期

秦思源，王屹辉，王政，曹鑫源，胡金平，钱炜

(上海理工大学机械工程学院，上海 200093)

0 引言

随着现代科学技术的迅猛发展和人们生活水平的提高，洗衣店满足了人们日常洗衣的需求，使得人们的生活更高效、便捷和舒适。但是洗衣店存取衣物手续多、人工慢，如果能设计一款实现衣服自动存取的智能衣柜，那么势必将替代洗衣店人为存取衣服的劳动，并且效率和准确性大大提高。

针对洗衣店客户存取衣服的要求，通过对衣物检测方法和智能存取衣物的研究，本文成功设计出了一款带衣物存取系统的智能衣柜，实现了洗衣店智能化存取衣物的过程。

1 智能衣柜结构设计

1.1 整体结构设计

该智能衣柜主要包括动力传递部分、旋转部分、导管部分以及取衣部分，如图1所示。动力传递部分包括直流电机、直齿轮、锥齿轮，实现将动力传输至外转轴上。旋转部分包括转盘、外转轴、底座等零件，实现衣物的旋转和定位功能。导管部分包括导管、电磁阀等零件，实现衣物从导杆上取下的功能。取衣部分包括取衣门、滑杆、滑杆座等零件，实现从衣柜中取出衣物的功能。

1.2 旋转部分结构设计

旋转部分结构如图2所示，包括底座、轴承、外转轴、齿轮、内定轴、套筒和圆盘等零件，它能够带动衣物旋转至指定方位，具有定位电磁阀和拉动拉杆的功能。为实现这两个功能，须实现“内轴固定、外轴转动”的工作方式。内定轴固定在底座上，外转轴套在内轴上，外转轴设计有阶梯，外转轴阶梯与图2中轴承处接触定位，与转盘通过套筒进行连接；利用动力传递部分将电机转矩传递到外转轴上，利用上下两轴承分解齿轮传递的径向力，通过套筒间隙配合使其稳定，以实现“内轴固定、外轴转动”的工作方式。

1.3 导管部分结构设计

导管部分如图3和图4所示，包括拉钩、导管、线绳、拉杆、弹簧、支架和电磁阀，实现从导杆上取下衣物的功能。旋转部分定位好衣物位置后，电磁阀工作，利用拉钩、线绳传递电磁阀拉力，利用导管、线绳改变力的方向至拉杆，拉杆拉回，衣物滞空后，由于重力掉下从而取出，最后通过弹簧复位拉杆。

1-直流电机；2-直齿轮；3-电磁阀；4-转盘；5-滑杆；6-滑杆座；7-取衣门；8-滑轨；9-外转轴；10-底座；11-轴承座；12-小转轴；13-锥齿轮

1-底座；2-轴承；3-外转轴；4-齿轮；5-内定轴；6-套筒；7-圆盘

2 结构分析与校验

2.1 旋转部分结构分析与校验

由于旋转部分需要支撑衣物和导管部分的重量，同时也需要保证在旋转过程中能够承受电机旋转所产生的扭矩，因此主要对旋转轴进行分析。

1-拉钩；2-导管；3-线绳； 7-电磁阀

4-拉杆；5-弹簧；6-支架

图3导管背面结构图4导管正面结构

旋转轴选取直径为Φ30 mm的45钢，其泊松比为0.29；根据外转轴的受力形式将模型建立为简支梁。电机额定功率P=30 W，扭矩为8 N·m。零部件接触设为全局接触。施加电机最大载荷即转矩8 N·m，受力点为齿轮键槽侧面。使用SolidWorks软件建立外转轴实体模型，模型按1∶1建立。利用SolidWorks的simulation插件对实体进行网格划分，网格划分时采用基于混合曲率的网格，最大单元为7.631 25 mm，最小单元为1.526 25 mm，网格划分后对实体进行静应力分析，运算结果如图5～图7所示。

由图7可知，外转轴最大应变为3.477×10-5，无明显变形，符合外转轴设计所需的刚度要求，故该设计合理。

2.2 导管部分结构分析与校验

由于导管部分主要受力来源为衣物的重量，因此为了保证衣物能够顺利悬挂在拉杆上，对拉杆进行分析。

拉杆选取材料为ABS，其直径为Φ10 mm，其泊松比为0.394，弹性模量为2.2 GPa。因其工作时为一端固定、一端自由，将模型简化为悬臂梁。

图5外转轴应力云图图6外转轴位移云图图7外转轴应变云图

零部件接触设为全局接触。施加载荷为单件衣物最大重，设为40 N，即拉杆所受最大压力为40 N。使用SolidWorks软件建立拉杆实体模型，模型比例为1∶1。利用SolidWorks的simulation插件对实体进行网格划分，网格划分为基于混合曲率的网格，最大单元为7.63 125 mm，最小单元为1.52 625 mm，对其进行静应力分析，运算结果如图8～图10所示。