一种智能衣柜旋转衣架系统设计*

杜 爽,周洪艳,谢昭旭

(长春师范大学 工程学院,吉林 长春 130032)

0 引 言

现如今,随着人们对生活质量要求的不断提升,使得智能衣柜的需求越来越大[1]。对于衣物的存储,目前衣柜普遍采用折叠式和吊挂式,而对于高处衣格区一般设计成折叠式存储,黄金尺寸高度为350～500 mm,对于低处衣格区设计成吊挂式,黄金尺寸高度为1 400～1 700 mm。根据现代衣物材质特点,西装、大衣、裤子等大部分衣物适于挂起。另外,高处衣物取放不仅费时费力,尤其对于老人和孩子群体既不方便又不安全。因此,设计一种适用于衣柜高处衣格区的旋转衣架存取系统是很有必要的。笔者将智能旋转衣架设于高处衣格区,通过智能旋转衣架结合升降机构、机械臂和机械手来解决高处衣物的存储和自动取放的问题,提升了智能衣柜产品的竞争力,满足了用户的需求。

1 总体设计方案

智能衣柜旋转衣架系统的机械结构部分是由升降机构、机械臂、平行机械手、智能旋转衣架组成。智能旋转衣架带动衣物旋转,将目标衣物转至平行机械手附近,再通过升降机构、机械臂、平行机械手实现高处衣物的取放。总体效果图如图1所示。

图1 智能衣柜旋转衣架系统

2 结构设计

运动部件结构图如图2所示。

图2 运动部件结构图1.涡杆 2.涡轮 3.机架 4.皮带轮 5.升降臂 6.齿条1 7.齿条2 8.齿条3 9.直齿轮1 10.直齿轮2 11.直齿轮3 12.锥齿轮1 13.锥齿轮2 14.锥齿轮3 15.锥齿轮4 16.锥齿轮5 17.轴1 18.轴2 19.轴3 20.轴4 21.轴5 22.直齿轮5 23.同步带 24.直齿轮6 25.摇杆1 26.连杆1 27.摇杆2 28.直齿轮3 29.摇杆3 30.连杆2 31.摇杆4 32.直齿轮4

2.1 升降机构设计

2.1.1 升降机构动力源的计算与选型

(1) 电动机选型

电动机类型要根据电源种类,工作条件,载荷特点,起动性能和起动、制动、反转的频繁程度,转速高低和调速性能要求等条件来确定。

确定目前传动的工作条件是:载荷平稳,双向旋转,工作环境为室温下少灰尘,工作力矩小,承受的载荷性质为低等冲击载荷。综合分析工作条件和性价比应选用步进电动机。

(2) 电动机容量计算

明确相应部件的质量,由Inventor可测得对应的升降机构的工作部分、机械臂和机械手的总质量m1为21.207 kg,一件衣服的质量m2大致为0.4 kg。重量的计算公式为:

M1=m1g

(1)

M2=m2g

(2)

M=M1+M2

(3)

式中:M为物体总重量,N;m1、M1分别为升降机构的工作部分、机械臂和机械手的质量和总重量;m2、M2为衣服的质量和重量;g取9.8 N/kg。

计算得:M1=212.07 N;M2=4 N;M=M1+M2=212.07+4=216.07 N。

输送带的牵引力F=M=216.07 N。

拟定衣柜内升降机构的运行速度V为0.1 m/s,传送带滚筒直径为56 mm。则工作机所需功率:

≈2.161×10-2kW

(4)

查表得:联轴器的效率:η1=0.99;滚动轴承的效率:η2=0.99;闭式圆柱齿轮的效率:η3=0.98;工作机的效率:ηW=0.96;则:

=0.877

(5)

电动机所需额定功率:

(6)

工作机轴转速:

(7)

式中:V为传送带速度,m/s;D为传送带滚筒直径,D=56 mm;π=3.14。

二级圆柱齿轮传动比范围为:8～40,所以合理的总传动比范围为:8～40。可选择的电动机转速范围为nd=ia×nw=(8～40)×34.1=272.8～1 364 r/min。综合考虑价格、重量、传动比等因素,选定电机为混合式步进电机[2]。

2.1.2 升降机构结构设计

普通衣柜的柜体一般较高,对于高处衣物的取放十分困难,而皮带滚轮升降机构便可以很好的完成衣物的运送,可以有效解决这一问题。该皮带滚轮升降机构是由电动机、涡轮涡杆、滑块滑轨、皮带、皮带轮、传动轴和升降臂组成。电动机与涡杆相连,涡轮与涡杆之间进行螺旋传动,带动涡轮转动,进而带动传动轴转动。传动轴上安装有两个皮带轮,皮带一端缠绕在皮带轮上,另一端绕过升降机架最上端的另两个皮带轮固定于升降臂上。升降臂左右两端的滑块与升降机架两端内侧的滑轨相配合。当电动机开始工作时,通过涡轮涡杆带动传动轴,进而带动皮带转动,使得皮带缠绕在皮带轮上,皮带通过摩擦力带动升降臂沿着滑轨移动,实现升降臂的升降[3]。升降机构结构图如图2(a)所示。

2.2 机械臂结构

2.2.1 机械臂结构设计

该机械臂主要是由齿轮齿条和锥齿轮配合来实现多方位运动效果。其中齿条1、齿条2、齿条3分别与直齿轮1、直齿轮2、直齿轮3啮合。直齿轮1和直齿轮2通过轴1、轴2分别带动锥齿轮1和锥齿轮2的旋转。直齿轮3与转杆1相配合,转杆后部两端分别装配有一个齿轮轴,分别记为轴3、轴4。轴3和轴4上分别安装有锥齿轮3和锥齿轮4,锥齿轮4上端有孔,与机械手作为一体的齿轮轴便与该孔进行配合,齿轮轴的另一端装有一锥齿轮,记为锥齿轮5。在在齿轮的相互关系中:直齿轮1和直齿轮2分别与锥齿轮1和锥齿轮2进行同轴转动,锥齿轮1与锥齿轮3啮合,锥齿轮3与锥齿轮5啮合,锥齿轮2与锥齿轮4啮合。

当齿条1运动时,带动直齿轮1的旋转,直齿轮1通过轴1带动锥齿轮1的旋转,锥齿轮1再带动锥齿轮3的旋转,进而带动锥齿轮5的旋转,从而实现机械手自身的绕轴转动;当齿条2运动时,带动直齿轮2的旋转,直齿轮2通过轴2带动锥齿轮2的旋转,再带动锥齿轮4的旋转,进而实现机械手绕某点的旋转;当齿条3运动时,齿条3的运动带动直齿轮3的旋转,进而带动转杆转动,从而实现机械手的整体运动。三个齿条不仅可以单独运动,还可以同时运动,相互协作实现机械臂的复杂运动。机构臂结构图如图2(b)所示。

2.2.2 机械臂的强度校核

为了保证机械臂可以稳定运动,电机所需要提供的动力要远大于拿起衣服所需要的力。因此,将除校核部分以外的部分看作墙壁,其中F为衣物的重力,q为机械臂简化后的线密度。结构受力简化图如图3所示。

图3 结构受力简化图

借由截面法对结构内力进行分析,得到此结构的剪力图和弯矩图,如图4所示。由剪应力与弯矩图可知,危险点在机械臂的端面处。

图4 结构的剪力图与弯矩图

Ftmax=F+qL

(8)

Mmax=(2F+qL)L/2

(9)

由公式可得最大切应力及最大拉应力分别为Ftmax=5.78 N,Mmax=0.463 N·m。

为了简化计算,将机械臂的截面形状简化为圆形,A、W分别为此结构的当量面积和当量抗弯模量。

τmax=Ft/A′

(10)

σmax=M/W′

(11)

W=πD3/32

(12)

通过计算得τmax=1.278×10-2MPa,σmax=0.342 MPa,W=1.357×10-6mm3。

经查得资料可知钢的许用切应力及其拉应力为:[τ]=110.6 MPa,[σ]=158 MPa。

经过比较,结构中的最大弯曲应力和最大切应力小于材料的许用应力。经校核,满足强度要求,可选用Q235作为机械臂的材料。

2.3 平行机械手结构

平行机械手机构主要由齿轮和双摇杆机构组成。两个摇杆由两个齿轮驱动,这两个摇杆带动连杆运动,连杆的尾端是抓夹设计,抓夹内部有防滑硅胶,便于更加牢固地夹紧衣挂,这两个连杆为主要做功的部件,余下的两个连杆起到导向的作用,他们之间都是利用销轴进行结合。利用电动机驱动其中一个齿轮,便可以实现相对运动。通过齿轮和双摇杆机构的相互配合,使该平行机械手实现平行运动[4]。平行机构手结构图如图2(c)所示。

2.4 旋转衣架结构

旋转衣架结构主要是由齿轮和同步带构成。两个电动机分别给两个齿轮提供动力,齿轮旋转带动同步带的转动,从而带动衣架的旋转。此结构选用同步带传动作为结构的主体,同步带传动通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动。由于此结构正常工作要求较大的中心距,而带传动可以保证在较大中心距的情况下运行稳定,且对于启停所造成的冲击有一定的缓冲作用,故选择带传动。而相较于V带,平带由于其依靠啮合传动,可以保证运行的精准性,满足机械手拿取固定衣物的要求。每一个衣架都有相应的编号,旋转衣架可以将目标衣物转至平行机械手附近,便于机械手拿取衣物。旋转衣架结构图如图2(d)所示。

3 设计应用功能

当需要拿取衣物时,在智能衣柜按键部分按下“TAKE”按钮,旋转衣架开始旋转。用户通过观察可以确定目标衣物对应编号,随即在按键部分输入相应编号,旋转衣架转动,将目标衣物运送至机械手附近。通过机械臂的多方位运动,将机械手移至目标衣物处,机械手启动夹紧衣挂,随即机械手复位在升降机构的带动下移动到下端指定位置,之后转动90°,便于用户直接拿取。当检测到衣物被拿取后,系统自动复位。

当需要放置衣物时,在智能衣柜按键部分按下“PUT”按钮,旋转衣架开始旋转。用户通过观察可以确定空衣架对应编号,随即在按键部分输入相应编号,旋转衣架转动,将目标衣挂运送至机械手附近。通过机械臂的多方位运动,将机械手移至目标衣挂处,机械手启动夹紧衣挂,随即机械手复位在升降机构的带动下移动到下端指定位置,之后转动90°,便于用户直接挂衣物。当检测到衣物挂好后,升降机构将其运送到上端指定位置,机械臂运动完成衣物放置,随即复位。

4 结 语

针对高处衣格存储方式单一且衣物拿取不便的问题,提出了一种智能衣柜旋转衣架系统设计方案,设计了升降机构,机械臂,平行机械手,智能旋转衣架以完成衣物的智能取放,分析了各个机构的运动效果并且进行了部分关键零件的强度校核以确保整体结构的可行性。后续将继续开展电控部分设计,以对该系统进行进一步改良,使得其可以精准地存取衣物。该装置对于阳台晾衣架设计具有一定的参考价值。