家用自動洗鞋機設計說明書

1、第五屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽慧魚組參賽作品家用自動洗鞋機設計說明書設it袁洋馬路鄧帥杜思超陳濤設計單位：中原工學院設計部門：機電學院指導教師：付曉莉張偉杰時 間：2012年2月河南鄭州1. 研制背景及意義 12. 設計方案 23. 運動、動力分析 94. 工作原理及主要功能指標205. 控制設計 226. 創(chuàng)新點 267. 應用前景 26參考文獻 27附錄一作品實物照片28附錄二裝配關系圖附錄二裝配流程圖家用自動洗鞋機設計者：袁洋 馬路 鄧帥 杜思超 陳濤指導教師：付曉莉張偉杰（中原工學院機電學院鄭州450007）摘要：以簡便、實用、清潔，能解決洗鞋過程鞋子清潔除菌問題設備為研究對彖，提出

2、橫向刷洗機構，豎 向刷洗機構，鞋底刷洗機構，鞋內(nèi)刷洗機構等四種刷洗機構，再結合空水、擠水機構，設計了一種家用洗 鞋機，實驗結果表明，設備工作穩(wěn)定，性能可靠，功能實現(xiàn)效果良好。關鍵詞：洗鞋；家用洗鞋機：清潔作品內(nèi)容簡介本作品根據(jù)本屆機械創(chuàng)新設計人賽的主旨要求而設計，屬于“家庭清潔類機械”。本產(chǎn)品自動完成洗鞋全過程，包括清洗、空水、擠水、烘干殺菌等功能，結構簡單，操作方便，清洗快捷，小型化，適合家用。自動洗鞋機采用鞋子靜止，刷子相對鞋子運動的刷洗方式，清洗部分由橫向刷洗機構、豎向刷洗機構、鞋底刷洗機構、鞋內(nèi)刷洗機構等機構組成，對鞋子進行全方位的刷洗，刷洗簡便、快捷，解決了現(xiàn)有洗鞋機清潔度不夠、鞋底

3、污物形成污水對鞋子造成二次污染等問題，并且降低洗鞋機工作過程中對鞋子造成損壞的可能性；空水功能使刷洗過程中鞋內(nèi)的積水順利流出；擠水機構解決了刷洗后，鞋體內(nèi)殘留積水難以擠出的問題，確保鞋體內(nèi)無殘留；烘干、殺菌功能使鞋子取出后即可使用，消除有害細菌，保證腳部健康。聯(lián)系人：付曉莉聯(lián)系電話_mail:fxlzzti163 com1研制背景及意義據(jù)世界衛(wèi)生機構調(diào)查，全世界有74. 6%的人對鞋的衛(wèi)生程度不在意，這是影響人體健康的 主要因素，經(jīng)常洗鞋可以預防腳氣，防止細菌滋生，有效保護腳部健康。對鞋的清洗是重要 的，是消費者所急需的。通過調(diào)研和查閱資料我們發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)市場的洗鞋機較

4、大型化，主要滿足商業(yè)需求，價格昂 貴，占用空間較大，不適于一般家庭使用。且普遍存在自動化程度不高、刷洗不干凈、對鞋 造成損傷等缺陷。目前市場上洗鞋機，多為滾筒式和波輪式兩種，通過旋轉(zhuǎn)摩擦達到清洗目 的，此種刷洗方式，僅能對鞋子外部進行刷洗，且大量鞋底污泥溶于洗滌水中，對鞋內(nèi)部較 干凈部分造成二次污染，同時旋轉(zhuǎn)摩擦的刷洗方式還會對鞋體本身造成一定的損傷。人工手 洗雖具有較高的靈活性，但耗費體力，且刷洗完成后，無法將鞋幫內(nèi)水分完全擠出，導致洗 滌劑殘留，影響穿著舒適度及人體健康。經(jīng)過我們創(chuàng)新設計成員對所存在問題認真分析，我們認為應該考慮如下兒點：1）釆用鞋子不動，刷子動的方式，解決鞋底污物形成污水

5、對鞋子造成二次污染以及鞋體 翻轉(zhuǎn)損傷問題。2）鞋子形狀面多且不規(guī)則，為使刷洗快捷、到位，需要進行動作分解。3）鞋子刷洗完成后需要進行空水和擠干，需要加入空水和擠水機構。4）產(chǎn)品小型化，智能化，以適合家用。此家用自動洗鞋機旨在解決鞋子清洗難題，以簡便、實用、清潔為原則，設計過程中應結 合實際，做到以人為本，結合慧魚構件，對比論證，合理巧妙選用機構，在功能上突出自動 化，智能化以及功能的集成化。2設計方案家用自動洗鞋機由六大部分構成，分別是外側(cè)清洗部分（鞋底刷洗機構、橫向刷洗機構、 豎向刷洗機構）、空水及內(nèi)部刷洗機構、擠水機構、烘干殺菌部分、氣動裝置、智能控制部分 以及一些輔助部件等。2. 1撐鞋

6、機構撐鞋機構（圖1）主要負責鞋的撐起固定。該機構由氣動裝置提供動力，分別由氣缸1和 氣缸2將撐桿1和撐桿2撐起，達到固定鞋子的目的。圖1撐鞋機構機構簡圖2. 2外側(cè)清洗部分清洗部分，由橫向刷洗機構、豎向刷洗機構和鞋底刷洗機構組成，對鞋子外側(cè)進行全方 位的刷洗，使刷洗簡便、快捷。鞋底鞋面圖2鞋子示意圖鞋跟2.2.1橫向刷洗機構橫向刷洗機構（圖3）主要負責對鞋子鞋面的刷洗。該機構由電機（電機1）驅(qū)動，通過 鏈條驅(qū)動雙絲杠螺母進行運動，再帶動橫向刷子做豎直方向的運動，使刷子能貼合鞋子傾斜 的鞋面進行刷洗。氣缸帶動機構沿導軌做橫向移動，刷子在旋轉(zhuǎn)刷洗的同時做往復擺動的刷 洗，從而使刷洗更加干凈。工作完

7、成后（鞋面刷洗完成），橫向刷洗機構復位，為下一次刷 洗做準備。圖3橫向刷洗機構機構簡圖圖4橫向刷洗機構三維零件建模示意圖2. 2. 2豎向刷洗機構豎向刷洗機構（圖5）主要負責對鞋子兩外側(cè)面的刷洗。水平位移電機通過變速齒輪箱在 齒條導軌上做往復移動，使刷子貼合鞋面，豎直刷洗電機帶動刷子旋轉(zhuǎn)，對鞋側(cè)面進行刷洗, 機構上部固接于水平移動架，帶動豎向刷洗機構沿鞋體兩外側(cè)面進行從前到后的刷洗。工作 完成后（鞋兩側(cè)面刷洗完成），豎向刷洗機構復位，為下一次刷洗做準備。刷子圖5豎向刷洗機構示意圖2.2. 3鞋底刷洗機構鞋底刷洗機構（圖6）主要負責對鞋底以及對鞋跟一部分豎向刷洗機構清洗不到的部分進 行清洗。該機

8、構固接于升降機構，由電機驅(qū)動，通過輸出軸帶動鏈輪1、2、3和一個大齒輪 1進行運動，這一對主動鏈輪1、2、3通過鏈條帶動從動鏈輪4、5、6運動，刷毛固定于鏈 條上，從而形成一個大刷子對鞋底進行刷洗。大齒輪1帶動從動齒輪2進行運動，使得橫向 固定刷子對鞋跟進行旋轉(zhuǎn)刷洗。齒輪1鏈輪1、2、3x、帯刷毛的鋌條璉輪4. 5、6 / 3齒輪2電機圖6鞋底刷洗機構2. 3空水及內(nèi)部刷洗機構空水及內(nèi)部刷洗機構（圖7）主要負責使鞋子在進入工作位置后進行空水和內(nèi)部刷洗等功 能。由蝸桿帶動齒輪，使機構旋轉(zhuǎn)，圖示位置即為洗鞋工作位置，蝸桿帶動齒輪旋轉(zhuǎn)180度, 使鞋與水平面翻轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)空水。內(nèi)部刷洗，由電機驅(qū)

9、動通過齒輪帶動刷子旋轉(zhuǎn)，對 鞋內(nèi)刷洗。初始狀態(tài)下，機構處于空水位置，程序運行，機構翻轉(zhuǎn)180度，鞋子進入工作位置，電機 啟動，刷子對鞋內(nèi)進行清洗，同時外測清洗部分啟動，對鞋外側(cè)進行刷洗。清洗完成，各刷 洗機構刷子停止，復位?？账皟?nèi)部刷洗機構再次翻轉(zhuǎn)180度，鞋子回到空水位置，進行空 水?？账戤?，機構復位，進行下一步驟，同時為下一次刷洗做準備。刷子圖7空水及內(nèi)部刷洗機構圖8空水及內(nèi)部刷洗機構三維零件建模示意圖2. 4擠水機構擠水機構（圖9）主要負責實現(xiàn)對鞋幫水分擠出。該機構固接于升降機構，由氣缸帶動實 現(xiàn)機構的頂出和拉回，電機通過減速齒輪箱帶動凸輪，推動夾板對鞋幫進行擠壓，復位彈贊對夾板進行

10、復位，與凸輪配合，從而實現(xiàn)對鞋幫的反復擠壓。擠水階段，氣缸將機構推至鞋 幫兩側(cè)，電機運轉(zhuǎn)，對鞋幫進行擠水，擠水完畢，氣缸將機構拉出置初始位置，工作完畢。圖9擠水機構圖10擠水機構三維零件建模示意圖2. 5升降機構升降機構（圖8）主要負責使底部刷洗機構與鞋底貼合以及將擠水機構送至鞋幫兩側(cè)等工 作。該機構由電機驅(qū)動，由蝸桿通過惰輪（齒輪1）帶動齒輪2運動，將動力傳遞給絲杠， 絲杠帶動螺母做豎直方向運動，實現(xiàn)升降。鞋底刷洗機構一端與螺母相連，另一端與機架相 連，由升降機構帶動升降。圖11升降機構2. 6烘干、殺菌部分洗鞋機底部安裝熱風烘干系統(tǒng)和紅外殺菌系統(tǒng)，以保證將鞋快速烘干和消滅細菌，達到 保護腳

11、的目的。烘干采用內(nèi)熱循環(huán)氣流，冷熱風交替排除鞋子本身的濕度，從而達到均勻烘 干效果，有效果避免了鞋子在陽光下晾曬或風筒吹干對鞋子造成的損傷。殺菌釆用臭氧發(fā)生 器與內(nèi)循環(huán)氣液結合，對每個角落進行全面殺菌。2.7智能控制部分智能控制部分：慧魚二代編程接口板基于Windows7環(huán)境下ROBOpro編程控制。在工作時, 當接通工作開關后程序自動運行，各個部分無需單獨操作。計數(shù)齒輪與限位開關聯(lián)配合使用, 實現(xiàn)對各部件運動的精確控制。3運動、動力分析3. 1運動分析3.1.1撐鞋機構分析計算J L圖12氣動回路示意圖儲氣罐輸出氣壓至各氣缸， 量。由能量守恒P儲氣縱xl/儲氣進=P氣缸xU氣缸可知儲氣罐內(nèi)儲

12、存的能由 PlxS = POxS + F得出力 F = (Pl_PO)xSPl一一氣缸氣體壓強PO大氣壓強S氣缸截面面積牛頓第三定律，推桿力和反推力是一對作用力和反作用力，故r=F圖14撐鞋受力分析圖由受力分析可知：F2 = FxCOSaF3 = F2 沢 COSp聯(lián)立得：F3 = F *xCOSax COS%摩擦力克服重力，使得鞋子被固定而不會掉下，即：xF3GG 鞋子重量“摩擦系數(shù)即要滿足設計要求所需參數(shù)：/ x (P1 - PO) x 5 x COS a x COSp 廣 G3.1. 2橫向刷洗機構分析計算機構自由度計算如下：圖15機構自由度如圖示，空間活動構件71 = 5,五級副p5

13、= 4,四級副p4 = 2, 一級副pl = l,由公式:F = 6xn-5x /?5-4x p4-3x p3-2x p2-pl 得F=6x5-5x4-4x2-1=1運動鏈的自由度大于零，且等于原動件的數(shù)目，此運動鏈能構成一個合理機構。計算螺桿螺母升速，由gx灼I螺桿導程(P螺桿轉(zhuǎn)動角度S 螺母升程n螺桿轉(zhuǎn)速3.1.3刷洗力計算分析圖16齒輪箱傳動示意圖電機額定功率P，轉(zhuǎn)速N。，減速箱部分齒輪傳動比：-Z1 Z3 Z5 1 11 11 121I = X X = X X =Z2 Z4 Z6 14 20 28 7760毛刷的轉(zhuǎn)速N=Nxf毛刷的功率P=PJ“一一傳動效率由轉(zhuǎn)矩計算公式T = 9.5

14、5xlOxN關于合理選擇刷洗力的計算，毛刷在轉(zhuǎn)動的過程中，主要是靠毛刷和鞋面的摩擦力，而 摩擦力的計算可簡化為毛刷的圓周力F,在己知毛刷轉(zhuǎn)矩T和毛刷桿半徑R的情況下，易求 得：尸=%,在實際洗刷過程中，只需毛刷圓周力滿足：即滿足了刷洗 干凈的要求，乂避免了刷力過大損壞鞋子。3.1.4空水及內(nèi)部刷洗機構強度分析計算受力分析：X/ = 0： %4-Gsin& = 0 得：XA = G smO其剪力圖如下：IXaG sin 9圖18 X方向剪力圖工7 = 0: % Gcos& = 0 得：Ya = G- cos0 其剪力圖如下：G cos 01圖19 Y方向剪力圖才 Ma（幵）=0 : M4-xGc

15、os& = 0 得：Ma = xGcos&其彎矩圖如下：圖20彎矩圖對于高為力，寬為b的矩形截面其抗彎模量毗計算如下:h/2zh/2b圖21抗彎模量計算圖Wz =1Z _bhH2_b h/2 =6滿足設計強度要求需:max即設計參數(shù)需滿足:6GI cos & 八-G鞋子重量I懸臂梁外伸長度0懸臂梁傾斜角度b截面寬度h截面高度b彎曲許用應力3.1.5擠水機構分析計算圖22凸輪推力受力分析圖絕對運動：板做擺線運動；相對運動：沿凸輪外廓的曲線運動；牽連運動：凸輪繞轉(zhuǎn)動中心0的轉(zhuǎn)動。作速度平行四邊形，由集合關系知：Va = Ve-siny = h - w-sin/凸輪受力分析計算:圖23彈簧作用受力圖

16、彈贊形變量AL = L2-Li彈贊拉力F彈矗=K AL力矩平衡有：KALOM = FONOzNK彈贊勁度系數(shù)Pro/ENGINEER卜運動仿真得夾板運動曲線圖如下：圖24夾板位置曲線圖25夾板角速度曲線圖26夾板角加速度曲線3.1.6升降機構分析計算原動件傳動到螺桿，依次由減速箱固定裝置（小齒輪組），減速傳動裝置（蝸桿，齒輪1, 齒輪2）減速，其傳動比：1111112111 =X一 X=1420287760.zl乙2115112 =X一二一Xz2z31510 10 121 1 121l = 11X12=X =7760 1077600電機轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速裝置，速度降為：n = noxi電機功率經(jīng)過傳

17、動裝置，功率變?yōu)椋篜 = Pol23由轉(zhuǎn)矩計算公式：T = 9.55xlOx上得螺桿轉(zhuǎn)矩丁n滿足順利升起傾斜的工作平面重量G,需有：FxLGxS得.GxSx/?xtan（a + 0）參數(shù)：/7o電機轉(zhuǎn)速0電機功率1 一一減速箱傳動效率2蝸桿蝸輪傳動效率3 齒輪傳動效率R螺桿半徑a螺旋升角(P一一當量摩擦角3.2動力分析本作品主要采用蝸桿蝸輪機構、螺旋傳動機構、氣壓傳動機構、齒輪齒條機構、鏈傳動機 構、搖桿滑塊機構等多種機構，構成具有各種功能的模塊。作品的動力供應主要釆用蓄電池 或220V交流電源。自動洗鞋機在工作過程中由電動機提供動力，主要由9伏電動機通過過齒輪減速箱將動力 提供給各運動機構，

18、以實現(xiàn)各個機構動作。氣動動力裝置由電機提供動力，通過皮帶輪帶動曲柄使氣缸的活塞作往復運動，實現(xiàn)吸 氣、壓氣，達到提高氣體壓力的目的。壓縮的氣體首先送入儲氣罐中，儲氣罐的作用是儲存 一定壓力的空氣，保證氣動回路壓力的穩(wěn)定，電磁閥控制氣體的流動方向，從而驅(qū)動各個機 構完成動作?？諝鈮嚎s機圖28氣動動力裝置示意圖4工作原理及主要功能指標4. 1工作原理1) 刷洗原理：通過橫向刷洗機構，豎向刷洗機構，鞋底刷洗機構和鞋內(nèi)刷洗機構，分別對鞋 子的各個表面進行全方位的刷洗。刷洗原理示意圖如圖所示：圖29刷洗原理示意圖2）空水原理：由特殊結構蝸桿齒輪組成與懸掛架組成，蝸桿齒輪中間平面與水平面成角度0, 懸掛架

19、與水平面平行。蝸桿帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，鞋子翻轉(zhuǎn)180度，使鞋子與水平面成角度鞋 內(nèi)積水空出。由兒何關系可知a = 18O。-26L圖30空水原理示意圖3）擠水原理：凸輪推動夾板，使夾板壓向鞋幫，對鞋幫施加壓力F1,同時撐鞋機構撐桿對 鞋幫施加力F2, F1和F2同時作用，將鞋內(nèi)水分擠出。刷洗力刷洗速度刷洗時間20 30N40mm/min1525min5控制設計洗鞋機控制系統(tǒng)由一個主控接口板和三個擴展板組成，及若干個限位開關，通過程序控制 各個機構運動。其運動流程圖如圖所示：將鞋放入洗鞋機內(nèi)支架按動開關啟動工作撐鞋機構展開刷洗、空水機構定位開始刷洗各刷洗機構開始工作鞋面鞋跟鞋內(nèi)刷洗完成刷洗機構復位升降

20、機構開始工作空水機構開始工作空水擠水機構工作洗刷完成，各機構復位圖32工作流程圖控制程序如下:刷洗階段子程序空水擠水階段子程序初始化子程序6創(chuàng)新點1）小型化，家庭化。使得大眾家庭足不出戶就能享受到洗鞋服務；2）通過橫向刷洗機構、豎向刷洗機構、鞋底刷洗機構、鞋內(nèi)刷洗機構等機構組成清洗部分， 對鞋子進行全方位的刷洗，使刷洗更加到位，快捷；3）鞋底刷洗機構，采用傳送帶式刷子，對鞋底進行大面積清洗，確保鞋底刷洗干凈；鞋底泥 污從洗鞋機底部流出，使得污水不會對鞋子造成二次污染；4）加入內(nèi)部刷洗機構，對鞋內(nèi)進行刷洗，解決鞋內(nèi)不便刷洗問題；5）加入擠水機構，使得平時不好擠出的鞋幫中的水得以擠出，重復的漂洗加擠水，使得鞋中 無殘留；6）刷子加入簡單的氣動構件，使得刷子在旋轉(zhuǎn)刷洗的同時可以做往復擺動的刷洗，使得清洗 更加潔凈。7應用前景7. 1模型成本自動洗鞋機模型所用材料主要為各種慧魚創(chuàng)意組合模型的相關構件，以及制作作品展示 臺和其它相關輔助材料。自動洗鞋機模型的合計成本：5000元左右7.2實際成本估算本模型轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品需要的主要部件有：數(shù)個電機、控制電路板、定位傳感器、鋼架 結構用來固定各部分組件、金屬或熟料外殼以及其它相關材料。根據(jù)市場上現(xiàn)有產(chǎn)品和相關設備及材料價格作為參考，以及我們產(chǎn)品的設計指標性能需 求