家用自動洗鞋機設(shè)計說明書

1、第五屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽慧魚組參賽作品家用自動洗鞋機設(shè)計說明書設(shè)計者： 袁洋 馬路 鄧帥 杜思超 陳濤 設(shè)計單位： 中原工學(xué)院 設(shè)計部門： 機電學(xué)院 指導(dǎo)教師： 付曉莉 張偉杰 時 間： 2012年2月 河南·鄭州目 錄1.研制背景及意義 12.設(shè)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(shè)計 226.創(chuàng)新點 267.應(yīng)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(guān)系圖 附錄二 裝配流程圖 家用自動洗鞋機設(shè)計者：袁洋 馬路 鄧帥 杜思超 陳濤指導(dǎo)教師：付曉莉 張偉杰（中原工學(xué)院 機電學(xué)院 鄭州450007）摘要：以簡便、實用、

2、清潔，能解決洗鞋過程鞋子清潔除菌問題設(shè)備為研究對象，提出橫向刷洗機構(gòu)，豎向刷洗機構(gòu)，鞋底刷洗機構(gòu)，鞋內(nèi)刷洗機構(gòu)等四種刷洗機構(gòu)，再結(jié)合空水、擠水機構(gòu)，設(shè)計了一種家用洗鞋機，實驗結(jié)果表明，設(shè)備工作穩(wěn)定，性能可靠，功能實現(xiàn)效果良好。關(guān)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(shè)計大賽的主旨要求而設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)、豎向刷洗機構(gòu)、鞋底刷洗機構(gòu)、鞋內(nèi)刷洗機構(gòu)等機構(gòu)組成，對鞋子進行全方位的刷

3、洗，刷洗簡便、快捷，解決了現(xiàn)有洗鞋機清潔度不夠、鞋底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(gòu)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： 1 研制背景及意義據(jù)世界衛(wèi)生機構(gòu)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(yù)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)市場的洗鞋機較大型化，主

4、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(dǎo)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(shè)計成員對所存在問題認真分析，我們認為應(yīng)該考慮如下幾點：1）采用鞋子不動，刷子動的方式，解決鞋底污物形成污水對鞋子造成二次污染以及

5、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(gòu)。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(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合實際，做到以人為本，結(jié)合慧魚構(gòu)件，對比論證，合理巧妙選用機構(gòu)，在功能上突出自動化，智能化以及功能的集成化。2 設(shè)計方案家用自動洗鞋機由六大部分構(gòu)成，分別是外側(cè)清洗部分（鞋底刷洗機構(gòu)、橫向刷洗機構(gòu)、豎向刷洗機構(gòu)）、空水及內(nèi)部刷洗機構(gòu)、擠水機構(gòu)、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 撐鞋機構(gòu)撐鞋機構(gòu)（圖1）主要負責鞋

6、的撐起固定。該機構(gòu)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(gòu)機構(gòu)簡圖2.2 外側(cè)清洗部分清洗部分，由橫向刷洗機構(gòu)、豎向刷洗機構(gòu)和鞋底刷洗機構(gòu)組成，對鞋子外側(cè)進行全方位的刷洗，使刷洗簡便、快捷。鞋幫鞋底鞋側(cè)面鞋跟鞋面圖2 鞋子示意圖橫向刷洗機構(gòu)橫向刷洗機構(gòu)（圖3）主要負責對鞋子鞋面的刷洗。該機構(gòu)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(gòu)沿導(dǎo)軌做橫向移動，刷子在旋轉(zhuǎn)刷洗的同時做往復(fù)擺動的刷洗，從而使刷洗更加干凈。工作完成后（鞋面刷洗完成），橫向刷洗機構(gòu)復(fù)

7、位，為下一次刷洗做準備。圖3 橫向刷洗機構(gòu)機構(gòu)簡圖圖4 橫向刷洗機構(gòu)三維零件建模示意圖豎向刷洗機構(gòu)豎向刷洗機構(gòu)（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(dǎo)軌上做往復(fù)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(gòu)上部固接于水平移動架，帶動豎向刷洗機構(gòu)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(gòu)復(fù)位，為下一次刷洗做準備。 圖5 豎向刷洗機構(gòu)示意圖鞋底刷洗機構(gòu)鞋底刷洗機構(gòu)（圖6）主要負責對鞋底以及對鞋跟一部分豎向刷洗機構(gòu)清洗不到的部分進行清洗。該機構(gòu)固接于升降機構(gòu)，由電機驅(qū)動，通過輸出軸帶動鏈輪1、2、3和一個大齒

8、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。圖6 鞋底刷洗機構(gòu)2.3 空水及內(nèi)部刷洗機構(gòu)空水及內(nèi)部刷洗機構(gòu)（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(gòu)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)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(gòu)處于空水位置，程序運行，機構(gòu)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

9、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(gòu)刷子停止，復(fù)位?？账皟?nèi)部刷洗機構(gòu)再次翻轉(zhuǎn)180度，鞋子回到空水位置，進行空水。空水完畢，機構(gòu)復(fù)位，進行下一步驟，同時為下一次刷洗做準備。圖7 空水及內(nèi)部刷洗機構(gòu)圖8 空水及內(nèi)部刷洗機構(gòu)三維零件建模示意圖2.4 擠水機構(gòu)擠水機構(gòu)（圖9）主要負責實現(xiàn)對鞋幫水分擠出。該機構(gòu)固接于升降機構(gòu)，由氣缸帶動實現(xiàn)機構(gòu)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(fù)位彈簧對夾板進行復(fù)位，與凸輪配合，從而實現(xiàn)對鞋幫的反復(fù)擠壓。擠水階段，氣缸將機構(gòu)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(gòu)拉出置初始位置，工作完畢。圖9

10、擠水機構(gòu)圖10 擠水機構(gòu)三維零件建模示意圖2.5 升降機構(gòu)升降機構(gòu)（圖8）主要負責使底部刷洗機構(gòu)與鞋底貼合以及將擠水機構(gòu)送至鞋幫兩側(cè)等工作。該機構(gòu)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(gòu)一端與螺母相連，另一端與機架相連，由升降機構(gòu)帶動升降。圖11 升降機構(gòu)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。殺菌采用臭氧發(fā)生器與

11、內(nèi)循環(huán)氣液結(jié)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(guān)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(guān)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(gòu)分析計算圖12 氣動回路示意圖儲氣罐輸出氣壓至各氣缸，由能量守恒可知儲氣罐內(nèi)儲存的能量。圖13 氣缸內(nèi)部受力示意圖由 得出力 氣缸氣體壓強大氣壓強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，故圖14 撐鞋受力分析圖由受力分析可知：聯(lián)立得：摩擦力克服重力，使得鞋子被

12、固定而不會掉下，即：鞋子重量摩擦系數(shù)即要滿足設(shè)計要求所需參數(shù)：3.1.2 橫向刷洗機構(gòu)分析計算機構(gòu)自由度計算如下： 圖15 機構(gòu)自由度如圖示，空間活動構(gòu)件,五級副，四級副，一級副，由公式：得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(gòu)成一個合理機構(gòu)。計算螺桿螺母升速，由 聯(lián)立得 螺桿導(dǎo)程螺桿轉(zhuǎn)動角度螺母升程螺桿轉(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,轉(zhuǎn)速,減速箱部分齒輪傳動比:毛刷的轉(zhuǎn)速毛刷的功率傳動效率由轉(zhuǎn)矩計算公式關(guān)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，在已知毛刷轉(zhuǎn)矩和毛刷桿半徑的情

13、況下，易求得： ，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，又避免了刷力過大損壞鞋子。3.1.4 空水及內(nèi)部刷洗機構(gòu)強度分析計算受力分析：圖17 受力分析圖: 得：其剪力圖如下：圖18 X方向剪力圖: 得：其剪力圖如下：圖19 Y方向剪力圖: 得：其彎矩圖如下：圖20 彎矩圖對于高為,寬為的矩形截面其抗彎模量計算如下：圖21 抗彎模量計算圖滿足設(shè)計強度要求需：即設(shè)計參數(shù)需滿足：鞋子重量懸臂梁外伸長度懸臂梁傾斜角度截面寬度截面高度彎曲許用應(yīng)力3.1.5 擠水機構(gòu)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

14、O的轉(zhuǎn)動。作速度平行四邊形，由集合關(guān)系知：凸輪受力分析計算：圖23 彈簧作用受力圖彈簧形變量彈簧拉力力矩平衡有：得：彈簧勁度系數(shù)Pro/ENGINEER下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(gòu)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： 電機轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速裝置，速度降為：電機功率經(jīng)過傳動裝置，功率變?yōu)椋河赊D(zhuǎn)矩計算公式： 得螺桿轉(zhuǎn)矩由此轉(zhuǎn)矩而產(chǎn)生的升力 ：圖27 升降受力分析圖滿足順利升起傾斜的工作平面重量，需有 : 得 ：參數(shù)：電機轉(zhuǎn)速電機功率減速箱

15、傳動效率蝸桿蝸輪傳動效率齒輪傳動效率螺桿半徑螺旋升角當量摩擦角3.2 動力分析本作品主要采用蝸桿蝸輪機構(gòu)、螺旋傳動機構(gòu)、氣壓傳動機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、搖桿滑塊機構(gòu)等多種機構(gòu)，構(gòu)成具有各種功能的模塊。作品的動力供應(yīng)主要采用蓄電池或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(gòu)，以實現(xiàn)各個機構(gòu)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(fù)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)

16、動各個機構(gòu)完成動作。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(gòu)，豎向刷洗機構(gòu)，鞋底刷洗機構(gòu)和鞋內(nèi)刷洗機構(gòu)，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(jié)構(gòu)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，懸掛架與水平面平行。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。由幾何關(guān)系可知。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(gòu)撐桿對鞋幫施加力F2，F(xiàn)1和F2同時作用，將鞋內(nèi)水分擠出。圖31

17、擠水原理示意圖4.2 主要功能指標刷洗力刷洗速度刷洗時間2030N40mm/min1525min5 控制設(shè)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(guān)，通過程序控制各個機構(gòu)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(guān)啟動工作開始刷洗鞋面鞋跟鞋內(nèi)刷洗完成各刷洗機構(gòu)開始工作升降機構(gòu)開始工作刷洗機構(gòu)復(fù)位空水機構(gòu)開始工作空水擠水機構(gòu)工作刷洗、空水機構(gòu)定位撐鞋機構(gòu)展開洗刷完成，各機構(gòu)復(fù)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(wù)；2）通過橫向刷洗機構(gòu)、豎向刷洗機構(gòu)、鞋

18、底刷洗機構(gòu)、鞋內(nèi)刷洗機構(gòu)等機構(gòu)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(gòu)，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(gòu)，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(gòu)，使得平時不好擠出的鞋幫中的水得以擠出，重復(fù)的漂洗加擠水，使得鞋中無殘留；6）刷子加入簡單的氣動構(gòu)件，使得刷子在旋轉(zhuǎn)刷洗的同時可以做往復(fù)擺動的刷洗，使得清洗更加潔凈。7 應(yīng)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(guān)構(gòu)件，以及制作作品展示臺和其它相關(guān)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(jié)構(gòu)用來固定各部分組件、金屬或熟料外殼以及其它相關(guān)材料。根據(jù)市場上現(xiàn)有產(chǎn)品和相關(guān)設(shè)備及材料價格作為參考，以及我們產(chǎn)品的設(shè)計指標性能需求進行綜合分析，家用自動洗鞋機整套設(shè)備單件造價約為2000元左右，實際大批量生產(chǎn)制造成本約為500-600元左右。7.3 應(yīng)用前景全