談自動搓背機的設(shè)計①

賈永軍

摘 要：針對個人洗澡時，特別是老年人，后背難于搓到、搓凈，洗澡比較吃力這一現(xiàn)實，設(shè)計了自動搓背機。本產(chǎn)品采用了絲杠、螺母副實現(xiàn)上下運動以適應(yīng)不同人體高度；采用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)左右運行完成搓背；采用凸輪頂桿機構(gòu)完成按摩。在參加“第五屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”時，榮獲了陜西賽區(qū)二等獎。本文主要介紹了自動搓背機的設(shè)計過程，可為新產(chǎn)品的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：自動搓背機 設(shè)計方案 機構(gòu) 控制系統(tǒng)

中圖分類號：TH113 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）3（b）-0137-02

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，洗澡成為人們?nèi)粘Ｉ钪幸豁椛硇姆潘傻闹匾顒印５?，個人洗澡時，特別是老年人，后背難于搓到、搓凈，洗澡比較吃力。市面上雖有類似的產(chǎn)品，但功能比較單一，效果不理想，針對這一現(xiàn)實，構(gòu)思了搓背機的方案。

1 設(shè)計方案

1.1 機械運動系統(tǒng)

采用絲杠螺母副實現(xiàn)上下運動，用于適應(yīng)不同人體高度；采用曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)左右運動，實現(xiàn)搓背；采用齒輪組帶動凸輪機構(gòu)前后運動，實現(xiàn)按摩。

1.2 電氣控制系統(tǒng)

使用直流無刷電機，采用32位可編程控制器，控制電機起停。輸入電壓為220 V，經(jīng)交直流變壓器轉(zhuǎn)換為24 V安全直流電壓，符合人體安全要求；根據(jù)不同使用個體的需求，通過可編程控制器對按摩、高低定位、左右運行電機實現(xiàn)無級調(diào)速。

實現(xiàn)三種功能如下。

功能1：搓背。

電動機輸出軸帶動曲柄，利用曲柄滑塊機構(gòu)推動箱體在底板上左右往復(fù)直線運動以完成搓背動作。

功能2：按摩。

電動機輸出軸帶動左端的圓柱齒輪，采用一級圓柱齒輪減速器，帶動兩凸輪軸轉(zhuǎn)動，利用凸輪滾子機構(gòu)來推動按摩頭前后往復(fù)直線運動，實現(xiàn)拍打按摩。

功能3：上下運行。

由一臺電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，利用絲杠螺母副帶動底座實現(xiàn)上下運行，完成高低定位或者全背部的覆蓋。

2 理論設(shè)計計算

2.1 已知技術(shù)參數(shù)（表1）

2.2 電動機功率選擇及傳動效率

（1）上下運行傳動效率。

=0.99×0.95×0.99×0.99

=0.922

（2）左右運行傳動效率。

=0.97×0.9

=0.922

（3）按摩機構(gòu)傳動效率。

=0.99×0.99×0.97×0.97×0.99×0.89

=0.813

2.3 電機所需的工作功率（表2）

2.4 確定電動機轉(zhuǎn)速

2.5 電機的選擇

（1）選擇電機類型：根據(jù)已知工作要求和條件，選擇無刷直流電機驅(qū)動。在滿足使用功能的前提下，可減小設(shè)備尺寸，便于安裝使用。（2）確定電機功率。通過查取手冊，最終選擇：；；。

2.6 軸的直徑計算

材料45，取c=107，代入數(shù)值，得d=17.6，考慮到軸過長，質(zhì)量大，所以取空心軸，d=20。

2.7 齒輪組設(shè)計

（1）直齒圓柱齒輪傳動參數(shù)的選擇和設(shè)計步驟：材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度260 HBS。（2）選擇精度等級，選擇8級精度。（3）主要參數(shù)選擇。①齒數(shù)z。齒數(shù)越多，重合度增大，能提高傳動的平穩(wěn)性，并降低摩擦損耗，提高傳動效率。確定齒數(shù)為，，。②模數(shù)m。模數(shù)影響齒輪的抗彎強度，一般滿足輪齒彎曲疲勞強度的調(diào)節(jié)下，宜取較小的模數(shù)，以利增大齒數(shù)，減少切齒工作量。所以選擇m=2。③分度圓直徑。；。④中心距a。。⑤齒寬b。，取。

2.8 凸輪參數(shù)設(shè)計

凸輪軸的直徑是20 mm。凸輪半徑≥

取凸輪的半徑為23 mm，寬度為20 mm。材料：尼龍。

3 工作原理

3.1 上下運行

上下運行動作通過電機帶動絲杠、螺母副實現(xiàn)上下往復(fù)直線運動。當(dāng)?shù)鬃\動到上、下極限位置時，利用上、下極限行程開關(guān)控制電動機正反轉(zhuǎn)；通過上下運行開關(guān)控制電機啟停。（原理如圖1所示）

3.2 按摩運行

按摩運行動作通過電機帶動齒輪組、凸輪機構(gòu)實現(xiàn)定點按摩功能。工作時，按下按摩運行開關(guān)，電機啟動開始工作，停止時，再次按下開關(guān)，當(dāng)凸輪軸上的電磁感應(yīng)器接收到信號時，電動機即停止。（原理如圖2所示）

3.3 左右運行

左右運行動作通過電機帶動曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)搓背功能。工作時，按下左右運行開關(guān)，電機啟動開始工作，停止時，再次按下開關(guān)，當(dāng)?shù)鬃系碾姶鸥袘?yīng)器接收到信號時，電動機即停止。（原理如圖3所示）

3.4 聯(lián)合運動

接通電源按下系統(tǒng)啟動按鈕，同時按下三個工作開關(guān)，進(jìn)入聯(lián)合運行狀態(tài)，可以實現(xiàn)全背部的搓洗按摩。

3.5 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)中，采用一臺32位可編程控制器按預(yù)定程序集中控制機器的運轉(zhuǎn)。（控制系統(tǒng)原理如圖4所示）

4 創(chuàng)新點及應(yīng)用

4.1 創(chuàng)新點

本產(chǎn)品可以模擬人工搓澡和按摩功能，實現(xiàn)搓背、按摩自動化。充分利用曲柄滑塊機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)、圓柱凸輪滾子等直線運動機構(gòu)，實現(xiàn)搓背、按摩自動化。機械結(jié)構(gòu)靈活緊湊，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，工作可靠的特點。并可根據(jù)不同用戶需求調(diào)節(jié)搓背、按摩力度。

4.2 應(yīng)用

本產(chǎn)品具有體積小，占用空間小，操作簡單，安裝方便等優(yōu)點，工作時安全、舒適。適應(yīng)性強，老少皆宜，是家庭中不可缺失的一款現(xiàn)代家電產(chǎn)品，也可應(yīng)用于煤礦澡堂、酒店、洗浴等行業(yè)。

5 結(jié)語

本文從設(shè)計方案的確定，機構(gòu)選擇，參數(shù)選擇，工作原理等方面系統(tǒng)介紹了自動搓背機的設(shè)計過程，可為新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計及教學(xué)科研提供參考。

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