家用智能換水裝置的研究與應(yīng)用

王超 黃偉 陳虎城

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)推桿;電機(jī);夾緊;抬升;旋轉(zhuǎn)

【中圖分類號(hào)】TM921.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）06-0045-03

0 引言

20世紀(jì)90年代，我國(guó)第一臺(tái)飲水機(jī)誕生。自此，在小型家用電器領(lǐng)域中，飲水機(jī)因其提升了人們的飲水質(zhì)量和生活品位而成為家電必需品，直到現(xiàn)在都備受消費(fèi)者喜愛(ài)。根據(jù)資料顯示：2016年、2017年我國(guó)飲水機(jī)的產(chǎn)量均突破了2 500萬(wàn)臺(tái);在飲水機(jī)市場(chǎng)日漸飽和的情況下，2018年，飲水機(jī)產(chǎn)量也達(dá)到了2 563萬(wàn)臺(tái)。隨著飲水機(jī)的普及，形狀各異的飲水機(jī)也漸漸走進(jìn)了大眾生活[1]。市場(chǎng)上，臺(tái)式飲水機(jī)因其價(jià)格便宜、體積較小、功能能滿足大多數(shù)用戶的需求，現(xiàn)今家庭中使用最多的還是臺(tái)式飲水機(jī)。使用臺(tái)式飲水機(jī)時(shí)，不可避免地要重復(fù)更換桶裝水，但目前的臺(tái)式桶裝飲水機(jī)還不具備自動(dòng)換水及外部機(jī)構(gòu)輔助換水的裝置，當(dāng)飲水機(jī)的桶裝水用完后，一般是先將桶裝水抬起后旋轉(zhuǎn)倒放入飲水機(jī)，桶裝水的更換完全需要人力抬高替換。

1 裝置介紹

該裝置由移動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)、電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電機(jī)推桿抬升機(jī)構(gòu)4個(gè)部分組成，整體機(jī)械裝置模型圖如圖1所示。

1.1 總體結(jié)構(gòu)介紹

為實(shí)現(xiàn)省力更換桶裝水的目的，本文設(shè)計(jì)的家用智能換水裝置包括底架、底架為中心橫桿和中心橫桿兩端側(cè)桿組成的“工”字形架，兩段側(cè)桿下方各安裝有2個(gè)萬(wàn)向輪，4個(gè)萬(wàn)向輪層呈矩形分布，中心與第二電機(jī)軸豎直相對(duì)。兩個(gè)側(cè)桿的上表面均安裝有2個(gè)豎向設(shè)置的支撐桿，4個(gè)支撐桿的頂端固定安裝有橫向設(shè)置的連接框架，同一側(cè)桿上的2個(gè)支撐桿之間滑動(dòng)連接有升降板，2個(gè)升降板與連接框架之間均固定有電動(dòng)推桿，2個(gè)升降板之間連接夾緊機(jī)構(gòu)。2個(gè)升降板的中部均開(kāi)設(shè)有安裝空腔，且2個(gè)安裝空腔內(nèi)均固定有第二電機(jī)，夾緊機(jī)構(gòu)包括位于2個(gè)升降板中間的翻轉(zhuǎn)板，2個(gè)第二電機(jī)的輸出軸分別與翻轉(zhuǎn)板的兩端固定連接，翻轉(zhuǎn)板的一側(cè)表面固定有2個(gè)第一電機(jī)，2個(gè)第一電機(jī)的輸出軸均穿過(guò)翻轉(zhuǎn)板，并固定連接有夾爪，夾爪上安裝有桶頸限位板。

1.2 移動(dòng)結(jié)構(gòu)介紹

底架、4個(gè)支撐桿和連接框架均由鋁型材制成，底架中的兩個(gè)側(cè)桿下方均安裝有2個(gè)萬(wàn)向輪[2]，且4個(gè)萬(wàn)向輪成矩形分布，可以提高穩(wěn)定性。萬(wàn)向輪可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置進(jìn)退旋轉(zhuǎn)。底盤(pán)移動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

1.3 夾緊機(jī)構(gòu)介紹

為了保證夾緊力，夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用漸開(kāi)線凸輪雙向夾緊機(jī)構(gòu)，能夠防止機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程掉落，也方便計(jì)算計(jì)算夾緊力及夾爪各參數(shù)[3]。

圖3是單個(gè)漸開(kāi)線凸輪的工作示意圖[4]。rb是漸開(kāi)線基圓的半徑;θC=∠BOC是漸開(kāi)線上C點(diǎn)的壓力角;αC=∠AOK是漸開(kāi)線上K點(diǎn)的展角，αC=tanθC-θC;β=∠OKB，β+θC=90°;rK=OC是漸開(kāi)線上K點(diǎn)的矢徑;R=BC是漸開(kāi)線上C點(diǎn)發(fā)生線的長(zhǎng)度，即C點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑。則αC和θC都可以通過(guò)αC+θC計(jì)算得到，因此最后取ψC=αC+θC作為設(shè)計(jì)凸輪的主要角度參數(shù)。單個(gè)凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示。

兩個(gè)夾爪之間裝夾有水桶，每個(gè)夾爪均包括3個(gè)互相平行設(shè)置的第一夾板、第二夾板和第三夾板，第一夾板、第二夾板和第三夾板之間連接有多個(gè)支撐柱，且第一夾板背離第二夾板的一側(cè)中部安裝有桶頸限位板。3塊夾板使得水桶重心與翻轉(zhuǎn)板為同一平面。

桶頸限位板包括安裝部、連接部和限位部3個(gè)弧形板，連接部連接安裝部和限位部，安裝部通過(guò)螺釘固定在第一夾板上。桶頸限位板的斷截面為“Z”字形，限位部的內(nèi)徑小于第一夾板的內(nèi)徑，有利于夾緊水桶出水口的夾緊，具有保護(hù)水桶出水口的作用。夾爪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.4 抬升機(jī)構(gòu)介紹

電動(dòng)推桿固定在連接框架上，通過(guò)與升降板連接，帶動(dòng)第二電機(jī)及整個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)和桶裝水向上升起，達(dá)到旋轉(zhuǎn)所需要高度，機(jī)構(gòu)相關(guān)動(dòng)作運(yùn)行到位后，帶動(dòng)水桶下降，完成上水過(guò)程[5]。

電動(dòng)推桿不僅可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抬升，還可以控制位置，且擁有良好的自鎖性能，保證機(jī)構(gòu)安全運(yùn)行。電動(dòng)推桿外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.5 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)介紹

第二電機(jī)通過(guò)抱緊機(jī)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)板連接，傳遞動(dòng)力和扭矩，旋轉(zhuǎn)電機(jī)扭矩為M，輸出力為F，電機(jī)轉(zhuǎn)子半徑為R。計(jì)算公式如下：

M=F×R （1）

常用桶裝水重力為G，重心離轉(zhuǎn)子中心距為L(zhǎng)，所需轉(zhuǎn)矩為M1。計(jì)算公式如下：

M1=G×L （2）

電機(jī)扭矩M>M1，符合選用要求。

2 工作原理

首先將裝置移動(dòng)到水桶的位置，然后啟動(dòng)第一電機(jī)，打開(kāi)2個(gè)夾爪，向著水桶的方向推動(dòng)裝置，直至2個(gè)夾爪完全罩住水桶，驅(qū)動(dòng)第一電機(jī)使其反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)夾爪夾緊水桶，此時(shí)可將裝置移動(dòng)到中心橫桿緊貼飲水機(jī)的位置，啟動(dòng)電動(dòng)推桿，實(shí)現(xiàn)水桶和夾緊機(jī)構(gòu)的上提，上提到高于飲水機(jī)的位置后，啟動(dòng)第二電機(jī)，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)板的轉(zhuǎn)動(dòng)，使水桶對(duì)準(zhǔn)飲水機(jī)口，此時(shí)停止第二電機(jī)的工作，之后配合電動(dòng)推桿將升降板下推，水桶裝到飲水機(jī)上，實(shí)現(xiàn)上水，再將夾緊機(jī)構(gòu)恢復(fù)到原位置即可實(shí)現(xiàn)下一次的上水。

3 有益效果

3.1 移動(dòng)方便

底架、4個(gè)支撐桿和連接框架均由鋁型材制成，底架中的2個(gè)側(cè)桿上均安裝有2個(gè)萬(wàn)向輪，且4個(gè)萬(wàn)向輪成矩形分布，鋁型材制成的底架、支撐桿和連接框架質(zhì)量輕，更便于裝置的整體移動(dòng)和搬運(yùn)組裝，萬(wàn)向輪起到便于移動(dòng)的作用。

3.2 重量小、便于拆卸組裝

底架、支撐桿和連接框架采用鋁型材進(jìn)行配套使用，不需要焊接，便于拆卸、安裝，且鋁型材密度小、重量輕，有利于搬移，配合底架上安裝的萬(wàn)向輪，裝置移動(dòng)方便且省力。

3.3 裝置安全可靠

在設(shè)計(jì)的夾緊機(jī)構(gòu)中，2個(gè)夾爪之間裝夾有水桶，每個(gè)夾爪均包括3個(gè)互相平行設(shè)置的第一夾板、第二夾板和第三夾板，三者之間連接有多個(gè)支撐柱，可抱住水桶，便于后續(xù)對(duì)水桶的上提和翻轉(zhuǎn)，模擬人手將水桶固定住，夾緊效果好，在傳送過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)、脫落的問(wèn)題，使用安全可靠，避免水桶脫落。

3.4 使用方便、效率高

利用電動(dòng)推桿、第一電機(jī)和第二電機(jī)的配合使用，代替人力實(shí)現(xiàn)桶裝水的上水，使得上水過(guò)程更加方便，能夠達(dá)到智能、省力上水的目的，大大提高了更換桶裝水的工作效率，且工作時(shí)無(wú)煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪音小，實(shí)用性強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著飲水機(jī)在市場(chǎng)的普及，臺(tái)式飲水機(jī)因?yàn)閮r(jià)格便宜、體積小、功能滿足大多數(shù)用戶的需求，所以現(xiàn)在家庭中使用最多的還是臺(tái)式飲水機(jī)。在使用臺(tái)式飲水機(jī)時(shí)，我們不可避免地要重復(fù)更換桶裝水。市售桶裝水容積一般是18.9 L，裝滿水后的重量大概在19 kg。對(duì)于一般的成年男性來(lái)說(shuō)，更換比較容易，而對(duì)于老人、兒童、女性等群體就顯得比較沉重，給人們生活帶來(lái)極大的不便。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，市場(chǎng)急需一種家用智能換水裝置，實(shí)現(xiàn)將家用桶裝水固定、抬升、定位、翻轉(zhuǎn)、下降上水，最后將其放入到飲水機(jī)里面。本文的設(shè)計(jì)便是基于上述問(wèn)題來(lái)考慮，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、功能實(shí)用、成本較低、靈活便捷，滿足了廣大家庭的需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳德根，朱澤清，田金，等.飲水機(jī)使用現(xiàn)狀分析[J].科技與創(chuàng)新，2019（18）：120-121.

[2]王轉(zhuǎn)柱.多功能萬(wàn)向輪[J].機(jī)械工人（冷加工），1993

（1）：29.

[3]周道.防掉落及夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2018（6）：103-104.

[4]許振杰，黃嘉興，梁斌，等.漸開(kāi)線凸輪雙向夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2018（6）：36-38.

[5]賈米娜，郭鋒.實(shí)用電動(dòng)推桿[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2006

（2）：58-59.