一種新型多功能智能鞋柜設計與實現(xiàn)

劉 寧 隋秀梅 方振龍 于濟群 王姍珊

(長春職業(yè)技術學院,吉林 長春 130022)

伴隨社會進步和人們收入增加,傳統(tǒng)鞋柜已經(jīng)滿足不了中高收入家庭對放鞋空間的需求。此外,根據(jù)艾瑞報告,一般三口家庭至少擁有30~50雙鞋子的總量。鞋子存放和環(huán)保等問題越來越受到人們的關注。智能鞋柜是“自動智能健康式”的便利式家居產(chǎn)品,以原木材料為主,通過齒輪齒條、絲杠以及剪叉機構等多種傳動裝置來確保其功能的順利實現(xiàn),解決了拿放不方便、功能單一的問題。另外,添加清潔、保養(yǎng)的側(cè)柜可實現(xiàn)對鞋子四周刷油等功能,大大提高了鞋柜的功能。薛興虎等[1]基于空間利用低和除臭效率低等問題設計了一種插掛式智能鞋柜;卜許輝等[2]基于物聯(lián)網(wǎng)技術快速發(fā)展設計了一種利用臭氧除臭、烘干除濕防霉、自動放鞋取鞋的智能鞋柜;李燦霞等[3]利用電子信息技術以及自適應控制技術設計了一種可實現(xiàn)自動識別烘干、自動傳輸?shù)闹悄苄瘛?/p>

目前市面上女士鞋柜存在功能單一、占用空間、使用體驗效果不佳且易產(chǎn)生二次污染等問題,針對已有產(chǎn)品的缺陷進行改進,提出了一種新式多功能智能鞋柜,該產(chǎn)品主要由自動拿放主柜、側(cè)柜和剪叉升降機構組成,傳動方式采用齒輪齒條、液壓桿和絲杠傳動[4]。該產(chǎn)品以功能需求為導向,大大提高了空間的利用率,更方便了人們的居家生活,同時該設計為同類家具的研究提供了借鑒。

1 產(chǎn)品整體設計參數(shù)和原理

1.1 整體結構參數(shù)

該多功能智能鞋柜整體尺寸為(2.1×0.8×2.6)m,主柜尺寸為(1.5×0.8×2.6)m,如圖1(a、b)所示,內(nèi)設自動換層托盤,主要負責對鞋子進行換層與拿放。自動換層托盤上下連接絲杠,前后連接齒輪齒條,通過電機帶動絲杠與齒輪齒條分別實現(xiàn)托板的豎直與水平運動,接著托板帶動水平載鞋板進行豎直水平運動,以此來實現(xiàn)鞋子的換層與拿放[5]。右邊側(cè)柜的高為(0.6×0.6×0.8)m,其主要是用來對鞋子進行除塵、干燥、 刷油以及滅菌,內(nèi)有剪叉機構對鞋子進行升降便于毛刷對鞋子進行護理刷油,剪叉機構底部連接液壓桿。載鞋板的升降是利用光杠、絲杠和導軌配合完成,鞋子先由固定機構限位,經(jīng)過側(cè)柜處理后,再由自動換層機構對已經(jīng)清潔的鞋子完成換層和拿放。光杠上有一條長槽,允許帶有鍵的齒輪左右移動,并能由光杠的轉(zhuǎn)動帶動齒輪一起轉(zhuǎn)動,光杠起導向作用,傳動靠電機帶動絲杠來完成。

圖1 多功能智能鞋柜示意圖

1.2 工作原理

自動拿放主柜主要負責對鞋子進行自動存放,運用絲杠傳動實現(xiàn)托板的上下移動;絲杠與托板相連接,經(jīng)電機帶動絲杠傳動來實現(xiàn)托板的豎直方向運動,通過齒輪齒條傳動實現(xiàn)托板的水平移動;齒輪齒條與托板固定,通過電機帶動齒輪齒條來實現(xiàn)托板的前后運動,接著托板再托運載鞋板來實現(xiàn)鞋子的上下與前后運動[6]。兩個運動機構相互配合實現(xiàn)多層柜的換層,方便鞋子的拿放;另外,在自動拿放主柜的內(nèi)側(cè)增加紫外線殺毒裝置,可以對鞋子進行消菌殺毒;側(cè)柜通過運用齒輪齒條傳動對鞋子進行固定,通過運用電機來實現(xiàn)毛刷的運動對鞋子進行除塵與刷油,通過運用剪叉升降機構和液壓桿傳動機構來實現(xiàn)鞋子的升降。此外,清潔保養(yǎng)側(cè)柜內(nèi)側(cè)增加干燥燈對鞋子進行干燥[7]。

2 核心部件設計

2.1 自主拿放主柜設計

自動拿放主柜由絲杠傳動實現(xiàn)托板在豎直方向的移動,通過齒輪齒條傳動實現(xiàn)托板在水平方向的移動,兩個運動機構相互配合實現(xiàn)多層柜的換層,方便鞋子的拿放,如圖2(a)所示。自動換層托盤上下連接絲杠,前后連接齒輪齒條,通過電機帶動絲杠與齒輪齒條分別實現(xiàn)托板的豎直與水平運動,接著托板帶動水平載鞋板進行豎直水平運動,以此來實現(xiàn)鞋子的換層與拿放,如圖2(b)所示。

圖2 載鞋板水平移動機構示意圖

2.2 側(cè)柜設計

側(cè)柜主要有縱向清潔(上油)機構、水平清潔機構和剪叉式升降機構組成,側(cè)柜結構如圖3所示。

載鞋板鏈接縱向清潔機構和水平清潔機構,其中縱向清潔機構由刷鞋筒支撐裝置、限位模塊、上油毛刷組成,如圖4(a、b)所示。鞋子通過固定機構和齒輪齒條傳動機構,齒輪齒條起到限位作用,以防止鞋子在刷油過程中發(fā)生側(cè)移動。通過滾珠絲杠結構實現(xiàn)縱向刷鞋筒的前后運動來對鞋子的前表面進行護理,經(jīng)過剪叉、齒輪齒條和滾珠絲杠等結構實現(xiàn)自動刷油的功能。

圖3 側(cè)柜示意圖

圖4 載鞋板縱向裝置示意圖

橫向清潔機構主要由滾珠絲杠機構和刷鞋筒機構組成,載鞋板的水平移動由齒輪齒條傳動機構來實現(xiàn)(如圖5所示),齒條運用機械連接方法與托板連接在一起,與之配合的齒輪通過電機的驅(qū)動來帶動板運動,托板再托運載鞋板運動,從而完成載鞋板水平移動,通過電機帶動液壓桿,液壓桿再帶動剪叉機構來實現(xiàn)剪叉機構的運動,使鞋子與毛刷相互接觸并相互作用來實現(xiàn)對鞋子的清潔[8]。最后由齒輪齒條結構實現(xiàn)對鞋子的固定以及縱向刷鞋筒對鞋子進行清潔防護。

圖5 載鞋板橫向裝置示意圖

2.3 傳動機構設計

剪叉式機構(又稱剪式鉸、剪刀撐)是一類具有鮮明特色的可伸展機構,具有良好的可折疊性和空間伸展性,還具有運動單元模塊化、結構簡單、成本低廉等特點[9]。因此,在側(cè)柜使用剪叉機構(如圖6)實現(xiàn)對鞋子的升降功能。

圖6 剪叉機構示意圖

2.4 液壓桿傳動設計

電動液壓推桿適用于需要復推、拉直線(或往復旋轉(zhuǎn)一定角度)的運動,并且具有超負荷保護能力,不會損壞電機和機件[10]。同一臺電液推桿其推、拉力可無線調(diào)速,因而驅(qū)動力范圍廣。因此我們采用液壓桿(如圖7)傳動來帶動剪叉機構的運動。

3 電機選型

3.1 齒輪驅(qū)動電機

齒輪齒條驅(qū)動電機負責帶動與托板相固定的齒輪齒條,齒輪齒條帶動托板進行前后運動,托板再托起載鞋板。每個載鞋板的質(zhì)量約為 5 kg,其所能容納鞋子的數(shù)量在6雙左右,其總質(zhì)量大約為10 kg,托板質(zhì)量1 kg ,運動速度為0.1 m/s,電機負載F=156.8 N,軸向負載為833 N,傳動效率η=0.866。

圖7 液壓桿示意圖

電機輸出功率:

所需電機功率:

軸的扭矩:

電機轉(zhuǎn)速的計算:

因此,齒輪驅(qū)動電機選型為HY-100a。

3.2 絲杠驅(qū)動電機

絲杠驅(qū)動電機負責帶動與托板相連接的絲杠,絲杠帶動托板進行豎直方向運動,托板再托運載鞋板進行豎直方向運動。取速度為0.1 m/s,考慮阻力使載荷阻力增大10%,傳動效率η=0.877。

電機輸出功率:

所需電機功率:

電機轉(zhuǎn)速的計算:

因此,絲杠驅(qū)動電機選型為Y90S-6。

3.3 剪叉機構驅(qū)動電機

設剪叉機構以及鞋子的總質(zhì)量為10 kg ,剪叉機構的移動速度v=0.1m/s,傳動總效率η=0.877,考慮其所受運動阻力。

電機輸出功率:

所需電機功率:

電機轉(zhuǎn)速的計算:

因此,剪叉機構驅(qū)動電機選型為HY-100a。

4 關鍵部位有限元分析

4.1 托板應力分析

對托板進行有限元分析,其中托板總變形云圖如圖8(a)所示,最大變形量為0.020082 mm,如圖8(b)所示,可知滿足設計要求。

圖8 托板水平移動處的支撐短軸有限元分析結果示意圖

4.2 托板水平移動處的支撐短軸應力分析

對托板水平移動處的支撐短軸進行有限元分析,其中托板水平移動處的支撐短軸總變形云圖如圖9(a)所示,最大變形量為0.19503 mm,如圖9(b)所示,故滿足設計要求。

圖9 托板水平移動處的支撐短軸有限元分析結果示意圖

5 結論

綜上所述,該智能鞋柜主要采用絲杠傳動實現(xiàn)托板在豎直方向的移動,通過齒輪齒條傳動實現(xiàn)托板在水平方向的移動,兩個運動機構相互配合實現(xiàn)多層柜的換層,方便鞋子的拿放。另外在主柜的內(nèi)側(cè)增加紫外線殺毒裝置,可以對鞋子進行消菌殺毒,此外清潔保養(yǎng)側(cè)柜通過運用齒輪齒條傳動、絲杠傳動、剪叉升降機構來實現(xiàn)對鞋子四周灰塵的處理以及對鞋四周刷油、干燥等功能。仿真結果表明:所設計機構滿足強度要求,滿足以多功能需求為前提的同時,實現(xiàn)了空間利用率的最大化,同時該設計為同類家具的研究提供了借鑒。