談自動搓背機的設計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實，設計了自動搓背機。本產品采用了絲杠、螺母副實現上下運動以適應不同人體高度；采用曲柄滑塊機構實現左右運行完成搓背；采用凸輪頂桿機構完成按摩。在參加“第五屆全國大學生機械創新設計大賽”時，榮獲了陜西賽區二等獎。本文主要介紹了自動搓背機的設計過程，可為新產品的開發提供參考。

關鍵詞：自動搓背機 設計方案 機構 控制系統

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

隨著經濟的快速發展，人民生活水平的提高，洗澡成為人們日常生活中一項身心放松的重要活動。但是，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品，但功能比較單一，效果不理想，針對這一現實，構思了搓背機的方案。

1 設計方案

1.1 機械運動系統

采用絲杠螺母副實現上下運動，用于適應不同人體高度；采用曲柄搖桿機構實現左右運動，實現搓背；采用齒輪組帶動凸輪機構前后運動，實現按摩。

1.2 電氣控制系統

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，經交直流變壓器轉換為24 V安全直流電壓，符合人體安全要求；根據不同使用個體的需求，通過可編程控制器對按摩、高低定位、左右運行電機實現無級調速。

實現三種功能如下。

功能1：搓背。

電動機輸出軸帶動曲柄，利用曲柄滑塊機構推動箱體在底板上左右往復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，帶動兩凸輪軸轉動，利用凸輪滾子機構來推動按摩頭前后往復直線運動，實現拍打按摩。

功能3：上下運行。

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

2 理論設計計算

2.1 已知技術參數（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 確定電動機轉速

2.5 電機的選擇

（1）選擇電機類型：根據已知工作要求和條件，選擇無刷直流電機驅動。在滿足使用功能的前提下，可減小設備尺寸，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，代入數值，得d=17.6，考慮到軸過長，質量大，所以取空心軸，d=20。

2.7 齒輪組設計

（1）直齒圓柱齒輪傳動參數的選擇和設計步驟：材料為45鋼，調質處理，硬度260 HBS。（2）選擇精度等級，選擇8級精度。（3）主要參數選擇。①齒數z。齒數越多，重合度增大，能提高傳動的平穩性，并降低摩擦損耗，提高傳動效率。確定齒數為，，。②模數m。模數影響齒輪的抗彎強度，一般滿足輪齒彎曲疲勞強度的調節下，宜取較小的模數，以利增大齒數，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 凸輪參數設計

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、螺母副實現上下往復直線運動。當底座運動到上、下極限位置時，利用上、下極限行程開關控制電動機正反轉；通過上下運行開關控制電機啟停。（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、凸輪機構實現定點按摩功能。工作時，按下按摩運行開關，電機啟動開始工作，停止時，再次按下開關，當凸輪軸上的電磁感應器接收到信號時，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實現搓背功能。工作時，按下左右運行開關，電機啟動開始工作，停止時，再次按下開關，當底座上的電磁感應器接收到信號時，電動機即停止。（原理如圖3所示）

3.4 聯合運動

接通電源按下系統啟動按鈕，同時按下三個工作開關，進入聯合運行狀態，可以實現全背部的搓洗按摩。

3.5 電氣控制系統

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

4 創新點及應用

4.1 創新點

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

4.2 應用

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

5 結語

本文從設計方案的確定，機構選擇，參數選擇，工作原理等方面系統介紹了自動搓背機的設計過程，可為新產品的開發設計及教學科研提供參考。

參考文獻

[1]侯克青，李圣.機械設計基礎課程設計指導書[M].煤炭工業出版社，2010.

[2]楊玉璋.互換性與技術測量[M].煤炭工業出版社，2004.

[3]何富賢，侯克青.機械設計基礎[M].煤炭工業出版社，2005.

[4]胡家秀.機械設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]王定國，周全光.機械原理與機械零件[M].北京：高等教育出版社，1988.

[6]張建中.機械設計基礎[M].徐州：中國礦業大學出版社，1999.

[7]申永勝.機械原理教程[M].北京：清華大學出版社，1999.

[8]陳立德.機械設計基礎[M].北京：高等教育出版社，2002.

[9]郭仁生.機械設計基礎[M].北京：清華大學出版社，2001.

[10]湯慧瑾.機械零件課程設計[M].北京：高等教育出版社，2001.