智能更換及抽取紙巾設備結構設計*

盧桂萍，周昭濱，曾勇輝，楊 杰

（北京理工大學珠海學院工業自動化學院，廣東珠海 519088）

0 引言

隨著中國科學技術的快速發展，新產品新技術的應用層出不窮，人們越來越注重智能家居產品的“實用主義”和“以人為本”[1]。在當前生活中的洗手間里，有關紙巾的智能家居產品就有自動抽紙機[2-3]、超聲波智能烘手機[4]和快速烘干的烘手機[5]等。這些智能家居產品在一定程度上提高了人們的生活質量，但是長期地更換紙巾以及烘手時間過長卻提高了人力成本，并且造成時間消耗。

智能更換及抽取紙巾設備是屬于智能家居領域的智能產品。為了實現低人力成本和可持續發展的“綠色科技”研究理念，智能更換及抽取紙巾設備可實現智能更換紙巾、抽取紙巾的功能，具有效率高、低能耗、使用便捷的特點。本文以結構簡單的連桿機構為主要支撐，設計一種智能更換及抽取卷筒紙巾設備的結構，豐富智能家居家電的發展。

1 設計方案

為了實現該設備能夠自動抽取和更換紙巾的功能，智能紙巾更換及抽取設備可大致分為紙巾更換部分及紙巾抽取部分，也可細分為紙巾送料裝置、紙頁分離裝置、紙巾固定裝置、推紙筒裝置和切紙裝置。

1.1 紙巾更換部分

紙巾更換部分如圖1所示，主要由紙頁分離裝置、推紙筒裝置、卷筒紙巾送料裝置和紙巾固定裝置四個不同裝置組成，并且安裝于殼體內的左右兩面側板上。在紙頁分離裝置中的紙巾用完的時候，光敏傳感器將感應不到有紙巾流出，進一步的紙巾固定裝置復位松開紙巾筒，進一步的推紙筒裝置將紙巾筒從出料口推出，進一步的卷筒紙巾送料裝置將紙巾送入紙頁分離裝置中，進一步的紙巾固定裝置將紙巾壓緊，進一步的紙頁分離裝置將紙巾分頁流出紙巾直至光敏傳感器感應到紙巾為止。在此過程中，也會出現存放紙巾的儲備箱中紙巾用完的情況，此時設備外殼的信號燈將會出現報警提示，等待人員在儲備箱中添加紙巾并關閉警示燈為止。

圖1 紙巾更換部分流程方案

1.2 紙巾抽取部分

紙巾抽取部分如圖2所示，主要由紙頁分離裝置和切紙裝置組成，在外殼下表面安裝有人體紅外傳感器。當紅外傳感器感應到人手時，切紙裝置回到最初的位置，進一步的紙頁分離裝置將紙頁分離，從該裝置中的前側或后側流出至出料口，當光敏傳感器感應到紙巾并且延長一定時間后，進一步的切紙裝置中的主切刀從最遠位置逐漸向前移動，從而與被切刀相切將紙巾剪短進而達到自動抽取紙巾的目的。刀具下方安裝有擋塊，在手掌伸入出料口時，可以避免刀具上手以實現安全、人性操作，符合人機工程學原理[6]。

圖2 紙巾抽取部分流程方案

2 結構設計及工作原理

2.1 整體結構設計及工作原理

智能更換及抽取紙巾設備根據設計方案對設備結構進行研究設計。整體的結構設計應用了齒輪傳動機構以提高工作效率，應用了連桿機構以實現前后移動運動規律[7]。

2.1.1 整體結構設計

圖3是智能更換及抽取紙巾設備整體的側視面結構示意圖。殼體上方是通過翻蓋實現開/閉合的送料口。在殼體送料口和紙頁分離裝置之間，是利用齒輪傳動提高效率，將紙巾從存儲箱中送入紙頁分離塊的紙巾送料裝置。

在紙巾送料裝置下方及殼體中部，安裝有用于分離紙頁的紙頁分離裝置。在紙頁分離裝置和紙巾送料裝置之間是用于固定落入紙頁分離裝置中的紙巾的紙巾固定裝置。在紙巾固定裝置后方，有用于將多余紙筒從出料口推出的推紙筒裝置。在推紙筒裝置下方，安裝有用于將紙巾剪斷的切紙機構。位于殼體的下方安裝有人體紅外傳感器，用于感應人手。

圖3 側視整體結構示意圖

圖4是智能更換及抽取紙巾設備正視面中紙巾固定裝置的結構示意圖。當紙巾從送料裝置中落入紙頁分離塊后，紙巾固定裝置的電機轉動，通過主動壓帽將紙巾與緩沖壓帽中的彈簧相互擠壓從而達到壓緊紙巾的功能。

圖4 紙巾固定裝置結構示意圖

2.1.2 工作原理

智能更換及抽取紙巾設備的主要功能是實現當感應到人體時，能夠智能抽取紙巾，當分離塊中的紙巾用完時，能夠自動清理殘留的紙巾筒，并且能及時更換新的紙巾進入設備分離塊中。該設備是通過單片機系統控制各個裝置的電機的工作流程，利用人體紅外傳感器感應人手，利用光敏傳感器感應紙巾的流出情況以便傳遞設備更換紙巾的信號。在殼體表面有用于提示的紙巾存儲箱內的紙巾情況。

2.2 裝置模型建立和設計

智能更換及抽取紙巾設備由紙巾送料裝置、紙頁分離裝置、紙巾固定裝置、推紙筒裝置、切紙裝置、外觀殼體、用于組裝的左右側板、傳感器和各個裝置的電機構成。圖5所示是去除外殼、左右側板和部分擋塊后，設備內部的主要結構示意圖。

2.2.1 紙巾送料裝置結構設計

紙巾送料裝置是通過第一電機控制，使小齒輪轉動，并與大齒輪相互嚙合傳動，帶動送料輪中的紙巾旋轉進入到紙頁分離裝置中。其中，小齒輪與大齒輪嚙合的傳動比為3∶1，使送料輪在靜止時，受紙巾自身重力影響而產生的誤差大幅度縮小。送料輪中心安裝有送料輪軸，送料輪軸兩端裝有軸承，使其運動順暢，并減小摩擦系數。整個裝置安裝于送料輪兩側的左右側板上。

圖5 裝置內部主要裝置的結構示意圖

2.2.2 紙巾固定裝置和紙頁分離裝置結構設計

紙巾固定裝置和紙頁分離裝置共用一個紙巾分離塊和一個第四電機。由圖6紙頁分離裝置、紙巾固定裝置的結構示意圖可以看出，紙巾固定裝置主要是利用第三電機轉動帶動與之相連的曲柄滑塊機構運動，使機構前端的主動壓帽從最遠處水平向前推動并推壓放置在紙頁分離塊上的卷筒紙巾向前推壓緩沖壓帽，使緩沖壓帽后方的彈簧壓縮，進而固定卷筒紙巾。

圖6 紙頁分離裝置、紙巾固定裝置的結構示意圖

通過市場調查可以發現，卷筒紙巾拆開包裝后的封口是利用水性膠粘緊的，而本設備使用的卷筒紙巾是在市場上現有的卷筒紙巾的基礎上，解開封口后，在紙巾前一圈半上圍上靜電吸附薄膜，從而實現紙巾完整包裝并且紙頁容易被分離錯開的目的，進而利用到紙頁分離裝置當中。

紙頁分離裝置是在卷筒紙巾包裝方面經過改良后進行結構上的設計，主要包括紙頁分離塊、光敏傳感器和第四電機。其中，光敏傳感器安裝在紙頁分離塊的前部和后部，當紙巾落入紙頁分離塊并被固定后，通過第四電機轉動帶動紙巾轉動，紙頁分離塊將紙巾表面的靜電吸附薄膜錯開分離后，從紙頁分離塊的前部或后部流出，經過光敏傳感器感應后，經過切紙機構并從出料口流出紙巾。

圖7 紙筒推料裝置的結構示意圖

2.2.3 推紙筒裝置結構設計

將紙筒從紙頁分離裝置中推出的動作，是在紙頁分離裝置中紙巾用完的情況下進行的。推紙筒裝置是利用裝置前端的紙筒推桿在第五電機轉動360°后，帶動曲柄滑塊機構運動，從而水平向前運動推出剩余的紙筒，并且回到初始位置。

2.2.4 切紙裝置結構設計

從圖8可以看出，切紙裝置的機構主要包括第二電機、第一切刀、第二切刀、上擋板、下擋板和推桿機構。推桿機構包括，切紙推桿、可伸縮的套筒、連桿、第二切刀和第二電機。其中，第二切刀安裝于切紙推桿上部，可伸縮的套筒安裝于切紙推桿下部。

從出料口流出一定長度的紙巾后，切紙裝置中的第二電機轉動360°帶動連桿向靠近上、下擋板一側運動，此時，套筒前端的切刀壓塊壓緊流出來的紙巾，通過可伸縮的套筒繼續壓縮，使得第二切刀與第一切刀相切將紙巾切斷。由于第一切刀隱蔽于上擋板中，而第二切刀受到套筒遮擋，若有人從出料口伸入手掌，也避免受傷。

圖8 切紙裝置結構示意圖

2.3 外觀殼體結構設計

智能更換及抽取紙巾設備的外觀殼體的尺寸大小為：310 mm×355 mm×656 mm，主要包括，可有翻蓋翻轉實現開/閉的送料口、工作狀態指示燈以及由左、右、前、后包裝板組成的殼體，如圖9所示。

圖9 整體外觀示意圖

2.4 整體模型

智能更換及抽取紙巾設備的整體模型及安裝方式主要是利用殼體內部的左、右側板將各個裝置、固定塊、擋板安裝于二者之間，使各個裝置的運動空間緊縮于同一個平面內，相互連接，并且互不干涉該設備的運動過程。

3 整體模型仿真及驗證

根據齒輪嚙合傳動和連桿機構的運動特點，將建立好的智能更換及抽取紙巾設備模型導入Pro/E軟件中進行運動仿真，設定好各個連桿約束和驅動，給定運動規律，各個裝置在初始位置到最終位置的動作如圖10、11、12所示。

圖10 推紙筒裝置的仿真運動序列

圖11 切紙裝置的仿真運動序列

圖12 紙巾固定裝置的仿真運動序列

從圖12可以看出，各個裝置運動的初始位置及最終位置合理，不存在運動干涉，驗證了智能更換及抽取紙巾設備整體結構設計的正確性和合理性。

4 結語

本文在分析了智能更換及抽取紙巾設備的設計方案的基礎上，將設備分為紙巾更換部分和紙巾抽取部分兩個主要工作流程方案，分別建立了智能更換及抽取紙巾設備的紙巾送料裝置、紙巾固定裝置、紙頁分離裝置、推紙筒裝置和切紙裝置的結構模型，并進行虛擬裝配。通過整體模型的仿真動畫工作，驗證了結構和運作上的合理性。

參考文獻：

［1］陳鵬.智能家居的系統分類和設計［J］.儀器儀表標準化與計量，2006（02）：43-45.

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［4］浙江大學.一種結合超聲波測距的智能型自動烘手機［P］.中國專 利 ： CN106955055A，2017-07-18.

［5］衢州環藝工業設計有限公司.一種環保且快速烘干的烘手機［P］. 中 國 專 利 ：CN206120209U，2017-04-26.

［6］李丹，韋小娟.工程機械設計中人機工程學的應用［J］.煤炭科技，2008（02）：56-57.

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［8］黎恢來.產品結構設計實例教程［M］.北京：電子工業出版社，2013.