智能衣柜存取機械系統設計與分析

秦思源，王屹輝，王 政，曹鑫源，胡金平，錢 煒

(上海理工大學 機械工程學院， 上海 200093)

0 引言

隨著現代科學技術的迅猛發展和人們生活水平的提高，洗衣店滿足了人們日常洗衣的需求，使得人們的生活更高效、便捷和舒適。但是洗衣店存取衣物手續多、人工慢，如果能設計一款實現衣服自動存取的智能衣柜，那么勢必將替代洗衣店人為存取衣服的勞動，并且效率和準確性大大提高。

針對洗衣店客戶存取衣服的要求，通過對衣物檢測方法和智能存取衣物的研究，本文成功設計出了一款帶衣物存取系統的智能衣柜，實現了洗衣店智能化存取衣物的過程。

1 智能衣柜結構設計

1.1 整體結構設計

該智能衣柜主要包括動力傳遞部分、旋轉部分、導管部分以及取衣部分，如圖1所示。動力傳遞部分包括直流電機、直齒輪、錐齒輪，實現將動力傳輸至外轉軸上。旋轉部分包括轉盤、外轉軸、底座等零件，實現衣物的旋轉和定位功能。導管部分包括導管、電磁閥等零件，實現衣物從導桿上取下的功能。取衣部分包括取衣門、滑桿、滑桿座等零件，實現從衣柜中取出衣物的功能。

1.2 旋轉部分結構設計

旋轉部分結構如圖2所示，包括底座、軸承、外轉軸、齒輪、內定軸、套筒和圓盤等零件，它能夠帶動衣物旋轉至指定方位，具有定位電磁閥和拉動拉桿的功能。為實現這兩個功能，須實現“內軸固定、外軸轉動”的工作方式。內定軸固定在底座上，外轉軸套在內軸上，外轉軸設計有階梯，外轉軸階梯與圖2中軸承處接觸定位，與轉盤通過套筒進行連接；利用動力傳遞部分將電機轉矩傳遞到外轉軸上，利用上下兩軸承分解齒輪傳遞的徑向力，通過套筒間隙配合使其穩定，以實現“內軸固定、外軸轉動”的工作方式。

1.3 導管部分結構設計

導管部分如圖3和圖4所示，包括拉鉤、導管、線繩、拉桿、彈簧、支架和電磁閥，實現從導桿上取下衣物的功能。旋轉部分定位好衣物位置后，電磁閥工作，利用拉鉤、線繩傳遞電磁閥拉力，利用導管、線繩改變力的方向至拉桿，拉桿拉回，衣物滯空后，由于重力掉下從而取出，最后通過彈簧復位拉桿。

1-直流電機；2-直齒輪；3-電磁閥；4-轉盤；5-滑桿；6-滑桿座；7-取衣門；8-滑軌；9-外轉軸；10-底座；11-軸承座；12-小轉軸；13-錐齒輪

1-底座；2-軸承；3-外轉軸；4-齒輪；5-內定軸；6-套筒；7-圓盤

2 結構分析與校驗

2.1 旋轉部分結構分析與校驗

由于旋轉部分需要支撐衣物和導管部分的重量，同時也需要保證在旋轉過程中能夠承受電機旋轉所產生的扭矩，因此主要對旋轉軸進行分析。

1-拉鉤；2-導管；3-線繩； 7-電磁閥

4-拉桿；5-彈簧；6-支架

圖3導管背面結構 圖4導管正面結構

旋轉軸選取直徑為Φ30 mm的45鋼，其泊松比為0.29；根據外轉軸的受力形式將模型建立為簡支梁。電機額定功率P=30 W，扭矩為8 N·m。零部件接觸設為全局接觸。施加電機最大載荷即轉矩8 N·m，受力點為齒輪鍵槽側面。使用SolidWorks軟件建立外轉軸實體模型，模型按1∶1建立。利用SolidWorks的simulation插件對實體進行網格劃分，網格劃分時采用基于混合曲率的網格，最大單元為7.631 25 mm，最小單元為1.526 25 mm，網格劃分后對實體進行靜應力分析，運算結果如圖5～圖7所示。

由圖7可知，外轉軸最大應變為3.477×10-5，無明顯變形，符合外轉軸設計所需的剛度要求，故該設計合理。

2.2 導管部分結構分析與校驗

由于導管部分主要受力來源為衣物的重量，因此為了保證衣物能夠順利懸掛在拉桿上，對拉桿進行分析。

拉桿選取材料為ABS，其直徑為Φ10 mm，其泊松比為0.394，彈性模量為2.2 GPa。因其工作時為一端固定、一端自由，將模型簡化為懸臂梁。

圖5外轉軸應力云圖 圖6外轉軸位移云圖 圖7外轉軸應變云圖

零部件接觸設為全局接觸。施加載荷為單件衣物最大重，設為40 N，即拉桿所受最大壓力為40 N。使用SolidWorks軟件建立拉桿實體模型，模型比例為1∶1。利用SolidWorks的simulation插件對實體進行網格劃分，網格劃分為基于混合曲率的網格，最大單元為7.63 125 mm，最小單元為1.52 625 mm，對其進行靜應力分析，運算結果如圖8～圖10所示。

圖8 拉桿應力云圖圖9 拉桿位移云圖圖10 拉桿應變云圖

由圖10可知，拉桿最大應變為7.990×10-5，無明顯變形，符合拉桿設計所需的剛度要求，故該設計合理。

3 結論

本設計使用了電磁閥、導管結構，巧妙地利用了衣物的重力將衣物取出，簡化了機構，提高了效率，同時也能實現自動取衣。本文提出的智能衣柜的存取方式，也為同類產品的設計研發提供了理論參考。