一種電子智能櫥柜鎖鎖體的設計

黃東陽

（廈門宏泰科技研究院有限公司，福建 廈門361000）

按照使用場所的不同，鎖具可以分為門鎖、窗鎖、車鎖、家具鎖和箱包鎖等等，而家具鎖又可分為抽屜鎖和櫥柜鎖等。按照控制執行機構啟閉方式的不同，鎖具可以分為傳統機械鎖和電子智能鎖。電子智能櫥柜鎖是一種以電子方式識別處理網絡通訊、生物特征、電子數據等信息并控制機械執行機構實施啟、閉，使用在櫥窗、櫥柜等家具上的鎖。

隨著科學技術的發展，特別是通信信息和生物識別等技術的更新換代，電子智能鎖的功能越來越完善，接入的生活場景也越來越多。目前，國內電子智能鎖大多見于防盜門和特殊用途的地方，在櫥柜上比較少見。而在國外，很多家庭已經開始使用電子櫥柜鎖；在一些像洗浴中心、健身房、醫院和體育館等等公共場所，更是得到廣泛使用。電子智能櫥柜鎖具有使用方便和管理高效等優點，而相比電子智能防盜門鎖，又具有價格低廉、安裝方便和需求量大等優勢。因此，在現階段開發制造電子櫥柜鎖具有一定的現實意義和經濟效益。本文根據櫥柜鎖的使用場景和安裝方式，設計了一個可以采用各種電子信息和生物特征作為載體控制的鎖體，可以滿足國標的相關要求，可以適用左、右開門模式，可以方便產品的衍生或升級。只需更換外置識讀面板就可以滿足不同的外觀和功能需求，如衍生為卡片式、密碼按鍵式和網絡控制式等等不同型式的電子智能鎖。

1 電子智能櫥柜鎖鎖體的設計任務

根據實際使用情況，并參考國標中關于家具鎖的相關要求，確定所要設計鎖體的主要結構設計任務為：鎖舌伸出長度不少于6mm，以保證鎖閉的可靠性；鎖舌完全伸出或收縮時間不大于1s，以避免降低使用體驗；當鎖舌承受不大于2kgf的側向載荷時，仍可縮回，以保證當柜子塞滿或其他異常導致門板被卡緊時，仍可正常開鎖；鎖舌所能承受的最大側向靜載荷不小于40kgf，以保證足夠的鎖閉強度；使用壽命不少于20000次。

2 電子智能櫥柜鎖鎖體的設計方案

為了達到采用各種載體控制鎖體實現鎖閉的目的，鎖體應包含原動機、傳動機構、執行機構、控制部分和輔助部分等五個模塊。

圖1是實現上述任務和要求的鎖體結構方案圖，其工作原理如下。

2.1 原動機

圖1中的3為鎖體的原動機，采用微型電動機作為動力源。通過電池供電，微型電動機呈旋轉運動的狀態，并輸出一定的轉矩，以驅動鎖體完成啟閉功能。

2.2 傳動機構

圖1中的1為鎖體的傳動機構，采用的是齒輪傳動機構。首先，通過微型電動機驅動蝸桿，蝸桿與小雙聯齒輪中的大齒輪嚙合，完成第一級減速；接著，小雙聯齒輪中小齒輪與大雙聯齒輪中的大齒輪嚙合，完成第二級減速；最后，大雙聯齒輪中的小齒輪與齒條嚙合，完成第三級減速，并最終完成將旋轉運動變為直線運動，小轉矩變為大轉矩的目的。

2.3 執行機構

圖1中的2為鎖體的執行機構，也就是常說的鎖舌，采用的是斜舌部件。通過2個壓縮彈簧來連接斜舌部件與齒條，以達到柔性連接的目的。通過柔性連接，當關門的時候，斜舌可以自動伸縮；當斜舌被卡住或超過行程時，電機仍可正常運行，而不會引起過載；當異常排除后，斜舌可自動復位。

圖1 電子智能櫥柜鎖鎖體結構方案圖

2.4 控制部分

圖1中的4為鎖體的控制電路板，主要包括變壓穩壓控制芯片，微型電動機控制芯片，以及電感、電阻、電容、二極管、三極管、復位開關和各種連接接口等電子元器件。用于根據外部識別所獲得的信息，控制和保證電機正常工作。

2.5 輔助部分

圖1中的5為鎖體的輔助部分，主要包括鎖殼、電池彈簧、連接導線、潤滑脂和螺釘等等。其中，鎖殼分為三部分，一部分是裝載電池彈簧、電池和控制板的電池盒；一部分是定位和緊固電機、傳動件和斜舌等活動件，起啟閉功能的鎖舌盒；一部分是固定電池盒和鎖舌盒，并作為安裝板的固定殼。將鎖殼分開的好處是，可以根據不同部分的功能和強度要求，采用不同的材質和加工工藝，比如電池盒和鎖舌盒可以采用塑膠材料，固定殼可以采用金屬材料，以降低成本和便于管控；可以將鎖舌盒設計成便于拆裝的部件，并只須改變其裝配方向，就可以滿足左開門或右開門的使用要求。

3 電子智能櫥柜鎖鎖體的設計

根據上述設計任務和方案，確定了整機結構和零部件類型，取鎖舌伸出長度為13mm；選擇微型電動機額定電壓為6.0V，滿載轉速為12000r/min，滿載轉矩為5.1g·cm；確定傳動機構總傳動比為100.8，并分配各級傳動比；計算運動和動力參數，可得，鎖舌完全伸出或縮回所需時間為0.35s，并且在承受最大2.15kgf的側向載荷時，仍可縮回。

基于上述分析和計算，以及根據各零部件的選材和相應制造工藝，在Creo Parametric設計平臺上，按圖1所示結構方案，對鎖體進行了詳細的結構設計，外形效果如圖2所示，各零部件的結構如圖3所示。

圖2 電子智能櫥柜鎖鎖體外形效果圖

對各零部件進行手板制作，經實際組裝和電機上電測試，證明上述結構設計是可行的。

圖3 電子智能櫥柜鎖鎖體爆炸圖

4 電子智能櫥柜鎖鎖體樣品制作和測試驗證

根據上述結構設計，對各注塑零件、壓鑄零件和沖壓零件進行開模制作，對其他零部件進行加工定制或購買，并最終裝配成實際樣品，如圖4（a）所示。使鎖舌處于完全伸出狀態，采用游標卡尺測量鎖舌面板至鎖舌頂部距離為13.11mm，并采用秒表記錄鎖舌完全收縮時間為0.55s。將樣品安裝于實驗柜門板上，符合安裝和使用要求，如圖4（b）所示。結合專用的測試設備，對鎖體進行開、關門模擬測試，20000次循環測試之后，鎖體仍能正常使用。

圖4 電子智能櫥柜鎖鎖體實際樣品示意圖

將鎖體安裝于專用夾具上，鎖舌處于完全伸出狀態，在距離鎖舌面板3±0.2mm處，采用萬能材料推拉力機對鎖舌施加2kgf的側向靜載荷并保持，如圖5所示，此時對鎖體進行上電操作，鎖舌可正常縮回。進一步增加側向靜載荷，直至鎖體破壞，記錄極限推力值為47.5kgf。

圖5 強度測試

測試驗證表明，設計完成的鎖體樣品完全符合上述設計任務，可以實現預期的使用目的。

5 結束語

本文設計完成的電子智能櫥柜鎖鎖體的外形尺寸協調，總體布局和各零部件的結構合理，運動件之間具有合理的配合關系，可以實現被各種信息控制啟、閉的功能，方便安裝和使用，具有較高的可靠性，達到了設計的目的。