家用智能換水裝置的研究與應用

王超 黃偉 陳虎城

【關鍵詞】電動推桿;電機;夾緊;抬升;旋轉

【中圖分類號】TM921.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0045-03

0 引言

20世紀90年代，我國第一臺飲水機誕生。自此，在小型家用電器領域中，飲水機因其提升了人們的飲水質量和生活品位而成為家電必需品，直到現在都備受消費者喜愛。根據資料顯示：2016年、2017年我國飲水機的產量均突破了2 500萬臺;在飲水機市場日漸飽和的情況下，2018年，飲水機產量也達到了2 563萬臺。隨著飲水機的普及，形狀各異的飲水機也漸漸走進了大眾生活[1]。市場上，臺式飲水機因其價格便宜、體積較小、功能能滿足大多數用戶的需求，現今家庭中使用最多的還是臺式飲水機。使用臺式飲水機時，不可避免地要重復更換桶裝水，但目前的臺式桶裝飲水機還不具備自動換水及外部機構輔助換水的裝置，當飲水機的桶裝水用完后，一般是先將桶裝水抬起后旋轉倒放入飲水機，桶裝水的更換完全需要人力抬高替換。

1 裝置介紹

該裝置由移動機構、電機夾緊機構、電機旋轉機構、電機推桿抬升機構4個部分組成，整體機械裝置模型圖如圖1所示。

1.1 總體結構介紹

為實現省力更換桶裝水的目的，本文設計的家用智能換水裝置包括底架、底架為中心橫桿和中心橫桿兩端側桿組成的“工”字形架，兩段側桿下方各安裝有2個萬向輪，4個萬向輪層呈矩形分布，中心與第二電機軸豎直相對。兩個側桿的上表面均安裝有2個豎向設置的支撐桿，4個支撐桿的頂端固定安裝有橫向設置的連接框架，同一側桿上的2個支撐桿之間滑動連接有升降板，2個升降板與連接框架之間均固定有電動推桿，2個升降板之間連接夾緊機構。2個升降板的中部均開設有安裝空腔，且2個安裝空腔內均固定有第二電機，夾緊機構包括位于2個升降板中間的翻轉板，2個第二電機的輸出軸分別與翻轉板的兩端固定連接，翻轉板的一側表面固定有2個第一電機，2個第一電機的輸出軸均穿過翻轉板，并固定連接有夾爪，夾爪上安裝有桶頸限位板。

1.2 移動結構介紹

底架、4個支撐桿和連接框架均由鋁型材制成，底架中的兩個側桿下方均安裝有2個萬向輪[2]，且4個萬向輪成矩形分布，可以提高穩定性。萬向輪可以實現整個裝置進退旋轉。底盤移動機構如圖2所示。

1.3 夾緊機構介紹

為了保證夾緊力，夾緊機構設計采用漸開線凸輪雙向夾緊機構，能夠防止機構在運行過程掉落，也方便計算計算夾緊力及夾爪各參數[3]。

圖3是單個漸開線凸輪的工作示意圖[4]。rb是漸開線基圓的半徑;θC=∠BOC是漸開線上C點的壓力角;αC=∠AOK是漸開線上K點的展角，αC=tanθC-θC;β=∠OKB，β+θC=90°;rK=OC是漸開線上K點的矢徑;R=BC是漸開線上C點發生線的長度，即C點的回轉半徑。則αC和θC都可以通過αC+θC計算得到，因此最后取ψC=αC+θC作為設計凸輪的主要角度參數。單個凸輪設計參數如圖3所示。

兩個夾爪之間裝夾有水桶，每個夾爪均包括3個互相平行設置的第一夾板、第二夾板和第三夾板，第一夾板、第二夾板和第三夾板之間連接有多個支撐柱，且第一夾板背離第二夾板的一側中部安裝有桶頸限位板。3塊夾板使得水桶重心與翻轉板為同一平面。

桶頸限位板包括安裝部、連接部和限位部3個弧形板，連接部連接安裝部和限位部，安裝部通過螺釘固定在第一夾板上。桶頸限位板的斷截面為“Z”字形，限位部的內徑小于第一夾板的內徑，有利于夾緊水桶出水口的夾緊，具有保護水桶出水口的作用。夾爪結構如圖4所示。

1.4 抬升機構介紹

電動推桿固定在連接框架上，通過與升降板連接，帶動第二電機及整個夾緊機構和桶裝水向上升起，達到旋轉所需要高度，機構相關動作運行到位后，帶動水桶下降，完成上水過程[5]。

電動推桿不僅可以實現穩定抬升，還可以控制位置，且擁有良好的自鎖性能，保證機構安全運行。電動推桿外形結構如圖5所示。

1.5 旋轉機構介紹

第二電機通過抱緊機構與翻轉板連接，傳遞動力和扭矩，旋轉電機扭矩為M，輸出力為F，電機轉子半徑為R。計算公式如下：

M=F×R （1）

常用桶裝水重力為G，重心離轉子中心距為L，所需轉矩為M1。計算公式如下：

M1=G×L （2）

電機扭矩M>M1，符合選用要求。

2 工作原理

首先將裝置移動到水桶的位置，然后啟動第一電機，打開2個夾爪，向著水桶的方向推動裝置，直至2個夾爪完全罩住水桶，驅動第一電機使其反轉，實現2個夾爪夾緊水桶，此時可將裝置移動到中心橫桿緊貼飲水機的位置，啟動電動推桿，實現水桶和夾緊機構的上提，上提到高于飲水機的位置后，啟動第二電機，實現翻轉板的轉動，使水桶對準飲水機口，此時停止第二電機的工作，之后配合電動推桿將升降板下推，水桶裝到飲水機上，實現上水，再將夾緊機構恢復到原位置即可實現下一次的上水。

3 有益效果

3.1 移動方便

底架、4個支撐桿和連接框架均由鋁型材制成，底架中的2個側桿上均安裝有2個萬向輪，且4個萬向輪成矩形分布，鋁型材制成的底架、支撐桿和連接框架質量輕，更便于裝置的整體移動和搬運組裝，萬向輪起到便于移動的作用。

3.2 重量小、便于拆卸組裝

底架、支撐桿和連接框架采用鋁型材進行配套使用，不需要焊接，便于拆卸、安裝，且鋁型材密度小、重量輕，有利于搬移，配合底架上安裝的萬向輪，裝置移動方便且省力。

3.3 裝置安全可靠

在設計的夾緊機構中，2個夾爪之間裝夾有水桶，每個夾爪均包括3個互相平行設置的第一夾板、第二夾板和第三夾板，三者之間連接有多個支撐柱，可抱住水桶，便于后續對水桶的上提和翻轉，模擬人手將水桶固定住，夾緊效果好，在傳送過程中不會出現晃動、脫落的問題，使用安全可靠，避免水桶脫落。

3.4 使用方便、效率高

利用電動推桿、第一電機和第二電機的配合使用，代替人力實現桶裝水的上水，使得上水過程更加方便，能夠達到智能、省力上水的目的，大大提高了更換桶裝水的工作效率，且工作時無煙塵、氣味，不污染環境，噪音小，實用性強。

4 結語

隨著飲水機在市場的普及，臺式飲水機因為價格便宜、體積小、功能滿足大多數用戶的需求，所以現在家庭中使用最多的還是臺式飲水機。在使用臺式飲水機時，我們不可避免地要重復更換桶裝水。市售桶裝水容積一般是18.9 L，裝滿水后的重量大概在19 kg。對于一般的成年男性來說，更換比較容易，而對于老人、兒童、女性等群體就顯得比較沉重，給人們生活帶來極大的不便。針對現有技術的不足，市場急需一種家用智能換水裝置，實現將家用桶裝水固定、抬升、定位、翻轉、下降上水，最后將其放入到飲水機里面。本文的設計便是基于上述問題來考慮，其結構簡單、安裝方便、功能實用、成本較低、靈活便捷，滿足了廣大家庭的需求。

參 考 文 獻

[1]陳德根，朱澤清，田金，等.飲水機使用現狀分析[J].科技與創新，2019（18）：120-121.

[2]王轉柱.多功能萬向輪[J].機械工人（冷加工），1993

（1）：29.

[3]周道.防掉落及夾緊機構的設計與應用[J].機械研究與應用，2018（6）：103-104.

[4]許振杰，黃嘉興，梁斌，等.漸開線凸輪雙向夾緊機構設計[J].煤礦機械，2018（6）：36-38.

[5]賈米娜，郭鋒.實用電動推桿[J].機械管理開發，2006

（2）：58-59.