一種自助磨刀機的設計

侍中樓 秦工 徐少震 何冬梅 雷福根

摘要：基于菜刀打磨原理，設計了一款操作簡單、安全的磨刀機。在磨刀機的結構設計上，設計了一種夾具，使對刀機構實現菜刀刀刃精準定位、夾緊裝置實現對菜刀刀背固定的目的；選擇雙螺旋圓柱凸輪傳動機構，實現磨刀塊和拋光塊的直線往復運動；采用Wio Terminal開發板對光傳感器反饋的信號進行處理，然后對顯示屏的運行狀態和電機轉動進行控制。該設計可以對不同尺寸的菜刀進行打磨，實用性強，且符合共享理念。

關鍵詞：自助磨刀機；對刀機構；圓柱凸輪；共享

中圖分類號：TH122? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0046-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.012

基金資助：2021年度湖北省大學生創新創業訓練項目“自助磨刀機”（S202111072028）

0? ? 引言

家用菜刀使用一段時間后，難免會出現刀刃因強度不足而磨損、卷曲或斷裂等現象，常見的解決方式是用磨刀器對刀刃進行打磨，使其變得鋒利。

一般而言，磨刀器有磨刀石、磨刀棒、手持式砂輪、手動磨刀器以及電動磨刀器等。磨刀石的使用，需要有經驗的人來操作且效率相對較低。磨刀棒對刀刃的打磨不徹底，打磨效果不好，且容易滋生細菌。手持式砂輪的打磨方式快捷，但打磨的厚度（刀刃的厚度）不均勻，還容易產生飛濺的火花，刀容易產生跳動和外彈現象，使用不安全。手動磨刀器與電動磨刀器結構大體相同，以電動磨刀器為例，現有的磨刀器，其磨刀槽深度相同，在打磨不同菜刀的刀刃時，刀刃在磨刀槽的深度需人為控制，位置不精確，容易造成打磨不到位或過度打磨的問題[1]。

綜上所述，現有的磨刀器難以兼具刀刃定位精準及磨刀質量良好的效能。本文通過設計一種自助磨刀機，在結構上進行創新，能夠有效解決菜刀在打磨過程中遇到的精度和安全性等方面的問題。

1? ? 工作原理

本設計提出一種打磨菜刀用的自助磨刀機，如圖1所示。自助磨刀機在無人使用的情況下是待機狀態，當機器外面的紅外傳感器檢測到有人靠近時，機器顯示屏亮，顯示二維碼，用戶通過掃描二維碼進行支付，支付完成后，顯示屏顯示演示動畫，用戶根據演示動畫的提示將菜刀放入磨刀機中。菜刀放入后，箱蓋關閉，通過對刀機構對菜刀刀刃進行定位，夾緊機構將菜刀刀背部分夾緊固定，傳動機構將磨刀塊和拋光塊推到菜刀的刀刃部分。直流減速電機通過一對嚙合齒輪帶動圓柱凸輪做等速回轉運動，位于圓柱凸輪凹槽部分的導向塊在圓柱凸輪的作用下沿凹槽運動，從而帶動磨刀塊導槽沿導軌做直線運動。導向塊沿右旋凹槽運動時，磨刀塊導槽向右運動，在右旋凹槽的最右端通過與左旋凹槽連接，實現在圓柱凸輪最右端換向的目的，即在圓柱凸輪最右端，導向塊由右旋凹槽換到左旋凹槽，從而使導向塊帶動磨刀塊導槽向左運動，實現向左磨刀，最終實現磨刀塊沿導軌做往復運動，達到多次打磨菜刀的目的[2]。

通過實踐操作可得打磨時間設為8 min時得到的刀刃質量較好，拋光時間設為2 min就可得到符合光潔度要求的刀刃，因此，程序設定的打磨時間為8 min，打磨完成后，拋光塊兩側電機轉動將菜刀夾緊，磨刀塊兩側電機向兩邊移動，進行拋光，程序設定的拋光時間為2 min，打磨拋光完成后，各部件回到初始位置，顯示屏顯示取出菜刀的動畫，整個磨刀過程結束。自助磨刀機控制流程如圖2所示。

2? ? 主要結構設計

自助磨刀機主要由對刀機構、夾緊機構、圓柱凸輪傳動機構、打磨拋光機構構成。

2.1? ? 對刀機構

使用磨刀機磨刀時，由于不同菜刀的規格尺寸不一樣，所以不同的菜刀需要定位后再進行磨刀操作，以防磨刀過程中由于菜刀位置改變影響磨刀效率和效果。為了解決這個問題，設計了一個對刀機構，通過對插入菜刀定位，使夾具將菜刀刀背夾緊，從而更好地對刀刃進行打磨。對刀機構的核心部件是由一個探測器（測頭），一個高硬度、高耐磨的硬質合金帶槽方體（對刀探針）和一個信號傳輸接口器組成（其他件略），探測器用來確定上升高度，防止上升過高[3]。如圖3所示，在磨刀裝置的前端設置有對刀裝置，裝置由主動搖桿、被動搖桿、電機和一個帶槽的對刀塊組成，通過電機的運動帶動桿上下運動，到達上方固定位置且位置高于磨刀裝置時停下，隨后等待用戶將刀放入裝置內，當刀放入且被夾具夾緊后，控制器控制電機反向轉動，桿向下運動，使對刀裝置高度下降，避免菜刀與對刀塊直接接觸而損壞刀刃或造成對刀塊的過度磨損，提高磨刀效率。

2.2? ? 夾緊機構

夾緊機構由兩部分組成，動力源（電機）和夾緊裝置。如圖4所示，當外電機正轉時，與外電機相連的絲杠螺母進行正向轉動，兩旋向相反的夾緊塊由于受絲杠螺母的螺旋作用沿導槽相向運動直到夾緊菜刀背部，停止移動。當打磨完成，需要取走菜刀時，外電機反轉，與外電機相連的絲杠螺母反向轉動，兩旋向相反的夾緊塊由于受絲杠螺母的螺旋作用沿導槽相背運動，從而松開菜刀。

在定位過程中，刀背兩面的夾緊塊限制了菜刀y軸的轉動、z軸的轉動和x方向的移動三個自由度，對刀機構的對刀塊限制了菜刀x軸的轉動和z方向的移動兩個自由度，磨刀機的槽口限制了菜刀y方向的移動，如圖4所示。菜刀在空間具有的六個自由度均被限制，符合工件定位的完全定位原則。

為保證菜刀在打磨過程中不會晃動，夾緊裝置施加給菜刀的夾緊力要能克服菜刀的重力和磨刀過程中產生的摩檫力。打磨的菜刀普遍重量為m=300 g，在磨刀的過程中，磨刀塊對菜刀產生的摩擦力f=10 N，取重力加速度g=9.8 m/s2，夾緊塊與菜刀間的摩擦系數取μ=0.2。

計算夾緊力F：

要保證菜刀在打磨過程中不會晃動，夾緊裝置施加給菜刀的夾緊力就要大于計算夾緊力F，本夾緊裝置取1.2F作為實際夾緊力。

2.3? ? 圓柱凸輪傳動機構

圓柱凸輪傳動機構是在一個圓柱面上開有曲線凹槽或在圓柱端面上做出曲線輪廓的構件，圓柱凸輪的傳動平穩，能夠實現長期高效的往復運動。若采用普通圓柱凸輪傳動機構，則圓柱凸輪旋轉一周，磨刀裝置往復一次，會導致打磨不充分。考慮打磨充分且需直線往復運動的要求，本設計采用雙螺旋線圓柱凸輪傳動機構，磨刀裝置往復一次需要圓柱凸輪軸旋轉數周，這樣傳動更平穩，打磨更充分[4]。因設計需要完成軸向450 mm的位移，經討論與分析，選取圓柱底面半徑R為100 mm，故分析螺旋線的螺距為150 mm，所以為達到軸向位移要求，螺旋線理論上需要3圈。

凸輪尺寸如圖5所示。

實際操作選用最難打磨的不銹鋼材質的菜刀，根據大量數據采集，打磨不銹鋼材質的菜刀時，菜刀與砂輪之間的力為25 N，到電機輸出軸的力矩為10 N·m，選用兩相混合式步進電機與圓柱凸輪傳動機構連接，具體參數如表1所示。

此傳動機構的傳動效率計算公式：

式中：η為傳動機構效率；T為傳動機構阻力矩；n為傳動機構軸轉速；P為傳動機構所需功率。

2.4? ? 打磨拋光機構

如圖6所示，當磨刀機對菜刀進行打磨時，電機5轉動帶動連桿2、4使兩個磨刀石6沿著導槽向中間移動，直到接觸菜刀電機停止轉動。此時對菜刀進行打磨，程序設定打磨時間為8 min，達到設定時間打磨完成，當打磨完成后，電機反向轉動，使兩個打磨塊松開菜刀。接著電機帶動連桿使拋光石夾緊菜刀，進行拋光操作，程序設定的拋光時間為2 min，達到設定時間，拋光完成。整個過程持續10 min，完成對刀刃的打磨與拋光工作。

3? ? 軟件控制

本設計采用Wio Terminal開發板作為主控板，此開發板集成了麥克風、揚聲器、microSD卡、光傳感器、Wi-Fi等模塊，兼容Arduino和Micro Python，便于開發。

Wio Terminal開發板載ATSAMD51P19微控制器，它的CPU速度為120～200 MHz，同時支持藍牙和Wi-Fi，具備構建物聯網項目的基礎。開發板自身配備2.4英寸LED顯示屏、3軸加速計、麥克風、蜂鳴器、microSD卡槽、光線傳感器和紅外發射器。

帶動凸輪的電機選用直流減速電機，移動磨刀塊和拋光塊的電機選用絲杠步進電機。由于此設備功率較大，采用電源插頭供電，設計220 V轉24 V電路為電機供電，24 V轉5 V為開發板以及各個模塊供電[5]。

4? ? 結語

菜刀在使用過程中變鈍是一種不可避免的現象，而更換菜刀的成本相較于打磨菜刀的成本要高得多。因此，本文設計了一種便民的自助磨刀機。相較于傳統的打磨方式，該自助磨刀機不僅操作簡單，打磨效率高，而且可以解決菜刀打磨的臨時性和急迫性問題，具有很好的應用前景。在實際應用過程中，該設計還存在著因不同材質的刀刃所需打磨時間不同，導致相同打磨時間對不同刀刃的打磨質量不同的問題，在將來的應用中，會對不同材質菜刀設置不同的打磨時間，來滿足更多元化的磨刀需求。

[參考文獻]

[1] 魏春梅，魏兵.機械設計基礎[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[2] 龔定安，陳孝昶，高化.機床夾具設計[M].西安：西安交通大學出版社，1992.

[3] 侍中樓，徐少震，杜雨桐，等.磨刀用刀具夾緊機構：CN216371694U[P].2022-04-26.

[4] 魏俊杰，朱家誠，楊徐，等.雙螺旋線圓柱凸輪機構的設計與分析[J].機械設計與制造，2021（9）：207-210.

[5] 朱雙霞.機械設計[M].重慶：重慶大學出版社，2019.

收稿日期：2023-02-20

作者簡介：侍中樓（1992—），男，江蘇鹽城人，碩士，實驗師，研究方向：機電一體化。