室外智能晾衣架--设计与制造终期报告.doc

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY设计与制造终期报告DESIGN AND MANUFACTURE设计作品： 室外智能晾衣架 学生姓名: 余知栋 肖旻堃 张亦驰 徐选普 韦禹 班 级: F1302010 F1302009 专 业: 机械类 指导教师: 韦宝琛 学院(系): 机械与动力工程学院 室外智能晾衣架摘要现在市面上晾衣架的种类越来越多，功能性与方便程度也越来越强。我们的产品旨在通过平面四杆机构，实现晾衣杆主体的旋转，从而使得室外晾衣，室内收衣的目的。室外智能晾衣架的机械部分以固定在室外墙面上的齿条以及一部电机为输出，通过四根长度适合的杆件来使主体得以旋转。通过杆件长度的计算，来使得晾衣杆可以翻入室内。其控制部分的电路由各种传感器及限位开关组成，利用湿敏传感器等实现下雨时自动收回, 雨后自动伸出等功能。关键词： 智能晾衣架; 自动收回; 自动伸出 室外智能晾衣架目录第一章 引言-1第二章 产品市场调研与分析-22.1市场问卷调查-22.2专利调查-72.3市场调查结果分析-8第三章 原理设计- -113.1机构构型设计-113.2尺寸设计-113.3受力分析-123.4轨迹分析-13第四章 零件设计-154.1杆件强度计算-154.2齿轮齿条强度计算-154.3电机扭矩计算-17第五章 电路设计-185.1设计目标-185.2设计设想-185.3实际设计-19第六章 加工过程及问题-23第七章 最终产品-25第八章 总结与反思-268.1总结-268.2反思-26第九章 成员分工-28致谢-29I 室外智能晾衣架第一章 引言随着社会的逐渐发展，人们的生活越来越方便，人们对于生活细节的快捷性要求也越来越高。在日常的晾衣中，由于湿衣的重量较大，故而使得晾衣服，尤其是晾大量衣服成为一件十分劳累的工作。在近年里，基于室内阳台的晾衣架有了较大的改进，使得其变得快捷实用，但是以室外为载体的晾衣架却并无太大的改进。人们在使用室外晾衣架时，要将身体探出窗外，不仅十分难受费力，同时也有一定的危险性，故而开发一种更加安全实用的室外晾衣杆就有了相当大的市场空间。我们拟采用机构的旋转运动，使得晾衣架可以在晾衣时伸在窗外，而要收衣时收回窗内，从而使得晾衣的简便性及安全性有极大的提升。 室外智能晾衣架第2章 产品市场调研与分析2.1.市场问卷调查2.1.1.调查问卷1. 请问你多少天晾晒衣服一次？A.每天 B.1-2天 C.3-5天 D.6天及以上 2. 请问你在家中晾衣服的位置A.厨房 B.厕所 C.阳台 露台 D.客厅 E.卧室 F.其他 3. 请问家中是否使用室外外伸式晾衣架？A.是 B.否 4. 请问你一般使用什么类型的晾衣架？A.悬挂式 B.外伸式 C.落地式 D.升降式 E.智能式 5. 如果可以选择使用各种晾衣架或其他干衣方式，你会选择下列哪一种？A.室外 B.室内 C.干衣机 D.其他干衣方法 6. 你最希望晾衣架有什麽特点 A. 使用方便 B.经济实惠 C.功能强大 D.造型美观 7. 请问你晾衣服时会遇到的最困难和不便的事情是？多选A.晾衣架位置太高或太靠近外侧，难以使用 B.有时晾衣服时间过长 C.下雨时不能及时收回衣服 D.因晾衣服发生意外 E.其他 室外智能晾衣架8. 请问你认为室外外伸式晾衣架有什麽问题 A.晾衣架收挂衣服不便 B.有危险 C.空间不足 D.其他 9. 你希望晾衣架拥有以下功能是否有帮助？多选A. 能够自动伸缩，方便使用 B. 能够加速干衣 C. 自动判断天气情况，选择晾晒或收回 D. 消毒 E. 隔一段时间自动旋转半周，两面晾晒 F.其他 10. 你认为目前晾衣架在什麽方面需要改进？A.空间利用率 B.价格更低 C.功能更强大 D.使用更方便 2.1.2.调查结果 1.请问你多少天晾晒衣服一次？ 室外智能晾衣架2. 请问你在家中晾衣服的位置？ 3.请问家中是否使用室外外伸式晾衣架？Q4:4.请问你一般使用什么类型的晾衣架？ 室外智能晾衣架5.如果可以选择使用各种晾衣架或其他干衣方式，你会选择下列哪一种？6.你最希望晾衣架有什麽特点Q7:7.请问你晾衣服时会遇到的最困难和不便的事情是？请选择最多两项 室外智能晾衣架Q8:8.请问你认为室外外伸式晾衣架有什麽问题Q9:9.你希望晾衣架拥有以下功能是否有帮助？多选Q10:10.你认为目前晾衣架在什麽方面需要改进？ 室外智能晾衣架2.2专利调查 室外智能晾衣架2.3市场调查结果分析 通过调查问卷以及市场调研的分析，我们发现市面上的晾衣架主有以下几种：（1）固定在阳台顶层的晾衣架；（2）落地式的晾衣架；（3）支撑在阳台外的晾衣架；（4）自动升起的落地式晾衣架；以上四种是现在市面上较为流行的四种晾衣架，固定在阳台顶层的晾衣架有着成本低的优势，但使用上并不是很方便，需要撑衣杆把衣服送上去。相信大家都遇到这一种情况：刚刚洗完的牛仔裤，非常非常的重，要花好大的力气才能送上去，费力气又不便捷；第二种落地式的晾衣架就很方便了，可以轻而易举的把衣服挂上去，成本也不是很高，但是同样的，这种晾衣架有着一个非常致命的问题：占据空间，整个阳台的空间资源都被用来摆放晾衣架，错过了阳台休闲赏景的作用；第三种支撑在阳台外的晾衣架充分利用了阳台的空间资源，成本较低，并且让衣服更加能全方面接触到阳光，成本也是较为低廉，这一种晾衣方式存在的最大问题是安全隐患，它不能一次嗮太多的衣服，人要探到窗外把衣服挂上去，如此一来会带来巨大的安全隐患，同样这样晒衣服的方式会很不方便并且如果外 室外智能晾衣架面下雨了，收衣服会非常非常的慌乱；自动升起的落地式晾衣架是结合了固定在阳台顶层的晾衣架和落地式晾衣架的优点而设计的，成本有所提升，但是在当下高科技智能家居的普及下人们对于生活水平的提高有了新的要求，这种产品也就契合了当下的时代需求流行了起来，但是滴着水的衣服挂在阳台里总是有些不好的，这个时候就不能出阳台去。综合以上的分析，我们构想了自己的思路，希望能够融合优点克服缺点。 综合调查结果及现有产品分析，我们需要达到的目标有以下几点：（1）晾衣服应该在户外，这样可以充分的利用阳台的空间资源；（2）晾衣服应该尽可能的方便，并且拒绝安全隐患；（3）户外晒衣服不可避免的是下雨的时候希望能快速的收回； 综合考虑的我们的设计要求，我们的设计理念随之呼之欲出：在阳台室内用手就能达到把衣服挂上去的目的，然后晾衣服是在户外这样即可满足第一点和第二点的要求。这两点要求的满足可以通过机械装置来实现，即晾衣架可以收回和伸出，将自动升起的落地式晾衣架的竖直移动方式变为水平移动方式，即可达到要求，再通过智能控制环节来控制下雨时晾衣架自动收回，这样产品的构成就可以十分充分。在自动升起的落地式晾衣架如此火爆的前提下，我们的这款产品有着更出色的性能，成本也几乎一致，可以说无论是从实用角度还是经济角度都具有巨大的潜力。 于是，综合上述我们可以进行产品的设计。提出的设计思路有两种：（1）机架代替护栏的一部分，通过水平位移将晾衣架收入室内和伸出户外；（2）机架装在护栏上，通过翻转90度，把晾衣架收回室内；比较这两种设计的技术路径，第一种较为容易实现，通过电机带动和两条滑轨可以让晾衣架水平移动，但是要拆掉阳台护栏的一部分，对于许多用户来说，这样的安装方式或许并不能让人接受；第二种则比较难实现，需要使装在阳台护栏外的晾衣架进行翻转，也有两种实现方式：第一、可以通过电机和齿轮传动，直接使得晾衣架直接翻转；第二、通过电机和齿条传动通过铰链支撑起晾衣架，让齿条的竖直运动转变为晾衣架的翻转运动。考虑着两种设计思路，第一种虽然较为简便，安装也比较简单，但是通过受力分析和数值模拟，齿轮本身就是高副 室外智能晾衣架的线接触，这样翻转会承受很大的力，零件容易失效；第二种是通过铰链进行支撑，低副运动，并且可以找到刚度强度更好的结构。所以我们定下了这样一个整体的设计。 之后再考虑下雨收回的问题，这个问题的实现主要可以通过湿敏传感器或者光敏传感器来控制电机，加上手动控制的开关，也就是说电机有两个控制方式，这两种控制逻辑应该为或条件，这样就不会产生冲突，加上限位装置就可以达到智能控制的效果。 相比较于其他市面上的产品我们的设计有着突出的优势，就便捷性来说，这是我们主打的环节，自动化控制，电机推送，不仅省力还特别方便；成本对比带自动效果的机械装置型的晾衣架也并没有高出太多，再考虑到现在生活水平的提高，稍微多一点的支出就可以解决一个劳累繁杂的问题，相信许多用户也会接受这一点，科技成果带来的更高一点的价格。 室外智能晾衣架 第三章 原理设计3.1机构构型设计本项目针对晾衣杆设计的机构构型如下：机构输入部分结构： 由三根导轨组成，每根导轨上装一滑块，三根导轨的三块滑块通过一根杆固定连接，而且三根导轨平行固定在窗户外的墙上。同时电机安装在中间导轨的滑块上，电机通过平行于导轨的齿轮和齿条进行输入传动。机构输出部分结构： 晾衣架有三根晾衣杆，具体形状可参照实物图。晾衣架与两端与两跟导轨上的滑块通过铰链相连，在距连接处20cm处与固定支座有一长20cm的杆相连接。35cm100cm20cm20cm10cm25cm35cm50cm50cm3.2尺寸设计：如图所示：导轨长1m，固定点距离导轨为20cm，固定点连接的杆长20cm，晾衣杆总杆长1m，其侧视图如上图所示，三个红色点为横杆伸出点，水平距离均为25cm，伸出横杆杆长1m。 室外智能晾衣架 3.3 受力分析 对B点力矩平衡：x、y方向力平衡：二力杆条件：解出： 室外智能晾衣架其中3.4轨迹分析 室外智能晾衣架 室外智能晾衣架第4章 零件设计 传动部分主要使用零件为杆件、铰链、齿轮齿条、减速电机4.1.杆件强度计算 因为最长杆件为1m，不计杆件本身重量最大受力是衣物重量。计算极限情况挠度，设定衣物最大重量为5kg，铝管厚度为1mm，外径为20mm。F最大弯矩： Mmax=Fl=49.6Nm 查找资料，铝合金许用应力一般在140MPa左右，因此符合强度要求。4.2.齿轮齿条强度计算凸台主齿轮型号：模数1mm，齿数20，齿宽10mm。齿条模数1mm，齿宽10mm。 室外智能晾衣架 根据受力分析，齿轮及电机输出力最大为接近1倍衣物重量与杆件重量之和。杆件考虑余量总长为8m左右。根据公式：铝管重量（公斤）=0.00879壁厚（外径-壁厚）长度 可计算得铝管重量约为1.34kg，总重量为6.34kg，载荷为62.132N，转矩310Nmm。 取ZE=189.8 N/mm2，ZH=2.5，Z=1，载荷系数K=1，d=20mm，b=10mm。根据公式： 可计算接触应力为186MPa，远小于许用接触应力。 取Yf=2.9，YS=1.5。根据公式： 室外智能晾衣架可计算弯曲强度为13.5MPa，同样远小于需用接触应力。4.3.电机扭矩计算 根据以上计算，可以的出电机所需最小输出扭矩为3.163kgcm。 室外智能晾衣架第五章 电路设计5.1.设计目标 电路部分即为控制部分，要求能够让衣架实现既定的运动，且操作方便，实用性强。所以按照我们所设计衣架的功能，可以将衣架的运动分为以下几个部分：（1）手动收起（2）手动放下（3）下雨时自动收起（4）雨停时自动放下 同时无论收起与放下衣架都能在规定的范围内运动，即达到我们所要求的的位置或临界位置的时候能够自动停止。5.2.设计设想按照我们一开始的设想，即为最直接的想法，就是用单片机控制电机的所有运动，用程序设定其收起与放下时电机转动的圈数，湿敏传感器通过单片机再控制电机。 所需实现的基本程序框图如下所示： 室外智能晾衣架5.3.实际情况5.3.1方案确定 虽然我们的设想十分美好，但是由于缺乏单片机编程的相关知识，且对其他的开发平台也不太熟悉，于是我们后来就想到用一些基本模块的组合代替单片机，将所要实现的功能进行分割，分步实现单片机的控制功能。（1）通过用接触器切换供电电压极性，实现电机的正反转，即衣架的收起与放下。（2）在衣架两端的极限位置设置光电门或限位开关实现电机到达临界位置自动停止的功能。（3）湿敏电阻与继电器相连起到湿度开关的作用。（4）两个开关通过逻辑电路相连实现功能的统一，避免冲突。 室外智能晾衣架实际的程序框图最终确定如下：最终综合考虑后：（1）排除掉较为复杂和昂贵的光电门，选用精度较低但实用性强的行程开关作为限位开关。（2）手动开关和湿度开关理应是“或”关系，即两者任一接通电路即通，考虑到实际使用中两个开关不可能同时闭合，即排除并联时的短路情况，去除门电路的使用，使用简单的并联机构即可。5.3.2材料选用 通过前面章节，电机已由机械部分的转动力矩得出，选用的是ZYTD520，额定电压12V的直流电机，根据电机的性质选用以下主要元件：（1）220V转12V的变压器 室外智能晾衣架（2）12V直流电机控制器（3）行程开关限位开关 室外智能晾衣架（4）湿度传感器+继电器5.3.3电路部分评价优点：（1）这套装置可以较为容易的操控衣架的收起与放下，操作简单（2）各个元件造价低，方便易得（3）原理简单，流程清晰，便于故障后的检修缺点：（1）衣架结构的松动和相对位置的变化会导致行程开关的失效（2）对于下雨和不下雨的界限不明确导致湿度传感器及湿度开关存在误差（3）天气放晴后衣架无法实现自动放下5.3.4可以改进的地方 希望可以用单片机实现控制，这样整个机构更加一体化，降低出错的风险 。 室外智能晾衣架第六章 加工过程及问题 我们的加工过程经历了大约三个阶段。第一阶段：摸索阶段在这一阶段里，我们对于自己的加工方向并未产生十分明确的目标，虽然机构的结构图已经画出，但是对于加工的方式等并没有做出明确的规划，这点可以从我们购买的各种零件中看出。我们买来了大量的各种部件，但是在以后的加工中我们发现其根本无法使用或难以实用，例如我们购买的一些铰链，最后却发现难以固定。不仅仅是各种部件，连晾衣杆的主材也是出现了各种各样的问题。在一开始我们采用的是不锈钢的钢管来制造主体，目的是能使得产品更加牢固及耐用。但是事实证明我们的选择是有一定问题的，我们并未考虑我们所面临的加工难度。在晾衣杆主体的制造过程中，我们先是在钢管的切割方面面对了极大的困难，费了我们极大地功夫。紧接着在连接工作中，我们又碰到了极大的瓶颈，校内并不能焊我们的薄钢管，只能打孔进行连接，而且也颇为不易。最后我们将钢管的两端打扁，钻孔连接，才最终解决了这个问题。第二阶段：改进阶段面对在第一阶段浪费了大量时间的事实，以及越来越紧迫的时间和还有大半未完成的进度，我们毅然决然推倒我们的成果重新选材加工，我们抛弃了以钢材为主体的打算，改为使用塑料水管作为主体。塑料无论是在可切割性以及打孔性能上都明显优于钢管，我们在极短的时间内就重新追上了我们之前的进度。同时现成的弯头直接使我们的主体成型。与此同时，电路部分的进度也稳步进行，各种元件开始进行连接，程序开始编写。在主体完成后，我们开始进行主动件的安装，滑轨及滑块的安装都十分顺利，但是在紧接着的四杆的安装中我们又碰到了难题，杆的顶端与滑轨有着一定的横向位移差，我们只能错开安装。同时齿轮齿条也给我们带来了很大的麻烦。齿条上没有任何的限位装置，我们根本难以将其固定，只得将其垫高。同时齿条的位置也影响了传动杆的安装，使得整个进度陷入卡顿，但是整体的雏形已经显示了出来 室外智能晾衣架第三阶段：成品阶段 经历了前面两个阶段后，我们产品已经初步成型，但是所剩的时间也没有几天了。在这种情况下，我们决定简化设计，只做一排侧杆进行示意，我们买来大量的直角铁加固装置，同时用铣床在木头上铣出槽来固定齿条。至此，整个产品的机械部分大体完成。同时我们将电子部分安装在板上，产品基本完工。 室外智能晾衣架第七章 最终产品7.1最终产品理论UG图7.2最终产品实物图 室外智能晾衣架第8章 总结与反思8.1总结产品的设计过程分为主要的机构设计以及附加功能设计。在主要机构设计中我们主要围绕着翻转90度进行设计，采用电机推动齿条，齿条推动滑块，滑块拨动摇杆把晾衣架向上推90度成功实现了晾衣架的翻转回收功能。在设计的过程中我们遇到了许多难题，首先是摇杆的底座固定问题，一开始我们采用的是用螺丝固定，发现这样一来由于受力很大的缘故，摇杆底部非常容易晃动，导致晾衣架并不是竖直90度的翻转，会出现水平摆动，后来改进使用了三角固定架解决了问题；其次，一开始机架和一些固定杆的链接我们打算通过焊接的方式进行链接，然而由于所采购的钢管壁厚十分的薄，导致焊接不能顺利进行，晾衣架部分并不能成功的搭建，后来采用了PVC管链接，顺利的解决了搭建问题。在附加功能设计上我们围绕着雨天自动收回展开。通过湿敏传感器测量周围的湿度，在达到一定数值后，电机将会自动启动。在这方面我们也碰到了许多难题。湿敏传感器控制电机本来是想通过单片机进行控制，后发现缺乏相关知识，编程单片机控制十分不理想，电机要不是无法启动要不是就是停不下来或更早停下，最后采用了一些模块组合代替了单片机的功能用接触器切换供电电压极性，实现电机的正反转，即衣架的收起与放下，在衣架两端