自动晾衣杆的设计_v2

毕业论文（设计）自动晾衣杆的设计 学 院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 年 月 日自动晾衣杆的设计摘要：晾衣杆最简单的一种是一根竹竿固定或悬挂在屋顶板下、窗户外等地方；现在的居民很多是在天花板下焊接一个铁管作为晾衣杆的挂具，晾衣服时，必须将衣服一件件地挂上衣架，再挂在铁杆上，工作效率低，又不方便，时常将衣服掉地上，而且还不能充分地利用阳光。而目前市场上所卖的自动晾衣杆只能满足单一的升降会收缩功能，但升降功能只能解决挂衣服费力的问题，却不能很好的利用阳光资源，而收缩功能相反，只能解决充分利用阳光问题而不能解决费力问题。本设计通过机械的方式设计的自动晾衣杆，使其达到自动升降和伸缩的功能，让日常生活的晾衣杆的使用更方便。关键词：晾衣杆；自动；升降；伸缩Design of Automatic Clothes BarAbstract: The most simple one is a bamboo pole fixed or hanging in the roof board, outside the window and other places; now residents are a lot of cement in the ceiling under the iron pipe as a dry clothes hanging, hanging clothes , Must be a piece of clothes hanging on the hanger, and then hung on the irons, low efficiency, and inconvenient, often clothes off the ground, but also can not fully use the sun. And the current market selling automatic clothes can only meet a single lift will shrink function, but the lifting function can only solve the problem of hanging clothes costly, but not a good use of sunshine resources, and the contraction function on the contrary, can only solve Make full use of the sun and can not solve the problem of labor. The design of the mechanical way through the design of the automatic drying rod, so that it can automatically lift and stretch the function, so that the daily life of the use of clothes more convenient.Keywords: clothesline; automatic; lifting; stretching目 录摘要11 绪论41.1 自动晾衣杆在生产和生活中的作用和意义41.2 自动晾衣杆的发展情况42 自动晾衣杆设计方案及方案的对比和确定42.1 方案一42.2 方案二82.3 方案的对比和确定113 自动晾衣杆设计主要结构的计算123.1步进电机的选型123.2蜗轮蜗杆减速器的计算123.3 自动晾衣杆结构分析153.5自动晾衣杆的运动分析153.6 自动晾衣杆的动力分析183.7 自动晾衣杆参数的确定193.7.1 基本几何尺寸的确定193.8 自动晾衣杆的校核203.8.1 各铰接点的受力分析203.8.2 各铰接点销的选择与校核223.8.3臂的强度校核234自动晾衣杆设计三维建模264.1 三维建模264.2 运动学分析的简介26总结28参考文献2929本科毕业论文（设计）1 绪论1.1 自动晾衣杆在生产和生活中的作用和意义自动晾衣杆不论是在工业生产还是日常生活中都有着重要的作用。给我们带来的利益是非常多的。自动晾衣杆的功能特色是非常多的，我们在使用自动晾衣杆的时候也可以针对自己的需求对自动晾衣杆进行设置。自动晾衣杆在我们生产中应用已经是非常普遍了，而且在我们的生产中有着重要的作用。1.2 自动晾衣杆的发展情况晾衣杆作为每天使用的家居用品，如今已经成为许多家庭的生活必需品。晾衣杆的基本组成包括手摇器（负责升降、自锁），钢丝，转向器，顶座，晾杆，衣架等。据权威媒体调查统计：“自动晾衣杆的市场需求量以每年30%的速度增长，这将是家装建材行业最后一块蛋糕”。自动晾衣杆是现代家庭必需品，发展潜力非常大。随着市场竞争水平不断的提高，行业内真正有市场运作能力的企业将形成强势突围，引领行业从价格竞争到品牌竞争的良性发展。国内现有自动晾衣杆衣架的配件厂商约2000家，市场品牌良莠不齐，99%的品牌都停留在拼价格、拼成本的低端竞争水平。2 自动晾衣杆设计方案及方案的对比和确定2.1 方案一从既可以升降又可以收缩的功能，采用四杆机构，如图1所示，通过双摇机构（1）与（3）带动（2）由竖直位置转动到水平位置，以实现升降的过程，（2）上带有导轨，可以实现收缩的功能，在水平位置时，通过（4）挡板，使其固定。图1讲到固定的问题，我们又想到了四杆机构中的死点，如图2用摇杆作为原动件可以使其固定在阳台外侧。图2传动问题，可以用直齿轮传动、蜗轮蜗杆、斜齿轮传动等。原动力的提供，可以通过电机，或者人工手柄的形式，图3为蜗轮蜗杆传动。图3综合上述分析可知，本方案可通过电动机的带动，是蜗轮蜗杆传动，带动四杆转动，从而带动晾衣杆上升，再利用死点使其固定在最高点，最后通过拉动绳索通过滑轮使装在带有导轨的连杆上的晾衣杆运动。图4是在最低点时挂衣服状态。图4是在最低点时挂衣服状态。图4挂好衣服后，通电后，电动机工作，带动晾衣杆转动到最高点。图5是在最高点并且在阳台外侧晾晒的状态。若为阴天，则可以通过手动的方式，转动手柄，利用摩擦力的作用，使得绳子带动晾衣杆（2）运动到阳台内侧，避免淋雨。图5图6位俯视图，此时晾衣杆在阳台内侧。右边为手动机构以解决滑动的问题。图6工作原理：过程一：电动机减速器蜗杆晾衣杆转动过程二：手柄蜗杆涡轮圆盘晾衣杆滑动过程一通过（9）综合箱体（含有电动机和减速器）的作用，带动（10）蜗杆运动，从而带动（8）涡轮的运动。焊接在蜗轮上的（5）摇杆也随着蜗轮运动，就带动整个晾衣杆的运动，现升降的问题。在最高点时处于在阳台外侧工作状态。阴天时，不让衣物在阳台外侧，通过过程二，通过手柄的摇动，使蜗杆转动，带动蜗轮转动，黏贴在蜗轮上的（14）圆盘也随着涡轮的转动而转动，（18）绷直的绳子在摩擦力的作用下带动（2）杆（晒衣杆）滑动。从而实现收缩的功能。图7位机构运动的简图。图72.2 方案二目前，市场上大多数伸缩晾衣架都是采用几组杆铰接而成的，如图8所示。图8但上述伸缩晾衣架只具有伸缩的功能，所以，把伸缩机构装置在带有螺纹的杆件上，通过转动杆件使得整个机构上升，如图9所示。图9 综上所述，该方案分为两部分，一是通过手柄控制晾衣杆的收缩，二是通过电动机带动控制晾衣杆的升降。如图10，该图为装在墙壁的左侧机构，该机构为整个晾衣杆机构的主动机构，通过手柄带动左侧的丝杆（13）转动，使两边的连杆活动基座（9）上升，从未带动伸缩。左右两侧都装有电动机，是对升降提供动力。图11、图12分别为中间机构和右侧机构。图10 图11 图12图13为整个晾衣杆的斜视图：图13运动原理升降过程：电动机圆锥齿轮旋转丝杆转动伸缩机构上升伸缩过程：手柄转动旋转丝杆转动活动基座上升晾衣杆伸缩伸缩，主要由主机架（4）、衣架连杆（6）、旋转丝杆（13）、连杆活动基座（9）、横向晾衣杆（15）以及左侧导向轨（10）和右侧导向轨（20）构成；在主机架（4）的前端面上，上部导向轨固定基座（5）和下部导向轨固定基座（11）分别将左侧导向轨（10）和右侧导向轨（20）固定，左侧导向轨（10）和右侧导向轨（20）同时穿过连杆活动基座（9）内部的光孔，连杆活动基座（9）可以在左侧导向轨（10）和右侧导向轨（20）垂直滑动上；衣架连杆中心销轴（7）穿过衣架连杆（6）上的衣架连杆中心轴孔（8）将两个衣架连杆（6）相铰连，两个相互铰连后的衣架连杆（6）又通过衣架连杆端部连接轴孔（16）和横向晾衣杆（15）相互铰连，最后，铰连后的衣架连杆（6）一端与上部导向轨固定基座（5）相铰连，另一端与连杆活动基座（9）相铰连；旋转丝杆（13）穿过连杆活动基座（9）侧面的螺纹孔，并通过丝杆上端固定基座（14）和丝杆下端固定基座（19）固定在主机架（4）的右侧端面上；使用时，先利用水平固定架（1）和垂直固定架（12）将主机架（4）固定，将需要晾晒的衣物放置在横向晾衣杆（15）上，转动旋转轮（3）可以带动旋转丝杆（13）旋转，在旋转丝杆（13）螺纹摩擦力的作用下，连杆活动基座（9）在左侧导向轨（10）和右侧导向轨（20）垂直滑动上，连杆活动基座（9）又带动了铰连后的衣架连杆（6）之间的铰连运动，从而实现了晾衣杆可以伸缩的目的。升降，把伸缩的主机架（4）固定于升降机架，把带有螺纹瞳孔的水平固定架（1）与长旋转丝杆（26）配合，在电动机（23）的带动下，使圆锥齿轮（25）转动，再带动圆锥齿轮（22），从而使长旋转丝杆运动，使得，伸缩装置可以升降。2.3 方案的对比和确定具体方案比较内容 方案一方案二美观程度一般较美观运动难易程度较容易较费力性价比较高较低效率较高中等占地空间较大较小通过比较，主要考虑到成本和运动难以程度问题，采用方案二进行改进，使用电动机进行控制操作。3 自动晾衣杆设计主要结构的计算3.1步进电机的选型根据工作条件进行估算选取电动机，电动机转速4000r/min，初步选择直流无刷电机DT80BL160-3130，额定电压310DVC，额定转速4000RPM，额定功率750W，额定转矩1.8N.m，级数4级，重量3.0Kg，轴径14mm。3.2蜗轮蜗杆减速器的计算采用蜗轮蜗杆减速器，传动简图如下图14所示。在图中，1电动机，2、4联轴器，3级蜗轮蜗杆减速器，4传动滚筒，6输送带。图14选取传动比（自锁），蜗杆头数，蜗杆分度圆直径，蜗轮齿数，变位系数，模数，中心距。计算得蜗轮蜗杆以下数据:蜗轮分度圆直径齿顶圆直径蜗牛杆齿根圆直径蜗杆齿根高蜗牛杆齿顶高蜗杆轴向齿距蜗杆导程角:，蜗杆宽度蜗轮齿顶高蜗轮齿高蜗轮齿根高蜗轮齿根圆直径蜗轮齿宽蜗轮齿宽角材料选择：表面淬火，钢，硬度HRC5055。齿面接触强度计算： 材料弹性系数，表， 接触系数，根据蜗杆的类型及蜗杆分度圆直径与中心距比值查图， 啮合中心距， 蜗牛轮矩， 使用系数，查表， 使用接触应力 蜗牛轮轮齿材料接触疲劳极限，查表2.5-1， 寿命系数，,取 转速系数， 最小安全系数，取计算 即,齿面接触强度符合条件。蜗轮轮齿的弯曲强度计算: 由于蜗牛轮轮齿的齿形比较复杂，要精确计算比较困难，实践经验证明，齿根弯曲强度主要与模数m和齿宽这两个主要的几何参数有关，故可用简单条件计算法来校核。 蜗轮的圆周力，使用系数， 蜗杆轴向模数， 蜗轮齿宽， 许用系数 轮齿弯曲计算时的极限U系数，查表25-1, 弯曲强度的最小安全系数，取,取计算 可见，蜗轮轮齿弯曲强度条件符合。蜗杆轴的刚度计算：刚度不足会导致蜗杆副的不常啮合，造成偏载，加剧磨损，故应验算蜗杆轴的刚度。蜗杆轴的最大挠度（） 蜗杆圆周力（N）， 蜗杆径向力（N）， 蜗杆材料的弹性模量，对于钢 蜗杆危险截面处的惯性矩， 蜗杆轴承间的跨距，计算时可以取，取1.3 极限挠度，淬硬蜗杆计算蜗杆刚度条件符合。3.3 自动晾衣杆结构分析为了保证工作更加安全，剪叉臂与水平的最大允许角度为45。图15如图4.1所示，臂AE、CE、BD、BF均相等，剪叉臂AE和BF通过H点铰接，臂BD和F点与铰接，C点与托架铰接；铰接点A在N的作用下能够在水平滑槽中移动，另外铰接点D也能水平移动，且与A点的运动方向相反。由于点A和D的移动，从而支架厢在垂直面内升降并伴随有少量水平位移。3.5自动晾衣杆的运动分析在上升过程中以一定的速度推动滑快A向后移动，A点的速度为A；由于A点的水平移动带动双级剪式机构运动，从而使得BFA发生变化，即由初始位置的0变为1=0+；因为剪式机构的运动带动点D同时向上和向前移动，所以台面DF在整个过程中向上向后移动（倾斜做准备）。其中点B和点H的瞬时速度分别为B和H；点D的水平和垂直速度分别为Dx和Dy；支架厢支撑台面的水平和垂直平移速度分别为X和Y。杆BF上B点、H点的瞬时转动中心都为F点，从而可求得（取移动的方向为正方向，即水平向右和垂直向上为正向），其运动简图如图16所示。B点的运动速度B： 图16 剪叉式自动晾衣杆运动分析简图 （4-2）点H分别相对于点A、F以相同的角速度转动，其中点A又以速度A水平移动,而点F静止不动，于是可得：H点相对于点F的运动速度HF： H点相对于点A以角速度运动的速度HA： 图17则点H的水平和垂直速度和:且，则：D点相对于B点以角速度转动，则D点速度:将代入上式可得：D点的升降速度与支架厢支撑台面的升降速度一致，因此台面上升速度 由于等臂双级剪式机构的运动特点点A、B、C始终在一条垂直线上，同样点D、E、F也始终在同一铅垂线上。从上述计算中可以发现，在支架厢被举升的整个过程中，点D、E、F没有发生位移，即D、E、F三点只在垂直方向上有位移；那么支架厢在举升过程中的水平移动量只取决于点A的水平移动量，则台面的水平运动速度：又因为滑快A由油缸直接水平推动，所以油缸活塞的运动速度：则：3.6 自动晾衣杆的动力分析剪式剪叉式自动晾衣杆，不计剪式机构的重力和各种摩擦力，则该质点系具有理想约束，因此可以用虚位移原理求解其所受各力的相互关系。虚位移原理：又称分析静力学的原理是所有作用在质点系上的主动力对其作用点的虚位移所作的虚功之和为零。对n个质点组成的质点系，其数学表达式为：式中Fi和ri分别表示第i个力和它的虚位移。图4.3中双级剪式剪叉式自动晾衣杆所受的主动力为重力G（包括装载质量me，支架厢质量m1，支架厢支撑台面质量m2）和水平油缸的水平推力FN。由虚位移原理可得上式中两虚位移的关系则：由式（4-19）可知，在一定装载质量的情况下，油缸活塞对滑块A的水平推力随角度（为杆BF绕点F转过的角度）变化而变化。根据设计要求的荷重和剪叉机构的结构尺寸，可求出在整个升程范围内油缸活塞的推力，以此作为油缸选择设计的依据。3.7 自动晾衣杆参数的确定3.7.1 基本几何尺寸的确定如图4.4所示，AC、CE、BD、BF为杆长相等的四杆，AE与BF，CE与BD铰接与中点H、G、A、D为滑动铰接。图18设，初始位置，当到达最大升程时；由几何关系可得：为了使整个剪叉式自动晾衣杆不底部安装空间，需满足：取，联立（4-20）、（4-21）、（4-22）、（4-23）求解并圆整得：3.8 自动晾衣杆的校核本次设计的双级剪式剪叉式自动晾衣杆各铰接点均采用同型号的双头螺纹销连接，因此在对该机构进行校核的时候，除了要对剪叉臂进行强度校核外，还要对各铰接点的销轴进行强度校核。由于在该机构的运动过程中各铰接点的受力在不断变化，只需最大受力点进行校核。3.8.1 各铰接点的受力分析结合双级剪式剪叉式自动晾衣杆的结构和运动特点，对其进行整体受力分析，如图4.5所示。设货物重心与C点的距离K，A、D点的滑动摩擦系数f，不计双级剪式机构的自身重力和内部摩擦力。将货物对该机构的作用力分解到C、D两点上根据力学定理可得： 将剪式机构看作一个整体，根据力学定理可得A、F点的受力情况： 对臂AHE及CGE隔离受力分析，如图19所示，根据力学定理可得：图19剪叉臂受力简图（a）则： 则： （联立式（4-32）和（4-33），得 对E点取矩，将式（4-25）、（4-26）、（4-28）、（4-29）及（4-34）代入式（4-35），则： 以臂BGD为隔离研究对象，如图20所示。图20 剪叉臂受力简图（b）则： 3.8.2 各铰接点销的选择与校核考虑到整体布局需要，以及结合装配草图，根据摩擦副的特性，取。对上述各铰接点在任意角度时的计算公式的分析计算，可知H点承受的作用力最大，且当时作用在H点的力最大。由式（4-37）知，当时KN KN销轴均用45钢制造，作调质处理，其屈服强度=355MPa，选择安全系数为2，其许用剪切应力=0.5=177.5MPa。考虑到生产制造的方便、节省制造工时，在使用材料允许的条件下，该机构交接的双头螺纹销均采用同一直径，取mm。MPa因此，该机构所有铰接点选用的销均满足强度要求。3.8.3臂的强度校核 由图3-9和图3-10可知，内剪叉臂aed受力要远大大于外剪叉臂bec，所以这里只校核外臂。外剪叉臂受力如图3-1所示。又由图4-8可知，的角度越小，则推力的值越大。若取最大值时满足强度要求，则该剪叉臂即满足强度要求。当机构在最低位置时，的值最小，即值最大。参照图3-1，剪叉臂所受的力都与剪叉臂有一定的夹角，为方便受力分析，将所有的力都按沿剪叉臂方向和垂直剪叉臂方向分解，有下列式子：图21 内剪叉臂aed受力图各力分解后的受力图如图22(a)所示，弯矩图见图22(c)图22 内剪叉臂aed的轴向及径向分解受力图剪叉臂的g处由于是有一个肋板作用，可看作力作用在剪叉臂上为均布载荷。由图3-2（c）中可知，最大弯矩发生在k点处，但需校核e、k两点处的强度，且图中有，。又已知剪叉臂的横截面宽和高分别为，如图3-3所示，图3-3（a）是e点处的截面图，图22（b）是k点处的截面图。e点处的抗弯截面系数为k点处的抗弯截面系数为图23 剪叉臂e、k两点处的截面图因为当时，此时e、k两点的弯矩最大，且由式（7.8）得，则选择材料为，参照参考文献1，所以是安全的。4自动晾衣杆设计三维建模4.1 三维建模把自动晾衣杆各个零件装配起来组成一个整体的结构图，如下图 图24 自动晾衣杆模型图4.2 运动学分析的简介 机构是由构建组合而成的，而每个构件都以一定的方式至少与另一个构件相连接。这种连接，既使两个构件直接接触，又使两个构件能产生一定的相对运动。 进行机构运动仿真的前提就是要创建机构。创建机构与零件装配都是将单个零部件组装成一个完整的机构模型。因此两者有很多相似之处。、 机构运动仿真与零件装配，两者都在组建模式下进行。创建机构是利用操控板中的“预定义连接集”列表选择预定义的连接集，而零件装配是利用操控板中的“用户定义飞连接集”来安装各个零部件。由零件装配得到的装配体，其内部的零部件之间没有相对运动，而由连接得到的机构，其内部的构件之间家可以产生一定的相对运动。以下就简单介绍一下机构运动仿真的基本术语： UCS：用户坐标系WCS：全局坐标系。组件的全局坐标系，它包括用于组件及该组件内所有主体的全局坐标系。放置约束：组建中放置元件并限制该元件在组件中运动的图元。环连接：添加后使连接主体链中形成环的连接。自由度：确定一个系统的运动（或状态）所必须的独立参变量。连接的作用是约束主体之间的相对运动，减少系统可能的总自由度。主体：机构模型的基本元件。主体是受严格控制的一组零件，在组内没有自由度。基础：不运动的主体，即大地或者机架。其他主体相对于基础运动。在仿真时，可以定义多个基础。预定义的连接集：预定义的连接集可以定义实用哪些放置约束在模型中放置元件、限制主体之间的相对运动、减少系统可能的总自由度及定义元件在机构中可能具有的运动类型。拖动：在图形窗口上，用鼠标拾取并移动机构。回放：记录并重放分析运动的操作技能。伺服电动机：定义一个主体相对于另一个主体运动的方式。执行电动机：作用于旋转或平移运动轴上而引起运动的力。在机械设计运动研究中，用户可以通过对机构添加运动，使其随伺服电动机一起移动，并且在不考虑作用于系统上的力的情况下分析其运动。使用运动分析可以观察机构的运动，