家用自动洗鞋机设计说明书

1、第五届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组参赛作品家用自动洗鞋机设计说明书设计者：袁洋 马路 邓帅 杜思超 陈涛 设计单位：中原工学院设计部门：机电学院指导教师：付晓莉 张伟杰2012年2月河南郑州目录1 研制背景及意义12设计方案23运动、动力分析94. 工作原理及主要功能指标205. 控制设计226. 创新点267. 应用前景26参考文献27附录一作品实物照片28附录二装配尖系图 附录二装配流程图家用自动洗鞋机设计者：袁洋马路邓帅杜思超陈涛指导教师：付晓莉张伟杰（中原工学院机电学院郑州450007）摘要：以简便、实用、清洁，能解决洗鞋过程鞋子清洁除菌问题设备为研究对象，提出横向刷洗机构，竖向刷

2、洗机 构，鞋底刷洗机构，鞋内刷洗机构等四种刷洗机构，再结合空水、挤水机构，设计了一种家用洗鞋机，实验结果表 明，设备工作稳定，性能可靠，功能实现效果良好。尖键词：洗鞋；家用洗鞋机；清洁作品内容简介本作品根据本届机械创新设计大赛的主旨要求而设计，属于“家庭清洁类机械”。本产品自动完成洗鞋全过程，包括清洗、空水、挤水、烘干杀菌等功能，结构简单，操作方便，清洗快捷，小型化，适合家用。自动洗鞋机采 用鞋子静止，刷子相对鞋子运动的刷洗方式，清洗部分由横向刷洗机构、竖向刷洗机构、鞋底刷洗机构、鞋内刷洗 机构等机构组成，对鞋子进行全方位的刷洗，刷洗简便、快捷，解决了现有洗鞋机清洁度不够、鞋底污物形成污水对

3、鞋子造成二次污染等问题，并且降低洗鞋机工作过程中对鞋子造成损坏的可能性；空水功能使刷洗过程中鞋内的积水 顺利流出；挤水机构解决了刷洗后，鞋体内残留积水难以挤出的问题，确保鞋体内无残留；烘干、杀菌功能使鞋子 取出后即可使用，消除有害细菌，保证脚部健康。联系人：付晓莉联系电话1研制背景及意义据世界卫生机构调查，全世界有的人对鞋的卫生程度不在意，这是影响人体健康的主要 因素，经 常洗鞋可以预防脚气，防止细菌滋生，有效保护脚部健康。对鞋的清洗是重要的，是消费者所急需的。通过调研和查阅资料我们发现，国内市场的洗鞋机较大型化，主要满足商业需求，价格昂贵，占用 空间较大，不适于一般家庭使用。且普遍存在自动化

4、程度不高、刷洗不干净、对鞋造成损伤等缺陷。目 前市场上洗鞋机，多为滚筒式和波轮式两种，通过旋转摩擦达到清洗目的，此种刷洗方式，仅能对鞋子 外部进行刷洗，且大量鞋底污泥溶于洗涤水中，对鞋内部较干净部分造成二次污染，同时旋转摩擦的刷 洗方式还会对鞋体本身造成一定的损伤。人工手洗虽具有较高的灵活性，但耗费体力，且刷洗完成后， 无法将鞋帮內水分完全挤出，导致洗涤剂残留，影响穿着舒适度及人体健康。经过我们创新设计成员对所存在问题认真分析，我们认为应该考虑如下几点：1）采用鞋子不动，刷子动的方式，解决鞋底污物形成污水对鞋子造成二次污染以及鞋体翻转损伤 问题。2）鞋子形状面多且不规则，为使刷洗快捷、到位，需

5、要进行动作分解。3）鞋子刷洗完成后需要进行空水和挤干，需要加入空水和挤水机构。4）产品小型化，智能化，以适合家用。此家用自动洗鞋机旨在解决鞋子清洗难题，以简便'实用、清洁为原则，设计过程中应结合实际， 做到以人为本，结合慧鱼构件，对比论证，合理巧妙选用机构，在功能上突出自动化，智能化以及功能 的集成化°2设计方案家用自动洗鞋机由六大部分构成，分别是外侧清洗部分（鞋底刷洗机构、横向刷洗机构、竖向刷洗 机构）、空水及内部刷洗机构、挤水机构、烘干杀菌部分、气动装置、智能控制部分以及一些辅助部件 等。撑鞋机构撑鞋机构（图1）主要负责鞋的撑起固定。该机构由气动装置提供动力，分别由气缸1

6、和气缸2将撑杆1和撑杆2撑起，达到固定鞋子的目的。图1撑鞋机构机构简图外侧清洗部分清洗部分，由横向刷洗机构、竖向刷洗机构和鞋底刷洗机构组成，对鞋子外侧进行全方位的刷洗，使刷洗简便、快捷。鞋侧面横向刷洗机构（图3）主要负责对鞋子鞋面的刷洗。该机构由电机（电机鞋跟）驱动，通过链条驱动双 丝杠螺母进行运动，再带动横向刷子做竖直方向的运动，使刷子能贴合鞋子倾斜的鞋面进行刷洗。气缸 带动机构沿导轨做横向移动，刷子在旋 洗，从而使刷洗更加干净。工作完成后（鞋面刷洗完成），横向刷洗机 构复位，为下一次刷洗做准备横向刷洗机构底弱轴洗的同时做往复摆动的刷图3横向刷洗机构机构简图图4横向刷洗机构三维零件建模示意图

7、竖向刷洗机构竖向刷洗机构（图5）主要负责对鞋子两外侧面的刷洗。水平位移电机通过变速齿轮箱在齿条导轨 上做往复移动，使刷子贴合鞋面，竖直刷洗电机带动刷子旋转，对鞋侧面进行刷洗，机构上部固接于水 平移动架，带动竖向刷洗机构沿鞋体两外侧面进行从前到后的刷洗。工作完成后（鞋两侧面刷洗完 成），竖向刷洗机构复位，为下一次刷洗做准备。图5竖向刷洗机构示意图鞋底刷洗机构鞋底刷洗机构（图6）主要负责对鞋底以及对鞋跟一部分竖向刷洗机构清洗不到的部分进行清洗。该机构固接于升降机构，由电机驱动，通过输出轴带动链轮1、2、3和一个大齿轮1进行运动，这一对主动链轮1、2、3通过链条带动从动链轮4、5、6运动，刷毛固定于

8、链条上，从 而形成一个大刷子对鞋底进行刷洗。大齿轮1带动从动齿轮2进行运动，使得横向固定刷子对鞋跟进行 旋转刷洗。图6鞋底刷洗机构2.3空水及内部刷洗机构空水及内部刷洗机构（图7）主要负责使鞋子在进入工作位置后进行空水和内部刷洗等功能。由蜗杆带动齿轮，使机构旋转，图示位置即为洗鞋工作位置，蜗杆带动齿轮旋转180度,使鞋与水平面翻转一定角度，实现空水。内部刷洗，由电机驱动通过齿轮带动刷子旋转，对鞋内刷洗。初始状态下，机构处于空水位置，程序运行，机构翻转180度，鞋子进入工作位置，电机启动，刷 子对鞋内进行清洗，同时外测清洗部分启动，对鞋外侧进行刷洗。清洗完成，各刷洗机构刷子停止，复 位。空水及內

9、部刷洗机构再次翻转180度，鞋子回到空水位置，进行空水。空水完毕，机构复位，进行 下一步骤，同时为下一次刷洗做准备。图7空水及内部刷洗机构图8空水及内部刷洗机构三维零件建模示意图2.4挤水机构挤水机构（图9）主要负责实现对鞋帮水分挤出。该机构固接于升降机构，由气缸带动实现机构的顶 出和拉回，电机通过减速齿轮箱带动凸轮，推动夹板对鞋帮进行挤压，复位弹簧对夹板进行复位，与凸 轮配合，从而实现对鞋帮的反复挤压。挤水阶段，气缸将机构推至鞋帮两侧，电机运转，对鞋帮进行挤 水，挤水完毕，气缸将机构拉出置初始位置，工作完毕。图9挤水机构图10挤水机构三维零件建模示意图2.5升降机构升降机构（图8）主要负责使

10、底部刷洗机构与鞋底贴合以及将挤水机构送至鞋帮两侧等工作。该机构 由电机驱动，由蜗杆通过惰轮（齿轮1）带动齿轮2运动，将动力传递给丝杠，丝杠带动螺母做竖直方向 运动，实现升降。鞋底刷洗机构一端与螺母相连，另一端与机架相连，由升降机构带动升降。2.6烘干、杀菌部分洗鞋机底部安装热风烘干系统和红外杀菌系统，以保证将鞋快速烘干和消灭细菌，达到保护脚的目的。烘干采用内热循环气流，冷热风交替排除鞋子本身的湿度，从而达到均匀烘干效果，有效果避免了 鞋子在阳光下晾晒或风筒吹干对鞋子造成的损伤。杀菌采用臭氧发生器与内循环气液结合，对每个角落 进行全面杀菌。2.7智能控制部分智能控制部分：慧鱼二代编程接板基于Wi

11、ndows7环境下ROBOpr （编程控制。在工作时，当接通 工作开尖后程序自动运行，各个部分无需单独操作。计数齿轮与限位开矢联配合使用，实现对各部件运 动的精确控制。3运动、动力分析运动分析撑鞋机构分析计算图12气动冋路小煮图储气罐输出气压至各气缸5由能量守恒P储气罐V储气罐P气缸V气缸可知储气罐内储存的能由 P1 S PO S F 得出力F (P1 PO) SP1气缸气体压强P0大气压强s 气缸截面面积牛顿第三定律，推杆力和反推力是一对作用力和反作用力，故F F图14撑鞋受力分析图由受力分析可知:F3 F2 COS联立得：F 3F * COS COS 2摩擦力克服重力，使得鞋子被固定而不会

12、掉下，即：F3GG 鞋子重量摩擦系数即要满足设计要求所需参数：(P1 PO) S COS COS G 2横向刷洗机构分析计算机构自由度计算如下:图15机构自由度如图示，空间活动构件n 5,五级副p5 4，四级副p4 2，一级副pl 1，由公式：F 6 n 5 p5 4 p4 3 p3 2 p2 pl 得F65544211运动链的自由度大于零，且等于原动件的数目，此运动链能构成一个合理机构计算螺杆螺母升速，由S I 2nt60联立得Vs罟t60I螺杆导程螺杆转动角度S 螺母升程n螺杆转速刷洗力计算分析图16齿轮箱传动示意图电机额定功率P,转速N ,减速箱部分 齿轮传动比：-Z1 Z3 Z5 1

13、11 11121a毛刷的功率p P传动效率由转矩计算公式T 9.55 10.N尖于合理选择刷洗力的计算，毛刷在转动的过程中，主要是靠毛刷和鞋面的摩擦力，而摩擦力的计算可简化为毛刷的周力F，在已知毛刷转矩T和毛刷杆半径R的情况下，易求得：F f，在实际洗刷过程中，只需毛刷圆周力满足:1.2foF 15f。，即满足了刷洗图18 X方向剪力图干净的要求，又避免了刷力过大损坏鞋子。空水及内部刷洗机构强度分析计算受力分析:2AXL丿* 1fg/X L图17受力分析图Xi 0 : Xa G sin 0得：Xa G sin其剪力图如下:G sin 0Yi 0： Ya G cos 0 得：W G COS其剪力

14、图如下:图19 丫方向剪力图Ma (Fi) 0: Ma X G cos得：Ma x G COS 其弯矩图如下：biG 八 cos B图20弯矩图对于高为h,宽为b的矩形截面其抗弯模量Wz计算如下:b图21抗弯模量计算图“ Izbh3/12 bh2WzYmax h/26满足设计强度要求需:maxWz即设计参数需满足： bh2G 鞋子重量I悬臂梁外伸长度悬臂梁倾斜角度b截面宽度h截面高度弯曲许用应力 挤水机构分析计算Vr图22凸轮推力受力分析图绝对运动：板做摆线运动；相对运动：沿凸轮外廓的曲线运动；牵连运动：凸轮绕转动中心0的转动。作速度平行四边形，由集合尖系知：Va Ve VrVa Ve sin

15、 h w sin凸轮受力分析计算:图23弹簧作用受力图弹簧形变量L La Li弹簧拉力F弹簧=K L力矩平衡有：K L O2M F O2NK (l_2 Li) 04 : F 推K弹簧劲度系数Pro/ENGINEEF下运动仿真得夹板运动曲线图如下:图24夹板位置曲线图25夹板角速度曲线图26夹板角加速度曲线升降机构分析计算原动件传动到螺杆，依次由减速箱固定装置（小齿轮组），减速传动装置（蜗杆，齿轮1 ,齿轮2 ）减速，其传动比：1门111211420287760z1Z2 1151z2z31510101211乎i ii 2 7760 1077600电机转速经过减速装置，速度降为： n n。i电机功

16、率经过传动装置，功率变为： PPd 2 3由转矩计算公式：T 9.55 106 E得螺杆转矩TT由此转矩而产生的升力：FR tan()得.T GSR tan()参数：n。一电机转速P。一一电机功率1 减速箱传动效率2 蜗杆蜗轮传动效率3 齿轮传动效率R螺杆半径螺旋升角当量摩擦角动力分析本作品主要采用蜗杆蜗轮机构、螺旋传动机构、气压传动机构、齿轮齿条机构、链传动机 构、摇杆 滑块机构等多种机构，构成具有各种功能的模块。作品的动力供应主要采用蓄电池或220V交流电源o自动洗鞋机在工作过程中由电动机提供动力，主要由9伏电动机通过过齿轮减速箱将动力提供给 各运动机构，以实现各个机构动作气动动力装置由电

17、机提供动力，通过皮带轮带动曲柄使气缸的活塞作往复运动，实现吸气、压气， 达到提高气体压力的目的。压缩的气体首先送入储气罐中，储气罐的作用是储存一定压力的空气，保证 气动回路压力的稳定，电磁阀控制气体的流动方向，从而驱动各个机构完成动作。图28气动动力装置示意图4工作原理及主要功能指标工作原理1刷洗原理：通过横向刷洗机构，竖向刷洗机构，鞋底刷洗机构和鞋内刷洗机构，分别对鞋子的各个表 面进行全方位的刷洗。刷洗原理示意图如图所示：图29刷洗原理示意图2）空水原理：由特殊结构蜗杆齿轮组成与悬挂架组成，蜗杆齿轮中间平面与水平面成角度悬挂架与水 平面平行。蜗杆带动齿轮旋转，鞋子翻转180度，使鞋子与水平面

18、成角度夹板图31挤水原理示意图4.2主要功能指标刷洗力刷洗速度刷洗时间20 30N40mm/min15 25min5控制设计及若干个限位开尖，通过程序控制洗鞋机控制系统由一个主控接口板和三个扩展板组成，各个机构运动。其运动流程图如图所示:将鞋放入洗鞋机内支架按动开矢启动工作撑鞋机构展开 刷洗、空水机构定位 开始刷洗ST各刷洗机构开始工作 鞋面鞋跟鞋内刷洗完成 刷洗机构复位升降机构开始工作空水机构开始工作空水挤水机构工作- 洗刷完成，各机构复位图32工作流程图控制程序如下:刷洗阶段子程序空水挤水阶段子程序初始化子程序6创新点T1）小型化，家庭化。使得大众家庭足不出户就能享受到洗鞋服务;2）通过横

19、向刷洗机构、竖向刷洗机构、鞋底刷洗机构、鞋内刷洗机构等机构组成清洗部分，对鞋子进 行全方位的刷洗，使刷洗更加到位，快捷；3）鞋底刷洗机构，采用传送带式刷子，对鞋底进行大面积清洗，确保鞋底刷洗干净；鞋底泥污从洗鞋 机底部流出，使得污水不会对鞋子造成二次污染；4）加入内部刷洗机构，对鞋内进行刷洗，解决鞋内不便刷洗问题；5）加入挤水机构，使得平时不好挤出的鞋帮中的水得以挤出，重复的漂洗加挤水，使得鞋中无残留；6）刷子加入简单的气动构件，使得刷子在旋转刷洗的同时可以做往复摆动的刷洗，使得清洗更加洁 净。7应用前景模型成本自动洗鞋机模型所用材料主要为各种慧鱼创意组合模型的相矢构件，以及制作作品展示台和其它 相尖辅助材料。自动洗鞋机模型的合计成本：5000元左右实际成本估算本模型转化为实际产品需要的主要部件有：数个电机、控制电路板、定位传感器、钢架结构用来 固定各部分组件、金属或熟料外壳以及其它相矢材料。根据市场上现有产品和