作品名称校企用中型洗碗机

1、1、 作品名称：校企用中型洗碗机2、 学校名称：华中科技大学设计者：房晓文 机械学院 机制0501班 卢 伟 机械学院 机制0507班 张 雷 机械学院 机制0512班 许江峰 机械学院机制0512班目录设计任务书设计题目 设计背景 设计目的设计参数 方案设计方案分析形态学矩阵方案确定理论计算槽轮校核轨迹校核机械手校核0轴套设计 3电路设计6零件清单7创新点及市场前景9参考文献9一、设计任务书1、 设计题目：校企用中型洗碗机2、 设计背景：随着生活节奏的提高，学生员工对便捷就餐的需求也渐渐浮现。因此现在绝大多数高校食堂均采用统一提供餐具的方法。由此也就带来了餐具清理的庞大负担。动辄成百上千的餐

2、具不仅带来了巨大的劳动强度，浪费了大量的人力和物力。同时由于人力清洗易受到人的情绪等因素的影响，使得洗碗过程可靠性不强。虽然现在市场上已有洗碗机出现，但仅有家用和大型商务用洗碗机，对校园餐厅和中型企业这一领域尚属空白。同时由于现有洗衣机大多为从西方引进的，更多的是针对碟类餐具设计，对于碗类餐具的清洗尚有死角。而且多采用高压高温水冲，耗费了大量的电能水资源，同时加热设备也提高了其体积和造价。现在市场上的洗碗机普遍售价在4.5万元以上，占地面积从12m2到100m2不等。这些不足严重影响了洗碗机在我国的推广使用，现在几乎所有的校企餐厅仍然采用人工洗碗的方式。在这种现状下，设计一种常温常压下能对食堂

3、用餐具进行有效全面清洗的机械显得非常必要。3、 设计目的：a.省时省力：使用洗碗机洗涤餐具，可大大减轻繁琐的手工劳动，使劳动者从繁琐的劳动中解放出来。因为洗涤过程中只需一个人随时将碗放入洗碗机的抓手内即可，清洗和消毒工作将由机器自动完成。b.便于操作：洗涤自动化程度高，一般有如下步骤：粗洗去除颗粒杂物和油腻；精洗确保碗内无任何油污残留；冲洗达到碗壁上所附着的水珠也是洁净的；消毒以彻底达到无菌的效果。c.节约水资源，设计的洗碗机所用水可循环利用，后面用于精洗和冲洗的水便可以用于第一次的粗洗。d.常温常压洗涤，通过模拟现有食堂洗碗操作，在常温下完成各个操作，在尽可能小的能耗下洗涤，并应保证碗的各个

4、部分均得到了清洗。4、 设计参数：类别：自动或半自动效率：600-800碗/小时面积：4-6m2每碗平均用水量：160ml操作要求：单人手工操作二、方案设计1、 洗碗方式的确定：根据洗碗机常温常压洗涤的要求，我们确定了模拟现有校企食堂里面的洗碗流程，并通过简易机械手完成操作。则机械手应满足的功能应有如下功能：A、 抓碗：机械手应能自动或人工辅助的抓取餐具，并保证一定的抓取强度，若为人工辅助式，则应尽可能降低人的劳动强度；B、 洗碗：机械手应能进行适当的动作对碗进行足够的，全方位的清洗；C、 放碗：机械手应能在洗涤完成之后将碗投放至消毒池中，保证放碗时对碗的冲击小，同时应尽可能使碗能够规则的排列

5、。同时，经过我们在几个学校的调研，洗碗流程大多为如下几个操作：因此我们在设计中也采用了以下几个流程，并据此进行了后续的设计。 2、根据以上流程，本机械的形态学矩阵如下图所示：1234A、总体实现高压水冲机械刷洗超声波B、传送机构链传式环形循环篮传式C、升降机构凸轮机构曲柄滑块变异凸轮齿轮齿条D、控制时间人工控制槽轮机构不完全齿轮凸轮式间歇运动机构E、触发装置连杆自锁圆珠笔式棘轮机构变异棘轮F、洗碗方式刷子主动碗主动G、动力源人工步进电动机交流电动机其中加粗部分为我们最终采用的方案。3、方案选择分析3.1、根据我们所选定的洗碗流程，只能选用机械刷洗的方法来依次实现各功能；3.2、实现各个流程间切

6、换的传送机构可采用传送带、蓝传式传送等方法，但考虑到产品的占地面积与传送驱动机构的设计，我们将传送带进行了修改，以设计的机械手作为传送机构，并采用环形循环的方式实现位置的切换；3.3、为了保证洗碗机的清洗效果，所有洗碗的动作应尽量在有水的环境中进行：但是在机械手随转盘转动至下一个流程时又必须脱离水面，以高出容器边缘的高度进行旋转。因此，机械手必须要能够随着转盘的转动做相应的高低起伏。要完成此项任务，主要有以下三种方案： 利用凸轮机构实现机械手手臂整体的上下移动； 利用曲柄滑块机构实现机架的上下移动； 利用变异凸轮，实现机械手局部的特定位置；以下分别通过时间特性、加工成本、噪音，功耗等方面对以上

7、三种方案进行比较分析：A时间特性：方案一和方案三在本项参数中具有相同的优势，即可以实现特定的轨迹，可根据设计需要使机器在上升保持一定的时间，从而保证了机器运转的可靠性。而方案二由于机架处于持续的运动中，若要使机器运转顺利正常，就必须实现机械手在其最高位置时越过容器边缘进入下一流程，从而提高了容器设计的复杂程度，而且稳定性难以保证；B加工成本：方案二在此机构中具有显著的优势，同时又是低副运动。方案一和三加工成本均较高。但由于方案三只需保证若干关键点的精确定位，所以可以用圆杆替代，批量生产中可采用冲压成型，成本有可能降低。C噪音和功耗：方案一、二均须整个机架的上下移动，将产生周期性的强噪音。同时也

8、必将带来较大的功耗，这是方案一、二的致命缺陷。基于以上分析，我们采用了第三种方案，即采用变异凸轮实现各机械手的特定位置的同步实现，设计出了如右图所示机构：该机构是凸轮机构的变形体，机械手臂末端和机架铰接，前端依附在轨道上，并随着轨道的变化起伏，从而实现机械手的上下移动。同时为了减小手臂及轨道的磨损，我们在手臂上通过轴承套接一段圆管，增加一虚约束，这也很大程度上降低了噪音。3.4、 时间控制：在洗碗过程中为了对碗进行足够的清洗，需要在清洗的部分进行适当的停留，这就必须要实现各部分的间歇运动并应保证适当的时间控制。综合考虑加工成本和实用性，我们采用了齿数为六的槽轮机构。3.5、 形态学矩阵中均能完

9、成抓碗和放碗的触发，以下分别加以分析：手动控制：此方法类似于机加工过程中的夹持于放下工件的动作，但此方法将极大的减慢洗碗的效率，而且放碗过程也会相应的增加机构；连杆机构自锁抓取：该方案采用连杆机构中的死点原理，在抓紧碗的地方实现自锁，需放碗时只需取消自锁。此方案主要缺点是连杆机构所占面积较大，同时杆件配合不够稳定。圆珠笔式自锁：该机构原理图如上所示，当机构未抓碗时，构型如左图所示，桶内杆上簧片卡在筒壁之内，同时杆可以沿筒滑动。当碗夹紧时，簧片卡在卡槽内，保持杆的位置从而保持夹碗的状态。洗碗结束后，触发机构挤压簧片使其脱离卡槽，杆子后端的弹簧作用使杆回弹，把碗放开。这种机构可较好实现所需功能，但

10、只能抓紧一种直径的碗，且调整麻烦，簧片的强度将影响抓碗的稳定度。因此，我们对其进行了适当的改造，将簧片由齿条替代，将卡槽改为棘爪，则很好的解决了上述的问题。最终采用的方案如图：3.6、为了尽可能的使洗碗操作易于用机械动作来实现，我们将洗碗简化为碗和刷子之间的相对运动。相对运动的实现同样有碗主动和刷子主动两种方式。碗主动的方式意味着手上抓碗部分都要运动，这将极大的增大机械手的复杂程度。刷子主动存在的主要问题则是防水问题，将驱动电机放置于水桶之内不仅要在防水上下大工夫，同时电机内润滑油等对清洁水的污染也必须要考虑到。同时为达到全面的洗涤效果，碗的背面也应加上运动的洗涤工具，也将会增加电机的数目。综

11、合考虑到加工成本及实现可能性，我们选取了碗动的方案，而且通过对手的改进设计，碗的背面清洗也得到了很好的清洗。如上图，通过尼龙加工而成的轴承套连接两根管子，同时保证良好的旋转和防水性能。中心部位的杆子带动前端爪子抓紧餐具，杆子尾部由于棘条作用卡住，并由于尾部的限位只能进行前后滑动，从而由前端刷子与碗的后部进行相对擦洗运动。三、结构设计理论计算1、间歇运动方案设计 槽轮有六个槽，每次提供60度的转程，槽轮运动的运动系数计算公式为：这个机构的槽轮中槽数Z=6,转臂滚子数K=1,所以运动系数是0.3333.槽轮拨盘的应力校核如下其受最大力F=1.375x10N,材料为Q235钢,尺寸D=32.33mm

12、,h=15mm剪切应力为=Pa=21.45MPa弯曲正应力为=,其中W=3.32x10m=31.06 MPa查资料得, Q235钢许用弯曲应力 =158 MPa,许用剪切应力=98 MPa<, <单从弯曲正应力或弯曲剪切应力方面考虑槽轮拨盘都是安全的下面应用第三强度理论综合弯曲正应力和切应力进行强度校核= MPa=52.96 MPa<槽轮拨盘是安全的2、 轨迹论证共有六只机械手，与槽轮机构的铰接在一起。从而可以随着主动件输入做间歇运动，在运动的过程中沿着圆柱凸轮提供的轨迹运动，轨迹实物图如下：该轨道具体参数如右图所示：由上图可知，该轨道有轴向的下降和径向的收缩两部分组成，其主

13、要目的是为了实现在最短的空间范围内达到机械手高度的较大变化。在本机器中，我们设置45度的角度为目的角度。所以，轨迹设计参数如下，轨迹的基本半径为400mm，其中机械手铰接中心距离轴心的距离为50mm，机械手总长600mm，所以轨道主要部分与机械手前端距离为350mm，在轨道的工作部分，径向收缩至250mm，轴向下降200mm，即可达到所需高度和角度。由轨迹在其对应两面的投影可知，轨迹在其下降端斜率较大，在很小的角度内即降到指定位置，同时为了保证在其上升段有足够的动力，其上升段斜率较小，保持在30度左右，减小了其上升时段的负载。该轨迹在工作过程中的应力应变分析如下：其中红线是导轨受力从图中可得导

14、轨在运动过程中受到最大的力为F =6.72x10N导轨为圆形截面，D=1.5cm,材料为Q235钢,校核其弯曲切应力：= Pa=50.73MPa查相关资料，得 Q235钢的许用剪切应力=98 MPa<导轨的剪切应力在安全范围之内3、机械手方案论证：机械手实物图如下所示: 机械手实物图它能够实现抓碗、洗碗和放碗的动作。在机械手下降到一定的位置时，槽轮机构的拨盘刚好不会带动槽轮运动，即槽轮机构处于停歇状态。而当机械手处于这个位置时，所抓的碗位于洗碗缸中，由机械手上面的刷子来完成完的外壁的清洗，由洗碗缸中的刷子清洗碗的内壁。随着轨迹运动，手臂处于上升状态中，到槽轮机构下一次处于停歇状态时，机械

15、手上的碗又进入下一个洗碗缸中，进行下一个洗碗步骤。·机械手上面的爪子设计成可以方便清洁工人直接将碗放在机械上，爪子上的曲柄滑块机构和卡死机构实现夹碗动作，机架上的触发机构实现机械手的自动放碗动作。这种触发机构类似与我们日常用的雨伞的撑起机构，也类似与我们所用的一种圆珠笔上锁死、解锁机构。机械手运动机构简图构件1、2为抓手（机构简图中用两个抓手示意，在实际零件中有三个抓手），与构件7相配合完成碗的夹取和碗的底部清洁，构件3、4为连杆，构件6可作为滑块，构件6与构件5之间为移动副，与构件7之间为转动副，若将构件5看作机架，则构件1、3、6和2、4、5分别组成滑块摇杆机构，当操作者将碗放入

16、夹手中时，杆7受压力沿轴向后伸，由于构件6与杆7之间只有转动副无移动副，故构件6将带动连杆3、4发生移动，从而使抓手1、2收缩将碗夹紧，由于杆7的运动将带动构件10移动，当移动到某一范围时构件10将被楔形块11卡住；当楔形块被触发时，在弹簧9的弹力作用下杆7将被弹回到初始位置，而碗也将被释放；当整个手臂处于工作阶段时，即处于碗的清洗阶段时，构件5将绕其轴心旋转并由抓手带动碗一起转动，又由于构件7与构件8之间只有移动副无转动副，所以构件7连同装在其前端的刷子都不会转动，这样就会在抓手1、2与构件7之间发生相对转动，达到清洁碗的外表面的底部的作用，碗的内表面的清洁工作将由固定在水箱底部的固定刷子来

17、完成。行程设计以及抓手形状设计A有关行程的设计注：图中距离均为中心距。设定顶杆与数值方向夹角为,顶杆长度为a,手臂后部长度为b，拉杆长度为c，行程为d（即两种极限状态下的距离）。图中实线为抓手张开最大时的极限位置，虚线为抓手收合时的极限位置。由几何关系得经测定，碗的最大高度为60mm，最小直径为150mm.根据以上参数，考虑到整体的形状，以及外观。确定以下参数：a=70mm d=45mm.则，可得：b=67.87mm, 取整得 b=68mm代入2式求解并取整得，C=90mm结论：当a=70mm，b=68mm，c=90mm，时，可以保证滑块的行程为45mm。同时考虑到当达到最大极限时，有可能会导

18、致其不能正常返回，故，在前筒壁上开的槽的长度应去40mmB手臂形状的设计最小直径为150mm，当抓手收合到允许的最小的极限位置时，爪子边缘到中心线的距离要保证小于75mm。即，若达到最大极限位置时，爪子边缘到中心线的距离一定小于75mm.如图，由图可得，设计手臂的前后段夹角为，手臂前端长度为105mm. 5、轴套校核轴套传递功率P=20W，转速n=200r/min，采用直齿圆柱齿轮 材料：45号钢，查机械设计手册，得=650MPa，=360 MPa，=300 MPa ，=155 MPa，=60 MPa. 轴套的尺寸如下图：按弯扭合成校核 受力简图如下： 轴套上受力分析：轴套传递扭矩 T=9.5

19、5x x =9.55x x=955齿轮圆周力 =N=36.73N齿轮径向力，轴向力 ：由于采用直齿轮，故可忽略径向力，轴向力。 计算作用于轴承上的支反力 = =30.6N = =67.34N =0 计算轴套的弯矩，并画出弯矩图，扭矩图 计算并画出当量图 转矩按脉动循环变化计算，取=0.6，则 T=0.6x955=573按Mca=计算，并画出当量弯矩图Mca。 校核轴套的强度 轴套的强度是否满足只需要对危险截面校核即可，而轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大但直径较小处，故只需对aa截面bb截面进行校核即可。 aa截面处当量弯矩为=550.8 bb截面处当量弯矩为=573=750=12

20、96= MPa=0.7344 MPa MPa=0.442 MPa 显然， =，= 故安全。 按安全系数校核 判断危险截面 应对aa截面进行安全系数校核 疲劳强度校核 a aa截面上的应力 ：弯曲平均应力=0 扭曲平均应力= MPa=0.32 MPa b 材料的疲劳极限： 查表得 =0.2，=0.1 c aa截面应力集中系数： 查表得=1.825，=1.625 d 表面状态系数及尺寸系数： =0.825，=0.9，=0.89 e考虑扭矩作用时的安全系数： 291.4 故安全。6、 电路设计手臂电路设计如图所示，其中为急停开关，用于紧急制动。其余用两个形成开关和一个继电器实现控制，其中ST1常开，

21、ST2常闭。洗碗机由装碗位向粗洗工位运转时，首先触发ST，接通电路，过触发点后ST2断开，但继电器此时工作，使电路保持连通；当到达冲洗工位时已无需转动，此时触发装置触发ST，则电路断开，从而使电机停转直至下次触发。此系统所有触发均为机械实现，以避免因主电机转速带来的时间差对电路控制的影响。四、零件清单序号名称数量材料工艺场所1手指3铝合金铣削实训中心2手臂顶杆3铝合金铣削实训中心3拉杆3铝合金铣削实训中心4圆柱销1GB119-8645外购5滑块1聚四氟车削实训中心6滑块耳朵3铝合金铣削实训中心7滑块轴承1聚四氟车削实训中心8圆柱销2GB119-8645外购9弹簧GB/T1239.6-921不锈

22、钢弹簧钢丝外购10前筒壁1无缝钢管外购华威不锈钢11尼龙套1尼龙1010车削实训中心12尼龙套卡环2尼龙1010车削实训中心13挡圈GB894.1-86 A4Q235外购14垫圈GB891.6-981Q235外购15螺钉GB819-856Q235外购16内轴1不锈钢外购华威不锈钢17内轴挡圈GB894.1-86 A2Q235外购18棘条145线切割华兴金属加工店19棘爪145线切割华兴金属加工店20后筒壁1无缝钢管外购华威不锈钢21棘爪夹2铝合金铣削实训中心22圆柱销3GB119-866Q235外购23耳朵145铣，车实训中心24双头螺柱GB897-88 bm=1d1Q235外购25电机座1铝

23、合金铣，车实训中心26电机1外购华申电子经营部27联轴器140Cr车削实训中心28联轴器销钉445外购29螺钉1 GB/T65-20004Q235外购30螺钉2 GB/T65-20004Q235外购31小齿轮145外购，车联欧动力32大齿轮145外购，车联欧动力A机械手（模型期间，考虑到加工程度，仅做个）机架序号名称数量材料工艺场所33底座1HT焊接华兴金属加工店34电机1外购欧特传动机电有限公司35联轴器2145外购或车实训中心36减速箱1外购37推力轴承 GB/301-841外购正茂轴承有限公司38内轴1不锈钢外购华威不锈钢39轴套筒1不锈钢外购华威不锈钢40筒内轴承 GB/276-892外购正茂轴承有限公司41耳朵1套Q235铣，焊接实训中心42键1445外购43键上螺钉 GB/819-858Q235外购44圆柱销4 GB/119-866Q235外购45拨盘1HT车削实训中心46拨盘轴1HT车削实训中心47键21Q235外购48拨盘滚子145车削实训中心49螺