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it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：付晓莉张伟杰时 间：2012年2月河南郑州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附录二装配关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彖，提出

2、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。关键词：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人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

3、污物形成污水对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_mail:fxlzzti163 com1研制背景及意义据世界卫生机构调查，全世界有74. 6%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

4、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，无法将鞋帮内水分完全挤出，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儿点：1）釆用鞋子不动，刷子动的方式，解决鞋底污物形成污水

5、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。2. 1撑鞋

6、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2. 2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。鞋底鞋面图2鞋子示意图鞋跟2.2.1横向刷洗机构横向刷洗机构（图3）主要负责对鞋子鞋面的刷洗。该机构由电机（电机1）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，刷子在旋转刷洗的同时做往复摆动的刷 洗，从而使刷洗更加干净。工作完

7、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。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2. 2. 2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。刷子图5竖向刷洗机构示意图2.2. 3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

8、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。齿轮1链轮1、2、3x、帯刷毛的铤条琏轮4. 5、6 / 3齿轮2电机图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

9、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。空水及内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。刷子图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，复位弹赞对夹板进行

10、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。图11升降机构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

11、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。杀菌釆用臭氧发生 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：慧鱼二代编程接口板基于Windows7环境下ROBOpro编程控制。在工作时, 当接通工作开关后程序自动运行，各个部分无需单独操作。计数齿轮与限位开关联配合使用, 实现对各部件运动的精确控制。3运动、动力分析3. 1运动分析3.1.1撑鞋机构分析计算J L图12气动回路示意图储气罐输出气压至各气缸， 量。由能量守恒P储气縱xl/储气进=P气缸xU气缸可知储气罐内储

12、存的能由 PlxS = POxS + F得出力 F = (Pl_PO)xSPl一一气缸气体压强PO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r=F图14撑鞋受力分析图由受力分析可知：F2 = FxCOSaF3 = F2 沢 COSp联立得：F3 = F *xCOSax COS%摩擦力克服重力，使得鞋子被固定而不会掉下，即：xF3GG 鞋子重量“摩擦系数即要满足设计要求所需参数：/ x (P1 - PO) x 5 x COS a x COSp 广 G3.1. 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71 = 5,五级副p5

13、= 4,四级副p4 = 2, 一级副pl = l,由公式:F = 6xn-5x /?5-4x p4-3x p3-2x p2-pl 得F=6x5-5x4-4x2-1=1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gx灼I螺杆导程(P螺杆转动角度S 螺母升程n螺杆转速3.1.3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 11 11 121I = X X = X X =Z2 Z4 Z6 14 20 28 7760毛刷的转速N=Nxf毛刷的功率P=PJ“一一传动效率由转矩计算公式T = 9.5

14、5xlOxN关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圆周力F,在己知毛刷转矩T和毛刷杆半径R的情况下，易求 得：尸=%,在实际洗刷过程中，只需毛刷圆周力满足：即满足了刷洗 干净的要求，乂避免了刷力过大损坏鞋子。3.1.4空水及内部刷洗机构强度分析计算受力分析：X/ = 0： %4-Gsin& = 0 得：XA = G smO其剪力图如下：IXaG sin 9图18 X方向剪力图工7 = 0: % Gcos& = 0 得：Ya = G- cos0 其剪力图如下：G cos 01图19 Y方向剪力图才 Ma（幵）=0 : M4-xGc

15、os& = 0 得：Ma = xGcos&其弯矩图如下：图20弯矩图对于高为力，宽为b的矩形截面其抗弯模量毗计算如下:h/2zh/2b图21抗弯模量计算图Wz =1Z _bhH2_b h/2 =6满足设计强度要求需:max即设计参数需满足:6GI cos & 八-G鞋子重量I悬臂梁外伸长度0悬臂梁倾斜角度b截面宽度h截面高度b弯曲许用应力3.1.5挤水机构分析计算图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，由集合关系知：Va = Ve-siny = h - w-sin/凸轮受力分析计算:图23弹簧作用受力图

16、弹赞形变量AL = L2-Li弹赞拉力F弹矗=K AL力矩平衡有：KALOM = FONOzNK弹赞劲度系数Pro/ENGINEER卜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3.1.6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：1111112111 =X一 X=1420287760.zl乙2115112 =X一二一Xz2z31510 10 121 1 121l = 11X12=X =7760 1077600电机转速经过减速装置，速度降为：n = noxi电机功率经过传

17、动装置，功率变为：P = Pol23由转矩计算公式：T = 9.55xlOx上得螺杆转矩丁n满足顺利升起倾斜的工作平面重量G,需有：FxLGxS得.GxSx/?xtan（a + 0）参数：/7o电机转速0电机功率1 一一减速箱传动效率2蜗杆蜗轮传动效率3 齿轮传动效率R螺杆半径a螺旋升角(P一一当量摩擦角3.2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釆用蓄电池 或220V交流电源。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，

18、以实现各个机构动作。气动动力装置由电机提供动力，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。空气压缩机图28气动动力装置示意图4工作原理及主要功能指标4. 1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0, 悬挂架

19、与水平面平行。蜗杆带动齿轮旋转，鞋子翻转180度，使鞋子与水平面成角度鞋 内积水空出。由儿何关系可知a = 18O。-26L图30空水原理示意图3）挤水原理：凸轮推动夹板，使夹板压向鞋帮，对鞋帮施加压力F1,同时撑鞋机构撑杆对 鞋帮施加力F2, F1和F2同时作用，将鞋内水分挤出。刷洗力刷洗速度刷洗时间20 30N40mm/min1525min5控制设计洗鞋机控制系统由一个主控接口板和三个扩展板组成，及若干个限位开关，通过程序控制 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关启动工作撑鞋机构展开刷洗、空水机构定位开始刷洗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

20、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1）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7. 1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关构件，以及制作作品展示 台和其它相关辅助材料。自动洗鞋机模型的合计成本：5000元左右7.2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 结构用來固定各部分组件、金属或熟料外壳以及其它相关材料。根据市场上现有产品和相关设备及材料价格作为参考，以及我们产品的设计指标性能需 求