盧桂萍，周昭濱，曾勇輝，楊 杰

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東珠海 519088）

0 引言

隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，新產(chǎn)品新技術(shù)的應(yīng)用層出不窮，人們?cè)絹?lái)越注重智能家居產(chǎn)品的“實(shí)用主義”和“以人為本”[1]。在當(dāng)前生活中的洗手間里，有關(guān)紙巾的智能家居產(chǎn)品就有自動(dòng)抽紙機(jī)[2-3]、超聲波智能烘手機(jī)[4]和快速烘干的烘手機(jī)[5]等。這些智能家居產(chǎn)品在一定程度上提高了人們的生活質(zhì)量，但是長(zhǎng)期地更換紙巾以及烘手時(shí)間過(guò)長(zhǎng)卻提高了人力成本，并且造成時(shí)間消耗。

智能更換及抽取紙巾設(shè)備是屬于智能家居領(lǐng)域的智能產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)低人力成本和可持續(xù)發(fā)展的“綠色科技”研究理念，智能更換及抽取紙巾設(shè)備可實(shí)現(xiàn)智能更換紙巾、抽取紙巾的功能，具有效率高、低能耗、使用便捷的特點(diǎn)。本文以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的連桿機(jī)構(gòu)為主要支撐，設(shè)計(jì)一種智能更換及抽取卷筒紙巾設(shè)備的結(jié)構(gòu)，豐富智能家居家電的發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)該設(shè)備能夠自動(dòng)抽取和更換紙巾的功能，智能紙巾更換及抽取設(shè)備可大致分為紙巾更換部分及紙巾抽取部分，也可細(xì)分為紙巾送料裝置、紙頁(yè)分離裝置、紙巾固定裝置、推紙筒裝置和切紙裝置。

1.1 紙巾更換部分

紙巾更換部分如圖1所示，主要由紙頁(yè)分離裝置、推紙筒裝置、卷筒紙巾送料裝置和紙巾固定裝置四個(gè)不同裝置組成，并且安裝于殼體內(nèi)的左右兩面?zhèn)劝迳?。在紙?yè)分離裝置中的紙巾用完的時(shí)候，光敏傳感器將感應(yīng)不到有紙巾流出，進(jìn)一步的紙巾固定裝置復(fù)位松開紙巾筒，進(jìn)一步的推紙筒裝置將紙巾筒從出料口推出，進(jìn)一步的卷筒紙巾送料裝置將紙巾送入紙頁(yè)分離裝置中，進(jìn)一步的紙巾固定裝置將紙巾壓緊，進(jìn)一步的紙頁(yè)分離裝置將紙巾分頁(yè)流出紙巾直至光敏傳感器感應(yīng)到紙巾為止。在此過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)存放紙巾的儲(chǔ)備箱中紙巾用完的情況，此時(shí)設(shè)備外殼的信號(hào)燈將會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示，等待人員在儲(chǔ)備箱中添加紙巾并關(guān)閉警示燈為止。

圖1 紙巾更換部分流程方案

1.2 紙巾抽取部分

紙巾抽取部分如圖2所示，主要由紙頁(yè)分離裝置和切紙裝置組成，在外殼下表面安裝有人體紅外傳感器。當(dāng)紅外傳感器感應(yīng)到人手時(shí)，切紙裝置回到最初的位置，進(jìn)一步的紙頁(yè)分離裝置將紙頁(yè)分離，從該裝置中的前側(cè)或后側(cè)流出至出料口，當(dāng)光敏傳感器感應(yīng)到紙巾并且延長(zhǎng)一定時(shí)間后，進(jìn)一步的切紙裝置中的主切刀從最遠(yuǎn)位置逐漸向前移動(dòng)，從而與被切刀相切將紙巾剪短進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)抽取紙巾的目的。刀具下方安裝有擋塊，在手掌伸入出料口時(shí)，可以避免刀具上手以實(shí)現(xiàn)安全、人性操作，符合人機(jī)工程學(xué)原理[6]。

圖2 紙巾抽取部分流程方案

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

智能更換及抽取紙巾設(shè)備根據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以提高工作效率，應(yīng)用了連桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律[7]。

2.1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3是智能更換及抽取紙巾設(shè)備整體的側(cè)視面結(jié)構(gòu)示意圖。殼體上方是通過(guò)翻蓋實(shí)現(xiàn)開/閉合的送料口。在殼體送料口和紙頁(yè)分離裝置之間，是利用齒輪傳動(dòng)提高效率，將紙巾從存儲(chǔ)箱中送入紙頁(yè)分離塊的紙巾送料裝置。

在紙巾送料裝置下方及殼體中部，安裝有用于分離紙頁(yè)的紙頁(yè)分離裝置。在紙頁(yè)分離裝置和紙巾送料裝置之間是用于固定落入紙頁(yè)分離裝置中的紙巾的紙巾固定裝置。在紙巾固定裝置后方，有用于將多余紙筒從出料口推出的推紙筒裝置。在推紙筒裝置下方，安裝有用于將紙巾剪斷的切紙機(jī)構(gòu)。位于殼體的下方安裝有人體紅外傳感器，用于感應(yīng)人手。

圖3 側(cè)視整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4是智能更換及抽取紙巾設(shè)備正視面中紙巾固定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)紙巾從送料裝置中落入紙頁(yè)分離塊后，紙巾固定裝置的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)主動(dòng)壓帽將紙巾與緩沖壓帽中的彈簧相互擠壓從而達(dá)到壓緊紙巾的功能。

圖4 紙巾固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 工作原理

智能更換及抽取紙巾設(shè)備的主要功能是實(shí)現(xiàn)當(dāng)感應(yīng)到人體時(shí)，能夠智能抽取紙巾，當(dāng)分離塊中的紙巾用完時(shí)，能夠自動(dòng)清理殘留的紙巾筒，并且能及時(shí)更換新的紙巾進(jìn)入設(shè)備分離塊中。該設(shè)備是通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)控制各個(gè)裝置的電機(jī)的工作流程，利用人體紅外傳感器感應(yīng)人手，利用光敏傳感器感應(yīng)紙巾的流出情況以便傳遞設(shè)備更換紙巾的信號(hào)。在殼體表面有用于提示的紙巾存儲(chǔ)箱內(nèi)的紙巾情況。

2.2 裝置模型建立和設(shè)計(jì)

智能更換及抽取紙巾設(shè)備由紙巾送料裝置、紙頁(yè)分離裝置、紙巾固定裝置、推紙筒裝置、切紙裝置、外觀殼體、用于組裝的左右側(cè)板、傳感器和各個(gè)裝置的電機(jī)構(gòu)成。圖5所示是去除外殼、左右側(cè)板和部分擋塊后，設(shè)備內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2.1 紙巾送料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紙巾送料裝置是通過(guò)第一電機(jī)控制，使小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并與大齒輪相互嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)送料輪中的紙巾旋轉(zhuǎn)進(jìn)入到紙頁(yè)分離裝置中。其中，小齒輪與大齒輪嚙合的傳動(dòng)比為3∶1，使送料輪在靜止時(shí)，受紙巾自身重力影響而產(chǎn)生的誤差大幅度縮小。送料輪中心安裝有送料輪軸，送料輪軸兩端裝有軸承，使其運(yùn)動(dòng)順暢，并減小摩擦系數(shù)。整個(gè)裝置安裝于送料輪兩側(cè)的左右側(cè)板上。

圖5 裝置內(nèi)部主要裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 紙巾固定裝置和紙頁(yè)分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紙巾固定裝置和紙頁(yè)分離裝置共用一個(gè)紙巾分離塊和一個(gè)第四電機(jī)。由圖6紙頁(yè)分離裝置、紙巾固定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，紙巾固定裝置主要是利用第三電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與之相連的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)構(gòu)前端的主動(dòng)壓帽從最遠(yuǎn)處水平向前推動(dòng)并推壓放置在紙頁(yè)分離塊上的卷筒紙巾向前推壓緩沖壓帽，使緩沖壓帽后方的彈簧壓縮，進(jìn)而固定卷筒紙巾。

圖6 紙頁(yè)分離裝置、紙巾固定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，卷筒紙巾拆開包裝后的封口是利用水性膠粘緊的，而本設(shè)備使用的卷筒紙巾是在市場(chǎng)上現(xiàn)有的卷筒紙巾的基礎(chǔ)上，解開封口后，在紙巾前一圈半上圍上靜電吸附薄膜，從而實(shí)現(xiàn)紙巾完整包裝并且紙頁(yè)容易被分離錯(cuò)開的目的，進(jìn)而利用到紙頁(yè)分離裝置當(dāng)中。

紙頁(yè)分離裝置是在卷筒紙巾包裝方面經(jīng)過(guò)改良后進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，主要包括紙頁(yè)分離塊、光敏傳感器和第四電機(jī)。其中，光敏傳感器安裝在紙頁(yè)分離塊的前部和后部，當(dāng)紙巾落入紙頁(yè)分離塊并被固定后，通過(guò)第四電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)紙巾轉(zhuǎn)動(dòng)，紙頁(yè)分離塊將紙巾表面的靜電吸附薄膜錯(cuò)開分離后，從紙頁(yè)分離塊的前部或后部流出，經(jīng)過(guò)光敏傳感器感應(yīng)后，經(jīng)過(guò)切紙機(jī)構(gòu)并從出料口流出紙巾。

圖7 紙筒推料裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 推紙筒裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將紙筒從紙頁(yè)分離裝置中推出的動(dòng)作，是在紙頁(yè)分離裝置中紙巾用完的情況下進(jìn)行的。推紙筒裝置是利用裝置前端的紙筒推桿在第五電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)360°后，帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而水平向前運(yùn)動(dòng)推出剩余的紙筒，并且回到初始位置。

2.2.4 切紙裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖8可以看出，切紙裝置的機(jī)構(gòu)主要包括第二電機(jī)、第一切刀、第二切刀、上擋板、下?lián)醢搴屯茥U機(jī)構(gòu)。推桿機(jī)構(gòu)包括，切紙推桿、可伸縮的套筒、連桿、第二切刀和第二電機(jī)。其中，第二切刀安裝于切紙推桿上部，可伸縮的套筒安裝于切紙推桿下部。

從出料口流出一定長(zhǎng)度的紙巾后，切紙裝置中的第二電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)360°帶動(dòng)連桿向靠近上、下?lián)醢逡粋?cè)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，套筒前端的切刀壓塊壓緊流出來(lái)的紙巾，通過(guò)可伸縮的套筒繼續(xù)壓縮，使得第二切刀與第一切刀相切將紙巾切斷。由于第一切刀隱蔽于上擋板中，而第二切刀受到套筒遮擋，若有人從出料口伸入手掌，也避免受傷。

圖8 切紙裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 外觀殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能更換及抽取紙巾設(shè)備的外觀殼體的尺寸大小為：310 mm×355 mm×656 mm，主要包括，可有翻蓋翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)開/閉的送料口、工作狀態(tài)指示燈以及由左、右、前、后包裝板組成的殼體，如圖9所示。

圖9 整體外觀示意圖

2.4 整體模型

智能更換及抽取紙巾設(shè)備的整體模型及安裝方式主要是利用殼體內(nèi)部的左、右側(cè)板將各個(gè)裝置、固定塊、擋板安裝于二者之間，使各個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)空間緊縮于同一個(gè)平面內(nèi)，相互連接，并且互不干涉該設(shè)備的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

3 整體模型仿真及驗(yàn)證

根據(jù)齒輪嚙合傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將建立好的智能更換及抽取紙巾設(shè)備模型導(dǎo)入Pro/E軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)定好各個(gè)連桿約束和驅(qū)動(dòng)，給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律，各個(gè)裝置在初始位置到最終位置的動(dòng)作如圖10、11、12所示。

圖10 推紙筒裝置的仿真運(yùn)動(dòng)序列

圖11 切紙裝置的仿真運(yùn)動(dòng)序列

圖12 紙巾固定裝置的仿真運(yùn)動(dòng)序列

從圖12可以看出，各個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)的初始位置及最終位置合理，不存在運(yùn)動(dòng)干涉，驗(yàn)證了智能更換及抽取紙巾設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析了智能更換及抽取紙巾設(shè)備的設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，將設(shè)備分為紙巾更換部分和紙巾抽取部分兩個(gè)主要工作流程方案，分別建立了智能更換及抽取紙巾設(shè)備的紙巾送料裝置、紙巾固定裝置、紙頁(yè)分離裝置、推紙筒裝置和切紙裝置的結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行虛擬裝配。通過(guò)整體模型的仿真動(dòng)畫工作，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)和運(yùn)作上的合理性。

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