发布日期:2012年12月01日 23:02
全自动触片感应式垃圾袋封装打包机机械结构设计
全自动触片感应式垃圾袋封装打包机机械结构设计
项目组成员:吴莹,汤静超,指导教师:刘璇
本项目得到2008上海市大学生创新项目——“全自动触片感应式套袋打包垃圾桶”资助。
摘   要
本课题源于上海海洋大学2009年度市级大学生创新活动计划项目。
随着信息与数字技术的日渐成熟,各种高新技术产品已有飞入寻常百姓家的趋势。高新产品应该更贴近生活,贴近民心,使人民的日常生活更有效率,更加便捷。垃圾箱已问世多年,但其局限于外观和形状的改变,对于自动化和人性化均未有太大的突破。        
为此我小组成员设计了的全自动套袋打包垃圾桶,可自动进行套袋、封袋,免除了人力进行垃圾袋的安装,并及时提醒用户更换新的垃圾袋。在本次设计中,我们主要是前期通过对国内外对于全自动垃圾桶技术的现状及对市场的调查,对本产品的套袋机构和封袋机构的进行研究,中期是利用SolidWorks软件对设计进行检验与校核,并用AutCAD软件进行绘图。最后是实体的加工与调试。
本设计以实现安全、自动、便捷的目的来适用于普通居民家庭生活垃圾的投放,免除家庭用户每日更换垃圾袋的麻烦,也可适用于大型商务楼及世博会展馆等室内人流量大的场所,便于清洁员工的及时处理垃圾和对游客起到一定的引导作用。真正实现垃圾袋装满后自动打包套袋的功能。
关键词:垃圾桶,设计,安全,自动
 
一、创新计划项目的选题、目的与意义
目前,国内外垃圾桶设计方面大部分只局限于其外观和形状的改变,但其人性化设计方面尚未有较大突破。经多方资料查证,我国有人设计了一款可连续自动套袋自动打包垃圾桶,但是,它并未实现严格意义上的全自动化,还需要人为的操控来实现自动打包和套袋功能。大部分家庭所用的垃圾桶均无法达到自动套袋和自动封袋的功能,往往需要人工来装填垃圾袋,且垃圾在垃圾桶中的填装量也只是个估值,可能造成垃圾袋空间的浪费或溢出。但垃圾桶本身所含有大量的细菌,人不免会由于在套袋过程中接触到这些细菌。又或者是当在想更换垃圾袋的时候发现垃圾袋已用完,无新的垃圾袋可放。从市场供应的角度来说,越来越多的生产者正努力改进垃圾桶的结构设计,力图将最方便、自动化程度高的产品提供给消费者。
所以,也正是这些问题,使我们兴趣驱动,通过自主实验来解决这些问题。针对此现状,我创新小组拟设计一套全自动触片感应式套袋打包垃圾桶。真正实现垃圾袋装满后自动打包套袋的功能。
二、创新计划项目的创新点与特色
我们设计的创新点在于:全自动套袋打包。这样就可以达到垃圾桶的自动进行套袋、封袋,免除了人力进行垃圾袋的安装,并及时提醒用户更换新的垃圾袋。
当垃圾在垃圾箱内达到一定量后进行自动封袋,当手动将垃圾取出后,又会自动在垃圾桶内套一个新的垃圾袋。既可以免去手动套袋的麻烦,又可以避免垃圾满后长时间暴露在空气中,对室内空气造成污染。同时当垃圾袋用快完时,垃圾桶上部的指示灯会亮出黄色信号,提醒家庭成员及时更换垃圾袋。本设计可放于普通家庭厨房、客厅等场所,也可适用于大型商务楼及世博会展馆等室内人流量大的场所,用来收集日常垃圾。
本设计采用全自动化操作,可实现套袋,打包,推袋自动化,并减少清洁员工每次检查垃圾箱的工作量,提高垃圾袋的使用率。桶身设计安装配有LED显示频,可实时显示工作指令。在设计上具备人性化、安全、环保、节能等等优点,可适用于大型商务楼及世博会展馆等。
三、在开展创新活动计划过程中的体会与收获
通过这次的创新设计中,我学习到了很多知识。创新能力是指个人提出新理论、新概念或发明新技术、新产品的能力。通过这次的锻炼,我的创新意识和创新能力得到了相当大的锻炼,作为新时代的大学生,不仅要努力掌握好必要的基础知识,更要有创新的能力和意识。其次,对于专业的知识的掌握是很重要的。在本次设计中,前几次的设计都没有考虑到结构的可靠性和稳定性,往往对于力的校核和材料的硬度分析都没有好好的把握,所以几次都以失败告终。所以,在提高创新意识的同时,必须要有扎实的专业基础知识。只有这样,才能将自己的创新能力得到充分的发挥。最后,就是要有坚强的毅力,在困难面前不能轻易的就退缩,要对未来充满信心。其实,创新能力的培养是一个过程的锻炼,并不是看中结果,只要在过程当中你的知识得到了发挥,你的能力得到了肯定,那么创新的锻炼也就有了意义。    在这次创新设计中,充分发挥了我们团队的创造力,利用已有的相关科学技术成果(包括理论、方法、技术、原理等),进行创新构思,设计出有新颖性、创造性、实用性的全自动套袋打包垃圾桶。在有了实现现垃圾桶的套袋,打包,推袋全自动化新的想法后,在现有机械设计理论基础上,我们查阅大量书籍,根据已有知识,大家互相探讨,在刘璇老师的指导下,进行了可行性分析。
机械创新设计与常规机械设计相比,特别注重设计者在设计过程中,尤其是在总体方案结构设计阶段中的主导性及创造性作用,探索机构或机械产品创新发明的机理、模式和方法,具体描述机械产品创新设计过程,并将其清晰、准确地用工程图样等技术文件表达出来。
我们在追求与前人、众人不同的方案,打破常规设计思维、惯例,提出新功能、新原理、新结构,在求异和突破中体现创新,这就要求我们学生对知识有全面的掌握如机械、液压、电力、气动、热力、电子、光电、电磁及控制等。达到了设计的独特性。
再从产品的市场适应性和可生产性两方面出发,越来越多的生产者正努力改进垃圾桶的结构设计,力图将最方便、自动化程度高的产品提供给消费者。设计产品的新功能、新结构,具有实用性并且可加工,这都不是都是纸上谈兵,达到了真正的创新;我们的创新设计正是在日常的生活中多观察和发现,达到了设计的实用性。
我们从多方面、多角度、多层次寻求多种解决问题的方案,在多方案中求新、求异、选优。大家互相探讨,机构怎样才能达到机械创新设计的目标。从所要求的机械功能出发,改进、完善现有垃圾桶,实现预期的全自动套袋功能,并使其具有良好的工作品质及经济性。我们在全自动套袋垃圾桶的设计中,学会了思维的扩散。根据不同的设计对象,必须对采取哪种创新设计方法做出比较和判断。达到多方案优选。在已有设备的基础上,针对原有的缺陷或新的工作要求,从工作原理、机构、结构、参数、尺寸等方面进行一定的改进设计,以提高设备质量、可行性等,使设备满足新的工作要求。
创新设计的过程中我们积极学习独立思考,培养思维的求异性。 “学”是具体的,“思”是抽象的。机械的功能往往是抽象的,而机械的结构一般是具体的。而思维的变通性是以目标为中心,寻找尽可能多的方案,从中选出最佳方案。在这个项目的设计过程中,我学会了变换角度思考问题,使思维灵活多变。
提高创新能力的根本是提高创新思维,是进行创新思维的培养和训练。创新思维不是逻辑推理的结果,而是非逻辑的。孔子说:“学而不思则罔,思而不学则殆。”因此,要通过类比、联想,从看起来毫不相关的事物中得到启示,跳跃式的想象出来创新思维。要会思,善想。
四、创新计划项目实施的成果
1. 原理方案

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1-红外线高度传感器;2-箱盖;3-放袋推板;4-内置垃圾桶;5垃圾桶主体
图1-1 垃圾箱的整体外观——装配视图
 
箱盖与垃圾桶主体间采用合页铰接,可以沿着内侧边沿转动打开;
内置垃圾桶与垃圾桶主体为可拆卸式配合,当垃圾袋破损,其内部有垃圾掉落到内垃圾桶时,可将垃圾袋连同内置垃圾桶一起拿出,并可对内置垃圾桶进行清理。
放袋推板与垃圾桶主体采用滑轮连接,方便垃圾袋放入推板内;同时放袋推板内部有弹簧和挡板,可将将垃圾袋紧贴在档壁上,方便下梁滚轮对垃圾袋的滚取。放袋挡板上同时装有磁铁,能与垃圾桶主体上的磁铁相吸合,防止放袋推板滑离垃圾桶主体。
 

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1-上梁驱动块;2-下梁驱动块;3-上梁丝杠;4-滑棒;5-联轴器;6-步进电机;7-下梁丝杠;8-推棒;9联轴器; 10-步进电机;11-封袋机构;12-拨袋棒;13-下梁机构;14-上梁机构
图1-2 垃圾桶辅助视图
 
上、下梁机构分别与上、下梁驱动块的联接,同时上、下梁驱动块又联接着各自的丝杠,步进电机通过联轴器来联接着丝杠,通过步进电机的转动,使得驱动块在丝杠的轴向方向上作来回的运动。在套袋过程中,除了在丝杠的轴向方向运动外,上、下梁机构各自运行着特定的动作,当下梁机构运行到一定距离后,会接触拨袋棒,使拨袋棒将垃圾袋拨开一定尺寸,从而使得上、下梁机构可以完成套袋的过程。在封袋过程中,当上梁机构运动到一定距离后,会接触滑棒,推动滑棒使其推动推棒,从而使封袋机构开始工作,达到封袋的效果。

挡块上部凸起部分

图1-3 垃圾袋提取原理图
 
提取垃圾袋时,先将箱盖打开,然后一手拿住垃圾袋的袋口,另一只手用手指顶住挡块上部的凸起部分,用力向右顶,直到档位块从新到达自锁位置为止。此时封袋条也会随着摆臂角度的变化而回到原位。

内置垃圾桶

图1-4 垃圾袋提取原理图
 
当垃圾袋出现破损情况或需要清洁内置垃圾桶时,可以将内置垃圾桶从垃圾桶内拿出,以便能更好处理垃圾和保持卫生。
(二) 技术设计
1. 直齿圆柱齿轮的受力分析
图2-1 齿轮的受力分析图
图为直齿圆柱齿轮受力情况,转矩T1由主动齿轮传给从动齿轮。若忽略齿面间的摩擦力,轮齿间法向力Fn的方向始终沿啮合线。法向力Fn在节点处可分解为两个相互垂直的分力:切于分度圆的圆周力Ft 和沿半径方向的径向力Fr  。
 
                                       2-1
式中: T1-主动齿轮传递的名义转矩(N·mm), , Pl为主动齿轮传递的功率(Kw),n1为主动齿轮的转速(r/min);
d1-主动齿轮分度圆直径(mm); α-分度圆压力角(o)。
2. 上梁机构传递扭矩计算
图a 图b
图2-2 上梁夹子的受力分析
首先如图b所示,若想要让上梁夹板往上翻,则上梁夹子小轮所受的力矩T3与上梁夹板所受的T4平衡。根据力矩平衡公式 可得:
                               F*L3=F3*L4                                   2-2
式中,F为上梁夹子小轮所受的Ft (N),L3为上梁夹子小轮的半径,为6mm,F3为上梁夹板与下梁夹子上所粘有的磁铁的吸力,为0.05N,L4为小磁铁到上梁夹子小轮轴的距离,为32mm。
    所以,可以得到上梁夹子小轮所受的力F=0.27N
    其次,如图a所示,根据力矩平衡原则,可得在上梁传递轴方向上,
2*T1=T2                                       2-3
即2*Fm*L1=Fc*L1                                 2-4
式中,Fm为上梁夹子整个组件的重量(约为0.75N)和上梁夹板所受的力F(0.27N),即Fm=1.02N,L1为上梁夹子下移动力轮和上梁从动轮的半径,为6.5mm,Fc为上梁从动轮受的力Ft
    所以,可以得到上梁从动轮所受的力Fc=2.04N。
根据力的平衡原则,加载在上梁步进电机齿轮上的力Ft也应为2.04N。所以加载在上梁步进电机齿轮上的扭矩T为:
T=Fc*L2                                      2-5
式中,L2为上梁步进电机齿轮的半径,为11mm。
所以T=22.44Nmm=2.244Ncm
当上梁夹子小轮脱离齿条后,则Fc=1.5N,上梁步进电机齿轮所需的扭矩为T=1.65Ncm
3. 上梁步进电机的选用
    上梁步进电机的选用我们打算从两个主要方面来选用 ;
1)步进电机的静扭矩要大于上梁步进电机齿轮所受的扭矩;
2)体积要尽可能的小,重量要轻。
此处的静扭矩指的是步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 
所以根据上述要求,我们所选步进电机型号为20BYGH54067,静力矩为2.6Ncm,步距角为1.8°,电流为0.6A,电阻为5.8Ω,电感为1.6mH,2相4线。
4. 下梁步进电机的选用
经试验得,下梁步进电机齿轮所受扭矩最大值约为1.1Ncm(用扭矩扳手多次测量所得),所以,就目前市场上体积比较小且性能比较稳定的步进电机,我们也选用型号为20BYGH54067的步进电机。
 
参考文献
[1]吴宗泽,罗圣国.《机械设计课程设计手册》 第三版.高等教育出版社.2006.11.
[2]濮良贵,纪名刚.《机械设计》.高等教育出版设.2006.8.
[3]申永胜.《机械原理教程》.清华大学出版社.2005.1.
[4]洪家娣,李明,黄兴元.《机械设计指导》.江西高校出版社.2009.5.
[5]卢耀祖郑惠强,《机械结构设计》,同济大学出版社.2004.10.1
[6]彭文生,王为,喻全余.《机械原理与设计实验教程》.华中科技大学出版社.2011.2.
[7]钱向勇,《机械原理与机械设计实验指导书》,浙江大学出版社.2005.9.
 
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