一種小型自動刷杯器設(shè)計與試驗*

王軍洋，朱思洪，2，王恒兵，張 超，張海軍

(1．南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031;2．江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇南京 210031)

0 引言

水杯是每個家庭甚至每個人所必備的。水的質(zhì)量不完全取決于你所取的水源，也取決于水杯的衛(wèi)生狀況。因此把好水杯衛(wèi)生這一關(guān)對提高每個人的飲水質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)在商家為追求某些審美效果，把杯子制作的細(xì)高，杯壁超薄，這樣的杯子清洗很困難，尤其是杯子底部的清洗［1］。

水杯的清洗機(jī)械一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)，并進(jìn)行了大量的研究，取得了一些成就。但是，仍存在著自動化程度不高，對杯子型號局限性高和清洗不全面等問題，很難用現(xiàn)有技術(shù)將水杯洗凈。筆者設(shè)計了一種自動化程度較高，便于操作，清洗潔凈率大于90%，每個杯子的清洗時間為30 s的刷杯器。

1 總體方案設(shè)計

所研制的自動刷杯器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由機(jī)架、清洗系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)組成。機(jī)架由上圓筒、伸縮桿和支撐底座組成，上圓筒和支撐底座之間通過伸縮桿相連接。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

圖中清洗系統(tǒng)位于中間位置，其核心部件為毛刷桿，一方面毛刷桿在交流電機(jī)的驅(qū)動下，圍繞中心軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，用于水杯內(nèi)壁的清洗，另一方面步進(jìn)電機(jī)在單片機(jī)和光電開關(guān)的控制下，驅(qū)動毛刷桿沿導(dǎo)軌作徑向運(yùn)動，用于水杯底面的清洗，而毛刷桿徑向運(yùn)動控制系統(tǒng)鑲嵌在箱體內(nèi)部，其在交流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的相互協(xié)作下，以線運(yùn)動成面的原理完成清洗，用毛刷可壓縮性特性清洗有一定斜度或曲率的杯壁，同時清洗死角與杯口;夾持系統(tǒng)位于支撐底座內(nèi)，其核心部件為雙向螺桿，兩端由深溝球軸承支撐，旋轉(zhuǎn)雙向螺桿驅(qū)動帶有V型塊的兩個凸形螺紋塊同時相向或背離運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)水杯的定位與夾緊。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2．1 伸縮桿設(shè)計

所設(shè)計的機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2所示，其核心部件為伸縮桿，由固定桿和運(yùn)動桿組成，其形狀和尺寸如圖3所示，其中圖3(a)為固定桿，圖3(b)為運(yùn)動桿。固定桿固定在底盤上，其上上有銷孔;運(yùn)動桿固定在上蓋，運(yùn)動桿上帶有浮動銷。運(yùn)動桿可在固定桿內(nèi)上下移動，伸縮桿處于伸長狀態(tài)時，浮動銷嵌入銷孔中，防止運(yùn)動桿滑動，方便杯子的安裝;伸縮桿處于縮短狀態(tài)時，運(yùn)動桿沉入固定桿，保證清洗的穩(wěn)定性?？紤]到杯子和毛刷桿的尺寸，伸縮桿長度最大值應(yīng)大于杯子高度和毛刷桿高度之和。

圖2 機(jī)架

圖3 伸縮桿

2．2 清洗系統(tǒng)設(shè)計

2．2．1 清洗系統(tǒng)總體方案

所設(shè)計的清洗系統(tǒng)如圖4所示。刷桿通過其一端的螺紋和異形螺紋塊10相連接，異形螺紋塊固定在滑塊11上，能夠在牽引線7的作用下沿導(dǎo)軌5徑向運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)3和塑料導(dǎo)輪6相連，在其控制系統(tǒng)2的指令下，以一定的速度正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。整個清洗系統(tǒng)通過軸套1與交流電機(jī)軸相連接，隨著電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)。此外，彈簧12套在導(dǎo)軌上，其兩端分別固定在箱體和滑塊上，能將滑塊推離中心軸線。

圖4 清洗系統(tǒng)總體方案

2．2．2 毛刷桿設(shè)計

所設(shè)計的毛刷桿如圖5所示，其由毛刷和刷桿組成。根據(jù)張長杰對不同型號杯子內(nèi)徑和深度所做的市場調(diào)研，杯子的高度在40～210 mm之間的居多［2］，毛刷桿長度的設(shè)計以此數(shù)據(jù)為依據(jù)，取210 mm，考慮毛刷的長度、材質(zhì)等對清洗效果有很大影響［3］，采用塑料制作毛刷，其通過鐵絲鑲嵌到毛刷桿內(nèi)。毛刷桿的一端設(shè)計成螺紋，方便其與異形螺紋塊之間的安裝與拆卸。

毛刷上任意一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡如圖6所示。以杯子中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為X軸正向，豎直向上為Y軸正向，建立如圖5所示的坐標(biāo)系。設(shè)電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，角速度為ω，則毛刷的位移方程如下:

式中:r為杯子底端半徑;β為毛刷上任一點(diǎn)與原點(diǎn)所在的直線和X軸之間的夾角;ω為電機(jī)主軸角速度;t為清洗杯子的時間;Vm為毛刷桿向圓心運(yùn)動的速度;

為了徹底清洗杯底，須滿足以下條件:

式中:tm為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所用的時間;L為毛刷的寬度。

圖5 毛刷桿

圖6 毛刷運(yùn)動軌跡

2．2．3 交流電機(jī)選擇

選取60KTYZ型交流電動機(jī)作為整機(jī)的主動力，其基本參數(shù)見表1。

表1 60KTYZ型交流電機(jī)基本參數(shù)

2．2．4 控制系統(tǒng)設(shè)計

所設(shè)計的控制系統(tǒng)［4］框圖和原理圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)

其由單片機(jī) AT89C52、光電開關(guān)EE－SX670、直流電源、穩(wěn)壓器 LM2596、步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器ULN2003A組成。直流電源經(jīng)過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，為AT89C52和EE－SX670提供電能。ULN2003A按照單片機(jī)發(fā)出的指令，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。整個控制系統(tǒng)鑲嵌在清洗系統(tǒng)的箱體內(nèi)部，隨著清洗系統(tǒng)一起運(yùn)動。

在控制系統(tǒng)啟動之前，刷桿軸線與交流電機(jī)軸線相重合，彈簧處于擠壓狀態(tài)。啟動控制系統(tǒng)的開關(guān)，光電開關(guān)1控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，在彈簧的作用下，毛刷桿沿徑向運(yùn)動，靠近杯子的內(nèi)壁，適當(dāng)控制毛刷與內(nèi)壁之間擠壓力。開啟主開關(guān)，交流電機(jī)啟動，清洗系統(tǒng)開始清洗杯壁。10 s后，單片機(jī)自動控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，牽引毛刷桿向杯子中心移動，運(yùn)用線動成面的原理清洗杯底。當(dāng)毛刷桿運(yùn)動到杯子的中心時，遮光片會觸動光電開關(guān)2，單片機(jī)發(fā)出步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)的指令，關(guān)閉主開關(guān)，整個杯子清洗完成。

2．3 夾持系統(tǒng)設(shè)計

所設(shè)計的夾持系統(tǒng)如圖8所示，其主要由把手螺帽，深溝球軸承，凸形螺紋塊，雙向螺桿，橡膠墊和V型塊組成。夾持系統(tǒng)不僅需要保證杯子在被清洗時處于靜止?fàn)顟B(tài)，還要使杯子的中心軸線和交流電機(jī)的軸線相重合，保證杯子的各部分都能得到徹底的清洗。

圖8 夾持系統(tǒng)

用膠水將橡膠墊5黏貼在V型塊6上，凸形螺紋塊3的一端固定V型塊，另一端通過螺紋旋在雙向螺桿4上，左旋螺紋和右旋螺紋的設(shè)計，能使兩塊V型塊同時相向或背離運(yùn)動，保證杯子的中心軸與電機(jī)軸重合。雙向螺桿通過深溝球軸承2固定在底座上。通過旋轉(zhuǎn)把手螺帽1可以輕松準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)杯子的定位和夾緊。

圖9 試驗樣機(jī)

3 樣機(jī)試制與試驗

根據(jù)上述設(shè)計方案制作的樣機(jī)如圖9所示。選擇50個形狀和清潔度不同的杯子進(jìn)行了清洗試驗，以檢驗毛刷桿和伸縮桿的適應(yīng)情況，以及刷杯器的清洗效果。試驗結(jié)果表明，自動刷杯器工作時，伸縮桿能很好地保證毛刷與杯子接觸，杯子的清洗程度在90%以上，平均清洗時間為30 s。

5．3 溫度差引起的不確定度分量u3

三坐標(biāo)測量機(jī)與被測件的溫度應(yīng)達(dá)到平衡后進(jìn)行測量［3］，但由于存在溫度差，溫差以等概率分布在±1℃范圍內(nèi)，被測件的線膨脹系數(shù) α=11．5×10－6℃－1，當(dāng) L=100 mm 時，三坐標(biāo)測量機(jī)與被測件最大溫度差引起的不確定度分量為:

6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u c

估計各不確定度分量之間無相關(guān)性，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 uc=u2(R)=u21+u22+u23，得 uc=2．06 μm。

7 擴(kuò)展不確定度

查t分布表，按置信概率P=95%，k=2，則U=k×uc=2×2．06 μm≈4．1 μm。

8 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表1所列。

9 測量結(jié)果報告

由三坐標(biāo)測量機(jī)測得的孔徑尺寸為:D=100．001 mm，擴(kuò)展不確定度為:U=4．1μm。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

10 結(jié)語

筆者結(jié)合三坐標(biāo)測量機(jī)在實(shí)際工作中的應(yīng)用，綜合分析了測量過程中的影響量，對測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評定。給出測量結(jié)果的同時給出了測量結(jié)果的不確定度，形成了完整的測量報告。

［1］ 梁榮茗．三坐標(biāo)測量機(jī)的設(shè)計使用維修與檢定［M］．北京:中國計量出版社，2001．

［2］ 張素清．圓度誤差測量結(jié)果不確定度評定［J］．計量與測試技術(shù)，2010，37(10):88－91．

［3］ 楊雪莉．三坐標(biāo)測量機(jī)不確定度分析與檢測能力評價［J］．工具技術(shù)，2009，43(5):115－117．