姚 俊，齊宏博，白久航，侯廣林，崔 忱

（沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的今天，人們?cè)跐M(mǎn)足物質(zhì)生活需求的同時(shí)，也對(duì)精神生活有著強(qiáng)烈追求。而現(xiàn)代人工作和生活節(jié)奏的加快，使得人們無(wú)暇把時(shí)間浪費(fèi)在手握鞋刷上，人工擦鞋既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力?；诖?，能夠解決此項(xiàng)問(wèn)題的智慧擦鞋機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前市場(chǎng)多數(shù)現(xiàn)有的擦鞋機(jī)為皮鞋拋光機(jī)或者清洗劑，實(shí)用性一般。為了解決目前市場(chǎng)上擦鞋機(jī)所存在的缺點(diǎn)，改進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品外觀如圖1所示。這一裝置能更好地進(jìn)行擦鞋作業(yè)，促進(jìn)擦鞋機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

圖1 產(chǎn)品外觀

1 社會(huì)需求

首先，在人際交往中，良好的第一印象是打開(kāi)交往大門(mén)的一把無(wú)形的鑰匙，因此，人們對(duì)自身的衣著外貌有很高的要求。而智慧擦鞋機(jī)作為一種新興的服務(wù)設(shè)施，充分地滿(mǎn)足了人們的需求?？陀^上要求擦鞋行業(yè)經(jīng)營(yíng)模式和服務(wù)檔次同步轉(zhuǎn)型和升級(jí)，從而滿(mǎn)足人們對(duì)生活品位和質(zhì)量的需求。最后，針對(duì)目前市場(chǎng)上所存在的缺點(diǎn)，對(duì)擦鞋機(jī)的技術(shù)進(jìn)行改良，這樣才能更好地進(jìn)行擦鞋作業(yè)，促進(jìn)擦鞋機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

2 解決方案

機(jī)械硬件部分，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的傳輸機(jī)械信號(hào)，從而更好地控制鞋刷運(yùn)行位置以及鞋刷的轉(zhuǎn)動(dòng)。減速部分由開(kāi)式齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)組成，具有一定程度上的減振和抗外界灰塵油污干擾能力。鞋底鞋面由不同的鞋刷清潔，以防鞋底的重污染物對(duì)鞋面造成二次污染。選用具有一定程度上可控制的步進(jìn)電機(jī)的普通電機(jī)組成動(dòng)力系統(tǒng)，為擦鞋機(jī)提供動(dòng)力。

控制信號(hào)部分，采用AT89C2051單片機(jī)來(lái)作為整機(jī)的控制單元[1]。紅外線(xiàn)探頭采用市面上通用的發(fā)射管和接收管組成簡(jiǎn)易的遮擋式紅外發(fā)射與接收電路，將感應(yīng)到的紅外信號(hào)通過(guò)三極管的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)系統(tǒng)處理[2]。設(shè)備更注重使用體驗(yàn)，與智能音箱等智慧家居進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。手機(jī)藍(lán)牙控制，提供個(gè)性化擦鞋方案。

該擦鞋機(jī)系統(tǒng)比較靈活，采用軟硬件結(jié)合的方法來(lái)解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，各類(lèi)功能易于實(shí)現(xiàn)，也更加的人性化。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品由傳送帶、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、輪狀毛刷、控制電路及附屬機(jī)構(gòu)組成，它的輪狀毛刷不僅在輪體的外圓柱面上有刷毛，而且在輪體的端面上也有刷毛。擦鞋機(jī)采用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，嵌入式系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于體積小、成本低且能耗低。

此外，通過(guò)采用CERO和Adams等軟件，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真和分析，優(yōu)化擦鞋機(jī)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)采用可變結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)模塊，可以在不同工作環(huán)境下正常工作，多驅(qū)動(dòng)軸協(xié)調(diào)控制，從而適應(yīng)多種不同型號(hào)擦鞋機(jī)。

3.1 材料選擇

在材料選擇方面堅(jiān)持綠色材料選擇原則，選材堅(jiān)持無(wú)毒無(wú)害、低能耗、材料易回收再利用原則，從而進(jìn)行最佳選材。

機(jī)械外部結(jié)構(gòu)各部分受力不同，所以采用多材料組合的方法，在眾多材料中選取了4種材料，分別為低密度聚乙烯、HDPE、不銹鋼、ABS，對(duì)各種材料進(jìn)行加權(quán)分析。由于市面上共享產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快，第一代產(chǎn)品預(yù)計(jì)使用3年。所以選取了阻燃ABS作為主體外殼，ABS外觀為不透明呈象牙色，無(wú)毒、無(wú)味、吸水率低，可以制作成各種顏色；熱變形小、尺寸穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的綜合物理和機(jī)械性能，成品加工和機(jī)械加工較好[3]，是我們選材的不二之選。在有集中應(yīng)力的地方加以不銹鋼圓圈，減少集中應(yīng)力對(duì)框架的損壞。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求：①保證機(jī)構(gòu)有合適的夾緊力，夾緊力過(guò)大會(huì)將破壞鞋和設(shè)備；而夾緊力小，結(jié)構(gòu)空間過(guò)大，成本會(huì)增加。有一定的承載能力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。②機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)成本低，后期維修維護(hù)方便，設(shè)備的自身要有一定的強(qiáng)度、硬度和良好的穩(wěn)定性。③機(jī)構(gòu)應(yīng)有一定程度的開(kāi)合距離，機(jī)構(gòu)張開(kāi)能保證各種型號(hào)的鞋子能放進(jìn)去，且不同大小的鞋子都可以用合適的力來(lái)工作[4]。

機(jī)械主體結(jié)構(gòu)采用可拆卸設(shè)計(jì)，底部擦鞋底系統(tǒng)可取出，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)便于裝配、拆卸和回收，以達(dá)到節(jié)約資源和能源、保護(hù)環(huán)境的目的。

采用緊固件標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)量最小化的準(zhǔn)則。這樣可以便于批量生產(chǎn)，從而降低成本，也可以加快制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

鞋底擦鞋系統(tǒng)由一個(gè)電機(jī)通過(guò)帶輪帶動(dòng)3個(gè)旋轉(zhuǎn)式鞋刷，3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸為中空四周帶孔結(jié)構(gòu)，水管把水抽進(jìn)旋轉(zhuǎn)軸，水被旋轉(zhuǎn)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力帶到鞋刷上，鞋子上面和側(cè)邊擦鞋方式均采用上述方法。

3.3 控制模塊設(shè)計(jì)

在擦鞋機(jī)控制方面，從成本、功耗、體積、可靠性等方面考慮，嵌入式系統(tǒng)都是一個(gè)很好的選擇。嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件組成，是能夠獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)作的器件。嵌入式系統(tǒng)差異很大，對(duì)處理器的要求各不相同，選取ARM-Cortex-M 4為處理器[5]。設(shè)備使用ESP8266組件的Wi-Fi技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，不需要使用其他網(wǎng)關(guān)設(shè)備，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)APP與擦鞋機(jī)之間建立通信，依托于Wi-Fi信號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)信息給單片機(jī)[6]，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使擦鞋機(jī)數(shù)據(jù)可視化，工作流程如圖2所示。為增強(qiáng)人機(jī)交互體驗(yàn)，方便使用，在擦鞋機(jī)設(shè)備上增加了ADS7846芯片驅(qū)動(dòng)電容式觸摸屏[7]。采用電容式技術(shù)能使機(jī)器耐磨損、壽命長(zhǎng)，用戶(hù)使用時(shí)維護(hù)成本低。

圖2 工作流程圖

電源模塊要求具有較快的輸入電壓、穩(wěn)定的輸出電壓和一定帶負(fù)載能力，以保證外部供電電源出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)不會(huì)損壞系統(tǒng)，保證整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。電源模塊內(nèi)增設(shè)低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器（LDO）和直流/交流轉(zhuǎn)換器，利用電感和電容的儲(chǔ)能特性，加上高頻可控開(kāi)管，實(shí)現(xiàn)電能的持續(xù)輸出，電源模塊如圖3所示。

圖3 電源模塊

3.4 綠色設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品遵循了綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。在設(shè)計(jì)中，生態(tài)效益是不可忽缺的。在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中，我們所要追求的不僅僅是所生產(chǎn)的產(chǎn)品要綠色環(huán)保，而且產(chǎn)品在使用過(guò)程中也不會(huì)污染周?chē)h(huán)境。

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，盡量減少擦鞋機(jī)零件的數(shù)量，把水管和固定裝置都設(shè)計(jì)到框架上，并將外殼的連接方式設(shè)計(jì)成螺釘連接，內(nèi)部基本框架的連接方式為螺栓連接。這樣做大大減少了產(chǎn)品的裝配和拆卸時(shí)間，還可以達(dá)到減少緊固件數(shù)量的目的。

減噪設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器工作噪聲要小。而環(huán)保型ABS聚合物減振隔音板可以有效減少機(jī)器在工作時(shí)發(fā)出的噪聲[8]。

4 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

智慧擦鞋機(jī)是智慧家居的外延，是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，可以讓更多人體會(huì)到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生活中應(yīng)用的便利性。產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下：①適應(yīng)能力強(qiáng)。智慧刷鞋機(jī)既可以家用也可以商用。②可靠性高。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)，對(duì)其進(jìn)行可靠性環(huán)境和壽命試驗(yàn)分析，結(jié)果平均壽命均符合要求。只有高可靠性產(chǎn)品才能滿(mǎn)足現(xiàn)代技術(shù)和生產(chǎn)的需要。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

該設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)在于擦鞋機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提升其功能性和智慧程度。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)視和控制。在供電方式上，除了傳統(tǒng)式通過(guò)電線(xiàn)連接進(jìn)行電源供電，還可以根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)所選擇太陽(yáng)能電池進(jìn)行供電。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電磁板、太陽(yáng)能控制器、蓄電池、逆變器等組成。

6 結(jié)語(yǔ)

本文是對(duì)目前市場(chǎng)上擦鞋機(jī)產(chǎn)品存在的缺陷進(jìn)行改造，并對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新。首先，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上不僅采用滾輪型鞋刷，還單獨(dú)地設(shè)計(jì)了擦鞋底裝置。緩沖吸振的設(shè)計(jì)方案增加了產(chǎn)品的可靠性，采用智能的控制方式，帶來(lái)全新的用戶(hù)體驗(yàn)。通過(guò)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使該節(jié)能環(huán)保式智慧擦鞋機(jī)向多功能化發(fā)展，使其具有更好的節(jié)能、環(huán)保性能，設(shè)計(jì)更具有個(gè)性化、智能化的智慧型產(chǎn)品，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的實(shí)用價(jià)值。