谈自动搓背机的设计①

摘 要：针对个人洗澡时，特别是老年人，后背难于搓到、搓净，洗澡比较吃力这一现实，设计了自动搓背机。本产品采用了丝杠、螺母副实现上下运动以适应不同人体高度；采用曲柄滑块机构实现左右运行完成搓背；采用凸轮顶杆机构完成按摩。在参加“第五届全国大学生机械创新设计大赛”时，荣获了陕西赛区二等奖。本文主要介绍了自动搓背机的设计过程，可为新产品的开发提供参考。

关键词：自动搓背机 设计方案 机构 控制系统

中图分类号：TH113 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）3（b）-0137-02

随着经济的快速发展，人民生活水平的提高，洗澡成为人们日常生活中一项身心放松的重要活动。但是，个人洗澡时，特别是老年人，后背难于搓到、搓净，洗澡比较吃力。市面上虽有类似的产品，但功能比较单一，效果不理想，针对这一现实，构思了搓背机的方案。

1 设计方案

1.1 机械运动系统

采用丝杠螺母副实现上下运动，用于适应不同人体高度；采用曲柄摇杆机构实现左右运动，实现搓背；采用齿轮组带动凸轮机构前后运动，实现按摩。

1.2 电气控制系统

使用直流无刷电机，采用32位可编程控制器，控制电机起停。输入电压为220 V，经交直流变压器转换为24 V安全直流电压，符合人体安全要求；根据不同使用个体的需求，通过可编程控制器对按摩、高低定位、左右运行电机实现无级调速。

实现三种功能如下。

功能1：搓背。

电动机输出轴带动曲柄，利用曲柄滑块机构推动箱体在底板上左右往复直线运动以完成搓背动作。

功能2：按摩。

电动机输出轴带动左端的圆柱齿轮，采用一级圆柱齿轮减速器，带动两凸轮轴转动，利用凸轮滚子机构来推动按摩头前后往复直线运动，实现拍打按摩。

功能3：上下运行。

由一台电机带动丝杠转动，利用丝杠螺母副带动底座实现上下运行，完成高低定位或者全背部的覆盖。

2 理论设计计算

2.1 已知技术参数（表1）

2.2 电动机功率选择及传动效率

（1）上下运行传动效率。

=0.99×0.95×0.99×0.99

=0.922

（2）左右运行传动效率。

=0.97×0.9

=0.922

（3）按摩机构传动效率。

=0.99×0.99×0.97×0.97×0.99×0.89

=0.813

2.3 电机所需的工作功率（表2）

2.4 确定电动机转速

2.5 电机的选择

（1）选择电机类型：根据已知工作要求和条件，选择无刷直流电机驱动。在满足使用功能的前提下，可减小设备尺寸，便于安装使用。（2）确定电机功率。通过查取手册，最终选择：；；。

2.6 轴的直径计算

材料45，取c=107，代入数值，得d=17.6，考虑到轴过长，质量大，所以取空心轴，d=20。

2.7 齿轮组设计

（1）直齿圆柱齿轮传动参数的选择和设计步骤：材料为45钢，调质处理，硬度260 HBS。（2）选择精度等级，选择8级精度。（3）主要参数选择。①齿数z。齿数越多，重合度增大，能提高传动的平稳性，并降低摩擦损耗，提高传动效率。确定齿数为，，。②模数m。模数影响齿轮的抗弯强度，一般满足轮齿弯曲疲劳强度的调节下，宜取较小的模数，以利增大齿数，减少切齿工作量。所以选择m=2。③分度圆直径。；。④中心距a。。⑤齿宽b。，取。

2.8 凸轮参数设计

凸轮轴的直径是20 mm。凸轮半径≥

取凸轮的半径为23 mm，宽度为20 mm。材料：尼龙。

3 工作原理

3.1 上下运行

上下运行动作通过电机带动丝杠、螺母副实现上下往复直线运动。当底座运动到上、下极限位置时，利用上、下极限行程开关控制电动机正反转；通过上下运行开关控制电机启停。（原理如图1所示）

3.2 按摩运行

按摩运行动作通过电机带动齿轮组、凸轮机构实现定点按摩功能。工作时，按下按摩运行开关，电机启动开始工作，停止时，再次按下开关，当凸轮轴上的电磁感应器接收到信号时，电动机即停止。（原理如图2所示）

3.3 左右运行

左右运行动作通过电机带动曲柄滑块机构实现搓背功能。工作时，按下左右运行开关，电机启动开始工作，停止时，再次按下开关，当底座上的电磁感应器接收到信号时，电动机即停止。（原理如图3所示）

3.4 联合运动

接通电源按下系统启动按钮，同时按下三个工作开关，进合运行状态，可以实现全背部的搓洗按摩。

3.5 电气控制系统

电气控制系统中，采用一台32位可编程控制器按预定程序集中控制机器的运转。（控制系统原理如图4所示）

4 创新点及应用

4.1 创新点

本产品可以模拟人工搓澡和按摩功能，实现搓背、按摩自动化。充分利用曲柄滑块机构、丝杠螺母机构、圆柱凸轮滚子等直线运动机构，实现搓背、按摩自动化。机械结构灵活紧凑，具有结构简单，制造容易，工作可靠的特点。并可根据不同用户需求调节搓背、按摩力度。

4.2 应用

本产品具有体积小，占用空间小，操作简单，安装方便等优点，工作时安全、舒适。适应性强，老少皆宜，是家庭中不可缺失的一款现代家电产品，也可应用于煤矿澡堂、酒店、洗浴等行业。

5 结语

本文从设计方案的确定，机构选择，参数选择，工作原理等方面系统介绍了自动搓背机的设计过程，可为新产品的开发设计及教学科研提供参考。

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