PAGE8家用一體式頭追吹風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要對(duì)于普通家庭用戶而言，在使用傳統(tǒng)手持式吹風(fēng)機(jī)時(shí)，較長(zhǎng)時(shí)間的手持吹風(fēng)造型，會(huì)導(dǎo)致手臂酸痛、造型效果不理想等體驗(yàn)。家用一體式頭追吹風(fēng)機(jī)是一種可結(jié)合頭部追蹤技術(shù)與傳統(tǒng)吹風(fēng)功能的新型家電，旨在提升吹發(fā)效率與用戶體驗(yàn)。本文提出了一種緊湊、輕量化的設(shè)計(jì)方案，集成紅外傳感器、微型伺服電機(jī)和自適應(yīng)風(fēng)嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)頭部運(yùn)動(dòng)追蹤與風(fēng)向自動(dòng)調(diào)節(jié)。采用耐高溫ABS+PC復(fù)合材料，并運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理優(yōu)化手柄握持角度，對(duì)兩軸擺頭機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化?；趥鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法或有限元法針對(duì)齒輪、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了選型或強(qiáng)度校核。最終完成的作品能夠在提升吹風(fēng)效率、降低長(zhǎng)時(shí)間吹發(fā)的不良體驗(yàn)，方便用戶閑時(shí)護(hù)發(fā)等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，以期為智能家用小家電的提供一種可行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞立式吹風(fēng)機(jī)；一體式設(shè)計(jì)；頭部追蹤；結(jié)構(gòu)優(yōu)化DesignofHouseholdIntegratedHeadChasingHairDryerAbstractThehouseholdintegratedhairdryerisanewtypeofhomeappliancethatcombinesintelligenttrackingtechnologywithtraditionalhairblowingfunctions,aimingtoimprovehairblowingefficiencyanduserexperience.Thisarticlefocusesonitsstructuraldesignandproposesacompactandlightweightintegratedsolutionthatintegratesinfraredsensors,microservomotors,andadaptivenozzlestoachievereal-timeheadmotiontrackingandautomaticwinddirectionadjustment.Thestructureadoptshigh-temperatureresistantABS+PCcompositematerialandoptimizesthegripangleofthehandleusingergonomicsprinciples.Theoveralldesignoftheheadchasinghairdryeriscarriedout,andadesignschemeisformulated.Andconductin-depthanalysisofthekeycomponentsoftheheadchasinghairdryer,suchasthetwoaxisswingheadmechanism,liftingmechanism,powermechanism,andothertechnicaldetails.Next,thisarticlewilldesignandverifythestrengthofthekeycomponentsoftheheadchasinghairdryer,includinggears,steppermotors,servomotors,screws,andwormgears.Finally,completethe3Dmodelingoftheentireelectricinjectionmoldingmachine.Thisprovidesafeasiblepathforthestructuralinnovationofsmarthairdryers..KeywordsHeadchasinghairdryer;Integrateddesign;Intelligentsensing;Structuraloptimization目錄TOC\o"1-3"\h\u目錄 V第1章緒論 11.1 研究背景與意義 11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3 論文研究目的和內(nèi)容 21.3.1研究目的 21.3.2研究?jī)?nèi)容 3第2章頭追式吹風(fēng)機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 42.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 42.2擺頭裝置設(shè)計(jì) 52.3升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 52.4吹風(fēng)筒設(shè)計(jì) 6第3章擺頭裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算 73.1 步進(jìn)電機(jī)的選型 73.2齒輪的設(shè)計(jì)與校核 83.2.1齒輪的計(jì)算 83.2.2齒輪的有限元分析 93.3軸的設(shè)計(jì)和校核 113.3.1軸的彎扭合成計(jì)算 113.3.2軸的有限元分析 133.3.3軸承選型 143.4本章小結(jié) 15第4章升降裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算 164.1升降模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 164.2升降模塊的定位 164.3伺服電機(jī)的選擇 174.4電機(jī)的校核 174.5蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) 184.6滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 194.7垂直升降機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副性能研究 224.8本章小結(jié) 24第5章升降機(jī)構(gòu)有限元分析 255.1有限元理論的概述 255.2有限元法的分析過(guò)程 255.3升降機(jī)構(gòu)有限元模型建立的流程 265.5升降機(jī)構(gòu)有限元模型的前處理 265.6網(wǎng)格質(zhì)量的控制 275.7計(jì)算結(jié)果及分析 285.8本章小結(jié) 28第6章結(jié)論 296.1總結(jié) 296.1.1關(guān)鍵設(shè)計(jì) 296.1.2現(xiàn)存挑戰(zhàn) 296.2展望 29致謝 30參考文獻(xiàn) 31緒論研究背景與意義伴隨著科技飛速發(fā)展，智能化浪潮席卷家電領(lǐng)域，吹風(fēng)機(jī)作為個(gè)護(hù)小家電，不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品功能持續(xù)優(yōu)化，消費(fèi)者需求也在朝多元化與個(gè)性化發(fā)展。目前，用戶注重的不再是產(chǎn)品的實(shí)用屬性，而是在產(chǎn)品的細(xì)枝末節(jié)處所感受到的情感屬性REF_Ref23795\r\h[1]。傳統(tǒng)吹風(fēng)機(jī)在使用時(shí)，用戶需要手動(dòng)調(diào)整送風(fēng)角度，以確保吹干頭發(fā)，但忽略了用戶可能因雙手拿著其他用品（如毛巾、手機(jī)等）而難以調(diào)整吹風(fēng)機(jī)位置。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)一款能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化吹風(fēng)角度和距離的動(dòng)態(tài)調(diào)整的家用一體式頭追吹風(fēng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互體驗(yàn)、推動(dòng)家電智能化發(fā)展、適應(yīng)用戶需求轉(zhuǎn)變、提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的必然要求。傳統(tǒng)吹風(fēng)機(jī)作為普及型家用電器，在基礎(chǔ)干發(fā)功能上較為成熟，但在用戶體驗(yàn)、能效比及智能化等方面仍存在明顯不足，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）用戶需一手持吹風(fēng)機(jī)，另一手撥動(dòng)頭發(fā)，長(zhǎng)時(shí)間操作易疲勞。2）出風(fēng)口角度需手動(dòng)調(diào)節(jié)，難以均勻覆蓋頭發(fā)不同區(qū)域（如后腦勺），導(dǎo)致局部過(guò)熱或吹干不均。3）傳統(tǒng)電阻絲加熱方式易造成出風(fēng)口溫度波動(dòng)（±5℃以上），高溫區(qū)域可能損傷發(fā)質(zhì)。4）多數(shù)產(chǎn)品依賴大功率（1800~2200W）實(shí)現(xiàn)快速干發(fā)，能源利用率不足60%，長(zhǎng)時(shí)間使用浪費(fèi)電力。因此，設(shè)計(jì)一款可以動(dòng)態(tài)追蹤用戶頭部并自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)向的智能頭追吹風(fēng)機(jī)是智能小家電領(lǐng)域的發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀吹風(fēng)機(jī)是一種常用的家用電器，用于吹干頭發(fā)或其他物品。隨著人們生活水平的提高，對(duì)外觀和功能的要求也越來(lái)越高。目前市場(chǎng)上的吹風(fēng)機(jī)種類繁多，價(jià)格各異，消費(fèi)者選擇的余地大。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，全球吹風(fēng)機(jī)市場(chǎng)規(guī)模正在逐年增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)吹風(fēng)機(jī)市場(chǎng)將依然保持穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。其中，像歐美地區(qū)等發(fā)達(dá)國(guó)家，由于人們對(duì)外觀和功能需求更高，吹風(fēng)機(jī)市場(chǎng)增長(zhǎng)較快。目前，吹風(fēng)機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較為激烈，主要的競(jìng)爭(zhēng)者包括飛利浦，松下，Dyson等。國(guó)內(nèi)外知名品牌。而隨著科技的不斷發(fā)展，一些新興品牌也開(kāi)始嶄露頭角，加劇了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局。近年來(lái)，人們對(duì)吹風(fēng)機(jī)的需求也發(fā)生了一些變化，除了滿足基本的干發(fā)需求外，人們對(duì)外觀設(shè)計(jì)，智能功能等方面也提出了更高的要求。例如，一些品牌推出了負(fù)離子，負(fù)離子干燥等功能，得到了消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。在市場(chǎng)調(diào)研分析中可以看出，未來(lái)吹風(fēng)機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是多樣化，智能化，不僅僅是外觀上的創(chuàng)新，更多的是從技術(shù)和功能上進(jìn)行改進(jìn)。例如，智能控制，電子溫控等功能將為市場(chǎng)帶來(lái)更大的發(fā)展空間。對(duì)能耗和節(jié)能技術(shù)，吹風(fēng)效果優(yōu)化，靜音和噪音控制，頭發(fā)護(hù)理功能，設(shè)計(jì)和人體工程學(xué)，智能化和連接性，環(huán)保和可持續(xù)性等方面的研究是國(guó)內(nèi)外吹風(fēng)機(jī)研究的一些主要現(xiàn)狀和趨勢(shì)。而國(guó)內(nèi)外在實(shí)現(xiàn)立式智能搖頭吹風(fēng)機(jī)方面少有研究。吹風(fēng)機(jī)市場(chǎng)具有較大的發(fā)展?jié)摿?，未?lái)將以多樣化，智能化為主要的發(fā)展方向。隨著技術(shù)和功能的不斷創(chuàng)新，吹風(fēng)機(jī)市場(chǎng)將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間，而立式智能搖頭吹風(fēng)機(jī)將可以成為其中的一個(gè)發(fā)展方向。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，吹風(fēng)機(jī)多數(shù)是手持或半手動(dòng)的，大部分吹風(fēng)機(jī)需要單手手持吹風(fēng)機(jī)，即使不需要手持也需要手動(dòng)調(diào)整吹風(fēng)方向。結(jié)合企業(yè)對(duì)不同群體消費(fèi)者的調(diào)研結(jié)果，大多數(shù)長(zhǎng)發(fā)女性在使用吹風(fēng)機(jī)時(shí)占據(jù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10分鐘以上，傳統(tǒng)吹風(fēng)機(jī)存在使用易疲勞、干發(fā)不均勻及能耗高的主要痛點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，本節(jié)將從以下四個(gè)方面研究國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。立式吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外對(duì)于立式吹風(fēng)機(jī)的研究大致分為兩種：一種是將支架與吹風(fēng)機(jī)本體進(jìn)行一體式設(shè)計(jì)，呂晶鑫REF_Ref24226\r\h[2]等人于吹風(fēng)機(jī)本體底部設(shè)置把手，把手上端通過(guò)阻尼連接頭與吹風(fēng)機(jī)本體之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接實(shí)現(xiàn)上下角度的調(diào)整，且將環(huán)形燈以及外接口集成到吹風(fēng)機(jī)本體以及底座外側(cè)，閑置時(shí)無(wú)需單獨(dú)的將吹風(fēng)機(jī)本體懸掛放置，還可以采用內(nèi)置蓄電池配合無(wú)線充電實(shí)現(xiàn)電力補(bǔ)給以及便攜使用，但該設(shè)計(jì)忽略了用戶造型需求、身高以及使用環(huán)境（站立或坐姿、浴室或盥洗臺(tái)）差異；權(quán)海平REF_Ref24269\r\h[3]則采用設(shè)置有均勻分散出風(fēng)口的聚風(fēng)罩代替?zhèn)鹘y(tǒng)吹風(fēng)機(jī)風(fēng)道與噴嘴，將聚風(fēng)罩通過(guò)活動(dòng)桿與吹風(fēng)機(jī)本體固定相連，同時(shí)吹風(fēng)機(jī)本體的出風(fēng)口通過(guò)導(dǎo)管與聚風(fēng)罩相連，實(shí)現(xiàn)均勻地吹干用戶頭發(fā)，同時(shí)將多個(gè)萬(wàn)向輪裝于底座的邊緣下方，便于用戶整體調(diào)整吹風(fēng)機(jī)左右的偏轉(zhuǎn)角度，但存在占地面積大、單向造型困難和穩(wěn)定性（由于加裝萬(wàn)向輪）難以保證的缺點(diǎn)。俞建華等人[4]通過(guò)在吹風(fēng)機(jī)支撐立桿上連接轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使吹風(fēng)機(jī)本體在水平方向上可以轉(zhuǎn)動(dòng)，在豎直方向則采用鉸接手動(dòng)調(diào)整角度，一定程度上解決了用戶姿態(tài)對(duì)吹風(fēng)效果的影響。第二種則是采用分離式設(shè)計(jì)，以利于發(fā)揮吹風(fēng)機(jī)本體和吹風(fēng)機(jī)支架各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，杜宇萌REF_Ref24390\r\h[5]通過(guò)置于底座的伸縮桿來(lái)控制吹風(fēng)機(jī)支架的尺寸，極大程度上減少了儲(chǔ)物空間，同時(shí)在伸縮桿的頂部安裝旋轉(zhuǎn)軸承，旋轉(zhuǎn)軸承一側(cè)設(shè)置連接桿，連接桿的末端又裝有能夠上下左右擺動(dòng)的支架頭，既能靈活擺放，又輕巧方便。陳錫鴻REF_Ref24429\r\h[6]等人則采用壁掛式設(shè)計(jì)，從支架使用壽命角度出發(fā)，在轉(zhuǎn)動(dòng)樞紐處采用彈性阻尼旋轉(zhuǎn)組件連接從而克服彈性摩擦阻尼阻力以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性，這與美國(guó)的WilliamC.Smith""\t":8118/patent/_blank"WilliamC.SmithREF_Ref24478\r\h[7]利用一對(duì)圓形支撐柔性構(gòu)件實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整的想法有異曲同工之妙。風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化能夠提高送風(fēng)效率、減少氣流噪聲，這對(duì)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)、滿足多場(chǎng)合下使用需求有著重要意義。其中，流速與湍流強(qiáng)度的大小是風(fēng)道優(yōu)化的重點(diǎn)REF_Ref24530\r\h[8]。從導(dǎo)風(fēng)葉片的布置角度出發(fā)，梁仕林REF_Ref24589\r\h[9]團(tuán)隊(duì)率先將導(dǎo)風(fēng)葉片的側(cè)面與出風(fēng)口的出風(fēng)方向呈銳角設(shè)置，使入風(fēng)口處的湍動(dòng)能有效減少、出風(fēng)口的出風(fēng)方向發(fā)散，不僅實(shí)現(xiàn)了靜音設(shè)計(jì)，同時(shí)擴(kuò)大了送風(fēng)面積，效率大大提高。姜晨龍REF_Ref24641\r\h[10]在大量的模擬實(shí)驗(yàn)中得出葉片安裝角對(duì)風(fēng)機(jī)性能有著顯著影響，當(dāng)葉片數(shù)為9，葉片安裝角63.5°時(shí)為最優(yōu)。在考慮連通風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，蔣思琪REF_Ref24700\r\h[11]與梁仕林都將風(fēng)腔分隔為第一子區(qū)和第二子區(qū)，使空氣形成循環(huán)紊流，與加熱模組進(jìn)行至少兩次的熱交換，提高了加熱與散熱效率，并在兩個(gè)子區(qū)下方設(shè)置擋板，實(shí)現(xiàn)烘吹兩用。LAUCHET,Nicolas""\t":8118/patent/_blank"LAUCHET,NicolasREF_Ref24729\r\h[12]則設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)⑼獠靠諝鈴娘L(fēng)腔上游輸送到下游出風(fēng)口的空氣循環(huán)系統(tǒng)，有效消除了空氣湍流。在可拆卸風(fēng)機(jī)噴嘴外形設(shè)計(jì)上，李敏REF_Ref24768\r\h[13]等人在噴嘴的第一風(fēng)道設(shè)計(jì)一呈錐形的收束面，并使第二風(fēng)道的出口端寬度大于第一風(fēng)道的入口端寬度，氣流便能更好地從末端出口吹出，便于用戶造型;除此之外，MATSUNAGA,NAKAHIRO""\t":8118/patent/_blank"MATSUNAGA,NAKAHIROREF_Ref24801\r\h[14]團(tuán)隊(duì)將負(fù)離子發(fā)生器與具有導(dǎo)流構(gòu)件的負(fù)離子發(fā)生器有機(jī)結(jié)合，能夠在短時(shí)間內(nèi)噴出大量陰極離子，有效消除發(fā)絲靜電。電動(dòng)機(jī)相比傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)，采用無(wú)刷直流電機(jī)將使得高速吹風(fēng)機(jī)在原理、性能上與傳統(tǒng)吹風(fēng)機(jī)差異明顯，如更小噪聲、更多檔位、更多保護(hù)、精準(zhǔn)控溫等REF_Ref24850\r\h[15]。現(xiàn)市面上大多數(shù)吹風(fēng)機(jī)品牌都已淘汰有刷直流電機(jī)而采用無(wú)刷直流電機(jī)，而如戴森、徠芬、飛科、康夫等都已經(jīng)采用無(wú)刷直流電機(jī)。王雪蓮REF_Ref24879\r\h[16]等人設(shè)計(jì)的一款基于渦扇電動(dòng)機(jī)的吹風(fēng)機(jī)，通過(guò)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸傳動(dòng)連接于渦輪風(fēng)扇提供動(dòng)力，并于外殼外壁設(shè)有輸水管，配合電熱絲與渦扇工作產(chǎn)生的熱能進(jìn)行霧化，有利于防止用戶頭發(fā)干枯分叉。頭位跟蹤技術(shù)頭位跟蹤技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、監(jiān)控、勘探等多行業(yè)，將頭位跟蹤與家用吹風(fēng)機(jī)相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)吹風(fēng)角度的精準(zhǔn)調(diào)整，從而確保送風(fēng)溫度的精準(zhǔn)把控，真正邁入人機(jī)交互的智能化家居時(shí)代REF_Ref25082\r\h[17]。現(xiàn)頭位跟蹤技術(shù)可通過(guò)超聲波測(cè)量法、光電法（CCD、紅外掃描法）、頭部圖像跟蹤法、眼蹤法（瞳孔—眼珠反射法）REF_Ref24951\r\h[18]來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，視覺(jué)跟蹤技術(shù)已然成為一個(gè)熱點(diǎn)，多數(shù)產(chǎn)品在相關(guān)行業(yè)得到了應(yīng)用，各種研究成果更是相繼見(jiàn)諸于相關(guān)刊物，并獲得了廣泛的重視。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)來(lái)獲取被跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位置等信息是目標(biāo)跟蹤技術(shù)的主要任務(wù)。論文研究目的和內(nèi)容1.3.1研究目的針對(duì)傳統(tǒng)手持吹風(fēng)機(jī)操作不便、長(zhǎng)時(shí)間使用易疲勞等問(wèn)題，本研究旨在開(kāi)發(fā)一種基于頭戴追蹤技術(shù)的智能吹風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)解放雙手、智能定向送風(fēng)的吹發(fā)體驗(yàn)。1.3.2研究?jī)?nèi)容論文的主要研究?jī)?nèi)容為：對(duì)頭追式吹風(fēng)機(jī)的研究及市場(chǎng)需求進(jìn)行了分析，并對(duì)國(guó)內(nèi)外追蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了探討，確定設(shè)計(jì)方案并選定可行的技術(shù)路線。確定吹風(fēng)機(jī)橫向擺動(dòng)角度、縱向擺動(dòng)角度、升降行程、和風(fēng)速的實(shí)現(xiàn)途徑，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核。通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)各裝置進(jìn)行繪制，并在各裝置中完成標(biāo)準(zhǔn)件選型的步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置。頭追式吹風(fēng)機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)在相關(guān)設(shè)計(jì)的參考下，本章以步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)和升降機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)主干，通過(guò)簡(jiǎn)便又高效的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)頭追等各種動(dòng)作。其中，伺服馬達(dá)自如地進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使升降機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性得到有效提高。通過(guò)伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的蝸輪蝸桿來(lái)執(zhí)行升降機(jī)構(gòu)，然后通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)吹風(fēng)機(jī)的升降。滾珠絲杠具有很高的定位精度和配合數(shù)碼傳感的精確控制，從而達(dá)到滾珠絲杠位置的極高精度，使得容易達(dá)到高精度的目的。2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為了高精度的控制頭追式吹風(fēng)機(jī)的擺動(dòng)，選擇步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪的方式進(jìn)行傳動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)可以快速的啟停和相應(yīng)，配合視覺(jué)傳感器以及算法控制可以保證快速高效的定位。齒輪可以穩(wěn)定的進(jìn)行功率傳遞：可傳遞數(shù)瓦至數(shù)萬(wàn)千瓦的功率。具有精確的速比與同步性齒輪嚙合無(wú)滑動(dòng)，速比嚴(yán)格由齒數(shù)比決定，確保輸入/輸出轉(zhuǎn)速同步。這點(diǎn)可以確保吹風(fēng)機(jī)擺動(dòng)的精確控制。結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力強(qiáng)，在相同體積下，齒輪可傳遞的扭矩遠(yuǎn)高于帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)?？箾_擊載荷：金屬齒輪可承受重載和頻繁啟停。并且還具有長(zhǎng)壽命與可靠性和潤(rùn)滑，可滿足吹風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作和頻繁的擺動(dòng)的工況。整體結(jié)構(gòu)思路如圖2-1所示。圖2-1整體結(jié)構(gòu)圖一般采用旋轉(zhuǎn)伺服馬達(dá)帶動(dòng)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降，并配合其內(nèi)部的位置傳感器，來(lái)精確的實(shí)現(xiàn)吹風(fēng)機(jī)升降部分的準(zhǔn)確升降。這種傳動(dòng)模式，能夠充分滿足大多數(shù)高精度升降作業(yè)的需求。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，單級(jí)傳動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比（通常5~100，甚至更高），無(wú)需多級(jí)齒輪組合。并且具有自鎖性，當(dāng)蝸桿導(dǎo)程角小于摩擦角時(shí)，機(jī)構(gòu)只能由蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪，反向無(wú)法驅(qū)動(dòng)（可以有效防止升降機(jī)構(gòu)負(fù)載下滑）。并且運(yùn)行平穩(wěn)低噪聲，振動(dòng)和噪音遠(yuǎn)小于齒輪傳動(dòng)，適合安靜環(huán)境。蝸輪通常采用耐磨材料（如青銅），與鋼制蝸桿配合，接觸面積大，能承受較高載荷。在突發(fā)過(guò)載時(shí)，蝸輪蝸桿間可能打滑，避免其他部件損壞（需權(quán)衡效率與安全性）。所以選擇蝸輪蝸桿作為驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)。2.2擺頭裝置設(shè)計(jì)擺頭機(jī)構(gòu)組合了步進(jìn)電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承，齒輪軸等部件。馬達(dá)被穩(wěn)固地安裝在吹風(fēng)機(jī)外殼上，而齒輪軸則通過(guò)鍵槽與馬達(dá)的輸出軸相接。齒輪軸外側(cè)套兩個(gè)軸承，再通過(guò)軸承座和螺栓將軸承固定在外殼上。在擺頭過(guò)程中，馬達(dá)的輸出軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最后通過(guò)軸與鍵槽將動(dòng)力傳遞到吹風(fēng)筒上，從而實(shí)現(xiàn)頭追式吹風(fēng)機(jī)的兩軸擺動(dòng)。其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：圖2-2擺頭裝置設(shè)計(jì)思路2.3升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)至于升降機(jī)構(gòu)則是由伺服電機(jī)、底座、蝸輪蝸桿、滾珠絲杠等裝置所組成。伺服電機(jī)和底座通過(guò)螺栓保持固定連接，同時(shí)在吹風(fēng)機(jī)底座固定蝸輪裝置。蝸輪裝置嵌入到底座裝置，傳動(dòng)軸通過(guò)螺紋連接升降部分。在升降過(guò)程中，伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，將動(dòng)力通過(guò)蝸輪蝸桿傳遞到滾珠絲杠軸上，并且是實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到垂直旋轉(zhuǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖，防止升降過(guò)程受力下降，精確地實(shí)現(xiàn)頭追式吹風(fēng)機(jī)的升降。圖2-3升降裝置設(shè)計(jì)思路2.4吹風(fēng)筒設(shè)計(jì)為滿足智能高效的需求，吹風(fēng)筒的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足高風(fēng)速，快升溫，低噪聲，多功能等要求。在吹風(fēng)筒后端為高速無(wú)刷電機(jī)，轉(zhuǎn)速可達(dá)10萬(wàn)~11萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘，通過(guò)高轉(zhuǎn)速直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)葉，省去傳統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少能量損耗和噪音。氣流通道的設(shè)計(jì)，進(jìn)風(fēng)口：位于風(fēng)筒后部，采用蜂窩狀網(wǎng)格防止頭發(fā)吸入。出風(fēng)口：采用橢圓形噴口，搭配導(dǎo)流風(fēng)嘴（可拆卸），集中氣流。風(fēng)葉：采用航空級(jí)葉輪設(shè)計(jì)，優(yōu)化氣流路徑，提升風(fēng)速。加熱元件與溫控，加熱絲：位于風(fēng)筒中部，鎳鉻合金材質(zhì)，配合陶瓷或玻璃珠隔熱。附加功能模塊，負(fù)離子發(fā)生器：位于出風(fēng)口附近，釋放負(fù)離子中和頭發(fā)靜電。智能感應(yīng)：自動(dòng)測(cè)量人體頭部與吹風(fēng)筒的距離，實(shí)時(shí)跟蹤。圖2-4吹風(fēng)筒設(shè)計(jì)思路第3章擺頭裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的選型頭追式吹風(fēng)裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)功能。該系統(tǒng)的核心在于對(duì)出風(fēng)口部位進(jìn)行精準(zhǔn)的角度調(diào)節(jié)，在改變方向的過(guò)程中必須確保動(dòng)作流暢。以維持圖像采集設(shè)備的穩(wěn)定工作狀態(tài)。基于此需求，最終選定步進(jìn)電機(jī)作為該擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心驅(qū)動(dòng)部件。步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化和高精度運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。其核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在五個(gè)方面：1)具備出色的定位精度特性，能夠完美適配頭部追蹤系統(tǒng)的技術(shù)要求。2）采用數(shù)字化脈沖信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，無(wú)需額外配置復(fù)雜的編碼器組件或閉環(huán)反饋系統(tǒng)。3）良好的啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。4）寬廣的速度調(diào)節(jié)范圍。5）在低速時(shí)仍保持較高的扭矩。上述有點(diǎn)保證了作品功能的實(shí)現(xiàn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速為：n=ω電機(jī)轉(zhuǎn)速約為3r/min。要達(dá)成每分鐘3轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速目標(biāo)，關(guān)鍵在于精確調(diào)控脈沖發(fā)生器的輸出頻率。該頻率需與電機(jī)固有步距角及目標(biāo)轉(zhuǎn)速保持協(xié)調(diào)。已知步距角1.8°，電機(jī)需完成200個(gè)步進(jìn)動(dòng)作才能旋轉(zhuǎn)完整一周（360°）。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為3轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，經(jīng)計(jì)算得出每分鐘需執(zhí)行600個(gè)步進(jìn)動(dòng)作，將此數(shù)值換算為秒級(jí)單位后，可確定所需的脈沖頻率應(yīng)為每秒10個(gè)步進(jìn)信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪組驅(qū)動(dòng)擺頭機(jī)構(gòu)，初始齒輪速比設(shè)定為1:1.5。根據(jù)已知條件，頭部負(fù)載質(zhì)量m=3kg，考慮安全系數(shù)1.2的情況下，經(jīng)換算得出電機(jī)軸端需提供的理論扭矩值為：T=mg最終得到步進(jìn)電機(jī)所需輸出扭矩約為6.5N·m。最終選擇電機(jī)型號(hào)為86BYG250D。其具體參數(shù)如表3.1所示。表3-186BYG250D電機(jī)參數(shù)步距角(°)保持轉(zhuǎn)矩(N·m)驅(qū)動(dòng)電壓(V)額定電流(A)徑向跳動(dòng)(mm)軸向跳動(dòng)(mm)重量(kg)1.88605.8<0.02<0.084.83.2齒輪的設(shè)計(jì)與校核3.2.1齒輪的計(jì)算依據(jù)電動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速與最終輸出轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。初步確定齒輪傳動(dòng)裝置的速比參數(shù)為i=在擺頭機(jī)構(gòu)中，齒輪系統(tǒng)不僅承擔(dān)動(dòng)力傳輸任務(wù)，更關(guān)鍵的作用是實(shí)現(xiàn)方向轉(zhuǎn)換。由于安裝空間完全位于機(jī)構(gòu)內(nèi)部，設(shè)計(jì)過(guò)程中必須嚴(yán)格控制其外形尺寸。針對(duì)實(shí)際工作條件，最終確定采用8級(jí)精度的直齒圓柱齒輪。并選用軟齒面結(jié)構(gòu)方案。主動(dòng)輪選用40Cr合金鋼材料，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理后硬度達(dá)到280HBS。從動(dòng)輪采用45號(hào)鋼制造，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度控制在220HBS水平。首先確定小齒輪的齒數(shù)參數(shù)，再依據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算公式確定大齒輪齒數(shù)。確保最終傳動(dòng)比偏差不超過(guò)3%的允許范圍。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算：初定主動(dòng)齒輪分度圓直徑為：d1≥195.1式中：K——計(jì)算載荷系數(shù)。依據(jù)軸承配置形式與載荷沖擊特性，選取系數(shù)K值為1.8。結(jié)合齒輪材質(zhì)及熱處理工藝，確定驅(qū)動(dòng)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限限σHliml=600MPa。同時(shí)得出從動(dòng)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限分別計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：σ許用接觸應(yīng)力應(yīng)取小值為σH根據(jù)公式（3-4）計(jì)算小齒輪的分度圓直徑d1其中：齒數(shù)比μ=按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算：m≥3.2K計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，計(jì)算得齒形系數(shù)為：YF依據(jù)齒輪材質(zhì)及熱處理工藝?？傻贸鲂↓X輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限值為：σFlim1=280MPa。計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：σF根據(jù)YFYF比值越大，說(shuō)明齒輪強(qiáng)度越低，因此，大齒輪數(shù)值大，代入公式（3-5）計(jì)算齒模數(shù)：m≥3.2由計(jì)算結(jié)果取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，m=1.5mm，則重新計(jì)算配對(duì)齒輪齒數(shù)：z1=d1t2.5Z2=Z1×μ3.2.2齒輪的有限元分析1.雙齒輪幾何模型的建立對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)輪系建模結(jié)束后．保存成step格式文件，在AnsysWorkbench仿真平臺(tái)的StaticStructural組件中啟動(dòng)計(jì)算流程。構(gòu)建數(shù)值模擬所需的有限元模型。完成各部件材料參數(shù)設(shè)置，網(wǎng)格離散化處理。邊界條件施加等預(yù)處理工作后，執(zhí)行求解運(yùn)算。首先，在建模軟件SW中利用模型干涉功能對(duì)裝配好的模型進(jìn)行干涉檢查，以保證裝配后的模型各連接處無(wú)縫隙。通過(guò)SW軟件與ANSYS的無(wú)縫嵌套接口將模型直接導(dǎo)入ANSYS中的DesignModeler板塊，利用DM板塊中具有較全面的兼容數(shù)據(jù)接口，強(qiáng)大的模型處理以及修補(bǔ)能力對(duì)裝配圖進(jìn)行處理和修補(bǔ)，然后在ANSYS中直接對(duì)模型進(jìn)行有限元分析。其次，在齒輪齒條幾何模型的離散化處理環(huán)節(jié)。離散單元的質(zhì)量直接決定了有限元仿真結(jié)果的可靠性。為確保計(jì)算結(jié)果的精確性，必須對(duì)離散單元質(zhì)量實(shí)施嚴(yán)格把控。但需注意的是，追求過(guò)高的離散精度將顯著提升計(jì)算難度。同時(shí)對(duì)硬件設(shè)備的性能需求也會(huì)相應(yīng)提高。本研究采用漸進(jìn)式加載策略，運(yùn)用貼體網(wǎng)格生成技術(shù)。在考慮大變形效應(yīng)的前提下，將傳動(dòng)系統(tǒng)各級(jí)齒輪模型離散為四面體單元。具體參數(shù)設(shè)置方面，基礎(chǔ)單元尺寸定為10毫米。針對(duì)齒輪嚙合區(qū)域?qū)嵤┚植考用芴幚恚瑢⒔佑|區(qū)域的單元尺寸縮減至1毫米。圖3-1展示了經(jīng)過(guò)上述處理后的離散化模型效果。圖3-1齒輪有限元模型在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級(jí)輪系中，將主動(dòng)輪設(shè)定為接觸幾何主體。主從動(dòng)齒輪嚙合的工作齒面作為接觸區(qū)域進(jìn)行參數(shù)配置。接觸副屬性界面中，選取摩擦接觸類型。將摩擦系數(shù)調(diào)整為0.15，法向剛度系數(shù)設(shè)為1。剛度更新方式指定為迭代更新，其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)各級(jí)輪系的接觸副配置情況詳見(jiàn)圖示。最終仿真結(jié)果顯示在圖3-2中，測(cè)得最大形變量為0.058毫米，峰值應(yīng)力達(dá)到278兆帕。完全符合實(shí)際工況的技術(shù)指標(biāo)要求。。圖3-2齒輪接觸有限元分析結(jié)果3.3軸的設(shè)計(jì)和校核3.3.1軸的彎扭合成計(jì)算首先，按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件，初步估計(jì)軸徑：d0其中：材料系數(shù)A0計(jì)算功率P轉(zhuǎn)速n=161.857r/min。代入公式（3-6）計(jì)算可得：d由于軸上設(shè)有鍵槽，所以軸徑適當(dāng)放大：d≥(1+0.07)d0最后，根據(jù)彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度校核：繪制出軸的受力簡(jiǎn)圖軸所受的載荷分別由吹風(fēng)筒的重力和下擺的扭矩以及直齒輪的力傳遞給軸，并由中間的軸承來(lái)承受，兩個(gè)軸承為緊密安裝可視為一個(gè)軸承。因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，做出其受力簡(jiǎn)圖如圖3-3所示：圖3-3軸的受力簡(jiǎn)圖水平面受力分析軸系構(gòu)件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)三維受力特征。為此需依據(jù)載荷作用方向?qū)⑵浞纸鉃樗脚c垂直兩個(gè)基準(zhǔn)平面分別開(kāi)展力學(xué)計(jì)算與承載能力驗(yàn)證。第一步需要確定水平支承反力，并繪制該平面的彎矩分布曲線，具體結(jié)果參見(jiàn)圖示3-4。圖3-4水平面的支反力根據(jù)力矩平衡，對(duì)B點(diǎn)取矩。有MF(B)=0：求得根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，畫(huà)出水平面的彎矩圖。如圖3-5所示。圖3-5軸的彎矩示意圖②求垂直面內(nèi)的支反力。其受力分析圖如圖3-6所示。圖3-6垂直面支反力圖根據(jù)力矩平衡關(guān)系，對(duì)B點(diǎn)取矩。有MF(B)=0;其中：MA=F0F0為吹風(fēng)筒重力，d為吹風(fēng)筒長(zhǎng)度。對(duì)C點(diǎn)求矩，有MF(C)=0：FAt?lAB+圖3-7垂直面支反力彎矩圖③做合成彎矩圖，圖3-5和圖3-7分合成彎圖。圖3-8合成彎矩圖④校核危險(xiǎn)截面綜上分析，B點(diǎn)所在截面，由于彎矩最大，為計(jì)算危險(xiǎn)截面：M其中，由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，T=則彎曲應(yīng)力為：σ計(jì)算σCa3.3.2軸的有限元分析依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建傳動(dòng)軸的三維幾何模型，將該零件文件轉(zhuǎn)換為x_t格式后導(dǎo)入ANSYS分析系統(tǒng)。在前處理階段，首先定義材料屬性為鋼材，隨后完成網(wǎng)格離散化處理。分別在兩齒輪分度圓齒寬中心位置對(duì)應(yīng)的有限元節(jié)點(diǎn)處施加嚙合載荷，這些節(jié)點(diǎn)與直齒輪齒寬中點(diǎn)精確對(duì)應(yīng)。同時(shí)，在相應(yīng)位置設(shè)置約束條件。通過(guò)數(shù)值模擬分析，獲取了該載荷工況下傳動(dòng)軸的變形特征與應(yīng)力場(chǎng)分布，詳見(jiàn)圖3-9所示。分析數(shù)據(jù)表明，軸體承受的最大應(yīng)力值為0.57兆帕，最大變形量為毫米量級(jí)。這些計(jì)算結(jié)果顯著低于材料的許用應(yīng)力閾值，完全滿足傳動(dòng)軸在正常工作狀態(tài)下的強(qiáng)度與剛度要求。圖3-9變形云圖3.3.3軸承選型選用GB6302型深溝球軸承進(jìn)行軸系安裝，該型號(hào)軸承具備多項(xiàng)顯著特性：首先其構(gòu)造設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔高效，其次能夠同時(shí)承擔(dān)徑向載荷與部分軸向載荷，此外還具有傳動(dòng)精確度優(yōu)異、旋轉(zhuǎn)阻力矩較低等優(yōu)勢(shì)。GB6302深溝球軸承具體參數(shù)如表3-2所示。表3-2GB6302深溝球軸承參數(shù)D1(mm)D2(mm)B(mm)r(mm)額定動(dòng)載荷(N)額定靜載荷(N)許用轉(zhuǎn)速(rpm)重量(kg)1542130.2112005100180000.073?設(shè)定軸承的設(shè)計(jì)壽命為2萬(wàn)小時(shí)，為確保其性能達(dá)標(biāo)，需進(jìn)行承載能力驗(yàn)證。滾動(dòng)軸承等效動(dòng)態(tài)載荷P的表達(dá)式如下：P=XR+YA(3-7)其中：X—徑向動(dòng)載荷系數(shù)。Y—軸向動(dòng)載荷系數(shù)。?設(shè)定軸承的設(shè)計(jì)壽命為2萬(wàn)小時(shí)，為確保其性能達(dá)標(biāo)，需進(jìn)行承載能力驗(yàn)證。滾動(dòng)軸承等效動(dòng)態(tài)載荷P的表達(dá)式如下：P=f參照機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范，fp取值為1。軸承額定動(dòng)態(tài)載荷的公式為：C=Pft其中：ft—溫度系數(shù)，取值1。Lh'—預(yù)期壽命。ε—壽命指數(shù)，取值3。?經(jīng)計(jì)算得出軸承實(shí)際動(dòng)態(tài)載荷約7.75N，顯著低于該型號(hào)軸承1920N的額定承載值，故選用GB6302型軸承完全滿足使用需求。3.4本章小結(jié)為了響應(yīng)多角度準(zhǔn)確追蹤和實(shí)時(shí)定位，本章設(shè)計(jì)了B、C兩軸可同時(shí)擺動(dòng)的擺頭裝置。并且對(duì)擺頭裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型，可實(shí)現(xiàn)擺頭過(guò)程的快速響應(yīng)和低噪聲。擺頭裝置對(duì)傳動(dòng)精度的要求非常高，本設(shè)計(jì)選擇一級(jí)齒輪傳動(dòng)的方式。首先分別對(duì)大小齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)齒輪進(jìn)行校核計(jì)算，使齒輪在盡可能小型化的同時(shí)，滿足傳動(dòng)需求。同時(shí)軸的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，本文先預(yù)估傳動(dòng)軸的直徑，緊接著對(duì)軸整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用有限元仿真的方式對(duì)軸進(jìn)行校核驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)軸的變形和應(yīng)力可以滿足設(shè)計(jì)需求，最后完成軸承的選型。第4章升降裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1升降模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)升降裝置的整體構(gòu)造如圖4-1所示，其動(dòng)力系統(tǒng)由單一電機(jī)提供，通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙套筒升降功能。該裝置主要由動(dòng)力電機(jī)、傳動(dòng)聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿升降軸、內(nèi)外套筒、基座平臺(tái)以及頂部云臺(tái)等部件組成。特別在套筒外壁設(shè)置了導(dǎo)向鍵槽，與兩套伸縮導(dǎo)向套筒配合使用，顯著增強(qiáng)了升降過(guò)程的平穩(wěn)性。設(shè)計(jì)方案選用具有自鎖特性的蝸輪蝸桿傳動(dòng)（即蝸桿可驅(qū)動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，但蝸輪無(wú)法反向帶動(dòng)蝸桿），在常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下，借助蝸輪蝸桿的自鎖特性，能夠有效阻止?jié)L珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)滾珠絲杠的鎖緊裝置。升降裝置的核心工作原理如下：動(dòng)力源由電動(dòng)機(jī)提供，經(jīng)由傳動(dòng)軸與蝸桿組件驅(qū)動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)；蝸輪通過(guò)鍵連接方式與精密絲杠形成剛性配合，其底部與支撐基座緊固，絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平臺(tái)的垂直位移；伸縮機(jī)構(gòu)采用雙重套筒設(shè)計(jì)，各層套筒間通過(guò)耐磨襯套實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)配合，并配置防脫擋圈確保安全，主套筒上端與基座相連，末端套筒直接固定工作平臺(tái)，整套伸縮組件可實(shí)現(xiàn)同步展開(kāi)或收縮運(yùn)動(dòng)。圖4-1升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2升降模塊的定位升降行程控制在1米范圍內(nèi)，伺服電機(jī)雖然具備較高的定位精度.但頭追式吹風(fēng)機(jī)在垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中仍存在定位偏差風(fēng)險(xiǎn)。鑒于該設(shè)備對(duì)升降位置有嚴(yán)格要求，必須確保其能準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)定位置，本方案特別引入了距離測(cè)量裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋。在現(xiàn)有技術(shù)中，常用的距離檢測(cè)設(shè)備包括紅外傳感裝置、激光測(cè)距儀和超聲波探測(cè)器等多種類型。經(jīng)過(guò)對(duì)升降行程特性和設(shè)備工作環(huán)境的綜合評(píng)估，最終確定采用基于激光測(cè)距原理的檢測(cè)方案。該技術(shù)通過(guò)發(fā)射激光束并測(cè)量其反射時(shí)間差來(lái)計(jì)算實(shí)際距離，具有響應(yīng)迅速、測(cè)量精確等顯著優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)采用的GLS-C2型激光傳感器（技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表4-1）被安裝在升降平臺(tái)底部，即升降基座的上方位置，專門(mén)用于實(shí)時(shí)跟蹤和記錄吹風(fēng)機(jī)的升降位移數(shù)據(jù)。表4-1激光測(cè)距傳感器參數(shù)型號(hào)測(cè)量范圍（m）測(cè)量精度（mm）分辨率（mm）測(cè)量時(shí)間（ms）GLS-C20.02-20.50.11004.3伺服電機(jī)的選擇考慮到實(shí)際測(cè)量工作的精確度和控制方式，最終選用伺服交流電機(jī)作為升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。伺服交流電機(jī)可對(duì)控制工件的行走方式實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)動(dòng)，正是升降工作所需。伺服電機(jī)所需的最大功率，即負(fù)載加速功率計(jì)算公示如下P=2πN602?J其中，N為蝸桿的轉(zhuǎn)速，取值115.38r/min。J為蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值0.984kg·m2。t1蝸桿4.4電機(jī)的校核勻速狀態(tài)下扭矩的校核在驗(yàn)證勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的扭矩時(shí)，關(guān)鍵在于先估算蝸輪蝸桿組件的傳動(dòng)效能。同時(shí)，在安裝的過(guò)程中，不可避免地需要進(jìn)行預(yù)緊處理。即便在無(wú)軸向載荷的情況下，為了確保能夠順暢地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，也必須施加一定程度的扭矩。蝸輪蝸桿副的機(jī)械效率為：η=tanαtanα+β=1?μtanα式中：η——蝸輪蝸桿副的機(jī)械效率。α——導(dǎo)程角。β——摩擦角。μ——摩擦系數(shù)，該蝸輪蝸桿摩擦系數(shù)選取0.006由此可得機(jī)械效率為：η=1?0.006×0.0521+0.006/0.052=0.9由此可得勻速狀態(tài)下電機(jī)所需的扭矩Ta為：Ta=Tη小于電機(jī)額定扭矩50N?m此外，暫時(shí)選定電機(jī)后，應(yīng)先檢視有效扭矩值，也應(yīng)留意過(guò)載特性的加速時(shí)間常數(shù)及檢視。重復(fù)起動(dòng)和停止時(shí)，電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱容許值也要保證有足夠的余量。4.5蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)表4-2蝸輪蝸桿參數(shù)表值2.4蝸桿頭數(shù)z11蝸輪齒數(shù)z22732蝸輪變位系數(shù)x2ADDINCNKISM.UserStyleσH=14783d2Kd將T2、d2、K的值代入式（4-5）計(jì)算可得σH=128.8MPaσF=2000T式中：d1′為蝸桿節(jié)圓直徑d2′Y2為蝸輪齒形系數(shù)。取Y2=0.455。將d1′、d2′、Y2、T2、m、Y的值代入式（44.6滾珠絲杠的設(shè)計(jì)在垂直運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，升降裝置通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，其中精密滾珠絲杠的螺母與垂直升降臺(tái)剛性連接，二者的協(xié)同運(yùn)作能夠?qū)崿F(xiàn)工作臺(tái)在Z軸方向的多位置精確定位。這種高效傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由絲杠主軸、配套螺母、精密鋼珠及循環(huán)回路四大核心組件組成。其獨(dú)特之處在于鋼珠被精密排列于絲杠與螺母之間形成滾動(dòng)接觸，為獲得連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特性，必須借助循環(huán)裝置構(gòu)成閉合回路。該機(jī)構(gòu)巧妙地將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與螺母的直線位移進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞與運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)變。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求，最終確定采用管道式循環(huán)結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)體設(shè)計(jì)方案，同時(shí)選定雙端固定支撐的絲杠軸裝配工藝。鑒于該工作環(huán)境下存在定位精度波動(dòng)較大的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估后決定選用R型搬運(yùn)專用滾珠絲杠作為最終解決方案。確定導(dǎo)程PaPa≥V選擇導(dǎo)程大于8mm的絲杠軸。絲杠軸長(zhǎng)度：絲杠軸的總尺寸由有效工作行程段、螺母裝配區(qū)域以及兩端余量部分共同決定，通過(guò)將各分段參數(shù)代入計(jì)算公式可得出最終長(zhǎng)度值L?:L?推薦L?/d≤70。因此，絲杠軸外徑為d≥23mm。根據(jù)生產(chǎn)要求及控制物料的最大重量要求，確定出升降絲杠螺母的型號(hào)為RNFBL2806A2.5S,其技術(shù)參數(shù)如表4-3所示。表4-3RNFBL2806A2.5S型滾珠絲杠及螺母技術(shù)參數(shù)絲杠軸外徑d(mm)法蘭直徑A(mm)導(dǎo)程Pa(mm)滾珠直徑Dp(mm)有效圈數(shù)(圈數(shù)*列數(shù))絲杠軸底徑d,(mm)額定動(dòng)負(fù)載Ca(N)滾珠節(jié)圓直徑dm(mm)額定靜負(fù)載Coa(N)螺母外徑D(mm)軸向剛度Kn(N/μm-1)法蘭厚度B(mm)基本安全性的確認(rèn)絲杠豎直安裝時(shí)，勻加速上升狀態(tài)為負(fù)載最大值。軸向載荷許可范圍在分析軸向載荷前，需預(yù)先測(cè)算運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的作用力強(qiáng)度，將加速階段、恒速運(yùn)行及減速過(guò)程中的力學(xué)參數(shù)依據(jù)公式(4-9)、(4-10)、(4-11)、(4-12)計(jì)算。a=v60t=10mmFMax=mg+maFMean=mgFMin=ma最小直徑drdr≥P計(jì)算極限壓曲負(fù)載P:P=mdr計(jì)算極限負(fù)載p0P0=C2)極限轉(zhuǎn)速在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，若設(shè)備其他部件的固有頻率與絲杠軸接近，將顯著削弱其負(fù)載承受性能。為確保滾珠運(yùn)行時(shí)的可靠度，必須符合臨界轉(zhuǎn)速dr值的特定要求。dr≥n?危險(xiǎn)速度的計(jì)算：ne=fd壽命根據(jù)實(shí)際工作情況，建立絲杠軸負(fù)載表，如表4-4所示。表4-4絲杠負(fù)載情況運(yùn)轉(zhuǎn)條件軸向負(fù)荷(N)平均轉(zhuǎn)速(r/min)使用時(shí)間(S)啟動(dòng)2326.62255000.5保持2451.6225100010停止2576.62255000.5平均負(fù)載FmFm=F平均轉(zhuǎn)速NmNm=nCa=60式中：Fmfw疲勞壽命計(jì)算Lt:L=CaLt=L式中：L——額定疲勞壽命(rev)。Le——壽命時(shí)間(h)Ls——運(yùn)行距離壽命(km)Ca——基本額定動(dòng)負(fù)載(N)。Fa——軸向負(fù)載(N)。n——轉(zhuǎn)速(r/min)。L——導(dǎo)程(mm)。4.7垂直升降機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副性能研究針對(duì)垂直方向承受重載的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)，在負(fù)載上升階段，考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在瞬時(shí)變速過(guò)程，現(xiàn)對(duì)該工況下絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行建模分析。滾珠絲杠傳動(dòng)組件中的鋼球與絲杠滾道、螺母滾道均呈現(xiàn)點(diǎn)接觸形態(tài)，這屬于典型的非線性接觸力學(xué)問(wèn)題。滾珠絲杠傳動(dòng)性能的評(píng)估，關(guān)鍵在于分析鋼球與滾道間的相互作用特性，這是研究傳動(dòng)性能的核心途徑。滾動(dòng)體作為絲杠與螺母間載荷傳遞的中間介質(zhì)，當(dāng)承受軸向力時(shí)，滾動(dòng)體與絲杠、螺母滾道的接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生彈性形變。基于赫茲接觸理論，在特定假設(shè)前提下，可推導(dǎo)出接觸區(qū)域的應(yīng)力分布與變形量。具體假設(shè)條件包括：絲杠與鋼球相互作用時(shí)僅發(fā)生彈性變形，符合線彈性本構(gòu)關(guān)系；絲杠與鋼球接觸表面理想光滑無(wú)摩擦。以滾珠絲杠傳動(dòng)副中的絲杠為研究對(duì)象。當(dāng)系統(tǒng)處于無(wú)外部載荷狀態(tài)時(shí)，鋼球與滾道之間的相互作用僅由預(yù)緊單元產(chǎn)生的初始應(yīng)力維持，此時(shí)二者的接觸形態(tài)表現(xiàn)為單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的接觸模式，接觸部位僅會(huì)出現(xiàn)極其微小的形變。一旦螺母受到軸向載荷Fa的作用，如圖(5-1)a所展示的力學(xué)關(guān)系，這種接觸狀態(tài)會(huì)在鋼球表面形成Pn方向的接觸力，其中α代表壓力角參數(shù)，γ則表示絲杠軸線的螺旋上升角度。當(dāng)滾動(dòng)體受到Q方向的外力作用時(shí)，原本的點(diǎn)狀接觸區(qū)域會(huì)逐漸演變?yōu)槊鏍罱佑|，此時(shí)零件接觸面的曲率特性發(fā)生改變，引發(fā)彈性形變現(xiàn)象，其應(yīng)力場(chǎng)分布呈現(xiàn)出典型的半橢圓形態(tài)特征。橢圓接觸應(yīng)力的最大值σmax、接觸橢圓的長(zhǎng)半軸2a與短半軸2b及接觸變形值δσmax=3Qa=mab=mbδQ=2K式中：Q——法向壓力(N)。σmax——最大接觸應(yīng)力(Pa)ma——接觸橢圓長(zhǎng)半軸系數(shù)mb——接觸橢圓短半軸系數(shù)δQ——接觸變形(mm)p——曲率半徑(mm?1E'——當(dāng)量彈性模量(GPa)。K(e)——第一類完全橢圓積分e——橢圓離心率(0,1)。假設(shè)滾珠受力均等，工作軸向載荷Fa與滾珠所承受的法向載荷Q的關(guān)系為：Fa=zn?Qsinacosλ法向載荷Q的計(jì)算公式為：Q=FaznSina?cosλFa=Zn式中：Zn——工作滾珠數(shù)量a——接觸角。λ——絲杠的螺旋升角。曲率和Σp的表達(dá)式為Σp=P11+P曲率的計(jì)算公式如下：ρ11=ρ12ρ21=?1Rρ22=2cosa?cosλD式中：Db——滾珠直徑R——滾道直徑。D0——公稱直徑β——接觸角。λ—螺旋升角。當(dāng)量彈性模量E'的表達(dá)式為：E?'=2×1?式中：E?,E?——兩接觸物體的彈性模量(GPa);H?,μ?——兩接觸物體的泊松比。在軸向作用力Fa與接觸壓力Q的關(guān)聯(lián)性分析中，通過(guò)給定公式可確定單個(gè)接觸點(diǎn)的壓力分布Q?；诖擞?jì)算結(jié)果，進(jìn)一步推導(dǎo)出接觸區(qū)域橢圓的長(zhǎng)軸a、短軸b以及接觸變形量δg等關(guān)鍵參數(shù)。求解出接觸面的最大應(yīng)力值σMax,代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得4.8本章小結(jié)由于室內(nèi)儲(chǔ)藏空間的局限性和不同人群的身高可能存在差異化。考慮提高設(shè)計(jì)的兼容性和普適性，故在頭追式吹風(fēng)機(jī)的底座上設(shè)計(jì)一套升降裝置。本章對(duì)升降裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用蝸輪蝸桿作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠，滾珠絲杠再帶動(dòng)整體進(jìn)行升降。并且對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行選擇和校核，以及對(duì)蝸輪蝸桿，滾珠絲杠進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，最終得出所設(shè)計(jì)的升降裝置可滿足要求。

第5章升降機(jī)構(gòu)有限元分析5.1有限元理論的概述有限元分析技術(shù)是解決工程領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題的數(shù)值模擬手段。該方法針對(duì)連續(xù)介質(zhì)（包括固體材料、流體介質(zhì)及氣體物質(zhì)）采用離散化處理策略。將研究對(duì)象劃分為若干相互關(guān)聯(lián)的單元網(wǎng)格。這些離散單元通過(guò)特定節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系，從而將連續(xù)介質(zhì)的整體求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單元層面的局部計(jì)算。通過(guò)整合各單元計(jì)算結(jié)果，最終可獲得整個(gè)連續(xù)介質(zhì)的宏觀特性。由于連續(xù)介質(zhì)內(nèi)部物理場(chǎng)的精確描述存在困難，研究者采用近似處理方案。在保持整體特性的前提下引入逼近函數(shù)。這些數(shù)學(xué)函數(shù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)與單元連接關(guān)系建立聯(lián)系，能夠漸進(jìn)式地逼近真實(shí)物理場(chǎng)分布。當(dāng)研究目標(biāo)為原始連續(xù)介質(zhì)時(shí)，問(wèn)題的核心轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)參數(shù)的確定。一旦獲取節(jié)點(diǎn)數(shù)值，即可基于近似函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出介質(zhì)內(nèi)部場(chǎng)的完整分布規(guī)律。5.2有限元法的分析過(guò)程圖5-1有限元法的分析過(guò)程升降機(jī)整體架構(gòu)的剛度控制方程建立在兩個(gè)核心準(zhǔn)則之上：首先，各相鄰組件在共享連接點(diǎn)處必須保持位移協(xié)調(diào)性；其次，節(jié)點(diǎn)作用力與外部載荷需達(dá)成力學(xué)平衡。具體實(shí)施過(guò)程分為兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：運(yùn)用適當(dāng)方法將各分體單元的剛度特性整合為系統(tǒng)整體剛度矩陣[K]，同時(shí)將分散的單元節(jié)點(diǎn)載荷歸并為結(jié)構(gòu)總載荷向量{P}。最終通過(guò)矩陣運(yùn)算獲得控制方程，其表達(dá)式為：[K]×{?}={P}（5-1）在分析結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)時(shí)，通常從變形量著手更為便捷。利用變形量與內(nèi)力的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)性，將求得的變形結(jié)果代入相應(yīng)公式就能得到整個(gè)物體的應(yīng)力分布。當(dāng)前主流的數(shù)值模擬工具都能以彩色圖譜方式直觀呈現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)，操作者還能自定義色階范圍等可視化參數(shù)來(lái)滿足特定需求。5.3升降機(jī)構(gòu)有限元模型建立的流程在構(gòu)建升降機(jī)構(gòu)有限元模型的過(guò)程中，通過(guò)合理組合不同軟件的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，能夠顯著提升工作效能。例如，在創(chuàng)建升降機(jī)構(gòu)的三維模型階段，相較于ANSYSWorkbench內(nèi)置的DesignModeler組件，采用SolidWorks作為建模工具更為便捷高效。同時(shí)，SolidWorks平臺(tái)建立的模型更便于后續(xù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)所需的工程圖紙。本文根據(jù)前文所預(yù)定的設(shè)計(jì)方案，在SolidWorks中進(jìn)行了升降機(jī)構(gòu)零件與裝配體的CAD建模，之后通過(guò)ANSYSWorkbench中的第三方導(dǎo)入接口，將所建立的幾何模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進(jìn)行后續(xù)操作，而在模型的導(dǎo)入時(shí)存在兩軟件之間數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，既ANSYSWorkbench仿真分析的第三方導(dǎo)入接口在識(shí)別不同標(biāo)準(zhǔn)的CAD模型時(shí)，將產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)偏差，這對(duì)后續(xù)的分析結(jié)果將產(chǎn)生一定的影響。如圖5-2既表示在Geometry中已成功導(dǎo)入模型。圖5-2采用parasolid格式導(dǎo)入分析模塊5.4升降機(jī)構(gòu)有限元模型的前處理在三維建模過(guò)程中，由于構(gòu)件在長(zhǎng)寬高三個(gè)方向上的尺寸相近，因此選用立體單元進(jìn)行離散化處理。初始接觸階段，兩個(gè)相互作用的物體處于靜摩擦狀態(tài)；當(dāng)外部載荷增加到足以引發(fā)相對(duì)位移時(shí)，則依據(jù)F=μΝ公式計(jì)算動(dòng)摩擦力。考慮到基座與兩側(cè)支柱是由型鋼和鋼板焊接而成的組合件，為兼顧計(jì)算精度與運(yùn)算速度，最終對(duì)基座部分采用智能網(wǎng)格劃分技術(shù)，并將關(guān)聯(lián)度參數(shù)調(diào)整為精細(xì)級(jí)別。實(shí)施網(wǎng)格劃分的主要目標(biāo)是為了在后續(xù)裝配體模態(tài)分析中，準(zhǔn)確評(píng)估整體結(jié)構(gòu)是否會(huì)產(chǎn)生與高速攪拌主軸的共振效應(yīng)。下圖展示了經(jīng)過(guò)離散處理的模型，共計(jì)形成480081個(gè)離散點(diǎn)和181052個(gè)計(jì)算單元。圖5-3底座網(wǎng)格的劃分5.5網(wǎng)格質(zhì)量的控制在分析升降機(jī)構(gòu)各部件時(shí)，針對(duì)精度需求特別關(guān)注了托架、提升座及安裝座的網(wǎng)格劃分質(zhì)量。評(píng)估過(guò)程中選用傾斜度[Skewness]作為主要衡量指標(biāo)，將最大允許值設(shè)定為0.8。該參數(shù)作為網(wǎng)格質(zhì)量的重要評(píng)判依據(jù)，其計(jì)算公式表述為：偏斜率=（理想單元尺寸-實(shí)際單元尺寸）/理想單元尺寸借助網(wǎng)格劃分軟件生成的Skewness分布圖可以觀察到，托架、提升座和安裝座經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后主要形成tet10、Hex20、Wed15和Pyr13四種單元類型。雖然檢測(cè)到個(gè)別網(wǎng)格的Skeness值達(dá)到0.95峰值，但絕大多數(shù)網(wǎng)格的Skeness數(shù)值均控制在0.8以下，完全符合既定的網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。圖5-4Skewness圖表5.6計(jì)算結(jié)果及分析基于具體設(shè)備的約束條件，施加對(duì)應(yīng)的荷載參數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算程序執(zhí)行數(shù)值模擬運(yùn)算，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理后獲得如下解析結(jié)論：1、升降機(jī)構(gòu)的應(yīng)力、位移云圖，由下圖所示：圖5-5升降機(jī)構(gòu)變形云圖由圖5-10可看出最大變形發(fā)生在升降機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角接縫處，最大位移為0.0034345mm,。綜合考慮可知局部應(yīng)力集中等因素造成了局部變形的集中。圖5-6升降機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖5.7本章小結(jié)本章基于ANSYS仿真平臺(tái)，系統(tǒng)闡述了優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理與實(shí)施流程，為升降機(jī)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建及變量篩選奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。針對(duì)該機(jī)構(gòu)特性，采用參數(shù)化有限元分析方法，結(jié)合實(shí)體單元與殼單元混合建模策略，建立了精確的有限元模型。在施加必要邊界條件與載荷工況后完成數(shù)值求解，重點(diǎn)考察極限工況下的應(yīng)力集中現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)變形特征。分析結(jié)果表明，該升降機(jī)構(gòu)在剛度性能與承載能力方面均滿足設(shè)計(jì)要求。第6章結(jié)論本文設(shè)計(jì)的頭追式吹風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料，以及對(duì)吹風(fēng)筒市場(chǎng)的調(diào)研。完成頭追式吹風(fēng)機(jī)整機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)，并對(duì)擺頭機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵零部件計(jì)算，選型和校核。由于升降