摘要：自动翻盖技术在智能家居、公共卫生等领域应用广泛，为解决传统自动翻盖机构存在的结构臃肿、控制复杂、噪声振动大所导致的震动稳定性差等问题，本文设计了一种基于凸轮机构的单电机驱动翻盖系统，所述系统包括凸轮机构、传动杆件、盖体、桶体和连接轴五个部分。通过凸轮机构实现翻盖开合的多运动速度调节，优化了运动平稳性和动态性能。通过SolidWorks 运动学仿真验证了系统设计的可行性和稳定性，为自动翻盖技术的发展提供了新的思路和方法。

关键词：自动翻盖；凸轮机构；运动学分析

Abstract： Automatic flip-top technology is widely applied in smart homes， public health， and other fields. To address the issues of structural bulkiness， complex control， and significant noise/vibration in traditional automatic flip-top mechanisms that lead to poor vibration stability， this paper designs a single-motor-driven flip-top system based on a cam mechanism. The system comprises five components： cam mechanism， transmission linkages， cover body， barrel， and connecting shaft. By utilizing the cam mechanism to achieve multi-speed motion adjustment during the flipping process， the system optimizes motion smoothness and dynamic performance. The feasibility and stability of the system design were verified through kinematic simulations in SolidWorks， providing new insights and methodologies for the advancement of automatic flip-top technology.

Keywords： Automatic Clamshell; Cam Mechanism; Kinematic Analysis

1 引言

随着智能家居技术的快速发展，自动翻盖设备在卫生、便利性及节能方面的需求日益增长。传统翻盖系统多采用减速齿轮机构，虽能实现基本功能，但存在结构复杂、噪声大、振动稳定性差等缺陷。凸轮机构凭借其运动规律可控、结构紧凑等优势，成为优化翻盖系统的理想选择。本文以家用智能垃圾桶为应用场景，设计一种基于凸轮机构的自动翻盖系统，通过解析法与仿真技术实现高精度运动控制，提升用户体验。

2  系统方案设计

2.1 传统减速齿轮方案的缺陷分析

传统方案采用四级直齿齿轮减速（总传动比 i= 5 6 i= 5 6 ），存在以下问题：

（1）瞬时冲击叠加：齿轮啮合周期性冲击导致噪声峰值达65 dB，如图所示（2）结构臃肿：齿轮箱体积占比达桶体 30 % ，限制小型化设计；

（3）速度调节受限：固定传动比导致开合速度单一，用户体验差。

2.2 凸轮机构方案设计

凸轮机构通过轮廓曲线精确控制从动件运动规律，满足翻盖系统“启动缓、中间快、制动稳”的需求。因此我们得到了所需凸轮从动件应具备的以下要素：

（1）为解决启动时的冲击较大问题，需要凸轮起始阶段的加速度 a 曲线应从零开始，或者加速度a 尽可能小。而对应的速度 曲线也应当从零点开始。

（2）日常垃圾桶使用时应尽可能快捷，因此我们需要凸轮在中间段获得最快速度，即加速度a、速度 在曲线中间段最大。

（3）垃圾桶在打开至最大角度时应尽量满足最终速度 v = 0 ，这也就表明在最后阶段加速度曲线应当在 轴之下，这样才能保证制动阶段运动的平稳性，具体如图二所示。

因此选择五次多项式运动规律，其加速度曲线连续无突变，且能避免柔性冲击。满足运动要求前提下应当优先 选择“转动凸轮、摆动推杆以及盘型凸轮”，在这里我们选择盘型凸轮，因为其具有结构简单、效率高、成本低廉的特点，以及不易自锁的优点。

推杆采用滚子结构以降低摩擦，基圆半径 r o=5 0 m m ，滚子半径 ，压力角 ，确保传力性能与自锁性。

3 凸轮机构设计与运动学分析

3.1 凸轮轮廓解析设计

基于五次多项式运动方程：

可得：

1）推程阶段：

2）远休止阶段： S2=8 8

3）回程阶段：

4）近休止阶段：S4=0

通常情况下，计算间隔取 ，由于凸轮应用于家用智能垃圾桶，所以精度要求不高所以取 。在计算时，推程阶段取 ，在远休止阶段需取 ，在凸轮回程阶段需取 ，在凸轮的近休止阶段需取 4

因为此次为外凸轮设计，且由于是滚子推杆，需要通过理论轮廓线求取工作轮廓线。通过反转法生成理论轮廓线，并推导工作轮廓线方程，所以最终可得工作曲线轮廓公式为：

其中

1）推程段：

其中： δ = δ

2）远休止段： 其中： 01

回程阶段：

其中：

3）近休止段：

其中： 4

经计算最终得出如下表格二所示数据：

最终获得凸轮实际轮廓，最大半径 6 2 . 0 3 m m ，最小半径 。

3.2 运动学仿真验证

通过SolidWorks 运动仿真生成推杆位移、速度及加速度曲线。

位移曲线：推杆的位移曲线与理论计算结果一致，推杆上升和下降的距离均为 8 8 m m ，满足设计要求，具体如图所示。

速度曲线：推杆在凸轮推程初期速度较慢，逐渐加快，然后在推程后期又逐渐减慢；在回程中速度变化规律类似，但方向相反。这种速度变化符合五次多项式运动规律的特点，有效降低了启动和制动时的冲击力，减少了噪声和振动，具体如图所示。

加速度曲线：推杆在运动过程中的加速度变化平稳，没有出现突然的跳跃或冲击。在凸轮推程和回程的起始和结束阶段，加速度逐渐增加或减小，避免了刚性冲击和柔性冲击，具体如图所示。进一步验证了五次多项式运动规律的优越性。

结果显示：推程 8 8 m m ，最大速度 m m / s ，加速度曲线平滑无突变，符合设计要求。

4 其他部件设计

4.1 桶盖与缓冲结构

为了减轻盖子整体的重量，同时降低对推杆的压力，所以在桶盖上采用了薄薄的 6 m m 而材料则选择了最常见的 pp 聚合物，这样推杆推动盖子时承受的压力会大大降低，可以有效降低推杆与凸轮之间的摩擦力，降低了使用时的噪音，也提高了整体的使用寿命。进行静力学分析表明，如图所示，在靠近盖子根部的半个盖体出现了较为明显的应变，我们可以选择使用倒角进行处理。为延长桶盖的工作寿命，在背面增设加强筋以提升抗弯强度，加强筋之间的间距需要 4 倍材料本身厚度 （ 即 1 2 m m ），这样可以避免局部应力集中。最终我们得到了如下图的盖体设计。

4.2 仿真验证

在桶盖的背面我们加入了两条平行分布的加强筋，同时两条加强筋之间间距远大于 1 2 m m 这减小了两加强筋可能带来应力集中的可能性。通过 solidworks的静力学分析来验证我们的设计是否合理。如图所示，我们可以得出结论：加强筋确实可以分散应力并提高了桶盖的抗弯曲能力。可以有效提高桶盖的使用寿命，所以该设计可行。

4.3 连杆与导轨

在滚子推杆的使用环境下，我们采用了较为少见的 L 型杆结构，通过推杆的上下往复运动即可完成桶盖的开合。因为 L 型杆中短杆会与推杆一直保持接触，所以将其与推杆的接触面设计为圆弧面，这样可以有效减少摩擦带来的损伤和噪音，如图所示。

滚子推杆想要实现上下往复的直动运动，需要一个可以控制其路径的导轨，其尺寸仅需满足与推杆的配合即可。同时要留有与桶体固定的连接方式，所以导轨与同体的链接采用简单的圆柱销链接。

5 仿真与测试

通过 MATLAB 轨迹仿真与实物测试对比，如图所示，结果表明翻盖轨迹与

理想路径重合度达 9 5 % 。微调机构可将误差控制在 内，验证了设计的可靠性。

6 结论与展望

6.1 结论

通过对凸轮机构的运动学分析，得出以下结论：

1）凸轮机构的设计满足了自动翻盖系统对运动规律的要求，实现了翻盖的平稳开合。

2）采用五次多项式运动规律的凸轮机构，有效降低了启动和制动时的冲击力，减少了噪声和振动，提高了系统的稳定性和使用寿命。

3）运动学分析结果与理论计算结果一致，验证了凸轮机构设计的合理性和准确性。

6.2 展望

未来，自动翻盖系统有望与人工智能、物联网技术进一步融合，实现更精确的控制和更广泛的应用。例如，通过深度学习算法和机器视觉技术，自动翻盖系统可以实现对不同种类垃圾的精确识别与分类。同时，进一步优化凸轮的设计和验算方法，采用更环保的新兴材料，以提高产品的使用寿命和降低噪音。总之，未来的自动翻盖系统将通过技术创新和多领域融合，实现更高效、智能和环保的运行，为人们创造更加便捷和卫生的生活环境，同时也为环境保护和资源循环利用做出更大的贡献。

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