可伸縮式自動(dòng)晾衣架的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李東亞，張潔峰

（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，江蘇昆山215325）

可伸縮式自動(dòng)晾衣架的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李東亞，張潔峰

（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，江蘇昆山215325）

隨著社會(huì)飛速發(fā)展，人們的生活也日新月異，越來(lái)越多的智能化、自動(dòng)化的產(chǎn)品開始進(jìn)入普通家庭，傳統(tǒng)的晾衣架主要有滑輪組加鋼絲繩和伸縮式兩種產(chǎn)品，控制方式也主要為手動(dòng)和半自動(dòng)兩種方式，根據(jù)現(xiàn)有晾衣架的結(jié)構(gòu)、控制方式及其需求模式的變化，設(shè)計(jì)出一款采用智能化、自動(dòng)化的控制方式，采用四桿結(jié)構(gòu)和螺旋機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)衣服的自動(dòng)晾曬的伸縮式晾衣架，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人在家也可自動(dòng)完成衣服的晾曬的生活方式，提高了人們對(duì)快節(jié)奏生活方式適應(yīng)。

智能化；伸縮式晾衣架；四桿機(jī)構(gòu)

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.015

0　引言

自動(dòng)晾衣架是升降晾衣架的另一種稱謂，通常就稱為晾衣架，是大約10年前出現(xiàn)的一種晾曬衣服的用具，現(xiàn)時(shí)有手搖的和遙控的兩大類，這種產(chǎn)品剛出來(lái)時(shí)晾桿是用不銹鋼圓管做的，款式單一，只是作為一種方便晾曬衣服的工具，但隨著時(shí)間的推移，生產(chǎn)晾衣架的廠家越來(lái)越多，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越大，廠家各出奇謀，晾衣架的款式越來(lái)越多，越來(lái)越漂亮，晾衣架如今已不僅僅是一種晾曬的工具了，更演變成一種裝飾品，成為陽(yáng)臺(tái)一道風(fēng)景線。晾衣架的各種配件也層出不窮，每一件配件都可以作為裝飾品，點(diǎn)綴現(xiàn)代家庭的陽(yáng)臺(tái)?，F(xiàn)在市面的自動(dòng)晾衣架的主要結(jié)構(gòu)分為兩種：滑輪組加鋼絲繩和伸縮式［1］，其主要結(jié)構(gòu)主要有手搖器、鋼絲繩、轉(zhuǎn)向器、頂座、晾桿、衣架等。

1　設(shè)計(jì)要求及控制流程

根據(jù)現(xiàn)在住房的陽(yáng)臺(tái)樣式進(jìn)行設(shè)計(jì)伸縮式晾衣架的結(jié)構(gòu)，而實(shí)際陽(yáng)臺(tái)最主要的尺寸在于晾衣桿的長(zhǎng)度，由于此設(shè)計(jì)需要開窗關(guān)窗來(lái)將晾衣桿送出和送入，而現(xiàn)在主流的窗戶都是滑動(dòng)式，所以晾衣桿的的長(zhǎng)度不能超出中間兩扇窗的寬度。小型陽(yáng)臺(tái)可以考慮兩扇敞開式，即可增加晾衣桿長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)的該裝置需要滿足如下的設(shè)計(jì)要求：

（1）準(zhǔn)確性和可靠性：由于可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式下工作，需要準(zhǔn)確的判斷外界環(huán)境從而對(duì)窗戶和晾衣架的控制，同時(shí)保證行程的可靠性［2］；

（2）智能化：根據(jù)天氣的變化進(jìn)行對(duì)晾衣架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制［3］；

（3）操作簡(jiǎn)單：由于人群結(jié)構(gòu)的變化，大多數(shù)家庭都以老人在家為主，需要他們能夠快速掌握操作方法，在手動(dòng)模式下進(jìn)行簡(jiǎn)單動(dòng)作的設(shè)置。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，完成控制流程圖的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　控制流程圖

2　機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械臂傳動(dòng)方案的確定

因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)的機(jī)械臂只需在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，且可以借助主運(yùn)動(dòng)的前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)，所以機(jī)械臂只需1到2個(gè)自由度就可以實(shí)現(xiàn)功能，目前存在的晾衣架的傳動(dòng)方式有以下幾種常見的結(jié)構(gòu)。

（1）滑輪組加鋼絲繩結(jié)構(gòu)：此結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單精確，且占用空間相對(duì)較小不工作是可收起至天花板，不影響人們正常生活。但是此方案懸臂梁力臂較長(zhǎng)，給電機(jī)造成較大負(fù)擔(dān)，大功率的電機(jī)自然也是成本問(wèn)題之一，但是還需要陽(yáng)臺(tái)的窗口預(yù)留伸出孔，也不方便，此外還要在陽(yáng)臺(tái)外面安裝滑輪組，才能完成伸出的動(dòng)作，由于室外天氣的原因，必須選擇好的材料，無(wú)形中增加大量的成本。

（2）鏈傳動(dòng)式：此結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單精確［4］，但是由于此結(jié)構(gòu)的都是桿狀支撐架，需要利用三角形起支承作用，會(huì)占用到陽(yáng)臺(tái)的空間；此方案懸臂梁力臂較長(zhǎng)，給電機(jī)造成較大負(fù)擔(dān)，大功率的電機(jī)自然也是成本問(wèn)題之一；此機(jī)構(gòu)的伸縮機(jī)械臂需要伸縮到窗戶外面，還需要陽(yáng)臺(tái)的窗口預(yù)留伸出孔，并且需要完成伸出和回收兩個(gè)動(dòng)作，對(duì)打孔的要求比較高，此外還要在陽(yáng)臺(tái)外面安裝鏈輪組，才能完成伸出的動(dòng)作，由于室外天氣的原因，必須選擇好的材料，無(wú)形當(dāng)增加大量的成本。

綜合以上結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)出平面四桿機(jī)構(gòu)型［5］：該方案的實(shí)現(xiàn)形式主要為主動(dòng)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)從動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作簡(jiǎn)單，安裝時(shí)只要根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡和四桿機(jī)構(gòu)的即曲柄的位置就可以確定吊鉤處于合適的位置，此位置可以根據(jù)不同的住戶選擇安裝；此裝置位于陽(yáng)臺(tái)的頂部，占用體積小，屬于合理利用空間；雖然運(yùn)動(dòng)的范圍較小但在本設(shè)計(jì)中只需要固定幾個(gè)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，理論上可行，且成本較低。在本設(shè)計(jì)中選用此傳動(dòng)方案較前兩個(gè)方案還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，若主動(dòng)桿為曲柄運(yùn)動(dòng)則可以將該連架桿的非機(jī)架端連接在主運(yùn)動(dòng)的齒輪上，這樣便可只用一個(gè)電機(jī)完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)，即齒輪運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，即可完成晾衣架的伸縮；此裝置只需要在窗戶外面安裝兩個(gè)支承吊鉤，對(duì)材料沒(méi)有什么要求。

2.2機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案確定伸縮式晾衣架采用平面四桿機(jī)的傳動(dòng)方式，因此齒輪與機(jī)械臂的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

此伸縮式晾衣架的動(dòng)作為：電機(jī)安裝在齒輪上，初始位置剛好在陽(yáng)臺(tái)內(nèi)部的橫桿處，此時(shí)將衣服掛于橫桿上，初始位置可以根據(jù)住戶的身高和陽(yáng)臺(tái)的光照性合理設(shè)置，電機(jī)帶動(dòng)齒輪沿著齒條做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，此時(shí)齒輪也作為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄1通過(guò)連桿4帶動(dòng)搖桿3做圖示的曲線軌跡運(yùn)動(dòng)，桿件3作為機(jī)架與滑塊相連接，通過(guò)支架上沿著導(dǎo)軌做運(yùn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)過(guò)180度使搖桿到達(dá)的最低點(diǎn)，在轉(zhuǎn)過(guò)180度有到達(dá)最高點(diǎn)，正好運(yùn)動(dòng)軌跡為正弦曲線，通過(guò)設(shè)置的位置使齒輪轉(zhuǎn)過(guò)一定的圈數(shù)即可到達(dá)煙臺(tái)外的吊鉤處。

圖2　機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

在該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的設(shè)計(jì)需要是輕便，對(duì)抓取力度無(wú)要求，只需要將晾衣桿托起并形成封閉形狀使其不易掉落。利用絲杠螺母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手如圖3所示［6］。

圖3　機(jī)械手機(jī)構(gòu)示意圖

2.3機(jī)械臂的控制方式

根據(jù)傳感器的形式，可將溫度、濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)的模擬量通過(guò)傳感器換算成數(shù)字量，之后在室內(nèi)需要用LED顯示器顯示，電氣控制則選擇使用PLC的控制方式。若使用文本顯示器或觸摸屏，既可以顯示室外的天氣狀況又可以在室內(nèi)手動(dòng)控制，那即使不在陽(yáng)臺(tái)也能完成手動(dòng)操作。

3　結(jié)論

在實(shí)際的產(chǎn)品中，最關(guān)鍵的是選擇一種質(zhì)量輕強(qiáng)度又足夠的材料作為四桿機(jī)構(gòu)的主要用材，然后在減輕整體質(zhì)量之后選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)能直接帶動(dòng)齒輪，省去減速作用的那組渦輪蝸桿甚至減速箱［7］。并且將兩個(gè)機(jī)械手的動(dòng)力用一個(gè)電機(jī)提供，可以將主動(dòng)的兩個(gè)齒輪放在同一軸上驅(qū)動(dòng)，不但能減少一個(gè)電機(jī)，而且可以提高機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的同步性；同樣的，控制窗戶動(dòng)作的電機(jī)也可以減少為一個(gè)，用絲杠螺母結(jié)構(gòu)傳動(dòng)，一側(cè)為正牙另一側(cè)為反牙；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩扇窗戶運(yùn)動(dòng)方向相反，能滿足窗戶開合的需要，同時(shí)期運(yùn)動(dòng)的同步性也提高了；其次機(jī)械手的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)再簡(jiǎn)單化，能取消絲杠螺母結(jié)構(gòu)用鋼絲繩代替為最佳。根據(jù)實(shí)際使用的需要設(shè)計(jì)此結(jié)構(gòu)完全能達(dá)到使用要求。

［1］孟憲源，姜琪.機(jī)構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］張春林.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］施海鋒，吳江柳.機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［4］于惠力，馮新敏.轉(zhuǎn)動(dòng)件設(shè)計(jì)與實(shí)用數(shù)據(jù)速查［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］華大年，華志宏.連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［6］施海鋒，吳江柳.機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［7］強(qiáng)建國(guó).機(jī)械原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.

（編輯：阮毅）

System Design of the Retractable Auto Racks

LI Dong-ya，ZHANG Jie-feng
（Applied Technology Institute，Suzhou University，Kunshan215325，China）

With the rapid development of society，people's lives are changing，more and more intelligent，automated products began to enter ordinary families，the traditional racks mainly rope and pulley blocks plus telescopic two products are mainly for manual control and semi-automatic two ways，according to the structure of the existing racks，control and changing demand patterns，design a use of intelligent，automated control，drive mode using four-bar structure and screw mechanism for automatic clothes retractable drying racks，realized no one at home can also be done automatically lifestyle drying clothes，raised awareness of the fast-paced lifestyle to adapt.

intelligent；telescopic racks；four agencies

TH122

A

1009-9492（2015）01-0060-03

2014-07-14

李東亞，男，1984年生，山東棗莊人，大學(xué)本科，實(shí)驗(yàn)師。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化技術(shù)。已發(fā)表論文5篇。