一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)伸縮桌設(shè)計(jì)原理?

劉 杏 陳 威 戴金耀 王 偉

伸縮結(jié)構(gòu)是一種具有伸展和縮回功能的結(jié)構(gòu)，其在工程技術(shù)和日常生活中得到了廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代生活水平的提高，人們對(duì)家具的功能和品味有了極大的提升，具有伸縮功能的便攜桌具也伴隨人們的生活習(xí)慣應(yīng)運(yùn)而生[1]。

近年來(lái)關(guān)于自動(dòng)伸縮桌的研究，主要分為支架固定桌面延伸式和支架可調(diào)整式兩種形式[2]。支架固定桌面延伸式桌具，主要有德國(guó)Thonet公司的懸臂連接式桌子，美國(guó)Tossa公司的“普格拉瑪”抽拉結(jié)構(gòu)方式桌，以及旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中采用可調(diào)節(jié)的金屬拉桿來(lái)控制桌面變形的“泰坦”桌[3]。支架可調(diào)整式桌具是使桌子的一側(cè)支架固定，而另一側(cè)具備可調(diào)節(jié)性，通過(guò)支架的調(diào)整來(lái)改變桌面的長(zhǎng)度和面積。

但目前，這些伸縮桌大多為手動(dòng)調(diào)節(jié)，操作過(guò)于繁瑣，為了更好地滿足現(xiàn)代人的生活需求，設(shè)計(jì)出一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)伸縮桌具，該設(shè)計(jì)不僅提高了使用的舒適度，也更好地實(shí)現(xiàn)了桌具的人性化設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)伸縮桌的設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)方案選定

對(duì)于支架固定桌面延伸式桌具，桌子的基本支撐框架固定，桌面由幾部分組成，每部分桌面都可以隨著變換機(jī)構(gòu)而運(yùn)行，桌面位置發(fā)生變化，并與固定桌面重新拼接成新的桌面，這種結(jié)構(gòu)主要靠旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、抽拉、懸臂桌面等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)桌面大小的變換，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和可靠性較好。

對(duì)于支架可調(diào)整式桌具，主要是將活動(dòng)桌面隱藏在固定桌面內(nèi)部或者下方，支架和桌面的連接方式基本是通過(guò)桌面下方的金屬滑槽進(jìn)行連接。當(dāng)需要變化尺寸時(shí)，順著金屬滑槽的方向移動(dòng)支架，活動(dòng)桌面會(huì)隨著支架的移動(dòng)進(jìn)行平移并與固定桌面拼接成一個(gè)新的桌面，這種結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，并且內(nèi)部金屬滑槽的加工難度大，安裝精度低，穩(wěn)定性和可靠性較差。

因此，通過(guò)對(duì)比兩種變換機(jī)構(gòu)的可靠性以及加工難易程度，從而選定以支架固定桌面延伸式中的旋轉(zhuǎn)方式變換大小的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示，自動(dòng)伸縮桌主要由9塊桌面、1個(gè)底板、1個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、1個(gè)絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)、4個(gè)桌腿以及控制系統(tǒng)等幾部分組成。

圖1 自動(dòng)伸縮桌結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of automatic stretching table

1.2 工作原理

如圖2所示，在進(jìn)行桌面面積變化的時(shí)候，首先由步進(jìn)電機(jī)7正轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，使絲桿8運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)由十字接頭相接的撐桿10運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)方形桌面2的展平，此時(shí)單片機(jī)發(fā)出延時(shí)信號(hào)，電機(jī)7停止運(yùn)動(dòng)，電機(jī)6正轉(zhuǎn)，通過(guò)絲桿11運(yùn)動(dòng)的傳遞將運(yùn)動(dòng)傳遞給曲柄13使其帶動(dòng)與之相連接的桌面撐桿14，將運(yùn)動(dòng)傳遞給滑塊15使其沿著直線導(dǎo)軌16運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正方形桌面1的展開(kāi)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)單片機(jī)的延時(shí)作用消除，電機(jī)7正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)絲桿8運(yùn)動(dòng)，通過(guò)十字接頭9的連接作用將運(yùn)動(dòng)傳遞給與撐桿10相接的長(zhǎng)方形桌面2，長(zhǎng)方形桌面2上升，從而實(shí)現(xiàn)桌面面積變大的功能，同理，當(dāng)兩個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)便可以實(shí)現(xiàn)桌面面積的縮小功能。

圖2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞簡(jiǎn)圖Fig.2 A diagram of the organization movement

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一種用曲柄和滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機(jī)構(gòu)，也稱曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其與機(jī)架構(gòu)成移動(dòng)副的構(gòu)件為滑塊，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接曲柄和滑塊的構(gòu)件為連桿，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)又分為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[4-5]。

圖1所示的自動(dòng)伸縮桌采用對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示，其中曲柄和連桿的材料選用均為10 mm厚度的亞克力板。通過(guò)對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)做出分析計(jì)算，以此來(lái)確定曲柄和連桿的設(shè)計(jì)尺寸，如下所述[6-8]。

由圖3可知任意時(shí)刻滑塊運(yùn)行距離、滑行速度、滑行加速度如下：

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.3 A diagram of the movement of crank and slider mechanism

式中：S——任意時(shí)刻滑塊運(yùn)行的距離，mm;

λ——R/L；

V——滑塊運(yùn)行速度，mm/s;

a——加速度，m/s2;

w——角加速度，rad/s2;

t——時(shí)間，s。

結(jié)合第二層桌面尺寸，為了避免曲柄與小桌面發(fā)生干涉，所選曲柄尺寸不宜過(guò)大，同時(shí)考慮到該設(shè)計(jì)需要用到4個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，故將曲柄設(shè)計(jì)為圓形，既節(jié)省空間又便于安裝。此外，為了給曲柄滑塊機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，在圓形曲柄中心設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為10 mm的通孔，同時(shí)為了連接曲柄和連桿，需要在曲柄圓周上開(kāi)4個(gè)直徑為6 mm的通孔。為保證4個(gè)通孔與外圓有一定的距離，所以曲柄實(shí)際尺寸相應(yīng)擴(kuò)大，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 曲柄結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 A diagram of the crank structure

結(jié)合滑塊的運(yùn)動(dòng)，選擇曲柄的長(zhǎng)度為50 mm,即4個(gè)直徑為6 mm的孔分布在直徑為100 mm的圓周上。

連桿分別與曲柄和滑塊，在連桿兩端設(shè)計(jì)連接孔。同時(shí)在設(shè)計(jì)中為了避免4個(gè)連桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生相互干涉，特將其設(shè)計(jì)成圓弧形，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 A diagram of the linkage structure

為保證桌面順利展開(kāi)和收攏，根據(jù)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度可知，連桿長(zhǎng)度須大于120 mm，故選擇連桿長(zhǎng)度為180 mm。

2.2 絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)的主要作用是實(shí)現(xiàn)第二層桌面的展平上升和收攏下降，主要由絲桿螺母、十字連接架、撐桿、魚(yú)眼接頭、十字板托等組成[9],其結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)原理圖Fig.6 Mechanism schematic of the screw shaft brace

如圖6所示，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)螺母的直線運(yùn)動(dòng)，螺母再帶動(dòng)撐桿運(yùn)動(dòng)，第二層桌面在撐桿的力的作用下達(dá)到展平上升的目的。其中撐桿兩端分別連接桌面和十字連接架。絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)實(shí)物如圖7所示。

圖7 絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)Fig.7 Mechanism of the screw nut brace

絲桿螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中包括以傳遞能量為主 (如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?，以傳遞運(yùn)動(dòng)為主（如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲桿)；還有調(diào)整零件之間相對(duì)位置的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。在絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)中絲桿螺母起傳動(dòng)作用，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)，它是構(gòu)成絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)的重要組成部分。其結(jié)構(gòu)如圖8所示，自動(dòng)伸縮桌中所選用為外購(gòu)的T8梯形絲桿，其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有自鎖特性，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖8 絲桿螺母Fig.8 Screw nut

表1 絲桿螺母副參數(shù)Tab.1 Screw nut auxiliary parameters

在絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)中撐桿主要起支撐作用，實(shí)現(xiàn)第二層桌面的變形，由于撐桿兩端分別連接桌面和十字連接架，所以必須參考連接件來(lái)選取確定撐桿，由于滑塊和第一層桌面連接時(shí)也用到了撐桿，為了方便采購(gòu)，決定此處撐桿也選取M6絲桿。通過(guò)計(jì)算，4根撐桿長(zhǎng)度均為450 mm。

2.3 連接件的選擇

1）螺栓的選擇。設(shè)計(jì)中有多處使用到螺栓連接，曲柄與連桿的連接就用了螺栓連接。曲柄和連桿上加工的是直徑為6 mm的通孔，曲柄和連桿厚均為10 mm，所以選取M6×25的粗牙全螺紋六角頭螺栓(GB/T 5783—2000)，共采購(gòu)4個(gè)[10]。此外絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)中也用到了M6的螺栓，其中連接長(zhǎng)度大于30 mm，所以選取M6×40的粗牙全螺紋六角頭螺栓(GB/T 5783—2000)，共采購(gòu)12 個(gè)[10]。

2）絲桿的選擇。桌面和滑塊的連接支撐件使用絲桿，鑒于加工零件中所有螺紋孔都是M6的螺紋通孔，所以選取的絲桿都是M6的。由于桌面總共分為兩層，每個(gè)小塊桌面用4點(diǎn)支撐，所以每部分桌面的支撐件有4根絲桿。

第一層正方形桌面由滑塊支撐，正方形桌面距離滑塊150 mm，所以選取正方形桌面的連接絲桿長(zhǎng)度為150 mm，共16根。

第二層小桌面與絲桿螺母撐桿機(jī)構(gòu)連接，考慮到桌面實(shí)際尺寸以及桌面運(yùn)動(dòng)距離，選取絲桿長(zhǎng)度為450 mm，共4根。

步進(jìn)電機(jī)與曲柄的連接也需要用到絲桿，曲柄中心孔直徑為10 mm，考慮到曲柄厚度以及聯(lián)軸器規(guī)格，選取M10絲桿，長(zhǎng)度為50 mm。

3）聯(lián)軸器的選擇。步進(jìn)電機(jī)分別與T8絲桿螺母和M10絲桿連接，步進(jìn)電機(jī)軸的直徑為5 mm，所以選擇5×8和5×10的聯(lián)軸器各一個(gè)。

3 自動(dòng)伸縮桌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)的選擇

由于步進(jìn)電機(jī)工作原理易學(xué)易用，成本低、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器不易損壞，非常適合于微電腦和單片機(jī)控制，因此在該設(shè)計(jì)中選用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種專門用于位置和速度精確控制的特種電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的最大特點(diǎn)是其“數(shù)字性”，對(duì)于微電腦發(fā)過(guò)來(lái)的每一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)在其驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度。如接收到一串脈沖步進(jìn)電機(jī)將連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段相應(yīng)距離。同時(shí)可通過(guò)控制脈沖頻率，直接對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

步進(jìn)電機(jī)的選擇主要是以負(fù)載的阻力矩為依據(jù)，只要電機(jī)的扭矩大于負(fù)載力矩即可。在該設(shè)計(jì)中通過(guò)估算來(lái)確定負(fù)載阻力矩。計(jì)算中主要考慮摩擦阻力，在設(shè)計(jì)中選取的是滾珠系列直線導(dǎo)軌滑塊，其摩擦系數(shù)為0.05～0.08，計(jì)算中取其值為0.065。

式中：F——摩擦阻力， N；

μ——摩擦系數(shù)；

M——工作負(fù)荷（即為桌面重力）,N。

式中：T——阻力矩,N·m；

L——阻力作用點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸距離,m。

則T=μ×M×L=0.065×1.7×9.8×0.177=0.19 （ N·m）

電機(jī)選擇外購(gòu)，通過(guò)對(duì)比價(jià)格、質(zhì)量、安裝尺寸等因素，最終選擇Y42BYG34-1.3A步進(jìn)電機(jī)，其參數(shù)如表2所示。

表2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)Tab.2 Stepper motor parameters

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為配合步進(jìn)電機(jī)正常使用，該設(shè)計(jì)中選擇L298 N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，其參數(shù)如表3所示。

圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊Fig.9 Motor drive module

表 3 驅(qū)動(dòng)模塊參數(shù)Tab.3 Drive module parameters

3.3 控制模塊

綜合考慮已選用的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊，最終選取Arduino UNO R3 開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)板，如圖10所示。其功能如下：

1）針腳變動(dòng)：在AREF針腳旁加了兩個(gè)C針腳(SDA和SCL，只是Analog 4和5的copy，并不是額外的I2C接口)，另外，在RESET旁邊也加了兩個(gè)針腳，一個(gè)是IOREF，能讓擴(kuò)展板適應(yīng)板載電壓，這個(gè)針腳只是告訴擴(kuò)展板目前的板載電壓是多少(比如UNO是5 V，可以看成電源針腳的copy，并不提供電平上拉)，另一個(gè)是以后待用的占位針腳。

2）更穩(wěn)定的RESET電路。RESET鍵位置也變了，被移到了靠近USB接口的板角處，更方便按。

3）ATmega16U2代替了8U2，這個(gè)更新是為USB接口芯片服務(wù)的，理論上它讓UNO能模擬USB HID，比如 MIDI/Joystick/Keyboard。

圖10 Arduino UNO R3 開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)板Fig.10 Arduino UNO R3 develop learning board

控制組件選購(gòu)?fù)瓿芍螅鶕?jù)運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行控制編程，具體程序結(jié)構(gòu)如下：

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)單片機(jī)和機(jī)械機(jī)構(gòu)的合理結(jié)合充分實(shí)現(xiàn)了桌具的自動(dòng)伸縮功能，對(duì)自動(dòng)伸縮桌具的機(jī)械原理進(jìn)行探討與結(jié)構(gòu)分析，并基于現(xiàn)有的自動(dòng)伸縮桌具的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

通過(guò)對(duì)自動(dòng)伸縮桌具的機(jī)構(gòu)以及原理分析，通過(guò)使用三維建模軟件UG進(jìn)行建模仿真，最終確定以支架固定桌面延展式機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象。

利用步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)所組成的控制系統(tǒng)，通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，能實(shí)現(xiàn)桌面伸縮擴(kuò)張。

以支架固定桌面延展式桌具為研究對(duì)象，經(jīng)由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和零件尺寸設(shè)計(jì)，說(shuō)明該次設(shè)計(jì)的正確性以及可行性。

基于以上結(jié)論可知，通過(guò)3D仿真證明這種結(jié)構(gòu)的伸縮桌可以通過(guò)單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮的功能，為人們提供了科學(xué)的設(shè)計(jì)方案。

[1]張春艷,陳文平.便攜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(6):118-120.

[2]張凌浩.產(chǎn)品的語(yǔ)意[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[3]譚淑敏.桌子“變形記”[J].家具與室內(nèi)裝飾,2012(7):76-79.

[4]王寧俠.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[5]劉善林,胡鵬浩.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析及仿真實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(5):79-80.

[6]杜力,任亨斌,黃勇剛,等 平面連桿機(jī)構(gòu)曲柄調(diào)速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].圖學(xué)學(xué)報(bào),2013(5):20-24.

[7]宋亮,趙鵬兵.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度分析與計(jì)算[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011(10):2201-2205.

[8]劉善林.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中滑塊最大速度的位置探討[J].機(jī)械,2008(7):18-19,42.

[9]張彪,葉軍,魯翔,等.一種絲桿螺母機(jī)構(gòu)型機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)西部科技,2010(15):31-32.

[10]楊黎明,黃凱,李恩至.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1993.