防護(hù)窗戶展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

魏文彬，楊金鵬，文清平

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川廣元 628000）

0 引言

智能防護(hù)窗戶是目前家裝最常用的設(shè)計(jì)，其作用是防止小孩靠近窗戶而發(fā)生高空墜落事件。由于生活節(jié)奏加快，父母照顧孩子的時(shí)間越來越少，導(dǎo)致孩童不受約束地玩樂，社會(huì)上幼童不小心從窗戶掉落的悲慘事件屢屢發(fā)生，故智能防護(hù)窗戶自動(dòng)展開機(jī)構(gòu)的研究應(yīng)運(yùn)而生。平面四桿機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用面廣而得到廣泛關(guān)注且深入地研究，其中以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)[1-4]與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[5-6]的研究居多。本文基于平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了2 種展開機(jī)構(gòu)，一種基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而成；另一種基于曲柄-搖桿-滑塊復(fù)合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而成。2種展開機(jī)構(gòu)均采用連桿鉸接而成，通過連桿之間的相互關(guān)系傳遞運(yùn)動(dòng)，為智能防護(hù)窗戶設(shè)計(jì)、控制、研制提供了思路。

1 整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了自動(dòng)防護(hù)窗戶的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得窗戶1與窗戶2能夠在自己的運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)按照自己的運(yùn)行軌跡自由運(yùn)行，如圖1所示，圖1（a）、（b）分別為窗戶關(guān)閉時(shí)的狀態(tài)與開啟時(shí)的狀態(tài)。智能防護(hù)窗戶的功能是當(dāng)有人靠近窗戶時(shí)，窗戶自動(dòng)關(guān)閉，避免小孩掉落或者行人入室行竊等；當(dāng)窗戶周邊沒有人時(shí)，窗戶會(huì)自動(dòng)打開通風(fēng)。本文為窗戶1與窗戶2分別設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是連桿型結(jié)構(gòu)，由連桿鉸接串聯(lián)而成，該機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過連桿之間的相互關(guān)系傳遞運(yùn)動(dòng)和力，使得機(jī)構(gòu)末端實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。

圖1 自動(dòng)防護(hù)窗戶整體設(shè)計(jì)圖

2 窗戶1展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

圖2 窗戶1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2 所示為窗戶1 的展開機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，圖中DE為窗戶1的邊緣，窗戶繞基點(diǎn)D轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)窗戶的開、關(guān)，連桿AB、BC、CD分別為曲柄、連桿、搖桿，設(shè)AB、BC、CD、AD、DE的長度分別為l1、l2、l3、l4、l5，鏈接BD做輔助線，則：

由點(diǎn)B的橫坐標(biāo)可以用向量表示lBDcosφ1＝l4-l1cosθ1，可得：

在△CBD中，由余弦定理可得：

曲柄AB在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，窗戶DE繞點(diǎn)D轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角位移表示為：

由D、C、E共線與等比分點(diǎn)公式，可得點(diǎn)E在運(yùn)動(dòng)過程中的位置為：

其中：

對一扇窗子進(jìn)行實(shí)例分析，其中各連桿參數(shù)如表1 所示。在仿真過程中，將坐標(biāo)系設(shè)置于圖1的中心，仿真結(jié)果如圖3～4所示。

表1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各參數(shù)值

圖3 所示為曲柄AB在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，窗戶DE的開關(guān)位移，由圖可知，在表1 的各參數(shù)下，窗戶的最大開口量約為75°，在初始狀態(tài)下，即曲柄AB與連桿BC重合共線時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下，窗戶的角位移慢慢增大，即窗戶開始逐漸打開，當(dāng)窗戶開口量達(dá)到最大值時(shí)，即曲柄AB與連桿BC延長共線時(shí)，此時(shí)窗戶開口量陡然下降，只是由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性所導(dǎo)致。

圖3 窗戶開口度

圖4 窗戶點(diǎn)E的位移

圖4（a）、（b）所示分別為窗戶在開關(guān)過程中末端點(diǎn)E的位移。由于仿真過程中的坐標(biāo)原點(diǎn)并不是圖2中的原點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)中由于窗框以及各連桿結(jié)構(gòu)尺寸、安裝等原因，因此在顯示的結(jié)果中，x軸分量與y軸分量并不是嚴(yán)格從0開始的。圖4（a）為點(diǎn)E在x軸的分量，圖中最高點(diǎn)為窗戶在開關(guān)過程中末端點(diǎn)E在x軸的最大距離，即窗戶完全關(guān)閉，與圖3中的最低點(diǎn)相對應(yīng)，從最高點(diǎn)開始慢慢下降直到最低點(diǎn)，表明窗戶開口量已經(jīng)達(dá)到最大，此后有急劇增加直到窗戶完全關(guān)閉，符合曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性。圖4 （b）為點(diǎn)E在y 軸的分量，圖中最高點(diǎn)與圖3中的最低點(diǎn)相對應(yīng)，即當(dāng)窗戶的開口量為0時(shí)，點(diǎn)E在y軸的分量最小，然后逐漸增大，直至窗戶開口量最大時(shí)達(dá)到峰值，然后又急劇減小直到窗戶關(guān)閉，依然滿足曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性。

3 窗戶2展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

圖5 所示為窗戶2 設(shè)計(jì)的展開機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用的曲柄-搖桿-滑塊復(fù)合機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿作為主動(dòng)構(gòu)件，如圖中BF、FD、CE以及BE所構(gòu)成的構(gòu)件；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為從動(dòng)件，如圖AC、CE以及AE所構(gòu)成的構(gòu)件。圖中，AE為窗框，AC、CE為窗戶2的2扇窗戶的邊緣，滑塊E的作用是使得CE在窗框AE內(nèi)滑動(dòng)。主動(dòng)構(gòu)件中曲柄BF在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，帶動(dòng)搖桿CE發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因?yàn)閾u桿CE與AC相連，因此CE在偏轉(zhuǎn)過程中會(huì)帶動(dòng)AE繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，AE轉(zhuǎn)動(dòng)過程中帶動(dòng)滑塊E沿x軸移動(dòng)。當(dāng)主動(dòng)曲柄BF與連桿FD延長共線時(shí)，此時(shí)滑塊處于右極限位置，即窗戶AC、CE關(guān)閉；當(dāng)主動(dòng)曲柄BF與連桿FD重合共線時(shí)，此時(shí)滑塊E處于左極限位置，即窗戶AC、CE打開到最大位置處。

圖5 窗戶2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

對設(shè)計(jì)的展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例仿真分析，其各連桿參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖6～7所示。

表2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各連桿參數(shù)

圖6 窗戶AC的角位移

圖7 窗戶CE的位移

圖6所示為主動(dòng)曲柄BF在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，窗戶AC繞基點(diǎn)A的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，由圖可知，在表2 中各連桿參數(shù)下，窗戶AC的最大角位移約為65°，主動(dòng)曲柄BF與連桿DF延長共線時(shí)為初始狀態(tài)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下，主動(dòng)曲柄開始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)窗戶AC逐漸打開，直到曲柄BF與連桿DF重合共線時(shí)，此時(shí)窗戶AC開口量達(dá)到最大值，當(dāng)曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，窗戶AC逐漸關(guān)閉直至完全關(guān)閉。窗戶AC作為從動(dòng)構(gòu)件的曲柄，本不具有急回特性，但是主動(dòng)構(gòu)件曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿CE在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)帶動(dòng)窗戶AC運(yùn)動(dòng)，因此窗戶AC也具有急回特性，如圖6中窗戶AC的角位移為0處表現(xiàn)為機(jī)構(gòu)的急回特性。圖7所示為滑塊E的線位移，在窗戶完全關(guān)閉狀態(tài)下，滑塊的位移為0，當(dāng)主動(dòng)曲柄開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，窗戶AC繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)滑塊E開始向左移動(dòng)，位移逐漸增大，直至曲柄BF與DF共線時(shí)，此時(shí)滑塊處于左極限位置，然后在曲柄的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下又向右運(yùn)動(dòng)，直至回到初始狀態(tài)，由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性引起滑塊在運(yùn)動(dòng)過程中也表現(xiàn)為急回特性，如圖7中滑塊位移為0處。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)防護(hù)窗戶的結(jié)構(gòu)，窗戶可以在各自的運(yùn)行軌跡內(nèi)自由運(yùn)行，滿足了當(dāng)有人靠近窗戶時(shí)可以自由關(guān)閉的設(shè)計(jì)要求，對窗戶1設(shè)計(jì)了一種曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的展開機(jī)構(gòu)，對窗戶2 設(shè)計(jì)了一種曲柄-搖桿-滑塊的復(fù)合展開機(jī)構(gòu)，并通過仿真驗(yàn)證了2種展開機(jī)構(gòu)的有效性，為智能防護(hù)窗戶設(shè)計(jì)、控制、研制提供了思路。