可伸縮式自動晾衣架的系統設計

李東亞，張潔峰

（蘇州大學應用技術學院機電系，江蘇昆山215325）

可伸縮式自動晾衣架的系統設計

李東亞，張潔峰

（蘇州大學應用技術學院機電系，江蘇昆山215325）

隨著社會飛速發展，人們的生活也日新月異，越來越多的智能化、自動化的產品開始進入普通家庭，傳統的晾衣架主要有滑輪組加鋼絲繩和伸縮式兩種產品，控制方式也主要為手動和半自動兩種方式，根據現有晾衣架的結構、控制方式及其需求模式的變化，設計出一款采用智能化、自動化的控制方式，采用四桿結構和螺旋機構的傳動方式實現衣服的自動晾曬的伸縮式晾衣架，實現了無人在家也可自動完成衣服的晾曬的生活方式，提高了人們對快節奏生活方式適應。

智能化；伸縮式晾衣架；四桿機構

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.015

0　引言

自動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年前出現的一種晾曬衣服的用具，現時有手搖的和遙控的兩大類，這種產品剛出來時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，但隨著時間的推移，生產晾衣架的廠家越來越多，競爭越來越大，廠家各出奇謀，晾衣架的款式越來越多，越來越漂亮，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，成為陽臺一道風景線。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，點綴現代家庭的陽臺。現在市面的自動晾衣架的主要結構分為兩種：滑輪組加鋼絲繩和伸縮式［1］，其主要結構主要有手搖器、鋼絲繩、轉向器、頂座、晾桿、衣架等。

1　設計要求及控制流程

根據現在住房的陽臺樣式進行設計伸縮式晾衣架的結構，而實際陽臺最主要的尺寸在于晾衣桿的長度，由于此設計需要開窗關窗來將晾衣桿送出和送入，而現在主流的窗戶都是滑動式，所以晾衣桿的的長度不能超出中間兩扇窗的寬度。小型陽臺可以考慮兩扇敞開式，即可增加晾衣桿長度。設計的該裝置需要滿足如下的設計要求：

（1）準確性和可靠性：由于可以實現自動模式下工作，需要準確的判斷外界環境從而對窗戶和晾衣架的控制，同時保證行程的可靠性［2］；

（2）智能化：根據天氣的變化進行對晾衣架實現自動控制［3］；

（3）操作簡單：由于人群結構的變化，大多數家庭都以老人在家為主，需要他們能夠快速掌握操作方法，在手動模式下進行簡單動作的設置。

根據以上設計要求，完成控制流程圖的設計如圖1所示。

圖1　控制流程圖

2　機械臂的設計

2.1機械臂傳動方案的確定

因為該設計的機械臂只需在一個平面內運動，且可以借助主運動的前進和后退運動，所以機械臂只需1到2個自由度就可以實現功能，目前存在的晾衣架的傳動方式有以下幾種常見的結構。

（1）滑輪組加鋼絲繩結構：此結構運動控制簡單精確，且占用空間相對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，給電機造成較大負擔，大功率的電機自然也是成本問題之一，但是還需要陽臺的窗口預留伸出孔，也不方便，此外還要在陽臺外面安裝滑輪組，才能完成伸出的動作，由于室外天氣的原因，必須選擇好的材料，無形中增加大量的成本。

（2）鏈傳動式：此結構運動控制簡單精確［4］，但是由于此結構的都是桿狀支撐架，需要利用三角形起支承作用，會占用到陽臺的空間；此方案懸臂梁力臂較長，給電機造成較大負擔，大功率的電機自然也是成本問題之一；此機構的伸縮機械臂需要伸縮到窗戶外面，還需要陽臺的窗口預留伸出孔，并且需要完成伸出和回收兩個動作，對打孔的要求比較高，此外還要在陽臺外面安裝鏈輪組，才能完成伸出的動作，由于室外天氣的原因，必須選擇好的材料，無形當增加大量的成本。

綜合以上結構的優缺點設計出平面四桿機構型［5］：該方案的實現形式主要為主動桿的轉動，帶動從動桿的運動，動作簡單，安裝時只要根據運動軌跡和四桿機構的即曲柄的位置就可以確定吊鉤處于合適的位置，此位置可以根據不同的住戶選擇安裝；此裝置位于陽臺的頂部，占用體積小，屬于合理利用空間；雖然運動的范圍較小但在本設計中只需要固定幾個點之間的運動，理論上可行，且成本較低。在本設計中選用此傳動方案較前兩個方案還有一個優勢，若主動桿為曲柄運動則可以將該連架桿的非機架端連接在主運動的齒輪上，這樣便可只用一個電機完成整個運動，即齒輪運動的同時帶動曲柄的轉動，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支承吊鉤，對材料沒有什么要求。

2.2機械臂的機構設計

根據設計方案確定伸縮式晾衣架采用平面四桿機的傳動方式，因此齒輪與機械臂的具體結構如圖2所示。

此伸縮式晾衣架的動作為：電機安裝在齒輪上，初始位置剛好在陽臺內部的橫桿處，此時將衣服掛于橫桿上，初始位置可以根據住戶的身高和陽臺的光照性合理設置，電機帶動齒輪沿著齒條做逆時針運動，此時齒輪也作為曲柄搖桿機構的曲柄1通過連桿4帶動搖桿3做圖示的曲線軌跡運動，桿件3作為機架與滑塊相連接，通過支架上沿著導軌做運動，齒輪轉過180度使搖桿到達的最低點，在轉過180度有到達最高點，正好運動軌跡為正弦曲線，通過設置的位置使齒輪轉過一定的圈數即可到達煙臺外的吊鉤處。

圖2　機械臂結構示意圖

在該結構的設計中，機械手的設計需要是輕便，對抓取力度無要求，只需要將晾衣桿托起并形成封閉形狀使其不易掉落。利用絲杠螺母結構設計機械手如圖3所示［6］。

圖3　機械手機構示意圖

2.3機械臂的控制方式

根據傳感器的形式，可將溫度、濕度、光照強度等參數的模擬量通過傳感器換算成數字量，之后在室內需要用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手動控制，那即使不在陽臺也能完成手動操作。

3　結論

在實際的產品中，最關鍵的是選擇一種質量輕強度又足夠的材料作為四桿機構的主要用材，然后在減輕整體質量之后選擇適當的電機能直接帶動齒輪，省去減速作用的那組渦輪蝸桿甚至減速箱［7］。并且將兩個機械手的動力用一個電機提供，可以將主動的兩個齒輪放在同一軸上驅動，不但能減少一個電機，而且可以提高機械臂運動的同步性；同樣的，控制窗戶動作的電機也可以減少為一個，用絲杠螺母結構傳動，一側為正牙另一側為反牙；當電機轉動時兩扇窗戶運動方向相反，能滿足窗戶開合的需要，同時期運動的同步性也提高了；其次機械手的設計應當再簡單化，能取消絲杠螺母結構用鋼絲繩代替為最佳。根據實際使用的需要設計此結構完全能達到使用要求。

［1］孟憲源，姜琪.機構構型與應用［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］張春林.機械創新設計［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［3］施海鋒，吳江柳.機械自動化系統設計指導書［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［4］于惠力，馮新敏.轉動件設計與實用數據速查［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［5］華大年，華志宏.連桿機構設計與應用創新［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［6］施海鋒，吳江柳.機械自動化系統設計指導書［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［7］強建國.機械原理創新設計［M］.武漢：華中科技大學出版社，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，大學本科，實驗師。研究領域：機電一體化技術。已發表論文5篇。