無線遙控開關執行裝置的設計*

□ 武志鵬 □ 曹 娜

武漢技師學院 機電工程系 武漢 430051

1 需求分析

隨著社會生活信息化的發展,人們對日常生活智能化、信息化和便捷化的要求日益提高。傳統的家居環境多采用暗埋布線方式,存在布線繁雜、安裝改造成本高、擴展性和移動性差等諸多問題。隨著計算機及通信技術的進步,低成本、低功耗的短距離無線通信技術已較為成熟。搭建一個使用方便、效率高、成本低的智能家居系統,為人們提供一個方便快捷、舒適安全的家庭生活環境,已不是難題。將計算機控制系統與現有的居家環境有機融合,以少改動或不改動現有設施為前提,開展嵌入式家居物聯網化研究是物聯網智能家居業內的一個熱點。筆者以普通家用機械開關面板為例,設計了一種無線遙控開關執行裝置[1]。

根據管線在墻體內外的不同,家用開關分為暗裝和明裝兩種,外部特征主要由翹板和面板兩部分組成。翹板是執行部件,通過按動翹板可以切換開關狀態,有單聯和多聯之分。面板主要起裝飾保護作用。

我國市電標準為220 V,傳統上對開關進行智能化改造時，必然要拆卸面板,甚至要破壞墻體。所以，這項工作一般需要專業人士應用專業工具才能進行。經調查,目前國內最常用的開關款式是86型,即面板外形尺寸為86 mm×86 mm,如圖1所示。筆者針對86型開關,在無線智能家居基礎上設計一種無線遙控開關執行裝置。這一執行裝置通過罩扣方式安裝在86型開關上,采用電池供電,能夠無線遙控,不改動原有接線,不需要專業技術安裝,可以隨時拆卸并更換安裝位置[2]。

2 裝置結構

無線遙控開關執行裝置包括基座、本體、無線通信模塊、電源模塊、執行機構等結構,如圖2所示。

基座是與面板尺寸相匹配的方形框架,采用過盈配合罩扣在開關面板上,通過四角處的螺釘孔與本體相連。本體由機械倉、控制倉及電池倉組成。機械倉中設置電機、執行機構。控制倉中設置無線通信模塊,負責接收智能移動終端發送的指令信息,進而驅動電機，使執行機構按動翹板。電源模塊為可充電電池,放置在電池倉中為整套裝置供電,由電池倉1和電池倉2兩部分組成。

3 裝置工作原理

無線遙控開關執行裝置狀態如圖3所示。裝置內部電源接通,裝置應處于初始狀態。此時翹板處于自由狀態，用戶可手動操作翹板。若接收到開指令,則電機順時針旋轉，帶動曲柄旋轉一定角度，通過右連桿使右滑塊移動一定的直線距離并按動翹板。之后電機反向旋轉，使右滑塊回到初始位置,翹板處于自由狀態。若接受關指令,則電機逆時針旋轉，帶動曲柄旋轉一定角度，通過左連桿使左滑塊移動一定的直線距離并按動翹板。之后電機反向旋轉，使左滑塊回到初始位置,翹板處于自由狀態。

通過以上一系列接收、觸發動作,可以較為理想地手動與遙控控制開關。值得注意的是,這一裝置僅罩住翹板的一半,滑塊運行至指定位置按動翹板后，立即自動返回至初始位置并釋放翹板,使裝置兼具手動與電動的功能。

控制系統采用低功耗設計,若沒有后續指令發送至裝置,則系統進入低功耗模式。電池倉中的鋰電池工作電壓為5 V,不會對人體造成傷害,兩個電池倉的設計可以用于放置備用電池。塑料材質的殼體有效減輕了整體質量,也減小了反復拆裝過程中對開關面板的磨損。

4 外殼設計

以86型開關為例,測量開關暗裝后面板外形尺寸為85.7 mm×85.5 mm×20 mm。開關本體通過四角處的螺釘孔與基座相連。為了減輕質量,并避免拆裝過程中劃傷原有開關面板，基座的材質采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。基座與面板為過盈配合,要求能手工拆裝，且不會自行脫落。經試驗,單邊過盈量為0.2～0.3 mm時能夠滿足要求。此外,可以在基座周圍預留螺釘孔,通過側固方法將基座固定在開關面板上。其它部分，如電池、通信系統、執行機構均安裝在基座上。為了便于使用及檢修,將各部分集成為本體,劃分出不同區域,并預留檢修窗[3]。

5 執行機構設計

執行機構設計的核心是設計一種機構能夠按動翹板。通過觀察手指按動翹板的過程,將開關動作簡化為一種直線往復運動。由此,筆者設計采用曲柄滑塊機構仿生兩根手指按動翹板。平面四連桿機構被廣泛應用于各類機械傳動中,在生活中經常會遇到各類型的四連桿機構,對四連桿機構的合理應用是設計成功的關鍵[4]。

無線遙控開關執行裝置實質上將兩套偏置曲柄滑塊機構結合使用。在工程上,設計精度高、結構復雜的鉸鏈機構時,通常根據已知條件采用公式法或三角置換法計算各部件的尺寸。而這一裝置并無較高精度要求,并且曲柄也僅由舵機驅動作往復搖擺運動,因此筆者以SolidWorks軟件為平臺,在裝配環境中根據已知條件對各部件進行造型、裝配,對各部件之間的位置及運動關系進行約束,應用軟件參數化設計功能進行滑塊、機架、連桿等關鍵尺寸的設計[5-10]。

考慮應用場合的特點，以及低成本、低功耗的要求,為精簡機械結構,采用航模上常用的數字舵機作為原動機，用于精確控制滑塊的行程。舵機的型號為MG996R,質量僅為55 g,扭矩為13 kg·cm,工作電壓為3.0～7.2 V,能夠滿足設計要求。

由力矩公式可知,增大滑塊軸線與翹板轉軸之間的距離，有助于提升裝置的能效比。綜合考慮裝置的制造、裝配、通用性及成本,采用舵機自帶的法蘭盤作為曲柄,法蘭上孔距與機架上兩滑塊軌道中心間距D相等,即曲柄連桿孔中心距長度R與偏距E相等。機架上導向孔直徑為11 mm,滑塊直徑為10 mm,D為35 mm。經測量,滑塊下止點超出本體下表面約5 mm即能按動翹板,所以此點為滑塊下止點。曲柄滑塊機構尺寸如圖4所示。

H為41 mm，由舵機外形尺寸所決定。R和E為17.5 mm。為了確保裝置能夠觸動開關翹板,滑塊運行至下止點時,下端面應伸出機架下端面5 mm。同時,裝置在待機時不與翹板發生干涉,因此滑塊返回至初始位置后下端面應處于機架內部,離機架下端面設為1 mm。考慮到塑料制品尺寸精度難以保證,滑塊運行至上止點時與機架上導向孔之間仍應有2/3長度處于配合狀態。另一方面,滑塊運行至下止點時，連桿不能與導向孔孔口發生干涉。為了確保連桿傳力效率,壓力角A應盡量小,工程上一般取A小于40°。同時應注意到,舵機轉動角B與耗電量成正比,所以B也應盡量小。曲柄、連桿、滑塊之間采用M3螺釘連接。

通過SolidWorks軟件造型、裝配，然后進行分析對比,整理得到一組較為合適的曲柄滑塊機構尺寸參數,見表1。

表1 曲柄滑塊機構尺寸

6 裝置安裝調試

考慮到不同款式的86型開關具體尺寸略有偏差,批量大時可根據具體型號采用模具制作,批量小時可采用三維打印制作,筆者設計的無線遙控開關執行裝置采用家用型三維打印設備制作。安裝時,將基座與本體通過螺釘連接,然后一起罩扣在開關面板上。值得注意的是,根據使用者的習慣，安裝時使雙滑塊對稱分布于翹板旋轉軸線的兩側。

安裝完成后,本體底面應高于開關面板最高處約2 mm,且開關翹板仍能自由按動。使用時,先使裝置內部電源接通,安裝電池時需注意正負極。當需要更改安裝位置時,只需將基座與本體一起取下,換至需要處安裝即可。多次拆裝可能導致基座無法應用過盈方式安裝,此時可采用基座側面預留的螺釘孔,通過螺釘采用側固方法連接。裝置安裝調試現場如圖5所示。

7 結束語

筆者設計了一種無線遙控開關執行裝置，采用簡單有效的控制方式,可以用于普通開關的無線遙控改造,布置方便,不需要改變原有管線,沒有用電安全隱患,即裝即用,并且可以隨時拆卸，不會對使用場所造成破壞。

在設計中，應用鉸鏈四連桿機構的設計思路。隨著計算機輔助設計技術的發展,借助計算機軟件的參數化設計功能,在軟件平臺中直觀裝配調整，進而可以得到可行的參數。

這一裝置采用無線通信方式,解決了傳統家居智能化進程中布線繁雜的問題。采用這一裝置群的有機布置，可以與用戶原有路由器組網進行控制。裝置可以24 h連續工作,不工作時處于低功耗休眠狀態。無線通信模塊周期性定時監測指令，并激活系統進行工作,進一步降低了能耗。這一裝置具有較高的可靠性和良好的實用價值。