基于絲桿伸縮機構的樹形晾衣架設計*

李彪恒，楊 瑩，陳 威，段智華，唐云飛

(湖南文理學院 機械工程學院，湖南 常德 415000)

0 引 言

智能家居越來越受到人們的喜愛，智能晾衣架是智能家居的一部分，市場上的晾衣裝置主要有兩種，室內型和室外型。室內型的晾衣裝置既占室內空間，又又影響采光；室外型的晾衣裝置則功能較單一，尤其在下雨天，衣服不能及時收取，易被淋濕，安全系數較低。針對上述問題，國內研究人員進行了大量的研究。荊海霞等設計了一款以單片機為核心，由傳感器采集外部信息，并將其實時顯示在液晶上的智能晾衣架系統[1]。鄧旭成等設計了一種由手機等方式控制的，可把掛衣桿隱藏在天花板的智能晾衣架裝置[2]。郭致綱等設計了一種固定在陽臺頂部可完成衣架前后伸縮的自動晾衣架裝置[3]。郭獻章等人設計了一款帶有雨棚，能根據天氣變化做出反應并可實現晾衣架伸縮的智能防雨晾衣架[4]。但這些設計仍然存在一些問題，例如需要特定的房屋結構、晾衣需要人體探出窗外、占用房屋空間、無法在惡劣天氣時起到保護衣物的作用等。

針對上述問題，筆者設計的晾衣裝置由四桿機構、絲桿升降裝置、彈簧伸縮機構、保護棚等裝置組成，具有輕巧易用、節省空間、智能防雨防暴曬、利于通風、安全性能高等特點。

1 功能分析

樹形晾衣架的執行裝置由四桿機構旋轉裝置、絲桿升降裝置、自動伸縮桿裝置、保護棚裝置。其中，電機驅動四桿機構，一鍵按鈕控制其旋轉功能，由單片機接收到的傳感器信號來控制電機的轉動，從而帶動絲桿轉動和升降裝置、自動伸縮裝置以及保護棚裝置的運動。具體操作分為晾衣和收衣兩部分。

2 樹形晾衣架的設計方案

該晾衣裝置主要由動力系統、傳動系統、執行系統和控制系統四部分相互配合來實現其功自動晾衣的功能。整體結構設計如圖1所示。

圖1 樹形晾衣架的整體設計

(1) 動力系統

伺服電機在自動控制系統中，用作動力元件，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出給傳動系統或執行系統。其主要特點是：當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降，與絲桿連接后，可輸入所需轉矩，實現平穩傳動。

(2) 傳動系統

絲桿升降機構是該項目傳動系統的關鍵及特色，此機構又叫螺旋傳動機構，主要用來將旋轉運動轉換為直線運動，運動具有可逆性。該項目設計的絲桿[5]有兩種，一種是用于控制伸縮桿升降，此絲桿由兩段旋向相反的螺紋桿組成，可實現絲桿單向轉動而上下兩個自動伸縮桿分別上升和下降，另外一種絲桿與彈簧配合用于控制伸縮桿伸縮，此絲桿僅靠近套筒的一端有一小段螺紋，其余部分光滑。

(3) 執行系統

執行系統主要包括伸縮桿、滑塊、四桿機構和保護棚四部分。晾衣桿收縮時可通過滑塊收攏并利用四桿機構旋轉進入室內；晾衣桿伸開時，衣服間上下左右的間距加大，有利于衣物的晾曬。保護棚設計成具有擋雨雪、防暴曬且可折疊的結構，可減小放置空間，不干擾其它機構運動，遇到雨雪天氣可自動打開。

(4) 基于傳感器系統和單片機的控制系統

控制系統包括單片機和各類傳感器系統[6]包括雨雪傳感器，光敏傳感器，溫度傳感器等，這屬于集成傳感器系統。將天氣信號轉換為電信號作為輸入信號源傳給單片機。由單片機根據輸入信號判斷電機的正反轉，從而控制防雨棚的開和閉，晾衣桿升降及伸縮。傳感器系統和單片機系統為動力系統實現順序控制，使整個裝置實現順序運作。

3 樹形晾衣桿的有限元分析

由于晾衣架的晾衣桿是主要的受力部件，將著重通過ANSYS軟件對晾衣桿進行有限元應力分析[7]，目的在于模擬晾衣桿在其掛鉤處承受一定量衣物的條件下的受力情況[8]。

(1) 首先利用UG軟件對晾衣桿進行建模，將建立好的三維模型導入ANSYS軟件中。晾衣桿的材料為鋁合金，具體材料屬性參數如表1所列，三維模型如圖2所示。

表1 晾衣桿的材料屬性

圖2 三維模型

(2) 對三維模型劃分有限元網格，采用四面體網格，自動劃分為24 341個節點、11 939個單元，建立有限元模型。如圖3所示。

圖3 有限元模型

(3) A端固定，預設掛鉤(B、C、D、E)處每件衣物的重量為5 N(即為0.5 kg)，進行加載。載荷分布如圖4所示。

圖4 載荷分布

(4) 對上述加載條件下進行求解，得到晾衣桿的應力圖，如圖5所示。由圖可知，晾衣桿最大應力位于左端固定端，最大應力為165.16 MPa，鋁合金材料的最大抗拉強度為220 MPa，故晾衣桿是滿足強度要求的。

圖5 應力圖

4 結 論

基于絲桿伸縮機構的樹形晾衣架在結構和功能上進行了創新與分析。

(1) 樹形結構采用三根可自動伸縮晾衣桿，各桿間呈60°均勻分布，有利于衣物更快、更好地晾干。

(2) 通過按鈕控制，晾衣架可自動旋轉至室內或室外，使用者晾曬衣物時不必探出室外，避免發生危險。

(3) 通過有限元應力分析，發現晾衣桿在承受總重為2 kg，其最大應力滿足設計要求。另外，也說明了通過增加伸縮桿的長度而提高晾曬衣物的數量是不合理的，為后續進行樹形晾衣架的結構優化奠定了基礎。