韋小奇，謝永智

（桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

0 引言

一直以來，衣物的晾曬和折疊都與人們的生活息息相關(guān)，大家都習(xí)慣于手動收晾衣物。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)已經(jīng)開始走入人們的生活，為了減少人們在晾曬衣物和折疊衣物上所花費的時間，方便家庭使用。在家中無人時，由于天氣的突變對晾曬的衣物會造成影響，本文研究的衣物自動晾曬與折疊裝置將在很大程度上解決這個問題。

本設(shè)計使用德國西門子PLC 作為控制中心，使用光照傳感器、雨量傳感器等來監(jiān)測室外的環(huán)境[1]。該裝置可以根據(jù)當(dāng)前天氣的情況進行自動晾曬衣物，并在衣物晾干之后對其進行折疊存放。與傳統(tǒng)的方式相比，該裝置更能體現(xiàn)現(xiàn)代智能化的快捷方便，給人們帶來更加舒適的生活體驗。

1 機構(gòu)設(shè)計

本文研究的裝置整體結(jié)構(gòu)由衣服自動收晾模塊、衣物折疊模塊、衣物轉(zhuǎn)送模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體機構(gòu)三維圖

該裝置的工作方式：當(dāng)外界環(huán)境符合環(huán)境傳感器設(shè)定值時，頂部導(dǎo)軌的電機驅(qū)動齒條帶動下方的鏈輪晾曬機構(gòu)伸出晾曬，反之收回；當(dāng)啟動折疊裝置的開關(guān)時，鏈輪電機帶動衣架轉(zhuǎn)動到指定位置，齒輪齒條升降機構(gòu)在衣架停止在該指定位置時開始移動到該位置并將衣架向上提取出來，然后帶動衣物緩慢下降并平鋪到折疊機構(gòu)上。齒輪齒條升降機構(gòu)所走的路線為一條斜線，行走的路徑在下降時剛好可以把衣物平補至折疊機構(gòu)的面板上，之后將衣架從衣物中抽出。折疊機構(gòu)各個面板開始工作，每塊折疊板都翻轉(zhuǎn)一定的角度對衣物進行折疊，完成之后，其中的一塊面板向下翻轉(zhuǎn)，促使衣物滑落至放置于折疊機構(gòu)下方的收納籃中。

1.1 折疊機構(gòu)

折疊機構(gòu)主要由4塊折疊板和底座組成[2]，每塊折疊板都由一個步進電機進行驅(qū)動，電機帶動齒輪副進行轉(zhuǎn)動；其中一個齒輪和電機軸固定，另一個和折疊板伸出的軸聯(lián)結(jié)，這樣便可以通過步進電機轉(zhuǎn)動一定的角度實現(xiàn)折疊板的翻轉(zhuǎn)，在折疊機構(gòu)中間板2的下方需要放置一個衣物收納籃，用于存放折疊好后的衣物。

折疊動作依次為左右兩側(cè)的折疊板同時翻轉(zhuǎn)一個來回，再到中間板1 翻轉(zhuǎn)，最后到中間板2 向下翻轉(zhuǎn)60°，使折疊好的衣物滑落至底下的衣物收納籃中。前面的3塊板都是向上翻轉(zhuǎn)120°，每塊板的翻轉(zhuǎn)動作都需要等前一塊板復(fù)位后才能開始運動，以防止兩個運動之間出現(xiàn)干涉。

在底座的一端設(shè)有用于協(xié)助取出衣架的擋柱和衣架收納筐，當(dāng)撐開的衣架兩邊的輻板與擋柱進行接觸后，衣架開始在其阻力作用下進行收縮，直到收縮到能夠通過2根擋柱的大??；在齒條升降機構(gòu)的帶動下，衣架的掛鉤與擋板進行接觸，將衣架與齒條升降機構(gòu)的掛鉤進行分離，在衣架自身重力的作用下，衣架掉落到下方的收納筐中。

圖2 PLC與各模塊連接圖

1.2 自動卸衣架

當(dāng)衣架撐開時，衣架晾曬截面呈菱形結(jié)構(gòu)，懸掛衣物后，在衣服自身的重力下，衣架不會往回收縮，從而能達到懸掛衣物的要求。只有衣架中間的掛鉤部分向上抽出時才會帶動兩側(cè)的輻板進行收回。輻板中間為掏空的空殼，可以使下方的連接板收縮在里面，減少占據(jù)的空間[3]。

1.3 鏈輪晾曬機構(gòu)

該機構(gòu)由2 個相同的鏈輪，構(gòu)成同步鏈轉(zhuǎn)動。在鏈條連接銷之間放置一根較長的插桿件，用來和V 型滾輪連接的軸相連接，兩者之間的連接處用插銷連接固定。這樣便可以實現(xiàn)鏈條帶動滾輪在V 型導(dǎo)軌上進行運動。在V 型滾輪的軸上附帶有衣架掛鉤，掛鉤的平面上放置有一個方形的小鐵片，用于做接近開關(guān)的檢測量。鏈條下方安裝有鏈條支撐導(dǎo)軌，可以減少鏈條的下墜量；在鏈輪軸心與下方的面板之間安裝有外推力軸承，用來提供轉(zhuǎn)動時所需的徑向力，并防止鏈輪與下面的面板直接接觸從而產(chǎn)生不必要的摩擦。

1.4 齒輪齒條升降機構(gòu)

由導(dǎo)軌和齒條組合在一起，使用伺服電機驅(qū)動齒輪進行運動，在Z軸上運動的電機需要帶剎車裝置，以實現(xiàn)斷電抱死。

1.5 頂部導(dǎo)軌機構(gòu)

該機構(gòu)使用導(dǎo)軌和滑塊組成，用于將下方的晾曬機構(gòu)移動到外界進行晾曬。在上面裝有光傳感器和雨傳感器作為外界環(huán)境監(jiān)測模塊，當(dāng)外界環(huán)境符合晾曬需求時，機構(gòu)伸出進行晾曬，反之，則收回。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電路設(shè)計

整體的電路設(shè)計如圖2所示。使用5個EM253模塊、1個EM235模塊、1個接近開關(guān)、2個傳感器和相應(yīng)的電機驅(qū)動器構(gòu)成主體電路。通過CPU226 上的I/O 口和擴展模塊來控制電機驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機和步進電機[4]。

各電機驅(qū)動器由EM253 位控模塊和PLC 本身自帶的兩路高速脈沖輸出口進行驅(qū)動，電機運轉(zhuǎn)的方向由PLC 的輸出口和位控模塊的方向控制口P1控制[5-6]。EM235模塊用于光傳感器的信息輸入[7]。雨滴傳感器使用葉面式繼電器輸出[8]，如圖3所示，當(dāng)檢測到有雨滴落在面板上時，繼電器的常開變常閉，常閉變常開，發(fā)出信號促使電機帶動衣物收回。接近開關(guān)使用電感式接近開關(guān)，減少機械直接接觸。

圖3 雨滴傳感器

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 晾曬系統(tǒng)

在衣物晾曬控制系統(tǒng)中，啟動開始后，當(dāng)光照強度超過程序中的設(shè)定值并且雨量傳感器沒有感應(yīng)到下雨時，電機驅(qū)動晾曬機構(gòu)伸出一定距離進行晾曬，否則電機不動作；在已經(jīng)伸出晾曬的情況下，當(dāng)光照強度不能滿足或下雨時，晾曬機構(gòu)自動收回。晾曬控制流程如圖4所示。

圖4 晾曬流程圖

2.2.2 折疊系統(tǒng)

在晾曬系統(tǒng)已收回并停止的情況下，當(dāng)折疊系統(tǒng)啟動后，電機帶動鏈輪進行單向轉(zhuǎn)動，當(dāng)衣架移動到接近開關(guān)的感應(yīng)范圍內(nèi)時，電機停止；齒輪齒條升降機構(gòu)開始運動，向上移動到衣架停止位置，將衣架提取出來，之后原路返回把衣物平鋪到折疊機構(gòu)的面板上并把衣架抽出，使衣架掉落在折疊機構(gòu)一端的衣架收納筐中；隨后折疊機構(gòu)的各個電機開始按照設(shè)定的程序進行折疊，折疊完后衣物落入下方的衣物收納筐中；完成一次折疊后，返回折疊系統(tǒng)第一步動作，鏈輪電機繼續(xù)運動，進行下一件衣物的折疊。其控制流程如圖5所示。

圖5 折疊流程圖

3 結(jié)束語

本文以衣物自動晾曬與折疊存放裝置作為研究對象，對其整體設(shè)計和控制系統(tǒng)進行了研究設(shè)計。對各機構(gòu)通過使用Solidworks軟件對機構(gòu)進行三維建模，在軟件中根據(jù)設(shè)計的機構(gòu)的運動方式進行模擬仿真。根據(jù)控制的需要選取相對應(yīng)的硬件，并對硬件進行編排電路，設(shè)計控制系統(tǒng)。

該裝置能實現(xiàn)功能：根據(jù)外界的光照強度和是否下雨進行監(jiān)測，在達到控制系統(tǒng)設(shè)定要求下對衣物進行自動化晾曬。當(dāng)衣物曬干并收回后可以將衣物運動送到折疊機構(gòu)進行折疊和收納存放。

該裝置的研制將會極大地減少人工手動晾曬和折疊衣物的工作量和時間，同時，該裝置具有可根據(jù)外界環(huán)境進行自動化晾曬的功能，在陰晴不定的天氣情況下會給人們帶來很大的便利，在出門的時候不用擔(dān)心晾曬的衣物被淋濕。