楊頌頌張海燕陳陽金凡迪王程煬毛家軍

（寧波工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

晾衣架是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?，通?？煞譃槭謩?dòng)和電動(dòng)。[1]手動(dòng)晾衣架較為普及，為目前市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品，但晾曬衣物較為費(fèi)力，對(duì)于老年人來說，尤為不方便；電動(dòng)晾衣架由于價(jià)格高和技術(shù)還不完善等因素未能得到推廣。目前，在國內(nèi)一線城市，電動(dòng)晾衣架的市場(chǎng)占有率僅有10%左右。[2]但隨著人們物質(zhì)水平的提高，電動(dòng)智能化將是晾衣架未來的發(fā)展趨勢(shì)。[3-5]圖1為當(dāng)前市場(chǎng)上在售的主流型智能電動(dòng)晾衣架的結(jié)構(gòu)示意圖，其采用雙桿式結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)需要將主機(jī)固定在陽臺(tái)內(nèi)頂部，通過鋼絲和滑輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)晾衣架在垂直方向上的升降。因此，用戶只能在戶內(nèi)晾曬衣物，不可以橫向伸展至窗外，功能單一，衣物的干燥和除菌均不能達(dá)到理想狀態(tài)。另外，這種雙桿式智能電動(dòng)晾衣架的主機(jī)長度大于1 000 mm，而整機(jī)長度大于1 300 mm，因此，該產(chǎn)品在安裝和使用時(shí)對(duì)空間尺寸是有一定要求的，限制了其在小型陽臺(tái)上的應(yīng)用。[6]

圖1 市場(chǎng)上主流型智能電動(dòng)晾衣架的結(jié)構(gòu)示意圖

為了滿足人們?nèi)粘Ｉ钪辛罆褚挛飼r(shí)可進(jìn)行戶內(nèi)、戶外不同需求的選擇，以及更好地滿足小型陽臺(tái)的使用需求，本文綜合應(yīng)用菱形連桿機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)，并通過機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款便捷式電動(dòng)伸縮晾衣架。同時(shí)，基于Arduino平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了晾衣架的所有操作均可通過紅外遠(yuǎn)程遙控，不但可以實(shí)現(xiàn)晾衣架的上下升降，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)智能晾曬，在戶內(nèi)、戶外模式之間靈活切換，最大限度讓衣物得到陽光的照曬，解決了市面上電動(dòng)晾衣架只能戶內(nèi)晾曬的弊端。

1 機(jī)械系統(tǒng)

圖2為便捷式電動(dòng)伸縮晾衣架的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可知，本設(shè)計(jì)中采用的齒輪電機(jī)和推桿電機(jī)，其中齒輪電機(jī)控制晾衣架上下升降，推桿電機(jī)控制連桿機(jī)構(gòu)的伸縮。表1呈現(xiàn)的為晾衣架的主要性能參數(shù)。由圖2和表1可知，本晾衣架在連桿機(jī)構(gòu)收縮折疊時(shí)的長度、寬度和高度分別為460、800和790 mm，其安裝時(shí)只需將支座頂部用螺釘固定在陽臺(tái)頂部。因此，其安裝時(shí)占用體積更小，更能滿足小型陽臺(tái)的使用需求。此外，該晾衣架在垂直方向上的升降高度最大為500 mm，這樣用戶晾曬衣物時(shí)可以不使用晾衣叉；且連桿機(jī)構(gòu)在橫向的伸展距離最大為1 000 mm，因此，用戶可以根據(jù)晾衣需求來選擇戶內(nèi)或者戶外晾曬衣服。

圖2 便攜式電動(dòng)伸縮晾衣架的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 便捷式電動(dòng)伸縮晾衣桿的性能指標(biāo)

1.1 齒輪電機(jī)

齒輪電機(jī)通過花鍵與圓柱齒輪連接，工作時(shí)齒輪電機(jī)接220 V交流電源，齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在選擇齒輪電機(jī)時(shí)，以表1中晾衣架的最大承重30 kg為主要依據(jù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩M可以由公式（1）進(jìn)行估算[7]：

式中P為電機(jī)的功率（W），n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和晾曬效率，本文選擇了性價(jià)比較高的70KTYZ交流電機(jī)為齒輪電機(jī)，該電機(jī)的功率為40 W，轉(zhuǎn)速為10 r/min，可以正反旋轉(zhuǎn)，平均力矩為34 kgf·cm，最大力矩為45 kgf·cm。

為了與所選電機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效傳動(dòng)，本文設(shè)計(jì)的圓柱齒輪的齒數(shù)為20，模數(shù)為1，這樣就可以保證電機(jī)的承重力在34～45 kg的力之間，大于晾衣架要求的30 kg最大承重。

1.2 齒輪齒條機(jī)構(gòu)

圖3為齒輪齒條機(jī)構(gòu)的連接示意圖。由圖3可知，齒輪電機(jī)與圓柱齒輪通過花鍵連接，齒輪電機(jī)通過螺釘固定在齒輪固定板上，再通過螺釘固定在底座背板上；而底座內(nèi)安裝有一組T型滑軌；直齒條以及上下限位開關(guān)通過螺釘固定在齒條固定板上，再通過螺釘固定在滑軌連接板上，滑軌連接板用螺釘固定在滑軌上。因此，晾曬衣物時(shí)按下下降開關(guān)，圓柱齒輪在齒輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使得直齒條向下直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)晾衣架地自動(dòng)下降，當(dāng)圓柱齒輪觸碰到上限位開關(guān)時(shí)，齒輪電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，晾衣架保持在方便掛晾衣服的高度；當(dāng)把衣物掛好在掛衣扇葉后，按下上升開關(guān)，圓柱齒輪在電機(jī)的反向驅(qū)動(dòng)下反向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使得直齒條向上直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)晾衣架地自動(dòng)上升，當(dāng)圓柱齒輪觸碰到下限位開關(guān)時(shí)，齒輪電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，晾衣架保持最大上升極限高度。

圖3 齒輪齒條機(jī)構(gòu)的連接示意圖

1.3 推桿電機(jī)

推桿電機(jī)又稱直線驅(qū)動(dòng)器，主要由電機(jī)、減速齒輪、推桿和控制裝置等組成，在一定行程范圍內(nèi)作往返直線運(yùn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)將推桿電機(jī)與菱形連桿機(jī)構(gòu)通過銷釘連接（圖2），用推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)菱形連桿機(jī)構(gòu)的伸展與收縮，從而實(shí)現(xiàn)晾衣架的展開與折疊。根據(jù)表1中晾衣架的最大承重量30 kg和晾衣架自重7.5 kg，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和晾衣效率，選擇了24 V的直流推桿電機(jī)，功率為20～30 W，最大拉力為500 N（相當(dāng)于50 kg的力），空載速度為20 mm/s。

1.4 菱形連桿機(jī)構(gòu)

由圖2可知，菱形連桿機(jī)構(gòu)由長桿和短桿通過螺釘連接。推桿電機(jī)與連桿機(jī)構(gòu)通過銷釘連接，銷釘在行程槽內(nèi)可以上下運(yùn)動(dòng)，行程槽用螺釘固定在滑軌連接板上，而推桿電機(jī)以及限位開關(guān)用螺釘固定在滑軌連接板上。通過菱形連桿機(jī)構(gòu)的伸展和收縮可以實(shí)現(xiàn)晾衣架在橫向的展開和折疊。圖4為菱形連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)物圖，其中掛衣扇葉通過螺釘連接在連桿機(jī)構(gòu)上，每片掛衣扇葉都有掛衣架的固定孔洞，這樣可以有效地避免晾曬衣物時(shí)由于風(fēng)大使得衣物被吹落掉地。

圖4 菱形連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)物圖

2 控制系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)晾衣架控制系統(tǒng)時(shí)基于Arduino平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，采用Arduino控制器通過外接按鍵模塊、齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)晾衣架自動(dòng)升降和連桿機(jī)構(gòu)自動(dòng)伸縮的紅外遠(yuǎn)程控制。圖5為控制系統(tǒng)示意圖，其中電源模塊用于Arduino控制器、齒輪電機(jī)和推桿電機(jī)的供電。由圖5可知，控制系統(tǒng)中Arduino控制器為核心，負(fù)責(zé)處理輸入和輸出的數(shù)據(jù)。按鍵模塊用于向Arduino控制器輸入控制指令，包括晾衣架的升降和連桿機(jī)構(gòu)的伸縮。齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于齒輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，包括正向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，分別控制晾衣架的下降和上升。推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于推桿電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，包括推桿的上升和下降，分別控制晾衣架連桿機(jī)構(gòu)的伸展和收縮。因此，本文在控制系統(tǒng)中采用了4個(gè)開關(guān)分別控制齒輪電機(jī)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)、反向轉(zhuǎn)動(dòng)和推桿電機(jī)中推桿的上升與下降。

圖5 控制系統(tǒng)示意圖

圖6為按鍵模塊電路示意圖。由圖6可知，4個(gè)控制按鍵開關(guān)相互獨(dú)立，其中按鍵開關(guān)沒按下時(shí)輸入到Arduino控制器引腳上的電平為高電平，但當(dāng)某一個(gè)按鍵被按下后，其輸入到相應(yīng)引腳上的電平變?yōu)榈碗娖?。因此，Ardunio控制器通過檢測(cè)各引腳電平的變化就可以確定被按下的控制按鍵開關(guān)是哪個(gè)，從而在對(duì)應(yīng)的輸出引腳端輸出高電平控制晾衣架的升降和伸縮。此外，按鍵開關(guān)的控制都可以采用紅外遠(yuǎn)程控制，這樣可以實(shí)現(xiàn)無線化控制，方便用戶使用。

圖6 按鍵模塊電路示意圖

3 結(jié)論

本文基于機(jī)電一體化設(shè)計(jì)和Arduino平臺(tái)，應(yīng)用齒輪齒條機(jī)構(gòu)和菱形連桿機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款單桿式的便捷電動(dòng)伸縮晾衣架，同時(shí)晾衣架的所有操作均可采用紅外遠(yuǎn)程遙控。本款晾衣架不但可以自動(dòng)上下升降，還可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向伸縮，滿足用戶對(duì)于戶內(nèi)或戶外晾曬模式的選擇，使得晾曬衣服更加省力，讓衣物充分得到陽光的照曬。此外，本文設(shè)計(jì)的晾衣架安裝時(shí)占用體積更小，更能適用于小型陽臺(tái)。