李彪恒，楊 瑩，陳 威，段智華，唐云飛

(湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)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(chǎng)上的晾衣裝置主要有兩種，室內(nèi)型和室外型。室內(nèi)型的晾衣裝置既占室內(nèi)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(shí)收取，易被淋濕，安全系數(shù)較低。針對(duì)上述問題，國內(nèi)研究人員進(jìn)行了大量的研究。荊海霞等設(shè)計(jì)了一款以單片機(jī)為核心，由傳感器采集外部信息，并將其實(shí)時(shí)顯示在液晶上的智能晾衣架系統(tǒng)[1]。鄧旭成等設(shè)計(jì)了一種由手機(jī)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(shè)計(jì)了一種固定在陽臺(tái)頂部可完成衣架前后伸縮的自動(dòng)晾衣架裝置[3]。郭獻(xiàn)章等人設(shè)計(jì)了一款帶有雨棚，能根據(jù)天氣變化做出反應(yīng)并可實(shí)現(xiàn)晾衣架伸縮的智能防雨晾衣架[4]。但這些設(shè)計(jì)仍然存在一些問題，例如需要特定的房屋結(jié)構(gòu)、晾衣需要人體探出窗外、占用房屋空間、無法在惡劣天氣時(shí)起到保護(hù)衣物的作用等。

針對(duì)上述問題，筆者設(shè)計(jì)的晾衣裝置由四桿機(jī)構(gòu)、絲桿升降裝置、彈簧伸縮機(jī)構(gòu)、保護(hù)棚等裝置組成，具有輕巧易用、節(jié)省空間、智能防雨防暴曬、利于通風(fēng)、安全性能高等特點(diǎn)。

1 功能分析

樹形晾衣架的執(zhí)行裝置由四桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)裝置、絲桿升降裝置、自動(dòng)伸縮桿裝置、保護(hù)棚裝置。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)，一鍵按鈕控制其旋轉(zhuǎn)功能，由單片機(jī)接收到的傳感器信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)和升降裝置、自動(dòng)伸縮裝置以及保護(hù)棚裝置的運(yùn)動(dòng)。具體操作分為晾衣和收衣兩部分。

2 樹形晾衣架的設(shè)計(jì)方案

該晾衣裝置主要由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分相互配合來實(shí)現(xiàn)其功自動(dòng)晾衣的功能。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 樹形晾衣架的整體設(shè)計(jì)

(1) 動(dòng)力系統(tǒng)

伺服電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作動(dòng)力元件，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出給傳動(dòng)系統(tǒng)或執(zhí)行系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，與絲桿連接后，可輸入所需轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)傳動(dòng)。

(2) 傳動(dòng)系統(tǒng)

絲桿升降機(jī)構(gòu)是該項(xiàng)目傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵及特色，此機(jī)構(gòu)又叫螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)具有可逆性。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)絲桿單向轉(zhuǎn)動(dòng)而上下兩個(gè)自動(dòng)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(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)主要包括伸縮桿、滑塊、四桿機(jī)構(gòu)和保護(hù)棚四部分。晾衣桿收縮時(shí)可通過滑塊收攏并利用四桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入室內(nèi)；晾衣桿伸開時(shí)，衣服間上下左右的間距加大，有利于衣物的晾曬。保護(hù)棚設(shè)計(jì)成具有擋雨雪、防暴曬且可折疊的結(jié)構(gòu)，可減小放置空間，不干擾其它機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，遇到雨雪天氣可自動(dòng)打開。

(4) 基于傳感器系統(tǒng)和單片機(jī)的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括單片機(jī)和各類傳感器系統(tǒng)[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(tǒng)。將天氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)作為輸入信號(hào)源傳給單片機(jī)。由單片機(jī)根據(jù)輸入信號(hào)判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制防雨棚的開和閉，晾衣桿升降及伸縮。傳感器系統(tǒng)和單片機(jī)系統(tǒng)為動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)順序控制，使整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)順序運(yùn)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(duì)晾衣桿進(jìn)行有限元應(yīng)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(duì)晾衣桿進(jìn)行建模，將建立好的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。晾衣桿的材料為鋁合金，具體材料屬性參數(shù)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(duì)三維模型劃分有限元網(wǎng)格，采用四面體網(wǎng)格，自動(dòng)劃分為24 341個(gè)節(jié)點(diǎn)、11 939個(gè)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(yù)設(shè)掛鉤(B、C、D、E)處每件衣物的重量為5 N(即為0.5 kg)，進(jìn)行加載。載荷分布如圖4所示。

圖4 載荷分布

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

圖5 應(yīng)力圖

4 結(jié) 論

基于絲桿伸縮機(jī)構(gòu)的樹形晾衣架在結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)行了創(chuàng)新與分析。

(1) 樹形結(jié)構(gòu)采用三根可自動(dòng)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(dòng)旋轉(zhuǎn)至室內(nèi)或室外，使用者晾曬衣物時(shí)不必探出室外，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

(3) 通過有限元應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)晾衣桿在承受總重為2 kg，其最大應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)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(shù)量是不合理的，為后續(xù)進(jìn)行樹形晾衣架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。