基于丝杆伸缩机构的树形晾衣架设计*

2020-11-18李彪恒段智华唐云飞

机械研究与应用 2020年5期

李彪恒，杨莹，陈威，段智华，唐云飞

(湖南文理学院机械工程学院，湖南常德 415000)

0 引言

智能家居越来越受到人们的喜爱，智能晾衣架是智能家居的一部分，市场上的晾衣装置主要有两种，室内型和室外型。室内型的晾衣装置既占室内空间，又又影响采光；室外型的晾衣装置则功能较单一，尤其在下雨天，衣服不能及时收取，易被淋湿，安全系数较低。针对上述问题，国内研究人员进行了大量的研究。荆海霞等设计了一款以单片机为核心，由传感器采集外部信息，并将其实时显示在液晶上的智能晾衣架系统[1]。邓旭成等设计了一种由手机等方式控制的，可把挂衣杆隐藏在天花板的智能晾衣架装置[2]。郭致纲等设计了一种固定在阳台顶部可完成衣架前后伸缩的自动晾衣架装置[3]。郭献章等人设计了一款带有雨棚，能根据天气变化做出反应并可实现晾衣架伸缩的智能防雨晾衣架[4]。但这些设计仍然存在一些问题，例如需要特定的房屋结构、晾衣需要人体探出窗外、占用房屋空间、无法在恶劣天气时起到保护衣物的作用等。

针对上述问题，笔者设计的晾衣装置由四杆机构、丝杆升降装置、弹簧伸缩机构、保护棚等装置组成，具有轻巧易用、节省空间、智能防雨防暴晒、利于通风、安全性能高等特点。

1 功能分析

树形晾衣架的执行装置由四杆机构旋转装置、丝杆升降装置、自动伸缩杆装置、保护棚装置。其中，电机驱动四杆机构，一键按钮控制其旋转功能，由单片机接收到的传感器信号来控制电机的转动，从而带动丝杆转动和升降装置、自动伸缩装置以及保护棚装置的运动。具体操作分为晾衣和收衣两部分。

2 树形晾衣架的设计方案

该晾衣装置主要由动力系统、传动系统、执行系统和控制系统四部分相互配合来实现其功自动晾衣的功能。整体结构设计如图1所示。

图1 树形晾衣架的整体设计

(1) 动力系统

伺服电机在自动控制系统中，用作动力元件，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出给传动系统或执行系统。其主要特点是：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，与丝杆连接后，可输入所需转矩，实现平稳传动。

(2) 传动系统

丝杆升降机构是该项目传动系统的关键及特色，此机构又叫螺旋传动机构，主要用来将旋转运动转换为直线运动，运动具有可逆性。该项目设计的丝杆[5]有两种，一种是用于控制伸缩杆升降，此丝杆由两段旋向相反的螺纹杆组成，可实现丝杆单向转动而上下两个自动伸缩杆分别上升和下降，另外一种丝杆与弹簧配合用于控制伸缩杆伸缩，此丝杆仅靠近套筒的一端有一小段螺纹，其余部分光滑。

(3) 执行系统

执行系统主要包括伸缩杆、滑块、四杆机构和保护棚四部分。晾衣杆收缩时可通过滑块收拢并利用四杆机构旋转进入室内；晾衣杆伸开时，衣服间上下左右的间距加大，有利于衣物的晾晒。保护棚设计成具有挡雨雪、防暴晒且可折叠的结构，可减小放置空间，不干扰其它机构运动，遇到雨雪天气可自动打开。

(4) 基于传感器系统和单片机的控制系统

控制系统包括单片机和各类传感器系统[6]包括雨雪传感器，光敏传感器，温度传感器等，这属于集成传感器系统。将天气信号转换为电信号作为输入信号源传给单片机。由单片机根据输入信号判断电机的正反转，从而控制防雨棚的开和闭，晾衣杆升降及伸缩。传感器系统和单片机系统为动力系统实现顺序控制，使整个装置实现顺序运作。