陳毅龍

（廈門大學創意與創新學院，福建 漳州 363105）

1 引言

近年來，隨著科技發展和生活水平的提高，人們對舒適方便的家居環境需求越來越大，智能家居市場得以快速發展，在這股浪潮下，晾衣架也由傳統化向智能化方向改變，目前市場上，帶有烘干、消毒、照明等功能的電動升降式晾衣架成為主流產品，其年銷售額不斷增大，擁有極大的市場需求［1］。市面上的這類產品需安裝在陽臺內正上方且收合時體積較大，跟傳統的手搖升降晾衣架一樣，衣物只能晾曬于陽臺內，晾衣時占用了陽臺的使用空間，當出現陽臺采光不好、陽臺空間較小、陽臺空間另有他用等情況時，人們會選擇在陽臺外的固定晾衣架上晾曬衣物，或在陽臺內安裝伸縮晾衣架，需要晾衣時，將晾衣架伸出室外，不需要晾衣時則將晾衣架收回室內，以提高陽臺的使用率，但市面上的這類晾衣架存在晾曬衣物量有限、不具有自動升降和伸縮的功能、當人們外出時晾曬的衣物無法防止雨淋等問題。

針對以上問題，人們進行了一些研究，文獻［2］公開了一種可升降的智能防雨晾衣機，需將晾衣架安裝在室內陽臺上方的2根導軌上，通過傳感器和導軌上的伸縮機構控制晾衣架伸出陽臺外或縮回陽臺內，達到防雨的效果；文獻［3］公開了一種自適應晾曬智能晾衣系統，需在陽臺外安裝框體，通過框體上的傳感器、電機、滑輪、鋼索等機構作用，實現衣物自動收回陽臺內；文獻［4］公開了一種防雨晾衣裝置，在固定于室外的剛性晾衣架上方設置一塊擋雨板，當下雨時，電機通過連桿機構帶動擋雨板落下，擋雨板從垂直狀態轉化為水平狀態，擋在室外的衣物上方，起到防止晾衣架上方雨水的作用；文獻［5］公開了一種自動收攏與伸展的陽臺外晾衣桿，通過安裝于陽臺外的菱形伸縮架、電機、絲桿、擋雨板等機構，在下雨時，將衣物收縮到陽臺外的擋雨板下方；文獻［6］設計了一款防雨防暴曬智能晾衣裝置，可通過菱形伸縮系統將衣物收回陽臺內并通過卷簾系統擋雨，并對各系統的電機做了較詳細的計算和選型；文獻［7］設計了一款基于STC12C5A60S2單片機的戶外智能晾衣架電控系統，對電控系統做了較詳細的研究，上述研究中，或在陽臺內墻壁上加裝導軌，裝置體積較大，減少了陽臺的使用空間；或將晾衣架完全固定于陽臺外，除了體積較大外，還會破壞外立面；又或者采用擋雨板結構，但不管是將擋雨板放下以擋住不動的衣物，還是擋雨板不動，將衣物收入擋雨板內，在風雨較大情況下，擋雨板的防雨效果可能不佳，除此之外，對智能晾衣架的進一步研究，主要集中在電機和電控系統上，而在機械結構上，未見有進一步的驗算與可行性分析方面的研究。

鑒于此，設計了一款占用空間小、自動化程度較高、應用范圍較廣且能防雨的智能晾衣架，并進行相關研究，研究內容包括：（1）設計絲杠升降機構并驗算其強度和壽命；（2）設計可收合平移機構并通過ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析；（3）設計帶防雨功能的手自一體操控系統；（4）制作物理樣機模擬系統工作情況并進行驗證試驗。

2 總體設計方案

本設計主要應用在陽臺內采光不好或沒有陽臺，居住使用空間較小場合下，該機構除了可安裝在陽臺內，也可根據需要安裝在窗戶上。在本例中，以安裝在陽臺內為例，設定陽臺長度定在2.5m以內，陽臺窗戶玻璃分四片，中間兩片為平推活動窗戶，外側兩片為封閉固定窗戶，窗戶完全推開后，開口長1.2m左右，晾衣桿長度根據窗戶開口尺寸設計為1m左右，為了避免破壞外立面，將該機構安裝在陽臺內窗框上。機構總體設計方案，如圖1所示。

圖1 智能晾衣架總體設計方案Fig.1 Design Scheme of Intelligent Airer

工作過程如下：

當需要晾曬衣物時，操作處于收合狀態下的平移機構展開，使晾衣桿朝陽臺內伸出，然后操作升降機構將晾衣桿下移至合適高度方便掛衣物，接著使晾衣桿上升至合適高度后，再操作平移機構將晾衣桿朝陽臺外伸出，完成將衣物晾曬到陽臺外的動作。

當需要取回衣物時，操作平移機構將晾衣桿收回到陽臺內并操作升降機構將其降至合適高度，完成收回衣物的動作。

當下雨時，位于陽臺外側的雨滴傳感器檢測到下雨的情況，單片機根據傳感器信號，控制平移機構將晾衣桿收回陽臺內，同時位于窗戶上的自動開窗器工作，使中間兩扇活動窗戶閉合，完成智能防雨的動作。

3 子系統設計

3.1 升降機構設計與驗算

晾衣桿升降動作由固定在窗框上的左右兩組滾珠絲桿升降器完成，絲桿通過軸承固定在窗框上，承載平移機構的升降臺通過螺栓固定在左右兩個絲母上，電機帶動絲桿轉動，絲桿帶動絲母升降，絲母帶動平移機構升降完成晾衣桿的升降動作。由于平移機構固定在左右兩組滾珠絲桿升降器上，因此要求兩組絲桿升降器的升降動作要同步，關于這方面的要求，通常可采用雙電機電伺服同步驅動的解決方案［8］，通過絲桿編碼器的反饋，對伺服電機進行外閉環控制，可有效保證同步驅動的精度，但這種控制方式成本較高，因此，考慮成本因素且該機構對傳動精度的要求較小，設計了單電機配合同步帶驅動雙絲桿的控制方式來實現，升降機構，如圖2所示。為了方便查看，將升降機構獨立出來展示。

圖2 升降機構結構圖Fig.2 Structural Drawing of Lifting Mechanism

圖2中，位于中間上方處的驅動電機通過電機帶輪和同步帶將動力傳遞給左右兩根絲桿上端的絲桿帶輪，使兩根絲桿同時同向轉動，從而同步帶動兩個絲母一起升降，完成升降臺的升降動作，2個張緊輪可以左右調節位置，使同步帶張緊，起到防松的作用。

下面對升降機構中重要零件滾珠絲桿升降器進行設計選型并驗算強度和壽命。該升降機構主要用于傳力，故選擇T型螺旋副，一般傳力機構的螺旋副可選5、7級精度，該機構對行程誤差要求低且考慮成本因素，故選擇7級精度，絲桿軸固定方式上，可選擇兩端固定或一端固定一端支撐的方式，考慮到該機構升降速度較低，且后者結構較簡單、成本較低，故選擇一端固定一端支撐的方式。選擇市面上某款滾珠絲桿升降器產品，其主要參數，如表1所示。設升降機構工作條件設定，如表2所示。

表1 滾珠絲桿主要參數表Tab.1 Main Parameters of Ball Screw

表2 升降機構工作條件Tab.2 Working Conditions of Lifting Mechanism

以下驗算所選滾珠絲桿能否滿足使用要求，對于傳力螺旋機構，需滿足靜載荷條件和壽命條件。

式中：fF—載荷系數，該機構工作情況平穩或輕微沖擊，取值1.1。

式中：μ—滾動摩擦系數，取0.003。

根據式（2）和式（3）分別計算得到加速工況軸向載荷為194.59N、減速工況軸向載荷198.59N，勻速工況軸向載荷196.59N，因此，軸向最大載荷為Fmax為198.59N。

式（1）中，額定靜載荷修正值為：

式中：fac—螺旋副精度修正系數，7級取值0.9；

fh—硬度修正系數，取值1.0。

計算得到C0am為11.88kN，除以安全系數3后得到3.96kN，根據式（3），3.96kN遠大于218.45N，故滿足靜載荷條件。

壽命條件方面，該機構為普通機械，按安全系數3算，滾動螺旋副預期壽命應大于30000h。

額定動載荷修正值為：

式中：fm—冶煉方法系數，取值1.44，計算得到額定動載荷修正值為9.46kN。

式中：Fi、qi—各工況下軸向載荷和相應工作時間與總工作時間的比值，計算得到當量軸向載荷為196.59N。

式中：frc—可靠性系數，取值0.53；計算得工作壽命為81667h，工作壽命遠大于預期壽命，滿足壽命條件。

綜上，該升降機構設計滿足使用要求。

3.2 平移機構設計與有限元分析

平移機構在設計要求上，一方面要能滿足占用空間小、結構緊湊、可收合的功能，另一方面要求晾衣桿在伸出或收回的過程中，動作平穩，晾衣桿不會擺動，因此設計了雙擺臂雙滑塊機構，設計方案，如圖3所示。

圖3 平移機構結構圖Fig.3 Structural Drawing of Horizontal Moving Mechanism

圖3中，擺臂電機固定在升降臺上，帶動主動擺臂旋轉，主動擺臂與主動滑塊鉸接，帶動主動滑塊沿光桿軸向滑動，同時使光桿連同晾衣桿一起，沿與滑塊滑動方向垂直的方向平動，沿升降臺中心對稱布置從動擺臂與從動滑塊。當平移機構展開時，主動擺臂、從動擺臂、升降臺和光桿構成一個等腰梯形結構，且展開過程光桿始終與升降臺平行，移動平穩；當平移機構收合時，主動擺臂、從動擺臂、升降臺和光桿疊在一起，成一直線狀，結構緊湊，提高空間利用率。平移機構展開和收合過程演示，如圖4所示。

圖4 平移機構工作過程演示圖Fig.4 Working Process Demonstration of Horizontal Moving Mechanism

該平移機構中升降臺跨度較長，且2根擺臂長度較長，根據工程經驗，這類結構在整個系統中受力較大，因此，通過有限元軟件對該平移機構進行靜力學仿真分析。在該例中，窗戶開度為1.2m，因此設定晾衣桿長1m，擺臂長根據衣服寬度設定為0.3m，該機構最大承重設定為15kg，下面通過有限元軟件ANSYS Workbench對平移機構展開時滿負荷狀態工況下做靜力學分析。

首先，對平移機構模型進行處理，去除不必要圓角、導角，螺栓、鉸接點等連接處采用綁定接觸方式，滑塊與光桿之間采用摩擦接觸方式，摩擦系數無窮大。

材料選擇上，鋁合金材料由于其突出的綜合性能，特別是在輕量化上優秀表現［9-10］，因此升降臺、擺臂、光桿和晾衣桿均采用6061-T6鋁鎂合金材料，其屈服強度為270MPa，滑塊、螺栓、鉸接頭等零按需求選取相應標準件，材料定為結構鋼。

綜合考慮計算成本和精度，將自定義網格尺寸大小設置為3mm，劃分之后包含153310個節點和82049個單元，網格質量均值大于0.8，網格總體質量較好。

將15kg載荷均勻施加在晾衣桿上，升降臺與絲母螺栓連接處的孔位設為固定約束，載荷與約束情況，如圖5所示。求解該模型后得到應力云圖，如圖6所示。位移云圖，如圖7所示。圖6可知，該機構最大應力位于升降臺兩端的固定螺栓孔處，與預期相符，且應力值為173.78MPa，小于6061-T6的屈服極限270MPa，圖7可知，該機構最大變形位于晾衣桿中端，變形量為18.145mm，符合要求，因此，該平移機構滿足使用需求。

圖5 載荷與約束情況Fig.5 Loads and Constraints

圖6 平移機構應力云圖Fig.6 Stress Diagram of Horizontal Moving Mechanism

圖7 平移機構總變形云圖Fig.7 Total Deformation Diagram of Horizontal Moving Mechanism

3.3 電控系統設計

電控系統設計框圖，如圖8所示。

圖8 電控系統設計框圖Fig.8 Design Block Diagram of Electric Control System

電控系統分為手動模式和自動模式。手動模式下，手機通過藍牙模塊與單片機相連，按下手機APP軟件里的相應按鈕，可操控升降機構電機正反轉和平移機構電機正反轉，從而實現晾衣桿升降動作和伸出收回的動作。行程開關限制升降機構和平移機構的極限位置，以升降機構為例，當升降機構電機帶動升降臺上升到上極限位置時，觸碰到上行程開關，則升降機構電機無法正轉，只能反轉；當升降機構電機帶動升降臺下降到下極限位置時，觸碰到下行程開關，則升降機構電機無法反轉，只能正轉，平移機構行程開關控制方式與升降機構的一樣。

自動模式下，當下雨時，雨滴傳感器向單片機輸出控制信號，單片機操控升降機構電機和平移機構電機按順序完成以下動作：（1）升降機構電機正轉帶動升降臺上升到上極限位置后停止動作；（2）平移機構電機反轉帶動晾衣桿收回到陽臺內并在觸碰到平移機構行程開關后停止動作。通過以上操作，實現下雨時衣物自動收回陽臺內的動作。電控系統實物和手機APP界面，如圖9所示。

圖9 電控系統實物與手機APP界面Fig.9 Electronic Control System and Mobile APP Interface

4 試驗

按1：1比例搭物理樣機，搭建好的試驗模型，如圖10所示。

圖10 試驗模型Fig.10 Test Model

試驗過程與驗證結果如下：

（1）測試升降機構運行情況，通過觀察升降過程中水平儀刻度值的變化情況，判斷升降機構是否工作平穩。

首先，將升降臺移動到最低處，在升降臺上方中間處固定一調試好的水平儀，通過分別轉動左右2個同步帶輪，調整升降臺到水平狀態，即水平儀上的氣泡處于中間處，在本例中，所使用的水平儀精度為0.5mm/1000mm，升降臺長度為1000mm，氣泡從中間向左或向右每偏移1格，升降臺在豎直方向上傾斜高度為0.5mm。

然后抬升升降臺，觀察到，升降臺在上升過程中水平儀的氣泡能較好的保持在中間位置，說明升降臺上升過程保持水平，但在開始運動瞬間和停止運動瞬間，水平儀的氣泡會跳動一下，偏移量在1格以內，分析其原因，主要是啟動和停止過程中的速度變化、同步帶的彈性和齒間隙引起的，考慮到該升降機構的絲杠主要用于傳力，對精度要求較低，且觀察到啟動和停止瞬間衣物并未傾斜和晃動，因此認為該升降機構整體運行平穩。

下降過程工作情況和上升過程類似，不再累述。

同時，上升過程的平均時間為21s，下降過程平均時間為19s，符合預設的使用要求；

（2）測試平移機構運行情況，觀察到，在展開與收合過程中，兩根擺臂動作能保持一致，整體運行平穩，展開或收合過程的平均時間為3s，符合要求；

（3）自動模式下，往雨滴傳感器上滴水，系統自動完成先將升降臺升到上極限位置，再將晾衣桿收回到內極限位置處的過程，符合要求；

（4）進行滿載彎曲工況下平移機構的應變試驗，通過試驗數據和仿真數據比較分析，驗證仿真模型正確性。

從圖6中可知，應力最大處發生在升降臺兩端的固定螺栓孔處，由于該螺栓孔處無法貼應變片，故選取其他較大應力區域進行試驗，所選取的應變片貼片區域，如圖11所示。圖11中標號1～4為應變片貼片位置。根據仿真模型彎曲工況下的加載情況，將合計15kg的重物掛在晾衣桿上進行加載，應變測試儀采用四分之一橋加溫度補償方式進行連接，每次連接1片應變片，并單獨測量其應變值，1號位置應變片連接試驗，如圖12所示。

圖11 應變片貼片區域Fig.11 Pasted Area of Strain Gauge

圖12 應變試驗Fig.12 Strain Test

為了保證測量精度，對測量處沿互成90°的兩個方向進行打磨，打磨光滑后清洗干凈再貼片，貼片方向與升降臺長度方向一致，用膠帶固定住貼片處附近的導線和應變測試儀接線螺栓處附近的導線，以免測量過程中，因導線晃動而使數值變動，在測量過程中，待應變測試儀顯示的數值穩定后再記錄下來。

采用單點多次測量方法，多次測量數值在±30με內即認為數值在誤差范圍內可用，記錄下3次可用數值，計算出它們的平均值作為最終的測量值。

1號測點應變測試儀第1次測得的數值為1411με，另外2次測得的數值分別為1388με和1402με，3次數值相差在±30με范圍內，數值可用，然后計算出它們的平均值為1400με，查得6061-T6材料彈性模量為70GPa，計算得到該測點的應力值為98MPa。

其他測點方法和步驟同1號測點，這里不再累述，最后，將試驗所得各點的應變數據換算成應力值后和有限元中對應點仿真值做比較，如表3所示。

表3 試驗數據與有限元數據比較Tab.3 Comparison Between Test Data and Finite Element Data

表3 中，整體平均誤差較小，試驗與仿真情況基本一致，因此，該有限元模型正確，該平移機構滿足強度要求。

5 結論

（1）設計了一款占用空間小、自動化程度較高且能防雨的智能晾衣架，并搭建物理樣機進行試驗，試驗結果表明該機構符合使用要求，為智能防雨晾衣架的設計提供一種思路和方法。（2）設計了單電機配合同步帶驅動雙絲桿的升降機構，試驗表明，升降臺在升降過程中保持水平，整體運行平穩，符合使用要求，且驗算結果表明，絲桿滿足強度和壽命要求。（3）所設計的平移機構結構緊湊，在收合或展開過程中，運行平穩，符合使用要求，對該機構進行有限元仿真分析和應變試驗，所得仿真數據和試驗數據基本一致，該有限元模型正確，該平移機構滿足強度要求。（4）這里主要研究內容為機械結構設計，電控系統設計上只使用了1個雨滴傳感器，在后續研究中，可增加光敏傳感器、濕度傳感器和攝像頭等傳感器，進一步提高控制精度。