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?？煞譃槭謩雍碗妱?。[1]手動晾衣架較為普及，為目前市場的主導(dǎo)產(chǎn)品，但晾曬衣物較為費力，對于老年人來說，尤為不方便；電動晾衣架由于價格高和技術(shù)還不完善等因素未能得到推廣。目前，在國內(nèi)一線城市，電動晾衣架的市場占有率僅有10%左右。[2]但隨著人們物質(zhì)水平的提高，電動智能化將是晾衣架未來的發(fā)展趨勢。[3-5]圖1為當(dāng)前市場上在售的主流型智能電動晾衣架的結(jié)構(gòu)示意圖，其采用雙桿式結(jié)構(gòu)，安裝時需要將主機固定在陽臺內(nèi)頂部，通過鋼絲和滑輪機構(gòu)實現(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到理想狀態(tài)。另外，這種雙桿式智能電動晾衣架的主機長度大于1 000 mm，而整機長度大于1 300 mm，因此，該產(chǎn)品在安裝和使用時對空間尺寸是有一定要求的，限制了其在小型陽臺上的應(yīng)用。[6]

圖1 市場上主流型智能電動晾衣架的結(jié)構(gòu)示意圖

為了滿足人們?nèi)粘Ｉ钪辛罆褚挛飼r可進行戶內(nèi)、戶外不同需求的選擇，以及更好地滿足小型陽臺的使用需求，本文綜合應(yīng)用菱形連桿機構(gòu)和齒輪齒條機構(gòu)，并通過機電一體化創(chuàng)新設(shè)計了一款便捷式電動伸縮晾衣架。同時，基于Arduino平臺，實現(xiàn)了晾衣架的所有操作均可通過紅外遠程遙控，不但可以實現(xiàn)晾衣架的上下升降，同時還可以實現(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，解決了市面上電動晾衣架只能戶內(nèi)晾曬的弊端。

1 機械系統(tǒng)

圖2為便捷式電動伸縮晾衣架的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可知，本設(shè)計中采用的齒輪電機和推桿電機，其中齒輪電機控制晾衣架上下升降，推桿電機控制連桿機構(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，本晾衣架在連桿機構(gòu)收縮折疊時的長度、寬度和高度分別為460、800和790 mm，其安裝時只需將支座頂部用螺釘固定在陽臺頂部。因此，其安裝時占用體積更小，更能滿足小型陽臺的使用需求。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可以不使用晾衣叉；且連桿機構(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 便攜式電動伸縮晾衣架的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 便捷式電動伸縮晾衣桿的性能指標(biāo)

1.1 齒輪電機

齒輪電機通過花鍵與圓柱齒輪連接，工作時齒輪電機接220 V交流電源，齒輪電機驅(qū)動圓柱齒輪做旋轉(zhuǎn)運動。在選擇齒輪電機時，以表1中晾衣架的最大承重30 kg為主要依據(jù)，電機的轉(zhuǎn)矩M可以由公式（1）進行估算[7]：

式中P為電機的功率（W），n為電機的轉(zhuǎn)速（r/min）。綜合考慮經(jīng)濟性和晾曬效率，本文選擇了性價比較高的70KTYZ交流電機為齒輪電機，該電機的功率為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。

為了與所選電機配合，實現(xiàn)電機的高效傳動，本文設(shè)計的圓柱齒輪的齒數(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 齒輪齒條機構(gòu)

圖3為齒輪齒條機構(gòu)的連接示意圖。由圖3可知，齒輪電機與圓柱齒輪通過花鍵連接，齒輪電機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，晾曬衣物時按下下降開關(guān)，圓柱齒輪在齒輪電機的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，進而使得直齒條向下直線運動，實現(xiàn)晾衣架地自動下降，當(dāng)圓柱齒輪觸碰到上限位開關(guān)時，齒輪電機停止運轉(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)，圓柱齒輪在電機的反向驅(qū)動下反向旋轉(zhuǎn)，進而使得直齒條向上直線運動，實現(xiàn)晾衣架地自動上升，當(dāng)圓柱齒輪觸碰到下限位開關(guān)時，齒輪電機停止運轉(zhuǎn)，晾衣架保持最大上升極限高度。

圖3 齒輪齒條機構(gòu)的連接示意圖

1.3 推桿電機

推桿電機又稱直線驅(qū)動器，主要由電機、減速齒輪、推桿和控制裝置等組成，在一定行程范圍內(nèi)作往返直線運動，本設(shè)計將推桿電機與菱形連桿機構(gòu)通過銷釘連接（圖2），用推桿電機驅(qū)動菱形連桿機構(gòu)的伸展與收縮，從而實現(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)濟性和晾衣效率，選擇了24 V的直流推桿電機，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 菱形連桿機構(gòu)

由圖2可知，菱形連桿機構(gòu)由長桿和短桿通過螺釘連接。推桿電機與連桿機構(gòu)通過銷釘連接，銷釘在行程槽內(nèi)可以上下運動，行程槽用螺釘固定在滑軌連接板上，而推桿電機以及限位開關(guān)用螺釘固定在滑軌連接板上。通過菱形連桿機構(gòu)的伸展和收縮可以實現(xiàn)晾衣架在橫向的展開和折疊。圖4為菱形連桿機構(gòu)的實物圖，其中掛衣扇葉通過螺釘連接在連桿機構(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由于風(fēng)大使得衣物被吹落掉地。

圖4 菱形連桿機構(gòu)的實物圖

2 控制系統(tǒng)

在設(shè)計晾衣架控制系統(tǒng)時基于Arduino平臺進行開發(fā)，采用Arduino控制器通過外接按鍵模塊、齒輪電機驅(qū)動模塊和推桿電機驅(qū)動模塊，實現(xiàn)晾衣架自動升降和連桿機構(gòu)自動伸縮的紅外遠程控制。圖5為控制系統(tǒng)示意圖，其中電源模塊用于Arduino控制器、齒輪電機和推桿電機的供電。由圖5可知，控制系統(tǒng)中Arduino控制器為核心，負責(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構(gòu)的伸縮。齒輪電機驅(qū)動模塊用于齒輪電機的驅(qū)動，包括正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動，分別控制晾衣架的下降和上升。推桿電機驅(qū)動模塊用于推桿電機的驅(qū)動，包括推桿的上升和下降，分別控制晾衣架連桿機構(gòu)的伸展和收縮。因此，本文在控制系統(tǒng)中采用了4個開關(guān)分別控制齒輪電機的正向轉(zhuǎn)動、反向轉(zhuǎn)動和推桿電機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個控制按鍵開關(guān)相互獨立，其中按鍵開關(guān)沒按下時輸入到Arduino控制器引腳上的電平為高電平，但當(dāng)某一個按鍵被按下后，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，從而在對應(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程控制，這樣可以實現(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

本文基于機電一體化設(shè)計和Arduino平臺，應(yīng)用齒輪齒條機構(gòu)和菱形連桿機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計了一款單桿式的便捷電動伸縮晾衣架，同時晾衣架的所有操作均可采用紅外遠程遙控。本款晾衣架不但可以自動上下升降，還可以自動實現(xiàn)橫向伸縮，滿足用戶對于戶內(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)計的晾衣架安裝時占用體積更小，更能適用于小型陽臺。