智能防雨晾衣架设计与研究

陈毅龙

（厦门大学创意与创新学院，福建 漳州 363105）

1 引言

近年来，随着科技发展和生活水平的提高，人们对舒适方便的家居环境需求越来越大，智能家居市场得以快速发展，在这股浪潮下，晾衣架也由传统化向智能化方向改变，目前市场上，带有烘干、消毒、照明等功能的电动升降式晾衣架成为主流产品，其年销售额不断增大，拥有极大的市场需求［1］。市面上的这类产品需安装在阳台内正上方且收合时体积较大，跟传统的手摇升降晾衣架一样，衣物只能晾晒于阳台内，晾衣时占用了阳台的使用空间，当出现阳台采光不好、阳台空间较小、阳台空间另有他用等情况时，人们会选择在阳台外的固定晾衣架上晾晒衣物，或在阳台内安装伸缩晾衣架，需要晾衣时，将晾衣架伸出室外，不需要晾衣时则将晾衣架收回室内，以提高阳台的使用率，但市面上的这类晾衣架存在晾晒衣物量有限、不具有自动升降和伸缩的功能、当人们外出时晾晒的衣物无法防止雨淋等问题。

针对以上问题，人们进行了一些研究，文献［2］公开了一种可升降的智能防雨晾衣机，需将晾衣架安装在室内阳台上方的2根导轨上，通过传感器和导轨上的伸缩机构控制晾衣架伸出阳台外或缩回阳台内，达到防雨的效果；文献［3］公开了一种自适应晾晒智能晾衣系统，需在阳台外安装框体，通过框体上的传感器、电机、滑轮、钢索等机构作用，实现衣物自动收回阳台内；文献［4］公开了一种防雨晾衣装置，在固定于室外的刚性晾衣架上方设置一块挡雨板，当下雨时，电机通过连杆机构带动挡雨板落下，挡雨板从垂直状态转化为水平状态，挡在室外的衣物上方，起到防止晾衣架上方雨水的作用；文献［5］公开了一种自动收拢与伸展的阳台外晾衣杆，通过安装于阳台外的菱形伸缩架、电机、丝杆、挡雨板等机构，在下雨时，将衣物收缩到阳台外的挡雨板下方；文献［6］设计了一款防雨防暴晒智能晾衣装置，可通过菱形伸缩系统将衣物收回阳台内并通过卷帘系统挡雨，并对各系统的电机做了较详细的计算和选型；文献［7］设计了一款基于STC12C5A60S2单片机的户外智能晾衣架电控系统，对电控系统做了较详细的研究，上述研究中，或在阳台内墙壁上加装导轨，装置体积较大，减少了阳台的使用空间；或将晾衣架完全固定于阳台外，除了体积较大外，还会破坏外立面；又或者采用挡雨板结构，但不管是将挡雨板放下以挡住不动的衣物，还是挡雨板不动，将衣物收入挡雨板内，在风雨较大情况下，挡雨板的防雨效果可能不佳，除此之外，对智能晾衣架的进一步研究，主要集中在电机和电控系统上，而在机械结构上，未见有进一步的验算与可行性分析方面的研究。

鉴于此，设计了一款占用空间小、自动化程度较高、应用范围较广且能防雨的智能晾衣架，并进行相关研究，研究内容包括：（1）设计丝杠升降机构并验算其强度和寿命；（2）设计可收合平移机构并通过ANSYS Workbench软件进行静力学分析；（3）设计带防雨功能的手自一体操控系统；（4）制作物理样机模拟系统工作情况并进行验证试验。

2 总体设计方案

本设计主要应用在阳台内采光不好或没有阳台，居住使用空间较小场合下，该机构除了可安装在阳台内，也可根据需要安装在窗户上。在本例中，以安装在阳台内为例，设定阳台长度定在2.5m以内，阳台窗户玻璃分四片，中间两片为平推活动窗户，外侧两片为封闭固定窗户，窗户完全推开后，开口长1.2m左右，晾衣杆长度根据窗户开口尺寸设计为1m左右，为了避免破坏外立面，将该机构安装在阳台内窗框上。机构总体设计方案，如图1所示。

图1 智能晾衣架总体设计方案Fig.1 Design Scheme of Intelligent Airer

工作过程如下：

当需要晾晒衣物时，操作处于收合状态下的平移机构展开，使晾衣杆朝阳台内伸出，然后操作升降机构将晾衣杆下移至合适高度方便挂衣物，接着使晾衣杆上升至合适高度后，再操作平移机构将晾衣杆朝阳台外伸出，完成将衣物晾晒到阳台外的动作。

当需要取回衣物时，操作平移机构将晾衣杆收回到阳台内并操作升降机构将其降至合适高度，完成收回衣物的动作。

当下雨时，位于阳台外侧的雨滴传感器检测到下雨的情况，单片机根据传感器信号，控制平移机构将晾衣杆收回阳台内，同时位于窗户上的自动开窗器工作，使中间两扇活动窗户闭合，完成智能防雨的动作。

3 子系统设计

3.1 升降机构设计与验算

晾衣杆升降动作由固定在窗框上的左右两组滚珠丝杆升降器完成，丝杆通过轴承固定在窗框上，承载平移机构的升降台通过螺栓固定在左右两个丝母上，电机带动丝杆转动，丝杆带动丝母升降，丝母带动平移机构升降完成晾衣杆的升降动作。由于平移机构固定在左右两组滚珠丝杆升降器上，因此要求两组丝杆升降器的升降动作要同步，关于这方面的要求，通常可采用双电机电伺服同步驱动的解决方案［8］，通过丝杆编码器的反馈，对伺服电机进行外闭环控制，可有效保证同步驱动的精度，但这种控制方式成本较高，因此，考虑成本因素且该机构对传动精度的要求较小，设计了单电机配合同步带驱动双丝杆的控制方式来实现，升降机构，如图2所示。为了方便查看，将升降机构独立出来展示。

图2 升降机构结构图Fig.2 Structural Drawing of Lifting Mechanism

图2中，位于中间上方处的驱动电机通过电机带轮和同步带将动力传递给左右两根丝杆上端的丝杆带轮，使两根丝杆同时同向转动，从而同步带动两个丝母一起升降，完成升降台的升降动作，2个张紧轮可以左右调节位置，使同步带张紧，起到防松的作用。

下面对升降机构中重要零件滚珠丝杆升降器进行设计选型并验算强度和寿命。该升降机构主要用于传力，故选择T型螺旋副，一般传力机构的螺旋副可选5、7级精度，该机构对行程误差要求低且考虑成本因素，故选择7级精度，丝杆轴固定方式上，可选择两端固定或一端固定一端支撑的方式，考虑到该机构升降速度较低，且后者结构较简单、成本较低，故选择一端固定一端支撑的方式。选择市面上某款滚珠丝杆升降器产品，其主要参数，如表1所示。设升降机构工作条件设定，如表2所示。

表1 滚珠丝杆主要参数表Tab.1 Main Parameters of Ball Screw

表2 升降机构工作条件Tab.2 Working Conditions of Lifting Mechanism

以下验算所选滚珠丝杆能否满足使用要求，对于传力螺旋机构，需满足静载荷条件和寿命条件。

式中：fF—载荷系数，该机构工作情况平稳或轻微冲击，取值1.1。

式中：μ—滚动摩擦系数，取0.003。

根据式（2）和式（3）分别计算得到加速工况轴向载荷为194.59N、减速工况轴向载荷198.59N，匀速工况轴向载荷196.59N，因此，轴向最大载荷为Fmax为198.59N。

式（1）中，额定静载荷修正值为：

式中：fac—螺旋副精度修正系数，7级取值0.9；

fh—硬度修正系数，取值1.0。

计算得到C0am为11.88kN，除以安全系数3后得到3.96kN，根据式（3），3.96kN远大于218.45N，故满足静载荷条件。

寿命条件方面，该机构为普通机械，按安全系数3算，滚动螺旋副预期寿命应大于30000h。

额定动载荷修正值为：

式中：fm—冶炼方法系数，取值1.44，计算得到额定动载荷修正值为9.46kN。

式中：Fi、qi—各工况下轴向载荷和相应工作时间与总工作时间的比值，计算得到当量轴向载荷为196.59N。

式中：frc—可靠性系数，取值0.53；计算得工作寿命为81667h，工作寿命远大于预期寿命，满足寿命条件。

综上，该升降机构设计满足使用要求。

3.2 平移机构设计与有限元分析

平移机构在设计要求上，一方面要能满足占用空间小、结构紧凑、可收合的功能，另一方面要求晾衣杆在伸出或收回的过程中，动作平稳，晾衣杆不会摆动，因此设计了双摆臂双滑块机构，设计方案，如图3所示。

图3 平移机构结构图Fig.3 Structural Drawing of Horizontal Moving Mechanism

图3中，摆臂电机固定在升降台上，带动主动摆臂旋转，主动摆臂与主动滑块铰接，带动主动滑块沿光杆轴向滑动，同时使光杆连同晾衣杆一起，沿与滑块滑动方向垂直的方向平动，沿升降台中心对称布置从动摆臂与从动滑块。当平移机构展开时，主动摆臂、从动摆臂、升降台和光杆构成一个等腰梯形结构，且展开过程光杆始终与升降台平行，移动平稳；当平移机构收合时，主动摆臂、从动摆臂、升降台和光杆叠在一起，成一直线状，结构紧凑，提高空间利用率。平移机构展开和收合过程演示，如图4所示。

图4 平移机构工作过程演示图Fig.4 Working Process Demonstration of Horizontal Moving Mechanism

该平移机构中升降台跨度较长，且2根摆臂长度较长，根据工程经验，这类结构在整个系统中受力较大，因此，通过有限元软件对该平移机构进行静力学仿真分析。在该例中，窗户开度为1.2m，因此设定晾衣杆长1m，摆臂长根据衣服宽度设定为0.3m，该机构最大承重设定为15kg，下面通过有限元软件ANSYS Workbench对平移机构展开时满负荷状态工况下做静力学分析。

首先，对平移机构模型进行处理，去除不必要圆角、导角，螺栓、铰接点等连接处采用绑定接触方式，滑块与光杆之间采用摩擦接触方式，摩擦系数无穷大。

材料选择上，铝合金材料由于其突出的综合性能，特别是在轻量化上优秀表现［9-10］，因此升降台、摆臂、光杆和晾衣杆均采用6061-T6铝镁合金材料，其屈服强度为270MPa，滑块、螺栓、铰接头等零按需求选取相应标准件，材料定为结构钢。

综合考虑计算成本和精度，将自定义网格尺寸大小设置为3mm，划分之后包含153310个节点和82049个单元，网格质量均值大于0.8，网格总体质量较好。

将15kg载荷均匀施加在晾衣杆上，升降台与丝母螺栓连接处的孔位设为固定约束，载荷与约束情况，如图5所示。求解该模型后得到应力云图，如图6所示。位移云图，如图7所示。图6可知，该机构最大应力位于升降台两端的固定螺栓孔处，与预期相符，且应力值为173.78MPa，小于6061-T6的屈服极限270MPa，图7可知，该机构最大变形位于晾衣杆中端，变形量为18.145mm，符合要求，因此，该平移机构满足使用需求。

图5 载荷与约束情况Fig.5 Loads and Constraints

图6 平移机构应力云图Fig.6 Stress Diagram of Horizontal Moving Mechanism

图7 平移机构总变形云图Fig.7 Total Deformation Diagram of Horizontal Moving Mechanism

3.3 电控系统设计

电控系统设计框图，如图8所示。

图8 电控系统设计框图Fig.8 Design Block Diagram of Electric Control System

电控系统分为手动模式和自动模式。手动模式下，手机通过蓝牙模块与单片机相连，按下手机APP软件里的相应按钮，可操控升降机构电机正反转和平移机构电机正反转，从而实现晾衣杆升降动作和伸出收回的动作。行程开关限制升降机构和平移机构的极限位置，以升降机构为例，当升降机构电机带动升降台上升到上极限位置时，触碰到上行程开关，则升降机构电机无法正转，只能反转；当升降机构电机带动升降台下降到下极限位置时，触碰到下行程开关，则升降机构电机无法反转，只能正转，平移机构行程开关控制方式与升降机构的一样。

自动模式下，当下雨时，雨滴传感器向单片机输出控制信号，单片机操控升降机构电机和平移机构电机按顺序完成以下动作：（1）升降机构电机正转带动升降台上升到上极限位置后停止动作；（2）平移机构电机反转带动晾衣杆收回到阳台内并在触碰到平移机构行程开关后停止动作。通过以上操作，实现下雨时衣物自动收回阳台内的动作。电控系统实物和手机APP界面，如图9所示。

图9 电控系统实物与手机APP界面Fig.9 Electronic Control System and Mobile APP Interface

4 试验

按1：1比例搭物理样机，搭建好的试验模型，如图10所示。

图10 试验模型Fig.10 Test Model

试验过程与验证结果如下：

（1）测试升降机构运行情况，通过观察升降过程中水平仪刻度值的变化情况，判断升降机构是否工作平稳。

首先，将升降台移动到最低处，在升降台上方中间处固定一调试好的水平仪，通过分别转动左右2个同步带轮，调整升降台到水平状态，即水平仪上的气泡处于中间处，在本例中，所使用的水平仪精度为0.5mm/1000mm，升降台长度为1000mm，气泡从中间向左或向右每偏移1格，升降台在竖直方向上倾斜高度为0.5mm。

然后抬升升降台，观察到，升降台在上升过程中水平仪的气泡能较好的保持在中间位置，说明升降台上升过程保持水平，但在开始运动瞬间和停止运动瞬间，水平仪的气泡会跳动一下，偏移量在1格以内，分析其原因，主要是启动和停止过程中的速度变化、同步带的弹性和齿间隙引起的，考虑到该升降机构的丝杠主要用于传力，对精度要求较低，且观察到启动和停止瞬间衣物并未倾斜和晃动，因此认为该升降机构整体运行平稳。

下降过程工作情况和上升过程类似，不再累述。

同时，上升过程的平均时间为21s，下降过程平均时间为19s，符合预设的使用要求；

（2）测试平移机构运行情况，观察到，在展开与收合过程中，两根摆臂动作能保持一致，整体运行平稳，展开或收合过程的平均时间为3s，符合要求；

（3）自动模式下，往雨滴传感器上滴水，系统自动完成先将升降台升到上极限位置，再将晾衣杆收回到内极限位置处的过程，符合要求；

（4）进行满载弯曲工况下平移机构的应变试验，通过试验数据和仿真数据比较分析，验证仿真模型正确性。

从图6中可知，应力最大处发生在升降台两端的固定螺栓孔处，由于该螺栓孔处无法贴应变片，故选取其他较大应力区域进行试验，所选取的应变片贴片区域，如图11所示。图11中标号1～4为应变片贴片位置。根据仿真模型弯曲工况下的加载情况，将合计15kg的重物挂在晾衣杆上进行加载，应变测试仪采用四分之一桥加温度补偿方式进行连接，每次连接1片应变片，并单独测量其应变值，1号位置应变片连接试验，如图12所示。

图11 应变片贴片区域Fig.11 Pasted Area of Strain Gauge

图12 应变试验Fig.12 Strain Test

为了保证测量精度，对测量处沿互成90°的两个方向进行打磨，打磨光滑后清洗干净再贴片，贴片方向与升降台长度方向一致，用胶带固定住贴片处附近的导线和应变测试仪接线螺栓处附近的导线，以免测量过程中，因导线晃动而使数值变动，在测量过程中，待应变测试仪显示的数值稳定后再记录下来。

采用单点多次测量方法，多次测量数值在±30με内即认为数值在误差范围内可用，记录下3次可用数值，计算出它们的平均值作为最终的测量值。

1号测点应变测试仪第1次测得的数值为1411με，另外2次测得的数值分别为1388με和1402με，3次数值相差在±30με范围内，数值可用，然后计算出它们的平均值为1400με，查得6061-T6材料弹性模量为70GPa，计算得到该测点的应力值为98MPa。

其他测点方法和步骤同1号测点，这里不再累述，最后，将试验所得各点的应变数据换算成应力值后和有限元中对应点仿真值做比较，如表3所示。

表3 试验数据与有限元数据比较Tab.3 Comparison Between Test Data and Finite Element Data

表3 中，整体平均误差较小，试验与仿真情况基本一致，因此，该有限元模型正确，该平移机构满足强度要求。

5 结论

（1）设计了一款占用空间小、自动化程度较高且能防雨的智能晾衣架，并搭建物理样机进行试验，试验结果表明该机构符合使用要求，为智能防雨晾衣架的设计提供一种思路和方法。（2）设计了单电机配合同步带驱动双丝杆的升降机构，试验表明，升降台在升降过程中保持水平，整体运行平稳，符合使用要求，且验算结果表明，丝杆满足强度和寿命要求。（3）所设计的平移机构结构紧凑，在收合或展开过程中，运行平稳，符合使用要求，对该机构进行有限元仿真分析和应变试验，所得仿真数据和试验数据基本一致，该有限元模型正确，该平移机构满足强度要求。（4）这里主要研究内容为机械结构设计，电控系统设计上只使用了1个雨滴传感器，在后续研究中，可增加光敏传感器、湿度传感器和摄像头等传感器，进一步提高控制精度。