防护窗户展开机构设计与仿真

2021-01-18魏文彬杨金鹏文清平

机电工程技术 2020年12期

魏文彬，杨金鹏，文清平

（四川信息职业技术学院机电工程学院，四川广元 628000）

0 引言

智能防护窗户是目前家装最常用的设计，其作用是防止小孩靠近窗户而发生高空坠落事件。由于生活节奏加快，父母照顾孩子的时间越来越少，导致孩童不受约束地玩乐，社会上幼童不小心从窗户掉落的悲惨事件屡屡发生，故智能防护窗户自动展开机构的研究应运而生。平面四杆机构因结构简单、应用面广而得到广泛关注且深入地研究，其中以曲柄摇杆机构[1-4]与曲柄滑块机构[5-6]的研究居多。本文基于平面四杆机构设计了2 种展开机构，一种基于曲柄摇杆机构设计而成；另一种基于曲柄-摇杆-滑块复合机构设计而成。2种展开机构均采用连杆铰接而成，通过连杆之间的相互关系传递运动，为智能防护窗户设计、控制、研制提供了思路。

1 整体设计

设计了自动防护窗户的运动结构，使得窗户1与窗户2能够在自己的运动空间内按照自己的运行轨迹自由运行，如图1所示，图1（a）、（b）分别为窗户关闭时的状态与开启时的状态。智能防护窗户的功能是当有人靠近窗户时，窗户自动关闭，避免小孩掉落或者行人入室行窃等；当窗户周边没有人时，窗户会自动打开通风。本文为窗户1与窗户2分别设计了一种驱动机构，该驱动机构采用的是连杆型结构，由连杆铰接串联而成，该机构最大的优点是只需要一个驱动电机驱动，并通过连杆之间的相互关系传递运动和力，使得机构末端实现期望的运动。

图1 自动防护窗户整体设计图

2 窗户1展开机构设计与仿真

图2 窗户1驱动机构

图2 所示为窗户1 的展开机构，该机构采用曲柄摇杆机构，图中DE为窗户1的边缘，窗户绕基点D转动，实现窗户的开、关，连杆AB、BC、CD分别为曲柄、连杆、摇杆，设AB、BC、CD、AD、DE的长度分别为l1、l2、l3、l4、l5，链接BD做辅助线，则：

由点B的横坐标可以用向量表示lBDcosφ1＝l4-l1cosθ1，可得：

在△CBD中，由余弦定理可得：

曲柄AB在转动过程中，窗户DE绕点D转动，转动角位移表示为：

由D、C、E共线与等比分点公式，可得点E在运动过程中的位置为：

其中：

对一扇窗子进行实例分析，其中各连杆参数如表1 所示。在仿真过程中，将坐标系设置于图1的中心，仿真结果如图3～4所示。

表1 驱动机构各参数值

图3 所示为曲柄AB在转动过程中，窗户DE的开关位移，由图可知，在表1 的各参数下，窗户的最大开口量约为75°，在初始状态下，即曲柄AB与连杆BC重合共线时，在驱动电机的作用下，窗户的角位移慢慢增大，即窗户开始逐渐打开，当窗户开口量达到最大值时，即曲柄AB与连杆BC延长共线时，此时窗户开口量陡然下降，只是由于曲柄摇杆机构的急回特性所导致。

图3 窗户开口度

图4 窗户点E的位移

图4（a）、（b）所示分别为窗户在开关过程中末端点E的位移。由于仿真过程中的坐标原点并不是图2中的原点，在现实中由于窗框以及各连杆结构尺寸、安装等原因，因此在显示的结果中，x轴分量与y轴分量并不是严格从0开始的。图4（a）为点E在x轴的分量，图中最高点为窗户在开关过程中末端点E在x轴的最大距离，即窗户完全关闭，与图3中的最低点相对应，从最高点开始慢慢下降直到最低点，表明窗户开口量已经达到最大，此后有急剧增加直到窗户完全关闭，符合曲柄摇杆机构的急回特性。图4 （b）为点E在y 轴的分量，图中最高点与图3中的最低点相对应，即当窗户的开口量为0时，点E在y轴的分量最小，然后逐渐增大，直至窗户开口量最大时达到峰值，然后又急剧减小直到窗户关闭，依然满足曲柄摇杆机构的急回特性。

3 窗户2展开机构设计与仿真分析

图5 所示为窗户2 设计的展开机构，该机构采用的曲柄-摇杆-滑块复合机构。曲柄摇杆作为主动构件，如图中BF、FD、CE以及BE所构成的构件；曲柄滑块机构作为从动件，如图AC、CE以及AE所构成的构件。图中，AE为窗框，AC、CE为窗户2的2扇窗户的边缘，滑块E的作用是使得CE在窗框AE内滑动。主动构件中曲柄BF在转动过程中，带动摇杆CE发生偏转，因为摇杆CE与AC相连，因此CE在偏转过程中会带动AE绕点A转动，AE转动过程中带动滑块E沿x轴移动。当主动曲柄BF与连杆FD延长共线时，此时滑块处于右极限位置，即窗户AC、CE关闭；当主动曲柄BF与连杆FD重合共线时，此时滑块E处于左极限位置，即窗户AC、CE打开到最大位置处。

图5 窗户2驱动机构

对设计的展开机构进行实例仿真分析，其各连杆参数如表2所示，仿真结果如图6～7所示。

表2 驱动机构各连杆参数

图6 窗户AC的角位移

图7 窗户CE的位移

图6所示为主动曲柄BF在转动过程中，窗户AC绕基点A的转动角位移，由图可知，在表2 中各连杆参数下，窗户AC的最大角位移约为65°，主动曲柄BF与连杆DF延长共线时为初始状态，在驱动电机的作用下，主动曲柄开始转动，此时窗户AC逐渐打开，直到曲柄BF与连杆DF重合共线时，此时窗户AC开口量达到最大值，当曲柄继续转动时，窗户AC逐渐关闭直至完全关闭。窗户AC作为从动构件的曲柄，本不具有急回特性，但是主动构件曲柄摇杆机构的摇杆CE在转动过程中会带动窗户AC运动，因此窗户AC也具有急回特性，如图6中窗户AC的角位移为0处表现为机构的急回特性。图7所示为滑块E的线位移，在窗户完全关闭状态下，滑块的位移为0，当主动曲柄开始转动时，窗户AC绕A点转动时会带动滑块E开始向左移动，位移逐渐增大，直至曲柄BF与DF共线时，此时滑块处于左极限位置，然后在曲柄的继续转动下又向右运动，直至回到初始状态，由于曲柄摇杆机构的急回特性引起滑块在运动过程中也表现为急回特性，如图7中滑块位移为0处。