无线遥控开关执行装置的设计*

□ 武志鹏 □ 曹 娜

武汉技师学院 机电工程系 武汉 430051

1 需求分析

随着社会生活信息化的发展,人们对日常生活智能化、信息化和便捷化的要求日益提高。传统的家居环境多采用暗埋布线方式,存在布线繁杂、安装改造成本高、扩展性和移动性差等诸多问题。随着计算机及通信技术的进步,低成本、低功耗的短距离无线通信技术已较为成熟。搭建一个使用方便、效率高、成本低的智能家居系统,为人们提供一个方便快捷、舒适安全的家庭生活环境,已不是难题。将计算机控制系统与现有的居家环境有机融合,以少改动或不改动现有设施为前提,开展嵌入式家居物联网化研究是物联网智能家居业内的一个热点。笔者以普通家用机械开关面板为例,设计了一种无线遥控开关执行装置[1]。

根据管线在墙体内外的不同,家用开关分为暗装和明装两种,外部特征主要由翘板和面板两部分组成。翘板是执行部件,通过按动翘板可以切换开关状态,有单联和多联之分。面板主要起装饰保护作用。

我国市电标准为220 V,传统上对开关进行智能化改造时，必然要拆卸面板,甚至要破坏墙体。所以，这项工作一般需要专业人士应用专业工具才能进行。经调查,目前国内最常用的开关款式是86型,即面板外形尺寸为86 mm×86 mm,如图1所示。笔者针对86型开关,在无线智能家居基础上设计一种无线遥控开关执行装置。这一执行装置通过罩扣方式安装在86型开关上,采用电池供电,能够无线遥控,不改动原有接线,不需要专业技术安装,可以随时拆卸并更换安装位置[2]。

2 装置结构

无线遥控开关执行装置包括基座、本体、无线通信模块、电源模块、执行机构等结构,如图2所示。

基座是与面板尺寸相匹配的方形框架,采用过盈配合罩扣在开关面板上,通过四角处的螺钉孔与本体相连。本体由机械仓、控制仓及电池仓组成。机械仓中设置电机、执行机构。控制仓中设置无线通信模块,负责接收智能移动终端发送的指令信息,进而驱动电机，使执行机构按动翘板。电源模块为可充电电池,放置在电池仓中为整套装置供电,由电池仓1和电池仓2两部分组成。

3 装置工作原理

无线遥控开关执行装置状态如图3所示。装置内部电源接通,装置应处于初始状态。此时翘板处于自由状态，用户可手动操作翘板。若接收到开指令,则电机顺时针旋转，带动曲柄旋转一定角度，通过右连杆使右滑块移动一定的直线距离并按动翘板。之后电机反向旋转，使右滑块回到初始位置,翘板处于自由状态。若接受关指令,则电机逆时针旋转，带动曲柄旋转一定角度，通过左连杆使左滑块移动一定的直线距离并按动翘板。之后电机反向旋转，使左滑块回到初始位置,翘板处于自由状态。

通过以上一系列接收、触发动作,可以较为理想地手动与遥控控制开关。值得注意的是,这一装置仅罩住翘板的一半,滑块运行至指定位置按动翘板后，立即自动返回至初始位置并释放翘板,使装置兼具手动与电动的功能。

控制系统采用低功耗设计,若没有后续指令发送至装置,则系统进入低功耗模式。电池仓中的锂电池工作电压为5 V,不会对人体造成伤害,两个电池仓的设计可以用于放置备用电池。塑料材质的壳体有效减轻了整体质量,也减小了反复拆装过程中对开关面板的磨损。

4 外壳设计

以86型开关为例,测量开关暗装后面板外形尺寸为85.7 mm×85.5 mm×20 mm。开关本体通过四角处的螺钉孔与基座相连。为了减轻质量,并避免拆装过程中划伤原有开关面板，基座的材质采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。基座与面板为过盈配合,要求能手工拆装，且不会自行脱落。经试验,单边过盈量为0.2～0.3 mm时能够满足要求。此外,可以在基座周围预留螺钉孔,通过侧固方法将基座固定在开关面板上。其它部分，如电池、通信系统、执行机构均安装在基座上。为了便于使用及检修,将各部分集成为本体,划分出不同区域,并预留检修窗[3]。

5 执行机构设计

执行机构设计的核心是设计一种机构能够按动翘板。通过观察手指按动翘板的过程,将开关动作简化为一种直线往复运动。由此,笔者设计采用曲柄滑块机构仿生两根手指按动翘板。平面四连杆机构被广泛应用于各类机械传动中,在生活中经常会遇到各类型的四连杆机构,对四连杆机构的合理应用是设计成功的关键[4]。

无线遥控开关执行装置实质上将两套偏置曲柄滑块机构结合使用。在工程上,设计精度高、结构复杂的铰链机构时,通常根据已知条件采用公式法或三角置换法计算各部件的尺寸。而这一装置并无较高精度要求,并且曲柄也仅由舵机驱动作往复摇摆运动,因此笔者以SolidWorks软件为平台,在装配环境中根据已知条件对各部件进行造型、装配,对各部件之间的位置及运动关系进行约束,应用软件参数化设计功能进行滑块、机架、连杆等关键尺寸的设计[5-10]。

考虑应用场合的特点，以及低成本、低功耗的要求,为精简机械结构,采用航模上常用的数字舵机作为原动机，用于精确控制滑块的行程。舵机的型号为MG996R,质量仅为55 g,扭矩为13 kg·cm,工作电压为3.0～7.2 V,能够满足设计要求。

由力矩公式可知,增大滑块轴线与翘板转轴之间的距离，有助于提升装置的能效比。综合考虑装置的制造、装配、通用性及成本,采用舵机自带的法兰盘作为曲柄,法兰上孔距与机架上两滑块轨道中心间距D相等,即曲柄连杆孔中心距长度R与偏距E相等。机架上导向孔直径为11 mm,滑块直径为10 mm,D为35 mm。经测量,滑块下止点超出本体下表面约5 mm即能按动翘板,所以此点为滑块下止点。曲柄滑块机构尺寸如图4所示。

H为41 mm，由舵机外形尺寸所决定。R和E为17.5 mm。为了确保装置能够触动开关翘板,滑块运行至下止点时,下端面应伸出机架下端面5 mm。同时,装置在待机时不与翘板发生干涉,因此滑块返回至初始位置后下端面应处于机架内部,离机架下端面设为1 mm。考虑到塑料制品尺寸精度难以保证,滑块运行至上止点时与机架上导向孔之间仍应有2/3长度处于配合状态。另一方面,滑块运行至下止点时，连杆不能与导向孔孔口发生干涉。为了确保连杆传力效率,压力角A应尽量小,工程上一般取A小于40°。同时应注意到,舵机转动角B与耗电量成正比,所以B也应尽量小。曲柄、连杆、滑块之间采用M3螺钉连接。

通过SolidWorks软件造型、装配，然后进行分析对比,整理得到一组较为合适的曲柄滑块机构尺寸参数,见表1。

表1 曲柄滑块机构尺寸

6 装置安装调试

考虑到不同款式的86型开关具体尺寸略有偏差,批量大时可根据具体型号采用模具制作,批量小时可采用三维打印制作,笔者设计的无线遥控开关执行装置采用家用型三维打印设备制作。安装时,将基座与本体通过螺钉连接,然后一起罩扣在开关面板上。值得注意的是,根据使用者的习惯，安装时使双滑块对称分布于翘板旋转轴线的两侧。

安装完成后,本体底面应高于开关面板最高处约2 mm,且开关翘板仍能自由按动。使用时,先使装置内部电源接通,安装电池时需注意正负极。当需要更改安装位置时,只需将基座与本体一起取下,换至需要处安装即可。多次拆装可能导致基座无法应用过盈方式安装,此时可采用基座侧面预留的螺钉孔,通过螺钉采用侧固方法连接。装置安装调试现场如图5所示。

7 结束语

笔者设计了一种无线遥控开关执行装置，采用简单有效的控制方式,可以用于普通开关的无线遥控改造,布置方便,不需要改变原有管线,没有用电安全隐患,即装即用,并且可以随时拆卸，不会对使用场所造成破坏。

在设计中，应用铰链四连杆机构的设计思路。随着计算机辅助设计技术的发展,借助计算机软件的参数化设计功能,在软件平台中直观装配调整，进而可以得到可行的参数。

这一装置采用无线通信方式,解决了传统家居智能化进程中布线繁杂的问题。采用这一装置群的有机布置，可以与用户原有路由器组网进行控制。装置可以24 h连续工作,不工作时处于低功耗休眠状态。无线通信模块周期性定时监测指令，并激活系统进行工作,进一步降低了能耗。这一装置具有较高的可靠性和良好的实用价值。