樓梯爬升降機(共33頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上目 錄 1 緒論 1 1.1樓梯爬升降機在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2樓梯爬升降機開發(fā)的趨勢3 2 本課題要研究的問題和采用的研究手段及途徑 3 2.1本課題研究的問題4 2.2采用的研究手段及途徑53 樓梯爬升降機的總體設計 64 樓梯爬升降機的車身設計 7 4.1車身形狀的設計7 4.1.1車身尺寸 7 4.1.2車身形狀 85 樓梯升降機的爬升機構設計 9 5.1 爬升機構的尺寸設計 10 5.1.1 爬升桿的尺寸設計10 5.1.2導軌的設計 11 5.2 爬升機構液壓缸的設計 12 5.3 爬升機構的連接方式 126 爬升降機的動力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)14 6.1

2、 電動機的選型 14 6.1.1液壓缸電機的選型 14 6.1.2 軸電機的選型 15 6.2 電池的選型 167 樓梯爬升降機的傳動系統(tǒng)17 7.1 傳動方式的選擇 17 7.1.1齒輪傳動的選擇17 7.1.2同步帶傳動的選擇18 7.2 傳動系統(tǒng)的校核 18 7.2.1軸的校核188 控制系統(tǒng)的設計 21專心-專注-專業(yè) 8.1 控制器的選擇21 8.2控制流程圖 22 8.3控制程序編寫 23 結論 27致謝 29參考文獻 301 引言隨著社會的快速發(fā)展，人們的生活水平也得到了大幅度提高。高樓大廈如雨后春筍，拔地而起。人們都高興地搬進了象征著幸福的“洋樓”。然而，新的問題也隨之出現(xiàn)。在

3、老齡化日益加劇的現(xiàn)代，樓梯對于他們來說，已經成為了一種生活負擔。近年來相關的報告也指出，世界老齡化進程逐步加快，在今后的幾十年里，七十歲以上的老人所占人口的比例預計會翻一番。由于自然災害和疾病造成的殘障人士也逐年增加。針對這兩個特殊人群的醫(yī)療和照顧，成為社會和經濟發(fā)展的巨大壓力。我國還處于發(fā)展階段且人口數(shù)目巨大，綜合考慮經濟條件等多方面因素，多層樓成為既能解決人口住房問題而又能讓大眾買的起的唯一辦法。由于這些樓房中沒有電梯，貨物搬運成為主要問題。因此，研究多層樓中樓梯爬升問題，成為一種趨勢。1.1 樓梯爬升降機在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著大眾對老年人和殘疾人的關注度的提高，國內外的許多公司、

4、大學和研究機構都對樓梯攀爬機構進行了深入研究，并獲得了一些成果。但他們研究的問題是如何幫助老人和殘疾人解決本身上下樓梯的問題，也就是說他們是在輪椅的基礎上進行動力改造，使這些輪椅能夠在面對樓梯這樣的障礙時能夠輕松翻越。目前的爬樓梯的裝置主要有：腿足式、履帶式、星輪式、復合式和其他方式。他們有各自的優(yōu)點，當然也存在這一些不足。（1）腿足式這種方式完全是借鑒人類爬樓梯的方式研究出來的。該方式的主要特點是爬樓動作是一個由腿足完成的不連續(xù)過程。在樓梯爬升機的初始設計階段，Bray發(fā)明制造的爬樓梯輪椅采用的方式就是這種不連續(xù)方式。在爬樓過程中，兩套支撐裝置就像兩個腿一樣，交替著向上前進。運動軌跡為上升、

5、平移和著陸。隨后，日本經過十幾年的研究，掌握了較為熟練的技術。如日本本田公司研制的“iFoot”和“iUnit”以及日本早稻田大學的高西淳夫教授和Tmsuk公司共同研究的出的WL-16，就能像人一樣隨意行走。但這些成果仍存在著不少的缺點：由于兩個支撐裝置交替與地接觸，所以承載物的重心時刻都在變化，也就導致了它們的移動速度很慢，控制和機構很復雜，造價相對要高，最終無法達到大面積使用的效果。（2）履帶式該運動方式為：車輪轉動帶動履帶轉動，通過履帶和地面的摩擦力前進。由于履帶越障能力強，運動過程中重心的波動小，控制簡單，因此，在坦克和裝甲車中得到了廣泛應用。各國也看到了這種優(yōu)勢，于是都爭相進行研究。

6、其中比較有代表性的是：日本SunwaeCDM-2公司研制的爬樓梯電動輪椅，它在上世紀九十年代中期得到了日本大眾的認可。另一個是英國Baronmead公司研制的履帶式爬樓梯輪椅。這種輪椅將履帶安裝在輪椅的底部，爬升速度快，可達15-20階/min；爬升能力強，最大爬越坡度為35。法國Topchair公司生產的爬樓梯電動輪椅也是一個典型例子。它是將履帶式爬樓梯裝置和電動輪椅巧妙的結合在一起。當在平地上行駛時，輪椅底部的輪子接觸地面使之前進；當爬樓梯時，輪子收回且履帶接觸樓梯爬升。但履帶式爬升裝置有其共有的缺點：體積大且質量大，會在與臺階接觸時因壓力過大導致臺階損壞。在平地上行進時，由于摩擦力過大，

7、導致運動不靈活，轉彎困難等。（3）星輪式這種運動方式主要是：每個行星輪和行星架繞著主軸公轉，同時每個行星輪繞著自身星輪軸轉動。在爬樓的過程中，星輪被鎖死，只繞著行星架軸公轉。其主要代表就是美國Independence的iBot，這是一種典型的星輪式輪椅，且科技含量最高，安全性和智能性最好。它最大的優(yōu)點就是安裝了內置陀螺儀系統(tǒng)，通過高速度轉動原理確定其重心位置，然后將其反饋給控制系統(tǒng)，從而使輪椅時刻保持平衡。但也因為這些原因，使得費用大大超出了大眾的能力范圍，也就減小了適用面。還有一種是由意大利都靈理工大學教授研制出4個三星輪機構的輪椅爬升機。我國在星輪式方面也有所研究，在長春工業(yè)大學教授王占禮

8、的指導下，兩個研究生分別做出了自己的成果。一種是研究生趙德超研制出的曲柄星輪式爬樓梯裝置，它是由兩個行星輪組成，星輪之間是用曲柄鏈接，使用電源提供動力。另一種是由孟祥雨研制的三星輪爬升機構。與iBot的運動方式有所相同。（4）復合式復合式主要是將輪腿兩種運動方式結合起來。這種運動方式結合了輪式和腿式運動的優(yōu)點，不僅可以在平地上運行更加平穩(wěn)，還解決了攀越障礙的問題，使用起來更加方便。如英國研制的Stairmatic，這種輪椅不僅理論成熟且已經通過了實際應用實驗。另外，還有NASA的SojourerRobot，EPFL的ShrimpRobot，它們都有攀越障礙的本領。但由于這種結合方式使得結構更加

9、的復雜，控制和分析也比較困難，增加了故障率。價格也相對要高。（5）其他方式除了上述方式，另外還有幾種方式比較受關注。一種是平行三輪式，這種方式廣泛應用在星球探測器上。在地盤下面分有兩列輪子，每列三個，這三個由連桿鏈接。當遇到障礙物時，第一排輪在后輪的推力作用下，向上爬行，直到爬越障礙，然后第一排和第三排輪子作為動力，推動第二排輪子爬越障礙，通過這樣的方式，第三排輪子也翻越障礙。這種運動方式，運動比較平穩(wěn)，適合于各種路面。但其速度相對要慢。另一種也是借鑒星球探測器結構。利用的是彈力產生的慣性，它主要由三部分組成，上面是一個具有一定質量的框架，下面是帶有車輪的地盤，兩部分直接通過彈簧鏈接。當遇到障

10、礙時，彈簧壓縮后釋放，利用上面框架的重量將其整個車聲抬起，因為車子向前有一定的速度，在兩個方向的慣性作用下，車子順利跳上或跳過障礙。但這種車子存在的危險比較大，一個是彈跳的高度不能隨實際改變，另一個就是在彈跳的過程中重心容易發(fā)生移動導致側翻。1.2 樓梯爬升降機開發(fā)的趨勢一個文明的社會是應該能夠保證包括殘疾人在內的所有成員擁有公平的生活條件。在過去的幾年里，對弱勢群體態(tài)度的改變使得社會對這個問題更加敏感。另一個重要原因就是，包括中國在內的很多國家人口老齡化加劇，使得人們對樓梯爬升降機的需要更加迫切。正是由于現(xiàn)階段的設計目的是針對上述兩種人群，因此，研究方向是基于輪椅的改造上，即：如何給輪椅提供

11、動力，如何能讓乘客自行操作，如何能使輪椅避開或翻越障礙物，如何使輪椅自行攀爬樓梯等。未來人們還是會將重點放在輪椅的改造上，改變的只是爬升裝置的的爬升方式，或者是將現(xiàn)有的爬升機構進行組合和簡化。這樣無論從體積上還是重量上，特別是價格上，才能被大眾所接收。只注重輪椅的改造，也就導致了研究方向受限。人類在朝著“懶”的方向發(fā)展，各種設備的研制開發(fā)，均是為了代替人類工作，實現(xiàn)自動化。僅是為了照顧需要坐輪椅的老人和殘疾人，也就讓爬升裝置的使用場所受到限制。畢竟這些人群所占的比例還是有限的。因此，為使這種機構服務于更多的人，爬升機構應朝著簡單，質量輕且廉價的方向發(fā)展。2 本課題要研究的問題和采用的研究手段及

12、途徑正如上述所述，輪椅式爬升降機的開發(fā)是為了服務于需要坐輪椅上下樓的老年人和殘疾人。根據(jù)我國現(xiàn)階段的國情來看，我國的經濟還不夠發(fā)達，多層樓是一種既可以解決人口住房問題又經濟的辦法。況且，目前在大多數(shù)的城鎮(zhèn)中，也出現(xiàn)了樓房，也屬于多層樓行列，且數(shù)目龐大。上述爬升機構的共同特點是解決人上下樓梯的問題，都是在輪椅的基礎上進行改造，和本項目的設計方向不同。該項目的設計目的是幫助人們解決樓梯間貨物的搬運問題，幫助人們完成貨物在樓梯間的搬運過程。同時，相比于使用輪椅上下樓梯的人口數(shù)目，使用爬升降機構搬運貨物的人群更加龐大，且使用場合更多。該項目設計的樓梯爬升降機的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：（1）通用性強。 上述中的

13、爬升機主要是如何代替人爬樓梯。而該項目設計的爬升機是為了搬運日常的生活物品（如行李箱），是一種搬運物品的工具。由于多層樓居民每天往樓上樓下拎的東西不同，所以這種通用的搬用工具更方便。（2）采用撥麥機構作為爬升機構，機構簡單。上述中的爬升機構使用到了導軌、履帶和旋轉輪。該項目的爬升機構類似于收割機的撥麥機構，是由液壓缸組成的一個旋轉桿。并且相比較而言，這種結構簡單，。（3）承載質量大。 該設計中使用了液壓系統(tǒng)，具有較大的支撐功能。根據(jù)日常生活的需要，設計車身時，考慮到了貨物的體積，因此，車筐的設計足夠大。動力系統(tǒng)的設計和電池能量的選擇都比較大。2.1 本課題研究的問題由于設計目的不同，本課題所研

14、究的樓梯爬升降機構有區(qū)別與以上所介紹的輪椅式爬升降裝置。該項目主要解決的問題主要有以下兩個方面：主要技術關鍵： 1樓梯爬升降機的機械結構設計。 2. 控制系統(tǒng)的設計與編程實現(xiàn)，進行編程調試，在一定程度上實現(xiàn)自動化。其中，升降機的機構設計主要包括：（1）爬升方式的選擇與設計。（2）轉彎機構的設計。（3）載物臺的機構設計。（4）傳動方式的選擇與設計。控制系統(tǒng)的設計主要包括：（1）動力源的選擇。（2）控制方式的選擇和設計。（3）傳感器的選擇和控制。2.2 采用的研究手段及途徑針對上述機械結構和控制系統(tǒng)的設計問題，給出了以下解決方案：機械機構設計解決方案：（1）采用撥麥機構作為爬升機構。在載物臺的四個

15、角處各安裝一個。這種機構在爬樓梯過程中運動比較穩(wěn)定，重心波動也小。與其他的爬升機構相比較，這種機構更加簡單。（2）轉彎機構采用萬向輪機構。在車架的四個角上各安裝有一個萬向輪，且安裝位置在爬升機構的后方，這是為了防止在爬樓梯的過程中，車輪與樓梯碰撞?？紤]到車身比較大，樓道的空間大小，所以四個輪都使用萬向輪機構，使人工轉彎時更加容易，方便。（3）載物臺是整個機構的載體。 該車有兩個載物臺，一個是擁有裝載貨物的車筐，車筐的設計充分考慮到了用戶日常搬運時貨物的體積和質量。并且采用鏤空式，減輕了車身的質量。另一個是承載動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的平臺，該平臺的大小由所承載系統(tǒng)的設備大小和臺階的寬度決定，還要考慮

16、該平臺與爬升桿間的位置關系，防止發(fā)生碰撞。（4）傳動機構選擇齒輪傳動和同步帶傳動。齒輪傳動用于將電機的轉動轉變?yōu)闄C構的轉動，考慮到爬升過程中扭矩的大小和爬升速度的控制，該車使用的是兩級減速裝置，既增大了扭矩又減小了爬升時的速度。同步帶傳動可以保證一定的傳動比，傳動效率也相對較高，也非常適合長距離傳送，因此，在本設計中，同步帶是將降速后的軸的轉動傳送到爬升機構軸的傳動，從而實現(xiàn)爬升降臺階的功能?？刂葡到y(tǒng)的解決方案：（1）該設計鉛酸蓄電池，直流力矩電機作為動力源。 該車的車身重，再加上要運送的貨物質量相對要大，因此，需要高能的鉛酸蓄電池作為能量源。直流力矩電機能夠隨著重物的不同改變力矩的大小，同時

17、通過不同的接線方式，可以實現(xiàn)電機的正反轉，滿足車子上下樓的要求。（2）該機構選擇單片機和開關聯(lián)合控制的方式。單片機是控制的核心，當人工啟動開關之后，所有的操作指令均有單片機發(fā)出。啟動系統(tǒng)后，單片機根據(jù)超聲波傳感器來判斷上到樓梯頂部和到達樓梯底部時的位置，從而控制電機的轉動。另一方面，通過計數(shù)傳感器來控制兩個電機不同時間的啟動，車子到達指定位置時，系統(tǒng)斷電，開關復位。（3）傳感器的選用超聲波傳感器和計數(shù)傳感器。通過超聲波傳感器的回波現(xiàn)象判斷車子的位置，當車子到達樓梯頂部和底部時，發(fā)回信號給單片機，間接控制電機的轉動。由于爬升機構的前端和后端不能同時接觸和離開樓梯，根據(jù)本設計的實際情況，使用計數(shù)傳

18、感器來間接控制前后電機的不同時啟動和停止。3 樓梯爬升降機的總體設計本課題設計是在超市購物車的基礎上進行改造?？紤]到爬升機構的大小及跨度要與樓梯的長和高相適應，車的底盤為1030mm，車寬為500mm，一次可跨越四個臺階。根據(jù)我國人均高度和推車的用力習慣，高度設計為1300mm。車筐與超市車的設計相同，采用鏤空式鐵絲焊接構成。為了保證重心的穩(wěn)定，將采用液壓缸控制車筐始終保持水平。 圖3.1 超市購物車 圖3.2 樓梯爬升降機該車最重要的設計部分是爬升機構，由于運動開始后車的前爬升機構和后爬升機構不能同時開始和同時結束工作，因此，采用兩個直流電機分別控制前后機構的旋轉，且直流電機可實現(xiàn)正反轉，以

19、此來滿足車的上下樓功能。爬升機構借鑒了小麥收割機的撥麥機構并進行改進，并利用單片機和傳感器等實現(xiàn)了半自動化控制。為了保證在爬樓梯過程中的平穩(wěn)性，該設計使用了多個液壓缸，并通過實際試驗控制液壓油的流量，從而控制爬升降桿的伸縮，使得車子在爬升過程中平緩上升?？刂撇糠植捎脝纹瑱C和人工控制結合的方式，實現(xiàn)小車的半自動化控制。以單片機作為控制中心，首先，由人工控制閉合開關1（控制上樓時電機的轉動方向），人工啟動控制系統(tǒng)。然后，單片機根據(jù)所編好的程序使各個部件執(zhí)行運動，當小車運動到樓梯頂端時，由前端的超聲波傳感器發(fā)送信號到單片機，單片機車前端的電機轉動，之后切斷后端電機轉動，同時，整個電路斷電，開關1復位

20、，小車停在樓梯頂端。由人手動旋轉小車，使其到達指定位置，開始下一個周期。當下車下樓時，再次由人閉合開關2（控制下樓時電機的方向），后端爬升降機構開始工作，之后通過計數(shù)傳感器使前端啟動，當?shù)竭_樓梯底部的平臺時，后端超聲波傳感器發(fā)射信號給單片機，電機依次停止轉動，開關2復位，系統(tǒng)停止工作。人工轉動車子到達指定位置，開始下一個周期。4 樓梯爬升降機的車身設計車身是整個機構的載體，無論是動力系統(tǒng)還是傳動系統(tǒng)，都是裝載車架上。同時，車身的形狀設計既要結合人的使用習慣，滿足爬樓的需要，又要具有一定的美觀效果，這樣才能實現(xiàn)普及的可能。4.1車身形狀的設計該設計中車身的設計是參考了超市購物車的外形設計，又根據(jù)

21、設計的時間情況進行了改造。4.1.1車身尺寸該車身的底部長度為1000mm，寬為500mm。車高為1160m，主要由方鋼組成。車身的設計考慮到了很多方面。車的寬度不能夠太大，因為大部分的樓道都比較窄，但又考慮到所載貨物的體積和質量，最終設定寬度為500mm（不包括爬升機構的寬度）。高度的設定是完全考慮到用戶的習慣，根據(jù)我國人口的平均身高，以及推車時候的舒服方式，設定為高度為1160mm（不包括車輪的高度）。臺階的寬度為260mm/階，高為160mm/階，為了讓爬升機構的每步的寬度都相等且與臺階相匹配，因此，前后兩個爬升機構間的距離至少為400mm。而爬升桿的長度為430mm，兩個旋轉桿之間至少

22、需要500mm。旋轉軸的運動和底部平臺有著密切的位置關系，并且考慮到底部的傳動系統(tǒng)的尺寸，最終確定為長度1000mm。如圖4.1，圖4.2和圖4.3所示： 圖4.1 車架 圖4.2 載物臺 圖4.3 爬升桿位置4.1.2車身形狀該車的車身形狀是在超市車的基礎上進行改進。車身底部時由兩個相互平行的方鋼組成，為保證其保持平行狀態(tài)，使用中間的載物臺固定其相對位置。超市車的底部是成梯形形狀，而該車設計成矩形形狀的原因是保證前后爬升機構沿著行進方向。不再考慮由于爬升機構和方鋼所成的角度而帶來的麻煩。車的后端有一個半圓形機構，該機構有三個優(yōu)點：一、增大了底部的空間。由于上面的車筐不用那么大的長度，而車的底

23、部需要足夠的空間，這樣的機構滿足了空間的需要。二、將車子的重心前移，這樣的機構使得車子的車筐部分靠近車的前端，所以放置的貨物也會靠近車子的前端，防止了車子在爬升過程中，由于重心靠后而造成車子翻到的情況發(fā)生。三、將車子的上下部分連接起來。這樣的轉彎機構是連接車子底部和車筐的連接體，省去了很多的連接件。如圖4.4所示： 圖4.4 車架半圓形機構5 樓梯升降機的爬升機構設計爬升機構是該設計的重點，本車的使用場合是實現(xiàn)車子在樓梯中的攀升和下降。為了使車子更具有普及性，該機構設計以簡單，容易制作為原則進行設計。如圖5.1所示： 圖5.1 爬升過程分析圖5.1 爬升機構的尺寸設計5.1.1 爬升桿的尺寸設

24、計爬升桿長為430mm，圓柱長度為390mm，兩端有半徑為20mm的半圓塊。導軌副是長20mm，寬20mm，高為120mm的方形塊。與導軌接觸的兩個圓柱孔圓心距離為100mm。桿與液壓缸接觸的兩個短桿圓心相距270mm，短桿直徑為20mm，長度為65mm。由于加工時比較麻煩，因此，可以采用鑄造的方式，材料為鑄鐵。如圖5.2所示： 圖5.2 爬升桿設計爬升桿的長度是根據(jù)二維圖作圖得出，如圖7所示。它需要滿足條件是：桿的最長端著地時，桿的最低端要大于臺階的高度160mm，本車中設計桿縮到最短時長度為190mm，且短桿與地面所成角度為76.3°。此時，桿的伸長端且著地端長度約為230mm，

25、為計算方便，長度定為240mm。所以桿長為430mm。桿兩端的半圓塊是考慮到桿的著地端從開始著地到離開地面都在發(fā)生變化，為了保證平緩的變化，故設計了該機構。與導軌接觸的孔與導軌形成導軌副，因此，該孔的粗糙度要滿足導軌副的要求，并且孔的表面要進行淬火處理，以保證有足夠的硬度。短桿的設計非常重要，它們之間的距離影響著導軌的行程。桿總長為430mm，導軌行程設計為80mm，桿伸到最長端時，著地端與旋轉中心的距離為240mm，所以可得出下面關系：短桿間的行程大于等于導軌行程?？纱_定短桿間最小距離為：(166+80)mm,加上短桿本身的半徑為10mm，因此，本設計中確定短桿間距離為270mm。短桿長度大

26、于液壓桿的高度，設定為65mm。如圖5.2所示。5.1.2導軌的設計在爬升機構中，導軌的作用是保證爬升桿的運動方向始終與液壓桿的方向一致，并且對爬升桿進行支撐。由于導軌受到一定的力，容易磨損，因此，導軌的表面要有足夠的硬度和順滑度，本設計中采用淬硬鋼導軌。導軌的有效長度為100mm，直徑為12mm，兩端各有一段長為17mm，直徑為10mm的支撐端，如圖所示：支撐端與支撐塊是小間隙配合，如圖5.3所示 圖5.3 導軌設計導軌的長度確定是由爬升桿長決定。爬升桿長為430mm，根據(jù)二維作圖可知，當爬升桿處于中間位置時，旋轉半徑為215mm。當爬升桿伸長到最長部分時，伸長端的旋轉半徑為240mm?？梢?/p>

27、得知，導軌的行程實際行程的一半應大于等于伸長長度。導軌的長度滿足該要求。導軌實際行程定位80mm，這是考慮到當車子到達樓梯頂部或底部時，車輪要準備工作。車輪的高度要比爬升過程中爬升桿最短的長度還要高，在整個爬升降過程中，避免了車輪與樓梯碰撞的情況發(fā)生。當電機停止轉動時，由于自身重力原因，爬升桿繼續(xù)收縮一定的長度（收縮量為8mm），直到萬向輪能夠工作。因此，該設計中導軌的行程要大于爬升桿的伸縮量，如圖5.4所示。 圖5.4 導軌位置5.2 爬升機構液壓缸的設計液壓缸的作用是將液壓能轉變?yōu)闄C械能，且做直線往復運動（或者擺動運動）的液壓執(zhí)行件。這種結構簡單，工作可靠。同時，液壓缸實現(xiàn)往復運動的過程中

28、，可以實現(xiàn)減速功能，免除減速裝置，沒有傳動間隙，運動相對平穩(wěn)，因此液壓系統(tǒng)在各種機械結構中得到了廣泛的應用。本設計中液壓缸的外徑為40mm，行程為100mm，完全滿足上述過程中爬升行程和導軌行程的需要。該機構中創(chuàng)新之處是液壓缸沒有直接接在液壓泵上，而是將液壓缸的進油口和出油口直接相連。在這里主要利用的是液壓缸的減速功能。因此，在液壓缸的進油口和出油口之間的油路上增加節(jié)流閥，使之改變成阻尼閥，以液壓缸的速度控制爬升桿的伸縮。為了保證車的穩(wěn)定性，因此，車子上一個臺階的時間約為1s/階。由上式可以得出，根據(jù)不同的重量，液壓缸的流量是不同的，用戶可以通過節(jié)流閥的大小控制爬升降過程中爬升桿的運動。5.3

29、 爬升機構的連接方式連接方式如圖5.5所示： 圖 5.5 爬升機構連接方式由于圖中的兩個桿相互垂直且向兩個方向伸縮，因此，車子上臺階的周期為爬升機構旋轉一周的1/4。最初的設計為將兩個桿放到一個車子的同側，然后將這兩個桿放在一個盒子里面，同時，每個爬升桿的伸縮由一個直接接在液壓泵的液壓桿控制，單片機控制電磁液壓閥的開關，從而控制液壓桿的運動方向。這種設計在控制上更加精確。但唯一的難點是，由于液壓缸要隨著爬升桿轉動，油路也要隨著旋轉，這就要求每個液壓桿就要配備一個液壓系統(tǒng)，這種設計不僅在費用上會造成很大的浪費，對機構設計的空間也有很高的要求。因此，本設計改用液壓缸自動控制，利用重力來調整伸縮，這

30、樣做就簡化了機構和減輕了質量。爬升桿與導軌配合，導軌固定在一個長為160mm，寬為130mm的鋼板上，該鋼板的重心有一個圓筒結構，與軸通過螺栓連接。這種結構式是考慮到，爬升桿受力時會使軸受到很大的彎矩，圓筒結構增大了軸與鋼板之間的受力面積。由于車架比較窄，無法直接將軸安裝在車架上。于是增加了一個空心方塊結構，該結構滿足了軸的安裝和同步帶輪的空間，如圖5.6所示： 圖5.6 鋼板和圓筒6 爬升降機的動力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)6.1 電動機的選型該車使用的是直流電動機，由于液壓控制和軸轉動不能用一個電機實現(xiàn)其功能，且前后兩組爬升機構需要不同時啟動和停止，因此，本車使用到三個電動機，其中帶動軸轉動的兩個電動

31、機型號一樣。液壓缸的電機是一個型號。6.1.1液壓缸電機的選型 該電機的計算要與液壓缸的使用聯(lián)系起來，液壓缸從開始啟動到頂端的時間約為3s，如圖6.1所示： 圖6.1 液壓缸位置假設車筐及貨物為100kg，那么在如圖所示的位置，液壓桿受到的力最大，設沿著液壓缸方向的力為F1，豎直方向上重力為G此時滿足：G/F1=/2 （1）其中,G=1000N,代入式（1）得F1約為1154N。液壓桿直徑約為16mm，則：P=F1/S （2）求得P約為6MPa。本車選用的液壓系統(tǒng)型號為RMH6110。該型號由揚州瑞騰機械有限公司生產，它的公稱壓力為16MPa，遠大于所需的壓力。該系統(tǒng)中電機的功率為100w，根

32、據(jù)公式：Pt=FS （3）其中，按照最大力做功，F(xiàn)=F1=1154N，S=0.125m，代入上式（3），求得P=76.6w?？梢钥闯隹紤]機械效率所選電機也滿足使用要求。6.1.2 軸電機的選型該電機選型為110ZYT55，輸出功率為360W，額定電壓為110V，電流不超過5A。轉速為3000r/min。根據(jù)設計，一級二級減速比均為18/62，為了保證車能夠平穩(wěn)的上下樓，因此，車的速度不能太大。初步設定速度為1s/階。每上四個臺階，車的爬升結構旋轉一周。那么車的轉速為：n=60(4*62*62)/(18*18)r/min （4）得n=2847.4r/min。該選型電機最高轉速為3000r/min

33、.因此，滿足設計需要。該車中傳動機構一共分為三級。一級和二級為斜齒輪傳動，傳動比為上18/62，三級傳動是同步帶傳動，傳動比為1/1。這兩種傳動方式的效率都比較的高，斜齒輪的傳遞效率為96%，同步帶輪的傳動效率高達98%，因此，該電動機所需的功率表示為：P=W/(0.96*0.96*0.98) （5）其中，W為電機所做的功，單位為J。 P為電機的功率，單位為w.根據(jù)估算，設定車身和重物共200kg，車子上升一臺階的時間約為1s，上升高度為160mm，即：mg=1960N，S=0.16m，t=1s。代入（6）式：W=mg*s （6）將式（5）和（6）聯(lián)合得出：P=347W。從功率方面看，該電機也

34、滿足設計需求。該電機的扭矩為100N/m。根據(jù)爬升桿圖6.2所示。當爬升桿伸到最長位置時，電動機所需要提供的扭矩最大。由于這時沿著桿的分力與重力所成角度較小，為了計算方便，我 圖6.2爬升過程分析圖們采用直接重力計算： T1=(2000N/4)*0.24 （7）T電機實際=T1*38*38/(132*132) （8）聯(lián)立公式（7）和（8）得出T電機實際=9.9N·m。而該電機的所能提供的扭矩是10N·m。T電機額定>T電機實際。所以，滿足使用要求。6.2 電池的選型目前，市場上所用的電池有鉛酸蓄電池，鋰電池等。本設計使用的是鉛酸蓄電池。根據(jù)電動機的需要，該設計使用的是

35、型號為8-DZM-20，額定電壓為80v，外形尺寸為250*100*125（mm），如圖6.2和圖6.3所示： 圖6.3 電池 圖6.4 電池參數(shù)鉛酸蓄電池采用電池槽蓋、極柱雙重密封設計，確保不漏酸，可靠的安全閥可防止外部空氣和塵埃進入電池內部。水的再生能力強，密封反應效率高，因此在整個電池的使用過程中無需補水或酸維護。特殊的密封機構，無酸液溢出，保證使用設備無腐蝕，防爆安全閥及其特殊結構起防爆作用，使電池在整個使用過程中更加安全可靠，充分保證了人、機安全。計算機精密設計的耐腐蝕鈣鉛錫合金板柵，克服了鉛鈣合金和普通低銻合金的早期容量衰減的缺陷，使電池的循環(huán)壽命和浮充壽命顯著延長。ABS耐腐蝕材

36、料的使用和極高的密封反應效率均保證了賽能電池的長壽命。該種電池體重比能量高，內阻小，輸出功率高，放電性能好。采用高純度原材料，嚴格加工工序生產，將雜質污染降到最低，使得電池的自放電控制在每個月3%以下。由于單體單體電池的內阻、容浮充電壓一致性好，因此電池在浮充使用狀態(tài)下無需均衡充電。溫度適應性強：可在（-3050）攝氏度下安全使用。而鋰電池對溫度有嚴格的使用要求，一旦溫度過高，容易發(fā)生爆炸，及其危險。同時，鉛酸蓄電池使用簡便，滿荷電出廠，無游離電解液，電池可橫向放置。性價比高，超長的使用壽命，極低的維護成本，合理的價格。因此，鉛酸蓄電池更能保證該設計實現(xiàn)功能的可靠性。7 樓梯爬升降機的傳動系統(tǒng)

37、傳動系統(tǒng)的作用是將原動機的運動和動力傳遞到執(zhí)行元件，故原動機類型和執(zhí)行構件的運動形式，運動參數(shù)及運動方位等都決定著傳動系統(tǒng)的方案。根據(jù)本設計的實際需求，該傳動系統(tǒng)中的傳動方式選擇為齒輪傳動和同步帶輪傳動。7.1 傳動方式的選擇7.1.1 齒輪傳動的選擇齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒直接傳遞運動和動力的裝置。該傳動主要傳遞動力和運動。其中包括直齒輪傳動、斜齒輪傳動、錐齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動等。在所有的機械傳動中，齒輪傳動應用范圍最廣，可以用來傳遞相對位置不遠的兩軸之間的運動和動力。該傳動的特點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、結構緊湊、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。該設計中選

38、擇使用斜齒輪為傳動方式。一、直齒輪的輪齒嚙合是間歇性的，由于在制造過程中容易產生誤差，輪齒的突然嚙入和突然嚙出，將導致機構行程瞬間沖擊，瞬時傳動比變化。直齒輪的輪齒受力面是沿齒輪軸向分布于全齒寬，而斜齒輪的受力面在齒輪軸向的分布卻不能布滿全齒寬，直齒輪在高速運行時會產生振動及噪音，斜齒輪比直齒輪承載能力大，運轉平穩(wěn)、噪音小，適用于高速、重載傳動。二、錐齒輪的主要用途是改變兩個相交軸的傳動方向，特點是可用于兩個軸不是平行的，允許有一定角度的傳動。而且相對于直齒輪和斜齒輪來說，造價要高。所以直齒輪不適合該車的傳動。三、蝸輪蝸桿主要是將圓周運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動方式，該輪的傳動比大，能夠實現(xiàn)自鎖，

39、但傳動效率地，嚙合面磨損嚴重。傳送的運動方式也不是該小車所需要的。7.1.2 同步帶傳動的選擇一般是由主動輪、和緊套在兩輪上的組成。的工作原理是利用中間件(帶)，靠摩擦力(或)在主、從動軸間傳遞旋轉運動和動力。同步帶是以鋼絲為抗拉體，外包或橡膠。為矩形，帶面具有等距橫向齒的環(huán)形，輪面也制成相應的齒形。該傳動的特點是：靠齒與齒之間的實現(xiàn)傳動，兩者對滑動，而使同步。優(yōu)點是：一.恒定；二.結構緊湊；三.由于帶薄而輕，高，故帶速40 m/s，可達10，傳遞功率可達200 KW；四.效率高，.98。另外，同步帶（橡膠雙面同步帶）能夠緩沖傳動沖擊和振動，因此具有傳動噪聲小的特點，它不需要潤滑，能夠滿足發(fā)動

40、機高轉速傳動的需要。而且，同步帶需要的安裝空間小，具有較好的環(huán)境適應能力。在很多發(fā)動機上，特別是在V形發(fā)動機上，由于安裝空間的限制，要求使用盡量少的傳動部件，而同步帶容易實現(xiàn)多功能化，例如一條同步帶能夠同時實現(xiàn)曲軸對發(fā)電機、轉向助力泵以及空調壓縮機等部件的驅動。7.2 傳動系統(tǒng)的校核7.2.1 軸的校核該軸的實體形狀如圖7.1所示： 圖 7.1 長軸軸在車中的位置如圖7.2所示： 圖7.2 長軸的位置軸的受力分析和尺寸如圖7.3所示： 圖7.3 長軸受力分析圖由圖可知，其危險截面為B截面，最大彎曲應力為620N·mm，根據(jù)上述中電機的選型中可知電動機的扭矩為10N·m。嚙合

41、關系如圖7.4所示： 圖7.4 齒輪嚙合T軸= （9）其中，r1為小齒輪半徑19mm； r2為大齒輪的半徑66mm； r3為軸的半徑9mm。代入式（9）中，得出T軸約為16.5N·m。由第三強度理論， （10）由于0.62N·m，遠小于扭矩，可忽略不計。得165Mpa。該軸的選用材料為45號鋼，其屈服極限為360MPa，遠大于165MPa,因此該材料滿足使用要求。8 控制系統(tǒng)的設計8.1 控制器的選擇PLC控制與單片機控制的比較（1）PLC能夠完成強電的盒及PID運算；而單片機則適用于小型自動控制領域及無線控制領域。 （2）單片機自身保護差，PLC自身保護強。（3）PLC控

42、制抗干擾能力比單片機強，PLC適用于中、大型設備，單片機適用于微、小型設備 。（4）從應用方面看，單片機可構成各種各樣的應用系統(tǒng)，而PLC只是單片機的一種特例，應用范圍較窄。（5）從復雜程度上來講，單片機的控制能實現(xiàn)比較復雜的運動；PLC一般適用于單向控制或重復數(shù)極少的項目。（6）PLC體積大，成本高，單片機體積小，價格相對更便宜。由于本論文所要研究的對象為半自動式 攜重物爬升機，其外形如圖8.1所示， 圖8.1 爬升機外形半自動爬升機的外形尺寸分別為：最大高度1.3m、最大長度1m、最大寬度1m。由其尺寸大小可知半自動爬升機為小型機械。攜重物爬升機在設計時，其運動過程涉及到直流電機正反轉、液

43、壓缸的伸縮、電磁閥的開合以及三者之間的協(xié)同運動，而且三者之間的運動要求較明顯的順序性；此外由于樓梯寬度有限，所以爬升機安裝零件空間有限，這就要求控制系統(tǒng)體積應盡可能地??；最后還應考慮到產品的設計成本和運動靈活性。綜上所述，本設計選定的控制系統(tǒng)為單片機，在滿足基本原理的前提下使設計更合理。8.2控制流程圖 機械運動過程中,各種運動的實現(xiàn)都有其基本運動機理，有時候各種運動之間是密切相關的，那個運動先執(zhí)行，那個運動后執(zhí)行，那個運動在哪個時間、哪個位置執(zhí)行都直接關系到整個機器是否能夠正常的完成其功能。而控制流程圖的設計就是在理清運動關系和控制原理的前提下，協(xié)調控制和運動之間的關系，是控制系統(tǒng)更簡便，運

44、動過程更合理。同時，在滿足運動要求的前提下，盡量不拘泥或局限于各種工藝基本運動模式中，應不斷發(fā)展和創(chuàng)新，在設計中對機械運動靈活運用,這就更加需要控制流程圖來幫助查看運動是否順暢合理以及提前發(fā)現(xiàn)干擾等問題。本論文所設計的半自動式攜重物爬升機的控制流程圖如圖8.2所示： 圖8.2 控制流程圖8.3控制程序編寫根據(jù)上述描述的運動過程，編寫下列程序：ORG 1000HSTART:MOV DPTR,#9FFFH ;8255初始化MOV A,#BMOVX DPTR,AKAISHI:MOV DPTR,#9FFCH 判斷總開關MOVX A,DPTRJNB ACC.0,ZUIHOUF0: MOV DPTR,#9

45、FFCH 是否為上升MOVX A,DPTRJB ACC.1,F1MOV DPTR,#9FFCH 是否為下降MOVX A,DPTRJB ACC.2,F2SJMP F0F1:MOV DPTR,#9FFEH 電機1正傳、S5閉合、電機三啟動MOV A,BMOVX DPTR,AMOV R7,03HL1:MOV DPTR,#9FFCH 查光傳感器1，統(tǒng)計拉桿轉數(shù)，判斷電機2是否啟動MOVX A,DPTRJB ACC.5,L1L2:MOV DPTR,#9FFCHMOVX A,DPTRJNB ACC.5,L2DJNZ R7 ,L1MOV DPTR,#9FFEH 電機2正轉MOV A,BMOVX DPTR,A

46、L3:MOV DPTR,#9FFCH 判斷行程1開關是否到位MOVX A,DPTRJNB ACC.3,L3MOV DPTR,#9FFEH S5閉合，電機3停止MOV A,BMOVX DPTR,AMOV DPTR,#3FFFH 啟動0809MOV A,#00HMOVX DPTR,AL4:MOV DPTR,#9FFCH 查EOC是否為一MOVX A,DPTRJNB ACC.7,L4L5:MOV DPTR,#9FF8H 判斷模擬電壓值是否0MOVX A,DPTRJZ ACC.0,L4MOV DPTR,#9FFEH 電機1停止，S6閉合，電機3啟動MOV A,BMOVX DPTR,AMOV R7,03

47、HL6:MOV DPTR,#9FFCH 查光傳感器2，統(tǒng)計拉桿轉數(shù)，判斷電機1是否停止MOVX A,DPTRJB ACC.6,L6L7:MOV DPTR,#9FFCHMOVX A,DPTRJNB ACC.6,L7DJNZ R7,L6MOV DPTR,#9FFEH 電機1停止MOV A,BMOVX DPTR,AL8:MOV DPTR,#9FFCH 判斷行程開關2是否到位MOVX A,DPTRJNB ACC.4,L8MOV DPTR,#9FFEH S6閉合、電機3停止MOV A,BMOVX DPTR,AJMP KAISHIF2:MOV DPTR,#9FFEH 電機2反轉、S6閉合、電機3啟動MOV

48、 A,BMOVX DPTR,AMOV R7,03HM1:MOV DPTR,#9FFCH 查光傳感器2，統(tǒng)計拉桿轉數(shù)，判斷電機1是否啟動MOVX A,DPTRJB ACC.6,M1M2:MOV DPTR,#9FFCHMOVX A,DPTRJNB ACC.6,M2DJNZ R7,M1MOV DPTR,#9FFEH 電機1反轉MOV A,BMOVX DPTR,AM3:MOV DPTR,#9FFCH 判斷行程開關2是否到位MOVX A,DPTRJNB ACC.3,M3MOV DPTR,#9FFEH S6閉合、電機3停止MOV A,BMOVX DPTR,AMOV DPTR,#3FFFH 啟動0809MO

49、V A,#01HMOVX DPTR,AM4:MOV DPTR,#9FFCH 查EOC是否為一MOVX A,DPTRJNB ACC.7,M4M5:MOV DPTR,#9FF9H MOVX A,DPTRJNB ACC.0,M5MOV DPTR,#9FFEH 電機2停MOV A,BMOVX DPTR,AMOV R7,03HM6:MOV DPTR,#9FFCH 查光傳感器1，統(tǒng)計拉桿轉數(shù)，判斷電機1是否停止MOVX A,DPTRJB ACC.5,M6M7:MOV DPTR,#9FFCHMOVX A,DPTRJNB ACC.5,M7DJNZ R7,M6MOV DPTR,#9FFEH 電機1停MOV A,

50、BMOVX DPTR,AM8:MOV DPTR,#9FFCH 判斷行程開關1是否到位MOVX A,DPTRJNB ACC.3,M8MOV DPTR,#9FFEH 電機3停、S5斷開MOV A,BMOVX DPTR,AJMP KAISHIZUIHOU:SJMP $ 結 論一個學期的畢業(yè)設計終于接近尾聲，我在這里對這段時間的學習做一個簡單的總結，對該設計的內容進行重新概括。本設計從開始的出發(fā)點就是設計出能夠為大眾服務的樓梯爬升降機，對于爬樓梯機器來說，這不是一個新的課題，從幾年前就有很多人開始研究，他們的目的是照顧不能自己解決上下樓問題的殘疾人和老年人。且主要研究還是在國外進行的。我國很少有這方面的研究。從以往的研究成果來看，能夠實現(xiàn)樓梯爬升降功能的機器至今有兩大問題無法解決。1、 體積大，重量大。由于樓梯這種特殊的不連續(xù)結構，在設計的時候要考慮到車的跨度要與臺階的寬度和高度相適應，并且臺階的高于寬不相等，為了保證平穩(wěn)性，就