毕业设计（论文）-多功能电动载物爬楼助力装置设计

徐州工程学院毕业设计说明书多功能电动载物爬楼助力装置设计DESIGNOFMULTIFUNCTIONALELECTRICLOAD-CLIMBINGDEVICE摘要全套图纸加V信153893706或扣3346389411本装置是一个多功能型的电动载物爬楼助力装置，它是为了解决中高楼层的居民(尤其是腿脚不便的人)脚力上下楼携带了重物以后难以爬楼的问题的，同时还可以减轻物流人员的物品搬运的负担。既可以爬楼越阶，又能够平路行走的电动助力装置。本设计首先对国内外市场上现有的载物爬楼的装置进行了简要分析，指出了它们的不足之处。然后基于大家对装置的功能需求，提出了一种适合多种人群使用的，多功能两用爬楼装置的设计方案，并根据设计方案对小车的机械结构组成和控制程序进行了分析，同时还对小车的爬楼速度、小车爬楼驱动力矩以及强度校核进行了计算。最后，基于Creo3.0平台进行了整车运动仿真，并对关键零件受力分析。主要完成工作如下：(1)对多功能电动载物爬楼装置调研，比较不同的方案，确定最终方案。(2)详细设计多功能电动载物爬楼装置的机械传动系统和程序控制系统。(3)基于Creo完成装置的三维模型的装配，并检验是否干涉，最后进行运动仿真。(4)基于ANSYS对主要零件进行了静力学分析，验证设计的结构受力是否合理。(5)在上述条件都满足的情况下上，进行整体制作，并实地测试装置可行性。结果表明：在负载情况合理的情况下，本装置无运动干涉，材料刚度和强度均满足要求。是以本作品多功能电动载物爬楼助力装置能够保证安全，且具有较快的路行速度的能力，足够达到无电梯公寓楼中的既要快速行驶又要安全载物爬楼的需要。关键词载物装置；多功能；爬楼；结构设计

AbstractThisworkisamultifunctionalelectricload-climbingdevice,Inordertosolvetheproblemsofcarryingheavyupstairsordownstairsfortheresidents(especiallytheelderly)andthehandingproblemsforlogisticsstaff,Idesignedanelectricpowerboosterwithbothclimbingandroadfunctions.First,thedesignbrieflyanalyzedtheload-climbingdevicethathasappearedinthepresentinthedomesticandforeignmarketsandpointedoutitsshortcomings.Thenbasedonthefunctionalrequirements,itproposedadesignschemeofamultifunctionalelectricdevicewithbothclimbingandroadfunctionssuitableforavarietyofpeopletouse,andanalyzedthestructureandclimbingprincipleofthecaraccordingtothedesignscheme,carriedoutthetheoreticalanalysisandcalculationofthedrivingspeedofthedeviceandtheclimbingpowerofthedevice.Finally,thedesigncarriedouttheoverallmotionsimulationofthedeviceandthestressanalysisofthekeypartsbasedonCreo3.0platform.Themainworkisasfollows:(1)Researchonmultifunctionalelectricload-climbingdevices,comparedifferentprograms,definethefinalprogram(2)Designofthemultifunctionalelectricload-climbingdevice'smechanicaltransmissionsystemandprogramcontrolsystemindetail(3)Completetheinstallationofthethree-dimensionalmodeloftheassemblybasedonCreo,andtestwhetherthereisinterference,andfinally,carryoutthesimulationofthemovement(4)BasedonANSYS,themainpartswerestatisticallyanalyzedtoverifywhetherthestructuralforceofthedesignwasreasonable(5)Inthecaseoftheaboveconditionsaremet，maketheoverallproductionandfieldtestthefeasibilityofthedeviceTheresultsshowthatInthecaseofreasonableloadconditionsandnomovementintervention,thematerialstiffnessandstrengthissafeenough.Sotheworkofthismultifunctionalelectricload-climbingdevicecanmeetthepoweroftherequirementsofclimbingthefloor,andhasarelativelyfastroadspeedability,andItiscompletelyabletomeetthenon-elevatorbuildings’needforamultifunctionalelectricdevicewithbothclimbingandroadfunctions.Keywordsloadingdevicemultifunctionalclimbarchitecturaldesign目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1选题背景 11.2国内外研究现状 11.2.1履带式 11.2.2轮组式 21.2.3步进式 21.2.4腿足式 31.3研究意义 32总体方案设计 52.1设计要求 52.2类型选择 52.3确定结构 52.3.1机械结构 52.3.2电子控制元件 63机械结构设计 83.1车架 83.2扶手 83.3车轮连接 93.4支撑板 93.5传动机构 104驱动系统设计 124.1驱动电机的选择 124.1.1受力分析 124.1.2电机选型 124.2步进电机驱动原理 134.3减速机的选择 144.4蓄电池的选择 144.5传动轴的运动 154.5.1各轴转速 154.5.2各轴的输出功率 154.5.3各轴的转矩 154.5.4动力参数整合 155机械结构计算与校核 165.1齿轮设计 165.1.1选择齿轮精度等级、材料、热处理、齿面硬度、传动比及齿数 165.1.2按齿面接触疲劳强度设计计算 165.1.3确定齿轮传动的参数和尺寸 185.1.4校核齿根弯曲疲劳强度 195.2轴的设计 205.2.1轴的功用和分类 205.2.2受力轴的校核分析 205.2.3传动II轴的计算与校核 225.3轴承校核 236关键零件静力学分析 256.1ANSYS简介 256.2ANSYS操作界面 256.3详细分析步骤 266.3.1导入模型 266.3.2添加材料库 266.3.3添加模型材料属性 266.3.4划分网格 276.3.5施加载荷和约束 286.3.6结果后处理 286.4分析报告 307控制系统设计 317.1电动机的连线 317.2单片机控制原理 317.2.1程序原理图 317.2.2程序编译 328总装 338.1三维模拟 338.2实物装配 34结论 35致谢 36参考文献 37附录 39附录1单片机控制程序 391绪论1.1选题背景随着我国的城镇化进程不断推进，居民楼的建设也是飞速发展。根据国家住建部门的规定，十层及以上都要求安装电梯，而十层以下的虽然也在《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》中作了规定，但也只有部分明确要求安装电梯。也就是说，基于我国目前的发展状况和受其它各方面因素的限制，大多数低于10层以下的普通居民楼并未安装电梯，居民们上下楼搬运货物非常不方便。而随着我国老龄化的日益严重，我们对老年人日常生活的关爱也越来越重要。独居老人逐年增多，老年人日常生活中搬运物质上下楼不可避免，但体力受制带来诸多困难。特别是无电梯的老小区里居住的老年人载物上下楼苦不堪言，生活质量严重下降，对于老小区加装电梯想法很美好，但现实很残酷，受制于诸多条件。研制此适用于老年人群体的多功能电动载物爬楼助力装置则能极大改善他们的困扰。而电子商务业务的发展速度更是日新月异。可就目前而言，物流行业在配送时，采用的方法始终以人力为主的。一旦遇到较重的货物，则需依赖两三个甚至更多的送货人员来达到配送上楼的要求。本装置则能够缓解物流行业对体力劳动者的依赖，帮助物流人员轻松、方便地将货物运送达指定楼层。另外，许多大商场(特别在家电区)都配有送货上门服务，如果遇到没有电梯的小区，运送上楼的工作量就会十分巨大。还有一些送水、送煤气的业务，对于这些等不起的业务，运送上楼的工作给居民带来极大不便。而本作品所设计的载物爬楼助力装置快捷又安全，可以非常方便的实现文明装卸、派送各类物件，还能在运送的过程中明显减轻物流工作人员的劳动强度。基于此，针对市场需求，本作品设计一款多功能电动载物爬楼助力装置，以期为老年人群体、物流工作人员提供便利。[1]1.2国内外研究现状通过查阅大量书籍资料，分析市面上出现过的爬楼装置，按其爬楼时实现其动作的方式分类主要有四种：履带式、轮组式、步进式和腿足式。以下简单介绍了这四种行进方式，并对它们的优缺点进行分析。1.2.1履带式履带式的爬楼装置原理相对更加简单，技术足够成熟。它是利用智能化的检测，对路面环境进行分析，然后决定下一个动作的。这种类型的装置通常会设置两个行进模式，一种是平地路面，这种情况下可以直接使用滚轮模式行进，另一种是楼梯路面，这时就会变为履带模式来爬楼。爬完最后一级台阶，再次检测为平地路面，变回滚轮行进的方式。履带式行进的适应性很强，能够在各种复杂不规则的路面上动作。若应用这种的原理，将其改成轮椅，就能给使用的老年人或腿脚不便的残疾人提供很大便利。不过它也有很大的局限性，这种装置的两种行进方式完全不同导致它要携带两种行进设备，占地面积大不说，质量也十分巨大，难以携带和安放。另外，不规则的路面会给履带来较高的磨损伤害，装置维护和保养的成本很高，甚至对楼梯也是存在伤害的[2]。如图1-1的(a)、(b)、(c)所示。(a)(b)(c)图1-1履带式爬楼装置1.2.2轮组式轮组式的爬楼装置胜在结构简单，动作过程简单，但其稳定性不高，动作时难以使重心保持稳定，它和履带式一样，占地面积大且质量也巨大，狭窄的楼道无法使用。因此，虽然轮组式爬楼装置的运动灵活，但是载物平稳性太差，重心起伏会对货物带来很大伤害，同时也给使用者带来了许多不便。另外，如果轮组式的爬楼装置体积太大，就会导致难以普及到普通住宅楼梯中去使用。如图1-2的(a)、(b)、(c)、(d)所示。(a)(b)(c)(d)图1-2轮组式爬楼装置1.2.3步进式步进式的爬楼梯装置，越阶动作由复杂的机械传动机构组成。上台阶时装置会把负重托起，然后向前平移到上一级台阶，重复这两个动作就能爬楼。步进爬楼装置中采用了多种不同机械结构。此类爬楼装置的运动非常平稳，并且适用于各种不同楼梯，但对控制程序的要求非常高[3]。如图1-3的(a)和(b)所示。(a)(b)图1-3步进式爬楼装置1.2.4腿足式腿足式主要特点是，越阶的动作是一个类似于人的腿足爬楼的过程。早期的爬楼装置采用的都是这种方式。越阶时，两套腿足装置中的一套接触地方，撑住整个装置的重量，另一套抬上一个台阶，交换重心，就像是人的双腿一样爬楼。此类爬楼装置行走的时候运动幅度小，动作相对缓慢，控制和操也相当复杂[4]。如图1-4所示。图1-4腿足式爬楼装置1.3研究意义由上面的介绍可知，国内外在爬楼装置方面的研究都已经相当深入，但是它们或多或少存在一些问题。国内的研究与国外相比起步稍晚，可能由于种种因素，没能集中人力、物力、财力投入到它的研究中，也因为目前使用爬楼装置成本昂贵，难以广泛投入日常生活中使用。想要将其推广，就得先解决成本和多功能这两个关键问题。就目前的情况来看，依然存在许多没有配备电梯的公寓，就算装了电梯，一旦遇到停电电梯就会无法使用，楼层稍高的连搬运日常用品或买菜都会有很大困难，这些都可以借助电动载物爬楼助力装置，再加上上述的各项优点，我认为这种多功能电动爬楼装置市场前景广阔，假如成功推广，一定会产生较大的效益[5]。

2总体方案设计2.1设计要求本作品将基于机械、电子、控制等专业知识进行巧妙设计结构、合理布局电子元器件，集跃阶助力搬运、语音警报、自保护等功能为一体。可顺利实现上下楼跃阶及平地场合的电动助力载物；电量低压警报；易碎物品防震减振；防过载自保护。可以折叠节约空间，结构简单，安全性高，成本相对较低，操作也人性化，这有效提升了老年人、物流运输人员或其他需要帮助的人的生活品质[6]。设计要求主要如下：(1)最大载荷为50kg；(2)有安全保护装置，爬楼越障时稳定性强；(3)适合与中国楼梯的标准。我国的楼梯的台阶长度基本在20-25cm之间，台阶高度大约为15-17cm。因此为保证爬楼机在上下楼梯时的安全，参考运行的实际情况，暂定爬楼机的载重为50kg，爬楼的速度为1阶/秒，长宽高50/25/120~150cm。2.2类型选择表2-1爬楼机构优缺点对照表爬升机构履带式轮组式步进式腿足式台阶适应能力高中高高稳定性高中高低控制难度中低中高结构复杂程度中低中高对台阶的损伤高中低低行走阻力大小高高中中经过比较和分析了表2-1中列出的各种结构的优缺点以后，本设计决定采用步进式的电动爬楼助力装置。通过单片机控制程序，简化其操作的复杂性，以此来达到产生社会效益和经济效益的目的。2.3确定结构2.3.1机械结构(1)支架支架是装置的基础，它的设计应结合装置各部分结构布置的要求，同时还要具有足够的强度和刚度，使装置能够顺利地通过各种不同的复杂路况，本身的质量还要尽可能小。(2)支撑板支撑板应尽量离地面近些来布置，这样可以降低重心，可以提高装置运行的稳定性。支撑板与支架是通过合页连接的，不用时可以将支撑板向上翻起，以提高装置的空间利用率。(3)传动机构整整个装置主要由驱动部分、传动部分和工作机部分构成。传动机构在驱动和工作机之间，用来传递动力和各部分的运动，然后改变转矩、转速的大小或改变机构的运动形式，以此来改变装置的工作机部分的动作要求。传动机构的设计会对整个装置都有影响，因此我们需要合理地确定装置的传动机构的设计方案。根据工作机的动作的要求，设计时需要考虑到传动机构的各项性能要求等。因此我们需要尽量提高传动机构的效率来降低机构的损耗、延长寿命、让结构紧凑、最重要的还是要保证传动效率。上下楼过程中，传动的每一级都要紧凑，每一个尺寸都要严格，由于载荷变化不是很大，而在这个过程中装置又对平稳性的要求非常高，所以我选择齿轮传动。因为齿轮传动没有弹性滑动或者打滑的现象，传动非常可靠，而且还能在高温、潮湿、多尘等多种不同条件下进行作业[7~9]。(4)驱动结构装置依靠电机来驱动，蓄电池为电机提供能源。电机的不同分类如图2-1的(a)、(b)、(c)所示。(a)(b)(c)图2-1电机的分类(5)车轮爬楼装置的主轮会承载主要的重量，因此选择的是高强度的充气橡胶车轮，它能够对装置爬楼时的震动起减缓作用，保护了货物的安全。连杆机构上的阶跃小轮是上楼的主要驱动装置。在装置上下楼的行进中，要用小车轮抵住地面作为整个装置的支撑，所以选择高强度橡胶小轮，它是固定住的，这样既可以减少阶跃小轮与台阶面接触时的磨损量，又可以通过橡胶来进行缓冲和降低噪音。支撑板下装有万向轮，方便使用者在狭小的空间内能够转弯或进行其他动作。2.3.2电子控制元件(1)传感器载物台上置有半桥式的压力传感器和DHT11温度湿度传感器，压力传感器通过HX711模块转换信息发送给51单片机，而DHT11温度湿度传感器，则直接将信号发送到51单片机。(2)显示器编写程序，将DHT11温度湿度传感器上的信号显示在1602液晶显示屏上；预设一个压力值上限，超过上限则触发蜂鸣器发出响声，1602显示“超载”。用单片机实时监测电池电量，将电压在1602上显示，设定电量下限值，电量低过下限时报警，1602显示“低电量”，起警报作用。

3机械结构设计3.1车架车架总的结构如图3-1所示。图3-1车架支架采用PVC材料构建，阶跃时支架另设有可伸长部分方便爬楼，符合人体工程力学的要求，伸长处用销钉固定。3.2扶手扶手处用弯羊角车把，如图3-2，3-3所示。图3-2弯羊角车把图3-3扶手的装配3.3车轮连接橡胶轮与车架处的连接处选用V形块连接，材料为45号钢。如图3-4所示。图3-4V形块3.4支撑板使用的是6001铝材料，美观轻便又牢固，保证了装置的承重能力。合页用不锈钢的材料，这样可以保证它的强度。如图3-5所示。图3-5支撑板及其连接支撑板底部装四个万向轮，方便装置在装有货物时的运动。如图3-6所示。图3-6万向轮3.5传动机构本装置爬楼驱动阶跃关键在其传动的部分，在电机与减速器的作用下，带动齿轮转动，继而带动摆杆转动，摆杆与连杆处用对紧螺丝固定。滑竿在轴承中前后滑动，带动连杆。当连杆前端的阶跃小轮搭到上的一个楼梯的台阶时，以落点作支撑，将后面的主轮抬起，继而上到台阶。在步进电机的控制下，重复前面的动作来达到爬楼的效果。传动结构如图3-7所示[10~12]。图3-7阶跃传动机构然后将传动结构通过轴固定在车架上，小轮固定在连杆前端。如图3-8所示。图3-8传动结构装配

4驱动系统设计4.1驱动电机的选择4.1.1受力分析图4-1受力分析根据图4-1的受力分析可以知道：力臂长度见(4-1)：l=275载重为50kg，算上自重5kg，受力见(4-2)：F=55×9.8=539N(4-2)因此装置需要力矩见(4-3)：M=539×255.5×cos4.1.2电机选型步进电机是一种能将输入的电脉冲信号进行转换，输出角位移或者线位移信号的开环控制，控制步进电机按预设定的某个方向转动固定的角度。也就是说，步进电机是通过控制输入脉冲的数量跟频率，来达到控制其转动的角度和速度的目的，因此不需要任何反馈的信号[12~15]。步进电机有以下优势：(1)步进电机的步距值一般不受干扰。(2)误差不长期积累。步进电机的行进每一步都可能都存在误差，但每转一圈，其误差就会清零。(3)步进电机的控制性能非常好，不管是启动、停止还是翻转都能够在少数脉冲内完成，在某一频率范围内时，运行绝不会丢失一步。由于设计要求的爬楼速度为1阶/秒，电机速度即为60转/min。则其所需功率见(4-4)P=T根据装置所需要的功率大小，再考虑到设计装置的经济性和实用性，我最终选择了闭环步进电机SY86STH156-1000，其额定功率为1.256KW。电机尺寸图如图4-2所示，驱动器尺寸图如图4-3所示，具体参数见表4-1。图4-2电机尺寸图图4-3驱动器尺寸图表4-1电机主要数据框号静力矩额定电流轴键槽最高转速额定转速86×8612N·m4.2A14mm5×5×252500rpm1000rpm4.2步进电机驱动原理步进电机是用一种名为是步进电机驱动器的电子装置来进行驱动的。驱动器会放大控制系统发出的脉冲信号，再转换成角位移，它与电机之间存在正比关系。驱动器改变脉冲信号的频率，来调整对步进电机进行的速度；改变脉冲信号的个数，来给步进电机进行定位。驱动控制此类电机的系统一般由三部分构成：(1)步进控制器：本设计是由51单片机实现的。(2)驱动器：放大单片机输出的脉冲来驱动步进电机。(3)步进电机。4.3减速机的选择减速机选择[16]与所选电机适配的86行星减速机，为了能够满足装置所需力矩，选取减速比i1=16，如图图4-486行星减速机尺寸图4.4蓄电池的选择本装置装载的是额定电压为48V的蓄电池，选择可循环使用的供电能源，以配合爬楼装置使用寿命的要求。想要从市场上现有的常见的四种蓄电池产品(铅酸电池、镍锌电、镍氢电池、镍锌电池和锂电池)中选择一种性价比最高的蓄电池，需要从电压大小、价格成本等多方面进行考量，后三种性能优越，而且使用时间也长，不过价格相对比较高[17]。其中锂电池优势最突出：(1)锂电池电压高，质量小，安全性强。(2)锂电池的能量和密度针比其它电池都高。(3)锂电池的使用寿命非常长，一般在6到9年。(4)自放电低，且无记忆效应。具备高功率承受力。(5)锂电池是一种绿色环保的电池，它不含重金属有毒物质。因此锂电池得到了大家的广泛应用。所以，本装置选择的供电能源是锂电池。本装置选用的是行威牌的锂电池。该电池采用A品18650三元锂电池电芯。该电池具有比其他材料的电池更优秀的低温特性和高温存储性都。而且它的循环寿命长、内阻小、电压非常平稳没有记忆效应。且都经过了严格的配组。该锂电池的参数为48V10AH(140mm×115mm×70mm)。4.5传动轴的运动4.5.1各轴转速将电动机的输出轴看作0轴，那么减速器的输出轴(即与第一个齿轮相连接的轴)为I轴，而第二个齿轮中间的轴为II轴。[18-20]各轴转速见(4-5)(4-6)(4-7)：nnInII4.5.2各轴的输出功率按照电机额定功率Ped来计算各轴的输出功率，且假定每级传动的功率损失为5%，则各轴输出功率见(4-8)(4-9)(4-10)：P0PIPII4.5.3各轴的转矩见(4-11)(4-12)(4-13)T0TITII4.5.4动力参数整合如表4-2所示：表4-2各传动轴的主要动力参数各传动轴转速/r/min输出功率/kw转矩/N0轴10001.25612I轴62.51.1932182II轴62.51.1335173

5机械结构计算与校核5.1齿轮设计5.1.1选择齿轮精度等级、材料、热处理、齿面硬度、传动比及齿数(1)选择精度等级本装置只属于普通工作机，速度也不高，因此本装置的传动齿轮选用的是七级精度[21]。(2)选择齿轮材料因传递功率一般，转速也一般，所以齿轮材料选择便于制造且价格便宜的45号钢。(3)热处理方法及齿面硬度主动齿轮：45号钢(调质处理)，硬度为240HBS。从动齿轮：45号钢(正火处理)，硬度为200HBS。(4)选齿数Z1、Z2Z1=30，i=1，Z2=i×Z1=30。5.1.2按齿面接触疲劳强度设计计算设计公式见(5-1)：d1t(1)初选载荷系数Kt试选载荷系数Kt=1.3。(2)从动齿轮传递转矩TII从动齿轮名义转矩见(4-12)：T(3)选取齿宽系数Φd查表5-1中的表，选取该齿轮的齿宽系数为Φd表5-1齿宽系数ψd支承对齿轮的配置载荷特性ψdψd工作齿面硬度一对或一个齿轮≤350HB两个齿轮都是>350HB一对或一个齿轮≤350HB两个齿轮都是>350HB对称配置并靠近齿轮变动较小1.8(2.4)1.0(1.4)0.8-1.40.4-1.9变动较大1.4(1.9)0.9(1.2)续表5-1支承对齿轮的配置载荷特性ψdψd工作齿面硬度一对或一个齿轮≤350HB两个齿轮都是>350HB一对或一个齿轮≤350HB两个齿轮都是>350HB非对称配置变动较小1.4(1.9)0.9(1.2)结构刚性较大时(如两级减速器的低级)0.6-1.20.3-0.6变动较大1.15(1.65)0.7(1.1)结构刚性较大时0.4-0.80.2-0.4悬臂配置变动较小0.80.55变动较大0.60.4(4)弹性系数ZE根据常用材料弹性系数表，可以得到材料弹性影响系数为ZE=189.8MPa。(5)节点区域系数ZH节点区域系数为ZH=2.5。(6)接触疲劳强度极限σHlim1、查表可得σHlim1=(7)接触应力循环次数N1、N2求齿轮的工作力循环次数N的公式见(5-2)：N=60njL式中n—齿轮转速(r/min)；j—齿轮每转一圈，同一个齿面啮合齿数；Ln—齿轮的工作寿命(工作寿命=年数×天数成每天工作小时数)。两齿轮应力循环次数见(5-3)：N1=60×62.5×1×N(8)接触疲劳强度寿命系数ZN1、ZN2由上述所得的接触应力循环次数，求得接触疲劳寿命系数见(5-4)(5-5)：ZNZN(9)接触疲劳强度安全系数SH本装置定失效概率的数值为1%。那么可以知道接触疲劳强度的最小安全系数为SH=1。(10)计算许用接触应力许用接触应力的计算式见(5-6)：σH由此可以得出许用接触应力见(5-7)(5-8)：σHσH(11)计算小齿轮的分度圆直径d1t见(5-9)：d1t(12)计算圆周速度见(5-10)：v=π(13)确定载荷系数K查阅手册得使用系数KA=1。因为v=0.18m/s，精度等级为七级，可以查得动载荷系数KV=1.01。传动方式选用直齿轮传动。其齿间载荷分配系数KHα=KFα=1,故载荷系数见(5-11)：K=K(14)修正从动齿轮的分度圆直径见(5-12)：d15.1.3确定齿轮传动的参数和尺寸(1)确定模数见(5-13)：mt(2)分度圆直径见(5-14)：d1(3)计算传动中心距见(5-15)：a=(4)计算齿高见(5-16)：h=2.25×5.1.4校核齿根弯曲疲劳强度校核公式见(5-17)：σF(1)确定齿形系数查表可知，YFa1=Y(2)确定应力修正系数查表可知，YSa1=YSa表5-2齿形系数YFa/应力校正系数YZ303540455060708090Y2.522.452.402.352.322.282.242.222.20Y1.6251.651.671.681.701.731.751.771.78(3)弯曲疲劳强度极限σFlim1查表得：主动齿轮的σ从动齿轮的σ(4)弯曲疲劳强度寿命系数YN1、YN2查得Y(5)弯曲疲劳强度安全系数SF选取弯曲疲劳强度的最小安全系数SF=1.4。(6)计算许用弯曲应力见(5-18)：σFσ(7)校核齿根弯曲疲劳强度见(5-19)：σF因此满足弯曲疲劳强度要求。5.2轴的设计5.2.1轴的功用和分类(1)作用轴是构成机构的基础零件，用于安装、固定和支承机器的回转部分，固定其工作位置，与此同时还要传递机构的运动和动力。[22~24](2)分类心轴：承受弯矩不承受扭矩。这种轴是用来支承传动零件的，并不传递扭矩。受力发生弯曲变形。传动轴：承受扭矩而不承受弯矩，或弯矩很小。这种轴是用来传递动力和运动的。受力发生扭转变形。转轴：既承受弯矩又承受扭矩。5.2.2受力轴的校核分析(1)按弯扭合成强度条件校核取轴长为380mm，直径为20mm。材料选择45号钢(调质处理)。因为该轴不受扭力，因此只需校核弯矩。查阅资料可得45号钢(调质处理)的材料力学性能数据如下：抗拉强度极限σ屈服强度极限σ弯曲疲劳极限σ剪切疲劳极限τ按第三强度理论求轴的应力见(5-20)：σca式中σca—轴的计算应力，MPaM—弯矩，N·mm；T—扭矩，N·mm；W—抗弯截面系数，mm3；σ-1—许用弯曲应力，抗弯截面系数见(5-21)：W=π查表可得σ做出弯矩图，如图5-1所示。图5-1轴的载荷分布计算危险截面出的参数，如表5-3所示。表5-3危险截面载荷分析表载荷水平面H垂直面V支反力FFNH1=FNH2=FNH3=FNH4=275NFNV1=FNV2=0弯矩MMH=275*75-275*240+275*305=38500N·mmMV1=MV2=0总弯矩M扭矩TT=0所以(5-20)：σ满足强度要求。(2)按疲劳强度条件对受力轴进行精确校核因为该轴只有法向应力，选取安全系数S=1.5，所以应满足(5-22)：Sσ式中Kσσaσmφσ查阅资料可得：Kφ则轴的弯曲应力幅和平均应力见(5-23)(5-24)：σaσm那么可以求得(5-22)：S所以疲劳强度满足要求。5.2.3传动II轴的计算与校核(1)II轴的轴径计算II轴的转速为n=62.5r/min，功率为P=1.1335kw经分析，本装置的原理为用齿轮与齿轮的啮合来传递动力，II轴旋转以实现装置的运动。工作过程中主要承受扭矩，所以属于传动轴。因此只需要满足轴的扭转强度，根据轴的扭转强度条件来设计轴径。选择的轴的材料为40Cr(调质处理)。适合用于载荷较大而无很大冲击的重要轴。查阅资料可得40Cr(调质处理)的力学性能数据如下：抗拉强度极限σ屈服强度极限σ弯曲疲劳极限σ剪切疲劳极限τ轴径的计算公式见(5-25)：d≥A式中d—剖面处轴的直径(mm)；n—轴的转速(r/min)；P—轴传递的功率(kw)；A—按τ定的系数；τ—轴的许用扭转切应力；v—空心圆轴的内径d0与外径d之比。选用实心轴，查表，取τ为70，可得A，见(5-26)：A=3则(5-25)：d取其轴径为25mm。(2)按疲劳强度条件对II轴进行精确校核因为该轴只受扭转切应力，选取安全系数S=1.5，所以应满足(5-27)：Sτ式中Kττaτmφτ查阅资料可得：Kφ应力幅和平均应力(5-28)(5-29)：W=τaτm那么可以求得(5-27)：S所以疲劳强度满足要求。5.3轴承校核(1)轴承的选型根据设计需要，上述两轴均需轴承的连接。都选用深沟球轴承，这种轴承一般只承受纯径向的载荷，这样接触角就是0。此类轴承结构简单，使用也非常方便，因此应用最为广泛[25~26]。查机械设计手册，选择：受力轴的轴径20mm，选择轴承的外径为37mm，选取的该轴承代号是61904。它的厚度为9mm，基本额定载荷为3.7kN，而该轴的最大受力为275N，所以满足轴的要求。传动II轴的轴径25mm，选择轴承的外径为37mm，选取的该轴承代号是61805。它的厚度为7mm，基本额定载荷为2.9kN，而该轴的最大受力为275N，所以满足轴的要求。(2)轴承的校核检验轴承的寿命是否符合要求(5-30)：L=式中L—轴承寿命，以h作计量单位；n—轴的转速，r/min；CdPdϵ—轴承寿命指数，滚子轴承的值为3.3。当量动载荷Pd的计算公式见(5-31)Pd式中FrFa因为II轴和受力轴均不受轴向载荷，所以F查机械设计手册表7-2-65，可以得到X=1，所以(5-30)：LL所以符合强度要求。

6关键零件静力学分析6.1ANSYS简介ANSYS是一款应用广泛的工程分析软件。主要是分析机械结构系统在受到外力负载时会出现的变化，根据显示的变化能够观察机械结构系统受力后的状态，进而确定设计是否满足要求。机械结构系统中的几何结构十分复杂，受力也非常多，这样理论分析就会难以进行。所以分析前必须简化机械结构，用数值模拟分析法。因为计算机行业正在飞速发展，各行业的专业性软件也随之得到发展，而ANSYS这款软件在工程上有着非常广泛的应用，在各个领域都颇受好评。使用这个软件，可以减小设计的成本，剪短设计的时间。6.2ANSYS操作界面打开软件后主界面如图6-1所示。图6-1ANSYS主界面对于机械专业来说，主要用到的是分析系统中的静力学分析模块。流程图如图6-2所示。图6-2静力学分析流程6.3详细分析步骤6.3.1导入模型在geometry上右击插入，出现勾的符号后双击进入DesignModeler界面，改变单位为公制，然后生成几何。如图6-3和6-4所示。图6-3导入零件成功图6-4生成几何体6.3.2添加材料库双击EngineeringData进入材料参数设置界面。右击空白区域添加材料。如图6-5和6-6所示。图6-5进入材料库图6-6添加新材料6.3.3添加模型材料属性双击Model，进入Mechanical界面。在左侧的分析树中，Model下面的Geometry选项中修改零件材料的参数。如图6-7和6-8所示。图6-7进入模型界面图6-8定义材料6.3.4划分网格在Mechanical界面的左侧的分析树中，Model下面还有一个Meth选项，在其detial中修改参数，一般都可采用默认值。修改完成后右击Meth，选择GenerateMeth。如图6-9、6-10和6-11所示。图6-9修改详细参数图6-10画网格进程(b)图6-11网格图6.3.5施加载荷和约束在Mechanical界面的左侧的分析树中，选择StaticStructural工具栏进入环境设置页面对装置进行设置添加约束和受力，完成后右击StaticStructural选择Solve。如图6-12和6-13所示。图6-12受力及其约束环境设置图6-13将力进行求解6.3.6结果后处理在Mechanical界面的左侧的分析树中，选择Solution工具栏，选择等效应力，等效应变和总变形，完成后右击Solution，选择Evaluateallresult即可查看分析结果。完成后，项目窗口中的状态显示勾，如图6-14所示。图6-14完成分析(1)合页静力学分析如图6-15所示。图6-15合页(2)受力轴静力学分析如图6-16所示。图6-16受力轴(3)传动轴受力分析如图6-17所示。图6-17传动轴6.4分析报告经分析验证本设计的载物爬楼装置整体结构布局合理且无干涉，传动结构稳定，足够承受50kg的物品重量。

7控制系统设计7.1电动机的连线因为本装置需进行上下楼的动作，所以通过电动机的正反转来实现。下面为电动机的主电路，如图7-1所示。其控制电路的接线图如图7-2所示。图7-1主电路图图7-2控制电路接线图如图4-2所示为电动机的“正-停-反”控制电路。从电路图中可以看到，KM1、KM2分别是正、反转的接触主触点。若两接触器同时得电，电源就会短路，因此将KM1、KM2分别串入对方的工作电路，以此形成制约关系，这样才能保证电路的安全可靠。7.2单片机控制原理7.2.1程序原理图(1)总程序原理图图7-3总程序原理图(2)DHT11模块原理图图7-4温湿度控制原理图(3)HX711测重的桥式传感器配置图7-5测重程序原理7.2.2程序编译用keil软件进行编译，如图7-6所示。最终显示为0Error，0Warning是完全没有任何错误的。图7-6编译

8总装8.1三维模拟(1)装配本装置是通过控制下上下楼的按钮，来控制装置的上下楼的。电机驱动齿轮传动，然后带动摆杆，然后带动连杆和连杆上的小轮进行爬楼越阶。装置在上下楼过程中需要人为扶住手柄来控制方向，连杆前端的小轮是用来起支撑作用的，这样就能减轻体力劳动的负担了。若无负载时，支撑板可向上翻折，减小了装置的空间阻碍的同时，还能够增强运动的稳定性。图8-1Creo模拟装置阶跃装置在上下楼的时候，可以分别按下上下楼的按钮，此时电机驱动齿轮传动，带动摆杆，从而带动连杆进行爬楼上阶。装置在上下楼过程中需要人为扶住手柄来控制方向，小轮是用来起支撑和导向的作用的，这样就做到了不费任何力气而能够轻松上下楼了。若无负载时，支撑板可向上翻折，减小了装置的空间阻碍的同时，还能够增强运动的稳定性。(2)爆炸图整体爆炸图如图8-2所示。局部爆炸图如图8-3(a)、(b)所示。图8-2总装爆炸图(a)载物台爆炸图(b)驱动机构爆炸图图8-3部分爆炸图8.2实物装配实物装配如图8-4所示。图8-4实物装配

结论本设计以多功能载物爬楼助力装置为设计对象，首先进行了装置整体的设计计算，然后在Creo中完成总的3D模型装配后对本多功能载物爬楼助力装置的干涉检验以及运动仿真，最后用ANSYS对装置里主要零部件静力学分析。基于上述各项分析最后进行了实物制作。本设计的结论如下：(1)综合分析和对比三种设计方案优缺点，最终多功能载物爬楼助力装置选择了步进式的行进方式。(2)基于Creo平台创建3D模型并进行干涉检验以及运动仿真，结果表明整机无干涉现象，运动平稳，因此总体结构的设计合理。(3)借助ANSYS对主要零件进行静力学分析，根据结果显示关键部位的结构均满足设计和使用要求。(4)应用了CAD/CAE技术，不仅降低了成本，还提高了设计效率。本设计的多功能载物爬楼助力装置主要创新特点在于爬楼越阶的传动结构和操作简单的控制程序，传动结构的主要灵感来源于四连杆机构，根据书本的四连杆机构对其作出一定的改变就是本装置的传动，本装置以极其简单的原理实现了一个相对比较难的爬楼越阶的动作。其中利用小轮做支点，电动机带动撑起整个装置的结构也极为巧妙。三个多月的设计学习加深了我对机械结构的了解，各方面的能力都有显著的提高，但受本身的知识水平限制，也缺乏实际的工作经验，装置上还存在许多不足，但这仍然为后面的深入研究提供了基础，今后必能创造巨大的社会效益和经济效益，多功能载物爬楼助力装置前景非常广阔。

致谢时光飞逝，四年的大学生涯即将画上句号。毕业设计对我们四年的机械设计制造及其自动化专业课程学习的检验，它在我们的学习中占有重要的地位。整个过程持续了三个多月，我从一开始的毫无头绪，慢慢摸索，最后终于圆满完成。今天的成果，凝结了很多人的心血，在此向你们表达我衷心的感谢。假如没有你们的帮助，我一定很难这么顺利地完成。首先我要感谢的是我的母校，是你在我在即将毕业之际，给我这样一个难得的学习机会，让我学到了很多知识。通过这三个多月的紧张的设计与学习，我的各方面能力都显著提高。本次毕业设计中，对我帮助最大的就是ABC老师。本次毕业设计主要在ABC老师指导下完成的，ABC老师严谨、认真、负责的态度让我十分敬佩。他对待学生态度亲切，设计过程中不厌其烦的为学生解决遇到的困难，指导我们如何思路清晰的进行设计。不管是学习还生活中，他都尽他所能地给予我们指导与帮助，为我们付出了大量时间和精力。在ABC老师帮助下，结合和实践，我解决了很多以前难以解决的问题，让我对机械有了更深的理解。同时，他通过这次设计还让我明白了一些做人的道理，比如做人做事都要注意细节，细节决定成败，还有遇到问题不能慌乱，要冷静思考等等，都让我受益匪浅。在此我要向他表示诚挚的敬意和衷心的感谢。感谢您无微不至的关心，感谢您对我的严厉的鞭策和谆谆教导，是您的批评敦促我更快前进，感谢您！同时我要感谢同窗好友，不管我遇到多少问题，大家都不厌其烦的帮助我，让我顺利度过许多难关。我们朝夕相处，在解决问题的过程中共同进步，是你们让我在大学四年里学到了那么多知识和经验。感谢你们给予我的所有关心和帮助，曾经以为四年很长，转眼我们都将面临毕业，谢谢你们，谢谢!最后我还想要感谢我的父母，不管是遇到挫折还是受了委屈，他们是我永远的港湾。只要想到父母就在我的身后，我就永远都有前进的动力。现在，我即将完成学业，离开这个生活了四年的校园，再次感谢母校，是你给我这样的环境和机会；感谢各位老师，是你们传授给我的知识；感谢各位同学和朋友，是你们让我活得更加丰富多彩；感谢父母，是你们让我动力满满，感谢你们！

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附录附录1单片机控制程序(1)总程序#include<reg52.h> //51单片机驱动#include"LCD1602.H" //液晶显示驱动#include"DHT11.H" //温湿度驱动#include"KEY.H" //按键驱动#include"DJ.H" //步进电机驱动#include"HX711.H"/*数据类型定义*/ //8位数据 //16位数据/*数据缓存*/u8codeTAB1[]="tel:00.00C"; //第一行数据显示u8codeTAB2[]="Dem:00.00%"; //第二行数据显示//报警显示u8codeTAB3[]="overtel"; //第一行显示u8codeTAB4[]="overDem"; //第二行显示//重量报警u8codeTAB5[]="overweight"; //第一行显示//时间寄存器u8sec;//定时器0中断服务函数voidTIM0()interrupt1{ u8i; TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%256; i++; if(i==20) { sec++; i=0; }}//定时器初始化voidTIM_init(){ IE=0x82; TMOD=0x01; TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%256;}//液晶显示voidLCD_disp(u8num){ u8i; if(num==1&&LCD_flag==0) { lcd_write_com(0x80); //写入第一行地址 for(i=0;i<16;i++) lcd_write_dat(TAB1[i]); //写入第一行数据 lcd_write_com(0x80+0x40); //写入第二行地址 for(i=0;i<16;i++) lcd_write_dat(TAB2[i]); //写入第二行数据 LCD_flag=1; } if(num==2&&LCD_flag==0) { lcd_write_com(0x80); //写入第一行地址 for(i=0;i<16;i++) lcd_write_dat(TAB3[i]); //写入第一行数据 LCD_flag=1; } if(num==3&&LCD_flag==0) { lcd_write_com(0x80+0x40); //写入第二行地址 for(i=0;i<16;i++) lcd_write_dat(TAB4[i]); //写入第二行数据 LCD_flag=1; } if(num==4&&LCD_flag==0) { lcd_write_com(0x80); //写入第一行地址 for(i=0;i<16;i++) lcd_write_dat(TAB5[i]); //写入第一行数据 LCD_flag=1; }}//温湿度显示voidDHT_disp(){ u8a; DHT_read_dat(); //DHT11读数据 if(dht_flag==1) { if(a==0) { LCD_disp(1); lcd_write_com(0x80+7); //写入数据地址 lcd_write_dat(0x30+t_h_dat/10); //写入十位 lcd_write_dat(0x30+t_h_dat%10); //写入个位 lcd_write_com(0x80+0x40+7); //写入数据地址 lcd_write_dat(0x30+rh_h_dat/10); //写入十位 lcd_write_dat(0x30+rh_h_dat%10); //写入个位 } //湿度过大 if(rh_h_dat>=DHT_DATE[0]||t_h_dat>=DHT_DATE[1]) { a=1; TR0=1; //开启定时器 SPA=1; //报警 if(rh_h_dat>=DHT_DATE[0]) { LCD_flag=0; LCD_disp(2); } if(t_h_dat>=DHT_DATE[1]) { LCD_flag=0; LCD_disp(3); } if(sec==5)SPA=0; //关闭报警 if(sec==10) { TR0=0; //关闭定时器 LCD_flag=0; //重新显示格式 LCD_disp(1); sec=0; //秒清零 a=0; } } if(rh_h_dat<DHT_DATE[0]||t_h_dat<DHT_DATE[1]) SPA=0; }}//重量测量voidZL(){ LL_disp(); //重量测量 lcd_write_com(0x80+7); //写入数据地址 lcd_write_dat(0x30+weight/1000); //写入十位 lcd_write_dat(0x30+weight%1000/100); //写入个位 lcd_write_com(0x80+0x40+7);//写入数据地址 lcd_write_dat(0x30+weight%100/10); //写入十位 lcd_write_dat(0x30+weight%10);//写入个位 /*if(weight>0.5) //超重报警 { TR0=1; SPA=1; LCD_disp(4); if(sec==5) { TR0=0; LCD_flag=0; SPA=0; LCD_disp(1); sec=0; //秒清零 } } else SPA=0;*/}//主函数voidmain(){ TIM_init(); lcd_init(); pizhong(); SPA=0; LCD_flag=0; while(1) { if(KEY_flag==0) { DHT_disp(); ZL(); } KEY_scan(); }}(2)LCD1602液晶显示程序/*1602字符型液晶驱动头文件*/#ifndef_LCD1602_H_#define_LCD1602_H_#defineu8unsignedchar#defineu16unsignedint#defineLCD_DATEP0sbitlcd_rs=P1^0;sbitlcd_rw=P1^1;sbitlcd_en=P2^5;/*sbitlcd_rs=P2^4;sbitlcd_rw=P2^5;sbitlcd_en=P2^6;*///显示标志位u8LCD_flag;voidlcd_delay(u16a){ u8b; while(--a) for(b=110;b>0;b--);}/*液晶写命令*/voidlcd_write_com(u8com){ lcd_rs=0; lcd_rw=0; lcd_en=0; LCD_DATE=com; lcd_delay(5); lcd_en=1; lcd_delay(2); lcd_en=0; lcd_delay(2);}/*液晶写数据*/voidlcd_write_dat(u8dat){ lcd_rs=1; lcd_rw=0; lcd_en=0; LCD_DATE=dat; lcd_delay(5); lcd_en=1; lcd_delay(2); lcd_en=0; lcd_delay(2);}/*液晶初始化*/voidlcd_init(){ lcd_write_com(0x38); lcd_write_com(0x0c); lcd_write_com(0x06); lcd_write_com(0x01);}#endif(3)YL-47DHT11温湿度显示程序/*DHT11-8bit温湿度驱动文件*/#ifndef_DHT11_H_#define_DHT11_H_#include<intrins.h>sbitdht=P2^7;u8rh_h_dat,rh_l_dat,t_h_dat,t_l_dat,jy_dat,check;u8dht_flag;u8DHT_DATE[]={99,99}; //温湿度变量/*延时10us*/voiddelay10us(){ u8i; i=2; while(--i);}/*延时18ms*/voiddelay18ms(){ u8i,j; i=33; j=66; do { while(--j); }while(--i);}/*读取字节*/u8dht_read_byte()//DHT11读字节{ u8i; u8dat; for(i=0;i<8;i++) { dat<<=1; while(!dht); delay10us(); delay10us(); delay10us(); if(dht) dat|=1; while(dht); } returndat;}/*读取数据*/voidDHT_read_dat() //DHT11读数据{ u8a; dht=0; delay18ms(); dht=1; delay10us(); delay10us(); delay10us(); dht=1; if(!dht) { a=2; while((!dht)&&a++); a=2; while((dht)&&a++); rh_h_dat=dht_read_byte(); rh_l_dat=dht_read_byte(); t_h_dat=dht_read_byte(); t_l_dat=dht_read_byte(); jy_dat=dht_read_byte(); dht=1; check=rh_h_dat+rh_l_dat+t_h_dat+t_l_dat; if(jy_dat==check) { dht_flag=1; } }}#endif(4)按键控制程序/*按键驱动头文件*/#ifndef_KEY_H_#define_KEY_H_#include<reg52.h>#include"LCD1602.H"#include"DJ.H"#defineu8unsignedchar#defineu16unsignedint//温湿度上下限设置sbitKEY1=P3^0; //设置sbitKEY2=P3^1; //增加sbitKEY3=P3^2; //减小//速度设定sbitKEY4=P3^3; //方向设置sbitKEY5=P3^4; //速度设置sbitKEY6=P3^5; //1号速度sbitKEY7=P3^6; //2号速度sbitKEY8=P3^7; //3号速度u8KEY_flag; //按键锁存u8key_count1,key_count2;voidKEY_delay(u16ms){ u8i; while(ms--) for(i=100;i>0;i--);}//按键驱动voidKEY_scan(){ //按下1 { KEY_delay(1); //延时去抖 //按下1 { while(!KEY1); //按键抬起 key_count1++; //按键标志 KEY_flag++; LCD_flag=0; if(key_count1==3)key_count1=0; //上限设置 } } if(key_count1==0) { lcd_write_com(0x80+15); lcd_write_dat(''); lcd_write_com(0x80+0x40+15); lcd_write_dat(''); KEY_flag=0; } //湿度设置 if(key_count1==1) { lcd_write_com(0x80+15); lcd_write_dat(''); lcd_write_com(0x80+0x40+15); lcd_write_dat('S'); //按下2 { KEY_delay(1); //延时去抖 //按下2 { while(!KEY2); //按键抬起 if(DHT_DATE[0]==99)DHT_DATE[0]=0; //上限设置 DHT_DATE[0]++; //湿度设置 } } if(KEY3==0) //按下3 { KEY_delay(1); //延时去抖 if(KEY3==0) //按下3 { while(!KEY3); //按键抬起 if(DHT_DATE[0]==0)DHT_DATE[0]=99; //上限设置 DHT_DATE[0]--; //湿度设置 } } lcd_write_com(0x80+0x40+7); //写入数据地址 lcd_write_dat(0x30+DHT_DATE[0]/10); //写入十位 lcd_write_dat(0x30+DHT_DATE[0]%10); //写入个位 } //温度设置 if(key_count1==2) { lcd_write_com(0x80+15); lcd_write_dat('S'); lcd_write_com(0x80+0x40+15); lcd_write_dat(''); //按下2 { KEY_delay(1); //延时去抖 //按下2 { while(!KEY2); //按键抬起 if(DHT_DATE[1]==99)DHT_DATE[1]=0; //上限设置 DHT_DATE[1]++;