毕业设计（论文）-卡升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究.doc

黑龙江大学黑龙江大学 本科生毕业设计说明书本科生毕业设计说明书 论文题目：论文题目： 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 学学 院：院： 机电工程学院机电工程学院 年年 级：级： 20062006 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2010 年年 5 月月 10 日日 i 摘要 本课题是设计一种防缠绕旗杆，包括旗杆，以及套筒，该套筒穿设于牵引绳上， 并通过轴承与挂旗的活动套接，所述轴承设置在套筒的两端。 本设计的显著特点在于其外接套筒通过轴承套接在牵引绳上，当牵引绳在上升过 程中产生旋转时，套筒连同旗帜一起会在离心力不足的情况下保持原有状态，就不会 缠绕在牵引绳上，因此有效的解决了旗帜缠绕在旗杆与牵引绳夹缝中的问题。 旗杆的固定座下部装有驱动电机，底部是通过蜗轮、蜗杆完成升降的组件机构， 外部装有控制面板，升旗手只需要把升旗状态调到自动，然后点下升旗、半旗或降旗， 即可实现旗帜的升降。 本课题设计的旗杆结构简单，较传统旗杆而言，功能齐全，而且制造和安装也较 为方便。 关键词 防卷；手动；自动；控制 ii abstract the task is to design a defense wound flagpole, including flagpoles and the sleeve. the sleeve wear located in traction ropes and through the activities of the shaft and socket flag , which above the two ends of the sleeve bearing set. a distinctive feature of this design lies in its external sleeve bearing socket by pulling ropes in, when traction rope up the process of production in the rotation, the sleeve together with the flag in the absence of sufficient centrifugal force to maintain the original state, it will not wound in the traction ropes, so it effectively solves the issue of between banner pole and traction rope. the lower part of the pin holder with drive motor, the bottom through the worm and worm components to complete lifting body, the external with the control panel, flag raisers just take the flag state transferred automatically and then under the flag, half-mast or flag- lowering of the movements can be realized. the design of the flag issue is simple, it has more function than traditional flagpole and it is easy to manufacture and installation. key words anti-roll；manual；automatic；control iii 目录 摘要i abstractii 第一章 绪论1 1.1 课题提出的背景和意义1 1.1.1 研究的目的及意义.1 1.2 旗杆结构的发展及研究现状1 1.2.1 旗杆的历史发展.1 1.2.2 升旗机构方案中存在的问题及分析.3 1.3 旗杆机构相关理论综述.4 1.3.1 防卷机构.4 1.3.2 升降机构的组成.4 1.3.3 控制环节.4 1.4 本课题的主要研究内容.5 第二章 总体方案设计6 2.1 引言.6 2.2 防卷机构.6 2.3 升降机构.7 2.4 控制系统8 2.4.1 总体设计思路.8 2.5 本章小结9 第三章 防卷机构设计10 3.1 防卷机构.10 3.1.1 方案选择10 3.2.2 零部件设计10 3.2 本章小结.12 第四章 升降机构设计13 4.1 升降机构13 iv 4.1.1 蜗杆蜗轮设计.14 4.1.2 电机的选择.21 4.2 本章小结.22 第五章 控制系统设计23 5.1 pic 单片机的特点.23 5.2 调速方式的选择24 5.3 微处理器的选择25 5.4 pwm 调速原理.26 5.5 总体设计26 5.5.1 总体硬件设计.26 5.5.2 总体软件设计.29 5.5.3 总体软件仿真设计.29 5.6 本章小结.29 结论30 参考文献31 致谢32 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 1 第一章 绪论 1.1 课题提出的背景和意义 1.1.1 研究的目的及意义 升、降国旗，是无尚庄严、神圣的行为，千百年来，人们敬仰高高飘扬的国旗， 因为她代表着民族的尊严，国家的威望。传统的升旗装置，是由绳索把旗帜提升到旗 杆顶端，由于绳索自身的弹性及挂旗机构与绳索之间是固定不动的，所以在牵引绳旋 转时，招展的旗帜会塞入牵引绳与旗杆之间形成的缝隙内一部分，旗帜无法正常招展 飘扬，即便是鼓风式旗杆，也无法避免在牵引绳旋转式将旗帜卷绕在牵引绳上。 每次缅怀深情的看黑龙江大学联通广场的手动升、降旗仪式，每每看到国旗受到 牵引绳旋转影响而无法舒展时， ，就蕴藏着一种自发的感情，希望自己能为母校设计一 种能抵御其干扰且手动、自动双功用的国旗招展的新旗杆，使红旗不致被塞入牵引绳 与旗杆之间形成的缝隙内，并且在风力一定的情况下得到完全招展。 1.2 旗杆结构的发展及研究现状 1.2.1 旗杆的历史发展 现有的展示旗帜的旗杆种类很多，有大有小、有繁有易。简单的小旗杆直接用竹 竿代替;讲究一些的旗杆，则是在立杆上，增设挂旗杆和吊绳。后一种旗杆虽然解决了 在高空挂旗的升降问题，但存在牵引绳旋转旗帜会塞入牵引绳与旗杆之间形成的缝隙 内，不能机电结合实现自动升旗等缺陷。 现就目前国内外常用的升旗方案进行概述。 1. 传统的升旗机构 旗杆常用的组成部件有牵引绳和滑轮。如图 1-1 所示，为传统旗杆的简图。由牵 引绳通过滑轮带动旗帜来实现升降，由于牵引绳和旗帜之间为死连接，牵引绳在上升 过程中会有扭转，扭转旗帜与牵引绳的连接点将随其旋转，旗帜将会缠绕在牵引绳上， 当旗帜升起，旗帜将无法完全展开。 2. 新颖的升旗机构 辛国慧设计的一种回转式旗杆。如图 1-2 所示，为固定部分及回转部分的完整旗 杆;固定旗杆的 aa 剖视图；如图 1-3 所示，为回转旗杆部分剖视图。为了解决现有固 定旗杆易使旗帜卷绕及牵引绳旋转时，招展的旗帜会塞入牵引绳与旗杆之间形成的缝 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 2 隙内一部分等缺陷，而设计的一种上部采用回转式旗杆的新设计。 图 1-2 固定部分及回转部分的完整旗杆;固定旗杆的 aa 剖视图 1-旗杆头2-绳套3-旗杆 图 1-1 传统的旗杆机构 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 3 1-电机 m1 2-电机 m23-蜗杆4-蜗轮 图 1-3 回转旗杆部分剖视图 解决这一技术问题是采取下述技术方案来实现的，一种回转式旗杆，包括下部的 固定旗杆部分和提升旗帜装置，其特征是，在固定旗杆的上部，是一段可绕中心轴旋 转的回转式旗杆，两段旗杆间有固定螺栓连接在回旋旗杆的固定座上，通过两层滚珠 轴承及轴承座使固定在轴承座上的回旋旗杆外柱筒绕轴旋转，轴承座底部设有滑环， 它与固定座上的触点相接触，固定座的下部装有链轮驱动电机 m，座的上部是大、小 伞形齿轮，通过蜗轮、蜗杆连接到提升支架组件，组件内装有驱动电机 m1、齿合与分 离驱动电机 m 组件上方设有驱动齿条提升的齿轮电机 m 和衔接提升齿轮，回旋旗杆 外柱筒的顶部是球形锁紧螺母，下部的固定旗杆其侧壁纵向开有贯穿齿条的凹形槽。 所述提升支架件，包括支承座板、支承座、提升支座、提升螺杆及螺母。回转式旗杆 中的电机驱动依靠设在回转部分底部的电路进行控制，该电路板上设置有按扭开关、 吸合继电器。回转式旗杆部分的驱动电机电源是由固定座上的触点和位于轴承底部的 滑环所馈送的。 虽然这种机构可以实现旗帜的防卷，但存在旗杆的强度差，加工难，装配难，维 修难等诸多问题，并且外表也不够美观。 1.2.2 升旗机构方案中存在的问题及分析 在本方案的设计过程中存在的最大问题就是实现防卷和旗帜升降机构的自锁；在 旗杆机构中究竟有哪些地方会出现卷旗，旗帜无法定位呢，这些地方对旗杆机构的影 响如何，其影响的量是多少等，由于实验条件有限都无法进行实验验证，只能通过理 论分析设计该方案。 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 4 1.3 旗杆机构相关理论综述 1.3.1 防卷机构 到目前为止，离心问题在生产实践中占有相当突出的位置。随着机器的日益高速 化、大功率化、结构轻型化及其精密程度的不断提高，对控制离心的要求也就更加迫 切；但是工业中都是利用离心力进行物资分离，但防卷机构则是反其向而为之，因为 物体旋转时需要一定力矩，当提供的力矩无法达到所需要求是，物体将保持原有状态。 所以在设计其结构时着重点在于外套的配重。 一般要进行的实验测试有以下两方面的内容。 1)轴承承受的轴向力。 测量牵引绳在旗帜上升过程中所承受的拉力。 2)牵引绳旋转时所产力矩的测试。 1.3.2 升降机构的组成 升降机构的基本组成为直流电机，蜗轮，蜗杆等。 其结构是由电机带动蜗杆实现一级力矩传送，然后由蜗杆将力矩传于蜗轮，蜗轮 带动外轮转动，让后依靠外轮与牵引绳间的摩擦力实现旗帜升降。 1. 蜗轮、蜗杆的选定。 根据市场现有的旗杆型号确定蜗轮蜗杆的大致尺寸，然后由外观尺寸确定其标准 模数，最后进行强度校核。 2. 电机的型号。 市场直流电机的型号很多，但是考虑到外观尺寸，我们应该通过所需知条件进行 电机功率计算，然后选出标准电机。 1.3.3 控制环节 控制部分在旗杆整体部分算是一个孤立体，主要是通过现有的常用控制元件来实 现旗帜的升降功能。但是在其编程过程中将考虑以下内容: 1. 升降速度 由于旗杆的标准不一，则升旗的速度也是不同的，因此要考虑速度的可控性。 2. 升半旗功能 在某种情况下要考虑升半旗的情况。 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 5 3. 控制面板的面积 由于旗杆的直径有限，则控制面板的宽度不应过大，当其宽度过三分之二直径时 会影响旗杆的强度。 1.4 本课题的主要研究内容 本课题主要是研究一种自动、手动双功用，并能实现防卷旗的新型旗杆，因此首 先要从整体结构加以分析，最终设计出一套方案。本课题的主要研究内容具体如下： 1. 总体结构方案设计 1) 防卷、升降、控制三部分的原理： 防卷、升降、控制三部分如何实现，实现过程中应考虑的问题。 2) 工作安排： 根据整体机构的关系对防卷、升降、控制三部分同步进行，并根据其间的关联进 行合作设计。 2. 总体方案的建立 主要包括： 1) 结构的设计 2) 零件的设计 3) 总体的组装 3. 防卷原理研究及方案设计 1) 防卷原理： 总体思想是研究物体旋转与静止之间所受力矩的临界点。 2) 方案设计： 根据防卷原理设计一套方案总体框图。方案从总体上分为减少力矩部分，配重部 分。 4. 防卷方案建立 主要包括： 1) 结构的设计 2) 轴承的选择 3) 零件的设计 4) 总体的组装 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 6 第二章 总体方案设计 2.1 引言 本章的研究对象是旗杆的整体机构做一假想，主要思想是将旗杆的整体机构分为 三个部分： 1. 防卷机构 2. 升降机构 3. 控制部分 上述三部分可以分步来完成，防卷机构较为独立，可以单独来完成，完成后的机 构可以应用的手动旗杆，也可以应用到将要设计的手动、自动旗杆，但是内部升降机 构要和控制部分要同步来完成，因为两者缺少任何一部分该设计将无任何使用意义。 2.2 防卷机构 防卷机构就是升旗系统中的挂旗机构，通过离心作用实现防卷。说防卷，其实就 是一个定性的分析认为可以达到防卷要求，由于很多物理量无法得到具体数字，因此 也无法进行详细的数据计算。 这里所述的离心力本身是不存在的，其实他就是一个静止力，因为动力无法达到 物体运动临界点，所以实现了自保持。大学期间所学相关内容都是物体匀速圆周运动 带来的离心力，而在此机构中是反其道而行之，是否能够成功的实现防卷，主要是看 大量实验所得出的结果。 理论分析，防卷旗机构由轴承将其做成内外分离的活体，可以减少部分内部对外 界的作用力，防卷机构简易图见图 2-1，因此从理论出发是可以达到预期结果。 图 2-1 防卷机构简易图 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 7 2.3 升降机构 升降机构是升旗系统的内部机构，主要是为实现自动升旗而设计，该机构是通过 蜗轮蜗杆配合实现升降功用。但是本设计是为实现手动、自动双功效，那么就应该考 虑蜗轮蜗杆的分离，由于学习到的东西有限，所以考虑用凸轮机构实现蜗杆和电机浮 动，浮动传动机构简易图见图 2-2。 由于市场上所销售的蜗轮、蜗杆均是工业所用，所需功率较大，考虑到旗杆的外 观尺寸、升旗所用功率，所以需要自己从新设计蜗轮蜗杆。 理论分析，升降旗机构是由凸轮机构带动浮动蜗杆实现手动、自动的转换，手动 转自动式凸轮能将蜗杆推起，实现蜗轮蜗杆的啮合，但是自动转手动时必须要有回位 机构，如果仅靠自重来完成会严重降低可靠性，因此内部应安装拉力弹簧，实现手动 升降的复位现实加工出来后是否能够达到预期目的还是很难确定，因此说从理论分析 是可以达到预期结果。 图 2-2 浮动传动机构简易图 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 8 2.4 控制系统 控制部分是升旗系统中升降机构的动力源，没有这部分电机将无法运转，该系统 也将无法实现自动升降。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个 领域没有单片机的踪迹，由于单片机的应用范围广，且单片机的数据处理、过程控制 功能强大，因此使用单片机开发并应用成为本次设计的主要目标。 在现有的实验设施和代码条件下，使用单片机设计一个能够实旗帜升降，采用小 键盘输入方式，辅以 led 数码管显示，并由限位开关进行限位控制，驱动采用能够精 确定位的直流电机。 2.4.1 总体设计思路 升旗自动控制系统的设计如图 2-3，本系统利用单片机 pic16f877 产生可调占空 比的 pwm 脉冲信号，及电机方向信号和刹车信号；再通过隔离电路，把控制信号传 给驱动电路，通过驱动电路驱动电动机，调节电动机的转速及改变它的正方转。 图 2-3 系统总体结构框图 本自动控制系统的具体实现如下： 外围电路通过电位器产生 0-5v 的可调模拟信号，并把该信号传给单片机的 an0 口，利用 pic16f87 内嵌的 a/d 转换器，通过设置其工作模式把该模拟信号转换成 0- ffh 的数字信号，并把该数值传给单片机内嵌的 ccp 模块脉宽寄存器，设置 ccp 模 块工作模式为 pwm 模式，这样就产生了可调脉宽的 pwm 信号，从而产生可调占空 比的 pwm 信号。 开关控制信号及限位信号流入单片机 d 端口，单片机通过查询程序，判断具体是 哪个信号的输入，并根据该信号对 pwm 信号、方向信号、刹车信号进行相应的操作。 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 9 单片机输出信号经 tlp521 进行光耦隔离，使高电位电路与低电位电路进行物理 隔离，防止反向电动势烧坏单片机。 隔离后的信号送给驱动电路驱动电机转动，驱动电路即对输入的信号进行逻辑处 理，又对直流电机进行驱动，它把输入的电平信号进行逻辑处理，与硬件电路一起作 用，输出两端反相的驱动电压驱动直流电动机转动。 本系统通过硬件保护电路，把刹车信号与反向信号进行相应的逻辑处理，这样出 现限位信号后，可直接从物理电路上实现刹车，防止单片机出错，不能及时刹车而导 致电机烧坏。 在条件允许和时间充足的情况下，可通过光电编码器进行速度反馈。把增量式光 电编码器 a 通道和 b 通道的脉冲信号传给单片机，通过相应的算法可得出电机的转速 和转向，让其与设定值进行比较，根据比较结果控制 pwm 信号占空比的变化从而改 变转速得到反馈调节。这样能使电机转动更平稳，调速更精确。 2.5 本章小结 本章的主要任务就是将升旗系统中的三个部分的设计思想做一简略介绍，并画出 了各部分结构的简易图，使大家对该设计有个整体的认识。 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 10 第三章 防卷机构设计 3.1 防卷机构 3.1.1 方案选择 以下为两种防卷机构的总体结构设计方案，它们有着各自的优缺点，下面将这两 种方案进行对比，并确定最终方案。 方案一 优点：结构简单，装配容易；由于选择为深沟球轴承，所以成本较低。 缺点：挡圈要充当整体的重要受力部分，容易产生破坏；螺纹紧固容易松解，影 响自动升旗的精确度，甚者脱节，致使无法完成升降任务；该方案的外观尺寸较大。 方案二 优点：采用角接触球轴承，可以承受较大的轴向力；螺母锁紧，不易松动或脱节。 缺点：结构复杂，装配较为麻烦；成本较高。 图 2-1 方案一 3.2.2 零部件设计 轴和安装轴承的外壳或轴承座，以及轴承装置中的其他受力零件必须有足够的刚 图 2-2 方案二 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 11 性，因为这些零件的变形都要阻滞滚动体的滚动而使轴承提前破坏。外壳及轴承座孔 壁均应有足够的厚度，外壳上轴承座的悬臂应尽可能的缩短，并用肋来增强支承部位 的刚性。如果外壳是用轻合金或非金属制成的，安装轴承处应采用钢或铸铁制的套环， 由于零件尺寸较小，所以直接选择 45 钢作为加工材料。 从图 2-3 中可知，支杆头部结构为焊接部件，材料为 45 钢。从图中可见轴承座主 要部分为回转体，因此其加工可以在车床上完成，部件上的环状机构主要是用来完成 绳索连接，其主要尺寸也是根据绳索的型号来确定，考虑到使用范围所以选择内径为 6mm，上盖板选择 3mm 主要是为了能够满足焊接工艺的需求。 1-拉环 2-盖板 3-内六角圆柱头螺钉 4-轴承座 图 2-3 支杆头部结构 从图 2-4 中可知，压盖为回转体，材料为 45 钢，因此可以直接有车床来完成加工。 该零件主要实现轴承的紧固，同时要承受升降过程中的大部分力，所以增加了螺纹圈 数，用以更好的完成受力作用。 图 2-4 压盖 从图 2-2 中可知，拉杆是受力件，也是轴承的固定件，因此对其加工精度要求较 高，所以它是回转件，可以直接由车床加工，但是它还是要经磨床磨削才可以使用。 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 12 图 2-5 拉杆 从图 2-6 中可知，支杆是个焊接部件，它在整个防卷机构中主要起连接作用，同 时也要完成旗帜的悬挂，其长度尺寸由所升国旗的型号来确定，因学校所升旗帜的标 准为底 1920高 1280mm,因此支杆长度应为 1280mm，但是旗帜的撑杆要有一定的余 量，因此定其尺寸为 1300mm。 图 2-6 支杆 图 2-2 中所示机构即为最终确定的防卷机构，装配图中的零件是由上述加工的零 部件和一些标准件组成，其中轴承型号为 71900c，挡圈为 gb/t894.4 8，其安装顺序 为轴承套在拉杆上，然后整体装进轴承座内，压盖进行压紧，先将两螺母拧到螺柱上， 然后再与装配后的拉杆配合，最后整体与支杆连接，完成装配。 3.2 本章小结 本章主要介绍了防卷机构的零部件组成，并且对零部件所涉及的东西进行了系统 的讲解，经过分析确定了最终要选择的材料和零部件尺寸。 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 13 第四章 升降机构设计 4.1 升降机构 升降机构的设计就是考虑所有零部件的整体布局，主要思想就是如何在不影响旗 杆强度的条件下，外观更加美观，同时也要考虑维修是否方便。 图 4-1 中所示升降机构的设计思想就是将所有的小件放到一个整体支架上，让后 再将其整体放到旗杆内部，由于整体的尺寸较小，而旗杆的型号为 76mm-176mm，即 最大直径为 176mm，最小直径为 76mm。因此在旗杆上开口不会严重影响旗杆的强度 要求，同时也不会破坏旗杆的美观。 整个机构中电机和蜗杆安装在浮动板上，当用手驱动凸轮轴时，蜗杆和电机升起 与蜗轮啮合，电机驱动蜗杆实现蜗轮的运动；考虑到运动的线性，板上将焊接两个导 向套，同时由于电机和蜗杆的质量不能完全相同，所以会出现浮动板的受力不均，容 易使浮动板与轨道卡死，因此应考虑板的配重问题；同种材料间的摩擦力较大，因此 也要考虑轨道的选材，最终确定材料选用铜。 1-连接架 2-凸轮 3-凸轮轴 4-深沟球轴承 5-驱动杆 6-导向套 7-拉力弹簧 8-蜗杆 9-直流电机 10-蜗轮 11-内六角圆柱头螺钉 图 4-1 升降机构结构图 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 14 凸轮的最远点与滚子结合时，仅受重力的情况下进入了凸轮死点，但是那是理想 情况，为了保险起见，在滚子一侧立一定位杆，其距凸轮支点水平距离为 14.5mm，这 样凸轮会旋过 18 度，即凸轮最高点下降 0.73mm，那么蜗轮蜗杆将脱离 0.73mm，形 成变位啮合，通过计算这是的重合度仍然大于 1.2，满足基本要求。 外轮机构主要是将蜗轮上的动力传到外轮，考虑到旗杆强度将外轮轴和升降机构 要上下相错 200300mm。其动力由皮带完成传递。 1-连接架 2-深沟球轴承 3-轮轴 4-内轮 5-轴套 6-轴承座 7-外轮 8-挡圈 图 4-4 外轮轴结构图 4.1.1 蜗杆蜗轮设计 蜗杆蜗轮传动是由交错轴斜齿圆柱齿轮传动演变而来的。小齿轮的轮齿分度圆柱 面上缠绕一周以上，这样的小齿轮外形像一根螺杆，称为蜗杆。大齿轮称为蜗轮。为 了改善啮合状况，将蜗轮分度圆柱面的母线改为圆弧形，使之将蜗杆部分地包住，并 用与蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮，这样齿廓间为线接触，可传递较大的 动力。 蜗杆蜗轮传动的特征： 其一，它是一种特殊的交错轴斜齿轮传动，交错角为90，蜗杆头数很少， 一般取 14； 其二，它具有螺旋传动的某些特点，蜗杆相当于螺杆，蜗轮相当于螺母，蜗轮部 分地包容蜗杆。 蜗杆传动的特点： 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 15 传动比大，结构紧凑 传动平稳，无噪声 具有自锁性 传动效率较低，磨损较严重 蜗杆轴向力较大，致使轴承摩擦损失较大。 1.蜗杆结构： 蜗杆通常与轴为一体，采用车制或铣制，结构分别图 4-6. 图 4-6 蜗杆结构 2.蜗轮结构： 蜗轮常采用组合结构，由齿冠和齿芯组成。联结方式有：铸造联结、过盈配合联 结和螺栓联接，结构分别见图 4-7。蜗轮只有在低速轻载时采用整体式。 图 4-7 蜗杆结构 由于在升降机构中蜗轮蜗杆所需要承受的力有限，并且为了降低整体的加工成本， 根据 gb/t100851988 的推荐，选用普通圆柱蜗杆中的渐开线蜗杆，采用车制。 3.转速与转矩 根据国旗选定的参数：国旗重量 1.5-2kg，旗杆选取 16m ，国旗升降时间 46 秒， 带动旗绳的小轮外径选取 100mm ，凹槽部分实际直径选取 80mm 。由此得到蜗轮轴的 系列参数： = 21080 / 2 = 2040 = 800 2 tmmn = 161000/（80）/ 4660 = 83 2 nmin/r = 9.551000000/ = 800 2 t 2 p 2 nmmn a）车制 b）铣制 a）铸造连接b）过盈配合连接c）受剪螺栓连接 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 16 = / 9.55 1000000 = 7 2 p 2 n 2 tw 4.蜗杆轴的输入功率、转速与转矩 蜗轮蜗杆要能实现自锁功能，蜗杆必须单头，而且蜗轮蜗杆传动比不可以过大， 否则导致电机转速过大，选型困难，尺寸过大难以安装在旗杆内部。根据机械原理 第二版，初选传动比为 18。 = / = 7 / 0.98 / 0.5 = 14.3 1 p 2 p 21 w = 18 = 8318 = 1494 1 n 2 nmin/r = 95501000/= 9550100014.3 / 1494 = 91408.9运动和动 1 t 1 p 1 nmmn 力参数计算结果整理于下表 4-1： 表 4-1 蜗轮蜗杆运动和动力参数 类型 功率p )(w 转速 n min)/(r 转矩t )(mmn 传动比i效率 蜗杆轴 14.3149491408.9 蜗轮轴 783800 180.49 蜗轮蜗杆传动的设计 1. 选择蜗杆传动类型 根据 gb/t 10085-1988 的推荐，选用渐开线蜗杆（zi） 。 2. 选择材料 考虑到蜗杆的传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆采用 45 钢；因希望效率高 些，耐磨性好些，蜗杆齿面要求淬火，硬度为 45 - 55 hrc。蜗轮采用铸锡磷青铜 zcusn10p1,金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰 铸铁 ht100 制造。 3. 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯 曲疲劳强度。根据机械设计第八版，传动中心距 3 2 2 h pez z kta 1) 确定作用在蜗轮上的转矩 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 17 = 21080 / 2 = 2040 = 800 2 tmmn 2) 确定载荷系数 因工作载荷比较稳定，故取载荷分布不均匀系数= 1；查表选取使用系数 k =1.15；由于冲击不大，转速不很高，选取动载系数= 1.05；则 k r k = = 11.151.05 = 1.21k k k r k 3) 确定弹性影响系数 e z 因为选用的铸锡磷青铜和钢蜗杆相配，所以ze = 160 4) 确定接触系数 p z 先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值 = 0.35 ，查图得到 = 1 dad / 1p z 2.9 5) 确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度45hrc,查表得蜗轮 基本许用应力= 268 。 mpa 应力循环次数 n = =6018324360 = 4.9810lhjn 260 2 7 j 为蜗轮每转一周，每个轮齿啮合的次数； 为涡轮的转速； 2 nnmin)/(r l为工作寿命取其时间为一年，近似为 10000h。 h 由应力循环次数得到寿命系数 寿命系数 = hn k 8 7 10 n 带入数值得到 = = 1.09 hn k 8 7 7 1098 . 4 10 则 = = 1.09268 = 292 hn k mpa 将中心距带入数值 a = 11.54 3 2 ) 292 9 . 2160 (8321 . 1 mmmm 将中心距进行圆整取值 30，查蜗轮蜗杆的匹配表，最小的中心距为 40，mmmm 所以蜗轮蜗杆要自行设计几何参数。 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 18 4. 蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸 1) 蜗杆 因为要蜗轮蜗杆能够自锁，蜗杆单头，导程角不大于，从而得到蜗杆的最 303 小直径系数。 由公式 = = tan 1 1 d mz q z1 将数值带入得到 16.34 q 进行圆整 = 18q 此时的导程角 = 得到= tan 18 1 “47 103 确定了直径系数，根据推荐模数可以选取 1 1.25 1.6 2 ，若取模数为 1，由 于传动比为 18，造成了蜗轮蜗杆的分度圆直径同样大，不适合，所以选取模数为 2， 这样使得蜗轮分度圆直径为整数，而且与蜗杆能够进行配合。 由此得到蜗杆各参数 分度圆直径 = = 118 = 18 1 dqzmm 轴向齿距 = = 23.14 = 6.28 pmmm 导程 = = 23.141 = 6.28 z p 1 mzmm 齿顶圆直径 = 2 = 1822 = 22 1a d 1 d 1a hmm 齿根圆直径 = 2 = 181.24 = 13.2 1f d 1 d 1f hmm 齿顶高 = = 12= 2 1a hmha*mm 齿根高 = = 20.4 = 2.4 1f hmha*mcmm 全齿高 = + = 22.4 = 4.4 1 h 1a h 1f hmm 蜗杆齿宽 （110.06） = 24.16 圆整取 25 1 b 2 zmmmmm 2) 蜗轮 为了避免加工蜗轮时产生根切，当1 时，选17，蜗轮齿数为 18 ，模数 1 z 2 z 为 2 ，从而得到一系列参数： 分度圆直径 = = 218 = 36 2 d 2 mzmm 蜗轮喉圆直径 = 2 = 3622 = 40 2a d 2 d 2a hmm 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 19 蜗轮齿根圆直径 = 2 = 361.24 = 31.2 2f d 2 d 2f hmm 蜗轮变位系数 = = 13.513.5 = 0 2 m a m dd 2 21 蜗轮齿顶高 = = 12= 2 2a hmha*mm 蜗轮齿根高 = = 20.4 = 2.4 2f hmha*mcmm 蜗轮齿高 = + = 22.4 = 4.4 2 h 1a h 1f hmm 蜗轮咽喉母圆半径 = = 2720 = 7 2g r 2 2 1 a da mm 蜗轮齿宽 0.75 = 16.5 同样取 15。 2 b 1a dmmmm 得到了蜗轮蜗杆的参数，验算蜗轮蜗杆设计的第三部分：假设 = 0.35 a d1 ，=2.9，经过计算后 = = 0.67，查表= 2.7 小于先前的假设，因此以上 p z a d1 27 18 p z 设计结果可用。 5. 校核齿根弯曲疲劳强度 = f yy mdd kt fa2 21 2 53 . 1 f 当量齿数 18.1 18 . 3 cos 18 cos 33 2 2 z zv 根据 ， 18.1 查图表得到 = 2.970 2 2v z 2fa y 螺旋角系数 = 1 = 1 = 0.977 y 140 140 18 . 3 许用弯曲应力 = f f fn k 查表知道由铸锡磷青铜制造的蜗轮基本许用弯曲应力= 56。 f mpa 寿命系数 = = 0.647 fn k 9 7 6 1098 . 4 10 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 20 = 56 0.647 = 36.23 f mpa = = 3.315 f a mp977 . 0 97 . 2 23618 80021 . 1 53 . 1 mpa 由此得到弯曲强度是满足的。 6. 验算效率 )tan( tan )96 . 0 95 . 0 ( v 已知 = ； = ；与相对滑动速度有关。 “ 47103 18 . 3 v v farctan v f s v = = =1.41 s v cos100060 11 nd 18 . 3 cos100060 149418 sm/ 查表得=0.042=；带入式中得到0.55，大于原估算值，因此不用重 v f v 202 算。 7. 精度等级公差和表面粗糙度的确定 考虑到蜗轮蜗杆的传动是动力传动，从 gb/t 10089-1988 圆柱蜗杆、蜗轮精度选 择 8 级精度，侧隙种类为 f，标注为 8f gb/t 10089-1988。查粗糙度手册选取粗糙度， 磨损比较严重的部分选用粗糙度等级高的，其余选用粗糙度等级低的，具体见零件图 标注。 蜗杆最小径的计算 根据转速，功率，电动机轴径 ,初步估计蜗杆轴外伸段的直径 d =（0.81） =1418 1 dmm 计算转矩 =1.391.41 =118.8 c tktmmn mmn 确定最小的轴径，根据机械设计第八版轴的设计准则确定最小轴径选择，轴 所承受的弯矩不大，但是要传动很大的扭矩。 由公式得，轴的扭转强度 = = t t w t 3 2 . 0 9550000 d n p t 指扭转切应力， t mpa t 指轴所受的扭矩，mmn 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 21 指抗扭截面系数， t w 3 mm n 指轴的转速，min/r p 指轴传动的功率，kw d 指轴的截面处的直径，mm 指许用扭转切应力， t mpa 查表轴的材料为 45 钢，为 25-45，为 126-103，由此得到最小的轴 t mpa 0 a 径 3 0 3 2 . 0 9550000 n p a n p d t 代入数值取为 126，为 25，得到最小轴径为 2.67，只要大于该数 0 a t mpamm 值轴的强度就能符合要求 4.1.2 电机的选择 近年来随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术的快速 发展，永磁无刷直流电机得到了迅速的发展。由于克服了机械换向装置的固有缺点， 所以无刷直流电动机具有体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问 题诸多优点。它具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大， 能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程 自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统 领域中得到了广泛的应用。因此本升旗自动控制系统选用永磁直流电动机进行速度控 制。 根据机械部分设计要求：直流电动机额定转速 n=1494；额定功率 p=14.3min/r 。w 根据机械部分设计尺寸，选用 rs 系列微型直流电动机，具体型号根据下表 4-1， 表 4-1 直流电机常用规格技术参数 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 22 选用 rs-540s-4565 型的直流电动机。其额定电压为 12；额定功率为 25.22；vw 额定转速为 9450。满足设计的要求。min/r 4.2 本章小结 本章主要介绍了升降机构的零部件组成，并且对整装做了讲解，同时对内部零部 件、直流电机所涉及的东西进行了系统的分析，经过分析确定了最终要选择的材料、 零部件的具体尺寸，以及直流电机的型号。 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 23 第五章 控制系统设计 5.1 pic 单片机的特点 计算机发展历史上，计算机的真正开始相互独立的沿 2 个完全不同的方向发展， 使具有不同用途和不同价格的不同技术的计算机进入人们的生活，其中一个方向是以 个人 pc 为代表的承担高速海量技术数据分析处理以计算机速度为重要标志形成独立 应用及发展空间，另一方向则以嵌入式独立系统为理念，主要与控制对象耦合，与控 制对象互动和实施控制。 嵌入式系统以成本低，体积小，高可靠，功能强等特点脱颖而出。 由于 microchip 公司生产的单片机综合应用设计的思路具有很强技术特色，产品 采用全新流水线结构，单字节指令系统，嵌入 flash 以及 10 位 a/d 转换器，使之具有 卓越性能，代表着单片机发展新潮流。 pic 单片机具有以下特点： 1. 哈佛总线结构 pic 单片机不仅采用哈佛体系结构，而且还采用哈佛总线结构。在 pic 系列单片 机中采用的这种哈佛总线结构就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用 不同的宽度。便于实现指令提取的流水作业，也就是在执行一条指令的同时对下一条 指令进行取址操作；便于实现全部指令的单字节化、单周期化，采用此结构，指令和 数据可依同时进行访问，提高了数据吞吐率，提高了 cpu 执行指令的速度。 2. 寻址方式简单 寻址方式就是寻找操作数的方法。pic 系列单片机只有 4 种寻址方式（寄存器间 接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址） ，容易掌握。 3. 简单指令集（risc）技术 pic 单片机的指令系统就是该单片机所能识别的全部指令的集合，指令系统也称 指令集，指令集最多有 58 条（16 位指令系统） 。这给指令的学习、记忆、理解带来很 大好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来极大便利。同时 pic 单片机 指令系统具有寻址简单和代码压缩率高等特点。 4. 功耗低 pic 单片机采用 cmos 结构，使功率极低。pic 系列单片机是目前世界上功耗最 低的单片机品种之一。 其中有些型号在 4mhz 时钟频率下工作时电流不超过 2ma， 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 24 在睡眠模式下的电流可以低到 1a 以下。 5. 驱动能力强 pic 系列单片机 i/o 端口，驱动负载能力较强，每个 i/o 引脚输入和输出电流的最 大值可以分别达到 25ma 和 20ma，能够直接驱动发光二极管 led、光电耦合器或微 型继电器等。 6. 同步串行传送方式 pic 系列中，有些型号具有同步串行传输功能，如 pic16f877 可满足 i2c 和 spi 总线要求。 7. 外围电路简洁 pic 系列单片机内集成了上电复位电路、i/o 引脚上拉电路、看门狗定时器等，可 以最大程度的减少或免用外接器件，一边实现“纯单片”应用。 8. 应用平台界面友好、开发方便 microchip 公司为用户提供全部技术方案，不管是对初学者还是后续应用开发都提 供完善的硬件和软件的支持，包括各种档次的硬件仿真器和编程器，还有多种版本的 软件仿真器和软件集成开发环境（mplab-ide）可实现程序编写模拟仿真和在线调试 为用户学习时间应用与开发提供相应技术空间。 9. 品种丰富 pic 系列单片机目前已形成 3 个层次、50 多个型号。片内功能从简单到复杂，封 装形式从 8 引脚到 68 引脚，可以满足各种不同的应用需求。用户总能在其中找到一款 适合自己开发目标的单片机。 因此本设计选用单片机作为微处理器控制直流电机的转速。由于学院有 pic 试验 室，硬件条件充足，且开有 pic 学科课程，故优先采用 microchip 公司 pic 系列单片 机作为核心处理器。以 pic 单片机为核心可大大减少设计量，可最大化的简化外围电 路。 5.2 调速方式的选择 根据励磁方式的不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同方式的直流电 动机机械特性曲线有所不同。对于直流电动机，其转速计算见式（5-1）： （5-1） t kcc r kc u n ree 内 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 25 其中：c e 表示电势常数；c r 表示转矩常数；k 表示每级磁通（w b） ；u 表示电 压；r 内表示励磁绕组本身的电阻。由上式可知直流电动机的转速调节主要有三种方 法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法， 都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速， 减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使 用。所以，在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大 体上又可分为旋转交流电机组调速系统、可控整流式调速系统、直流 pwm 调速系统 三种。旋转交流电机组调速系统目前已被淘汰。直流 pwm 调速系统与可控整流式调 速系统（v-m 系统）相比有下列优点:由于 pwm 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢 电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好，稳速精度高，调速范围宽， 可达 1：10000 左右；同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强， 可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高;直流电 源采用不控制整流时，电网功率因数比相控整流器高。 正因为直流 pwm 调速系统有以上的优点，并且随着电力电子器件开关性能的不 断提高，直流脉宽调制( pwm) 技术得到了飞速的发展。传统的模拟和数字电路 pwm 已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能。目前，在该领域中大 部分应用的是数字脉宽调制器与微处理器集为一体的专用控制芯片。电动机调速系统 采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个 调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转 速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动 的要求。 5.3 微处理器的选择 pic16f877 是 microchip 公司生产的一款具有 risc 结构的高性能中档单片机。该 单片机稳定性好，引脚具有的防瞬态能力给系统提供了稳定保障。其具有的 pwm（脉宽调制）输出功能，节省了外围电路和单片机工作时间。内部集成的 a/d 口，满足了系统对转速信号、电流反馈信号、欠压信号等模拟信号采集的要求。丰富 的中断资源可准确地采集电机的相位信息，实现工作模式的转换。独特的哈佛总线结 构、极低的功耗、i/o 引脚上拉电路和看门狗电路等使系统有了极高的性价比。由于 该芯片价格便宜，性能稳定，本控制器设计的基于单片机 pic16f877 的无刷直流电动 升降旗系统防卷旗机构和总体技术研究 26 机调速系统具有实际应用价值，并已在现实中得到了应用。 5.4 pwm 调速原理 传统的改变电压的方法是将一个电阻和电枢串联，通过调节电阻改变电枢电压， 达到调速的目的，这种方法效率低。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压 控制方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制 （pwm）调压等等。其中脉宽调制（pwm）可以应用在许多方面，如电机调速、温 度控制、压力控制等等。在 pwm 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通 和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，通过改变 直流电动电枢上的电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速， 因此，pwm 又被称为“开关驱动装置” 。 图 5-1 pwm 脉冲与电机转速对应关系 图 5-1 表示出电枢电压占空比和平均电压的关系，设电机始终接通电源时，电机 转速最大为 v max，占空比 d=t/t，其中 t 表示一个周期内高电平时间，t 表示一个脉 冲周期