旋转、升降运动舞台设计【升降舞台设计】【含CAD图纸、UG三维模型】
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升降舞台设计
含CAD图纸、UG三维模型
升降运动舞台设计【
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毕 业 设 计 中 文 摘 要随着经济的发展，科学技术也在快速的发展，人们对对物质和对艺术的要求也在逐渐的提高。舞台作为艺术表达的一个载体，在现在社会中起了重要的作用，现代的舞台主要包括，升降乐池，双层升降舞台，转台和旋转、升降舞台。旋转、升降舞台是当代舞台中重要的组成部分。在本次设计中，针对现在舞台的发展形势，设计了一个可以独立控制升降和旋转的两个个功能的的舞台。根据现在舞台的实际参数进行设计，本次设计主要分为两个部分，一个是升降部分的设计，还有一部分是旋转舞台的设计。在方案的的选择上，升降部分通过对比和分析，确定是选择钢丝绳传动，而旋转舞台的，通过进行分析，确定旋转为齿轮传动。本次设计是一个完全的设计，从电机的选择选择开始，到减速的选择，以及轴的设计都是经过计算的。最后完成了旋转、升降舞台的设计。关键词 舞台机械 旋转、升降舞台 舞台 毕 业 设 计 外 文 摘 要Title Rotating lifting stageAbstractWith the development of economy, science and technology is in rapid development, people for material and requirement for art has also been gradually improve.The stage as a carrier of art expression, plays an important role in modern society, mainly includes the modern stage, lift orchestra pit, double lifting stage, turntable and rotating, lifting stage.Rotating, lifting stage is an important part of the contemporary stage.In this design, in view of the stage of the development of the situation now, designed a can independently control the lifting and rotating two functions of the stage.According to the current stage of the actual parameters The line design, this design mainly is divided into two parts, one is lifting the design of the part, and part is the design of the revolving stage.On the choice of scheme, lifting part through the comparison and analysis, sure is to choose the cable transmission, the revolving stage, through the analysis, to determine rotation for gear transmission.This design is a complete design, choose start from the choice of motor, the deceleration of choice, and the design of the shaft is calculated.Finally completed the design of rotating, lifting stage.Key Words The stage machinery Rotating, lifting stage stage 第 页 共 页本科毕业设计目 录 1 绪论2 旋转、升降舞台技术要求及总体概述2.1 舞台机械设备的设计技术要求2.2 舞台设备安全性要求2.3 舞台机械传动系统2.4 驱动装置3 课题设计要求4 总体方案的设计4.1 升降运动的设计4.2 旋转舞台的运动设计4.3其他结构设计5 关键部件的设计及选型5.1 升降部分的部件设计及选型5.2 旋转部分的部件设计及选型6 其他重要部位的详细设计6.1 舞台台架的设计6.2 导向装置的设计6.3 齿轮的详细设计6.4 传动轴的校核6三维建模及装配6.1 实体建模6.2装配结 论致 谢参 考 文 献第 36 页 共 36 页本科毕业设计1 绪论在整个文化中，最早的舞台有古希腊的露天剧场,古罗马剧场以及中国古代战国明清以前的传统戏台、民间寺庙中的戏台茶园、会馆中的戏台均为三面或四面环绕观众的开敞式舞台,这种舞台有利于演员和观众的情感交流,但不适应布景道具较多的戏剧表演。十七世纪九十年代，在意大利的巴尔玛城建造的法尔尼斯剧场中第一次出现了带箱体的舞台,有了镜框式台口,为了适应这种舞台演出的需要，各种舞台的机械设备也随之被产生1。从1896年德国的舞台机械工程师劳顿斯拉格首创第一个直径16m的木制转台至今经历了100年时间,如今,在世界各地的演出舞台上,大大小小,单层转盘式的转台以及带升降台的鼓筒式转台已得到广泛的应用及发展,舞台机械制造业作为一个行业把声、光、电等领域中的最新科技成果与机械学、结构学完美的结合在一起,使舞台的机械化、现代化水平有了很大的发展,因此,一个舞台机械化,现代化的程度从一个侧面展示了这个国家科技水平及制造业水平的发展状况。旋转、升降舞台一般是在剧场的中间，主要是实现升降和旋转的功能，目的是为了满足观众在视觉上的需要。旋转，升降舞台的直径一般都在3-5m，升降的高度也在3米之内，升降的功能和旋转的功能互相不影响，是现在舞台中不可缺少的一个重要的部分。旋转、升降舞台的旋转和升降采用的是不同的传动机构，控制升降部分一般是钢丝绳传动、丝杠螺母副或者是链条传动机构，采用一套动力驱动，就可以实现升降运动了，而控制旋转部分的机构一般都是用摩擦传动、齿轮传动、齿销传动，然后采用一套动力驱动，实选现旋转功能。因为舞台的要求，需要传动精度高，定位准确，运行平稳。用特殊材料做支撑旋转台面的机构，减小摩擦力和噪音2。给舞台配重，使舞台升降时台体平稳，噪音低，减小电机的负载。2 旋转、升降舞台技术要求及总体概述舞台机械产品的技术构成和传统的机械产品一样，都是使用机械，液压，电气以及计算机控制技术等为基础，通过组合创新得到的产品。因为面对的对象是舞台，除了满足一般我机械设计的原则，我们还需要考虑以下技术要求。u 安全性和可靠性在舞台整个空间里不管是舞台上面还是舞台下面其实都安置着许多机械装备，演出的时侯，不管是在演员的头上还是在演员的脚下都有机械装置，因此对舞台的安全有着特别的要求。所以机械设备的各种启停，动作顺序必须可靠无误。u 低噪声舞台演出的时候，有时候会有特殊环境，要求各类机械设备在运行过程中应是无噪声或者低噪声，否则会干扰表演，影响演出质量。因为这个原因，在选择舞台设备的动力，运动特性，零件材料和结构形状等各个环节应尽可能降低噪声。u 定位准确舞台机械作为一种技术手段，是为演出中的各种动作提供服务的。因此，对各种机械装置的升降，旋转，移动的停靠位置要求严格。完善的控制系统舞台机械的控制系统是非常复杂的。控制系统一般要求能单控，又能集控。既有手控，又有自动控制；遗迹可以多地控制等要求。因此，控制系统较为复杂，控制系统必须稳定，可靠和完善。2.1 舞台机械设备的设计技术要求舞台的机械设备的设计技术要求包括针对具体设备所要求的功能技术参数及功能需要的特定结构形式。功能技术参数是设备发挥其限定作用及效能所具备的参数，特定结构形式为满足功能所预先要求的结构限定，这些都是设备设计制造完成后要满足的技术要求，一般作为设计输入条件给设计者作为设计依据并形成设计输出的一部分。2.2 舞台设备安全性要求所有驱动系统的零部件应能承受2倍名义载荷。承载件传动系统中的传动机构 （如丝杠螺母，齿轮齿条，液压缸等）应能承受2倍名义载荷。当有多个传动机构支撑一个承载件时，每个传动机构承担的载荷应按比例合理分所有驱动系统的零部件应按1600小时的运行时间进行寿命计算。所有台下设备除正常设置行程开关外,均应设置超程保护装置。2.3 舞台机械传动系统通常说的舞台机械传动系统，指的是承载件运动的执行机构，即承载件传动系统的简称。是驱动系统中除电机，减速器，制动器，传动轴等部件外，与承载件之间传递运动及动力的部件组合，是自己接驱动承载件运动的传动方式，如链条传动，钢丝绳传动，丝杠传动，齿轮齿条传动，液压缸传动，刚性链传动，剪刀臂传动等。每种传动方式都有各自的特点及试用条件，在设计时，应根据具体条件选用。2.4 驱动装置驱动装置是舞台机械设备中的重要部分。他的选择出了满足能量转换外，还要和设备的速度调节，控制方式联系起来。舞台机械常用的驱动方式为电机驱动和液压驱动3。本机构采用电机驱动。电机驱动就是电机拖动生产机械，又称电机传动。电机传动是当前各种传动方式中应用最多的方式。一方面，因为电能的生产，输送和分配比较方便，电动机的类型和规格很多，性能各异，可以充分满足各类生产机械的需要；另一方面，电动机易于控制，便于实现自动化，尤其近几十年来，随着计算机技术，电力电子技术等自动化控制技术的发展，各种复杂的先进的电力拖动自动控制系统也得到了迅速发展。大大提高了生产机械的生产性能和自动化水平。电机传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且还包含控制电动机的一整套控制系统。在机电传动系统中，电动机可以直接由电网供电。此机构的机电传动系统图由（图2-1）所示的几部分组成。图2-1机电传动系统组成3 课题设计要求设计一个可实现自由旋转、升降的舞台，主要技术参数：(1) 舞台直径：3.0m(2) 行程（相对于舞台面）：2.0m(3) 升降速度：0.04m/s(4) 静载荷：4kN/(5) 动载荷：2kN/。其中包括：确定总体方案，并进行分层实体制造设备相关部件的选型与计算；UG对设备进行三维造型；生成装配图，部装图以及主要零件图；撰写毕业设计说明书。4 总体方案的设计4.1 升降运动的设计传动方案应该首先满足工作机的工作要求，如所传递的工作要求，例如所传递的功率和转速，此外，还应该满足结构简单，尺寸紧凑，成本低，传动效率高，工作可靠，环境适应和操作维护方便等要求往往比较困难。因此应该根据具体的设计任务统筹兼顾，有侧重地保证主要的设计要求。在多级传动中，各类传动机构的布置顺序不仅会影响传动的平稳性和传动效率而且对整个传动装置的结构尺寸也有很大的影响，因此，应该根据各类传动机构的特点合理布置，使各类传动机构充分发挥其优点4。本套升降系统由于行走装置采用钢丝绳传动，因为钢丝绳传动承载能力高，传动平稳，缓冲吸震能力强，一般不止在低速级。采用钢丝绳传动虽然行走装置不能够精准的定位，但是已经可以满足对定位的要求。（如图4-1所示）。根据实际情况分析，升降采用卷扬机钢丝绳升降，为了保障运动的同步性和安全性，采用一台双制动的电机并且在舞台台架的底部放置双向导轨。升降部分主要由电机、减速器、卷筒、滑轮和舞台台架组成，如图4所示，电机5驱动减速器4减速联轴器3连接轴卷扬机2旋转钢丝绳1伸缩通过滑轮7舞台6运动。1钢丝绳 2卷筒 3联轴器 4减速器 5电机 6舞台 7滑轮 8配重图4-1舞台升降方案4.2 旋转舞台的运动设计旋转机构方式可分为，摩擦传动方式、齿轮传动方式、等等一些机构。齿轮传动是一种成本比较低、但是工艺结构性能又比较好 、经济实用的传动机构。所以选用齿轮传动。因为旋转舞台是叠加在升降舞台上，所以为了能使舞台旋转在升降舞台上安装有导向轮，为了使旋转舞台运动平稳也需要把旋转舞台的中心轴固定在升降舞台上。旋转部分主要由电机、减速器、小齿轮、大齿轮、装盘组成，如图4-2，电机1驱动减速器3减速小齿轮5转动大齿轮6转动轴7转动转盘8转动。1电机 2 轴 3减速器 4轴 5小齿轮 6大齿轮7中心轴 8转盘 9升降舞台 10导向轮 11轴承图4-2 舞台旋转方案4.3其他结构设计为了减轻舞台的重量，整体台架采用的结构是桁架结构，是由矩型的方管采用拼焊、铆接的方法而成，整体架体不仅美观大方，而且刚度好，重量轻。为了降低电动机的负载需要给升降舞台加上配重如图4中配件8所示。设备机构设计及传动部件设计安全系数均高于机械设计手册及国家相关标准有关要求；电动机和制动器都应该采用比设计本身所得的高一级匹配设计，因为要保证舞台的安全性，所以需要增大电机的制动力矩。在各预停点行程位置均设置有控制回路行程保护和主回路极限保护，过载保护等保证精度、安全装置。5 关键部件的设计及选型5.1 升降部分的部件设计及选型上面已经给出了升降运动的方案，电动机经过减速器后，再经过减速器的输出轴带动卷筒，卷筒带动钢丝绳，钢丝绳带动舞台台架子上下升降5。下面是对电机、减速器、钢丝绳、卷筒和滑轮的计算及选择。5.1.1 升降部分电机的选型计算舞台机械的运动形式可能有很多种，但是绝大部分都是电力驱动而且常规的都是旋转电机拖动。为了使乐池平台匀速上升下降，应该初选变频调速三相异步电动机。本课题选择电动机型号为QABP90L4A变频调速电机。QABP系列变频调速电机有很多的有点，因为该电机不仅是吸收了德国和日本等发达国家产品上的有点，还使用了计算机辅助设计技术进行设计。可以跟国内和国外同一类型的变频装置进行配套，互换性、通用性特别的强。电机的结构采用的是稳定的鼠笼型结构，这样能够继承运行可靠，维护方便的优点。该系列的电机装有单独轴流风机，用来保证该系列的电机在不同转速下都可以获得比较好的冷却效果。所选型号电动机的各项参数如下：具体参数下如表5-1.表5-1电机的型号电机型号标称功率/Kw额定电流A功率因素额定转矩N.M额定转速r/minQABP 90L4A1.54.060.739.61425选择该系列的电机的原因是因为该电机是双制动电机，这个型号的电机有两个输出轴，因为舞台实现升降的过程中对位置的要求比较高，所以需要迅速的停下来，因此需要一个制动器与电机相连，在舞台达到理想位置时，迅速制动。电机的功率计算，根据上面舞台所提供的要求，舞台升降的速度为0.04m/s，动载荷为2KN/m2。因为所给出的电动机为稳定载荷连续运转的的机械，而且传递功率比较小，所以只需要使电动机的额定功率Pcd等于或者稍大于电动机的实际输出功率Pd，即pcapd 就可以了6。控制升降的工作机所需要的功率pw是由升降工作舞台的工作阻力F和升降运动速度v确定，计算公式为Pw=Fv/(1000w)其中；F是升降机的工作阻力（N）;V-是舞台的升降速度；w是工作机的效率，根据工作机的类型确定；F=2000x.r2=14.137KNV=0.04m/s根据钢丝绳的传动，查机械手册可以知道卷绳轮的下效率w=0.957。因为电机出来减速器减速器的传动效率是1=0.81，然后是联轴器，联轴器的选用的是弹性联轴器查机械设计手册可以知道效率2=0.99，因为轴比较长所所以需要轴承，因为轴既承受轴向的力，又承受径向的里，所以选用滚子轴承查机械设计手册可以知道一对滚子轴承3=0.99；，所以总效率a=1X22X32a=0.912把以上结果代入公式中得Pw=0.595 KW电动机的输出功率pd为P d =Pw/a=0.652KW为了保障安全，选用的安全系数为2，所以所需要的电机功率为2 P d=1.30KW，电机的额定功率大于Pcd略大于2Pd所以选择的电机功率适合。5.1.2 制动器的选型因为升降舞台具有周期性和间歇性的工作特点，所以使的舞台机械的的升降的机构经常处在很频繁的启动和很频繁的制动状态下，因为这个原因，制动器成为了升降舞台设备里面，不能够被缺少的一个很重要的部分。制动器，它既是一个控制装置，又是保证升降舞台的一个安全装置，制动器的好坏，是安全检查的重点。制动器的工作原理是通过让摩擦副产生摩擦产生最后产生制动作用。根据工作的需要，有时是将运动的动能转化为摩擦热能消耗掉，使机构休止运动；有时是通过静摩擦力进行平衡，使机构仍然保持原来的静止状态。其结构的特点是：制动器摩擦副中的一组与固定机架相连；另外的一组与机构的滚动轴相连。一旦摩擦副开始接触就会压紧力，就会产生制动的作用；当摩擦副分离的时候，制动作用就会自己解除，机构便可以再次的运动。制动器具有以下作用：（1）支持作用：使原来静止物体或着是机构保持静止状态。（2）休止作用：消耗运动部门的动能，通过摩擦副的作用将动能转化为摩擦热能，使机构迅速在一定时间或一定行程内休止运动。例如，各个机构在运动状态下的制动。（3）落重作用：制动力与重力平衡，使运动体以不乱的速度下降。例如，汽车起重机的下坡速行驶。制动器有很多的种类，它按照不同的结构、操作方式可分为以下几种不同的种类：（1）根据构造不同制动器可分为以下三类：带式制动器。制动钢带在径向环抱制动轮而产生制动力矩。块式制动器。两个对称布置的制动瓦块，在径向抱紧制动轮而产生制动力矩。盘式与锥式制动器。带有摩擦衬料的盘式和锥式金属盘，在轴向互相贴紧而产生制动力矩。（2）按操纵的情况，可以把制动器划分为下面三种：常闭式制动器。只要机构不工作，制动器就一直处在闭合的状态；当机构的驱动能源一接通时，机构就会首先将制动器打开，机构就可以正常工作。常开式制动器。制动器常常处于松开状态，随时可以根据需要施加上闸力，产生制动力矩，使制动器制动。综合式制动器。它具有常开式，在制动器松开时可利用操作杠杆随意进行制动，也具有常闭式，在机构不工作时制动器可靠制动的功能。由于电力液压块式制动器广泛用于起重、冶金、矿山、港口、码头、建筑机械等机械驱动装置的减速或停车制动。其具有以下特点： (1)联锁式等退距装置，在使用过程中始终保持两侧瓦块退距均等，避免因退距不均使一侧制动衬垫浮贴制动轮现象。（2）性能安全可靠，制动平稳，动作频率高。(3)主要摆动铰点设有自润滑轴承，传动效率高、寿命长，在使用过程中无需润滑。(4)无石棉制动衬垫与制动瓦块采用卡装插入式。安全可靠，更换方便、快揵。鉴于电力液压块式制动器的以上特点，本次课题运用经验法选用YWZ13-240/E80型焦作制动器应为该型号的制动力矩完全完全满足要求，而且退矩为1.2mm完全满足可以满足制动距离上的要求。如图4-1所示。其主要技术参数如表4-2所示：表4-2 制动器技术参数制动器匹配推动器制动力矩（N*m）退矩（mm）重量（kg）制动轮径（mm）YWZ13-2400/E80Ed80/66312501.2130240图5-1 制动器5.1.3 钢丝绳、滑轮和卷筒钢丝绳、滑轮和卷筒都是起重机械里面重要的零件，在GB/T 38112008对其有很明确的规定。钢丝绳的优点是；挠性好、强度高，自重轻、卷绕平稳无声，由于钢丝绳的断裂是逐渐产生的，一般的情况下是不会发生整根断裂，因为这个原因所以工作的时侯，安全性和可靠性都是比较高8。（1）钢丝绳选用的原则当起重机进行危险的物品装卸时，或者吊运大件物品、重要设备，并且对人生安全及其可靠性有较高要求时，应采用GB 8918-2006重要用途钢丝绳中规定的钢丝绳。钢丝绳的选择应满足规定的最低要求。钢丝绳使用的前提是:所选用的钢丝绳出厂已得到正确的润论，滑轮和卷筒的卷绕直径都应当适当。当起重机进行危险装卸时，应该按照比该类起重机升降常用机构的工作级别高一级的机构来选择钢丝绳、滑轮和卷筒的卷绕直径。（2）钢丝绳结构形式的选择选用先接触钢丝绳时，对起升高度很大。吊钩组倍率很小的起重机，宜采用多层股不旋转钢丝绳；当钢丝绳在腐蚀较大的环境工作时，应采用镀锌钢丝绳9。舞台起重机械吊挂用钢丝绳常选用线性接触。其中，点吊机必须选用不旋转钢丝绳，且在同等工作强度下应该选用高一级的工作级别；由于舞台机械起重吊挂设备的钢丝绳都是多吊点，且最大的形成不超过50米，故除点吊机外，其他设备一般都不适合采用不旋转的钢丝绳。在一般的演出环境下都应该选用镀锌钢丝绳。（3）钢丝绳的选择计算钢丝绳承受载荷时，绳中的应力状态是很复杂的，有拉伸、弯曲、扭转、挤压和摩擦等同时作用，要精确的计算其实是非常困难的。但是试验证明，钢丝绳的主要破坏是由钢丝绳内摩擦和疲劳造成的，所以钢丝绳的寿命主要取决于钢丝绳中的应力值和它所绕过的直径以及它在卷筒和滑轮上弯折的次数。钢丝绳在工作过程中除了承受静载荷外还有动载荷的作用，但是影响钢丝绳的寿命的主要因素是静载荷，因此以静载荷为经行计算的依据10。钢丝绳的直径d（mm）由下式确定式子中 S-钢丝绳承受的最大工作静拉力，单位是kN；c-选择安全系数，取值与机构的工作级别有关系，参考相关资料选取；通过已知的静载荷4KN/m2和舞台直径3m，以及配重和自重可以计算出SS=4000+8-22S=14.274KN钢丝绳的最小安全系数，如下表5-2表5-2 钢丝绳最小安全系数钢芯钢丝绳机构工作级别M5M6M7M8安全系数静态绳4.55.67.109.00动态绳4.04.55.005.00选工作级别为第五级，搜易安全系数的值c4.5把S和c代入上公式中得d=c=4.5=24mm所以采用直径为25mm的线性接触钢丝绳。()滑轮和卷筒的的卷绕直接的设计在卷扬机中，卷筒是重要的部件，它的作用是收放钢丝绳，驱动工作装置运动。卷筒的主要尺寸有：直径(mm)、长度L（mm）、绳槽尺寸（mm）、和壁厚（mm）。卷筒直径，由卷绕在卷筒上的钢丝绳中心算起的卷筒直径D0(mm)，称为卷筒的计算直径。为保证钢丝绳有足够的使用寿命，卷筒的计算直径不适合太小11。但是从传动装置受力考虑，卷筒的直径小些对传动装置有利。因为在起重负载和起升速度不变的情况下，卷筒直径小一些，可以使传动装置的驱动力矩减小，基于上述的考虑，规定了卷筒的直径下线为D0min式子里，h-根据机构的的舞台机械的工作级别选取的，建议h20；d-钢丝绳的直径，单位是mm；根据表5-3查h在不同级别得到不同的参数表5-3 h的选择机构工作级别M5M6M7M8卷筒h1182022.4025.00滑轮h22022.425.0028.00选取工作等级为第五等级，但是因为h的值建议是大于20，所以取h=20，D0min=20*25=500所以卷动的直径D可以近似的取为D=500 mm卷筒槽底直径D底（mm）按下式计算确定D底=(h-1)dD底=475 mm 绳槽尺寸卷筒的表面的的绳槽尺寸如下表5-3，可以根据钢丝绳的直径d（mm）参考经验公式确定：表5-4绳槽的尺寸R0.55d；C1=0.3d；标准槽C2=0.6d，深槽T1=d+(24)mm，标准槽T2=d+(68)mm，深槽R=14mmC1=7.5mm，标准槽；C2=15mm，深槽；lT1=27mm，标准槽；T2=31mm，深槽。卷筒的长度因为升降舞台的升降行程是2m，所以在卷筒上的活动钢丝绳必须大于4米，因为卷筒上有两股钢丝绳，因为钢丝绳的尾端需要固定在卷筒上，所绕在卷筒上的钢丝绳总长度应该不小于28m 在舞台整体安装的时候，可以在底部慢慢的升上去，所以卷筒的长度应该去长度为L=550mm。钢丝绳固定在卷筒上有两种方法，一种是压板固定法，压板固定结构简单，钢丝绳更换方便，且安全可靠，应用广泛，它的确定是在卷筒上占用你较大的空间。还有一种是揳块固定，这是一种较好的固定方法，牢固可靠，拆卸方便，且卷筒尺寸紧凑可用于多层卷绕卷筒。本次的课题设计采用的是压板固定。最后卷筒材料的选择根据卷筒的材料是根据承受载荷和卷筒毛坯的制造方法而定的。对于生产批量的较大的的产品，可以采用铸造的方法制造，其材质为不低于HT200；对于承受较大载荷的卷筒，可以采用ZG230-450、ZG270-500铸造而成或采用20、25、30无缝钢管焊接而成。因为本次设计的载荷偏大，所以卷筒的选材为ZG230。根据以上的计算结果，可以根据JB/T 9005中规定的模式铸造。Jingguo（5）滑轮的设计滑轮直径为了减小钢丝绳的弯曲应力，提高钢丝绳的使用寿命，滑轮直径的与钢丝绳直径之间的关系必须满足如下的条件式子里，D0min-按钢丝绳中心计算的滑轮最小卷绕直径，单位为mm；d-钢丝绳的直径，单位为mm；h-与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数。根据舞台机械的级别建议选取h；查表4-3可以知道，选取工作等级为第五等级，h=20，满足h的要求。为此D0minhd=20*24=480mm混论的槽底直径D（mm）的计算如下D=（h-1）d得到D=456mm绳槽的尺寸滑轮的绳槽尺寸直接影响着钢丝绳能否正常的工作和钢丝绳的使用寿命。为此，对滑轮的绳槽的基本要求如下。保证钢丝绳能顺利的绕过并且有足够大的接触面积。允许钢丝绳在槽内有一定的倾斜，以免钢丝绳与槽产生摩擦甚至跳槽。钢丝绳绕过滑轮的时候要产生横截面积变扁，故滑轮的半径应稍微大于钢丝绳的半径。滑轮的缘槽要有足够的强度，以免钢丝绳的偏斜侧向力作用使槽缘破碎。钢丝绳与两侧要有适当的夹角，通常约为3555.所以滑轮的槽半径由下式确定所以r=16所以根据计算的结果，可以根据JB/T 9005起重机用铸造滑轮的中的规定型号铸造。5.1.4 减速器的选择本次设计的减速器放在最后的选择的原因是，我们需要相对钢丝绳进行选择，通过负载进行计算而钢丝绳又关系到卷筒直径的大小，卷筒的直径跟钢丝绳的运动成正比的关系，所以会对传动比有很大的影响。因为卷筒的直径越大，在同样转速的前提下，卷筒上钢丝绳的输出速度也越大。卷筒的工作转速，根据上述已知的前提升降舞台的升降速度是0.04m/s，和已经经过计算获得卷筒的直径D = 500mm。计算卷筒工作转速的公式如下将以上的参数代入式子中得n =60*1000*0.04/（500）= 1.527r/min减速器的减速比i的计算其中 n0-是电机的输出速度；n-是卷筒的工作转速；将n0=1425 r/min和n=1.527 r/min代入式子中得i=593.75因为传动已经知道了，所以电机的选择的其中一个标注就会是i=593.75，选择减速器还有一个标准就是，因为我们在方案里已经确定是双轴输出的电机，所以不仅减速器要达到算出来的传动比，也应该是双轴输出的，只要可以满足这两个要求就可以了。减速器使用欧迈特公司生产的MTJ系列产品。MTJ系列减速机，采用两对斜齿轮和一对螺旋锥齿轮传动，使输入和输出呈直角。螺旋锥齿轮传动，重合系数大、承载力强、传动平稳可靠。齿轮均采用合金钢渗碳淬火，齿轮硬度高，耐磨性好。结构形式多样可与MTD系列、MTB系列组合输出转速低、扭矩大。具体机型号为MTJ97。减速器的各项参数如下：输出转数2.4r/min输出转矩：5165N.m减速器传动比：593.755.1.5 联轴器的选型虽然减速器安装按理可以与输出轴完全的对其，但是因为对传动轴没有特别的的要求，所以两轴不需要能严格对齐，故采用弹性联轴器，弹性柱销式联轴器结构简单，传递力矩能力强，便于制造维修，耐久性好等优点适用于链接启动及换向频繁的传递力矩比较大的中、低速轴系中。弹性柱销式联轴器的柱销材料为尼龙，由于柱销与柱销孔为间隙配合，而且柱销富有弹性，因而具有补偿两轴相对位移和缓冲的性能12。为了能改善圆柱销与柱销孔的接触条件和补偿性能，柱销的一端制作成鼓形，而且柱销两端装有挡板，可以防止柱销脱落，另外由于尼龙柱销对温度比较敏感，所以这种联轴器的工作温度必须在-2070摄氏度范围内。减速器-传动轴联轴器联轴器需要传递的转矩应该是考虑惯性力矩和过载时的最大转矩，一般很难精确确定常用计算转矩Te来代替。计算转矩按以下公式计算：Te=KT；T：联轴器的传递工作转矩；K：工作情况系数；K取1.3P：电动机输出功率；n：电动机满载转速；带入公式得：T=7319.2Nm；Te=9583.5Nm；查机械设计手册查的LX7弹性柱销联轴器公称转矩为11200Nm，许用最大转速为2360r/min，轴颈在80mm130mm之间，一般减速器用联轴器可不必进行强度计算，故可选。型号为：5.1.6 平衡重采用平衡重的原因是舞台升降时外载荷较大，为了降低降低钢丝绳的载荷，同时也为了尽可能降低驱动电机的驱动功率，提高机械机械系统的操作性能。所以本课题需要在舞台左右两侧各设置一套平衡重系统。平衡重系统包括钢丝绳、定滑轮和平衡重块三部分。钢丝绳一端固定在侧板上的钢丝绳连接座上，一端固定在配重块上，中间通过定滑轮连接13。定滑轮起到改变里的方向的作用，当舞台上升时，配重块给舞台提供向上的拉力；当舞台下降时，配重块提供向上的拉力，防止舞台下降时速度过快。这样可以减少驱动系统中电动机的功率，减小钢丝绳的载荷，提高升降舞台的控制性及安全性。为了降低制造成本，平衡重块通常采用铸铁材料，考虑到搬运，安装方便，单块平衡重块的重量不宜超过30kg。一般情况下，平衡重箱体与升降舞台之间采用钢丝绳连接，按照功率最小的设计原则，平衡重总重量为升降舞台自重和动载荷总和的一半。已知升降舞台的动载荷的载荷系数是2kN/m2，所以根据已知升降舞台的直径为舞台直径：3.0m，所以动载荷F1=14.137KN舞台的总重量包括升降舞台自身的重量和电机减速器的重量，按照一般的估算为F2=8KN所以本次课题平衡重块重量F3=F1+F2=14.137+8=22.137KN。钢丝绳的选择（1）钢丝绳的选用原则当起重机进行危险的物品装卸时，或者吊运大件物品、重要设备，并且对人生安全及其可靠性有较高要求时，应采用GB 8918-2006重要用途钢丝绳中规定的钢丝绳。钢丝绳的选择应满足规定的最低要求。钢丝绳使用的前提是:所选用的钢丝绳出厂已得到正确的润论，滑轮和卷筒的卷绕直径都应当适当。当起重机进行危险装卸时，应该按照比该类起重机升降常用机构的工作级别高一级的机构来选择钢丝绳、滑轮和卷筒的卷绕直径。（2）钢丝绳结构形式的选择选用先接触钢丝绳时，对起升高度很大。吊钩组倍率很小的起重机，宜采用多层股不旋转钢丝绳；当钢丝绳在腐蚀较大的环境工作时，应采用镀锌钢丝绳舞台起重机械吊挂用钢丝绳常选用线性接触。其中，点吊机必须选用不旋转钢丝绳，且在同等工作强度下应该选用高一级的工作级别；由于舞台机械起重吊挂设备的钢丝绳都是多吊点，且最大的形成不超过50米，故除点吊机外，其他设备一般都不适合采用不旋转的钢丝绳。在一般的演出环境下都应该选用镀锌钢丝绳。（3）钢丝绳的选择计算钢丝绳承受载荷时，绳中的应力状态是很复杂的，有拉伸、弯曲、扭转、挤压和摩擦等同时作用，要精确的计算其实是非常困难的。但是试验证明，钢丝绳的主要破坏是由钢丝绳内摩擦和疲劳造成的，所以钢丝绳的寿命主要取决于钢丝绳中的应力值和它所绕过的直径以及它在卷筒和滑轮上弯折的次数。钢丝绳在工作过程中除了承受静载荷外还有动载荷的作用，但是影响钢丝绳的寿命的主要因素是静载荷，因此以静载荷为经行计算的依据。钢丝绳的直径d（mm）由下式确定式子中 S-钢丝绳承受的最大工作静拉力，单位是kN；c-选择安全系数，取值与机构的工作级别有关系，参考相关资料选取；通过已知的配重载荷就可以知道S=F3S=26.137KN钢丝绳的最小安全系数，如下表4-2钢芯钢丝绳机构工作级别M5M6M7M8安全系数静态绳4.55.67.109.00动态绳4.04.55.005.00表4-2 钢丝绳最小安全系数选工作级别为第五级，搜易安全系数的值c4把S和c代入上公式中得d=c=4.5=18.8mm所以采用直径为19mm的线性接触钢丝绳。滑轮的选择（4）滑轮的设计滑轮直径为了减小钢丝绳的弯曲应力，提高钢丝绳的使用寿命，混论直径的与钢丝绳直径之间的关系必须满足如下的条件式子里，D0min-按钢丝绳中心计算的滑轮最小卷绕直径，单位为mm；d-钢丝绳的直径，单位为mm；h-与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数。根据舞台机械的级别建议选取h；查表4-3可以知道，选取工作等级为第五等级，h=20，满足h的要求。为此D0minhd=20*18=360mm混论的槽底直径D（mm）的计算如下D=（h-1）d得到D=342mm绳槽的尺寸滑轮的绳槽尺寸直接影响着钢丝绳能否正常的工作和钢丝绳的使用寿命。为此，对滑轮的绳槽的基本要求如下。保证钢丝绳能顺利的绕过并且有足够大的接触面积。允许钢丝绳在槽内有一定的倾斜，以免钢丝绳与槽产生摩擦甚至跳槽。钢丝绳绕过滑轮的时候要产生横截面积变扁，故滑轮的半径应稍微大于钢丝绳的半径。滑轮的缘槽要有足够的强度，以免钢丝绳的偏斜侧向力作用使槽缘破碎。钢丝绳与两侧要有适当的夹角，通常约为3555.所以滑轮的槽半径由下式确定所以r=10 mm所以根据计算的结果，可以根据JB/T 9005起重机用铸造滑轮的中的规定型号铸造。5.2 旋转部分的部件设计及选型旋转部分的的传动在第三章传动方案里已经阐述了，电机经过减速器经过小齿轮再经过大齿轮，然后带动转盘旋转运动。5.2.1 旋转电机的选择在本次的课题当中，没有给出旋转舞台的速度，因为旋转舞台的速度是可变的，为了满足舞台下面的观众对表演的需要，可以根据当时的环境和气氛随时控制旋转速度的大小，因此普通的Y型电机就不考虑了，因此本次课题设计选用的电机是伺服电机（sm电机）。因为任务书里给的工作机构是平稳的载荷连续运载的机械，并且传递的功率比较小，故主要电动机的的额定功率故只需要使电动机的额定功率Pcd等于或者稍大于电动机的实际输出功率Pd，即pcapd 就可以了，不需要对电动机进行热平衡计算和启动力矩校核。升降工作机所需要的功率pw是由升降工作舞台的工作阻力F和升降运动速度v确定，计算公式为Pw=Fv/(1000w)其中；F是升降机的工作阻力（N）;V-是舞台的旋转速度；w是工作机的效率，根据工作机的类型确定；根据舞台的载荷可以计算F=4000x.r2=28.274KN，在课题里对舞台的旋转没有提出具体的要求，但是处于安全和演员的舒适度考虑，旋转的舞台的速度，不适合特别大，经过调查发现一般的旋转舞台的边缘旋转速度都在00.4m/s之内，所以为了满足舞台最大的要求，选最大的速度算V平0. 4/2=0.2m/sW的计算，电动机出来是减速器，减速器的传动效率是1=0.91，然后是齿轮啮合，齿轮啮合选用圆柱齿轮七级传动查机械设计手册可以知道效率w=0.98，因为有轴所以需要轴承，因为轴既承受轴向的力，又承受径向的里，所以选用滚子轴承查机械设计手册可以知道一对滚子轴承2=0.99；，所以总效率w=1 X23a=0.833把以上结果代入公式中得Pw=0.572 KW电动机的输出功率pd为P d =Pw/a=0.688W为了保障安全，选用的安全系数为1.5，所需要的电机功率为1.5 P d=1.032KW，所以选择的电机功率适合。因为考虑到旋转舞台的需要展现的特效，所以电机是伺服电机，电机的型号如下电机型号标称功率/Kw额定电流A功率因素额定转矩N.M额定转速r/minSM901.14.060.736.914005.2.2 减速器的选择减速器使用欧迈特公司生产的MTJ系列产品。MTJ系列减速机，采用两对斜齿轮和一对螺旋锥齿轮传动，使输入和输出呈直角。螺旋锥齿轮传动，重合系数大、承载力强、传动平稳可靠。齿轮均采用合金钢渗碳淬火，齿轮硬度高，耐磨性好。结构形式多样可与MTD系列、MTB系列组合输出转速低、扭矩大。具体机型号为MTJ47a。减速器的各项参数如下：输出转数：25 r/min输出转矩：408N.m减速器传动比：57.106 其他重要部位的详细设计6.1 舞台台架的设计舞台台架，应该是本次设计的最大的一个舞台构建，因为舞台的台架直接是整个舞台的的核心，在本次的设计中，舞台台架是连接舞台升降功能和旋转功能的关键，控制舞台升降的的运动机构在整个大舞台的最底部，要实现钢丝的升降，所以需要在舞台上预留可以放滑轮的位置，因为要使舞台平稳的升降，所以在舞台的台架上需要流出可以安装四个滑轮的位置，在在实现旋转功能上，需要解决的的问题是是如何把电机和减速器安装在台架上。为了减轻重量，整体台架采用桁架结构，由矩型方管拼焊、铆接而成，整体架体刚度好，重量轻、美观大方。台架的设计参数总体太高H=2400 mm舞台的直径为D=2770矩形方管的材料为；WJ105F1-0100WZJ在本次的设计中舞台架体如图5-1所示。图5-1 舞台架体因为本设计采用矩形方管，而且外在的负载力也比较小，所以不需要进行计算。所以舞台台架上需要解决电机和减速器的安装问题，而且还需要考虑中心轴的固定问题，以及在舞台台架上需要安装导向轮，因为在旋转的时候，为了分担轴的受力和更好的导向，所以需要安装导向轮。经过分析在舞台台架上安装十个导向轮。所以在舞台台加上应该有可以这样的位置安装。除了上面给出的两个参数是必须的其他的可以自己随意设计，只要符合设计时的安全需求就可以。6.2 导向装置的设计因舞台在旋转的过程当中，不可能只是靠一根轴承，如果只是依靠一根轴支撑的话，当舞台上的载荷不均匀时，很容易使运动不平稳，如果考虑到升降的情况，舞台上的人和刀具很容易发生意外，所以需要加上导向的装置，导向装置的作用有两点，第一点是为了导向，使舞台在旋转的时候，提供一个导向的作用；第二点很重的是，起到支撑的作用，减小舞台上的力，对轴的作用，添加导向装置，能够更好的使旋转运动平稳。导向装置的设计完成的装配图如图5-2图5-2 导向轮导向示意图导向装置的结构有导向轮，轴，轴承，支撑结构，和螺母以及垫圈。因为导向装置只是起支撑和导向的作用，对于导向装置没有太高的技术要求，所以并不需要自己独自计算，详细的结构可以查考二维装配图和零件图。6.3 齿轮的详细设计因为在旋转的传动机构里面，电机选用的是伺服电机，伺服电机可以通过控制系统控制舞台的旋转速度，所以在这里就没有必要再去考虑传动比的选择。根据外在受力情况分析计算，只要满足要求就可以了。1) 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数齿轮选择直齿圆柱齿轮。旋转舞台为一般工作机械，速度要求不是很高，故选用8级精度。材料选择：因为减速器对传动尺寸没有特别的要求，所以采用软齿面传动方式，大齿轮与小齿轮的材料均为45钢（调质），小齿轮的硬度为240 HBS，大齿轮的齿面硬度为210HBS。选择小齿轮数选择为22，选择大齿轮为齿数位195。齿数比为 u=z2/z1=195/22=8.8632) 按齿面接触强度计算(1) 确定公式内的各计算数值a.试选载荷系数b.转速n=1400/57.1=24.52r/minc.计算小齿轮传递的转矩 d.选取齿宽系数 由于该齿轮传动传递的功率不大，故可取e.查取材料的弹性弹性影响系数 f.按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 g.计算应力循环次数 设定工作寿命为15年，每天工作4个小时，则： h.取得接触疲劳寿命系数为 i.计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1，安全系数S=1，得： MPa(2) 计算a.试算齿轮分度圆直径b.计算圆周速度v m/sc.计算齿宽bd.计算齿宽与齿高之比模数 mm齿高 mm e.计算载荷系数查得动载系数：；直齿轮：使用系数：，f.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 g.计算模数m mm3) 按齿根弯曲强度设计 (1) 确定公式内的各计算数值a.查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 b.取弯曲疲劳寿命系数 c.计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，有： d.计算载荷系数K e.查取齿形系数与应力校正系数 f.计算齿轮的(2) 设计计算 mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，故综合考虑两者数值，最终选定模数m=3 mm，分度圆直径为d=66mm，齿宽 mm。为了提高齿轮的的寿命，齿宽取值b1=25mm，大齿轮的齿宽按照设计一般是比小齿轮b1小58mm，b2=15mm。齿数标准模数齿宽mm小齿轮22325大齿轮19515这样设计出来的齿轮既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并且做到结构安排合理紧凑14。6.4 传动轴的校核因为在升降的机构中电机是他通过功率选的，减速器，以及钢丝绳都是按照标准选择的，所以不再需要对其经行计算，传动轴的直径D=120mm,轴的长度为L=1360mm。轴的强度校核计算：式中：扭转切应力，MPa； 轴所受的扭矩，Nmm； 轴的抗扭截面系数，； n轴的转速，r/min； P轴传递的功率，kw； d计算截面处轴的直径，mm； 许用扭转切应力，MPa。由上式可得轴的直径 1) 确定式中数值 式中部分数值承接电机选择的相关数据，并查阅相关标准得到： 2) 代入数值，求出最小轴径： mm因为轴的直径120大于110.24，所以设计的轴合理。6三维建模及装配Unigraphics Solutions公司(简称UGS)是全球著名的MCAD供应商,主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发(VPD)的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MCAD解决方案。其主要的CAD产品是UG。本次课题的设计选用UG8.0经行三维的造型。6.1 实体建模首先打开软件，点击
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