立体车库辅助入库装置设计毕业论文.doc

立体车库辅助入库装置设计毕业论文目录摘 要IAbstractII目录 III1 绪论11.1 选题背景11.2 立体车库现有种类41.3 辅助入库装置设计目的和意义42 总体技术方案及系统组成52.1 设计前的分析52.2 方案设计与选择52.3 辅助入库装置工作原理63 液压升降台的设计83.1 设计要求和目的83.2 液压缸的设计83.3 液压控制系统的设计94 移动导轨工作台的设计114.1 设计任务及已知参数114.2 确定设计方案114.3 机械传动部件的计算和选择124.3.1 工作台外形尺寸及重量初步估算134.3.2 直线滚动导轨的设计计算134.3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型144.3.4 步进电机的传动计算及电动机的选用164.3.5 联轴器的选用184.3.6 丝杠两端轴承的选取184.3.7 键的选择185 旋转工作台的设计195.1 设计目的和方案195.2 设计要求及已知参数195.3 计算总传动比和分配传动比195.4 电动机的选择205.5 传动装置的运动和动力参数计算205.6 初算轴的直径205.7 轴的结构设计215.7.1 拟定轴上零件的装配方案215.7.2 轴的校核215.8 圆柱齿轮减速器的计算与结构设计225.9 圆柱蜗杆和涡轮的计算和结构设计245.10 轴承的选用276. 控制系统设计31 6.1控制系统的选择31 6.2步进电动机的工作原理31 6.3步进电机控制及运行方式34 6.4控制系统程序设计34 6.4.1控制流程分析34 6.4.2程序设计357 机械吊臂示意图38结束语39致 谢40参考文献41II 1 绪论 1.1 选题背景 立体车库设备的应用已有30多年的历史了。发展较早、较好的有日本、韩国、台湾、德国等。我国在20世纪 80年代开始研制和使用立体停车设备。20世纪80年代是起步阶段，20世纪90年代以来，随着汽车工业和建筑工业的发展，尤其是轿车进入家庭后，立体车库设备的应用逐步推广，已经形成了新兴停车设备行业，步入了引进、开发、制造、使用相结合的初步发展阶段。2008年国内进行安装的立体车库达到687个，比2007年的652个增加了35个，增长了5.37%。2008年在中国整体外贸出口增速大幅下滑的情况下，立体停车设备出口额增长仍达到了68.1%的增速。近年来立体停车设备经引进技术和自我研制开发，生产技术水平已经有了很大的提高。许多设备采用了当前机械、电子、液压、光学和计算机等领域的先进技术。车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定阶段产生的结果，立体车库与传统地下车库相比，在许多方面都显示出优势。首先是节地优势，以往的地下车库由于要留出足够的行车通道，平均一辆车就要占据40的面积，而采用双层立体车库，可使地面的使用率提高80-90,如果采用地上多层（21层）立体车库的话，50的土地面积上便可存放40辆车，可以节省土地资源和减少土建开发成本。第二是安全和方便优势，以往停车，速度慢、效率低，对开车司机有一定的技术要求，甚至经常引发车祸，而立体车库辅助入库装置却能提高汽车入库效率，减少人工驾驶入库难度，还能自动校正位置、角度，非常方便。从我国机械式车库实际安装情况看，由于PSH（升降横移）类具有类型多、规模可大可小、场地适应性强、价格便宜等特点，决定了PSH类应用较为广泛，数量占绝大多数，今后相当一段时间内仍将是PSH的天下，具有广阔的发展前景。1.2 立体车库现有种类 升降横移类机械式停车设备：采用以载车板升降或横移存取车辆的机械式停车设备。特点：由于型式比较多，规模可大可小，对地的适应性较强，因此使用十分普遍。钢结构部分、载车板部分、链条传动系统、控制系统、安全防护措施等。在停车设备的市场份额约占70%。不足点：每组设备必须留有至少一个空车位；为链条牵动运行过程不具有防止倾斜坠落功能。垂直循环类机械式停车设备：采用垂直方向做循环运动来存取车辆的机械式停车设备。特点：省地,在58m2的地方建起大型垂直循环类机械停车库，可容纳34辆轿车，可省去购置土地的大量费用。在停车设备的市场份额约占3-5%。不足点：设备结构复杂，没有完善的闭锁和监测系统，采用足够的安全措施和消防系统，相对比较故障率高。最远车位一般一次取车需2分钟，高峰取车时间依次取车时间过长，依次取车第20辆约需30分钟以上，实用性差，因此有的用户开始拆除。水平循环类机械式停车设备：采用一个水平循环运动的车位系统来存取停放车辆的机械式停车设备。特点：可以省去进出车道，提建于狭长地形的地方，降低拉通风装置的费用，若多层重叠可为大型停车场。但因一般只有一个出入口，所以存取车时间较长。在停车设备的市场份额约占3-5%。不足点：但因一般只有一个出入口，所以存取车时间较长，最远车位一般一次取车需2分钟，高峰取车时间依次取车时间过长，依次取车第20辆约需30分钟以上，实用性差，因此有的用户开始改造。多层循环类机械式停车设备：采用通过使载车板作上下循环运动而实现车辆多层存放的机械式停车设备。特点：无需坡道，节省占地，自动存取，建于地形细长且地面只允许设置一个出入口的场所。在停车设备的市场份额约占1-2%。不足点：设备结构复杂，相对比较故障率高。 最远车位一般一次取车需2分钟，高峰取车时间依次取车时间过长，依次取车第20辆约需30分钟以上，实用性差，因此有的用户开始改造。平面移动类机械式停车设备：在同一层上用搬运或起重机平面移动车辆或泊车板平面横移存取车辆，亦可搬运机和升降机配合实现多层平面移动存取车辆的机械式停车设备。特点：一般设置在地上或半地下，准无人方式，地平面层为自走式，不仅降低建立立体车库投资费用，而且地平面层可停放大尺寸车辆。在停车设备的市场份额约占2-3%。不足点：设备结构复杂，相对比较故障率高。 存车超过20辆时，高峰取车时间依次取车时间过长，依次取车第20辆约需30分钟以上，实用性差。堆垛类机械式停车设备：以巷道堆垛机或桥式起重机将进到搬运器的车辆水平且垂直移动到存车位，并用存取机构存取车辆的机械式停车设备。特点：巷道堆垛类立体停车库设备是20世纪60年代后欧洲根据自动化立体仓库原理设计的一种专门用于停放小型汽车的立体停车设备。是一种集机、光、电、自动控制为一体的全自动化立体停车设备，它的出现解决了人们希望解决的大型自动化停车难题；全封闭车库，存车安全等特点。该类车库主要适用于大型密集式存车。在停车设备的市场份额约占3-5%。不足点：设备结构复杂，设有完善的闭锁和监测系统，采用足够的安全措施和消防系统，相对比较故障率高。最远车位一般一次取车需2分钟，高峰取车时间依次取车时间过长，依次取车第20辆约需30分钟以上，实用性差，因此有的用户开始改造。垂直升降类机械式停车设备：垂直升降类汽车停车设备亦可称为塔式立体停车设备，通过提升机的升降和装在提升机上的横移机构将车辆或载车板横移，实现存取车辆的机械式停车设备。特点：整个存车库可多达2025层，即可停放4050辆车，占地面积不到50m2 ，空间利用率最高。适宜建筑在高度繁华的城市中心区域以及车辆集中停放的集聚点。在停车设备的市场份额约占3-4%。不足点：设备结构复杂，设有完善的闭锁和监测系统，采用足够的安全措施和消防系统，相对比较故障率高。最远车位一般一次取车需2分钟，高峰取车时间依次取车时间过长，依次取车第20辆约需30分钟以上，实用性差，因此有的用户开始改造。简易升降类机械式停车设备：车位分成上、下二层或二层以上，借助升降机构或俯仰机构使汽车存入或取出的简易机械式停车设备叫做简易升降类机械式停车设备。简易升降类机械式停车设备一般为准无人方式，即人离开后移动汽车的方式。特点：这类停车设备的结构简单、操作容易，多用于私人住宅、企事业单位、地下室等。该类停车设备可充分利用地下室空间场所，在面积一定时将至少增加二倍以上的停车位。在停车设备的市场份额约占5-8%。不足点：整体结构设计不科学，力学结构不合理，二层以下可以，三上升降运行时摆动幅度过大，风力过大时发生摇晃，连设计人员自己都担心，留有巨大的安全隐患，是停车设备需要技术改进的产品，否则将被淘汰。汽车专用升降机：汽车专用升降机是专门用作不同平面的汽车搬运的升降机，它只起搬运作用，无直接存取的作用。特点：可以代替汽车进出车库的斜坡道，大大节省空间，提高车库利用率，汽车专用升降机常用于地下或楼层、屋顶或建筑内自走式车库存取汽车的搬运。1.3 辅助入库装置设计目的和意义 如今家用轿车保有量迅速增加，导致停车位的紧张，除了建设专门的地下车库，道路两旁也开辟了临时的停车场，还有专业公司建设的立体车库。然而，一个重大的问题摆在我们面前，就是如何安全高效的将车倒入车库。目前，高档一点的小车带有智能泊车辅助系统，能较快安全地将车倒入车库，但对于普通大众性小汽车，不具有此功能，是一大难题。为了提高汽车入库效率，减小人工驾驶难度，我们设计了一种立体车库辅助入库装置，能够在汽车较随意停放后，自动校正其位置、角度，并送入车库升降库位。 2 总体技术方案及系统组成2.1 设计前的分析 要设计一种立体车库辅助入库装置，该装置起一种辅助停车的作用，能够在汽车较任意停放后自动校正其位置、角度并送入车库载车板上，要实现以上几个运动，必须有三个自由度，X、Y方向的运动和绕Z轴的转动，这样辅助装置上的汽车可以到达平面上任意位置，从而能够将车安全准确的停在载车板上。2.2 方案设计与选择 根据设计前的分析，查阅相关资料，在老师的精心辅导下，初步想出来三种设计方案，以下是三种方案：方案一：升降叉车 在去工厂的生产实习和毕业实习的过程中，可以看到很多的叉车，叉车同正常车一样，可到达水平面的任意位置，叉车前面的装置采用液压升降杆可实现上下方向的运动。利用这种装置，先将车托起，叉车再运动到载车板的指定位置，将车放下，再从车库倒出来，这样汽车就可以准确到达载车板。虽然这种装置设计简单，但由于载车板的局限性，要求叉车司机要有较高的技术，停车效率低还比较繁琐，所以不宜采用这种装置。方案二：遥控平板小车 该车紧贴地面，能够钻到汽车的底部，将汽车托起，通过上端圆盘的旋转可实现小角度的调整，平板小车自身也可以运动，待平板车上的汽车位置调整好后，圆盘下降，汽车放到载车板上，平板小车再退出来，这样汽车就准确无误的停放到载车板上了。小车自身的运动和升降旋转盘的运动均采用遥控器来控制。考虑到汽车底盘距地面的距离较近，平板小车的上下结构尺寸必须较小，而各个运动又不能相互干扰，实际设计存在很大的困难，所以不宜采用。 图2.1方案三：旋转平移升降平台+机械吊臂 该方案装置有两部分组成，上面是机械吊臂，下面是一个升降平台，下面的升降平台用来调整汽车的位置，待汽车的位置调整好后，由机械吊臂将其送入车库。旋转平移升降平台的设计主要有三层结构组成，第一层是液压升降台，这个平台能够自由升降，可以将整个汽车托起；第二层是水平移动导轨工作台，能水平直线移动，可以调整汽车的重心；第三层是一个旋转平台，能够及时调整汽车的转向。由于方案三可用空间大，在各种运动互不干扰的情况下，容易实现，所以本次毕业设计采用方案三，如图所示。2.3 辅助入库装置工作原理 如图所示，当汽车重心和升降台几何中心不重合时，升降台先升起一小段距离，同时做旋转运动，使移动导轨轴线和汽车车体垂直，移动导轨向左平移，使汽车重心和升降台几何中心重合，之后液压升降台再升起一定距离，将车托起，通过移动导轨复位到原点。此时车的重心应和托盘的几何中心重合，车的位置不一定端正，上图所示只是特殊情况，可通过第三层旋转机构将车位置摆正（和立体车库载车板相平行），再由上端的机械吊臂将车吊起送入立体车库。 图2.2 3 液压升降台的设计3.1 设计要求和目的 司机停车时，当汽车的重心与升降台的几何中心不一致时，为避免干扰，升降台要先升起一定的高度才能运动，此高度必须小于汽车底盘距离地面的高度，经过下层装置的旋转和平移运动，使升降台的中心和汽车的重心重合，之后升降台再升起，将车托起，再经过下层装置的平移和旋转运功将车停到整个辅助装置的中心并摆正位置，之后由机械吊臂将汽车吊起送入载车板，升降台再复位。升降台升降运动采用液压装置来实现，考虑到汽车的安全，升降台工作时必须要保证平稳，这里采用三个单杆式活塞缸，成圆形排列，每120安装一个，为保证液压缸运动的一致性，三个液压缸的进油口连在一起，出油口同样连在一起。另外，要求液压缸能在任意位置上停留，停留后不会因外力作用而移动位置，所以 采用锁紧回路。3.2 液压缸的设计 汽车升降台的半径R=0.8m，移动导轨移动距离为-45-22cm升降台的上升速度=0.02m/s公式 G=mg=（2000+75）g=20335N活塞上所产生的推力取 采用圆柱形活塞杆，液压缸中活塞的直径为15cm，活塞杆的直径为8cm =7080N 输入流量=354=21.24L/min 图3.1 液压缸及及活塞杆的配合图 如图所示，液压缸由缸体、上端盖和下端盖组成，均采用HT200来铸造。上端盖和下端盖均采用圆柱体螺钉来连接，连接处有密封圈，可防止液压油的泄露。内部的活塞杆由活塞和杆通过防松螺母连接，两边有导向环和格来密封圈，防止油液从两旁泄露，保证缸内所需的压力。3.3 液压控制系统的设计由于辅助装置在运动过程中，升降台要升起两次不一样的高度，另一方面，对于不同的车型，底盘的高度不同，升降台升起的高度也不同，所以液压升降台必须能够停留在某个高度，且停留后不会因外力作用而移动位置，在这里我们采用液压锁紧机构，如图所示。设置限压阀的限压值为0.8MPa，当换向阀处于左位时，压力油经单向阀1进入液压缸左腔，同时压力油亦进入单向阀2的控制油口，打开阀2，使液压缸右腔的油经阀2及换向阀流回油箱，活塞向右运动。反之，活塞向左运动，到了需要停留的位置，只要换向阀处于中位，中位为H型机能，所以阀1阀2均关闭，使活塞双向锁紧。将液压缸竖直放，即可实现升降台的升降和在任意高度的停留。控制原理图如图所示。 图3.2 液压控制原理图 4 移动导轨工作台的设计4.1 设计任务及已知参数1. X、方向的定位精度均为0.02mm，初选0.01mm的脉冲当量。2、 工作台面尺寸 移动托板尺寸约1m0.8m 导轨尺寸约2m 托板移动范围-45-22cm3、工作台空载进给最快移动速度： 6000mm/min，工作台满载（旋转平台上有车时）进给移动速度 1000mm/min 加减速时间t=1s。4.2 确定设计方案机械传动部件的选择方案一： 丝杠螺母副的选择： 滑动丝杠副 导轨副的选用： 直线滚动导轨伺服电机的选用： 交流伺服电动机减速装置的选用： 齿轮减速箱方案二：丝杠螺母副的选择： 滚动丝杠副 导轨副的选用： 直线滚动导轨伺服电机的选用： 步进电动机减速装置的选用： 齿轮减速箱方案对比并确定最终方案、丝杠螺母副的选择步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.01mm和0.02mm的定位精度，相对于滑动丝杠副，滚珠丝杆副的传动精度高，传动效率可达0.920.96，运动平稳，低速无爬行现象，动态响应快、寿命长、预紧后可消除反向间隙。维护简单，同步性好有专业厂生产，选用配套方便，故选用滚珠丝杠螺母副。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快的移动速度Vxmax =6000mm/min，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。、导轨副的选用要设计移动工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。、伺服电机的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有6000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。、减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动。4.3 机械传动部件的计算和选择4.3.1 工作台外形尺寸及重量初步估算按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括汽车（汽车最大重量以2T来计）、上层升降工作平台、上层液压缸、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为2150，G=mg=21509.8=21070N。4.3.2 直线滚动导轨的设计计算、工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中F=0，得最大工作载荷5267.5N查表初选直线滚动导轨的型号为KL系列。导轨型号为JSA-LG25型。（长度为1960mm，额定动载荷17.7KN,额定静载荷22.6KN) 距离额定寿命L的计算 上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-363-40，分别取硬度系数1，温度系数1，接触系数0.81，精度系数0.9，载荷系数1.5，带入式（3-33）的距离寿命L=，远大于期望值，故距离额定寿命满足要求。 图4.1 移动导轨副上的滑块示意图4.3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 最大动载荷的计算已知移动部件总重量G=mg=21070N ，按矩形导轨进行计算，滚动导轨上的摩擦系数u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷105.35N,初选丝杠导程5mm，满载时丝杠转速200r/min 最大动载荷713.79N( )初选型号 根据载荷和初选的丝杠导程，选择G系列G4005-3型号的滚珠丝杠副，其公称直径40mm，导程5mm，循环滚珠为32，精度等级取5级，额定载荷远大于,满足要求。 图4.2 滚珠丝杠螺母副图传动效率的计算 公称直径40mm，导程5mm，带入=arctan，得丝杠螺母选升角=217，摩擦角=10，带入=tan/tan（+),得传动效率=93.2刚度的验算丝杠的两端各采用一对角接触球轴承，面对面组配，左右支撑中心的距离约为a=2000mm，钢的弹性模量E=2.1100000Mpa，查表得滚珠直径=3.175mm，丝杠底径=36.2mm,丝杠截面积S=1029.22mm忽略式（3-25）中第二项，丝杠产生的拉压变形=a/ES=0.000975mm根据公式Z=-3，求得Z=40，该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，带入公式：圈数列数，得滚珠总数量=120，丝杠预紧时，取轴向预紧力=1/3=35.12N则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量=2.52mm 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取=1.26mm将以上算出的数据带入公式，求得丝杠总变形量为=1.1um丝杠的有效行程为900mm，由表3-27可知，5级精度滚珠丝杠有效行程在800-1000mm时，行程偏差允许达到40um，可见丝杠刚度足够。压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷。取支撑系数=1，丝杠底径=36.2mm，求得截面惯性矩I=/64=84295.46压杆稳定安全系数K取3，滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值2000mm。带入式（3-28），得临界载荷=2.91，远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。4.3.4 步进电机的传动计算及电动机的选用、传动计算因为移动精度为0.02mm，脉冲当量为0.01mm/Hz，步距角为0.75，滚珠丝杠导程Ph=5mm，则传动比i=Ph/360=1由于传动比为1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的方式。、步进电动机的计算和选型初选常州宝马前杨电机电器有限公司的90YG2602型永磁式步进电动机，可知其转子的转动动惯量=4快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩工作台折算到电动机轴上的转动惯量= 丝杠和联轴器取质量约为10 i=1 1200r/min=1s则移动部件运动时运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 =0.75 i=1滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 得最大工作负载下电动机转轴所受的负载转矩计算同上，只是G=21509.8=21070N得 得步进电动机最大静转矩的选定安全系数k取2.5-4，取4，则步进电动机的最大转矩应满足： 查表4-5得该型号电动机的最大静转矩为6Nm。可见满足要求。步进电动机的性能校核空载时电动机输出转矩校核 在此频率下，电动机的输出转矩远远大于空载转矩，满足要求满载时电动机输出转矩校核 此频率下，电动机的输出转矩也大于满载转矩，满足要求启动频率的校核 综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602永磁感应步进电动机，完全满足设计要求。4.3.5 联轴器的选用计算联轴器的转矩传动轴上的公称转矩T=0.27Nm 实际计算中，应将公称转矩乘以工作情况系数,得到计算转矩。确定联轴器的型号根据计算转矩及所选联轴器型号，在联轴器的标准中按照下式：的条件确定联轴器型号。式中为所选型号联轴器的许用转矩.查表13-7，选用GY1刚性性联轴器。最高转速，满足要求。4.3.6 丝杠两端轴承的选取选用丝杠的型号为G4005-3，查表3-31得滚珠丝杠的丝杠底径为 丝杠外径为，由于轴与轴承室过盈配合，丝杠与螺母相对运动时存在轴向力，所以查表12-6选取轴承型号为7207C的角接触球轴承，分别安在丝杠的两端，用来固定丝杠，使丝杠不能轴向运动，只能旋转。4.3.7 键的选择 选用的电动机的型号是90BYG2602，伸出轴的直径为14mm，故伸出轴上的键选半圆键,丝杠与联轴器相连的键为。 5 旋转工作台的设计 5.1 设计目的和方案本层设计要实现工作台自身的旋转运动，从而达到将第一层圆盘上汽车位置摆正的目的，由于电动机的转速较大，而旋转工作台的速度较小，所以它们之间要采用传动比很大的减速装置。通过查阅资料，拟采用一级圆柱齿轮和蜗杆涡轮相结合的减速装置。 图5.1 5.2 设计要求及已知参数 工作台满载时的旋转速度=5r/min 加速时间为t=1s 角加速度=rad/s工作台尺寸：D=2m左右 h=1cm 铸铁密度= 工作台质量约为m=250初选步进电动机的转速为1500r/min5.3 计算总传动比和分配传动比 传动装置的总传动比i，可根据电动机的满载转速和工作机所需转速来计算i=1500/5=300传动比的分配 根据课程设计手册查表可知圆柱齿轮减速传动比的推荐值是3-7，蜗杆涡轮减速传动比的推荐值为10-60，总的传动比i=300，故选择一级圆柱齿轮减速比取6，蜗杆涡轮减速比选60.5.4 电动机的选择电动机类型的选择 电动机的类型根据动力源和工作条件，选用步进电动机电动机功率的选择圆柱体的转动惯量计算公式 转矩为(为角加速度) 主轴上负载转矩的计算满载时汽车、液压缸及汽车托盘折算到主轴上的负载转矩 m=2075 R=0.8m 经计算=347.67Nm第三层旋转工作台及上层移动导轨、移动托板及丝杠螺母折算到工作台上的负载转矩工作台质量m=250+75=325 R=1m 经计算总的负载转矩T整个转轴正常工作所需的有效功率0.23KW电动机所需的有效功率 =0.950.450.98=0.42 为齿轮传动效率 蜗杆传动效率 滚动轴承效率电动机轴所需要的转矩=3.5Nm根据以上电动机轴上所需功率和转矩，采用130BYG3502永磁感应步进电动机，三相，步距角为0.6。5.5 传动装置的运动和动力参数计算各轴转速的计算 各轴输入功率计算 各轴输入转矩计算 5.6 初算轴的直径联轴器和滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的结构设计是在初步计算轴径的基础上进行的，故先要初算直径。轴的直径可按扭转强度进行估算，即： p为轴传递的功率 n为轴的转速 c通常取106-117由于电动机型号已定，查表得电动机伸出轴的直径蜗杆两端轴的直径考虑到有键槽，应取大一些，取30mm同理，装蜗轮的轴直径，取60mm5.7 轴的结构设计 5.7.1 拟定轴上零件的装配方案 蜗杆轴上除有蜗杆，还有两端轴向固定轴的角接触球轴承，蜗杆要与蜗轮啮合，考虑到蜗轮直径较大，为防止轴承安装时与蜗轮干扰，轴承与蜗杆有齿部分的距离应该较大。由于圆柱齿轮采用的是带凸台的齿轮，所以与齿轮配合的轴应长一些，具体尺寸如图所示。 主旋转轴上装有蜗轮，蜗轮的轴向定位由轴肩和套筒来定位，同样为防止圆柱齿轮减速器的大齿轮和旋转台发生干扰，所以轴的长度也应该大一些，具体尺寸如图所示。 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度，如图所示。 电动机的型号为130BYG3502,伸出轴的长度为45mm，所以电动机伸出轴的长度为45mm，直径为19mm. 蜗杆轴上装有齿轮，要与键相连，轴取30mm，考虑到齿轮之间不能干扰，取轴的尺寸如图所示。 图5.2 主旋转轴的设计 初选轴的直径为60mm，轴的结构及尺寸如图 图5.35.7.2 轴的校核 弯矩受力分析=609421作用在齿轮上的圆周力 Ft作用在齿轮上的径向力Fr 作用在齿轮上的轴向力Fa 计算作用于轴上的支反力，弯矩。求垂直面的支承反力求水平面的支承反力绘垂直面的弯矩图绘水平面的弯矩图合成弯矩 校核轴的强度由轴的扭距、弯距图可知，齿轮轴的轮齿处存在危险截面，因此在该处计算应力 （因扭转切应力不是对称循环应力，故引入折合系数）取抗弯截面系数 截面上的弯曲应力 截面上的扭转切应力 轴的弯扭强度条件为 查表15-1得 MPa所以 符合弯扭强度条件。同理校核另外两根轴，同样符合要求。 5.8 圆柱齿轮减速器的计算与结构设计 图5.4 选择齿轮材料、热处理方式和精度等级 大、小齿轮均选用40钢表面淬火，平均齿面硬度为52HRC,选用8级精度 按齿根弯曲疲劳强度初步计算齿轮参数因为是硬齿面齿轮传动，故先按齿根弯曲疲劳强度进行计算，即式中各参数如下：试选载荷系数计算小齿轮的转矩按表6-7取齿宽系数取 Z2=uZ1=100查表6-4得齿形系数应力校正系数，应力校正系数，许用弯曲应力有式6-19即按计算查图弯曲疲劳极限 取 取安全系数由式6-20得小齿轮与大齿轮的应力循环次数分别为查图得弯曲疲劳寿命系数 所以 确定传动尺寸计算圆周速度 故8级精度够用计算载荷系数KK=2.178 查表6-1得使用系数=1.5 查图6-6得动载荷系数1.1 查表6-2得齿间载荷分配系数 查图6-10得齿向载荷分布系数对进行修正 取标准模数m=2mm计算中心距计算分度圆直径 计算齿宽 取 校核齿面接触疲劳强度由式6-9得 式中各参数为K、值同前区域系数由表6-3查得弹性影响系数许用接触应力由式6-18，即按计算接触疲劳极限接触疲劳寿命系数取安全系数298.98Mpa满足齿面接触疲劳强度圆柱齿轮结构设计 =1.4mm 齿根圆到键槽底部的距离，齿轮与轴应该分开制造较为合理。小齿轮分度圆直径 齿顶圆直径 宜采用实心结构的齿轮，由于小齿轮与电动机轴直接相连，为保证精度和稳定性，采用带凸台的齿轮，该齿轮带有止动螺纹孔。大齿轮分度圆直径 也采用实心结构的齿轮，同样采用带凸台和制动螺纹孔的齿轮。圆柱齿轮传动键的选择电动机的型号为130BYG3502,伸出轴的直径为19mm，选用平键，与大齿轮所配合的轴的直径为30mm，所以选择键.5.9 圆柱蜗杆和涡轮的计算和结构设计 已知蜗杆的输入功率=0.52KW, 蜗杆转速=250r/min，传动比=50 图5.5选择蜗杆传动类型。根据GB/T10089-1998的推荐，采用渐开线蜗杆。选择材料。考虑到蜗杆传递功率不大，速度中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高，耐磨性好，故蜗杆螺旋面要求淬火，硬度45-55HRC.蜗轮用铸锡磷青铜，金属模制造。为节约贵重的有色金属，仅齿圈采用青铜制造，轮芯用灰铸铁HT100制造。按齿面接触疲劳强度进行设计。根据蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由式7-13，传动中心距(mm)确定作用在蜗轮上的转矩.按=1，估计效率=0.45，则=432840Nmm确定载荷系数因工作载荷稳定，所以选取齿向载荷系数=1由表7-8选取使用系数=1.15由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数=1.05，则1.21确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值=0.35，从图7-14中可查的确定许用接触应力，金属模制造，蜗杆硬度45HRC，可从表7-10中查的蜗轮的基本许用接触应力268MPa应力循环系数=3.6寿命系数1.136，则=304.5MPa根据蜗轮材料为铸锡磷青铜计算中心距=133.38mm由式7-14得 =49.2mm=4.1mm由表7-2中取模数m=5mm，蜗杆分度圆直径=50mm，直径系数q=10，这时=0.37，从图7-14中可查的接触系数=2.74，因为，因此以上计算结果可用。蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸。蜗杆轴向齿距=15.71mm；直径系数q=10；齿顶圆直径=60mm；齿根圆直径=38mm；分度圆导程角=543；蜗杆轴向齿厚=6.2832mm蜗杆蜗杆齿数=50；变位系数=-0.5蜗杆分度圆直径=250mm蜗轮喉圆直径=255mm我轮齿根圆直径=243mm蜗轮咽喉母圆半径=22.5mm校核齿根弯曲疲劳强度当量齿数=50.76mm根据=-0.5 =50.76 从图7-15中可查得齿形系数=2.75螺旋角系数 =0.95236 许用弯曲应力 从表7-11中查的由制造的蜗轮的基本许用弯曲应力=56MPa寿命系数 =0.867 =560.867=48.571MPa 带入式中得 =39.8MPa 弯曲强度是满足的。精度等级公差和表面粗糙度的确定。考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于统一机械减速器，从GBT10089-1988圆柱蜗杆、齿轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8fGBT10089-1988.蜗轮的结构设计采用腹板圆柱齿轮蜗轮与轴配合键的选择蜗轮所在轴的直径为70mm，故选用键5.10 轴承的选用滚珠丝杠两端轴承的选用滚珠丝杠的公称直径为d=40mm，故选用角接触球轴承7207C蜗杆两端轴承的选用蜗杆分度圆直径=50mm，初选时与齿轮配合的轴的直径为d=30mm，故查表采用角接触球轴承7208C主轴轴承的选用 初算时主轴的直径为60mm，选用角接触球轴承型号721 6. 控制系统设计 6.1 控制系统的选择 本文辅助装置中的步进电动机采用 PLC来控制，PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。因此，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制。要了解PLC是如何控制步进电动机的，我们先了解一下步进电动机的工作原理。6.2 步进电机的工作原理(1) 步进电机结构A步进电机结构剖面图如图6.1所示。CDB定子励磁线圈转子 图6.1 步进电机结构剖面图电机转子均匀分布着40个小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3，(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示)，即A相与齿1相对齐，B相与齿2向右错开1/3，C相与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，(A就是A，齿5就是齿1)，定转子的展开图如图6.2所示。T54321ABAC图6.2 定转子的展开图(2) 旋转过程如A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，转子不受任何力(以下均同)。 如B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3。如C相通电，A、B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3，这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4(即齿1前一齿)移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A、B、C、A通电，电机就每步(每脉冲)1/3，向右旋转。如按A、C、B、A通电，电机就反转。其通电状态如图6.3所示。C相通电B相通电A相通电 图6.3 通电状态图由此可见，电机的位置和速度由通电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由通电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m，2/m(m-1)/m，1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。(3) 力矩电机一旦通电，在定转子间将产生磁场(磁通量)当转子与定子错开一定角度产生力F与(d/d)成正比，其磁通量=Br*S，Br为磁密，S为导磁面积，F与L*D*Br成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径，R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态)。因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然11。(4) 步进电机的分类步进电机分为永磁式(PM)、反应式(VR)、混合式(HR)三种。永磁式一般为二相，转矩和体积都很小，步距角一般为7.5或15；反应式一般为三相，实现大转矩输出，步距角为1.5；混合式兼具永磁式和反应式的优点，分二相和五相，二相步距角为1.8，无相步距角为0.72。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本立体车库辅助装置采用PLC来控制，PLC控制电路发出脉冲，步进电动机转过一个角度（步距角），这样就能控制与电动机相连的减速器齿轮组的转速，从而达到所要求的运动方式。反过来，辅助装置上方装有图像传感器，当汽车的重心不与圆盘几何中心重合时，图像传感器就会发出信号，该信号转换成电信号反馈到PLC控制电路，控制电路做出相应调整，直到重心和中心重合，反馈信号消失，辅助装置完成汽车角度和方位的调整，步进电动机驱动图如图所示。 336.3 步进电机控制及运行方式下面我们以步进电动机的正反转为例来说明PLC是如何控制步进电动机的，本装置中用到了步进电动机90BYG2502和130BYG3502，它们的三个绕组分别用A、B、C表示,下面以90BYG2502型步进电动机为例来说明。三拍运行时，正转通电顺序为ABCA，反转通电顺序为CBAC；或正转通电顺序为ABBCCAAB，反转通电顺序为ACCBBAAC。六拍运行时，正转通电顺序为AABBBCCCAA；反转通电顺序为AACCCBBBAA90BYG2502型步进电动机的运行状态如表6.1所示。表6.1 步进电动机的运行状态单步三拍六拍正转反转启动停止连续三拍六拍正转反转启动停止本设计中使用的PLC为西门子S7-200 CN系列PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY，借助于实验室实验平台，选用90BYG2502型步进电动机。要实现功能：通过PLC控制步进电动机在单步、连续运行的情况下实现三拍、六拍的正、反转运动。6.4 控制系统程序设计 6.4.1 控制流程分析控制要求：当按钮开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；当按钮开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止；当按钮开关拨到三拍时，旋转的角度为3度；当按钮开关拨到六拍时，旋转角度为1.5度；当按钮开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；当按钮开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；当单步要转到连续或连续转到单步，可以通过停止也可以直接转换；(通