毕业立体自行车库设计说明书教材

1、本科毕业设计说明书题 目： 立体自行车库设计 院 （部）：机电工程学院专业：机械工程及自动化班级：机械 112姓名：江治国学号：2011071154指导教师： 刘辉 完成日期： 2015年 6月 15 日目录摘 要 IABSTRAC.T II1 前言 11.1 选题背景及意义 11.2 国内外立体自行车库的发展现状 11.3 本研究课题总体方案设计 32 立体自行车库运输系统机构设计 42.1 立体自行车库运输系统方案选择 42.1.1 升降机构方案选择 42.1.2 旋转机构方案选择 72.1.3 平移机构方案选择 92.2 立体自行车库运输系统执行元件选择 112.2.1 升降机构执行元件

2、选择 112.2.2 旋转机构执行元件选择 162.2.3 平移机构执行元件选择 172.3 立体自行车库运输系统机械结构设计 192.3.1 升降机构导轨的设计计算 202.3.2 升降机构带动的工作平台设计 222.3.3 旋转机构圆盘设计 232.3.4 平移机构丝杠机构设计 233 立体自行车库运输系统控制系统设计 . 253.1 控制系统总体设计 253.2 立体型车库运输系统的控制系统方案设计 263.2.1 控制系统各部分步进电机控制方案设计 263.2.2 单片机选型及 I/O 口分配 273.2.3 步进电机控制程序 274总 结 30谢 辞 31参考文献 32山东建筑大学毕

3、业设计说明书摘要随着经济的发展，传统燃油车的耗油量加剧增加，能源危机问题变得日益严峻，自 行车成为一种绿色交通工具。但是，自行车的存放成为一个大的问题，怎样把自行车存 放到一个安全而且占用空间小的地方成为一个急需解决的问题。立体车库已经出现了一 段时间，效果比较好，仿照立体车库的设计，占地面积小、存取方便的立体自行车库也 随之出现。这对于自行车的存放有着重大意义。本文主要介绍了立体自行车库通过控制系统控制机械手抓取自行车，升降旋转存取 的工作过程。关键词： 自行车库；控制系统；机械手；升降旋转；山东建筑大学毕业设计说明书Stereo bicycle garageABSTRACTWith the

4、 development of economy, the traditional fuel cars fuel consumption increase increases, the energy crisis problem become increasingly serious, the bicycle as a kind of green transport. But the bike store into a big problem, how to store your bike to a safe and small footprint place become a urgent p

5、roblem.Three-dimensional garage there have been a period of time, the effect is better, like the design of the stereo garage, cover an area of an area small, easy to access the stereo garage itself also emerged. This has great significance for bike store.This article mainly introduced the three-dime

6、nsional garage itself through control system control manipulator grabbing bicycle, lifting the working process of the rotating access.Key words: automatic garage; Control system; Manipulator; Lifting rotation;II山东建筑大学毕业设计说明书1 前言1.1 选题背景及意义交通车辆尾气排放使得环境污染已成为严重的世界性问题，随着经济的发展，传统 燃油车的耗油量加剧增加， 能源危机问题变得日益严

7、峻， 自行车成为一种绿色交通工具， 既保留了非机动车的轻便，又融入机动车的方便，而且车身占用车位小，大大提高了非 机动车道的通行效率，非常适合城市内短程出行，具有其他交通工具无法比拟的优势， 所以自行车作为一种环保交通工具越来越受到人们的青睐。然而，自行车的存放却成为 一个急需解决的问题。当我们骑行自行车上班、购物、游玩时都需存放自行车，而现在 基本就是在指定地点顺序存放。这样存放虽然方便，但是很不安全。与汽车停放相比占 用车位小，可是在商场等人流较大的场所仍然占据很大的空间，不方便人们的生活。所 中以需要设计一种占地面积小，存放方便而且安全的自行车车库。作为现代大都市的标 志，立体建筑和立体

8、交通都有了显著发展，。目前我国进行环保建设，自行车停车产业 市场前景广阔。机械式立体自行车车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能 与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施，是解决城市停自行车难的最有效的手段， 也是停车产业发展的必由之路。伴随人类社会从高碳向低碳的转型，自行车的使用日渐频繁，故而实现自行车的方 便存放是必须的。而且可以通过自行车的立体存放节约更多的空间来进行其余的建设。 21 世纪是“绿色环保”的世纪， 环境保护和能源节约问题已成为新世纪最为突出的两大 主题。这两大问题成为了“绿色交通工具”研究开发和推广应用的积极因素。随着各种 各样自行车的出现，立体自行车车库将拥有着较

9、为广阔的市场前景。1.2 国内外立体自行车库的发展现状现阶段，国内外常见的大多都是立体车库，立体自行车库基本没有出现。日本出现 了为自行车设计的停车库。这款日本的立体自行车库就给我们提供了一种很好的思路， 它的空间都位于地下，采用全自动的设计，你只要将自行车放到平台上，按下按钮，自山东建筑大学毕业设计说明书行车就会被存储到地下车库。而需要取车的时候只需要将特定的取车卡在扫描仪上刷一 下，您的自行车就会在半分钟内被自动调出。一套这样的车库可以存储 9400 辆自行车， 每部车每天的花费也仅需 100 日元。我们现在的自行车停放状况都是杂乱无章，而且占用空间大。图 1-1 停车场这种自行车停车场自

10、行车摆放随意，自行车安全也没有保障，遇到阴天下雨的情况自行车还容易损坏。虽然现在有些专门看管自行车的，也有一些自行车棚，但是仍然改 变不了停自行车不方便的现状。面就是日本设计的自行车库，图 1-2 日本立体自行车库这种自行车车库可以停放 200 多辆自行车，运作效率非常的高，十几秒内就可以取到自己的车。存取只要轻轻刷一下卡就可以了，方便简洁不需多余的步骤，存取系统自山东建筑大学毕业设计说明书动运作，你的车子就上来了。放在这地下车库里就不需要担心被偷了，而且不怕风吹日 晒和雨淋。1.3 本研究课题总体方案设计本说明书主要是先通过计算确定立体自行车库各运行机构正常工作时所承受的负 载和扭力来选择合

11、适型号的步进电机以及各运行机构的控制元件，着重点在分析、设计 各执行机构相应的控制系统，主要研究内容包括：控制系统总体方案分析设计、控制系 统电气控制系统分析设计、控制系统的硬件设计和软件设计等。由于设计内容要满足本课题的功能要求，要完成的立体自行车库主要是单片机编写 程序通过各种芯片控制各执行机构达到功能要求的正常的功能运转。通过人们按下存、 取车功能按钮，单片机接到指令后按照内部设定程序一步步运行将信息传送给步进驱动 器，利用步进驱动器的变频调速控制各执行机构的平移、旋转、升降等功能，并且可以 通过步进驱动器的反接相线控制步进电机正反转改变各机构运行方向，控制步进驱动器 对步进电机步距角的

12、细分功能改变各执行机构的运行速度。更人性化的方面在于，单片 机将各种信息形象地传输给显示模块， ，例如升降机构限位指示灯， 步进驱动器正常工作 指示灯及不同机构步进电机故障指示灯。一旦出现故障，立即显示出来，工作人员及时 处理，避免不必要的财产损失。本次设计所采用的单柱式升降机构结构与单柱式举升机结构相似，简图如图 1.1 所 示。图 1-3 单柱式举升机三维简图山东建筑大学毕业设计说明书2 立体自行车库运输系统机构设计2.1 立体自行车库运输系统方案选择本设计的运输系统为升降机构和旋转机构的组合。利用升降旋转系统实现把自行车 存入不同分层、不同位置车库的任务。我们需要考虑到多方面的需求，比如

13、运输效率、 承重、稳定性等。我分别对升降机构和旋转机构进行了不同的方案设计。2.1.1 升降机构方案选择设计升降机构考虑的问题有 :(1) 速度曲线 : 立体自行车库的总体机械结构，采用升 降机和平移存取构型。自行车存取时间限制在 20s，要求传动装置可高速度运行。要求 升降机构具有很高的平层精度 ,以减小撞击。为了保证安全、 低噪声、起制动平稳，要求 传动装置具有自动加减速功能， 升降机构的驱动装置采用了交流变频调速技术。 (2) 负载 机械特征 : 升降机构是频繁起制动设备 , 其运行中的大量时间处在加减速的过程中 ,升降 机构带有对重，因此它的负载机械特征分布于坐标系的四个象限内。当升降

14、平台静止或 匀速运动时，表现为静态负载机械特性。 当其加减速运动时，表现为动态负载机械特性 (除 含静态特性外，还含加速度造成的惯性转矩 ) 。这里我们找到三种升降机构，滚珠丝杠、剪叉式升降机、钢丝绳曳引这三种方式。 分别对三种机构进行分析：一、滚珠丝杠 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或者将直线运动转化为回转运动的理想的 产品。滚珠丝杠是工具机械和精密机械上经常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运 动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效 率的特点。由于具有很小的摩擦阻力， 滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。山东建筑大学毕业设计说明书图 2-

15、1 滚珠丝杠 滚珠丝杠具有以下特点：1、摩擦损失小、传动效率高 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较 高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下，即达到同样运动结果 所需的动力为使用滑动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。2、精度高 滚珠丝杠副是一般是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、 组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质 管理体制使精度得以充分保证。3、高速进给和微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬 行现象，能保证实现精确的微进

16、给。4、轴向刚度高 滚珠丝杠副可以加与预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚 性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力， 在实际用于机械装置等时， 由于滚珠的斥力可使丝 母部的刚性增强 ）。5、不能自锁、具有传动的可逆性 综合立体自行车库的设计需求，在垂直方向的升降运动需要比较大的进给，而且滚 珠丝杠机构的承载能力较低， 工作环境的要求比较高， 不太适合 立体自行车库的升降运山东建筑大学毕业设计说明书动。二、剪叉式升降机剪叉式升降机是用途广泛的高空作业专用设备。它的剪叉机械结构，使升降台起升 有较高的稳定性。产品主要用各种工作层间货物上下运送；立体车库和地下车库层高间 汽车举升等。产品

17、液压系统设置防坠、超载安全保护装置，各楼层和升降机工作台面均 可设置操作按钮，实现多点控制。产品结构坚固，承载量大，升降平稳，安装维护简单 方便，是经济实用的低楼层间替代电梯的理想货物输送设备。图 2-2 剪叉式升降机剪叉式升降机特点： 剪叉式升降机采用高强度锰钢钜形管制作。设有防止升降机超载的安全保护装置。设有防止液压管路破裂的安全保护阀。设有停电情况下的应急下降装置。该产品适用于 各行业高空设备安装、检修等可移动性高空作业。 根据不同要求可选择不同动力形式 （如： 三相交流电源、 单相交流电源、 直流电源和内燃动力等），加配上手动液压装置， 可在停 电或无电源场所照常升降工作， 并可加伸缩

18、平台， 在平台长度不足时可延伸至所需位置， 从而提高工作效率。剪叉式升降机常见的用于高空作业，在这里我们打算用于车库工作平台的升降，但 是立体自行车库的层数较多。剪叉式升降机大多用在净升高度低的场所，不适合立体自 行车库的多层结构。三、钢丝绳曳引 钢丝绳曳引指的是利用步进电机带动平台升降的，平台沿固定导轨完成升降。相比于电梯的曳引系统，本方案比较简单，电动机转动带动曳引轮转动，驱动钢丝绳，拖动 平台沿导轨竖直运动。山东建筑大学毕业设计说明书图 2-3 绞车（钢丝绳曳引）钢丝绳曳引机构通用性高、结构紧凑、体积小，能够满足立体自行车库升降机构的 需求。2.1.2 旋转机构方案选择旋转机构的方案选择

19、为电动机带动圆盘转动，圆盘上固定上述的升降机构。 电动机与圆盘之间的传动方式选用两种方案带传动和齿轮传动。一、 带传动 带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传 动原理的不同，有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动，也有靠带与带轮上的齿 相互啮合传动的同步带传动。带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动 力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。摩 擦型带传动能过载打滑、运转噪声低，但传动比不准确（滑动率在 2%以下）；同步带传 动可保证传动同步， 但对载荷变动的吸收能力稍差， 高速运转有噪声。

20、带传动除用以传 递动力外，有时也用来输送物料、进行零件的整列等。传动带的种类通常是根据工作机的种类、用途、使用环境和各种带的特性等综合选 定。若有多种传动带满足传动需要时，则可根据传动结构的紧凑性、生产成本和运转费 用，以及市场的供应等因素，综合选定最优方案。山东建筑大学毕业设计说明书但是考虑到电动机带动圆盘转动时，圆盘的转速和电动机转速相差较大，即所需的 传动比必须要大，所以带传动方案不合适。二、齿轮传动 齿轮传动是机械传动中应用最广的一种传动形式。它的传动比较准确，效率高，结 构紧凑，工作可靠，寿命长。齿轮传动特点：瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动的瞬时传动比能按需要的变化规律 来设计。传动比

21、范围大，可用于减速或增速。速度（指节圆圆周速度）和传递功率的范 围大，可用于高速（v40m/s），中速和低速（v25m/s）的传动；功率从小于 1W到 105KW。 传动效率高。一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达 99%以上结构紧凑，适用于近距 离传动。制造成本较高。某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需要专用的或高精度 的机床，刀具和量仪等，故制造工艺复杂，成本高。精度不高的齿轮，传动时的噪声， 振动和冲击大，污染环境。无过载保护作用齿轮传动类型有1. 圆柱齿轮传动用于平行轴间的传动，一般传动比单级可到 8，最大 20，两级可到 45，最大 60， 三级可到 200，最大 300。传递功率

22、可到 10 万千瓦，转速可到 10万转/分，圆周速度 可 到 300 米 /秒。单级效率为 0.96 0.99。直齿轮传动适用于中、低速传动。斜齿轮传动运 转平稳，适用于中、高速传动。人字齿轮传动适用于传递大功率和大转矩的传动。圆柱 齿轮传动的啮合形式有 3种：外啮合齿轮传动，由两个外齿轮相啮合， 两轮的转向相反； 内啮合齿轮传动，由一个内齿轮和一个小的外齿轮相啮合，两轮的转向相同；齿轮齿条 传动，可将齿轮的转动变为齿条的直线移动，或者相反。2. 锥齿轮传动用于相交轴间的传动。单级传动比可到 6，最大到 8，传动效率一般为 0.94 0.98。 直齿锥齿轮传动传递功率可到 370千瓦，圆周速度

23、 5 米/秒。斜齿锥齿轮传动运转平稳， 齿轮承载能力 较高，但制造较难，应用较少。曲线齿锥齿轮 传动运转平稳，传递功率可到 3700 千瓦，圆周速度可到 40米/秒以上。3. 双曲面齿轮传动用于交错轴间的传动。单级传动比可到 10，最大到 100，传递功率可到 750 千瓦，山东建筑大学毕业设计说明书传动效率一般为 0.90.98，圆周速度可到 30 米/秒。由于有轴线偏置距，可以避免小齿 轮悬臂安装。广泛应用于汽车和拖拉机的传动中。4. 螺旋齿轮传动用于交错间的传动，传动比可到 5，承载能力较低，磨损严重，应用很少。5. 蜗杆传动交错轴传动的主要形式，轴线交错角一般为 90。蜗杆 传动可获得

24、很大的传动比， 通常单级为 8 80，用于传递运动时可达 1500；传递功率可达 4500 千瓦；蜗杆的转速可 到 3 万转/分；圆周速度可到 70 米/秒。蜗杆传动工作平稳，传动比准确，可以 自锁 ，但 自锁时传动效率低于 0.5。蜗杆传动齿面间滑动较大， 发热量较多， 传动效率低， 通常为 0.450.97。6. 圆弧齿轮传动 用凸凹圆弧做齿廓的齿轮传动。空载时两齿廓是点接触，啮合过程中接触点沿轴线 方向移动，靠纵向重合度大于 1 来获得连续传动。特点是接触强度和承载能力高，易于 形成油膜，无 根切现象，齿面 磨损 较均匀，跑合性能好；但对中心距、切齿深和螺旋角 的误差敏感性很大，故对制造

25、和安装精度要求高。7. 摆线齿轮传动 用摆线作齿廓的齿轮传动。这种传动齿面间 接触应力 较小，耐磨性好，无根切现象， 但制造精度要求高，对中心距误差十分敏感。仅用于钟表及仪表中。8. 行星齿轮传动 具有动轴线的齿轮传动。行星齿轮传动类型很多，不同类型的性能相差很大，根据 工作条件合理地选择类型是非常重要的。常用的是由太阳轮、行星轮、内齿轮和行星架 组成的普通行星传动，少齿差行星齿轮传动， 摆线针轮传动 和谐波传动等。行星齿轮传 动一般是由平行轴齿轮组合而成，具有尺寸小、重量轻的特点，输入轴和输出轴可在同 一直线上。其应用愈来愈广泛。根据电动机与圆盘的传动需求，暂定选择圆柱齿轮。2.1.3平移机

26、构方案选择平移机构选择的机构是滚珠丝杠丝杠和导轨机构， 联轴器的一端与平移步进电机轴山东建筑大学毕业设计说明书固接，另一端与丝杠一端固接，步进电机通电转动时带动机械手在丝杠上横向移动，光 轴作为导轨控制方向。按照国标 GB/T17587.3-1998及应用实例， 滚珠丝杠 （已基本取代梯形丝杆， 俗称丝 杆）是用来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并 具有传动效率高，定位准确等。滚珠丝杠轴承为适应各种用途，提供了标准化种类繁多的产品。广泛应用于机床， 滚珠的循环方式有循环导管式、 循环器式、端盖式。预压方式有定位预压 （双螺母方式、 位预压方式）、定压预压。可根据

27、用途选择适当类型。丝杆有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠（精度分为从 CO-C7 的 6个等级）和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠轴承 （精度分为从 C7-C10 的 3 个等级）。另外，为应付用户急需交货的情况，还有已对轴端部进行了加工的成品， 可自由对轴端部进行追加工的半成品及冷轧滚珠丝杠轴承。作为此轴承的周边零部件， 在使用所必要的丝杠支撑单元、螺母支座、锁紧螺母等也已被标准化了，可供用户选择 使用。滚珠丝杠轴承以多年来所累积制品技术为基础，从材料、热处理、制造、检查至出 货，都是以严谨的品保制度来加以管理，因此具有高信赖性。图 2-5 丝杠导轨10山东建筑大学毕业设计说明书2.2 立体自

28、行车库运输系统执行元件选择立体自行车库运输系统主要包括了升降机构、旋转机构、平移机构。升降机构主要 有步进电机、钢丝绳、卷筒、减速器及制动器等。旋转机构主要有步进电机、带轮、圆 盘、皮带等。平移机构主要有步进电机、丝杠、导轨、联轴器等 。2.2.1升降机构执行元件选择一、升降电动机的选择1、机械结构参数钢丝绳 及工作物总 质量 M滚筒直径D滚筒质量m滚筒的机械效率加减速时间比A75kg0.15m1kg0.90.5运动距减速机减速比 i每次定位时外力离L机械效率 G间t6.5m0.710.2s0表 2-1 机械结构参数t 0 t * A =0.1s1) 速度曲线 加速时间2) 步进电机转速减速机

29、输出轴角加速度减速机输出轴转速步进电机输出轴角加速度(L/ D)2 2 =195rad/s2 t0 t t0N=100rpmM i=195rad/s2步进电机输出轴转速NM N i 100rpm11山东建筑大学毕业设计说明书3) 计算负载转矩减速机轴向负载减速机轴负载转矩F=Mg=73.5NFDTL6.11N ML2步进电机轴负载转矩TLMTL8.7N MLM i G4) 步进电机轴加速转矩计算钢丝绳及工作物惯量2D2JM1 M0.0844 kg mM1 2滚筒的惯量2JM 2 8 m D20.0028kg m2折合到减速机轴的负载惯量2JL JM1 JM 2 0.0872kg m步进电机输出

30、轴转矩TJLMTG24.3N m步进电机功率计算 N Mg V通过上网查阅资料：选择三相混合式步进电机，型号为 130BYG350B-200，工作电 压：交流 220V，额定电流： 5.2A，转速： 500rpm, 转矩： 30-50NM。2.启动时间计算 启动时间为：tq38.2Mq Mj c GD2 1 Q G0 D0n1i22-5)其中：GD2 1 GD2 d GD2 i GD2 z0.028 0.0872 0.33220.422kg m2静力矩为：12山东建筑大学毕业设计说明书Mj Q2iG0 D0有效启动转矩为：100 16 0.161 0.171N m2 2 31.5 0.85Mq

31、 1.5M e 1.5 12.43 18.645N m0.347stq500 1.15 0.422 100 162 0.161q 38.2 18.645 0.171 2 31.5 2 0.85工业领域一般要求升降机构启动时间为 1s5s，计算 tq 1s，在电气设计方面， 可以适当增加启动电阻，来增长启动时间，因此，此处所选电动机合适。4.制动时间计算制动时间计算公式：tzn138.2 M ez McGDQ G0 D022i式中：M jQ G0 D0j2ihi0100 16 0.1612 2 31.50.85 0.126N mtzn138.2 M ez M jcGD2Q G 0 D022i50

32、0 1.15 0.422 100 16 0.161 2 0.85当起升速度小于 18m min 时，38.2 18.645 1.171 2 31.5 2 0.344 stz 1 1.25 ， tz tz ，故经计算验证该电机满足要 求。二、钢丝绳的选择钢丝绳断裂拉力计算公式为：smaxd2di n b n Fi b4式中：smax 钢丝绳所许可的最大断裂拉力， N；13山东建筑大学毕业设计说明书di 单根钢丝线的直径， mm；n钢丝绳中钢丝线的总根数；b 单根钢丝线的抗拉强度， Pa；Fi 钢丝绳的横截面面积， mm2 ；钢丝绳中钢丝线的不均匀搓捻所引起的受载不均匀的矫正系数；由于负载高达 8

33、00N，所以钢丝绳所能承受的断裂拉力应大于最大负载 800N。选择 钢丝绳结构 6 7 IWS ，结构简图：图 2-6 钢丝绳结构简图单根钢丝的直径为 4mm,钢丝绳中钢丝的总根数 n为 49根，钢丝绳公称抗拉强度为 1670Pa。6 7 IWS型钢丝绳破断拉力为：3.14 4 10 3 2 49 1670 103 0.82Smax842.8N ；4通过计算得知， 选用 6 7 IWS 型钢芯钢丝绳合适， 因为此钢丝绳的断裂拉力大于 所承受的负载，钢丝多且细，且钢丝绳的挠性好。三、滚筒的选择滚筒直径设定为： D=0.15m14山东建筑大学毕业设计说明书选取滚筒时应当注意不宜选取长度太长的滚筒，

34、原因是滚筒提升负载时长度太 长容易产生弯曲，可以选取较大直径的滚筒。选用滚筒直径由参考文献：张质文等 .起重 机设计手册 .北京：北京铁道出版社， 2001：201253.附表 13 选用 D 0.15m ，滚筒容 纳钢丝绳工字槽尺寸由附表 14-3 查得， T 13mm，槽底半径 R 6mm。2.滚筒尺寸为：L H ih Z 0 4 T L1D03500 22 4 13 1603.14 161418 m m取整得 L 420mm ；公式中每个参数的意义及取值附加安全系数滚槽不切槽部滚筒计算时所钢丝绳倍率Z0分长度 L1取直径 D0ih2160mm161mm1表 2-2 公式中每个参数的意义及

35、取值滚筒体壁厚的确定滚筒体壁厚的确定，至今还没有比较精确的计算方法，只要是钢丝绳在滚筒上的压力分布难以确定，但是，可以用近似的计算方法计算：0.02D (610) 0.02 150 (610) 913mm经计算滚筒体壁厚取 15mm ；4.滚筒壁压应力校核：n1951.5130MPaymax15Smax ymaxT842.84.32MPa0.015 0.013选用灰铸铁 HT200，最小抗拉强度 sb = 195MPa ，许用压应力为：山东建筑大学毕业设计说明书所以，抗压强度是足够的；5.滚筒的抗拉强度的转鼓强度。因为滚筒的长度不超过 3d，钢丝绳位于辊中间辊承 受最大弯矩。滚筒承受最大弯矩：

36、L L1418 160M w Smax (1 ) 842.8 108721.2N mmw max 2 2滚筒断面系数为：D4 Di41504 12043W 0.1 i 0.1336540mm3D 150式中： D滚筒外径， D 150mm；Di 滚筒内径， Di D 2d 150 2 15 120mm ；M w 108721.2W 3365400.32MPa合成应力为： l 35.5L L l ymax 0.32 4.32 1.50MPa y 130式中： l 许用拉应力为 l b 195 35.5MPa l n 5.5综上， l l 所以，该滚筒抗拉强度满足要求； 因此，该滚筒参数设定为滚筒

37、直径 D 150mm 滚筒长度 L 418mm 滚筒槽形槽底半径 R 6mm 滚筒绳槽尺寸 T 13mm 倍率 ih 12.2.2 旋转机构执行元件选择旋转步进电机的选择16山东建筑大学毕业设计说明书旋转机构考虑到旋转平台最多一次旋转一周，所以，应通过皮带减速，旋转平台重量为 100kg，半径为 1.5m，利用下面所给公式计算减速装置所承受的转矩：T F R 100 9.8 1.5 1470N mT 9550 P9550 9550减速装置输出功率计算计算得：由公式：减速装置效率： 1 0.95 ；电机功率： P P减 0.42 0.44kw0.95查阅机械设计手册：选 Y 系列（ IP44）三

38、相异步电动机型号 Y90S-6，技术规格见表：额定功率 额定电流 转子转速 额定转矩 机 身 重0.75Kw2.3A910r/min2N m23kg表 2-3 步进电机技术规格电机与旋转平台的总传动比为：6设计皮带减速机构，选择合适的传动比。2.2.3平移机构执行元件选择一、平移步进电机的选择联轴器的一端与平移步进电机轴固接， 另一端与丝杠一端固接， 步进电机通电转动 时带动机械手在丝杠上横向移动，光轴作为导轨控制方向。选择丝杠作为水平移动的元件，丝杠参数为：有效导程长 2m，丝杠重量为 5kg，17山东建筑大学毕业设计说明书平移步进电机功率的计算公式可以根据参考文献： 璞良贵等.机械设计 .

39、北京：高等教育出版社， 2006：8486.公式 ：PjF eV e60 式中： Fe 步进电机轴承受的负载， 800N；Ve步进电机的转速， 6.0m min ；Pj 步进电机所需静功率， Kw ；机械效率， 0.952； 由公式 2-3 计算得，P jF eV e 84 Wj 60 查阅机械设计手册： 选择 110 系列两相混合式步进电机型号 110HS12,技术规格见下表：步距角保持转矩额定电流转子惯量定位转矩电机重量()N.MAKg.cm2g.cmKg1.8125435表 2-4 步进电机技术规格、联轴器的选择要使电机驱动丝杠转动，联轴器是不可避免的，选择合适的力矩联轴器，可以按照面的

40、式子计算得出：Tc 1.19.55tJm nmic式中:Tc 所求联轴器的摩擦力矩， N m；18山东建筑大学毕业设计说明书Tn 平移步进电机的额定转矩， N mTmax 平移步进电机所能承受的最大转矩， Tmax (2.8 3.4)Tn；Jm 平移步进电机轴上电机转子额定传动惯量， kg m2；nm 平移步进电机铭牌上的额定转速， r min ；ic , c 平移步进电机轴至联轴器的传动比和传动机械效率；t起动、制动时间， s；Tmax 3 9550 P 3 9550 0.55 31.5N mnm500所以，Tc 1.1 T max1.1 31 .534 .65 N mJ m mmmi9.5

41、5 t4 10 ( 4) 500cc9.55 102.3 立体自行车库运输系统机械结构设计下图是立体自行车库运输系统的机械机构机构简图。19山东建筑大学毕业设计说明书图 2-7 运输系统机构简图2.3.1升降机构导轨的设计计算导轨应当满足的基本要求有：导向精度和精度保持度、刚度和承载能力、摩擦力要 小、运动平稳、结构简单、制作要方便等。本设计选用的是直线导轨，导轨的界面形式如下表 2-5 直线导轨截面形状升降机构的导轨需要承受水平和竖直的力矩的作用，并且需要一定大的承载能力，20山东建筑大学毕业设计说明书综合考虑，选择矩形导轨作设计方案这里我们选用导轨尺寸表 2-6 导轨截面参数导轨长度为 2

42、000mm 常用的导轨材料主要有铸铁、钢和塑料等。这里我们选用的是钢，钢导轨使用的材 料和其处理方式为：（1）45、40Cr、T8、T10、GCr15 等，表面淬硬或全淬硬度为 HRC5258； （2）15、20Cr 等，渗碳淬硬至 HRC5662。以下是导轨面的受力计算： 导轨的损坏模式主要是磨损，磨损与导轨面所承受的压强有很大关系。此外，导轨 面的接触形变也与压强近似的成正比。因此，在初选导轨尺寸以后，要根据尺寸计算导 轨所受压强，使其在可承受范围内。1、受力分析 通常导轨受力比较复杂，力的作用点大多数不在导轨的中心。首先把这些力换算为 作用在导轨中心的里 P和力矩 M。图 2-8 导轨受

43、力分析2、压强的计算 大多数情况下，导轨的刚度远大于接触刚度，可以只考虑变形对压强分布的影响 沿导轨上的直线变形和压强可视为线性分布，宽度上为均布。故在动导轨上的压强为：21山东建筑大学毕业设计说明书它们应该小于许用压强2.3.2升降机构带动的工作平台设计工作平台主要靠升降机构带动进行竖直方向上的升降运动，从而使平台上的平移机 构可以带动夹持机构夹持自行车。工作平台的尺寸初定为 2000mm，宽度 1000mm，厚度 20mm 的矩形钢板。 平台受力分析如图：假设平台承受最大临界力 Fmax=M=50Kg在校核轴的危险截面时， 由于平台所受的弯矩可以忽略不计，只进行剪切强度的校核，轴的切应力：

44、 因为轴的两侧受到对称切应力，所以0.62MPa查阅机械工程手册得 45#钢调制处理的许用切应力为 30-40MPa,所以平台满足强度要求。22山东建筑大学毕业设计说明书2.3.3 旋转机构圆盘设计圆盘是承载整个升降平移机构的机构，而且还需要实现旋转的功能。 初选为圆盘直径为 1000mm，厚度为 40mm，旋转孔径直径为 20mm 圆盘的受力非常简单受力分析如图：图 2-10 圆盘受力分析 圆盘主要受力是来自升降系统的压力，如图 2-10 所示，圆盘所受最大力 Fmax=F-f。 圆盘所受应力 =Fmax A=3.78 MPa查阅机械工程手册得 45#钢调制处理的许用切应力为 30-40MP

45、a,所以圆盘满足强度 要求。2.3.4平移机构丝杠机构设计平移机构的设计主要就是丝杠的设计计算，首先从丝杠的选型开始： 初步选取丝杠公称直径 20mm，导程 5mm。滚珠丝杠的工作长度计算：L l工作台 l 行程 l余量L 300 420 20 740mm 丝杠的工作载荷：F=400N由于两方向丝杠的公况为， 每天开机十二小时， 每年 300个工作日。 工作八年以上， 依工作要求和工作条件，初选外循环插管式，预紧采用双螺母型，圆螺母调隙，导珠管23山东建筑大学毕业设计说明书凸出式， 3 级精度，定位滚珠副，丝杠材料： CrWMn 钢； 滚道硬度为d0 20mm, Ph 4mm, DW 2.38

46、1mm, j k 3.5 1,rs 0.55Dw,螺纹右旋， 为 CLT-2004-3.5-P3， Ca 8850N , Coa 24700W 。5862HRC，3 39 型号丝杠的传动精度为 0.04mmTh 8 12 300 28800h丝杠的转速：丝杠的工作载荷：丝杠的校核：n2 250r /minF=400N寿命计算：oeKhKFKHKLKnF 5810.4 8850满足寿命要求。式中 F轴向载荷，取 F800N;Kh寿命系数 ,Kh (Lh/500)1/3 3.1072Lh 工作寿命 ,取 Lh =15000K F 载荷系数 ,取KF =1.2K H 动载荷硬度影响系数 ,取 K H

47、 =1.0K L 短行程系数 ,取KL =1.0K n 转速系数 ,取Kn =0.5107静载荷条件计算 :C0a KFKH F 960 24700满足条件螺母长度 72mm, Ph 4mm, 余程为 10mmX 方向螺纹长度 L0 420 300 2 10 740mm 取支撑跨矩 l1 760mm丝杠全长最大为 780mmY 方向螺纹长度 :L=500+350+20=870mm取支撑跨矩 :l1 890mm24山东建筑大学毕业设计说明书丝杠全长最大为 910mmFF 支撑方式的丝杠不受压缩力作用，不校核压杆稳定性 丝杠弯曲振动临界转速 :ncr230f22 EI2K 2 9910 f 2eA

48、 2 2Lc22 d2Lc2查表f2 4.73 ，d2 d0 1.2Dw 20 1.2 2.381 17.14mm 0.01714m300 780 740LC 420 10 600mm 0.6mC 2 22 0.01714ncr 9910 4.7322 10570.1r / min 250r /mincr0.62预拉深量：取温升 3.5oc螺纹深长量 :tu a t lu 2.55 10 6 3.5 0.74 6.6045um丝杠的全长深长量：tu 2.55 10 6 3.5 0.78 6.9615um取预拉伸量： 4.5um预拉伸力：6 2 11 4.5 10 6 0.017142 2.1

49、1011A E 4 800Ft 4 301.01N NtL00.74 3所选丝杠预拉伸力满足要求。3 立体自行车库运输系统控制系统设计3.1 控制系统总体设计本设计的控制系统选用的是单片机控制。自行车立体车库的系统控制原理： 操作者 （人）要通过控制系统信息交流的平台 （界面） 把操作信息传送给控制系统，经系统处理后，系统把可识别的控制信息通过辅助设备驱 动执行结构，来完成立体自行车库现场的运作。25山东建筑大学毕业设计说明书在立体自行车库中，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电 机、旋转电机和升降电机， 控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转 ;其次是车库 内的各种辅助装

50、置，如指示灯及其各种安全设施等。为了保证载工作平台能横移到预定 位置以及载车板能上升或下降到指定位置，采用了行程开关。为了判断载车板上有无车 辆，采用了光电开关。本设计的自行车库选用按钮操作，界面清楚，易于操作。同时在 车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及安全预警装置，因本系统只有开关量输入 而无模拟量输入，凭可编程序控制器本身的抗干扰能力和隔离变压器就能满足要求，因 此可不必再另外增加其它抗干扰措施。图 3-1 单片机的硬件系统结构框图3.2 立体型车库运输系统的控制系统方案设计3.2.1控制系统各部分步进电机控制方案设计步进电机驱动器的接口接收一定频率的脉冲信号， DIR 接口接收到高

51、电平信号，步 进电机保持正转，平移（旋转、升降）机构实现指定功能，到指定位置后，步进驱动器 使能端 ENA变为低电平，步进电机轴抱死，实现制动。在其他部分实现一定功能后，间 隔一定时间，步进驱动器使能端 ENA变为高电平，步进电机轴自由， DIR 接口转变为低 电平信号，步进电机实现反转，平移（旋转、升降）机构实现回缩恢复原位功能。26山东建筑大学毕业设计说明书3.2.2单片机选型及 I/O 口分配单片机 I/O 口是最为重要的控制端口，是单片机实现控制功能的基本要素，有控制 高低电平输入输出的功能。根据本设计的需要，对单片机的型号是：英特尔公司的 MCS-51系列单片机， 128BRAM ，

52、16个 2位定时器，计数器和 5个中断源，还有 4个8 位的 I/O 并行接口： P0、P1、 P2、P3，完全能够满足控制系统设计要求。以下是 I/O 分配表：地址代表含义地址代表含义P1.0平移步进电机脉冲接收端P2.0升降步进电机脉冲接收端P1.1平移步进电机运转方向P2.1升降步进电机运转方向P1.2平移步进电机使能端P2.2升降步进电机使能端表 3-1 I/O 分配表3.2.3 步进电机控制程序(1) 以下程序语句可以实现步进电机的正反转、电机抱死和脉冲频率的控制； #includesbit mai=P10;sbit Forward=P11;sbit en=P12;unsigned

53、int i=0,j=0;unsigned char Count=0 ;unsigned int Count2=0 ;void main()Time0_Init();while(1)27山东建筑大学毕业设计说明书 if(Count2=2)mai=1;Count=0;mai=0;else if(Count210000&Count2=20000&Count2=2)mai=1;Count=0;mai=0;28山东建筑大学毕业设计说明书Elseen=0;C 语言程序如下；(2) 定时程序语句可以比较精确的控制步进电机的运转时间，void Time0_Init()TMOD = 0x01;TH0 = 0xFE;TL0