【《基于单片机的停车场道闸机械设计案例》2800字】

基于单片机的停车场道闸机械设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u4439基于单片机的停车场道闸机械设计案例 1191881.1道闸的介绍 190781.2道闸的传动系统特点 2110891.2.1摇杆曲柄机构的工作特点 2151751.2.2步进电机的工作特点 2168341.3四连杆结构计算与设计 3175161.3.1曲柄摇杆机构的定义和介绍 337261.3.2曲柄摇杆机构的急回特性 3154781.3.3曲柄摇杆机构的死点位置 4178631.3.4曲柄摇杆机构的计算与设计 422821.3.5各机构的运动时间以及电机选型 61.1道闸的介绍如图1.1所示为常见的道闸外观，道闸用于停车场进出口拦截车辆，是停车场进行停车计费以及进出信息记录的前提。也有人称呼它为挡车器，顾名思义，是一种基于机电的专业设备，是一种专门限制汽车或者柴油车进出的工具，在全国各地都广泛存在，对城市交通有着不可替代的重要作用，普遍使用于公路收取费用亭和停车场进出口。目前主流的道闸可通过停车场管理人员的无线遥控器实现手动道闸的升降，当然更多时候是通过停车场的智能管理一体化系统来实现自动以及智能的升降，入场自动识别汽车，之后放行汽车，出场时，自动显示停车费用，收费之后自动升起道闸。道闸一般来说由闸杆支架、减速箱、机箱、电机、闸杆、传动机构等部分组成[13]。图1.1常见道闸的外观图1.2道闸的传动系统特点1.2.1摇杆曲柄机构的工作特点为了不降低机构的使用寿命和稳定性，在使用曲柄摇杆机构的装置中，通过曲柄摇杆的速度特性，可使得停止位置的速度近似为零，进而使得箱体内部受到系统的冲击，减小了横杆臂在最终位的冲击抖动。因为在接近停止位置时，先切断电源，利用惯性运动来运动到终位，会导致产生冲击和抖动[14]。1.2.2步进电机的工作特点步进电机顾名思义，每接收到一个脉冲信号，步进电机的转子就随之而前进异步或转动一个角度，是一种将输入的脉冲信号转换为对应的线或角位移的电动机，此特性也就是名字“步进电机”的由来。步进电机的转速不仅与脉冲频率成正比，而且步进电机的转速进一步说，取决于运行拍数、转子齿数和脉冲频率，所以在拍数和齿数一定时，步进电机的转动速度只需要通过脉冲频率这一物理量就可以得到。步进电机的脉冲在时间上是和角速度同步的，脉冲频率与角速度成正比，而是输出的角或线位移与接收到的脉冲数同样成正比。相比于其它电机，步进电机的最大区别之一是，它接收输入端的脉冲信号后自动转换成与之对应的线或角位移，它从本质上说就是一个完成此转化的执行元件[15]。1.3四连杆结构计算与设计1.3.1曲柄摇杆机构的定义和介绍四连杆结构中，固定构件为基架，与机架用转动副相连的构件称为连架杆，不与机架相连的构件称为连杆，铰链四连杆结构分三种基本形式：双摇杆结构、双曲柄机构、曲柄摇杆机构，本次设计采用曲柄摇杆机构进行设计。曲柄和摇杆的区别在于，摇杆不能旋转一周，它只能在一个角度范围里转动而曲柄能旋转一周。曲柄摇杆机构顾名思义，如果一个四杆铰链机构中其中一杆是曲柄，一杆是摇杆，那么这个机构就是曲柄摇杆机构。当曲柄为主动件作旋转时，连杆作平面复合运动，而摇杆作为从动件不会作旋转运动，而是会作来回摆动，此时摇杆的速度是变速的，而曲柄的速度是不变的。若用摇杆作为主动构件，摇杆则将会把来回摆动转换为曲柄的旋转[14]。在本设计中采用曲柄作为主动件。1.3.2曲柄摇杆机构的急回特性曲柄摇杆机构的示意图如图1.2所示。急回特性指的是，采用曲柄摇杆机构时，曲柄的旋转虽然是匀速运动，但摇杆端是变速运动，工作行程的运动时间比空回行程的运动时间要长，前者的平均速度要比后者的平均速度小。当曲柄等速旋转一周时，曲柄和连杆有两次共线位置，两次共线时曲柄之间的角度θ称为极角，摇杆之间的角度即图中的∠C2DC1称为摆角。图1.2曲柄摇杆机构的示意图设工作行程的曲柄旋转角度为φ1，曲柄旋转速度为ω，所花费的时间为t1，平均速度为V1。设空回行程的曲柄旋转角度为φ2，所花费的时间为t2，平均速度为V2。因为曲柄匀速旋转，故ω不变。则有：φφtt由上述公式易知t1＞t2，又因为有：V1=eq\o(C1C2,\s\up5(⌒))/t1（3.5）V2=eq\o(C1C2,\s\up5(⌒))/t2（3.6）又因摇杆的摆角∠C2DC1是不变的，所以V1＜V2，即摇杆返回速度较快[14]。由于本设计是通过电机的正反转来控制曲柄在工作行程内进行来回旋转，即摇杆在摆角范围内进行来回摆动，从而实现道闸横杆的升降，整个过程没有涉及到空回行程，对空回行程的运动速度以及时间没有要求，所以本设计对曲柄摇杆机构的急回特性不作要求。1.3.3曲柄摇杆机构的死点位置当摇杆作为主动件，而非曲柄作为主动件时，曲柄摇杆机构将会出现死点位置，死点的位置发生在曲柄和连杆的两次共线位置。但由于本设计是采用曲柄作为主动件，所以在整个机构运动的过程中都不会有死点位置[14]。1.3.4曲柄摇杆机构的计算与设计曲柄摇杆机构的尺寸简化图如图1.3所示。图1.3四连杆尺寸简化图如图所示：AD为基架，AB为曲柄，DC为摇杆，BC为连杆。B1与B2是曲柄旋转运动时的一种极限位置，相对应的摇杆摆动位置分别处于DC1与DC2状态。设定摇杆长度DC=100mm，摆角为90°，作RT△EC1C2外接圆，根据圆的性质，可知在该圆周上任意取一点，都能使得∠C1AC2=30°，取AD//C1C2，取得A点的位置。另外，从图中可有知道各边有以下关系:令L1=AC1=100mm，L2=AC2=200mm，则有：L1=L2=A则曲柄的长度：BC=摇杆的长度：AB=由于AC1=DC1=DC2=100mm，所以：C因为前面已经有假设，令AD//C1C2，则∠ADC1=C2C1D=45°，又因为AC1=DC1，所以∠AC1D=90°，所以AC1//DC2，所以四边形ADC2C1为平行四边形。则：AD=整理曲柄摇杆机构的各构件的长度关系如下表1.1：表1.1曲柄摇杆机构的构件长度表序号机构类型图示符号长度/mm长度系数实际长度/mm取值方式1基架AD141.42K141.42K根据DC取值2曲柄AB50K50K自定义3摇杆DC100K100K自定义4连杆BC150K150K根据AB取值1.3.5各机构的运动时间以及电机选型电机正转，道闸从水平状态旋转90°变成竖直状态，摇杆的旋转角度为90°，去程时间为t，t取3s，;电机反转，道闸从竖直状态旋转90°变成水平状态，摇杆的旋转角度为90°，但方向相反，回程时间同样为t，即3s。设摆角为30°，所以当摇杆完成去程或回程时，即当摇杆旋转90°时，曲柄旋转210°，曲柄的旋转速度：ϖ如图2.2所示，电机带动减速电机旋转轴，再带动连杆和摇杆摆动，最后通过转轴带动道闸升降，所以对于带有10:1减速比的NMRV040减速机，去回程电机的旋转角度α，以及蜗轮蜗杆减速机输入轴旋转的速度，即电机的速度ϖ1分别为：α=ϖ一般地步进电机的转速在20rpm～400rpm可以比较稳定地运行，从计算可以看出ϖ=116.7rpm，步进电机能处于比较正常的运动转速。根据一般停车场道闸机构的重量及尺寸，设栏杆长度为4米，重量为3.5kg。由重力计算公式可得：G=mg=3.5×10=35N#再由扭矩计算公式T=FL，其中F为栏杆重力，L为栏杆长度，有：T=FL=35×2=70N·M#本设计采用的是曲柄摇杆机构，