【《承载50kg的爬楼梯运输车结构设计》8700字】

PAGEPAGE2PAGE9 PAGE9承载50kg的爬楼梯运输车结构设计目录TOC\o"1-3"\h\u32295摘要 141681前言 2291751.1.研究背景及意义 2242941.2研究现状 350101.3现有的爬楼梯运输车产品介绍 5119911.4研究思路和方法 8281852爬楼梯运输车的总体结构设计 916192.1设计要求 9246012.2载货爬楼车各部分的方案对比 10158972.3总体结构设计 10107733爬楼车攀爬装置的设计 12154503.1爬楼车的负载估计 1226343.2爬楼车电机及减速机的选型 12153423.3爬楼车轴系的设计较核 1260383.3.1爬楼车轴系布局设计 12107713.3.2轴上的转矩的确定 13237293.3.2轴最小直径的确定 13141533.3.3轴段参数的确定 14322803.3.4主轴的受分分析 14235723.4主轴的弯矩及扭矩计算 15185193.5主轴的强度较核 15226844爬楼车机械腿支撑装置的设计 16126904.1支撑腿的负载估计 16119144.2爬楼车电机及减速机的选型 16288084.3爬楼车机械腿螺旋传动的设计 16201135.爬楼车控制系统的设计 2072575.1控制系统的工作过程及原理分析 20162645.2爬楼车控制系统的I/O分析 2091775.3控制系统的硬件电路设计 2129435总结 218257参考文献 22摘要承载50kg的爬楼梯运输车是一种新型的帮助人们在楼梯间运送物品时减轻繁重劳动力的工具，其主要是由可拆卸高低调节拉杆、一体成型S臂、轮胎保护挡板、传动机构、升降驱动机构和通过导轨装置并配以无刷电机、减震轮胎、48V12AH锂电池等辅助构成。爬楼梯运输车爬楼时有两大执行机构，一是攀爬臂机构，二是支撑机械腿机构。本设计较于传统的爬楼梯运输车，在自动化程度、搬运方式以及劳动强度等方面有着巨大的优势。爬楼梯运输车可用来搬运货物、搬运日常用品等工作，使劳动环境日臻完善，降低了劳动强度。关键词：电动爬楼梯运输车；结构设计；承载50kg1前言1.1.研究背景及意义近10多年时间里，棚改帮助数以千万计的“棚户居民”搬进新楼，使得城市旧城区的面貌得到了很大的改观。但目前，我国仍有4万亿未安装电梯老旧小区还未被改造这些小区中，由于缺乏电梯，在建筑内未有合适的上下楼设备来无障碍搬运日常所需的各位物品，致使人们的生活十分艰难，在搬送物品时会耗费了极大的体力。该类小区搬运的搬运日常起居的物品成为了各个家庭所关注的问题，此外，我国现阶段土地利用也愈加高效，高层建筑越来越多，每每停电时，会因电梯停运而极大地耗费人力物力；农村郊区也不乏存在高层小楼。随着科技的日益进步，应用于运输上的爬楼梯运输车的越来越变得不可或缺，并逐步向智能化运输车发展。爬楼梯机器人在应用时需要解决的关键问题之一是如何根据劳动环境劳动群体的改变最大化实现物品安全稳定的运输，目前，我国市场现有的运输车存在各种各样的弊端，市面上销量较好的爬楼梯运输车，如ND-2200存在载物问题，其所需的电机强度较大，致使爬楼梯运输车整机寿命大多不长；此外，现有的该类爬楼梯运输车的机械构造类似传统拉车，采用人工拉动的方式实现半自动运输，不够安全，稳定性较差，且越障能力较差不适合老年人之类劳动能力偏弱的人搬运工搬运货物。因此，研究一个成本低廉，功能多样，灵活稳定的新型电动爬楼梯机器人意义十分重大。图1-1支撑机械腿结构图1-2攀爬臂结构1.2研究现状自上世纪世界上第一台爬楼梯轮椅在美国出现后，家用搬运爬楼梯运输机器人的发展越来越快，其他国家也开始对爬楼梯机器人进行了多方向的研究，目前，爬楼梯机器人的相关理论日趋成熟，有些已经投入生产，大规模应用。比如英国BARONMEAD爬楼梯机器人与德国的PERFEKTA爬楼梯机器人，重量40kg左右，充电后可以连续上下楼梯1000级。这种运输车多为载人运输，装运时可以拆卸两部分。图1-3BARONMEAD爬楼梯机器人图1-4PERFEKTA爬楼梯机器人我国爬楼梯发展稍显逊色。一开始仅有人力拉动，但随着科技的进步，在过去的几年开始出现人拉式半自动爬楼梯运输车。我国爬楼梯运输车的应用较广，爬楼梯运输过程的越障需要，要求爬楼梯机器人灵活多样的劳动能力。目前，我国的前沿一些爬楼梯机器人拥有体积较小的优势，且由全自动化已向智能化法相发展，令人最为印象深刻的是优必科的限定“拓荒牛”在复杂环境中相比轮式和履带式的机器人有更好的运动能力，可以补充市场现有的产品生态，满足多方向的市场需求。但其仍存在以下不足：搬运能力及自动化能力不符合预期指标，缺乏两者兼顾的产品，由于国内机械产品发展时间较晚，所以存在某一功能偏重发展的现象，所生产的机器人为履带式、两轮行星轮式、三轮行星轮式、四足式机器人，搬运能力有限，且多为载人运输，未被普遍应用于运输货物。甚至有些产品自研发后，因为其自身存在搬运能力。自动化程度的局限性，未被投入生产。机械安全性能存在隐患；现有的爬楼梯运输机器人为了减少成本，达不到国家质量标准以及结构设计的不合理性，存在这比较大的安全隐患，有些甚至已经产生了人员的伤亡以及比较大的经济损害，非常不适合家庭老年人、残疾人应用。智能化运输机器人成本较高；国内市面上的一些机型由于设计上要求较高的信息自我处理能力，因而使得其研发成本生产成本大大增加，如“拓荒牛”所涉及专利超2500件。（4）运输车发展和投入缓慢。如今爬楼车机器人的研究多为载人运输，现如今我国载物运输的爬楼梯运输车应用大多为为NH-200，采用人工辅助推拉的方式，技术落后。在运输应用方向的科研投入上，比较国内的其他研发方向以及国外的其他对于爬楼梯运输车的研发方向而言，比较落后，不尽人意，发展比较缓慢。最近几年，随着科学技术的迅速发展，国内机器人已从传统的工业应用，迅速向社会各个行业应用转变，我国近些年努力打造一款跨障碍运输的，可以提高人们生活质量的带有运输功能的机器人；目前，国内外的发明已有很多，前不久，中国矿业大学戴本所研制的多功能行星轮式结构利用行星轮系实现载人攀爬楼梯，与之不同，南京理工大学徐俊珝履带式爬楼梯机器人通过履带完成爬楼梯动作。该类机器人完成了特殊空间中人或货物的搬运，但目前尚缺一款帮助不需要人工操作就能减轻搬运人员繁重劳动力的工具。国外的爬楼梯越障车机器研究工作开展较早，多为行动能力较差人群的代步工具，如英国、美国、以色列等一些发达国家随着人口老龄化的不断加剧将研究重点主要放在此类设备的研发与制造，发展的较为完备，目前爬楼梯的运输车类型多样化，作业性能稳定、功能也较为齐全。国外的研究通过不断的摸索进步，技术累计与技术更迭，其发展趋势主要有如下几个方面： 设备具有良好的稳定性；为了保障安全稳定的运行，轮式运输车通过车的设计思路是通过轮椅上分布的传感器感受重力的变化，并通过含有预定设定好程序的控制盒处理信息，最终实现自我调整。履带式机构的爬楼梯运输车使重心沿着楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动，轮椅重心保持直线运动，使机身没有大幅度波动。高效化；国外许多国家配备了爬楼梯运输车，爬楼梯运输车的普遍应用成为行业发展的一个趋势，未来会普遍生产，普遍应用。多功能化；爬楼梯运输车不但可以再高22cm左右的楼梯内平稳运输，也可以在斜坡与小山坡前进，有的甚至可以站立行走，是其到达足够的高度。智能物联；近年来通讯技术迅猛发展，不久的将来会进入5G时代，高速且可靠的连接技术配合传统机械结构知识的应用使得新产品研发持续突破，行业数字化转型正在急剧加速，低延迟(URLL)和大规模机器类通信(MMTC)融入到了产品的研发当中。1.3现有的爬楼梯运输车产品介绍关于爬楼梯运输车的设计现如今分为轮式、履带式、辅助式。（1）美国IBOT系列机器人由驱动轮、行星轮系、陀螺仪、奔腾处理器组成，通过处理器可以将环境的变换转变为相应的电信号，并通过处理器的处理进行自我调整。常用于运载残疾人和行动不便的老年人进行上下楼的活动。优势：自动化程度高，且具有平地正常运动，直立行走，爬梯模式功能多样。劣势：成本较高，且只适合于载人，无法进行载物，对于大多数家庭实用性不高，面向的市场群众范围较窄，难以大规模应用。需要及时充电，无法应对突发情况。 图1-5爬楼模式-上楼图1-6爬楼模式-下楼图1-7不同运动姿势（2）深圳萨瓦瑞亚TRE-52日本SC-5的升级版本，升级后由永久磁石式直流发电机提供动能，无力磁型电磁刹车作为制动装置进行制动，利用履带不易打滑牵着附着性好的特点，进行载人运输，常用于车站、医院、学校、社区等公共领域，帮助所需人群轻松上下楼。优势：电磁制动装置保障了即使马达停止也不会坠下楼层，提高了安全性；液压举升装置保障了上下楼时平台位于水平位置劣势：无法解决无电情况下的辅助运输，且履带式机构较大，过于笨重，搬运十分不方便。履带因其自身结构的局限性导致在平地行驶时十分不便，无法实现平地的快速走动。（3）日本WL-12机器人主动型双足机器人一般是指双足机器人的各关节均有驱动装置，通过在线或者离线方式规划出各关节期望角度轨迹，以实时控制的方法复现机器人各关节轨迹。优势：自动化程度高，行进较稳定，信息处理能力强，能在崎岖的路面等复杂路况稳定行进。劣势：成本非常高，不适合于家用，更适合于服务行业。图1-9足式机器人及自由度分布综上所述，现如今市面上现存的各类爬楼梯机器人存在多种弊端，十分不适合于对于货物的运输，本文旨在设计一款帮助老年人、残疾人及搬运工减轻繁重劳动力的工具。1.4研究思路和方法研究思路：为了弥补现有爬楼梯运输车需要人工辅助运作的缺点，本设计研发了了一种带有自动攀爬功能的爬楼梯运输车。本设计的核心主要是结构简单稳定，并能大规模制造；设计过程的计算尽可能精确，此机器运用机械原理、机械设计、工程力学等专业知识进行相关计算，最终实现爬楼梯机器人运输过程的高效运行。研究方法：首先需要了解新型爬楼梯运输车的各项功能，在其基础上，确定爬楼梯运输车的行进机构、升降驱动装置、导轨装置、上车体、下车体，步进爬楼装置，可拆卸把手的等装置具体位置。在合理组成新型爬楼梯运输车后，进行分析计算，确定主要零部件的具体尺寸并校核。

2爬楼梯运输车的总体结构设计2.1设计要求本设计为了实现预期的功能需求，具有两种工作模式：第一种工作模式为传统作业模式，在放入货物前将可拆卸拉手、可拆卸挡板装配在整机上，然后把货物放入挡板上，通过调节旋钮自由调节拉杆长度，使运输车为最佳劳作状态，劳动者更加舒适的完成货物的运输。此模式在锂电池电量不足时也可应用，减少电能的损耗。第二种模式为自动行进运输模式，需要拆卸挡板、拉手，并安装可拆卸自动行进装置，该可拆卸自动行进装置通过两类方向的导轨实现步进移动，在上下楼时，首先车体一侧垂直导轨运作将前肢座准确放入第一级台阶，然后垂直导轨进行移动将货物及前小轮平稳移到车身另一侧，待移动结束后，将后支腿和前小轮放入中间台阶，下车体继而移动，实现装置的整体位移。本次爬楼梯运输车设计时需要遵循以下几点要求：（1）楼梯内行进具有一定的危险性，移动一定要实现平稳移动，（2）机身装配零件过多，装卸位置及其装配零件一定要合理，不能产生松动或者掉落。（3）查阅相关文献和规范，确保迈进的距离及整体的设计满足设计要求。（4）机器人主要用于运输货物，要求具有较高的工作效率。2.2载货爬楼车各部分的方案对比本设计的载货爬楼车主要结构组成主要有动力部分、传动部件及工作机部件三大类，下面分别对各部分的方案进行类比及分析。动力部分本设计的爬楼车紧凑并且使用时取电不便，负载的功率一般，工作时间短，因此选用直流电动机来作为动力源。（2）传动部分本设计的爬楼车由于载荷输出轴转速较慢，因此采用齿轮以及蜗轮蜗杆式二级减速箱来作为减速装置。（3）工作机部分爬楼车的工作部分为支臂或者机轮。支臂的方式用于爬楼臂非常方便，即通过支臂的旋转，完成爬楼车沿楼梯向上的移动动作。支撑机械腿部分要实现升降与移动，且结构紧凑，因此（4）控制器部分本设计选用PLC作为控制系统，以方便及时编程，修改不同参数，以适应不同楼梯的高度。2.3总体结构设计参考常见的载货爬楼车尺寸及工作原理，本设计对载货爬楼车的设计参数作如下规定：承载能力最高达到70KG。可爬楼高度可达130mm-200mm,楼梯宽度为100mm-200mm最大爬行坡度为40°爬楼时的速度为26r/min，速度可调，电源要求直流24v。载货爬楼车总重量不超过20kg本设计载货爬楼车的的方案图如下图所示。支撑车轮2.爬楼支臂3.电池组4.控制柜5.把手6.机架7.支臂轮8.电动机9.减速机10.机械腿图2.1自动爬楼车的设计方案图

3爬楼车攀爬装置的设计3.1爬楼车的负载估计由设计要求可知，爬楼车的承载能力最大70kg，最大爬楼高度为200mm，爬楼车自重按20kg设计，爬楼的速度为26r/min。爬楼车转动1/4转，爬上一个台阶，所需的时间为：则爬楼车的最大设计功率为：3.2爬楼车电机及减速机的选型按以上计算数据，按电源为直流24V选择型号为DM110RB的直流蜗轮减速电机，速比选50比1，输出转速为36转，实际转速用调速器调节实现。电机的最大功率为400V，最大转速1800r/min。其实物图如下图所示。图3.1爬楼车电机及减速电机实物图3.3爬楼车轴系的设计较核3.3.1爬楼车轴系布局设计分析可知，爬楼车爬楼支臂轴由减速机输出轴驱动，两侧安装轴承以及支臂。在本设计中选用的减速机沿轴线方向的宽度为75mm。爬楼车设计的总宽度按实际使用场合取为500mm，两个支臂之间的间距取为400mm，两处支承的长度取为300mm,则轴系的布局图如下图所示。图3.2爬楼车主轴布局方案图3.3.2轴上的转矩的确定由此前的计算可知轴上的功率及转速分别为：则轴上传递的扭矩为：3.3.2轴最小直径的确定首先进行材料选择，分析可知，轴的材料大多为碳钢及合金钢，由于在本次设计中，载荷不高，因此轴的材料可选用45号钢，其最大许用扭转切应力为45Mpa[11]。下面按扭转强度，初步估计轴的最小直径：其中为抗弯截面系数，为圆截面的实际应力值，而为圆截面轴的许用应力值，P为功率单位为Kw，d为圆截面的直径，n为转轴的转速。则可得轴段的最小外径为：综合考虑到轴的取最小直径为取为25mm。3.3.3轴段参数的确定下面对各段的长度及直径进行设计。A段及G段为轴最小直径段，用以安装爬楼支臂，其直径为25mm，长度取为10mm。B及E段为过度段，其直径略大于A及G段，取为28mm，长度取为20mm。C及E段为轴承及轴套安装段，其直径按轴承标准尺寸选为30mm，对应的轴承代号为6206，类型为深沟球轴承，其宽度取为16mm，其定位轴肩为36mm。H及I段为轴肩定位段，其直径为36mm，长度取为10mm。D段为减速器安装段，其直径大于H及I段，取为38mm，长度取为75mm。3.3.4主轴的受分分析取最大载荷时的工况作为设计依据。分析可知，主轴两端受重力及扭转作用，轴承位置受支承作用，还受到两轴承的支承力，减速器段仅受扭转，如下图所示。图3.3.主轴的受力分析图下面对主轴进行受力分析。由此前的设定条件可知，上图中有：3.4主轴的弯矩及扭矩计算由几何关系可知：A及D处的弯矩为0，B及C处的弯矩最大为：按所得结果作出弯矩合成较，如下图所示。图3.4主轴的弯矩图由此前的计算可知，轴上传递的扭矩为：作出扭矩图可得：图3.5主轴的扭矩图3.5主轴的强度较核由此前的计算可知，危险截面位于齿轮作用段的截面处。因此在此处进行强度较核，按第三强度理论，计算应力为：其中为扭矩折合系数，此处齿轮单向连续运转，因此应力为脉动循环应力，因此可取为0.6。W为轴的抗弯截面系数，轴为圆形截面。为45钢，调质处理后的许用弯曲应力。计算可得，轴的强度满足要求。4爬楼车机械腿支撑装置的设计4.1支撑腿的负载估计由设计要求可知，支撑腿需完成爬楼车的支撑。为了设计方便，本设计选用模块化的螺旋传动装置，即电机经减速机后，驱动螺旋副实现直线移动。在设计时以支撑腿上升时的负载作为设计依据。爬楼车的承载能力最大70kg，最大爬楼高度为200mm，爬楼车自重按20kg设计爬上一个台阶，所需的时间0.58s。支撑腿的平均升降速度为：单个支撑腿的负载为：则单个支撑腿的最大设计功率为：4.2爬楼车电机及减速机的选型为采购及维护方便，支撑腿选择与攀爬臂驱动机构相同的电动机及减速机，即，型号汇川伺服电机MS1H1-10B30CB-A332Z，额定转速为3000r/jin转，实际转速用调速器调节实现。4.3爬楼车机械腿螺旋传动的设计初选螺旋副的螺距为P=7mm，则可得丝杠副的转速为：于是步进电机与丝杠之间无需通过行星齿轮减速机来实现。由之前的分析可知，螺杆的长度大于行程与滑块的长度之后，综合考虑后取为200mm。下面将按受力条件，来设计螺杆与螺母参数。（1）材料选择螺杆材料选择45号钢，其抗拉强度，。螺母材料选择铝青铜ZCuAl10Fe3。（2）螺杆中径尺寸计算本设计的螺旋连接部分采用梯形螺纹，按耐磨性公式，结合系数满足消去H，且对梯形螺纹的设计，有h=0.5p，联立以上各式得：在上式中：——螺杆螺纹中径，mm；F为螺杆所受轴向力，即起重量，；根据螺母结构选定，对于整体式螺母取=1.2~2.5，此处取=1.6；滑动螺旋副材料的许用压强，当螺杆和螺母副材料是钢且低速滑动时，许用压强=18~25，此处取=22。（3）螺杆螺母副其他尺寸的设计为设计方便，按此前计算耐磨性要求，初选公称直径d=24mm，以及相应的螺距P=7mm。则螺纹牙的工作高度h=0.5P=3.5mm，此时螺杆中径为22.5mm，小径为20.5mm。螺母与螺杆的传动，依靠螺旋面的相对滑动实现，此时螺母螺杆在大径及小径处存在间隙。于是螺母副的小径取为21mm，中径与螺杆相等，大径取为24.5mm。（4）螺杆强度的校核分析可知，螺杆断面承受轴向力F和转矩T的作用，其中F=980N，转矩满足以下公式：其中为螺纹升角设当量摩擦角，为螺纹副的当量摩擦系数。查手册可知钢与青铜间当量摩擦系数界限为0.08~0.10，此处取=0.09。将与代入转矩公式得：根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度条件为：式中——螺杆许用应力。钢材许用应力，此处取。其中屈服极限可由得45号钢=355MPa，则118.3MPa。由已有数据得：其中d1为螺杆小杆可得螺杆强度合格。（5）螺母螺纹牙强度计算螺母螺纹牙根部的剪切强度为：螺纹牙根部的弯曲强度为：式中d——螺母螺纹大径单位为mm，h为螺纹牙工作高度单位为mm；b为螺纹牙根部厚对梯形螺纹，其值为，、——许用切应力，对于青铜材料，其许用应力范围为=40~60，=30~40，z——螺纹牙的圈数，螺母块的螺牙长度取为40mm，则按行程与螺距关系，z约取为25；综合以上论述，可得螺纹牙强度合格。（6）螺纹副自锁条件校核对于有自锁要求的螺旋，要满足条件。在螺杆强度校核过程中，已得：因此螺纹副自锁条件合格。（7）螺杆的压杆稳定性计算螺杆传动的临界载荷计算公式为：其中E为螺杆材料的拉压弹性模量，单位Mpa，E=2.06×105MpaI为螺杆危险截面的惯性矩：μ为螺杆长度系数，本设计的螺杆两端固定，取为0.5。l为螺杆长度，本设计中取为680mm。则可得螺杆的临界压力为：于是可得，螺杆的稳定性满足要求。5.爬楼车控制系统的设计5.1控制系统的工作过程及原理分析分析可知，载货爬楼车的控制系统主要完成电机的正反转、及速度调节，此外当装置在拖行时，需要保持爬楼支臂吸附在底架，不与地面接触。装置的工作过程如下：（1）上楼时需要控制分别控制攀爬臂电机的正转与反转，2个输出端子。（2）在平地拖行时，需要保持爬楼支臂吸附在底架，不与地面接触，此动作通过电磁铁来实现，通电时，电磁铁有磁性，将支臂吸住，使其与底架贴合，而上下楼时，此电磁铁断电，不吸合。平地与爬楼的选择，需要2个输入端子，电磁铁的通断电，需要1个输出端子。（3）支撑机械腿支撑时需要分别控制8个电机的正反转，且行程开始与结束的位置处各需要1个行程开关。需要16个输入端子，16个输出端子。（4）系统需要启动与停止按钮两个按钮，2个输入端子。对以上需求进行统计，可得需要共20个输入端子，19个输出端子。可因此综合考虑后控制器采用西门子品牌的S7-200系列PLC，CPU型号选为226，此PLC有22个输入端子，24个输出端子，满足使用要求。5.2爬楼车控制系统的I/O分析由以上分析可知，控制系统的I/O分配表如下。表4.1PLC端子I/O分配表序号PLC端子电气符号功能1I0.0SB1上楼按钮2I0.1SB2平地按钮3I0.2SB3启动按钮4I0.3SB4左前支撑腿上升按钮5I0.4SB5左前支撑腿下降按钮6I0.5SB6左后支撑腿下降按钮7I0.6SB7左后支撑腿上升按钮8I0.7SB8左前支撑腿上升按钮9I1.0SB9左前支撑腿下降按钮10I1.1SB10左后支撑腿下降按钮11I1.2SB11停止按钮12Q0.0KM0攀爬臂电机正转13Q0.1KM1攀爬臂电机反转14Q0.2KM2攀爬臂平行吸合5.3控制系统的硬件电路设计按以上需求及端子分配，可得其控制系统的硬件电路图如下图所示。图5.1控制系统硬件电路图总结本次设计的最终完成，使自己有了以下几点总结：对机械设计机械原理相关知识进行了进一步的总结学习，对自动机器人的基本原理进一步的了解；CAD软件绘制和SW三维软件的建模等计算机辅助设计软件应用更加熟练；对论文的撰写，查重以及审核过程有了一定的了解。这次设计不仅提高了我的专业水平，也培养了自己的科研能力，对难点问题的解决能力，并懂得了相互合作的重要性。由于时间紧张，在设计中存在各个方面的不足，需要反复的审查和修