多功能办公桌的结构设计

摘要

在目前的办公活动和日常的生活中，主要用到的设施便是办公桌，可以极大的减小劳动

强度，提升生产效率。办公臭作为办公的重要装备处处都能见到办公桌的身影负责服务于人

们的牛活，但也存在很大的弊端办公人员长时间维持一个特定状态，直接影响到办公人员的

工作效率。针对传统办公桌存在的质量较重、高度和桌面倾角不可调节等问题，木设计使用

蜗轮蜗杆机构实现桌面升降功能，通过支撑杆和滑块以及合页的组合实现桌面倾角调节功能,

能够满足不同人群办公日常使用。在保证安全稳定的条件下，承重可达250kg,升降速度保

持在35-40mm/s之间，桌面倾斜角度在之间。

在本次设计提供的多功能办公桌包括用于提供动力的动力装置、桌面抬升装置、控制装

置和负责信息采集的传感检测系统。目前来说多功能办公桌可以应用到各种相关领域，同时

办公桌自身仍然具有很大的创新和发展空间，相信在未来能够创造出应有的应用价值并实现

垂直化办公，提高人们的生活质量，尽可能的减少办公疾病的发生。

关键词：蜗轮丝杆升降机；办公桌；结构设计；较链；脉宽调速

ABSTRACT

Inthecurrentofficeactivitiesanddailylife,themainfacilitiesusedisthedesk,whichcan

greatlyreducelaborintensityandimproveproductivity.Desksasanimportantpieceofoffice

equipmenteverywherecanseethefigureofthedeskisresponsibleforservingpeople'slives,but

therearealsogreatdrawbacksofficeworkerstomaintainaspecificstateforalongtime,directly

affectingtheefficiencyofofficeworkers.Forthetraditionaldeskexistsheavyquality,heightand

desktoptiltisnotadjustableandotherproblems,thedesignusesawormgearmechanismtoachieve

thedesktopliftingfunction,throughthecombinationofsupportrodandsliderandhingetoachieve

thedesktoptiltadjustmentfunction,canmeetthedailyuseofdifferentpeople'soffices.Underthe

conditionofensuringsafetyandstability,theloadcapacitycanreach250kg,theliftingspeedis

keptbetween35-40mm/s,thetiltangleofthedesktopisbetween0〜30°.

Themultifunctionaldeskprovidedinthisdesignincludesapowerunittoprovidepower,a

desktopliftingdevice,acontrolunitandasensingdetectionsystemresponsibleforinformation

collection.Atpresent,themultifunctionaldeskcanbeappliedtovariousrelatedfields,whilethe

deskitselfstillhasalotofroomforinnovationanddevelopment,anditisbelievedthatinthefuture

itcancreatedueapplicationvalueandrealizeverticaloffice,improvepeople'squalityoflifeand

reducetheoccurrenceofofficediseasesasmuchaspossible.

Keywords:Wormgearscrewjacks;desks;structuraldesign;hinges;pulsewidthspeedcontrol

目录

第1章绪论1

1.1引言1

1.2国内外研究现状1

1.3研究意义2

第2章设计内容3

2.1工况分析3

2.1.1办公桌升降机构的构成3

2.1.2设计参数3

2.2电机的选择及运动参数的计算3

2.2.1确定电动机转速4

2.2.2传动装置总传动比计算5

2.2.3传动装置的转速和扭矩计算5

2.3蜗轮蜗杆尺寸的确定6

2.3.1蜗轮蜗杆材料选择及工作强度计算6

2.3.2校核蜗轮齿面接触应力强度9

2.3.3校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度9

2.3.4蜗杆刚度计算9

2.3.5热平衡计算10

2.4输出轴的设计10

2.4.1选择轴的材料及热处理10

2.4.2确定最小直径10

第3章升降丝杆的设计12

3.1材料的选取12

3.1.1耐磨性计算12

3.2螺纹牙型的选取12

3.2.1螺纹优缺点13

3.2.2验证丝杆自锁情况13

3.2.3丝杆转矩的计算14

3.2.4计算丝杆强度14

3.3螺纹牙的强度计算15

3.3.1许用切应力校核15

3.3.2许用弯曲应力校核15

3.4螺纹牙稳定性的计算15

3.5传递效率的计算15

第4章桌面倾角调节机构的设计16

4.1连杆与导轨的受力16

4.2所受扭矩16

4.3连杆的校核17

第5章多功能办公桌的控制系统设计18

5.1控制系统的设计18

5.2转速测量方法18

5.3脉宽调速19

5.3.1PWM脉宽调速的选择19

5.3.2复位电路20

第6章办公桌的外观及零件设计21

6.1桌腿结构设计21

6.2含有内螺纹的蜗轮结构设计22

第7章蜗轮丝杆升降机构装配图24

结论25

参考文献26

致谢

第1章绪论

1.1引言

目前市场上的办公桌类型分为，折叠式、桌面升降式、可以调节式等，也有直接采用

液压缸或气压棒来调节桌面的高低的产品，最具代表性的可升降桌便是手摇式，通过人力

旋转手摇轮，带动一根螺杆上升或下降，但桌面提升高度有限，采用增加摩擦力提高摩擦

形式。目前市面上的办公桌功能单一不能够完全满足大众的日常使用，整合现有资料将蜗

轮丝杆升降机构的升降功能与电脑桌以及制图桌的倾珀调节机构加装在一起，用户不仅可

以自由控制桌面高低还可以自由控制桌面的倾斜角度满足口常和工作使用，以电力作为动

力来源，加装电机控制装置来调节桌面的高度。电动升降有单杆和双杆两种方式，在手摇

式原有基础上加装电动机，但价格不菲通常双杆价位都在两千以上，且升降系统的好坏严

重影响其后期使用寿命，至于单杆升降作为支撑的办公桌，不仅地盘桌面小，还容易倒，

往往使用不了很久就报废换新，对于普通家庭而言此产品不太合适，平白无故增加额外支

出。

在本次设计中选用PLC和逻辑控制电路等多个控制单元对办公桌的蜗轮丝杆升降机

升降功能和桌面倾角调节功能进行控制，由电机作为提供动力的动力装置，两组蜗轮蜗杆

作为桌面抬升装置，倾角控制装置由简单滑块构成，桌子的整体结构由铝合金制成，桌腿

由内壳和外壳组成，构造简单，升降系统的设计安全可靠，在控制控制系统中行程开关实

现对办公桌升降装置的顺序控制、定位控制以及位置状态的检测控制，变频器实现电机转

速的自由控制。

1.2国内外研究现状

随着我国国力的日益强大，人们对工作质量的追求也在不断增加，越来越多的人利用

空闲时间加班工作赚取更多的酬劳，加班的工作已经成为了一部分人的日常c目前国内办

公产品功能单一无法满足特定人群进行不同等级的办公，办公人员需要时常走动或调节办

公的高度角度，然而座面倾角可调节部件的办公桌并不常见。

蜗轮丝杆升降机是一种基础升降设备由蜗轮的内螺纹推动丝杆将旋转运动变换为直线运

动，刘大为⑴通过实验证明蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆导程角小于啮合轮齿间当量摩擦角时,

传动机构自动反向自锁，这时只能由蜗杆带动蜗轮而蜗轮无法带动蜗杆。苗玉刚⑻等利用

软件完成了梯形丝杆、蜗轮蜗杆及壳体等主要零部件的三维参数化建模，并进行虚拟装配,

实现了蜗轮丝杆升降机虚拟样机设计。结果与理论分析结果相一致，验证了机构设计的合

1

理性。在2020年疫情爆发后海外各国居家办公常态化，我国办公桌的出口规模急速上升，

且国内市场较大，国内企业已建立起完善且高效的供应链体系进而强化本土优势，中国办

公桌企业海外市场仍具备较大的空间。

陈黄卉⑺通过数据收集和实地考察的方式，进行现有办公桌的设计原则分析与归纳设

计出一款智能化兼具健康化的功能型办公桌。蒋晓伟⑷分析了办公桌的类别，并结合现有

办公桌在使用功能、艺术功能和材料技术功能等方面存在的设计问题，阐述桌面的高度设

计、桌面的深度设计等设计分析可能性。

美国是全球第一大办公桌市场也是我国办公桌出口的最大贸易对象，欧美及日本等国

家传统办公桌行业仍占有很大的市场份额，尽管德国、意大利等国的工艺水平和专业程度

比其它国家要高很多，但我国目前以薄利多销等技术手段、以及充足的劳动力，使得国内

庞大的办公桌制造行业规模在国际办公桌出口市场中仍具备较强的竞争优势。自1998年

LINAK成功推出全球第一款针对办公领域升降桌的电动升降柱DL1系统后，电动升降桌

在欧美迅速发展，与此同时AgrawalS⑺对螺纹轮廓和加工工艺进行了研究，得出在不同负

载下通过改变螺纹的相对面夹角可获得获得更好的性能。顾家诚⑹等通过实地调研贝肯特

电动升降桌的功能、造型、结构、材质等方面进行产品进行分析•，总结出人性化，安全性

等设计原则为本文提供了设计思路。从另外一个角度证明了本文选用蜗轮丝杆作为驱动装

置可行性。

1.3研究意义

办公桌作为办公必不可少的工具，大多时候都会被人轻易忽视掉用户的使用体验，随

着中国高速的城市化进程，未来国内的办公桌市场招高于全球行业平均水平。办公人员长

时间按固定姿势办公导致一系列疾病悄悄地影响人们的健康，在这种情况下，设计一款既

能够满足特定人群高效办公使用又可以满足日常活动的多功能办公桌以成为当务之急。

多功能办公桌的结构设计属于基础工业设计的范畴，人们的生活和办公大多数情况下

都要靠办公桌来支撑，有研究表明一个舒适健康的办公桌能够使人们的工作效率提高28%,

增强生活的文化品位，更多地满足社交以及用户需求。

同时本设计结构简单，配件通常为标准配件，市场上都可以买到，即便是出现故障，

自己也可以在家维修，方便快捷。

2

第2章设计内容

2.1工况分析

本设计在传动过程中需要保持稳定的传动比，出现故障时不会出现桌面下坠所以选用

蜗轮蜗杆作为传动构件，并且在工作过程中噪声低适用于家庭环境。

综上所述办公桌的升降功能选用啮合齿面间为线接触的蜗轮升降机构即可，在工作过

程中承载力远远高于其它种类的齿轮传动机构，并且拥有比较大的传动，能够将螺旋传动

转化为直线传动，为多齿啮合传动、运动过程中平稳噪声小，再加上出色的自锁功能所以

很适合在升降桌升降系统中使用。

2.1.1办公桌升降机构的构成

以双电机驱动方式内置电机构成,通过中央控制实现同步升降，兼顾效率和经济性，

升降机构采用蜗杆、蜗轮、以及升降丝杆进行组合，通过蜗杆的转动带动蜗轮旋转实现丝

杆高度的调节从而使桌面抬升和下降,运行速度快速度可达35mm/s升降平稳且不易打滑，

升降过程稳定，使用寿命长。

2.1.2设计参数

本设计选用功率为24V的直流电动机，相关工艺参数为；

额定载荷：按照一个250kg的成年人来计算

办公桌的最低高度：600mm

可升起高度：700mm

桌面尺寸：900x750mm

电源：220v,50Hz

桌面倾角调节范围：

2.2电机的选择及运动参数的计算

工作机所需功率计算公式为：

式中，工作机的效率

电动机的输出功率

3

式中电动机至滚筒的传动装置总效率

1级传动效率为0.96

齿轮传动效率为0.97

轴承的效率为0.98

联轴器的效率为1

输出轴传动效率为0.98

故：

因电机在工作过程中承受的载荷稳定，电动机的额定功率必须大于输出功率便可正常

工作。查表选用电动机的额定功率为5.5kw。

2.2.1确定电动机转速

输出轴转速为

第一级的传动比选择2〜4,齿轮传动比选择3〜5,则总传动比为，可见电动机转速可

选范围为

O

4

表2.1电机型号及满载效率

最大

型号功率满载时电流转矩

转矩

功率额定额定额定

电流转速效率

因数电流转矩转矩

57BL75S10-230TF9

1005.9300085.30.325.90.322

57BL75S10-336TF91003.83600850.2653.80.2652

由表中数据可知在3726r/min到12420r/min范围选择3000r/min和3600r/min这两种

同步转速,考虑到电动机的重量和价格所以选用同步转速为3000r/min的230TF9电动机，

其满载转速。电动机的其它尺寸及数据参数都可在网上查到。

2.2.2传动装置总传动比计算

传动装置总传动比

2.2.3传动装置的转速和扭矩计算

各轴转速：

I轴

II轴

输出轴

各轴功率：

I轴

II轴

输出轴

各轴扭距：

电机轴

I轴

H轴

输出轴

5

2.3蜗轮蜗杆尺寸的确定

图2.2蜗轮蜗杆传动示意图

由示意图可知蜗轮受到轴向力Fa2、圆周力Ft2以及径向力Fr2三个方向的力；蜗杆受

力受到轴向力Fai、圆周力Ftl以及径向力Frl三个方向的力。

其中蜗杆所受的的轴向力Fai与蜗轮的圆周力Fl2、蜗杆所受的圆周力Ftl与蜗轮的轴

向力Fa2、蜗杆所受的径向力Frl与蜗轮的径向力Fr2分别为作用力和反作用力网。

考虑到在本次设计中电机的使用场合一般为室内，偶尔为户外使用并且电动机加装在

桌子内部，需要考虑到电机在启动时能够迅速启动且具有良好的调速性能。电机与蜗杆之

间直接相连，没有任何机械装置，所以电机的转速”为3500r/wiu,经查表按推荐的传动

比电机到丝杠之间的减速比为i=l,则总传动比合理范围为蜗轮蜗杆传动比40:1,蜗杆,

蜗轮，直流电机转速3500rpm(91.7Hz),蜗杆导程Pb=80mm,螺距20mmo

理论传动比，实际传动比

蜗轮转速。

由电机给定的转速为，得到蜗轮的转速为87.5r/min,螺旋角取30°

蜗杆的导程。

通过容许轴向负荷选用直径为20mm的丝杆，导程增大，丝杆刚度减小，驱动力矩增

大。

2.3.1蜗轮蜗杆材料选择及工作强度计算

减速器的为闭式传动，蜗杆在工件内部工作所以选用45钢作为原料，经过热处理后

齿轮的表面硬度符合能够设计要求，蜗轮缘选用一般铜合金材料铸造即可，选用砂型铸造。

由《机械设计》表4-5选择18OMPa的接触应力。

估取齿和效率为0.8

6

蜗轮轴转矩:

载荷系数：载荷平稳，蜗轮转速不高，，其中为常数，查表取值为1,为动载荷系数，

工作过程中运动平稳取1,为载荷分布系数机构停止或升降功能反转时会受到约为1.3的

冲击载荷。

表2.3使用系数

工作类型111111

受到均匀、无冲击载荷受到不均匀、小冲击载载荷不均匀且具有很

载荷性质

时荷时大冲击时

每小时启动次数>2525-50>50

启动时受到的载荷较小时较大时很大时

11.151.2

7

表2.4齿相载荷分布

载荷性质平稳载荷载荷变化较大，或有冲击震动时

11.3-1.6

计算的比值:

由上述计算得出的比值在表2.4中选则比值为2500,模数为6.3、蜗杆分度圆直径为

63的蜗杆。

计算相对滑动速度和传动效率：

蜗杆导程角为5.7

计算公式为：

蜗杆分度圆的圆周速度：

相对活动速度：

当量摩擦角：

取

验算啮合效率：

传动总效率：

（在取值范围内）。

蜗轮分度圆直径：

中心距：

8

表2.5蜗杆传动m与d匹配表

4406405902250

47111366.3632500

55012506.31124445

2.3.2校核蜗轮齿面接触应力强度

表示材料的弹性系数，钢蜗杆配青铜蜗轮的弹性系数为160MPa;

中心距的比为0.43取整数0.4,表示接触系数，取2.8

代入数据得蜗轮齿面接触应力强度为2042.88MPa,符合要求。

2.3.3校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度

蜗轮当量齿数计算公式为：

螺旋角影响系数：

蜗轮校核强度为计算公式为：

表示蜗轮齿形系数，可有蜗轮当量齿数及蜗轮变位系数查表可得。

代入上式可得，表示许用应力，，寿命系数，取

则许用应力，因为，期轮弯曲疲劳强度符合要求。

2.3.4蜗杆刚度计算

集中载荷：

蜗杆最大挠度：

刚度条件：

蜗杆截面惯性矩:

9

2.3.5热平衡计算

环境温度取

工作温度取

传热系数取

需要的散热面积：

2.4输出轴的设计

2.4.1选择轴的材料及热处理

由于输出轴为普通用途的减速传动装置，主要传递蜗轮的转矩，其传递的功率不大，

选择45钢调质处理重量和尺寸合理即可。

2.4.2确定最小直径

II轴的输入功率为4.OlkW,转速为206.911ymiI）。

根据《机械设计》，C值选用最大值为118。

即输出轴的最小直径为31.86mmo

计算公式为：

但是，由于轴上有1个键槽，计入键槽的影响：

己知输出轴的输入功率为3.99kW,转速与II轴相同为206.91r/min,则输出轴的最小

直径为28.74mm。

计算公式为：

由于轴上由2个键槽，故

设计中用到的两组型号为57BL75S10-230TF9的24V直流电机，蜗杆与电机轴连接,

将两组电机分为主动电动机Ml和从动电动机M2,通过控制PLC或PWM变频控制器的

输出频率实现对电动机转速的控制，用PLC输出0到正负10伏的模拟量电压到伺服驱动

器，并设置速度指令，编玛器的输出脉冲由伺服驱动器控制，并连接到从动电动机M2的

脉冲输入口中，从动电动机M2的转动角度受到主动电动机Ml的输出脉冲的约束MI旋

转多少度M2也旋转多少度，脉冲频率由Ml编码器的来规定，两者之间的旋转角度和转

速保持同步相同速度旋转°蜗轮蜗杆作为动力的输出装置，将电机产生的转矩转化为桌面

抬升装置的运动副，蜗轮与蜗杆旋合，带动丝杆做轴向运动。

10

表2.6蜗杆传动的几何计算

项目公式及结果(mm)项目公式及结果(mm)

中心距a顶隙系数0.3

蜗杆头数齿形角

蜗轮齿数模数m

蜗杆齿顶圆直径传动比i40：1

蜗杆齿根圆直径齿数比u

蜗杆齿顶高蜗杆分度圆直径

蜗杆齿根高蜗轮齿根圆直径

齿轮变位系数0蜗轮喉圆直径

蜗杆直径系数Q蜗轮分度圆直径

蜗杆轴向齿距蜗轮齿顶高

蜗杆分度圆导程角蜗轮状根圆圆弧半径

蜗轮齿根高黄顶隙系数1

11

第3章升降丝杆的设计

3.1材料的选取

在材质方面，由于螺杆工作在高速、剧烈磨损的工作环境下工作，所以必须保证螺杆

要有良好的耐磨性，且强度刚度适中适合切削加工，经过表面热处理内部残余的应力可以

维持在较小水平，所以采用45号钢作为螺杆材料、经过热处理等方式保证洛氏硬度达到

220-270,再采用淬火等加工工艺，使材料硬度达到45-48。

3.1.1耐磨性计算

d表示螺杆分度圆直径，表示梯形螺纹牙侧角取0.8,F表示轴向力取，表示整体式螺

母，在1.2-2.5之间选用整数2,表示许用压强，查表取。

表3.1滑动旋转副材料的许用应力

钢-铸铁

<2.413-18

6-124-7

带入数据得。

通过计算，故螺纹选择符合设计要求。

3.2螺纹牙型的选取

螺旋传动可分为滑动摩擦传动、滚动传动和静压传动。滑动摩擦传动方式的优点是结

构简单，造价低廉，便于制造和更换，缺点是传动效率较低，磨损较快，传动精度低等特

点。

滚动和滑动这两种传动方式虽摩擦阻力较小，传动效率比螺旋传动要高.但结构复杂

不利于日常维护和更换，至于静压传动方式则需要更高的要求才可以使用。

本文采用滑动摩擦传动方式作为办公桌的传动方式。

12

3.2.1螺纹优缺点

梯形螺纹牙型在传动过程中不易存在松动现象，虽然梯形螺纹的传动效率稍微低于矩

形螺纹，但因梯形螺纹在使用中牙根强度和对中性以及工艺性都略高于同类牙型，所以常

作为大多数的齿形选择，虽然传动效率不高，但其自锁性能好，在运动过程中能够双向受

力，螺纹径向跳动对其影响不大，具有加工简单方便等特点，车削、铳削、磨削均可加工。

矩形螺纹牙型传动效率高于梯型螺纹能最大程度传递转矩，但螺纹牙型制造却相当困

难，螺纹在磨损后蜗轮与蜗杆的间隙不能自动补偿不修复，且对中精度比较低，只能车削

不能铳削和磨削，所以只能在工况较好的工作环境使用。

对办公桌的工作环境进行分析，由于办公桌多为室内工作环境，所以对传动效率要求

并不高，但需要有良好的自锁性防止在工作过程中出现安全事故，综合考虑选择梯形螺纹

最好。

3.2.2验证丝杆自锁情况

验算公式为：

式中表示梯形螺纹螺旋升角，S表示螺纹导程，表示梯形螺纹牙型角，，代入数据计

算，在设计中需小于6.007。

式中表示当量摩擦角，查摩擦系数表选用f=0.12^0.15,取f=0.13o

表3.2滑动摩擦副的摩擦系数千

螺杆-螺母的可料摩擦系数f

钢-青铜0.08-0.10

淬火钢-青铜0.06-0.08

钢-钢0.11-0.17

钢-铸铁0.12-0.15

代入数据计算得，满足自锁条件。

13

3.2.3丝杆转矩的计算

代入数据得

3.2.4计算丝杆强度

表示外螺纹小径，表示蜗杆受到的力，表示蜗杆的许用应力，查表取应力为72-120MPa。

代入数据得，，符合要求°

表3.3材料选择及许用应力

螺旋副材料丝杆钢

许用应力

表示材料的屈服极限，当丝杆受到的载荷稳定时存在最大许用应力。

表3.4螺纹常用的材料力学性能

钢号抗拉强度屈服点弯曲拉伸

10340-420210160-220120-150

Q215340-420220

Q235410-470240170-220120-160

35450320220-300170-220

45610360250-340190-250

15MnVB1000-1200800——

40Cr750-1000650-900320-440200-240

30CrMnSi1080-1200900——

14

3.3螺纹牙的强度计算

3.3.1许用切应力校核

校核公式为，由之前计算得出的数据选择d=48mm,F=185N,螺纹牙底宽度取，Z表

示旋合长度，，表示螺母材料许用应力，取，代入数据得约为19MPa,由于，符合要求。

3.3.2许用弯曲应力校核

校核公式为

h表示工作高度，表示材料的许用弯曲应力，查表得弯曲应力为

代入数据计算得14.6,,符合要求。

3.4螺纹牙稳定性的计算

在工作过程中丝杆受到较大的轴向压力可能会产生形变、折断等问题，主要与材料、

临界载荷和长度系数有关C所需用到以下公式，

式中尸。表示临界载荷，S表示稳定性安全校核系数，取，表示丝杆的柔度，，丝杆最

大工作长度，i表示丝杆危险界面惯性半径，，故i=10,表示长度系数，由于丝杆在办公桌

桌腿的内部所以选用一端固定，一端不完全固定的方式，

查《机械设计手册》，取c代入数据计算得大约为464128,符合的要求，因此螺杆稳

定性符合要求。

3.5传递效率的计算

传递效率的计算公式为代入数据计算得

0

15

第4章桌面倾角调节机构的设计

4.1连杆与导轨的受力

桌面倾向调节机构由支撑杆以及滑块构成，通过调节滑块的位置来调节桌面的倾斜角

度，在滑块位置设置卡扣限制位置，特点是运动副形状简单、容易制造可以承受冲击。在

不考虑曲柄滑块的自重和滑块与导轨间的摩擦进行分析。

选用桌面中心370mm处为固定交织安装部位，则桌面成30。时支撑杆的尺寸为185

mmo

为连杆对滑块的推力，Q为导轨对滑块的阻力。通过计算可知构件在工作时受到196N

的轴向力，为保证工件能够正常工作所以滑块所受的轴向力为392N。

计算公式为：

根据力平衡原理得出

图4.1座面倾角调节机构运动机构简图

4.2所受扭矩

转动过程中收到的的扭矩为

整理得

16

4.3连杆的校核

由前面分析，当(k=O,l,2,3.....)时，连杆所受力最大，最大值为392N;当时，存

在最大阻力矩，最大值为196Nm。考虑到滑动过程中会有摩擦力以及滑块自重，连杆的轴

向力需大于理想状态的数值，因此假设连杆受到的最大轴向压力为0.5KN。

为提高连杆的稳定性，连杆的材料选用45钢，屈服极限，比例极限，弹性模量，稳

定安全系数为。

对于45钢来说，柔度：

连杆简化为两端饺支杆，。

惯性半径：

连杆柔度为：

则：

采用直线公式计算柔度，则

可见，连杆的柔度小于,为小柔度杆，故临界应力为：

临界压力为：

连杆的工作安全系数为：

所以满足稳定性要求c

17

第5章多功能办公桌的控制系统设计

5.1控制系统的设计

由于办公桌采用的是两组电机所以需要用控制系统控制两个电机有相同的转速，所以

采用PLC控制两个变频器来控制两个电机的同步转速，通过霍尔元件来测量电机在工作过

程中达到的转速，以电机Ml的转速为参照调节从动电机M2的转速，每个电机处有两个

霍尔元件，用来测量电机的转向，每隔600ms测量一次并调节Ml电机的转速，直至电机

转速相同。

图5.1LMD18245全桥电机驱动器电路图

5.2转速测量方法

在输出轴上安装霍尔传感器获得输出轴的转速脉冲，当电机转动后传感器的测量端靠

近电机轴时传感器输出端将输出一个高电平，当测量端远离被测物体时，输出端输出一个

低电平，再用测频的办法对单位时间内产生的脉冲个数计算就可得到的脉冲频率，经过软

件计算就可以实现对输出轴转速的测量。霍尔元件上的两个绕组HA和HB与绕组A和B

分别连接作为传感器输出端。

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5.3脉宽调速

5.3.1PWM脉宽调速的选择

本文选择PWM脉宽调速装置，通常来讲脉宽调速是对输入端输入的不同脉冲进行整

合滤波使输出端输出的脉冲波形频率保持一致，代替输入端输入的正弦波或所需要的波形,

实现对电机转速的控制确保用户在使用办公桌的过程中实现自由调节升降速度C

常见的PWM功率放大器有H型功率放大器和T型功率放大器两种型号,本文选用H

型。

PWM脉宽调速原理：

图中VD1、VD2、VD3、VD4为续流二极管，用来保护VT1、VT2、VT3、VT4元件

不会被感应电压击穿或烧坏，Ugl、Ug4与Ug2、Ug3的电压相等且大小相反。

当虚线部分输入为正电压时，三极管VT1和VT4导通，VT2和VT3断开；

当实线部分输入为正电压时，三极VT1和VT4断开，当续流衰减一段时间后三极管

VT2和VT3导通；

当输入端电压全部相等时，UAB的平均值为零，电机停止不动；

当Ugl与Ug4的电压大于Ug2与Ug3时，变压器的输出电压平均值＞0,电机正转，

输出电压的值越大，转速越高；

当Ugl与Ug4的电压小于Ug2与Ug3时,变压器的输出电压平均值＜0,电机反转,输出

电压的值越小，转速越高。

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5.3.2复位电路

LMD18245单片机的复位电路是指将电路恢复到起始状态的电路设备。单片机在开始

运行前，提前将CPU及系统中各部件恢复成初始状态，并从初始状态工作。

复位电路的基本功能是：系统通电时提供复位信号当检测到持续时间超过两个机械周

期的高电平时引起系统复位，系统电源稳定后，撤销复位信号。电源在稳定后经过一段时

间的延时才撤销复位信号，防止电源开关或电源插头在通断过程中产牛的抖动而影响复位

状态。

单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。单片机内部的复位电路不断测量RST引

脚，当发现引脚上出现持续时间大于24个振荡周期后，则CPU响应并将系统复位并保持

在此状态等待，当引脚转为低电平后，检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执

行芯片内部的程序代码，若为低电平则执行外部程序。

当LMD18245单片机在执行复位操作指令时，一些重要的寄存器被设置为特定的值,

内部储存器的数据则不变.

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第6章办公桌的外观及零件设计

6.1桌腿结构设计

由于蜗杆蜗杆升降机构加装在桌腿内部所以桌腿内壳应与蜗杆尺寸长度相同，内壳结

构设计参考蜗轮蜗杆的设计及其参数计算

桌腿尺寸为。

做出模型

图6.1桌腿部分

如图所示为桌腿内壳，作为支撑部分以及升降部分，底座坐立在地面上与桌腿外壳相

接，支撑面较大保证了桌子的稳定性，下方有皮垫作为防滑部件，上部分方形垫片和桌面

下部分相连接，保障桌面在升降过程中不会发生晃动保障桌面的平稳运行。内部装有蜗轮、

升降丝杆以及防撞垫片，防撞垫片作为缓冲部分保护升降过程中的部件，并且垫片尺寸与

内壳的内部直径相同，保证升降丝杆在升降过程中不会发生弯曲变形提高使用寿命。

图6.2升降丝杆

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由已知数据做出升降丝杆模型底座直径，上端有凸圆结构，与桌腿外壳的上端凹面结

构紧密相接，起到限制丝杆左右摇晃的作用，下端是丝杆的垫片部分起支撑作用，整个丝

杆大小适当，可调节的范围大。

在设计中，由于本文使用的丝杆属于低精度丝杆，要求不是很高，所以采用中碳结构

钢制造经热处理确保在工作过程中不会发生弯曲、折断等现象。

假设桌子上站三个150斤的成年人，受力面积约为0.04m,中碳钢的许用应力为

118mpa。

则

总压力为：

满足安全性要求。

6.2含有内螺纹的蜗轮结构设计

图6.3内螺旋蜗轮

如图所示，设计采用的是含有内螺纹的蜗轮，蜗轮外部齿轮和蜗杆接触，内孔为内螺

纹，通过蜗轮的旋转使升降丝杆往复运动，是升降传动系统中最重要的部位之一。蜗轮和

丝杆长期接触时间久内部螺纹之间产生摩擦造成螺纹磨损失效长此以往办公桌将会失去

升降功能，所以对于升降桌的保护要定期检修更换。

图6.4设备存放位置

如图所示为设备存放位置，它直接与两个桌腿内壳连接，起到固定两个桌腿的作用，

增加办公桌的稳定性，左右四个缺口位置为固定电机与蜗轮的地方，内壳与板面相切的地

方是蜗轮利蜗杆接触的地方，同时这里也作为存放霍尔传感器和stc89c51/52单片机的位置。

数据传输线也会在这里连接左右两组电动机，存放长宽取桌面平面尺寸900x750mm。

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第7章蜗轮丝杆升降机构装配图

1.螺栓2,端盖3.垫片4,轴承5.套筒6.内螺旋蜗轮7.螺栓8.蜗杆端盖9.套管

10.塞子”.注油孔12.套管13.蜗杆14.键15.轴承16.垫片17.丝杆

图7.1蜗轮丝杆爆炸图

如图所示是蜗杆蜗轮传动装配图，也是整个升降传动系统的核心，内螺旋蜗轮6与蜗

杆13两侧通过轴承4相连，上端和下端都固定在轴承上，蜗杆与电动机的输出轴连接，

当电动机开始轴旋时产生转矩和扭矩带动蜗杆旋转，蜗杆的旋转使得内螺旋蜗轮高度产生

变化，升降丝杆实现上下往复运动，电机正转，丝杆上升办公桌桌面高度提高，电机反转，

丝杆下降办公桌桌面高度降低，在电机上安装有2个霍尔元件，用于正反转检测。

当霍尔元件测得电机转速和转向后，反馈给PLC电路，然后根据反馈的情况经过PLC

发出指令，每600m/sPLC会比较Nl,N2两个电机转速的大小。

当N2>NI时，M2减速；

当N2=N1B寸，M2保持；

当N2<N1时，M2加速；

控制器把电机M