毕业设计（论文）-小型上衣自动叠衣机设计

I小型上衣自动叠衣机设计摘要在日常生活中，衣物清洗晾干后要进行整理收纳，叠衣服是每个家庭都会经历的事情。通常情况下，衣物的折叠工作大多由人通过手工完成，而折叠一个家庭的衣物往往需要花费不少的时间。对于洗衣店和服装店的店员来说，衣物的折叠工作更是如此。为此设计一种可以实现衣物自动折叠的机器，减轻人工劳动量具有明显的现实意义。本次设计是在各类上衣的折叠动作进行分析并做出优化的基础上进行的。衣物的折叠动作是通过PLC控制步进电机驱动曲柄连杆机构带动折叠板翻转实现的。该小型上衣自动叠衣机结构简单、操作方便，满足使用需求。关键词：叠衣机；衣物折叠；自动化SmallautomaticshirtfoldingmachineAbstractIndailylife,clothesarecleanedanddriedtobesortedandstored.Everyfamilywillfoldclothes.Normally,theworkoffoldingclothesismostlydonebyhand,andfoldingafamily'sclothesoftentakesalotoftime.Fortheclerksoflaundriesandclothingstores,theworkoffoldingclothesisevenmoreso.Therefore,itisofobviouspracticalsignificancetodesignamachinethatcanfoldclothesautomatically,andreducetheamountofmanuallabor.Thistaskisbasedontheanalysisandoptimizationofthefoldingactionofvarioustypesofshirts.ThefoldingactionisrealizedbythesteppermotorthatcontrolledbyPLCtodrivethecrank-linkagemechanism,andthenthecrank-linkagemechanismdrivesthefoldingplatestofoldtheclothes.Thesmallautomaticshirtfoldingmachineissimpleinstructureandeasytooperate.Besides,italsomeetstheneedsofuse.Keywords:foldingmachine;foldclothes;automation

目录第1章 绪论 11.1 引言 11.2 研究意义 11.3 叠衣机的市场现状 11.3.1 半自动叠衣板 11.3.2 全自动叠衣机 2第2章 总体设计构想 32.1 市场需求 32.2 设计构想 3第3章 折叠动作分析 53.1 确定上衣的折叠尺寸 53.2 确定上衣的折叠方案 5第4章 系统方案设计 74.1 折叠动作的实现方式 74.1.1 折叠板折叠 74.1.2 杆件折叠 74.1.3 机械手折叠 74.2 折叠板的动力源 84.2.1 电动机形式 84.2.2 气压、液压形式 94.3 折叠板的传动机构 10第5章 结构设计 115.1 曲柄摇杆机构设计 115.2 运动仿真分析 135.3 电动机选型 155.4 中间轴设计 165.4.1 弯扭强度校核 165.4.2 弯曲刚度校核 175.4.3 扭转刚度校核 18第6章 控制程序设计 196.1 控制方案设计 196.1.1 机器的工作过程 196.1.2 PLC控制任务 196.1.3 控制部件 206.1.4 PLC的选型 206.1.5 分配I/O点 206.1.6 PLC接线示意图 216.2 控制程序编写 216.2.1 主程序的编写 216.2.2 子程序编写 23结论 28致谢 29参考文献 30附录X译文 31附录Y外文原文 43绪论引言自信息时代以来，得益于高新科学技术，全球经济得到了飞跃式的发展，人民的生活水平也因此明显提高。纵观百年历史，人民的生活从早年长期的缺衣少食转变成今日的丰衣足食，每个家庭的衣物相较过去总是在逐年增加。日常生活中，叠衣服是每个家庭都会经历的事情，大多数家庭衣物的折叠工作是通过手工折叠完成，而折叠一个家庭的衣物往往需要花费大量的时间。对于洗衣店和服装店的店员来说，衣物的折叠工作更是如此，每日不但有大量的衣物需要折叠，而且折叠后衣物要符合规范。研究意义众所周知，服装零售行业属于传统的劳动密集型产业，衣物的折叠工作是衣物该行业不可或缺的一环，衣物的折叠工作极其琐碎且频繁，往往需要大量的劳动力。过去依赖廉价的劳动力便能获得可观的利润，但近年来劳动力成本日益增长，原先的利润大幅度缩水。为此设计一种可以实现衣物方便快捷的自动折叠机器，对于减轻人工劳动量和减少劳动力数量以维持利润具有明显的现实意义。叠衣机的市场现状近年来随着《生活大爆炸》剧中Sheldon用叠衣板叠衣服的视频播出，折叠衣服的工具受到众多消费者的关注，折叠衣服工具的产品种类繁多，市场规模正不断扩大。如今已有产品主要分为两大类，一类是辅助叠衣服的半自动叠衣板需要手动折叠，另一类是全自动的叠衣装置。半自动叠衣板适合广大家庭使用，而现有的全自动叠衣机普遍因价格较昂贵，不适合推广使用。半自动叠衣板半自动叠衣板分为两种形式，其中一种最原始的叠衣板是由左板、右板、中上板和中下板四块组成的，叠衣服时将需要折叠的上衣平铺在叠衣板上，翻动左板、右板和中下板进行衣物的折叠。这种叠衣板的特点是操作方便，简单快捷，适用于折叠薄款上衣，但对于较厚的上衣就无能为力了。另一种辅助叠衣板是DressBook，它是由PP树脂板和丝带组成的，PP树脂板用来固定衣服的形状和尺寸，丝带与PP树脂板相连用来防止叠好的衣服散落二次折叠。特点是一件衣服使用一块叠衣板，对于不同种类的衣服可以选择不同尺寸的叠衣板，折叠完成后的衣服能够像书本一样立着放进衣柜，便于取放。全自动叠衣机国内外在服装自动化设备领域均有相关研究，国内已在研究的是智能叠衣板，而国外在研发的全自动叠衣机是日本的Laundroid全自动叠衣机、美国的FoldiMate自动折衣机。国内设计的智能叠衣板是以STC89C52RC系列单片机为控制系统的核心，通过接近传感器实现对衣物的检测，并通过步进电机不同的工作方式驱动各个衣板进行分时工作，以达到对衣物的折叠功能[1]。日本的Laundroid叠衣服主要分为两个步骤：图像分析和机械折叠[2]。采用图像识别技术，通过内部运算处理系统自动识别衣物进行智能分类，从而选择最佳的折叠方法进行后续的折叠动作。Laundroid的特点在于无需人工整理衣物，只需将待折叠的衣物随意装入“衣柜”，机器会自动折叠好衣服并按照种类叠放。该机器的缺点首先在于折叠衣物效率较低，折叠一件衣服平均花费时间长达5到10分钟；其次由于采用智能图像识别，机器有时会无法识别衣物造成意外“卡机”状态；最后它的售价折合人民币高达12万元，这个价格让广大消费者难以接受。美国的FoldiMate自动折衣机可以自动将衣服折叠、蒸汽防皱、添加香薰或是消毒，省时方便，解决很多整理衣物的烦恼[3]。用户使用时将需要折叠的衣物挂在机器上，机器会自动抓取衣物并进行折叠动作，最后折叠好的衣服会统一堆叠在下方出口处。该机器的特点在于能够折叠大部分常规服装，例如：衬衫、体恤衫和长裤等，并且折叠过程中能够同时对衣物进行熨烫或是香薰，但无法折叠不规则状衣物。总体设计构想市场需求根据可查询到的资料，现有的叠衣装置在以下方面还有待改进：半自动叠衣板需要人工来折叠只适用于折叠服装数量较少的家庭，对于每天折叠大量服装的服装行业用户并不适合；现有的自动叠衣机采用图像识别技术，程序繁琐且折叠效率不及人工折叠；全自动叠衣机的售价较高，投入机器的回报率并不理想，回报周期较长，不适合商业应用。综合考虑这些待改进的方面，设计一款操作简单且工作高效的机器，迎合当前市场需求。设计构想本次设计拟采用先进行上衣折叠动作分析与优化以完成折叠的运动设计，在此基础上确定恰当的机械结构，再进行整机方案的设计并编制相关的控制程序，主要设计步骤如下：折叠动作分析收集服装尺码相关资料，同时对不同种类的上衣进行分类，并对部分上衣的尺寸进行测量，以确定一种通用的服装折叠尺寸规格。在此基础上通过对传统上衣服装折叠动作以及折叠顺序进行优化，确定一种既易于机器实现又迎合设计需求的衣物折叠动作方案。系统方案设计根据衣物折叠动作方案确定实现该种动作方案的方式和工作原理进行系统方案设计，对比不同实现方式的优缺点，选择较为合适的方案。结构设计根据拟采用的系统设计方案，结合机械原理所学知识选择合适的机构，进行叠衣机的运动设计，并借助AutoCAD或其他相关的绘图工具软件以图解法的形式计算出运动轨迹和运动参数。在运动设计的基础上，结合力学知识计算出叠衣机的运动参数，设计实现该运动的结构并对部分零部件进行强度和刚度校核。控制程序设计根据小型上衣自动叠衣机的折叠动作制定恰当的控制方案，拟采用PLC进行编制动作控制程序。整机性能评估评估设计完成的小型上衣自动叠衣机对上衣的折叠性能和效果，分析是否达到设计要求。图2-1设计步骤折叠动作分析确定上衣的折叠尺寸确定上衣的折叠尺寸前，需要先确定常规服装的基本尺寸。日常生活中，在不同服装店内的购买服装时，我们时常会经历各家服装店的服装号码有所出入，时而偏大，时而偏小。尽管服装号型已有相关的国家标准，但标准只是提供一个各项参数的覆盖率比例以供参考，此外还根据不同地区进行统计各种体型在当前地区的比例，服装厂针对不同地区生产适合该地区的服装尺寸。根据互联网上查找到不同服装厂的服装尺寸对照表并对比表中的各项数据，确定上衣折叠尺寸宽度在25-30cm、长度在30-40cm范围内较为合适。因此，可以设计上衣折叠尺寸宽度为28cm、长度在30-40cm范围内根据需要进行调节。确定上衣的折叠方案服装折叠方法有很多，每个人都有自己惯用的方法。图3-1是服装店中通常使用的折叠方法。图3-1常用上衣折叠方式折叠方法如下：将需要折叠的衣服放在一个平面上，先把一只衣袖向另一只衣袖，再把衣袖折回与边线重合，以相同的动作进行另一只衣袖的折叠，最后将衣服对折即可完成折叠动作。该种方法的特点是折叠后的衣服不仅整洁美观而且方便包装。但这种方法在折叠衣袖时需要两次翻折，实现这个动作对于机器而言并不容易。本次设计初衷是设计一种简便快捷的叠衣装置，因此，机器的折叠动作需要在此基础上进行优化，以确定一种机器易于实现又迎合设计需求的衣物折叠动作方案。图3-2是优化后的长袖上衣折叠方案，图3-3是短袖上衣的折叠方案。图3-2优化后的长袖上衣折叠方案图3-3短袖上衣折叠方案系统方案设计折叠动作的实现方式根据衣服折叠尺寸和设计构想，实现优化后的上衣折叠动作方案可以分为三种形式。按照执行机构的种类来区分，分别是通过三块折叠板的翻折实现、通过三轴杆件往复运动实现以及通过机械手抓取衣服进行折叠。其中折叠板折叠方式和杆件折叠方式分别进行了手动翻折纸板叠衣服的实验和手动移动杆件进行叠衣服实验。折叠板折叠用于折叠的机构由左折叠板、右折叠板和上翻折叠板三块轻型打孔塑料板构成，并通过立式铰链与平面底板铰接以实现折叠板的任意角度翻转。折叠板每做一次翻折动作，则相应板上的衣服便折叠一次，三块折叠板按照给定的顺序交替进行翻折动作。三块折叠板都完成一轮动作后，一件上衣便折叠完成。在借助纸板手动进行翻折叠衣服实验时得出以下结论，折叠板的折叠角度大于120°并且往复折叠一块板的时间小于3秒时完成衣物的折叠动作效果最佳，若折叠角度较小或单次折叠速度较慢则折叠效果不理想。该种折叠实现方式的特点在于机构较简单、折叠效率较高，并且在长期工作情况下仍具有良好的稳定性。杆件折叠用于折叠的机构由三根直杆构成，三根直杆分别位于左右衣袖下方以及上衣中部下方。杆件固定在滚珠螺母座上，由电机驱动滚珠丝杠使得杆件做左右运动或前后运动。折叠衣服时，折叠杆在电机驱动滚珠螺母的转动下，带动衣服进行折叠动作。两只衣袖的折叠任务由左折叠杆向右移动，右折叠杆向左移动完成，衣服最后的对折任务由前后运动的折叠杆完成。在进行手动移动杆件叠衣服实验时发现该种折叠特点是执行机构简单，适用于折叠较薄的衣物，对于稍厚的衣物则无能为力，并且衣服折叠时需要压紧装置来压紧衣服，否则在折叠动作时，衣物可能会散开导致折叠失败。机械手折叠机械手折叠方式顾名思义采用机械手来实现折叠动作，采用机械手叠衣服时需要进行多次定位抓取衣服的某一部位，并移动到指定位置放开衣物，经过一系列动作后才能完成衣服的折叠。该方式的特点是折叠动作准确，但也因此折叠速度慢，效率较低，衣服数量较多时，需要花费更多的时间。综合考虑以上三种折叠方式，最终确定采用折叠板折叠形式。根据常规各类服装的尺寸以及确定的服装最终折叠尺寸，设计三块折叠板的总长度为800mm、总宽度为788mm，左右两块折叠板尺寸为800mm×250mm，上翻折叠板的尺寸为400mm×278mm。左右两块折叠板的间距为288mm，相邻两块板之间各预留5mm，防止服装在折叠过程中被卡住。三块折叠板的布局以及服装的放置位置如图4-1所示。图4-1折叠板布局及服装放置示意图折叠板的动力源动力源种类是多种多样的，具体可分为电磁式、液压式以及气压式三大类。电磁式动力源可采用电动机，包括交、直流伺服电机、步进电机、电动推杆或其他形式的电机；液压式主要是伸缩式液压缸；气压式主要是气缸。本次设计对动力源的要求是能够做出较快的响应速度，在此基础上动力源要尽可能环保并且成本较为低廉。电动机形式电动机形式包括各类伺服电机、步进电机、电动推杆以及其他电动机。伺服电机可以将输入的电信号转变为转轴的角位移或角速度输出，通过改变控制电信号的大小和极性，可改变电动机的转速大小和转向[4]。优点是能够对位置、速度和力矩进行精准的闭环控制，高转速运行时能保持良好的转矩性能，低转速时也能保持平稳运行，适用于位置精度要求高和高速运行需要保持较高转矩的场合。步进电机是根据输入的脉冲信号数量来控制电机转动步数以达到控制转动角度的目的。步进电机的特点是能够对步距角进行细分，从而实现较为精准的角度控制，步进电机因具有结构简单、可靠性高、成本低和无积累误差的特点，而广泛应用于各种开环控制[5]。电动缸是一种将电机的旋转运动转变成推杆直线运动的电动执行机构。与液压缸和气压缸相比较，电动缸结构简单，不需要铺设液体、气体管道以及布置油缸或储气罐位置，具有精度高、响应速度快和不易受外界环境影响的特点，在大部分场合中满足工作需要[6]。气压、液压形式气压传动是通过压缩空气来传递动力，而液压则是通过液体介质来传递动力。二者的优缺点可参照表4-1。表4-1气压与液压对比名称气压传动液压传动优点：气体无污染可长距离输送成本低廉工作平稳响应快传递动力大调速范围广缺点：传递功率较小精度较低稳定性较差产生噪声污染使用过程易发生泄露传递效率低受外界温度影响大成本较高综合考虑以上动力源种类优缺点以及本次设计要求，伺服电机在高速运行性能方面表现出众，但对于本次设计有些大材小用，且由于成本较高不适宜采用；电动缸较气缸和液压缸而言具有较多应用优势，但由于当前生产的电动缸速度达不到设计使用需求，因此不能选用；气压缸满足设计需要且使用成本低廉，但因为使用过程易产生较大的噪声且需要配备空气压缩设备，可用于众多服装生产企业，但不可推广到各大服装零售业应用；液压缸因使用过程中泄露的发生是不可避免的，一旦发生泄露将影响服装的销售，因此不能选用；步进电机除高速工作时转矩特性较差外，在低速工作时仍能具有较好的转矩特性，并且对步距角进行细分后可达到较高的角度控制精度，符合本次设计的要求，因此最终采用步进电机作为动力源。折叠板的传动机构此次设计中传动机构主要用来实现折叠板往复转动的动作，结合所学的知识，实现这一动作的机构可以许多种选择。各种机构都有各自的特点，设计时根据不同的使用需求查阅相关的资料选择适合的机构，表4-2是常用的传动机构及其功能。表4-2传动机构及其功能[7]基本功能

传动机构运动的变换动力的变换形式行程方向速度大小形式丝杠螺母●●●齿轮●●●齿轮齿条●●链轮链条●带、带轮●●缆绳、绳轮●●●●●杠杆机构●●●连杆机构●●●凸轮机构●●●●摩擦轮●●●万向联轴器●软轴●蜗轮蜗杆●●●间歇机构●此次设计选择平面连杆机构中的曲柄摇杆机构，连杆机构具有以下特点：第一，它们的运动副元素是面接触，所受的压力较高副机构小，磨损轻；第二，低副表面为平面和圆柱面，制造容易，并且可获得较高的加工精度；第三，低副元素的接触是依靠本身的集合约束来实现的[8]。结构设计曲柄摇杆机构设计曲柄摇杆机构的作图法设计可以分为按给定连杆位置、按给定连架杆位置和按给定行程速度变化系数三大类[8]。本次设计采用第三种设计方法——按给定行程速度变化系数设计。根据确定的折叠板尺寸可以暂定摇杆的长度CD为125mm，根据手动模拟折叠板折叠衣物结果可以暂定摆角φ为135°，由于折叠板返程时无需折叠衣服，故可以设计具有急回特性的机构，暂定行程速度变化系数K为1.5。图5-1图解法设计曲柄摇杆图5-1图解法设计曲柄摇杆的设计方法如下：根据暂定的行程速度变化系数K=1.5计算出极位夹角θ；θ=180°根据暂定的摇杆长度CD和摆角φ作出摇杆的两个极限位置C1D和C2D；作线段C2T垂直于线段C1C2,作∠∠C2C1作∆PC1C2的外接圆，使得圆上任意一点A与C1和暂定机架的长度AD为160mm，以D为圆心，AD为半径作圆，与∆PC测量A点到摇杆的两个极限位置的距离AC根据计算公式5-3、公式5-4可求出曲柄AB的长度以及连杆BC的长度。AB=AC1-AC2BC=AC1+AC2根据曲柄摇杆存在的条件并考虑后续加工的生产工艺，确定左、右折叠动作的曲柄摇杆机构为下参数：曲柄的长度调整为105mm，连杆的长度调整为170mm，摇杆的长度为125.44mm（X122.5,Z27），机架长度为159.51mm（X131,Y91）。调整后的摆角Ψ为127°，极位夹角θ=33°，行程速度变化系数K=1.45。图5-2左右折叠动作曲柄摇杆同理设计上翻动作的曲柄摇杆机构为以下参数：曲柄的长度为110mm，连杆的长度为170mm，摇杆的长度为124mm（X121,Z27.5），机架长度为174mm（X158,Y75）。摆角Ψ为126°。图5-3上翻折叠动作曲柄摇杆运动仿真分析平面连杆机构在运动学分析各构件的速度、角速度和角加速度时主要采用图解法和解析法进行，图解法的精度受制图精度的影响，解析法求解精度较高，但计算工作量较大，研究表明借助计算机进行运动学仿真求解与图解法分析结果高度一致，可提高设计效率[9]。本次设计采用Solidworks中的Motion分析模块进行运动学仿真分析，具体操作方法如下：根据设计的曲柄摇杆机构进行Solidworks三维建模，并通过各杆件之间的配合关系进行约束各杆件的运动范围，如图5-4曲柄摇杆机构三维建模；启动Motion分析模块，将旋转马达的位置设置在曲柄的固定点上，确定马达的旋转方向与工作旋转的方向一致，设置马达的运动方式为等速运行每分钟30转，以实现每个周期为2秒；设置运行时间为3个周期，即6秒；为摇杆添加角速度和角加速度的图解，如图5-5角速度和角加速度图解分析；输出各位置的角速度和角加速度数据，如表5-1角速度和角加速度数据表。图5-4曲柄摇杆机构三维建模表5-1单个周期角速度和角加速度数据时间

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(deg/sec**2)0152.846633519.603217110.04153.33793294.8348956711.0436.01641261198.94971030.08153.213941411.411726941.0828.42427527182.2158710.12152.381225130.974571241.1221.32393027174.14769780.16150.653972456.754138521.1614.3898367173.79220010.2147.692819693.776471871.27.324133265180.67550510.24142.8798043151.5028121.240.157225033194.5313140.28135.0485567249.2378361.288.326193137214.953680.32121.8604146429.78694421.3217.42797561240.92023250.3698.2526268796.03320521.3627.64498332270.21781590.452.41760161605.0940921.439.03922878298.99877570.4443.077026643377.0484981.4451.48723876321.94408950.48228.07718295704.9725271.4864.64201817333.49744010.52440.59746643885.4194981.5277.96418651329.96478750.56501.6171727582.48354191.5690.83495582311.24108850.6434.25495732319.6528351.6102.7064563280.80380730.64339.84666462248.9263891.64113.2141838243.97244320.68259.64541211747.4178831.68122.2070197205.79311410.72199.41888691282.3201231.72129.7073718169.78466260.76155.4413259936.06397751.76135.8433526137.74928990.8123.1556583692.94121311.8140.7872049110.1800440.8499.01732405524.2059521.84144.713554786.783562010.8880.53996438406.65823641.88147.776540766.881410720.9266.01871571324.23748661.92150.099623649.644635750.9654.27567335266.33515151.96151.771937934.1935997144.47803285226.05324792152.846633519.60321708图5-5角速度和角加速度图解分析电动机选型电动机的选型也是采用Solidworks中的Motion分析模块中的马达力矩分析。在进行分析时先对叠衣机的机体进行三维模型的建立，然后按先前机构分析的旋转方向和旋转速度进行旋转马达的设置，再添加图解马达力矩，即可完成电动机所需最大力矩的求解。图5-6机体的三维建模图5-7马达力矩分析由图5-6可知，传递到曲柄的保持转矩必须要大于4.363NM，由此确定步进电机。根据查阅相关步进电机的型号，可采用的方案有两种。一种方案是采用57步进电机，但由于这种电机的保持转矩均在2.5NM以下，需要另外增加减速装置以提高最大保持转矩。另一种方案是采用86步进电机，最大保持转矩可达12NM，无需另外加装减速装置。为简化机体结构，最终确定选取86步进电机，保持转矩为8.5NM，步距角为1.8°，输出轴径为14mm。搭配MA860步进驱动器，进行步距角细分，实现精确控制。中间轴设计综合考虑折叠板、电机座和曲柄摇杆机构的总体布局，设计图5-8所示的中间轴，用于电机输出轴与曲柄之间的动力传递，现对中间轴进行设计校核计算。图5-8中间轴的设计弯扭强度校核中间轴的受力简图如图5-9所示，轴上作用力和位置均可以求得，可以按照弯扭组合变形的方法进行强度校核计算。图5-9中间轴的受力首先确定轴上的作用力位置和大小，作用力的位置可以根据中间轴的长度以及曲柄的长度确定，图5-9中a的长度27mm，b的长度为105mm。作用力的大小可以通过对建立的三维模型使用Solidworks中的Motion分析，在Motion分析中选择作用力分析，力的作用点选择曲柄与连杆的配合，对作用力的幅值随时间的变化进行分析。根据图5-10曲柄的受力情况可知，曲柄受到的作用力幅值为86牛，后续的计算将以此进行展开计算。图5-10曲柄的受力分析T=FM=FWz=式中：T——中间轴受到的扭矩，N∙ M——中间轴受到的弯矩，N∙F——中间轴上的作用力，N；a——轴受扭矩作用的长度，mm;b——轴受弯矩作用的长度，mm;d——受力轴端的直径，mm；Wz——抗弯截面系数，mm由参考文献[10]中的表15-1轴的常用材料及其主要力学性能，根据材料牌号以及热处理状态查得45#调质后的许用弯曲应力[σσr3满足强度要求。弯曲刚度校核因对刚度精度要求不高，本次设计采用当量直径法作近似计算。计算当量直径：dv=式中：li——阶梯轴第i段的长度，mm di——阶梯轴第i段的直径，mmL——阶梯轴的计算长度，mm；z——阶梯轴计算长度内的轴段数。由参考文献[10]中的表15-5轴的许用挠度及许用偏转角，查得许用挠度[y]=(0.0003~0.0005)l，取[y]=0.0081mm，许用偏转角[θ]=0.001。计算最大挠度和转角：I=πdv432yB=-MlθB=-MlEI满足弯曲刚度要求。式中：M——受到的弯矩，N∙ l——阶梯轴的计算长度，mm； E——弹性模量，GPa，钢材取207GPa； I——轴截面的惯性矩，mm4扭转刚度校核许用扭转角φ代表轴每米允许扭转的角度，对于一般的轴取φ=0.5~1计算轴的扭转角：φ=5.73×1041LG满足扭转刚度要求。式中：T——受到的扭矩，N∙ L——阶梯轴受扭转作用的长度，mm； G——材料的剪切弹性模量，GPa，钢材取81GPa； I——轴截面的极惯性矩，mm4 Z——阶梯轴受扭转作用的段数。控制程序设计控制方案设计机器的工作过程叠衣机主要由左右折叠板和上翻折叠板组成，三块折叠板分别由三台步进电机驱动曲柄连杆机构，从而使得折叠板做往复折叠运动。步进电机每驱动曲柄转动一圈，则折叠板完成一次折叠动作。由PLC控制输出给步进电机驱动器的脉冲个数来控制三台步进电机转过的步距角，实现步进电机的精准运行。PLC控制任务根据设计要求，控制部分需要完成的内容如下：图6-1PLC控制任务由人工将需要折叠的上衣放置在工作台上，根据上衣衣袖长度决定是否需要手动将超出折叠范围的衣袖折叠到工作范围内。再衣物放置完成后，启动电源总开关。在需要折叠时按下折叠按钮，即可启动折叠机开始折叠动作。完成折叠动作后将折叠完成的衣物取走，继续放置需要折叠的衣物按下折叠按钮继续折叠。待衣物全部折叠完毕后，关闭电源总开关，完成衣物折叠任务。控制部件PLC主机1台、步进电机3台、步进电机驱动器3台、开关2个。PLC的选型根据控制要求分析，控制三台步进电机动作位置的方法有两种：一种方法是按照采用专用的位置控制模块进行控制步进电机，另一种可以用PLC内部集成的高速输出口通过编程实现位置控制，取代专用的位置控制模块，充分利用CPU自身的资源[11]。综合考虑以上两种方法，为避免资源浪费节省成本，选择西门子S7-200SMARTST30型号的PLC。特点：高速芯片，性能卓越，可集成三路高速脉冲输出，频率高达100KHz，支持PWM/PTO输出方式，软件友好，编程高效，模块安装便捷。分配I/O点表6-1I/O分配表输入信号定义输出信号定义I0.0电源总开关Q0.0左折叠板折叠I0.1折叠按钮Q0.1右折叠板折叠Q0.2左折叠板反转Q0.3上翻板折叠Q0.4右折叠板反转Q0.5上翻板反转PLC接线示意图图6-2PLC接线示意图控制程序编写主程序的编写图6-3PLC通电初始化开启总电源按钮，开关闭合电路通电后脉冲控制模式开始初始化，为后续输出高速脉冲做准备。西门子S7-200SMARTST30型号的PLC具有三路高速脉冲输出端口，控制模式分为脉冲控制模式（PTO）和模拟量控制模式（PWM），对位置精度有较高要求时选用前者，对转速和力矩有精度要求时选用后者。本次设计虽然对转速和力矩的大小有要求，但在电机的选型和速度设计时已具有一定裕度，因此对于转速和力矩的精度要求不高。此外考虑到折叠衣服的动作需要连续进行，每执行一轮折叠动作都需要保证折叠板能回到初始位置，因此对位置精度要求较高，故最终选择脉冲控制模式。图6-4左翻板折叠启动按下启动按钮电路闭合，受上升沿触发PLC向步进电机驱动器发出高速脉冲控制信号，驱动器在接收到信号后按照所接收到的脉冲个数驱动步进电机开始工作。同时启动延时程序进行延时2秒，使脉冲信号输出完毕后关闭，启动下一台电机。图6-5左翻板停止动作右翻板开始动作延时2秒时间到后，左翻板停止折叠动作，右翻板电机启动开始动作并再次延时。图6-6右翻板停止动作上翻板开始动作延时时间到后，右翻板停止折叠动作，上翻板电机启动开始动作并启动延时程序。图6-7上翻板停止动作延时时间到后，上翻板停止折叠动作。上衣折叠完毕，等待下一次上衣折叠任务。子程序编写按图6-8设置PTO控制字节，使SMB67=16#C5，代表PTO模式启动。图6-8设置PTO控制字节图6-9设置PTO工作模式设置PLC进行PTO初始化，为后续动作做准备。图6-10设置PTO频率值设置PTO频率值为1000Hz，表示每秒输出1000个脉冲。图6-11设置PTO脉冲数设置PTO输出脉冲数为2000个。图6-12地址注释通过以上设置完成PTO的初始化工作，使PTO每秒钟输出1000个脉冲，共计输出2000个脉冲，使步进电机转动360度。图6-13左翻板停止子程序图6-14右翻板停止子程序图6-14上翻板停止子程序在左、右和上翻板完成动作后，对PTO的控制字节进行复位，即可停止脉冲的输出，再次调用PLS指令以激活复位功能，最后通过置位控制字节使下次脉冲输出恢复正常。结论本课题来源于企业实际，是企业正在研发小型服装系列设备之一，主要用于解决各服装店或洗衣店及小型服装企业的衣服折叠问题，设计工作是在现有的服装折叠辅助工具的基础上进行的。从设计结构角度看，本次设计的实现机构为曲柄摇杆机构，该机构的特点是结