基于單片機(jī)的停車場(chǎng)道閘機(jī)械設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u4439基于單片機(jī)的停車場(chǎng)道閘機(jī)械設(shè)計(jì)案例 1191881.1道閘的介紹 190781.2道閘的傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn) 2110891.2.1搖桿曲柄機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn) 2151751.2.2步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn) 2168341.3四連桿結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì) 3175161.3.1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的定義和介紹 337261.3.2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性 3154781.3.3曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置 4178631.3.4曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算與設(shè)計(jì) 422821.3.5各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間以及電機(jī)選型 61.1道閘的介紹如圖1.1所示為常見(jiàn)的道閘外觀，道閘用于停車場(chǎng)進(jìn)出口攔截車輛，是停車場(chǎng)進(jìn)行停車計(jì)費(fèi)以及進(jìn)出信息記錄的前提。也有人稱呼它為擋車器，顧名思義，是一種基于機(jī)電的專業(yè)設(shè)備，是一種專門限制汽車或者柴油車進(jìn)出的工具，在全國(guó)各地都廣泛存在，對(duì)城市交通有著不可替代的重要作用，普遍使用于公路收取費(fèi)用亭和停車場(chǎng)進(jìn)出口。目前主流的道閘可通過(guò)停車場(chǎng)管理人員的無(wú)線遙控器實(shí)現(xiàn)手動(dòng)道閘的升降，當(dāng)然更多時(shí)候是通過(guò)停車場(chǎng)的智能管理一體化系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)以及智能的升降，入場(chǎng)自動(dòng)識(shí)別汽車，之后放行汽車，出場(chǎng)時(shí)，自動(dòng)顯示停車費(fèi)用，收費(fèi)之后自動(dòng)升起道閘。道閘一般來(lái)說(shuō)由閘桿支架、減速箱、機(jī)箱、電機(jī)、閘桿、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成[13]。圖1.1常見(jiàn)道閘的外觀圖1.2道閘的傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)1.2.1搖桿曲柄機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)為了不降低機(jī)構(gòu)的使用壽命和穩(wěn)定性，在使用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的裝置中，通過(guò)曲柄搖桿的速度特性，可使得停止位置的速度近似為零，進(jìn)而使得箱體內(nèi)部受到系統(tǒng)的沖擊，減小了橫桿臂在最終位的沖擊抖動(dòng)。因?yàn)樵诮咏Ｖ刮恢脮r(shí)，先切斷電源，利用慣性運(yùn)動(dòng)來(lái)運(yùn)動(dòng)到終位，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生沖擊和抖動(dòng)[14]。1.2.2步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)顧名思義，每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就隨之而前進(jìn)異步或轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，是一種將輸入的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的線或角位移的電動(dòng)機(jī)，此特性也就是名字“步進(jìn)電機(jī)”的由來(lái)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不僅與脈沖頻率成正比，而且步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步說(shuō)，取決于運(yùn)行拍數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和脈沖頻率，所以在拍數(shù)和齒數(shù)一定時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度只需要通過(guò)脈沖頻率這一物理量就可以得到。步進(jìn)電機(jī)的脈沖在時(shí)間上是和角速度同步的，脈沖頻率與角速度成正比，而是輸出的角或線位移與接收到的脈沖數(shù)同樣成正比。相比于其它電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的最大區(qū)別之一是，它接收輸入端的脈沖信號(hào)后自動(dòng)轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的線或角位移，它從本質(zhì)上說(shuō)就是一個(gè)完成此轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件[15]。1.3四連桿結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)1.3.1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的定義和介紹四連桿結(jié)構(gòu)中，固定構(gòu)件為基架，與機(jī)架用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的構(gòu)件稱為連架桿，不與機(jī)架相連的構(gòu)件稱為連桿，鉸鏈四連桿結(jié)構(gòu)分三種基本形式：雙搖桿結(jié)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。曲柄和搖桿的區(qū)別在于，搖桿不能旋轉(zhuǎn)一周，它只能在一個(gè)角度范圍里轉(zhuǎn)動(dòng)而曲柄能旋轉(zhuǎn)一周。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)顧名思義，如果一個(gè)四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)中其中一桿是曲柄，一桿是搖桿，那么這個(gè)機(jī)構(gòu)就是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)曲柄為主動(dòng)件作旋轉(zhuǎn)時(shí)，連桿作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)，而搖桿作為從動(dòng)件不會(huì)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是會(huì)作來(lái)回?cái)[動(dòng)，此時(shí)搖桿的速度是變速的，而曲柄的速度是不變的。若用搖桿作為主動(dòng)構(gòu)件，搖桿則將會(huì)把來(lái)回?cái)[動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的旋轉(zhuǎn)[14]。在本設(shè)計(jì)中采用曲柄作為主動(dòng)件。1.3.2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的示意圖如圖1.2所示。急回特性指的是，采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時(shí)，曲柄的旋轉(zhuǎn)雖然是勻速運(yùn)動(dòng)，但搖桿端是變速運(yùn)動(dòng)，工作行程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間比空回行程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間要長(zhǎng)，前者的平均速度要比后者的平均速度小。當(dāng)曲柄等速旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，曲柄和連桿有兩次共線位置，兩次共線時(shí)曲柄之間的角度θ稱為極角，搖桿之間的角度即圖中的∠C2DC1稱為擺角。圖1.2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的示意圖設(shè)工作行程的曲柄旋轉(zhuǎn)角度為φ1，曲柄旋轉(zhuǎn)速度為ω，所花費(fèi)的時(shí)間為t1，平均速度為V1。設(shè)空回行程的曲柄旋轉(zhuǎn)角度為φ2，所花費(fèi)的時(shí)間為t2，平均速度為V2。因?yàn)榍鷦蛩傩D(zhuǎn)，故ω不變。則有：φφtt由上述公式易知t1＞t2，又因?yàn)橛校篤1=eq\o(C1C2,\s\up5(⌒))/t1（3.5）V2=eq\o(C1C2,\s\up5(⌒))/t2（3.6）又因搖桿的擺角∠C2DC1是不變的，所以V1＜V2，即搖桿返回速度較快[14]。由于本設(shè)計(jì)是通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制曲柄在工作行程內(nèi)進(jìn)行來(lái)回旋轉(zhuǎn)，即搖桿在擺角范圍內(nèi)進(jìn)行來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)道閘橫桿的升降，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有涉及到空回行程，對(duì)空回行程的運(yùn)動(dòng)速度以及時(shí)間沒(méi)有要求，所以本設(shè)計(jì)對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性不作要求。1.3.3曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置當(dāng)搖桿作為主動(dòng)件，而非曲柄作為主動(dòng)件時(shí)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置，死點(diǎn)的位置發(fā)生在曲柄和連桿的兩次共線位置。但由于本設(shè)計(jì)是采用曲柄作為主動(dòng)件，所以在整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中都不會(huì)有死點(diǎn)位置[14]。1.3.4曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算與設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的尺寸簡(jiǎn)化圖如圖1.3所示。圖1.3四連桿尺寸簡(jiǎn)化圖如圖所示：AD為基架，AB為曲柄，DC為搖桿，BC為連桿。B1與B2是曲柄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的一種極限位置，相對(duì)應(yīng)的搖桿擺動(dòng)位置分別處于DC1與DC2狀態(tài)。設(shè)定搖桿長(zhǎng)度DC=100mm，擺角為90°，作RT△EC1C2外接圓，根據(jù)圓的性質(zhì)，可知在該圓周上任意取一點(diǎn)，都能使得∠C1AC2=30°，取AD//C1C2，取得A點(diǎn)的位置。另外，從圖中可有知道各邊有以下關(guān)系:令L1=AC1=100mm，L2=AC2=200mm，則有：L1=L2=A則曲柄的長(zhǎng)度：BC=搖桿的長(zhǎng)度：AB=由于AC1=DC1=DC2=100mm，所以：C因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)有假設(shè)，令A(yù)D//C1C2，則∠ADC1=C2C1D=45°，又因?yàn)锳C1=DC1，所以∠AC1D=90°，所以AC1//DC2，所以四邊形ADC2C1為平行四邊形。則：AD=整理曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件的長(zhǎng)度關(guān)系如下表1.1：表1.1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)件長(zhǎng)度表序號(hào)機(jī)構(gòu)類型圖示符號(hào)長(zhǎng)度/mm長(zhǎng)度系數(shù)實(shí)際長(zhǎng)度/mm取值方式1基架AD141.42K141.42K根據(jù)DC取值2曲柄AB50K50K自定義3搖桿DC100K100K自定義4連桿BC150K150K根據(jù)AB取值1.3.5各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間以及電機(jī)選型電機(jī)正轉(zhuǎn)，道閘從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90°變成豎直狀態(tài)，搖桿的旋轉(zhuǎn)角度為90°，去程時(shí)間為t，t取3s，;電機(jī)反轉(zhuǎn)，道閘從豎直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90°變成水平狀態(tài)，搖桿的旋轉(zhuǎn)角度為90°，但方向相反，回程時(shí)間同樣為t，即3s。設(shè)擺角為30°，所以當(dāng)搖桿完成去程或回程時(shí)，即當(dāng)搖桿旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，曲柄旋轉(zhuǎn)210°，曲柄的旋轉(zhuǎn)速度：?如圖2.2所示，電機(jī)帶動(dòng)減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸，再帶動(dòng)連桿和搖桿擺動(dòng)，最后通過(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)道閘升降，所以對(duì)于帶有10:1減速比的NMRV040減速機(jī)，去回程電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度α，以及蝸輪蝸桿減速機(jī)輸入軸旋轉(zhuǎn)的速度，即電機(jī)的速度?1分別為：α=?一般地步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在20rpm～400rpm可以比較穩(wěn)定地運(yùn)行，從計(jì)算可以看出?=116.7rpm，步進(jìn)電機(jī)能處于比較正常的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速。根據(jù)一般停車場(chǎng)道閘機(jī)構(gòu)的重量及尺寸，設(shè)欄桿長(zhǎng)度為4米，重量為3.5kg。由重力計(jì)算公式可得：G=mg=3.5×10=35N#再由扭矩計(jì)算公式T=FL，其中F為欄桿重力，L為欄桿長(zhǎng)度，有：T=FL=35×2=70N·M#本設(shè)計(jì)采用的是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，