PAGEPAGE2PAGE9 PAGE9承載50kg的爬樓梯運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u32295摘要 141681前言 2291751.1.研究背景及意義 2242941.2研究現(xiàn)狀 350101.3現(xiàn)有的爬樓梯運(yùn)輸車產(chǎn)品介紹 5119911.4研究思路和方法 8281852爬樓梯運(yùn)輸車的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 916192.1設(shè)計(jì)要求 9246012.2載貨爬樓車各部分的方案對(duì)比 10158972.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10107733爬樓車攀爬裝置的設(shè)計(jì) 12154503.1爬樓車的負(fù)載估計(jì) 1226343.2爬樓車電機(jī)及減速機(jī)的選型 12153423.3爬樓車軸系的設(shè)計(jì)較核 1260383.3.1爬樓車軸系布局設(shè)計(jì) 12107713.3.2軸上的轉(zhuǎn)矩的確定 13237293.3.2軸最小直徑的確定 13141533.3.3軸段參數(shù)的確定 14322803.3.4主軸的受分分析 14235723.4主軸的彎矩及扭矩計(jì)算 15185193.5主軸的強(qiáng)度較核 15226844爬樓車機(jī)械腿支撐裝置的設(shè)計(jì) 16126904.1支撐腿的負(fù)載估計(jì) 16119144.2爬樓車電機(jī)及減速機(jī)的選型 16288084.3爬樓車機(jī)械腿螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 16201135.爬樓車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2072575.1控制系統(tǒng)的工作過程及原理分析 20162645.2爬樓車控制系統(tǒng)的I/O分析 2091775.3控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 2129435總結(jié) 218257參考文獻(xiàn) 22摘要承載50kg的爬樓梯運(yùn)輸車是一種新型的幫助人們?cè)跇翘蓍g運(yùn)送物品時(shí)減輕繁重勞動(dòng)力的工具，其主要是由可拆卸高低調(diào)節(jié)拉桿、一體成型S臂、輪胎保護(hù)擋板、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和通過導(dǎo)軌裝置并配以無刷電機(jī)、減震輪胎、48V12AH鋰電池等輔助構(gòu)成。爬樓梯運(yùn)輸車爬樓時(shí)有兩大執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一是攀爬臂機(jī)構(gòu)，二是支撐機(jī)械腿機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)較于傳統(tǒng)的爬樓梯運(yùn)輸車，在自動(dòng)化程度、搬運(yùn)方式以及勞動(dòng)強(qiáng)度等方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。爬樓梯運(yùn)輸車可用來搬運(yùn)貨物、搬運(yùn)日常用品等工作，使勞動(dòng)環(huán)境日臻完善，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。關(guān)鍵詞：電動(dòng)爬樓梯運(yùn)輸車；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；承載50kg1前言1.1.研究背景及意義近10多年時(shí)間里，棚改幫助數(shù)以千萬計(jì)的“棚戶居民”搬進(jìn)新樓，使得城市舊城區(qū)的面貌得到了很大的改觀。但目前，我國(guó)仍有4萬億未安裝電梯老舊小區(qū)還未被改造這些小區(qū)中，由于缺乏電梯，在建筑內(nèi)未有合適的上下樓設(shè)備來無障礙搬運(yùn)日常所需的各位物品，致使人們的生活十分艱難，在搬送物品時(shí)會(huì)耗費(fèi)了極大的體力。該類小區(qū)搬運(yùn)的搬運(yùn)日常起居的物品成為了各個(gè)家庭所關(guān)注的問題，此外，我國(guó)現(xiàn)階段土地利用也愈加高效，高層建筑越來越多，每每停電時(shí)，會(huì)因電梯停運(yùn)而極大地耗費(fèi)人力物力；農(nóng)村郊區(qū)也不乏存在高層小樓。隨著科技的日益進(jìn)步，應(yīng)用于運(yùn)輸上的爬樓梯運(yùn)輸車的越來越變得不可或缺，并逐步向智能化運(yùn)輸車發(fā)展。爬樓梯機(jī)器人在應(yīng)用時(shí)需要解決的關(guān)鍵問題之一是如何根據(jù)勞動(dòng)環(huán)境勞動(dòng)群體的改變最大化實(shí)現(xiàn)物品安全穩(wěn)定的運(yùn)輸，目前，我國(guó)市場(chǎng)現(xiàn)有的運(yùn)輸車存在各種各樣的弊端，市面上銷量較好的爬樓梯運(yùn)輸車，如ND-2200存在載物問題，其所需的電機(jī)強(qiáng)度較大，致使爬樓梯運(yùn)輸車整機(jī)壽命大多不長(zhǎng)；此外，現(xiàn)有的該類爬樓梯運(yùn)輸車的機(jī)械構(gòu)造類似傳統(tǒng)拉車，采用人工拉動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)運(yùn)輸，不夠安全，穩(wěn)定性較差，且越障能力較差不適合老年人之類勞動(dòng)能力偏弱的人搬運(yùn)工搬運(yùn)貨物。因此，研究一個(gè)成本低廉，功能多樣，靈活穩(wěn)定的新型電動(dòng)爬樓梯機(jī)器人意義十分重大。圖1-1支撐機(jī)械腿結(jié)構(gòu)圖1-2攀爬臂結(jié)構(gòu)1.2研究現(xiàn)狀自上世紀(jì)世界上第一臺(tái)爬樓梯輪椅在美國(guó)出現(xiàn)后，家用搬運(yùn)爬樓梯運(yùn)輸機(jī)器人的發(fā)展越來越快，其他國(guó)家也開始對(duì)爬樓梯機(jī)器人進(jìn)行了多方向的研究，目前，爬樓梯機(jī)器人的相關(guān)理論日趨成熟，有些已經(jīng)投入生產(chǎn)，大規(guī)模應(yīng)用。比如英國(guó)BARONMEAD爬樓梯機(jī)器人與德國(guó)的PERFEKTA爬樓梯機(jī)器人，重量40kg左右，充電后可以連續(xù)上下樓梯1000級(jí)。這種運(yùn)輸車多為載人運(yùn)輸，裝運(yùn)時(shí)可以拆卸兩部分。圖1-3BARONMEAD爬樓梯機(jī)器人圖1-4PERFEKTA爬樓梯機(jī)器人我國(guó)爬樓梯發(fā)展稍顯遜色。一開始僅有人力拉動(dòng)，但隨著科技的進(jìn)步，在過去的幾年開始出現(xiàn)人拉式半自動(dòng)爬樓梯運(yùn)輸車。我國(guó)爬樓梯運(yùn)輸車的應(yīng)用較廣，爬樓梯運(yùn)輸過程的越障需要，要求爬樓梯機(jī)器人靈活多樣的勞動(dòng)能力。目前，我國(guó)的前沿一些爬樓梯機(jī)器人擁有體積較小的優(yōu)勢(shì)，且由全自動(dòng)化已向智能化法相發(fā)展，令人最為印象深刻的是優(yōu)必科的限定“拓荒?！痹趶?fù)雜環(huán)境中相比輪式和履帶式的機(jī)器人有更好的運(yùn)動(dòng)能力，可以補(bǔ)充市場(chǎng)現(xiàn)有的產(chǎn)品生態(tài)，滿足多方向的市場(chǎng)需求。但其仍存在以下不足：搬運(yùn)能力及自動(dòng)化能力不符合預(yù)期指標(biāo)，缺乏兩者兼顧的產(chǎn)品，由于國(guó)內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展時(shí)間較晚，所以存在某一功能偏重發(fā)展的現(xiàn)象，所生產(chǎn)的機(jī)器人為履帶式、兩輪行星輪式、三輪行星輪式、四足式機(jī)器人，搬運(yùn)能力有限，且多為載人運(yùn)輸，未被普遍應(yīng)用于運(yùn)輸貨物。甚至有些產(chǎn)品自研發(fā)后，因?yàn)槠渥陨泶嬖诎徇\(yùn)能力。自動(dòng)化程度的局限性，未被投入生產(chǎn)。機(jī)械安全性能存在隱患；現(xiàn)有的爬樓梯運(yùn)輸機(jī)器人為了減少成本，達(dá)不到國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理性，存在這比較大的安全隱患，有些甚至已經(jīng)產(chǎn)生了人員的傷亡以及比較大的經(jīng)濟(jì)損害，非常不適合家庭老年人、殘疾人應(yīng)用。智能化運(yùn)輸機(jī)器人成本較高；國(guó)內(nèi)市面上的一些機(jī)型由于設(shè)計(jì)上要求較高的信息自我處理能力，因而使得其研發(fā)成本生產(chǎn)成本大大增加，如“拓荒?！彼婕皩＠?500件。（4）運(yùn)輸車發(fā)展和投入緩慢。如今爬樓車機(jī)器人的研究多為載人運(yùn)輸，現(xiàn)如今我國(guó)載物運(yùn)輸?shù)呐罉翘葸\(yùn)輸車應(yīng)用大多為為NH-200，采用人工輔助推拉的方式，技術(shù)落后。在運(yùn)輸應(yīng)用方向的科研投入上，比較國(guó)內(nèi)的其他研發(fā)方向以及國(guó)外的其他對(duì)于爬樓梯運(yùn)輸車的研發(fā)方向而言，比較落后，不盡人意，發(fā)展比較緩慢。最近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)機(jī)器人已從傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用，迅速向社會(huì)各個(gè)行業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)變，我國(guó)近些年努力打造一款跨障礙運(yùn)輸?shù)?，可以提高人們生活質(zhì)量的帶有運(yùn)輸功能的機(jī)器人；目前，國(guó)內(nèi)外的發(fā)明已有很多，前不久，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)戴本所研制的多功能行星輪式結(jié)構(gòu)利用行星輪系實(shí)現(xiàn)載人攀爬樓梯，與之不同，南京理工大學(xué)徐俊珝履帶式爬樓梯機(jī)器人通過履帶完成爬樓梯動(dòng)作。該類機(jī)器人完成了特殊空間中人或貨物的搬運(yùn)，但目前尚缺一款幫助不需要人工操作就能減輕搬運(yùn)人員繁重勞動(dòng)力的工具。國(guó)外的爬樓梯越障車機(jī)器研究工作開展較早，多為行動(dòng)能力較差人群的代步工具，如英國(guó)、美國(guó)、以色列等一些發(fā)達(dá)國(guó)家隨著人口老齡化的不斷加劇將研究重點(diǎn)主要放在此類設(shè)備的研發(fā)與制造，發(fā)展的較為完備，目前爬樓梯的運(yùn)輸車類型多樣化，作業(yè)性能穩(wěn)定、功能也較為齊全。國(guó)外的研究通過不斷的摸索進(jìn)步，技術(shù)累計(jì)與技術(shù)更迭，其發(fā)展趨勢(shì)主要有如下幾個(gè)方面： 設(shè)備具有良好的穩(wěn)定性；為了保障安全穩(wěn)定的運(yùn)行，輪式運(yùn)輸車通過車的設(shè)計(jì)思路是通過輪椅上分布的傳感器感受重力的變化，并通過含有預(yù)定設(shè)定好程序的控制盒處理信息，最終實(shí)現(xiàn)自我調(diào)整。履帶式機(jī)構(gòu)的爬樓梯運(yùn)輸車使重心沿著樓梯臺(tái)階沿的連線相平行的直線運(yùn)動(dòng)，輪椅重心保持直線運(yùn)動(dòng)，使機(jī)身沒有大幅度波動(dòng)。高效化；國(guó)外許多國(guó)家配備了爬樓梯運(yùn)輸車，爬樓梯運(yùn)輸車的普遍應(yīng)用成為行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，未來會(huì)普遍生產(chǎn)，普遍應(yīng)用。多功能化；爬樓梯運(yùn)輸車不但可以再高22cm左右的樓梯內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)輸，也可以在斜坡與小山坡前進(jìn)，有的甚至可以站立行走，是其到達(dá)足夠的高度。智能物聯(lián)；近年來通訊技術(shù)迅猛發(fā)展，不久的將來會(huì)進(jìn)入5G時(shí)代，高速且可靠的連接技術(shù)配合傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)知識(shí)的應(yīng)用使得新產(chǎn)品研發(fā)持續(xù)突破，行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在急劇加速，低延遲(URLL)和大規(guī)模機(jī)器類通信(MMTC)融入到了產(chǎn)品的研發(fā)當(dāng)中。1.3現(xiàn)有的爬樓梯運(yùn)輸車產(chǎn)品介紹關(guān)于爬樓梯運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)現(xiàn)如今分為輪式、履帶式、輔助式。（1）美國(guó)IBOT系列機(jī)器人由驅(qū)動(dòng)輪、行星輪系、陀螺儀、奔騰處理器組成，通過處理器可以將環(huán)境的變換轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，并通過處理器的處理進(jìn)行自我調(diào)整。常用于運(yùn)載殘疾人和行動(dòng)不便的老年人進(jìn)行上下樓的活動(dòng)。優(yōu)勢(shì)：自動(dòng)化程度高，且具有平地正常運(yùn)動(dòng)，直立行走，爬梯模式功能多樣。劣勢(shì)：成本較高，且只適合于載人，無法進(jìn)行載物，對(duì)于大多數(shù)家庭實(shí)用性不高，面向的市場(chǎng)群眾范圍較窄，難以大規(guī)模應(yīng)用。需要及時(shí)充電，無法應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。 圖1-5爬樓模式-上樓圖1-6爬樓模式-下樓圖1-7不同運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)（2）深圳薩瓦瑞亞TRE-52日本SC-5的升級(jí)版本，升級(jí)后由永久磁石式直流發(fā)電機(jī)提供動(dòng)能，無力磁型電磁剎車作為制動(dòng)裝置進(jìn)行制動(dòng)，利用履帶不易打滑牽著附著性好的特點(diǎn)，進(jìn)行載人運(yùn)輸，常用于車站、醫(yī)院、學(xué)校、社區(qū)等公共領(lǐng)域，幫助所需人群輕松上下樓。優(yōu)勢(shì)：電磁制動(dòng)裝置保障了即使馬達(dá)停止也不會(huì)墜下樓層，提高了安全性；液壓舉升裝置保障了上下樓時(shí)平臺(tái)位于水平位置劣勢(shì)：無法解決無電情況下的輔助運(yùn)輸，且履帶式機(jī)構(gòu)較大，過于笨重，搬運(yùn)十分不方便。履帶因其自身結(jié)構(gòu)的局限性導(dǎo)致在平地行駛時(shí)十分不便，無法實(shí)現(xiàn)平地的快速走動(dòng)。（3）日本W(wǎng)L-12機(jī)器人主動(dòng)型雙足機(jī)器人一般是指雙足機(jī)器人的各關(guān)節(jié)均有驅(qū)動(dòng)裝置，通過在線或者離線方式規(guī)劃出各關(guān)節(jié)期望角度軌跡，以實(shí)時(shí)控制的方法復(fù)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)軌跡。優(yōu)勢(shì)：自動(dòng)化程度高，行進(jìn)較穩(wěn)定，信息處理能力強(qiáng)，能在崎嶇的路面等復(fù)雜路況穩(wěn)定行進(jìn)。劣勢(shì)：成本非常高，不適合于家用，更適合于服務(wù)行業(yè)。圖1-9足式機(jī)器人及自由度分布綜上所述，現(xiàn)如今市面上現(xiàn)存的各類爬樓梯機(jī)器人存在多種弊端，十分不適合于對(duì)于貨物的運(yùn)輸，本文旨在設(shè)計(jì)一款幫助老年人、殘疾人及搬運(yùn)工減輕繁重勞動(dòng)力的工具。1.4研究思路和方法研究思路：為了彌補(bǔ)現(xiàn)有爬樓梯運(yùn)輸車需要人工輔助運(yùn)作的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)研發(fā)了了一種帶有自動(dòng)攀爬功能的爬樓梯運(yùn)輸車。本設(shè)計(jì)的核心主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，并能大規(guī)模制造；設(shè)計(jì)過程的計(jì)算盡可能精確，此機(jī)器運(yùn)用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程力學(xué)等專業(yè)知識(shí)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)爬樓梯機(jī)器人運(yùn)輸過程的高效運(yùn)行。研究方法：首先需要了解新型爬樓梯運(yùn)輸車的各項(xiàng)功能，在其基礎(chǔ)上，確定爬樓梯運(yùn)輸車的行進(jìn)機(jī)構(gòu)、升降驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)軌裝置、上車體、下車體，步進(jìn)爬樓裝置，可拆卸把手的等裝置具體位置。在合理組成新型爬樓梯運(yùn)輸車后，進(jìn)行分析計(jì)算，確定主要零部件的具體尺寸并校核。

2爬樓梯運(yùn)輸車的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能需求，具有兩種工作模式：第一種工作模式為傳統(tǒng)作業(yè)模式，在放入貨物前將可拆卸拉手、可拆卸擋板裝配在整機(jī)上，然后把貨物放入擋板上，通過調(diào)節(jié)旋鈕自由調(diào)節(jié)拉桿長(zhǎng)度，使運(yùn)輸車為最佳勞作狀態(tài)，勞動(dòng)者更加舒適的完成貨物的運(yùn)輸。此模式在鋰電池電量不足時(shí)也可應(yīng)用，減少電能的損耗。第二種模式為自動(dòng)行進(jìn)運(yùn)輸模式，需要拆卸擋板、拉手，并安裝可拆卸自動(dòng)行進(jìn)裝置，該可拆卸自動(dòng)行進(jìn)裝置通過兩類方向的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)步進(jìn)移動(dòng)，在上下樓時(shí)，首先車體一側(cè)垂直導(dǎo)軌運(yùn)作將前肢座準(zhǔn)確放入第一級(jí)臺(tái)階，然后垂直導(dǎo)軌進(jìn)行移動(dòng)將貨物及前小輪平穩(wěn)移到車身另一側(cè)，待移動(dòng)結(jié)束后，將后支腿和前小輪放入中間臺(tái)階，下車體繼而移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置的整體位移。本次爬樓梯運(yùn)輸車設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循以下幾點(diǎn)要求：（1）樓梯內(nèi)行進(jìn)具有一定的危險(xiǎn)性，移動(dòng)一定要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)移動(dòng)，（2）機(jī)身裝配零件過多，裝卸位置及其裝配零件一定要合理，不能產(chǎn)生松動(dòng)或者掉落。（3）查閱相關(guān)文獻(xiàn)和規(guī)范，確保邁進(jìn)的距離及整體的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。（4）機(jī)器人主要用于運(yùn)輸貨物，要求具有較高的工作效率。2.2載貨爬樓車各部分的方案對(duì)比本設(shè)計(jì)的載貨爬樓車主要結(jié)構(gòu)組成主要有動(dòng)力部分、傳動(dòng)部件及工作機(jī)部件三大類，下面分別對(duì)各部分的方案進(jìn)行類比及分析。動(dòng)力部分本設(shè)計(jì)的爬樓車緊湊并且使用時(shí)取電不便，負(fù)載的功率一般，工作時(shí)間短，因此選用直流電動(dòng)機(jī)來作為動(dòng)力源。（2）傳動(dòng)部分本設(shè)計(jì)的爬樓車由于載荷輸出軸轉(zhuǎn)速較慢，因此采用齒輪以及蝸輪蝸桿式二級(jí)減速箱來作為減速裝置。（3）工作機(jī)部分爬樓車的工作部分為支臂或者機(jī)輪。支臂的方式用于爬樓臂非常方便，即通過支臂的旋轉(zhuǎn)，完成爬樓車沿樓梯向上的移動(dòng)動(dòng)作。支撐機(jī)械腿部分要實(shí)現(xiàn)升降與移動(dòng)，且結(jié)構(gòu)緊湊，因此（4）控制器部分本設(shè)計(jì)選用PLC作為控制系統(tǒng)，以方便及時(shí)編程，修改不同參數(shù)，以適應(yīng)不同樓梯的高度。2.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考常見的載貨爬樓車尺寸及工作原理，本設(shè)計(jì)對(duì)載貨爬樓車的設(shè)計(jì)參數(shù)作如下規(guī)定：承載能力最高達(dá)到70KG。可爬樓高度可達(dá)130mm-200mm,樓梯寬度為100mm-200mm最大爬行坡度為40°爬樓時(shí)的速度為26r/min，速度可調(diào)，電源要求直流24v。載貨爬樓車總重量不超過20kg本設(shè)計(jì)載貨爬樓車的的方案圖如下圖所示。支撐車輪2.爬樓支臂3.電池組4.控制柜5.把手6.機(jī)架7.支臂輪8.電動(dòng)機(jī)9.減速機(jī)10.機(jī)械腿圖2.1自動(dòng)爬樓車的設(shè)計(jì)方案圖

3爬樓車攀爬裝置的設(shè)計(jì)3.1爬樓車的負(fù)載估計(jì)由設(shè)計(jì)要求可知，爬樓車的承載能力最大70kg，最大爬樓高度為200mm，爬樓車自重按20kg設(shè)計(jì)，爬樓的速度為26r/min。爬樓車轉(zhuǎn)動(dòng)1/4轉(zhuǎn)，爬上一個(gè)臺(tái)階，所需的時(shí)間為：則爬樓車的最大設(shè)計(jì)功率為：3.2爬樓車電機(jī)及減速機(jī)的選型按以上計(jì)算數(shù)據(jù)，按電源為直流24V選擇型號(hào)為DM110RB的直流蝸輪減速電機(jī)，速比選50比1，輸出轉(zhuǎn)速為36轉(zhuǎn)，實(shí)際轉(zhuǎn)速用調(diào)速器調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的最大功率為400V，最大轉(zhuǎn)速1800r/min。其實(shí)物圖如下圖所示。圖3.1爬樓車電機(jī)及減速電機(jī)實(shí)物圖3.3爬樓車軸系的設(shè)計(jì)較核3.3.1爬樓車軸系布局設(shè)計(jì)分析可知，爬樓車爬樓支臂軸由減速機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)，兩側(cè)安裝軸承以及支臂。在本設(shè)計(jì)中選用的減速機(jī)沿軸線方向的寬度為75mm。爬樓車設(shè)計(jì)的總寬度按實(shí)際使用場(chǎng)合取為500mm，兩個(gè)支臂之間的間距取為400mm，兩處支承的長(zhǎng)度取為300mm,則軸系的布局圖如下圖所示。圖3.2爬樓車主軸布局方案圖3.3.2軸上的轉(zhuǎn)矩的確定由此前的計(jì)算可知軸上的功率及轉(zhuǎn)速分別為：則軸上傳遞的扭矩為：3.3.2軸最小直徑的確定首先進(jìn)行材料選擇，分析可知，軸的材料大多為碳鋼及合金鋼，由于在本次設(shè)計(jì)中，載荷不高，因此軸的材料可選用45號(hào)鋼，其最大許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為45Mpa[11]。下面按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑：其中為抗彎截面系數(shù)，為圓截面的實(shí)際應(yīng)力值，而為圓截面軸的許用應(yīng)力值，P為功率單位為Kw，d為圓截面的直徑，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。則可得軸段的最小外徑為：綜合考慮到軸的取最小直徑為取為25mm。3.3.3軸段參數(shù)的確定下面對(duì)各段的長(zhǎng)度及直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。A段及G段為軸最小直徑段，用以安裝爬樓支臂，其直徑為25mm，長(zhǎng)度取為10mm。B及E段為過度段，其直徑略大于A及G段，取為28mm，長(zhǎng)度取為20mm。C及E段為軸承及軸套安裝段，其直徑按軸承標(biāo)準(zhǔn)尺寸選為30mm，對(duì)應(yīng)的軸承代號(hào)為6206，類型為深溝球軸承，其寬度取為16mm，其定位軸肩為36mm。H及I段為軸肩定位段，其直徑為36mm，長(zhǎng)度取為10mm。D段為減速器安裝段，其直徑大于H及I段，取為38mm，長(zhǎng)度取為75mm。3.3.4主軸的受分分析取最大載荷時(shí)的工況作為設(shè)計(jì)依據(jù)。分析可知，主軸兩端受重力及扭轉(zhuǎn)作用，軸承位置受支承作用，還受到兩軸承的支承力，減速器段僅受扭轉(zhuǎn)，如下圖所示。圖3.3.主軸的受力分析圖下面對(duì)主軸進(jìn)行受力分析。由此前的設(shè)定條件可知，上圖中有：3.4主軸的彎矩及扭矩計(jì)算由幾何關(guān)系可知：A及D處的彎矩為0，B及C處的彎矩最大為：按所得結(jié)果作出彎矩合成較，如下圖所示。圖3.4主軸的彎矩圖由此前的計(jì)算可知，軸上傳遞的扭矩為：作出扭矩圖可得：圖3.5主軸的扭矩圖3.5主軸的強(qiáng)度較核由此前的計(jì)算可知，危險(xiǎn)截面位于齒輪作用段的截面處。因此在此處進(jìn)行強(qiáng)度較核，按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算應(yīng)力為：其中為扭矩折合系數(shù)，此處齒輪單向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，因此可取為0.6。W為軸的抗彎截面系數(shù)，軸為圓形截面。為45鋼，調(diào)質(zhì)處理后的許用彎曲應(yīng)力。計(jì)算可得，軸的強(qiáng)度滿足要求。4爬樓車機(jī)械腿支撐裝置的設(shè)計(jì)4.1支撐腿的負(fù)載估計(jì)由設(shè)計(jì)要求可知，支撐腿需完成爬樓車的支撐。為了設(shè)計(jì)方便，本設(shè)計(jì)選用模塊化的螺旋傳動(dòng)裝置，即電機(jī)經(jīng)減速機(jī)后，驅(qū)動(dòng)螺旋副實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)。在設(shè)計(jì)時(shí)以支撐腿上升時(shí)的負(fù)載作為設(shè)計(jì)依據(jù)。爬樓車的承載能力最大70kg，最大爬樓高度為200mm，爬樓車自重按20kg設(shè)計(jì)爬上一個(gè)臺(tái)階，所需的時(shí)間0.58s。支撐腿的平均升降速度為：?jiǎn)蝹€(gè)支撐腿的負(fù)載為：則單個(gè)支撐腿的最大設(shè)計(jì)功率為：4.2爬樓車電機(jī)及減速機(jī)的選型為采購(gòu)及維護(hù)方便，支撐腿選擇與攀爬臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相同的電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)，即，型號(hào)匯川伺服電機(jī)MS1H1-10B30CB-A332Z，額定轉(zhuǎn)速為3000r/jin轉(zhuǎn)，實(shí)際轉(zhuǎn)速用調(diào)速器調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。4.3爬樓車機(jī)械腿螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)初選螺旋副的螺距為P=7mm，則可得絲杠副的轉(zhuǎn)速為：于是步進(jìn)電機(jī)與絲杠之間無需通過行星齒輪減速機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由之前的分析可知，螺桿的長(zhǎng)度大于行程與滑塊的長(zhǎng)度之后，綜合考慮后取為200mm。下面將按受力條件，來設(shè)計(jì)螺桿與螺母參數(shù)。（1）材料選擇螺桿材料選擇45號(hào)鋼，其抗拉強(qiáng)度，。螺母材料選擇鋁青銅ZCuAl10Fe3。（2）螺桿中徑尺寸計(jì)算本設(shè)計(jì)的螺旋連接部分采用梯形螺紋，按耐磨性公式，結(jié)合系數(shù)滿足消去H，且對(duì)梯形螺紋的設(shè)計(jì)，有h=0.5p，聯(lián)立以上各式得：在上式中：——螺桿螺紋中徑，mm；F為螺桿所受軸向力，即起重量，；根據(jù)螺母結(jié)構(gòu)選定，對(duì)于整體式螺母取=1.2~2.5，此處取=1.6；滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓強(qiáng)，當(dāng)螺桿和螺母副材料是鋼且低速滑動(dòng)時(shí)，許用壓強(qiáng)=18~25，此處取=22。（3）螺桿螺母副其他尺寸的設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)方便，按此前計(jì)算耐磨性要求，初選公稱直徑d=24mm，以及相應(yīng)的螺距P=7mm。則螺紋牙的工作高度h=0.5P=3.5mm，此時(shí)螺桿中徑為22.5mm，小徑為20.5mm。螺母與螺桿的傳動(dòng)，依靠螺旋面的相對(duì)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)螺母螺桿在大徑及小徑處存在間隙。于是螺母副的小徑取為21mm，中徑與螺桿相等，大徑取為24.5mm。（4）螺桿強(qiáng)度的校核分析可知，螺桿斷面承受軸向力F和轉(zhuǎn)矩T的作用，其中F=980N，轉(zhuǎn)矩滿足以下公式：其中為螺紋升角設(shè)當(dāng)量摩擦角，為螺紋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)。查手冊(cè)可知鋼與青銅間當(dāng)量摩擦系數(shù)界限為0.08~0.10，此處取=0.09。將與代入轉(zhuǎn)矩公式得：根據(jù)第四強(qiáng)度理論，螺桿危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度條件為：式中——螺桿許用應(yīng)力。鋼材許用應(yīng)力，此處取。其中屈服極限可由得45號(hào)鋼=355MPa，則118.3MPa。由已有數(shù)據(jù)得：其中d1為螺桿小桿可得螺桿強(qiáng)度合格。（5）螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算螺母螺紋牙根部的剪切強(qiáng)度為：螺紋牙根部的彎曲強(qiáng)度為：式中d——螺母螺紋大徑單位為mm，h為螺紋牙工作高度單位為mm；b為螺紋牙根部厚對(duì)梯形螺紋，其值為，、——許用切應(yīng)力，對(duì)于青銅材料，其許用應(yīng)力范圍為=40~60，=30~40，z——螺紋牙的圈數(shù)，螺母塊的螺牙長(zhǎng)度取為40mm，則按行程與螺距關(guān)系，z約取為25；綜合以上論述，可得螺紋牙強(qiáng)度合格。（6）螺紋副自鎖條件校核對(duì)于有自鎖要求的螺旋，要滿足條件。在螺桿強(qiáng)度校核過程中，已得：因此螺紋副自鎖條件合格。（7）螺桿的壓桿穩(wěn)定性計(jì)算螺桿傳動(dòng)的臨界載荷計(jì)算公式為：其中E為螺桿材料的拉壓彈性模量，單位Mpa，E=2.06×105MpaI為螺桿危險(xiǎn)截面的慣性矩：μ為螺桿長(zhǎng)度系數(shù)，本設(shè)計(jì)的螺桿兩端固定，取為0.5。l為螺桿長(zhǎng)度，本設(shè)計(jì)中取為680mm。則可得螺桿的臨界壓力為：于是可得，螺桿的穩(wěn)定性滿足要求。5.爬樓車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1控制系統(tǒng)的工作過程及原理分析分析可知，載貨爬樓車的控制系統(tǒng)主要完成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、及速度調(diào)節(jié)，此外當(dāng)裝置在拖行時(shí)，需要保持爬樓支臂吸附在底架，不與地面接觸。裝置的工作過程如下：（1）上樓時(shí)需要控制分別控制攀爬臂電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，2個(gè)輸出端子。（2）在平地拖行時(shí)，需要保持爬樓支臂吸附在底架，不與地面接觸，此動(dòng)作通過電磁鐵來實(shí)現(xiàn)，通電時(shí)，電磁鐵有磁性，將支臂吸住，使其與底架貼合，而上下樓時(shí)，此電磁鐵斷電，不吸合。平地與爬樓的選擇，需要2個(gè)輸入端子，電磁鐵的通斷電，需要1個(gè)輸出端子。（3）支撐機(jī)械腿支撐時(shí)需要分別控制8個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，且行程開始與結(jié)束的位置處各需要1個(gè)行程開關(guān)。需要16個(gè)輸入端子，16個(gè)輸出端子。（4）系統(tǒng)需要啟動(dòng)與停止按鈕兩個(gè)按鈕，2個(gè)輸入端子。對(duì)以上需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得需要共20個(gè)輸入端子，19個(gè)輸出端子。可因此綜合考慮后控制器采用西門子品牌的S7-200系列PLC，CPU型號(hào)選為226，此PLC有22個(gè)輸入端子，24個(gè)輸出端子，滿足使用要求。5.2爬樓車控制系統(tǒng)的I/O分析由以上分析可知，控制系統(tǒng)的I/O分配表如下。表4.1PLC端子I/O分配表序號(hào)PLC端子電氣符號(hào)功能1I0.0SB1上樓按鈕2I0.1SB2平地按鈕3I0.2SB3啟動(dòng)按鈕4I0.3SB4左前支撐腿上升按鈕5I0.4SB5左前支撐腿下降按鈕6I0.5SB6左后支撐腿下降按鈕7I0.6SB7左后支撐腿上升按鈕8I0.7SB8左前支撐腿上升按鈕9I1.0SB9左前支撐腿下降按鈕10I1.1SB10左后支撐腿下降按鈕11I1.2SB11停止按鈕12Q0.0KM0攀爬臂電機(jī)正轉(zhuǎn)13Q0.1KM1攀爬臂電機(jī)反轉(zhuǎn)14Q0.2KM2攀爬臂平行吸合5.3控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)按以上需求及端子分配，可得其控制系統(tǒng)的硬件電路圖如下圖所示。圖5.1控制系統(tǒng)硬件電路圖總結(jié)本次設(shè)計(jì)的最終完成，使自己有了以下幾點(diǎn)總結(jié)：對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了進(jìn)一步的總結(jié)學(xué)習(xí)，對(duì)自動(dòng)機(jī)器人的基本原理進(jìn)一步的了解；CAD軟件繪制和SW三維軟件的建模等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用更加熟練；對(duì)論文的撰寫，查重以及審核過程有了一定的了解。這次設(shè)計(jì)不僅提高了我的專業(yè)水平，也培養(yǎng)了自己的科研能力，對(duì)難點(diǎn)問題的解決能力，并懂得了相互合作的重要性。由于時(shí)間緊張，在設(shè)計(jì)中存在各個(gè)方面的不足，需要反復(fù)的審查和修