新型老人助力爬楼装置设计-电动爬楼梯轮椅含9张CAD图
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任 务 书一、设计题目新型老人助力爬楼装置设计二、主要任务及要求1)主要任务: 新型老人助力爬楼装置设计 2)根据主要任务,通过比较、分析,确定最终方案,针对解决方案进行设计计算,完成机械结构(制造工艺)和控制系统的设计过程。3)说明书中要求进行分析、评价方案对社会、健康、安全、法律和文化的影响,以及这些制约因素对项目实施的影响,并理解应承担的责任。4)能够体现机械、电气、信息等多学科背景,体现团队的有效沟通、合作共事及个体的作用。5)图纸规范、准确。三、上交材料(1) 系统方案图及相关图纸(折合1.5张A0图纸); (2) 课程设计说明书(包含方案设计、主要部件的设计计算、根据任务要求进行的方案相关分析等内容,8000字左右) 四、指导教师评语项目优秀良好中等及格不及格满分得分设计解决方案方案合理新颖,计算准确,图纸表达规范方案合理,计算比较准确,图纸比较规范方案一般,计算基本准确,图纸基本规范方案基本合理,计算有小部分错误,图纸欠规范方案不合理,计算错误较多,图纸不规范40工程与社会方案与社会相互影响的分析、评价合理,内容全面、准确方案与社会相互影响的分析、评价比较合理,内容全面,基本准确方案与社会相互影响的分析、评价基本合理,内容一般,准确性一般方案与社会相互影响的分析、评价一般,内容一般,有小错误方案与社会相互影响的分析、评价缺失或不合理,内容不全20个人和团队多学科背景下团队的有效沟通、合作共事及个体的作用体现明显多学科背景下团队的有效沟通、合作共事及个体的作用体现比较明显多学科背景下团队的有效沟通、合作共事及个体的作用体现中等多学科背景下团队的有效沟通、合作共事及个体的作用体现一般多学科背景下团队的有效沟通、合作共事及个体的作用体现较差10答辩自述及回答问题准确流利自述及回答问题比较准确自述及回答问题基本准确自述及回答问题欠准确自述及回答错误30总分100综合评定成绩: 优秀 良好 中等 及格 不及格指导教师: 日 期: 摘 要当前中国社会人口老龄化的问题越来越突出。本文主要考虑到老年人人群以及残疾人人群行动不便,还有部分老式楼房没有电梯的特点,设计具有爬楼梯功能的电动轮椅,从而提高他们的生活质量。本次设计主要针对电动爬楼梯轮椅进行设计。首先,通过对电动爬楼梯轮椅的结构及运动原理进行分析,并在此基础上提出总体设计方案,本设计决定采用星轮式的爬楼轮椅。其次是对轮椅主要结构参数进行设计计算以及对各主要零部件进行设计及校核,主要包括对轮椅座椅骨架的设计,座椅调平机构的设计以及轮椅传动机构的设计。最后,通过制图软件绘制电动爬楼梯轮椅的装配图及主要部件零件图。本电动爬楼梯轮椅在普通轮椅的基础上安装了星轮式爬楼装置、座椅调平机构、电机及其相关控制系统。这样可以方便使用人群,减少他们出行的困难,提高他们的生活质量。 在中国国民经济发展中,电动爬楼梯轮椅的需求逐年增加,市场潜力巨大,电动爬楼轮椅行业发展机遇广阔,生产前景良好。关键词:行星轮 座椅调平机构 控制系统 轮椅AbstractThe current problem of aging population in China is becoming more and more prominent. This article mainly takes into account the elderly people and the disabled population mobility, there are some old buildings without the characteristics of the elevator, designed to climb the stairs function of electric wheelchairs, thereby enhancing their quality of life.This design is mainly for electric climbing stairs wheelchair design. First of all, through the analysis of the structure and movement principle of the electric climbing staircase wheelchair, and on this basis, put forward the overall design plan, the design decided to use the wheel-type climbing wheelchair. Followed by the design and calculation of the main structural parameters of the wheelchair and the design and verification of the major components, including the design of the wheelchair seat frame, seat leveling mechanism design and wheelchair transmission mechanism design. Finally, through the mapping software to draw electric climbing wheelchair assembly diagram and the main parts of the assembly map.The electric climbing staircase wheelchair in the ordinary wheelchair on the basis of the installation of a star-type climbing equipment, seat leveling mechanism, motor and its related control system. This makes it easy to use the crowd, reduce the difficulty of their travel, and improve their quality of life.In Chinas national economic development, the demand for electric climbing stair wheelchair increased year by year, the market has great potential, electric climbing wheelchair industry development opportunities are vast, the production prospects are good.Keywords: planet wheel seat leveling mechanism control system wheelchair目 录摘要Abstract1 绪论12 机械结构总体方案设计22.1 爬楼机构的选择22.2 爬楼轮椅总体结构概述32.3 轮椅座椅骨架设计42.3.1.座椅宽度52.3.2.座椅深度52.3.3.座椅靠背的高和宽52.3.4.座椅靠背倾角52.3.5.扶手尺寸52.3.6.脚踏板高度52.4 星轮爬升机构设计62.5 座椅调平机构的设计93 电气系统总体方案设计123.1 电机的选择123.2 蓄电池选择163.3 控制系统设计173.3.1 电机驱动原理173.3.2 电机调速原理183.3.3 PLC控制系统193.3.4 PLC相关参数214.传动部件的设计234.1 传动系统动力参数计算234.2 齿轮传动的设计244.3传动轴的设计284.3.1 输出轴的设计284.3.2 车轮轴的设计31参考文献36 1 绪论随着社会发展和人类文明的进步,特别是城市快速扩张和建设,人口老龄化问题日益严重,残疾人人数不断增加,对辅助步行工具的需求也日益增加。而目前我国高层建筑云集,天桥越来越多,公园的台阶,没有电梯的小区楼房台阶,这些都困扰着轮椅使用者。轮椅作为残疾人人群唯一的出行工具,却受到越来越多的限制,对于这些台阶及障碍,此时传统的轮椅已经无法满足大多数人的需求。而随着科学技术的发展,我们应改进轮椅,使其功能更加完善,以此来适应现代社会环境。 近年来,国内外许多大学,公司和研究机构对爬楼装置进行了深入研究,提出了各种产品或解决方案。一般来说,根据不同的爬楼机构,可分为以下几种机构:一种是采用星轮式爬楼机构,星轮不仅围绕着自己的轴线旋转,而且还共同围绕一根旋转轴旋转;一种是履带式爬楼机构;还有腿足式爬楼机构和复合式爬楼机构。现在,中国轮椅行业发展缓慢,在国内可以爬楼梯的多功能轮椅,还没有成熟的产品。但随着社会生产力的发展,人民生活水平的提高,考虑到老年人和残疾人的出行便利需求,研制具有爬楼梯功能的轮椅将具有重大的现实意义。2 机械结构总体方案设计2.1 爬楼机构的选择作为爬楼梯电动轮椅,其驱动机构主要由两部分组成,其中一部分是爬楼梯机构,另一部分是平地行驶机构。本课题设计工作的重点在于爬楼机构的设计,平地行驶机构的设计以及如何将爬楼梯功能与普通电动轮椅的功能相结合。通过对国内外爬楼梯装置的分析研究,大致将爬升机构分为星轮式、履带式、腿足式及复合式。通过比较它们的优缺点,得出下表2.1。表2.1 典型爬升机构性能对照表爬升机构星轮式履带式腿足式台阶适应能力一般强强稳定性一般强差控制难易度简单一般困难机构复杂程度简单一般复杂行走阻力小大大对台阶有无损伤无有无噪音小大小灵活程度较好一般好价格低中高通过对比以上各种爬升机构的优缺点,考虑到控制的难易程度、使用的安全性、运动的灵活性等,最终确定采用星轮机构作为爬升机构。该爬楼机构的主要优点有:(1)平稳的行驶能力。轮椅在地面行驶时,由于其结构的特点,任何时候都有六个小轮与地面接触,利用星轮的定轴轮系来传递动力,使小轮快速地向前或向后。当面临障碍物时,车轮变成行星轮系进行翻转向前推进。(2)可靠的爬楼梯能力。当轮椅上下楼梯时,电机控制三个星轮绕中心轴旋转,同时行星齿轮减速器和蜗轮蜗杆式大减速比装置形成自锁功能,使控制动作得到准确保证。这一特点对于控制轮椅爬楼梯特别重要。(3)控制方式易于实现。任意时刻轮椅左侧和右侧轮组的轮子速度相同,从而可以精确控制轮椅的运动。(4)通过电机的调速控制器来实现轮椅的转弯,向前或向后直线前进,爬坡,爬楼等功能。转弯中所需的半径即为车身宽度。2.2 爬楼轮椅总体结构概述该轮椅的总体结构如图2.1所示,我在其上做了改进。本课题电动爬楼轮椅主要由爬楼机构(星轮式机构)、轮椅框架、座椅、传动机构、座椅调平机构以及转向机构组成。图2.1 星轮式爬楼轮椅结构简图(1)爬楼机构:本轮椅采用一组星轮式爬楼机构,行星轮左右分别对称安装,通过行星轮的公转和自转实现平地行驶与爬楼功能的转换。(2)轮椅框架:轮椅框架是整个轮椅的基础,应结合轮椅整体布局的要求进行设计,同时轮椅框架还应具有足够的强度和刚度,确保轮椅在各种复杂路况下安全行驶。轮椅框架的质量应尽可能小,尽量降低轮椅总体的重心,这样可以使轮椅行驶起来更稳定。(3)座椅:轮椅座椅应该使乘坐者感觉舒适,所以这个设计应该充分考虑到用户的具体身体状况。(4)传动机构:采用电机接齿轮的传动方式,使电机的传动力可以有效地传递到驱动轮椅运动的行星轮机构上,从而驱动轮椅前进。(5)座椅调平机构:设计一个滚道滑座调平机构。主要由圆弧形轨道和滚轴组成。滑轨通过焊接固定在轮椅底座上,滚轴与轮椅座椅底部的托架采用螺纹连接。其轴端装有滚动轴承,使其可以在滑轨中滑动以实现座椅的调平。(6)转向机构:鉴于车轮数量的设计较多,如果直接使用前轮和后轮都是行星轮的形式,那么就有8个轮子与地面接触,那就必须同时转动8个轮子才能转向,所需的转向力就会很大,导致转向困难,同时其行走阻力也很大。为了解决这一困难,我把轮椅前边的行星轮改成了2个转向轮,这样一来就同时有6个轮子着地,减小了转向力及行走阻力。2.3 轮椅座椅骨架设计 电动轮椅主体骨架包括电动轮椅主体和支撑结构,承载着轮椅重量和乘坐者的重量,电动轮椅所有部件必须安装在轮椅主体骨架上。轮椅座椅的设计应考虑到电机及传动机构的布置,为传动机构留出足够的空间,使轮椅的重心合理分布。轮椅座椅尺寸要符合人体坐姿尺寸,让乘坐者感到舒适,具体人体坐姿尺寸见下表。表2.2 坐姿人体尺寸测量项目男(1860岁)女(1855岁)坐高/mm858908947958809855891901坐姿肘高/mm228263291298215251277284坐姿大腿厚/mm112130146151113130146151坐姿膝高/mm456493523532424458485493小腿加足高长/mm383413439448342382399405坐深/mm4214574864944014084614691.座椅宽度座椅宽度是指座椅左右之间的距离。设计时要注意座椅的宽度需比人体坐姿时的臀部宽度大,这样可以使乘坐者自由地调整坐姿。所以根据表2.2最终确定座椅宽度为420mm。2.座椅深度座椅深度是指座椅前后之间的距离。人体臀围到大腿全长的3/4大概就是这个深度的大小。综合上表最后确定为450mm。3.座椅靠背的高和宽座椅靠背的高度应该接近于人体坐姿的高度。靠背的宽度应该约等于人体肩宽的大小。经查阅资料,最终取靠背高度为700mm,靠背宽度为420mm。4.座椅靠背倾角此倾角是指座椅靠背和水平面之间所夹的角度。靠背保持一定的倾斜角度可使乘坐者的脊椎时刻处于放松状态,该角度一般为95120。所以最终取100。5.扶手尺寸座椅扶手主要考虑到两个尺寸,即扶手的高度以及左右扶手的间距。考虑到人体两肘之间的宽度以及肘部平放时的高度,参照上表2.2,最后确定扶手的高度取为210mm,左右扶手间的间距取为420mm。6.脚踏板高度脚踏板的高度即指其与座椅之间的距离。其位置最好是能使其与大腿保持大于90的夹角,并且尽量使人体小腿平行于上身。这样可使腿部时刻处于放松状态以及保证腿脚有足够的活动空间。所以参照表2.2最后确定为420mm。2.4 星轮爬升机构设计轮椅的爬楼机构选用星轮轮组结构。星轮轮组结构中小轮数量越少,结构就越简单,但是驱动轮组翻越障碍所需的转矩也越大,在行驶过程中轮椅重心波动的问题也越大,稳定性也就越差。但随着小轮数量的增加,整个轮组的结构又将变得复杂。因此,经过研究分析,最终确定该轮椅的前轮即导向轮采用一个小轮来形成一个轮组机构,后轮一个轮组机构由三个小轮组成。图2.2 三星轮机构简图我国建筑楼梯模数协调标准规定:室内楼梯踏步高度不宜大于,并不宜小于;楼梯踏步宽度不宜大于,并不宜小于,计算楼梯的台阶角度在之间,我们一般取来计算;楼梯踏步高与宽的关系要满足:。轮椅要适应规定的尺寸范围,才能够顺利的上下楼梯,即强调轮椅的适应能力。轮椅车轮应能在最小宽度的台阶上稳定的支撑轮椅,并能做一定距离的滚动。根据这个条件,星轮直径,所以综合以上因素选择星轮直径为。在楼梯踏步尺寸最小的情况下,轮椅车攀爬楼梯的难度最大,所以对车轮直径可行性的验证以及两轮中心距的确定均在踏步宽度为,踏步高度为的台阶上进行。星轮机构爬楼状态,如图2.3所示。其中,为星轮架臂长,为星轮半径,为星轮架臂宽,为星轮中心距,为星轮中心与楼梯边缘的距离。(a) 星轮组爬楼示意(b)星轮示意(c)星轮架示意图2.3 星轮机构爬楼梯示意简图根据图2.3,可以得出以下式子: (21) (22)取,又由已知条件可知,得到: 同理取时,同上可得: 所以最终在这个范围中取星轮架臂长。当轮组结构中两个星轮相切时,此时星轮半径为最大,其最大值的计算公式为: (23)代入,得出,所以确定是合理的。当星轮半径以及星轮架臂长取一定值时,根据图2.3可推导出: (24)代入相关数值解得,即星轮架臂宽。结合以上公式(21)、(22)、(23)、(24)的计算结果,最终确定星轮的主要参数为:2.5 座椅调平机构的设计爬楼轮椅在爬楼梯时,由于重心波动导致轮椅座椅是倾斜的,而这则会使乘坐者感到不舒服。所以为了消除这个弊端,我查阅了相关文献,最终设计了一种滑轨式的座椅调平机构。其中主要由圆弧形轨道和滚轴组成,其中圆弧形轨道的弧度取120,轨道焊接在轮椅底部的支架上(位置关系如图2.4所示)。图2.4 滑轨与轮椅座椅位置关系 。在其轴端装有滚动轴承,使其可以在滑轨中滑动以实现座椅的调平,具体结构如图2.5所示。图2.5 滚道滑轨式座椅调平机构图轴承选用滚动轴承6204 GB/T 2761994,以下对滚轴轴端进行校核,主要是校核轴端的弯曲应力及切应力。因为45号钢的综合力学性能良好,所以该滚轴材料采用45号钢并进行调质处理,取该滚轴轴端直径,并对其进行校核。受力简图如下图2.6所示: 800N20cm20cmA B400N 400N图2.6 滚轴两轴端受力简图校核滚轴轴端的正应力强度,可得轴端最大弯矩值为:通过查阅相关资料得知圆形截面的弯曲截面系数公式为: (25)把以上相关数据代入式解得: 最大正应力的计算公式为: (26)把以上相关数据代入式解得:校核滚轴轴端的切应力强度,从图中可知: 通过查阅相关资料得知最大切应力公式为: (27)把以上相关数据代入式解得:综上所述,当滚轴轴端直径时,滚轴轴端的正应力和切应力强度均满足要求,所以是安全的。3 电气系统总体方案设计根据平地或爬楼等不同实际环境下的具体要求,参考国标 GB129961991电动轮椅车标准,确定控制系统的相关参数。国标标准中对电动轮椅车的主要技术性能规定如表所示。表3.1 电动轮椅国家标准项目内容性能指标室内型室外型速度(km/h)4.56.0爬坡能力88一次充电最大行程(km)1020 参考表3.1确定本轮椅的技术指标如下:平地时最大运行速度为,最大爬楼速度为每分钟个台阶。该电动轮椅携带蓄电池自主供电。3.1 电机的选择3.1.1 电机类型选择 考虑到电动轮椅的户外使用条件,我们需要选择永励直流电机。该电机根据有无机械换向装置可分为有刷直流电机和无刷直流电机。无刷直流电机具有以下优点:属于静态电机,电机空载时的电流小;(1) 利用电子换向来代替传统的机械换向,其性能优良、磨损较小、故障率低;(2)电机体积较小。(3) 电机传动效率相对较高;(4)但是虽然目前电动轮椅大部分都是采用无刷直流电机作为驱动电机,并且还有很多相应的控制器。但其还有如下缺点:低速启动时会有轻微的振动;(1)(2) 电机价格较高,相应的控制器结构复杂,成本也高;(3) 容易形成共振。变速相对平稳,几乎感觉不到振动;而相比于无刷直流电机,有刷直流电机则具有以下优点:升温慢,可靠性好;(1)价格比无刷直流电机便宜,控制器结构也简单。(2)(3)基于有刷直流电机的平稳可靠性以及低成本,本电动爬楼轮椅最终选用有刷直流电机。同时也要注意碳刷的保养,以及及时更换碳刷。3.1.2 电机功率计算爬楼梯电动轮椅的运动形式可分为平地行驶、爬坡运动和爬楼梯三种形式,根据不同的运动状况,采用理想状态下的假设情况来计算电机所需的功率。根据具体设计要求确定该轮椅的具体参数如下:轮椅总重量:60kg以下;轮椅承重量:80kg以下;平地行驶最大速度:最大爬坡角度:20;此时最大速度为:爬楼梯速度:1. 行走功率计算取平地运动时的滚动摩擦系数取0.03,重力加速度g取,则所需的电机功率为:2.爬坡功率计算 假设爬坡时的最大坡度为20,爬坡速度为0.3m/s,此时电机的功率为:3.爬楼功率计算 爬楼梯的动作实际上就是将整体质量往上一级台阶抬升的过程,轮椅在爬楼过程中需要克服车体和人的重力进行做功。经初步估计爬楼过程中重力作用线与驱动轴之间的垂直距离,所以计算所需克服的阻力矩为: 驱动轮的角速度为:爬楼速度最大为,从而确定驱动轴转速为:爬楼所需功率为:综上所述:三种运动形式中爬坡时的功率最大,为142.8W,所以所选电机的额定总功率应大于142.8W,所以我初步选用额定功率为144W的电机。3.1.3 电机相关参数经计算所需扭矩及功率等参数,又综合考虑质量价格等诸多因素,最终我选用兰州万里航空机电有限责任公司生产的轮椅车专用电机DGM4,具体相关参数见下图及下表。 图3.2 电机输出轴的接口尺寸表3.2 DGM4电机参数电机类型永磁直流电动机,直流24V离合器类型电磁离合器,直流24V额定电流6A空载电流最大3.3A最大输出功率65R/M时230W持续扭矩1.1Nm/A最大扭矩使用40A控制器时44Nm使用50A控制器时55Nm离合器制动扭矩输出轴,大于50Nm输出轴空载转速正常120RPM减速比i32.88绝缘等级F重量5.5kg电机壳体颜色黑色推荐轮子尺寸31.75cm (12.5)该电动机构由具有电磁离合器(制动)装置的永磁电动机和具有一级直齿和一级蜗轮蜗杆副传动的全封闭变速箱组成。蜗轮蜗杆副传动对于爬楼装置来说,可以实现自锁,这对爬楼这一动作提供了安全保障。通过计算平地行驶电机,爬楼翻转电机均可以是DG-M4。3.2 蓄电池选择 为满足爬楼电动轮椅的使用要求,本轮椅必须能实现自主供电,所以决定采用蓄电池作为轮椅供电电源。电池的种类根据使用次数不同大致上可以分为一次电池和二次电池。一次电池就是指只能使用一次而不可再补充能量的电池;而可以重复补充能量的电池就称为二次电池。由于爬楼电动轮椅的电池是需要重复使用的以及从环保的角度来想,所以本次设计决定采用二次电池即蓄电池。二次电池的种类也相当多,其中包括镍锡电池、镍氢电池、锂离子电池等等。考虑到电池的容量、电压的大小、使用寿命等因素,本次设计选用锂离子电池。经查阅相关资料,得知锂离子电池有以下优点:(1) 能量密度高,其体积能量密度和质量能量密度分别可达450W.h/和150W.h/kg,而且还在不断提高;(2) 平均输出电压高,为Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍;(3) 自放电量小,平均每月少于10,小于Ni-Cd,Ni-MH的一半;(4) 可以快速的充电和放电,充电容量高达额定容量的80;(5) 工作温度范围宽,-30+45,随着电解液和正负极的改善,有希望能扩展至,低温可扩展至;(6) 电池残留容量检测更方便;无需维护,使用寿命长,对环境污染较小。最终选择型号GXM3610B2的锂离子电池。其主要参数如表3.4所示。表3.4 锂电池主要参数额定电压电池容量最大放电电流工作温度24V20Ah1015A-20553.3 控制系统设计3.3.1 电机驱动原理 电机速度控制系统中常用的方法是速度负反馈法,这种控制方法可以得到良好的调节速度性能。在电机控制系统中,检测电机的转速通常使用速度传感器,但其成本相对较高。由于本控制系统的速度控制过程要求不高,所以可以使用电压负反馈法来估算电机的转速大小。电压负反馈法虽然可以较为精确的控制电机调速,但其控制系统的动态性能却不够理想。因此,为了得到良好的电机调速性能,通过查阅资料选取了5个N沟道MOSFET管搭建的H桥电路进行控制,其原理图如3.3所示,其中,V+、V-分别为电机两端电压。电机正常运转时,将V+、V-电压值送入单片机,计算后可得出电枢电压,即。然后通过计算电阻R两端的电压差即可计算出电机的转速大小。图3.3 调速系统原理图 从图中可以看出,当M1、M4、M5导通时,M3、M2关断,此时电机为正转即下楼过程;当M2、M3导通时,M1、M4、M5关断,此时电机反转即上楼过程。3.3.2 电机调速原理为了更好的控制电机转速,通过查阅资料我找到了由东莞市杰胜电机有限公司生产的直流调速器,主要通过改变输出占空比,从而改变电机转速。其相关产品信息及参数见下图。产品信息品名直流调速器型号JS30AB电压DC 12V50V最大电流30A功率支持01.5kW调速范围0100%尺寸3783110mm该直流调速器有以下注意事项:(1)直流调速板调速器输入为直流,不能直接连接交流电(如:家用电220V);(2)直流电源正负极不能接反,否则会损坏调速器;(3)电动机可以不分正负极,当行驶方向和期望不一致时,可以通过跳线顺序改变方向;(4)电位器调节旋钮可通过改变调速器输出占空比来改变电机的转速;根据直流电机转速方程:(5)该调速器只能用于直流有刷电机的速度控制,不适用于无刷直流电机的转速控制,也不能作为调压器或稳压器使用。 (31)可推导出有三种方法调节电动机的转速:(1) 调节电枢电压;(2) 改变励磁磁通量;(3) 改变电枢回路电阻。 对于需要在一定范围内无级调速的系统来说,最好是调整电压。改变电枢电阻只能是有级调速,而励磁磁通的调速范围不大。因此,直流调速系统的自动控制通常由电压调节为主。 直流调速器的控制原理是控制原理,是通过改变功率管的通断时间来改变电机的电枢电压,然后改变电枢上的占空比来实现电机转速调节。因此,该装置也称为“开关驱动装置”。的输出波形如图3.6所示,周期为,一个周期内的导通时间为,则加在电机两端的平均电压为: (32)其中,称为占空比,为电源电压。由式可知直流电机的转速与电机两端电压成正比,而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比,所以控制波形的占空比越大,电机转速越快。3.3.3 PLC控制系统1. 输入/输出分配表 表3.6 轮椅平地,爬楼行驶控制的PLC输入/输出分配情况输入输出输入继电器输入元件作用输出继电器输出元件作用X00平地启动按钮Y00平地行驶X01爬楼启动按钮Y01爬楼过程X02停止按钮2. 硬件接线图3.7 PLC的外部硬件接线图3. 梯形图图3.8 电动爬楼轮椅电机控制程序梯形图按下SB1时,输入继电器X00接通,平地行驶电机启动;按下SB2时,输入继电器X01接通,爬楼电机启动。当遇到平地行驶或爬楼情况时,只需启动对应的电机即可,两个电机不能同时工作,它们之间形成互锁关系。3.3.4 PLC相关参数通过查阅资料,我最终选取了深圳市智力机电设备有限公司生产的可编程控制器FBsPLC。该系列的PLC指令超过300种以上,并采用最人性化,可读性最高之多输入/多输出指令格式,一个指令即可达成大部分其它牌PLC数个指令才能做到的功能,使程式大为精简,同时运算结果可直接由内部或外部输出取得。所选择的PLC相关参数如下表及下图所示:表3.7 FBs10MAC的主要参数型号规格FBs10MAC6点24VDC数字输入(2点高速100KHz,2点中速20KHz,2点中速总和5KHz);4点继电器或晶体管输出(2点高速100KHz,2点中速20KHz);一个RS232或USB通讯端口(最大可扩至3个);I/O不可扩充。4 传动部件的设计 根据爬楼梯轮椅的要求,我们应该考虑到爬楼梯轮椅的功能、尺寸、重量、工作环境条件、成本、工作寿命和性价比等等。电动爬楼梯轮椅传动方式的选择理由如下:(1)充分考虑提高传动效率,降低能耗,齿轮传动方式可保证传动比的恒定;而且其工作寿命长,结构紧凑,传动效率高。(2)在爬楼过程中,传动要求严格,轮椅结构要求紧凑,爬楼速度要求较低,所以最终选择齿轮传动。本轮椅采用的是行星轮系的传动机构,该传动机构在前进过程中行驶电机1通过中心轴驱动中心轮带动行星轮转动从而驱动轮椅前进;通过翻转电机2带动行星架实现爬楼梯动作。其传动机构简图如图4.1所示。图4.1 行星轮系传动机构简图4.1 传动系统动力参数计算由表常用传动的单级传动比推荐值可得出:取该爬楼轮椅翻转机构的齿轮传动比类型平带传动V带传动圆柱齿轮传动圆锥齿轮传动蜗杆蜗轮传动链传动推荐值242436直齿23104025最大值5710直齿6807 表 常用机械传动的单级传动比推荐值1.各轴转速假设在爬楼过程中输出轴为轴,车轮轴为1轴。2. 各轴输入功率按电动机额定功率计算各轴输入功率,即 其中:为电机与输出轴间的传动效率 为圆柱齿轮的传动效率3.各轴转矩 为滚动轴承的传动效率4.2 齿轮传动的设计1.选择齿轮的材料,热处理方式及其精度等级(1)考虑到爬楼轮椅为一般工作机器,速度不高,故齿轮选用级精度 因为传递功率不大,转速不高,所以选用软齿面齿轮传动(3)小齿轮:号钢(调质),硬度为 大齿轮:号钢(正火),硬度为2. 按齿面接触疲劳强度初步计算齿轮齿数因为电动爬楼轮椅传动机构处于封闭状态且载荷冲击不大,所以传动齿轮选用闭式软齿面齿轮,故先按齿面接触疲劳强度进行设计,得出以下公式: (41) 式中各参数选择如下: (1) 试选载荷系数(2) 小齿轮的转矩(3) 按机械设计课本取齿宽系数(4) 传动比(5) 取,(7)许用接触应力计算式如下:(6) 对于标准齿轮取2.5,查阅课本得弹性影响系数 (42)由应力循环次数公式:通过查阅课本可知接触疲劳极限 (43)其中:j=1,为齿轮的工作寿命,取代入式得:查阅课本得接触疲劳寿命系数取安全系数把以上数据代入式则得:所以取根据以上,把数据代入式得:3. 确定传动尺寸(1) 计算圆周速度所以齿轮选用级精度合适(2) 计算载荷系数由课本可知载荷系数的计算公式如下: (44)其各系数如下:使用系数 动载系数 齿间载荷分配系数 齿间载荷分布系数把以上数据代入式得:由以下公式:(3) 对进行修正 (45)把数据代入式得:(4) 确定模数m根据国标取标准模数(5) 计算中心距(6)精算分度圆直径 (7)计算齿宽4. 校核齿根弯曲强度取根据以下公式: (46)式中各参数的计算如下:(1) 值同前查阅课本可知:齿形系数 应力校正系数把以上数据代入式得:(2)许用弯曲应力计算式如下: (47)通过查阅课本可知:弯曲疲劳极限 弯曲疲劳寿命系数 为应力修正系数,按国家标准取为2.0 安全系数把以上数据代入式(47)得:因为,所以满足齿根弯曲疲劳强度要求。 综上所述,根据GB/T 13572008选用M2.5Z20和M2.5Z60的标准齿轮作翻转机构传动齿轮。 由于行星轮系齿轮的传动比为1且其在传动机构中只起传递转矩的作用,所以在此不做设计,考虑到系杆箱空间,最终选用M239的标准齿轮。4.3 传动轴的设计4.3.1 输出轴的设计1.选择轴的材料,并查阅资料确定其相关的许用应力系数材料选用号钢,调质处理由机械设计课本可知: 2.计算轴的载荷主动轴传递的转矩为:作用在齿轮上的力有:圆周力径向力3.初步估算轴的最小直径轴向力经查阅机械设计书得出以下计算公式: (48)当选取轴的材料为45号钢时,所以把以上数据代入式(48)得:考虑到轴上开有键槽,轴径需要增大3%5%,所以取16mm4.轴的结构设计(2)根据轴向定位的要求,确定轴的各段直径和长度(1) 拟定轴上零件的装配方案,轴上的零件包括齿轮,轴承,套筒,端盖等齿轮段根据,轴段与轴段的长度由齿轮的齿宽决定,所以经查阅资料最终确定为,。端盖固定段 考虑到齿轮的装拆方便,取=17mm,为保证套筒紧靠齿轮左端使齿轮轴向固定,略小于齿轮宽度,所以取=17mm。套筒段套筒起隔离两个物体及定位的作用,考虑到齿轮及其它零件的装拆空间最终取其长度为以及。轴承段根据直齿轮无轴向力及,选用深沟球轴承6204 GB/T 2761994,所以取轴承段=20mm,=14.5mm。轴肩段 齿轮右端采用轴肩定位,所以取,。(3)轴上的齿轮与轴的径向固定采用平键连接,同时为了保证齿轮与轴肩有良好的对中性,采用的配合,滚动轴承与轴的配合为。(4)定位轴肩的圆角半径的值,以及轴端倒角取145。5. 轴承的支反力根据轴承支反力的作用点以及轴承和齿轮在轴上的位置建立力学模型其中经查阅资料取 水平面上的支反力: 垂直面上的支反力: 由于选用深沟球轴承,所以6. 主动轴上齿轮段处的弯矩水平面上的弯矩:垂直面上的弯矩:合成弯矩:7. 按弯扭合成强度计算来校核轴的强度当量弯矩计算公式为: (49)其中,把以上数据代入式(49)得:而且通过查阅机械设计课本得知:所以综上所述,此轴是安全的。4.3.2 车轮轴的设计1.选择轴的材料,并查阅资料确定其相关的许用应力系数材料选用号钢,调质处理由机械设计课本可知: 2. 计算轴的载荷从动轴所传递的最大扭矩为:作用在齿轮上的力为:圆周力 径向力3.初步估算轴的最小直径 轴向力当选取轴的材料为45号钢时,所以把以上数据代入式(48)得:考虑到轴上开有键槽,轴径需要增大,所以取16mm。4. 轴的结构设计(1) 轴上的零件装配方案,轴上零件包括齿轮、轴承,轴承端盖等。(2)根据要求确定轴的各段直径和长度。轴承段这段轴径由轴承的内圈孔来决定,选用深沟球轴承6204 GB/T 2761994,所以取。轴段长度。轴肩段齿轮右端用轴肩定位,按设计手册推荐轴肩比齿轮段直径大610mm,所以取轴肩段直径,取轴环宽度。齿轮段轴段的长度由齿轮的齿宽决定,所以经查阅资料最终确定为,。套筒段套筒起隔离两个物体及定位的作用,考虑到齿轮及其它零件的装拆空间最终取其长度为以及。轴承端盖段这一段起到轴向固定及支撑的作用,所以经查阅资料取,。车轮接触段 考虑到车轮的装拆空间及车轮轮毂孔径的大小,取,。(3)轴上的齿轮与轴的径向固定采用平键连接,同时为了保证齿轮与轴肩有良好的对中性,采用的配合,滚动轴承与轴的配合为,三星轮与轴的配合为。(4)定位轴肩的圆角半径R的值,以及轴端倒角取145。.轴承的支反力其中经查阅资料取水平面上的支反力: 垂直面上的支反力: 由于选用深沟球轴承,所以水平面上的弯矩:6. 从动轴上齿轮段处的弯矩垂直面上的弯矩:合成弯矩:7. 作用在轴上的载荷:8. 校核轴的强度负载作用在轴承处的弯矩:把以上数据代入式得:而且通过查阅机械设计课本得知:所以综上所述,此轴是安全的。参考文献1何清华,黄素平,黄志雄. 智能轮椅的研究现状和发展趋势J. 机器人技术 与应用,2003,(02):12-16.2赵树名,赵博. 爬楼梯智能轮椅P. 河北:CN201564701U,2010-09-01.3苏和平,王人成. 爬楼梯轮椅的研究进展J. 中国康复医学杂志,2005, (05):366-367+401.4房立新,鲁涛,原魁. 行星轮式爬楼梯电动轮椅P. 北京:CN102125488A, 2011-07-20.5陆丰勤. 多功能爬楼梯装置的研究及控制系统的设计D.南京理工大学, 2008.6孟祥雨. 一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计与研究D.长春工业大学,2012.7王丽娟. 行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯轮椅设计D.苏州大学,2010.8王昊阳. 电动爬楼梯轮椅平地运动控制器研究D.河北工业大学,2014.9郭化超. 电动爬楼梯轮椅优化设计与稳定性研究D.长春工业大学,2014.10项海筹,乌兰木奇,张济川. 手动爬楼梯轮椅J. 中国康复医学杂志,1994,(02):62-66.11李超,胡延平,韦端利. 一种轮组结构的爬楼梯轮椅的设计J. 现代机械, 2010,(06):42-44.12王中发. 实用机械设计M. 北京:北京理工大学出版社,1998.2.36
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