【文章內(nèi)容簡介】 功用。但是本設(shè)計是為實現(xiàn)手動、自動雙功效，那么就應(yīng)該考慮蝸輪蝸桿的分離，由于學(xué)習(xí)到的東西有限，所以考慮用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)蝸桿和電機浮動，浮動傳動機構(gòu)簡易圖見圖 22。由于市場上所銷售的蝸輪、蝸桿均是工業(yè)所用，所需功率較大，考慮到旗桿的外觀尺寸、升旗所用功率，所以需要自己從新設(shè)計蝸輪蝸桿。理論分析，升降旗機構(gòu)是由凸輪機構(gòu)帶動浮動蝸桿實現(xiàn)手動、自動的轉(zhuǎn)換，手動轉(zhuǎn)自動式凸輪能將蝸桿推起，實現(xiàn)蝸輪蝸桿的嚙合，但是自動轉(zhuǎn)手動時必須要有回位機構(gòu)，如果僅靠自重來完成會嚴重降低可靠性，因此內(nèi)部應(yīng)安裝拉力彈簧，實現(xiàn)手動升降的復(fù)位現(xiàn)實加工出來后是否能夠達到預(yù)期目的還是很難確定，因此說從理論分析是可以達到預(yù)期結(jié)果。圖 22 浮動傳動機構(gòu)簡易圖升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究9 控制系統(tǒng)控制部分是升旗系統(tǒng)中升降機構(gòu)的動力源，沒有這部分電機將無法運轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)也將無法實現(xiàn)自動升降。目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡，由于單片機的應(yīng)用范圍廣，且單片機的數(shù)據(jù)處理、過程控制功能強大，因此使用單片機開發(fā)并應(yīng)用成為本次設(shè)計的主要目標。在現(xiàn)有的實驗設(shè)施和代碼條件下，使用單片機設(shè)計一個能夠?qū)嵠鞄蒙?，采用小鍵盤輸入方式，輔以 LED 數(shù)碼管顯示，并由限位開關(guān)進行限位控制，驅(qū)動采用能夠精確定位的直流電機。 總體設(shè)計思路升旗自動控制系統(tǒng)的設(shè)計如圖 23，本系統(tǒng)利用單片機 PIC16F877 產(chǎn)生可調(diào)占空比的 PWM 脈沖信號，及電機方向信號和剎車信號 ；再通過隔離電路，把控制信號傳給驅(qū)動電路，通過驅(qū)動電路驅(qū)動電動機，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速及改變它的正方轉(zhuǎn)。圖 23 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖本自動控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)如下：外圍電路通過電位器產(chǎn)生 05V 的可調(diào)模擬信號，并把該信號傳給單片機的 AN0口，利用 PIC16F87 內(nèi)嵌的 A/D 轉(zhuǎn)換器，通過設(shè)置其工作模式把該模擬信號轉(zhuǎn)換成 0FFH 的數(shù)字信號，并把該數(shù)值傳給單片機內(nèi)嵌的 CCP 模塊脈寬寄存器，設(shè)置 CCP 模塊工作模式為 PWM 模式，這樣就產(chǎn)生了可調(diào)脈寬的 PWM 信號，從而產(chǎn)生可調(diào)占空比的 PWM 信號。開關(guān)控制信號及限位信號流入單片機 D 端口，單片機通過查詢程序，判斷具體是哪個信號的輸入，并根據(jù)該信號對 PWM 信號、方向信號、剎車信號進行相應(yīng)的操作。升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究10單片機輸出信號經(jīng) TLP521 進行光耦隔離，使高電位電路與低電位電路進行物理隔離，防止反向電動勢燒壞單片機。隔離后的信號送給驅(qū)動電路驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電路即對輸入的信號進行邏輯處理，又對直流電機進行驅(qū)動，它把輸入的電平信號進行邏輯處理，與硬件電路一起作用，輸出兩端反相的驅(qū)動電壓驅(qū)動直流電動機轉(zhuǎn)動。本系統(tǒng)通過硬件保護電路，把剎車信號與反向信號進行相應(yīng)的邏輯處理，這樣出現(xiàn)限位信號后，可直接從物理電路上實現(xiàn)剎車，防止單片機出錯，不能及時剎車而導(dǎo)致電機燒壞。在條件允許和時間充足的情況下，可通過光電編碼器進行速度反饋。把增量式光電編碼器 A 通道和 B 通道的脈沖信號傳給單片機，通過相應(yīng)的算法可得出電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，讓其與設(shè)定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制 PWM 信號占空比的變化從而改變轉(zhuǎn)速得到反饋調(diào)節(jié)。這樣能使電機轉(zhuǎn)動更平穩(wěn)，調(diào)速更精確。 本章小結(jié)本章的主要任務(wù)就是將升旗系統(tǒng)中的三個部分的設(shè)計思想做一簡略介紹，并畫出了各部分結(jié)構(gòu)的簡易圖，使大家對該設(shè)計有個整體的認識。升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究11第 三 章 防 卷 機 構(gòu) 設(shè) 計 防卷機構(gòu) 方案選擇以下為兩種防卷機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，它們有著各自的優(yōu)缺點，下面將這兩種方案進行對比，并確定最終方案。方案一優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，裝配容易；由于選擇為深溝球軸承，所以成本較低。缺點：擋圈要充當(dāng)整體的重要受力部分，容易產(chǎn)生破壞；螺紋緊固容易松解，影響自動升旗的精確度，甚者脫節(jié)，致使無法完成升降任務(wù)；該方案的外觀尺寸較大。方案二優(yōu)點：采用角接觸球軸承，可以承受較大的軸向力；螺母鎖緊，不易松動或脫節(jié)。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配較為麻煩；成本較高。圖 21 方案一 零部件設(shè)計軸和安裝軸承的外殼或軸承座，以及軸承裝置中的其他受力零件必須有足夠的剛圖 22 方案二升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究12性，因為這些零件的變形都要阻滯滾動體的滾動而使軸承提前破壞。外殼及軸承座孔壁均應(yīng)有足夠的厚度，外殼上軸承座的懸臂應(yīng)盡可能的縮短，并用肋來增強支承部位的剛性。如果外殼是用輕合金或非金屬制成的，安裝軸承處應(yīng)采用鋼或鑄鐵制的套環(huán)，由于零件尺寸較小，所以直接選擇 45 鋼作為加工材料。從圖 23 中可知，支桿頭部結(jié)構(gòu)為焊接部件，材料為 45 鋼。從圖中可見軸承座主要部分為回轉(zhuǎn)體，因此其加工可以在車床上完成，部件上的環(huán)狀機構(gòu)主要是用來完成繩索連接，其主要尺寸也是根據(jù)繩索的型號來確定，考慮到使用范圍所以選擇內(nèi)徑為6mm，上蓋板選擇 3mm 主要是為了能夠滿足焊接工藝的需求。1拉環(huán) 2蓋板 3內(nèi)六角圓柱頭 螺釘 4軸承座圖 23 支桿頭部結(jié)構(gòu)從圖 24 中可知，壓蓋為回轉(zhuǎn)體，材料為 45 鋼，因此可以直接有車床來完成加工。該零件主要實現(xiàn)軸承的緊固，同時要承受升降過程中的大部分力，所以增加了螺紋圈數(shù)，用以更好的完成受力作用。圖 24 壓蓋從圖 22 中可知，拉桿是受力件，也是軸承的固定件，因此對其加工精度要求較高，所以它是回轉(zhuǎn)件，可以直接由車床加工，但是它還是要經(jīng)磨床磨削才可以使用。升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究13圖 25 拉桿從圖 26 中可知，支桿是個焊接部件，它在整個防卷機構(gòu)中主要起連接作用，同時也要完成旗幟的懸掛，其長度尺寸由所升國旗的型號來確定，因?qū)W校所升旗幟的標準為底 1920高 1280mm,因此支桿長度應(yīng)為 1280mm，但是旗幟的撐桿要有一定的余量，因此定其尺寸為 1300mm。圖 26 支桿圖 22 中所示機構(gòu)即為最終確定的防卷機構(gòu)，裝配圖中的零件是由上述加工的零部件和一些標準件組成，其中軸承型號為 71900C，擋圈為 GB/ 8，其安裝順序為軸承套在拉桿上，然后整體裝進軸承座內(nèi)，壓蓋進行壓緊，先將兩螺母擰到螺柱上，然后再與裝配后的拉桿配合，最后整體與支桿連接，完成裝配。 本章小結(jié)本章主要介紹了防卷機構(gòu)的零部件組成，并且對零部件所涉及的東西進行了系統(tǒng)的講解，經(jīng)過分析確定了最終要選擇的材料和零部件尺寸。升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究14第 四 章 升 降 機 構(gòu) 設(shè) 計 升降機構(gòu)升降機構(gòu)的設(shè)計就是考慮所有零部件的整體布局，主要思想就是如何在不影響旗桿強度的條件下，外觀更加美觀，同時也要考慮維修是否方便。圖 41 中所示升降機構(gòu)的設(shè)計思想就是將所有的小件放到一個整體支架上，讓后再將其整體放到旗桿內(nèi)部，由于整體的尺寸較小，而旗桿的型號為 76mm176mm，即最大直徑為 176mm，最小直徑為 76mm。因此在旗桿上開口不會嚴重影響旗桿的強度要求，同時也不會破壞旗桿的美觀。整個機構(gòu)中電機和蝸桿安裝在浮動板上，當(dāng)用手驅(qū)動凸輪軸時，蝸桿和電機升起與蝸輪嚙合，電機驅(qū)動蝸桿實現(xiàn)蝸輪的運動；考慮到運動的線性，板上將焊接兩個導(dǎo)向套，同時由于電機和蝸桿的質(zhì)量不能完全相同，所以會出現(xiàn)浮動板的受力不均，容易使浮動板與軌道卡死，因此應(yīng)考慮板的配重問題；同種材料間的摩擦力較大，因此也要考慮軌道的選材，最終確定材料選用銅。1連接架 2凸輪 3凸輪軸 4深溝球軸承 5驅(qū)動桿 6導(dǎo)向套 7拉力彈簧 8蝸桿9直流電機 10蝸輪 11內(nèi)六角圓柱頭螺釘圖 41 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究15凸輪的最遠點與滾子結(jié)合時，僅受重力的情況下進入了凸輪死點，但是那是理想情況，為了保險起見，在滾子一側(cè)立一定位桿，其距凸輪支點水平距離為 ，這樣凸輪會旋過 18 度，即凸輪最高點下降 ，那么蝸輪蝸桿將脫離 ，形成變位嚙合，通過計算這是的重合度仍然大于 ，滿足基本要求。外輪機構(gòu)主要是將蝸輪上的動力傳到外輪，考慮到旗桿強度將外輪軸和升降機構(gòu)要上下相錯 200~300mm。其動力由皮帶完成傳遞。1連接架 2深溝球軸承 3輪軸 4內(nèi)輪 5軸套 6軸承座 7外輪 8擋圈圖 44 外輪軸結(jié)構(gòu)圖 蝸桿蝸輪設(shè)計蝸桿蝸輪傳動是由交錯軸斜齒圓柱齒輪傳動演變而來的。小齒輪的輪齒分度圓柱面上纏繞一周以上，這樣的小齒輪外形像一根螺桿，稱為蝸桿。大齒輪稱為蝸輪。為了改善嚙合狀況，將蝸輪分度圓柱面的母線改為圓弧形，使之將蝸桿部分地包住，并用與蝸桿形狀和參數(shù)相同的滾刀范成加工蝸輪，這樣齒廓間為線接觸，可傳遞較大的動力。蝸桿蝸輪傳動的特征：其一，它是一種特殊的交錯軸斜齒輪傳動，交錯角為∑＝90176。，蝸桿頭數(shù)很少，一般取 1～4；其二，它具有螺旋傳動的某些特點，蝸桿相當(dāng)于螺桿，蝸輪相當(dāng)于螺母，蝸輪部分地包容蝸桿。蝸桿傳動的特點：Comment [b11]: 計量單位必須是英文符號標注，嚴格區(qū)分大小寫。升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究16傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊傳動平穩(wěn)，無噪聲具有自鎖性傳動效率較低，磨損較嚴重蝸桿軸向力較大，致使軸承摩擦損失較大。1. 蝸桿結(jié)構(gòu)：蝸桿通常與軸為一體，采用車制或銑制，結(jié)構(gòu)分別圖 46.　圖 46 蝸桿結(jié)構(gòu)2. 蝸輪結(jié)構(gòu)：蝸輪常采用組合結(jié)構(gòu)，由齒冠和齒芯組成。聯(lián)結(jié)方式有：鑄造聯(lián)結(jié)、過盈配合聯(lián)結(jié)和螺栓聯(lián)接，結(jié)構(gòu)分別見圖 47。蝸輪只有在低速輕載時采用整體式。圖 47 蝸桿結(jié)構(gòu)由于在升降機構(gòu)中蝸輪蝸桿所需要承受的力有限，并且為了降低整體的加工成本，根據(jù) GB/T10085—1988的推薦，選用普通圓柱蝸桿中的漸開線蝸桿，采用車制。3. 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩根據(jù)國旗選定的參數(shù)：國旗重量 ，旗桿選取 16m ，國旗升降時間 46秒，帶動旗繩的小輪外徑選取 100mm ，凹槽部分實際直徑選取 80mm 。由此得到蝸輪軸的系列參數(shù)：= 21080 / 2 = 2040 = 8002TmN?= 161000/（ 80） / 4660 = 83 n?in/r= 1000000/ = 80022Pn?a）車制 b）銑制a）鑄 造連 接 b）過盈配合連接 c）受剪螺栓連接分圖號用 a)、b)標識并置于分圖之下，采用楷體小五號字。升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究17= / 1000000 = 7 2Pn2Tw4. 蝸桿軸的輸入功率、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩蝸輪蝸桿要能實現(xiàn)自鎖功能，蝸桿必須單頭，而且蝸輪蝸桿傳動比不可以過大，否則導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速過大，選型困難，尺寸過大難以安裝在旗桿內(nèi)部。根據(jù)《機械原理》第二版，初選傳動比為 18。= / = 7 / / = ?w= 18 = 8318 = 1494nminr= 95501000 / = 95501000 / 1494 = 運動和動1T1Pn mN?力參數(shù)計算結(jié)果整理于下表 41：表 41 蝸輪蝸桿運動和動力參數(shù)類型功率 )(w轉(zhuǎn)速 nmi)/(r轉(zhuǎn)矩 T)(N?傳動比 i效率 ?蝸桿軸 1494 蝸輪軸 7 83 800 18 蝸輪蝸桿傳動的設(shè)計1. 選擇蝸桿傳動類型根據(jù) GB/T 100851988 的推薦，選用漸開線蝸桿（ZI） 。2. 選擇材料考慮到蝸桿的傳動功率不大，速度只是中等，故蝸桿采用 45 鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，蝸桿齒面要求淬火，硬度為 45 55 HRC。蝸輪采用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1,金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵 HT100 制造。3. 按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強度。根據(jù)《機械設(shè)計》第八版，傳動中心距 ??322???????HPEZKTa?1) 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩插表：表格一般采用三線制，不加左、右邊線，上、下底為粗實線（ 磅） ，中間為細實線（1 磅） ，比較復(fù)雜的表格，可適當(dāng)增加橫線和豎線。表序按章編排，如第 1 章第一個插表序號為“表 11”，表名不允許使用標點符號。表序與表名置于表上，居中排寫，采用黑體五號字。表頭設(shè)計應(yīng)簡單明了，盡量不用斜線。表頭中可采用化學(xué)符號或物理符號。全表如用同一單位，將單位符號移到表頭右上角，加圓括號。表中數(shù)據(jù)應(yīng)正確無誤，書寫清楚。數(shù)字空缺的格內(nèi)加“－”字線（占 2 個數(shù)字寬度） 。表內(nèi)文字和數(shù)字上、下或左、右相同時，不允許用“″” 、 “同上”之類的寫法，可采用通欄處理方式。升降旗系統(tǒng)防卷旗機構(gòu)和總體技術(shù)研究18= 21080 / 2 = 2040 = 8002TmN?2) 確定載荷系數(shù)因工作載荷比較穩(wěn)定，故取載荷分布不