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多功能电动载物爬楼助力装置设计多功能电动载物爬楼助力装置设计DESIGN OF MULTIFUNCTIONAL ELECTRIC LOAD-CLIMBING DEVICE I 摘要本装置是一个多功能型的电动载物爬楼助力装置，它是为了解决中高楼层的居民(尤其是腿脚不便的人)脚力上下楼携带了重物以后难以爬楼的问题的，同时还可以减轻物流人员的物品搬运的负担。既可以爬楼越阶，又能够平路行走的电动助力装置。本设计首先对国内外市场上现有的载物爬楼的装置进行了简要分析，指出了它们的不足之处。然后基于大家对装置的功能需求，提出了一种适合多种人群使用的，多功能两用爬楼装置的设计方案，并根据设计方案对小车的机械结构组成和控制程序进行了分析，同时还对小车的爬楼速度、小车爬楼驱动力矩以及强度校核进行了计算。最后，基于 Creo3.0 平台进行了整车运动仿真，并对关键零件受力分析。主要完成工作如下：(1)对多功能电动载物爬楼装置调研，比较不同的方案，确定最终方案。(2)详细设计多功能电动载物爬楼装置的机械传动系统和程序控制系统。(3)基于 Creo 完成装置的三维模型的装配，并检验是否干涉，最后进行运动仿真。(4)基于 ANSYS 对主要零件进行了静力学分析，验证设计的结构受力是否合理。(5)在上述条件都满足的情况下上，进行整体制作，并实地测试装置可行性。结果表明：在负载情况合理的情况下，本装置无运动干涉，材料刚度和强度均满足要求。是以本作品多功能电动载物爬楼助力装置能够保证安全，且具有较快的路行速度的能力，足够达到无电梯公寓楼中的既要快速行驶又要安全载物爬楼的需要。关键词关键词 载物装置；多功能；爬楼；结构设计IIIIIAbstractThis work is a multifunctional electric load-climbing device,In order to solve the problems of carrying heavy upstairs or downstairs for the residents(especially the elderly)and the handing problems for logistics staff,I designed an electric power booster with both climbing and road functions.First,the design briefly analyzed the load-climbing device that has appeared in the present in the domestic and foreign markets and pointed out its shortcomings.Then based on the functional requirements,it proposed a design scheme of a multifunctional electric device with both climbing and road functions suitable for a variety of people to use,and analyzed the structure and climbing principle of the car according to the design scheme,carried out the theoretical analysis and calculation of the driving speed of the device and the climbing power of the device.Finally,the design carried out the overall motion simulation of the device and the stress analysis of the key parts based on Creo3.0 platform.The main work is as follows:(1)Research on multifunctional electric load-climbing devices,compare different programs,define the final program(2)Design of the multifunctional electric load-climbing devices mechanical transmission system and program control system in detail(3)Complete the installation of the three-dimensional model of the assembly based on Creo,and test whether there is interference,and finally,carry out the simulation of the movement(4)Based on ANSYS,the main parts were statistically analyzed to verify whether the structural force of the design was reasonable(5)In the case of the above conditions are met，make the overall production and field test the feasibility of the deviceThe results show that In the case of reasonable load conditions and no movement intervention,the material stiffness and strength is safe enough.So the work of this multifunctional electric load-climbing device can meet the power of the requirements of climbing the floor,and has a relatively fast road speed ability,and It is completely able to meet the non-elevator buildings need for a multifunctional electric device with both climbing and road functions.IVKeywords loading device multifunctional climb architectural designV目目 录录摘要.IAbstract.II1 绪论.11.1 选题背景.11.2 国内外研究现状.11.2.1 履带式.11.2.2 轮组式.21.2.3 步进式.21.2.4 腿足式.31.3 研究意义.32 总体方案设计.52.1 设计要求.52.2 类型选择.52.3 确定结构.52.3.1 机械结构.52.3.2 电子控制元件.63 机械结构设计.83.1 车架.83.2 扶手.83.3 车轮连接.93.4 支撑板.93.5 传动机构.104 驱动系统设计.124.1 驱动电机的选择.12VI4.1.1 受力分析.124.1.2 电机选型.124.2 步进电机驱动原理.134.3 减速机的选择.144.4 蓄电池的选择.144.5 传动轴的运动.154.5.1 各轴转速.154.5.2 各轴的输出功率.154.5.3 各轴的转矩.154.5.4 动力参数整合.155 机械结构计算与校核.165.1 齿轮设计.165.1.1 选择齿轮精度等级、材料、热处理、齿面硬度、传动比及齿数.165.1.2 按齿面接触疲劳强度设计计算.165.1.3 确定齿轮传动的参数和尺寸.185.1.4 校核齿根弯曲疲劳强度.195.2 轴的设计.205.2.1 轴的功用和分类.205.2.2 受力轴的校核分析.205.2.3 传动 II 轴的计算与校核.225.3 轴承校核.236 关键零件静力学分析.256.1 ANSYS 简介.256.2 ANSYS 操作界面.256.3 详细分析步骤.26VII6.3.1 导入模型.266.3.2 添加材料库.266.3.3 添加模型材料属性.266.3.4 划分网格.276.3.5 施加载荷和约束.286.3.6 结果后处理.286.4 分析报告.307 控制系统设计.317.1 电动机的连线.317.2 单片机控制原理.317.2.1 程序原理图.317.2.2 程序编译.328 总装.338.1 三维模拟.338.2 实物装配.34结论.35致谢.36参考文献.37附录.39附录 1 单片机控制程序.3911 绪论1.1 选题背景随着我国的城镇化进程不断推进，居民楼的建设也是飞速发展。根据国家住建部门的规定，十层及以上都要求安装电梯，而十层以下的虽然也在建筑设计防火规范和高层民用建筑设计防火规范中作了规定，但也只有部分明确要求安装电梯。也就是说，基于我国目前的发展状况和受其它各方面因素的限制，大多数低于 10 层以下的普通居民楼并未安装电梯，居民们上下楼搬运货物非常不方便。而随着我国老龄化的日益严重，我们对老年人日常生活的关爱也越来越重要。独居老人逐年增多，老年人日常生活中搬运物质上下楼不可避免，但体力受制带来诸多困难。特别是无电梯的老小区里居住的老年人载物上下楼苦不堪言，生活质量严重下降，对于老小区加装电梯想法很美好，但现实很残酷，受制于诸多条件。研制此适用于老年人群体的多功能电动载物爬楼助力装置则能极大改善他们的困扰。而电子商务业务的发展速度更是日新月异。可就目前而言，物流行业在配送时，采用的方法始终以人力为主的。一旦遇到较重的货物，则需依赖两三个甚至更多的送货人员来达到配送上楼的要求。本装置则能够缓解物流行业对体力劳动者的依赖，帮助物流人员轻松、方便地将货物运送达指定楼层。另外，许多大商场(特别在家电区)都配有送货上门服务，如果遇到没有电梯的小区，运送上楼的工作量就会十分巨大。还有一些送水、送煤气的业务，对于这些等不起的业务，运送上楼的工作给居民带来极大不便。而本作品所设计的载物爬楼助力装置快捷又安全，可以非常方便的实现文明装卸、派送各类物件，还能在运送的过程中明显减轻物流工作人员的劳动强度。基于此，针对市场需求，本作品设计一款多功能电动载物爬楼助力装置，以期为老年人群体、物流工作人员提供便利。11.2 国内外研究现状通过查阅大量书籍资料，分析市面上出现过的爬楼装置，按其爬楼时实现其动作的方式分类主要有四种：履带式、轮组式、步进式和腿足式。以下简单介绍了这四种行进方式，并对它们的优缺点进行分析。1.2.1 履带式 履带式的爬楼装置原理相对更加简单，技术足够成熟。它是利用智能化的检测，对路面环境进行分析，然后决定下一个动作的。这种类型的装置通常会设置两个行进模式，一种是平地路面，这种情况下可以直接使用滚轮模式行进，另一种是楼梯路面，这时就会变为履带模式来爬楼。爬完最后一级台阶，再次检测为平地路面，变回滚轮行进的方式。履带式行进的适应性很强，能够在各种复杂不规则的路面上动作。若应用这种的原理，将其改成轮椅，就能给使用的老年人或腿脚不便的残疾人提供很大便利。2不过它也有很大的局限性，这种装置的两种行进方式完全不同导致它要携带两种行进设备，占地面积大不说，质量也十分巨大，难以携带和安放。另外，不规则的路面会给履带来较高的磨损伤害，装置维护和保养的成本很高，甚至对楼梯也是存在伤害的2。如图 1-1的(a)、(b)