多功能童車的開發(fā)前景設(shè)計
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目 錄1 引言12 童車功能設(shè)計22.1 功能要求22.2 功能設(shè)計方案22.2.1童車車體設(shè)計22.2.2折疊功能設(shè)計22.2.3自動行駛功能設(shè)計22.2.4危險處理功能設(shè)計32.3 功能總結(jié)33 童車零件設(shè)計53.1 各功能所需零件設(shè)計53.1.1 折疊功能零件63.1.2 立式功能零件設(shè)計63.1.3 傳動部件設(shè)計64 機(jī)械手設(shè)計74.1 機(jī)械手動力設(shè)計74.2 機(jī)械手的具體功能74.2.1 伸縮功能設(shè)計74.2.2 轉(zhuǎn)動功能設(shè)計74.2.2 螺絲電機(jī)原理85 系統(tǒng)功能設(shè)計105.1 系統(tǒng)可控機(jī)構(gòu)105.2 系統(tǒng)功能設(shè)計115.3 系統(tǒng)軟件選擇126 主要零部件設(shè)計156.1 車輪繪制156 小結(jié)16致謝17參考文獻(xiàn)181 引言現(xiàn)代生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對自動化技術(shù)提出越來越高的要求,同時也為自動化技術(shù)的革新提供了必要條件。70年代以后,自動化開始向復(fù)雜的系統(tǒng)控制和高級的智能控制發(fā)展,并廣泛地應(yīng)用到國防、科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)等各個領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的自動化,例如大型企業(yè)的綜合自動化系統(tǒng)、全國鐵路自動調(diào)度系統(tǒng)、國家電力網(wǎng)自動調(diào)度系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、城市交通控制系統(tǒng)、自動化指揮系統(tǒng)、國民經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)等。自動化的應(yīng)用正從工程領(lǐng)域向非工程領(lǐng)域擴(kuò)展,如醫(yī)療自動化、人口控制、經(jīng)濟(jì)管理自動化等。自動化將在更大程度上模仿人的智能,機(jī)器人已在工業(yè)生產(chǎn)、海洋開發(fā)和宇宙探測等領(lǐng)域得到應(yīng)用,專家系統(tǒng)在醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探等方面取得顯著效果。工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化和農(nóng)業(yè)自動化將成為新技術(shù)革命的重要內(nèi)容,并得到迅速發(fā)展。自動化是一門涉及學(xué)科較多、應(yīng)用廣泛的綜合性科學(xué)技術(shù)。作為一個系統(tǒng)工程,它由5個單元組成:(1)程序單元 決定做什么和如何做。(2)作用單元 施加能量和定位。(3)傳感單元 檢測過程的性能和狀態(tài)。(4)制定單元 對傳感單元送來的信息進(jìn)行比較,制定和發(fā)出指令信號。(5)控制單元 進(jìn)行制定并調(diào)節(jié)作用單元的機(jī)構(gòu)。自動化的研究內(nèi)容主要有自動控制和信息處理兩個方面,包括理論、方法、硬件和軟件等,從應(yīng) 用觀點(diǎn)來看,研究內(nèi)容有過程自動化、機(jī)械制造自動化、管理自動化、實(shí)驗室自動化和家庭自動化等。機(jī)器或裝置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動進(jìn)行操作或控制的過程,其目標(biāo)是“穩(wěn),準(zhǔn),快”。自動化技術(shù)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等方面。采用自動化技術(shù)不僅可以把人從繁重的體力勞動、部分腦力勞動以及惡劣、危險的工作環(huán)境中解放出來,而且能擴(kuò)展人的器官功能,極大地提高勞動生產(chǎn)率,增強(qiáng)人類認(rèn)識世界和改造世界的能力。因此,自動化是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要條件和顯著標(biāo)志。現(xiàn)代家庭自動化多數(shù)為使生活更舒適、更方便、更安全,而對于兒童的安全與成長考慮的非常少,子女是家庭和國家的希望和未來,兒童的健康成長對于國家的富強(qiáng)有著極其重大的意義,所以設(shè)計這款集娛樂、保護(hù)、教育為一體的童車是非常適應(yīng)的和需要的。2 童車功能設(shè)計2.1 功能要求本款童車的基本功能有:可乘坐、折疊、自動行駛以及處理危險事物。孩子在剛學(xué)會站立時,是不能長時間站立的,在孩子無法站立或剛剛學(xué)會站立是可乘坐這款童車。如果孩子自己行走,童車可折疊和在后跟隨,時刻對孩子四周的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測,如有危險,信號會被系統(tǒng)接收,并作出反應(yīng),機(jī)械手可帶離孩子遠(yuǎn)離危險區(qū)域,或者是機(jī)械手將危險物處理掉,從而保證孩子的安全。童車功能復(fù)雜,必然對設(shè)計要求嚴(yán)格。首先,童車整個車身設(shè)計必須能夠使諸多功能實(shí)現(xiàn)。其次,童車功能的實(shí)現(xiàn)與各個零件的準(zhǔn)確設(shè)計以及配合是分不開的。最后,設(shè)計完畢在童車的準(zhǔn)確度和靈敏度上要滿足實(shí)際的需要。童車動力可有電動和燃料動力,由于童車是用于兒童使用,其就必須要輕便、動力穩(wěn)定,而且考慮對兒童身體健康的因素,電動是比燃料動力更好的選擇。2.2 功能設(shè)計方案2.2.1童車車體設(shè)計現(xiàn)在的童車市場,有多種多樣的童車:傘柄車、手推車、雙胞胎車等等,種類繁多。雖然其大都是對童車形狀進(jìn)行改進(jìn),功能單一,但是在車身方面從兒童視角考慮,充分滿足兒童的需要。由于現(xiàn)有童車設(shè)計車身設(shè)計已是多種多樣,所以本款童車車身的設(shè)計重點(diǎn)不是外型設(shè)計,而是在四輪童車和三輪童車(圖1)的設(shè)計上。四輪童車在安全方面比三輪童車優(yōu)越,在行駛時很穩(wěn)定,但如果在四輪童車的基礎(chǔ)上設(shè)計本款童車,設(shè)計難度將會增大,同時由于童車的行駛速度比較慢,所以三輪童車的安全也比較可靠,設(shè)計也是比較簡單,而且培養(yǎng)孩子的騎行能力,為以后學(xué)習(xí)自行車打個堅實(shí)的基礎(chǔ)。 圖12.2.2折疊功能設(shè)計折疊并不是拆卸,折疊是將車把收起在車箱內(nèi),所以可在童車支撐處加一可供旋轉(zhuǎn)用的鉸鏈即可。通過旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié),來實(shí)現(xiàn)童車的狀態(tài),即坐式或立式。2.2.3自動行駛功能設(shè)計要自動行駛除了系統(tǒng)程序調(diào)節(jié)外,童車機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)有相應(yīng)的配合。系統(tǒng)程序在后面再做敘述,現(xiàn)從童車的硬件分析: 萬向輪可調(diào)節(jié)行駛方向,在童車自動行駛時,方向需要有效調(diào)節(jié),在選擇三輪童車的方案,唯一可用來調(diào)節(jié)方向的輪子,只有單輪,即非動力輪。由于現(xiàn)市場在有電控萬向輪,所以此項設(shè)計可省去,其可完全適用童車輪子的360度角度調(diào)節(jié),對童車自動行駛時方向自動調(diào)節(jié)功能完全可以實(shí)現(xiàn)。如圖2: 圖22.2.4危險處理功能設(shè)計本款設(shè)計最大特點(diǎn)是在對危險的處理上,由于在孩子的眼中,一切事物都是好奇的,但是有的事物對幼兒來說是相當(dāng)危險的。一般有水、火、電等,避免孩子的接觸。童車的設(shè)計要實(shí)現(xiàn)這一功能,就必須有一個可以將危險物帶離孩子身邊的設(shè)計機(jī)械手。機(jī)械手是一種能自動化定位控制,并可重新編程序改變動作的多功能機(jī)器,它有多個自由度,可用來搬運(yùn)物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域,是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率;可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);工業(yè)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè),或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。因單片機(jī)設(shè)計復(fù)雜, 需較多繼電器,接線繁雜, 易受車體振動干擾,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題??删幊绦蚩刂破鱌LC控制的機(jī)械手控制系統(tǒng)動作簡便、線路設(shè)計合理、具有較強(qiáng)的抗干擾能力, 保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,降低了維修率, 提高了工作效率3。機(jī)械手可以單獨(dú)完成一些復(fù)雜的步驟,所以這一功能用機(jī)械手來實(shí)現(xiàn),是完全可靠和方便的。2.3 功能總結(jié)(1)(折疊功能)當(dāng)童車無人乘坐時,童車可折疊跟隨,其車把部分收起,車箱立起,后輪著地,兩大輪為動力輪,后輪為方向輪。如圖3:圖3(2)(坐式行使功能)坐式功能可供乘坐,車把展開,前輪為方向輪,后輪為動力輪。如圖4:圖4(3)(立式機(jī)械手操作功能)立式狀態(tài),機(jī)械手可伸縮,抓取危險物品遠(yuǎn)離兒童,其可實(shí)現(xiàn)360旋轉(zhuǎn)。如圖5:圖53 童車零件設(shè)計3.1 各功能所需零件設(shè)計由于功能較為復(fù)雜,且童車在實(shí)際使用中,特定的人群與特定的用途,要求零件設(shè)計上要嚴(yán)格遵從安全、輕便、簡單、準(zhǔn)確的原則。3.1.1 折疊功能零件方案一 設(shè)計一轉(zhuǎn)動鉸鏈,可由電機(jī)帶動,通過童車內(nèi)部系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和角度大小來實(shí)現(xiàn)折疊功能,此方案的優(yōu)點(diǎn)在于準(zhǔn)確,同時靈敏度高,缺點(diǎn)則是設(shè)計較復(fù)雜,需要的技術(shù)要求高,同時在后續(xù)的工作中加大了工作量和工作難度。方案二 采用一種棘輪結(jié)構(gòu)6(圖6),輪軸上纏繞一根鋼絲,在內(nèi)部設(shè)計一電機(jī),電機(jī)帶動動輪轉(zhuǎn)動,使鋼絲收、放,來實(shí)現(xiàn)車體的折疊。在整個設(shè)計中,車體的折疊是童車需要立式時,首先的動作是機(jī)械手接觸地面以支撐車體,使車體前端抬起一定角度,同時后端動力輪轉(zhuǎn)動,帶動車后端向前,逐漸成為立式,在達(dá)到一定角度后,電磁鐵得電,棘輪卡齒抬起,在車前端自身重力的作用下,鋼絲放出,車前端自然下垂,實(shí)現(xiàn)折疊功能。然后動力輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動,直到車體完全直立,收回機(jī)械手,完成折疊動作。此方案設(shè)計簡單,且在整體中設(shè)計較為緊湊,也不增加設(shè)計的難度,和后續(xù)工作量。缺點(diǎn)是對動作連續(xù)性和準(zhǔn)確性要求較高。方案一和方案二比較,在從市場角度和使用者角度,市場要求成本低,生產(chǎn)較為容易,且技術(shù)較低,效益好,而對于兒童來說,安全大為重要。方案一,對技術(shù)要求高且在實(shí)際的使用中,將會有失靈或斷齒現(xiàn)象,在安全方面有缺陷,所以選方案二較為妥當(dāng)。圖63.1.2 立式功能零件設(shè)計方案一 架式結(jié)構(gòu) 兩個動力輪,其軸是安裝在車體伸出的支架上的,其優(yōu)點(diǎn)是平衡性好;缺點(diǎn)是傳動設(shè)計較為復(fù)雜,增大設(shè)計難度,對動力部件要求較高,無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確傳動。方案二 內(nèi)軸式結(jié)構(gòu) 在后車箱內(nèi)安裝動力軸,靠齒輪傳動帶動輪子轉(zhuǎn)動,傳動穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)較為簡單,且閉式齒輪,對齒輪壽命也有一定保障。所以,從兩個方案比較可知,方案二較佳。3.1.3 傳動部件設(shè)計方案一 鏈傳動 鏈輪傳動沒有彈性滑動和打滑,能保持準(zhǔn)確的平均傳動比;需要的張緊力小,作用在軸上的壓力小,可減少軸承的摩擦損失;結(jié)構(gòu)緊湊;能在高溫,有油污等惡劣環(huán)境下工作;缺點(diǎn):瞬時轉(zhuǎn)速和瞬時傳動比不是常數(shù),傳動的平穩(wěn)性較差,有一定的沖擊和噪聲。方案二 齒輪傳動 效率高,在常用的機(jī)械傳動中,以齒輪傳動效率為最高,閉式傳動效率為96%99%,這對大功率傳動有很大的經(jīng)濟(jì)意義。結(jié)構(gòu)緊湊,比帶、鏈傳動所需的空間尺寸小。3)工作可靠、壽命長 設(shè)計制造正確合理,傳動比穩(wěn)定8。4 機(jī)械手設(shè)計4.1 機(jī)械手動力設(shè)計由于童車的特殊用途和其自身設(shè)計特點(diǎn)的限制,童車不可能太過大,應(yīng)盡可能小、輕、便。機(jī)械手有很多功能不可能采用一些傳統(tǒng)的動力設(shè)計方案,如液壓傳動、氣動等,所以應(yīng)最可能簡單且準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的所有功能。4.2 機(jī)械手的具體功能4.2.1 伸縮功能設(shè)計 機(jī)械手的伸縮功能可采用螺絲桿旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn),如圖7:圖74.2.2 轉(zhuǎn)動功能設(shè)計 機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)360轉(zhuǎn)動,此功能是在車箱內(nèi)部用一電機(jī)來帶動,左右機(jī)械手實(shí)現(xiàn)同步、同角度旋轉(zhuǎn)。如圖8:機(jī)械手圖84.2.2 螺絲電機(jī)原理1)綠色部分為螺絲電機(jī)及絲桿,螺絲電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動絲桿轉(zhuǎn)動,絲桿上的螺紋帶動機(jī)械手2(右)伸縮。如圖9:圖92)綠色為螺絲電機(jī),固定在機(jī)械手1(上圖),絲桿通過螺紋來使機(jī)械手2(右 灰)伸縮。如圖10圖105 系統(tǒng)功能設(shè)計5.1 系統(tǒng)可控機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動1童車主要轉(zhuǎn)動功能部件有4個電機(jī)順序轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動1控制車把的折疊和展開,轉(zhuǎn)動2控制左右機(jī)械手同步、同角度轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動3控制行駛方向,轉(zhuǎn)動4控制機(jī)械手伸縮。如圖11,12,13:轉(zhuǎn)動2圖11轉(zhuǎn)動3圖12轉(zhuǎn)動4圖135.2 系統(tǒng)功能設(shè)計動作一 機(jī)械手轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)動2)一定角度,螺絲電機(jī)轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)動4),使車身抬高,后輪轉(zhuǎn)動后箱前進(jìn),逐漸直立。如圖14:圖14動作二 棘輪卡齒抬起,車前身自重,完成折疊。如圖15:圖15 動作三 后輪旋轉(zhuǎn)使后箱前進(jìn),完成直立,收回機(jī)械手,電控輪轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)動4)控制方向,后輪為動力輪,完成直立行駛。5.3 系統(tǒng)軟件選擇童車功能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng),可由單片機(jī)控制,也可用PLC控制。PLC更注重于工業(yè)應(yīng)用,對于防干擾、設(shè)備接口、聯(lián)網(wǎng)、模塊化都有完善的技術(shù)支撐,使用更簡單,成本高。 而單片機(jī)技術(shù)含量高,使用靈活但是工作量很大的,對于抗干擾、模塊化要求低,成本低廉,應(yīng)用廣泛。特別適合于開發(fā)消費(fèi)電子、商業(yè)應(yīng)用的電子、玩具、家電等等。PLC是建立在單片機(jī)之上的產(chǎn)品,單片機(jī)是一種集成電路,兩者不具有可比性。 單片機(jī)可以構(gòu)成各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng),從微型、小型到中型、大型都可,PLC是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一個特例。 不同廠家的PLC有相同的工作原理,類似的功能和指標(biāo),有一定的互換性,質(zhì)量有保證,編程軟件正朝標(biāo)準(zhǔn)化方向邁進(jìn)。這正是PLC獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)則是八仙過海,各顯神通,功能千差萬別,質(zhì)量參差不齊,學(xué)習(xí)、使用和維護(hù)都很困難。 從工程的角度,談?wù)凱LC與單片機(jī)系統(tǒng)的選用; 對單項工程或重復(fù)數(shù)極少的項目,采用PLC方案是明智、快捷的途徑,成功率高,可靠性好,手尾少,但成本較高。 對于量大的配套項目,采用單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn),但這要有相當(dāng)?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經(jīng)驗才能使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。最好的方法是單片機(jī)系統(tǒng)嵌入PLC的功能,這樣可大大簡化單片機(jī)系統(tǒng)的研制時間,性能得到保障,效益也就有保證9。PLC程序設(shè)計:表1 I/O接口輸入輸出車把(電機(jī)1)X0,X1電機(jī)1正反轉(zhuǎn)Y0,Y1棘輪(電機(jī)2)X2棘輪正轉(zhuǎn)Y2電磁鐵X3電磁鐵得電,放開棘輪Y3動力輪(電機(jī)3)X4,X5電機(jī)3正反轉(zhuǎn)Y4,Y5機(jī)械手(電機(jī)4)X6,X7電機(jī)4正反轉(zhuǎn)Y6,Y7電控萬向輪(電機(jī)6)XA,XB電機(jī)6正反轉(zhuǎn)YA,YB機(jī)械手伸縮(電機(jī)5)X8,X9電機(jī)5正反轉(zhuǎn)Y8,Y9程序指令ST XOOR Y0AN/ X1OT R0ST X1OR Y1 AN/ X0OT Y1ST X2AN/ R0OT Y2ST X2TMY 1K 5ST T1OT R0ST X3AN/ R1OT Y3ST X3TMY 2K 5ST T2OT R1ST X4OR Y4AN/ X5OT Y4ST X5OR Y5AN/ X4OT Y5ST X6OR X6AN/ X7OT Y6ST X7OR Y7AN/ X6OT Y7ST X8OR Y8AN/ X9OT X8ST X9OR Y9AN/ X8OT Y9ST XAOR YAAN/ XBOT YAST XBOR YBAN/ XAOT YB ED6 主要零部件設(shè)計6.1 車輪繪制繪制草圖:選前視基準(zhǔn)面,繪制一圓,半徑為40mm,選擇特征拉伸凸臺,拉伸10mm。選擇圓角命令,選擇三面,繪制實(shí)體圓角。選擇車輪一圓面,在其上繪制一草圖,如圖16,再選擇拉伸切除命令,選擇完全貫穿,選擇此特征,利用圓形陣列命令,輸入數(shù)據(jù)如圖17,點(diǎn)確定。在車輪圓心繪制一圓,如圖18,選擇特征拉伸切除命令13,選擇完全貫穿,即成功繪制車輪,如圖19。 圖16 圖17 圖18 圖196 小結(jié)全部設(shè)計任務(wù)及問題都能得到有效解決,在設(shè)計中通過遇到問題思考問題解決問題,鞏固了所學(xué)知識,在獨(dú)立的完成設(shè)計的這段時間里,自己可以自主的查資料,找文獻(xiàn)。有目的,有針對性的去解決問題,這對以 后的學(xué)習(xí)和工作都是大大有利的,也讓自己積累了大量經(jīng)驗,為畢業(yè)以后工作打好基礎(chǔ)。通過設(shè)計,加深了對機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)的理解,同時對SolidWorks軟件知識的學(xué)習(xí),我了解到了Solidworks的基本原理和具體運(yùn)用方法。并且能夠運(yùn)用SolidWorks軟件對各種零件進(jìn)行三維實(shí)體建模,掌握了一定得計算機(jī)輔助設(shè)計技能,給我有很大啟發(fā)。致謝在這段設(shè)計期間,我的導(dǎo)師叢老師在我遇到困難時,給了我很多幫助,在叢老師的無私幫助下,我才能完成自己的設(shè)計,我要謝謝叢老師的幫助。在設(shè)計構(gòu)思及修改過程中,叢老師在百忙之中了解問題,并提出了寶貴的解決意見。其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度,一絲不茍的研究精神,令我受益非淺,在此向叢老師致以最誠摯的謝意。 衷心感謝各位老師在百忙之中對本人設(shè)計進(jìn)行審查,并提出寶貴的意見。 最后,感謝所有幫助和關(guān)心我的人。參考文獻(xiàn)1 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