一種薄壁升降機構設計

朱嚴寬+劉樹青+陳偉+薛海峰

摘 要：介紹一種新型螺旋升降機-薄壁升降機構的工作原理、性能特點及其設計方法。該設備利用兩組帶狀不銹鋼板的螺旋升降，達到升降有效載荷的目的，設備體積小，效率高，安全性能穩定，維護方便，操作簡單。并從力學模型上分析其可行化。

關鍵詞：薄壁升降機構；機構設計；力學模型

中圖分類號：TH211+.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0124-02

1 研究背景

傳統伸縮機構的結構形式主要有桿套桿式（如起重機臂），可折疊式（如剪叉式升降臺），桿套桿式伸縮機構結構緊湊，但伸展過程中其截面尺寸逐級遞減，使得桿伸出級數受到限制，因此伸縮比不高，可以應用于狹小空間以及作為其他機構的驅動部分。剪叉式伸縮機構伸縮比大，但是機構自身往往較大。在露天或者空間較大的場所應用較多。動力驅動伸縮機構的驅動方式主要有絲杠-螺母、齒輪-齒條、鋼絲繩-滾筒、液壓、氣壓以及幾種方式混合使用。其中以液壓驅動為主。液壓缸供油系統復雜、維護困難，長期承受較大的靜載荷容易出現漂移現象。

薄壁升降機構是一種長度可變的機構。薄壁升降機構在收縮狀態結構緊湊、占用空間小，展開時可以達到很大的長度。另外一些動力驅動的伸縮機構可以提供一定的推力與拉力，可以作為一種線性驅動機構。因此伸縮機構在機械、建筑、航空、汽車、消防、演藝等領域有著廣泛的應用。例如起重機伸縮比、剪叉式升降機、液壓千斤頂、可伸縮機翼以及生活中常見的伸縮魚竿，電視機伸縮天線等。

2 方案設計

薄壁升降機構是一種伸縮可控的柱狀伸縮機構，原理主要是利用兩個柔性鋼帶螺旋纏繞相互鎖緊形成剛性螺旋管柱，控制參與纏繞的鋼帶的多少可以任意控制螺旋管柱的高度，從而實現其伸縮的特性。收縮時兩根鋼帶分別盤繞在機構周圍和下方占用空間小，使得機構非常緊湊。管柱直徑在伸縮過程中保持不變，因此可以實現很大的伸縮比，承受較大的載荷。薄壁升降機構采用電機驅動，驅動系統簡單，維護方便，可實現精確控制。

薄壁升降機構的傳動主要靠伺服電機驅動渦輪蝸桿，來帶動兩條鋼帶相互纏繞，利用鋼帶中間的鎖孔相互鎖緊，螺旋上升。伺服電機正傳帶動渦輪旋轉，蝸桿逆時針旋轉，兩條鋼帶在渦輪的帶動下也逆時針旋轉上升，到達所調節的高度，伺服電機反轉，蝸桿順時針旋轉，鋼帶在渦輪的帶動下順時針下降，直至鋼帶全部收縮在固定盤里，整個上升下降動作完成。

3 詳細設計

3.1 薄壁機構設計

薄壁升降機構是一種伸縮可控的柱狀伸縮機構，原理主要是利用兩個柔性鋼帶螺旋纏繞相互鎖緊形成剛性螺旋管柱，一盤水平螺旋板片拉開，然后連續插入螺旋薄壁時，就組合成一個由兩種螺旋片連續自鎖的垂直螺旋管柱，可以在電機的驅動下平穩的在垂直方向伸展和收縮。控制參與纏繞的鋼帶的多少可以任意控制螺旋管柱的高度，從而實現其伸縮的特性。收縮時兩根鋼帶分別盤繞在機構周圍和下方占用空間小，使得機構非常緊湊。管柱直徑在伸縮過程中保持不變，因此可以實現很大的伸縮比，承受較大的載荷。薄壁升降機構采用電機驅動，驅動系統簡單，維護方便，可實現精確控制。

3.2 傳動設計

薄壁升降機構的傳動主要靠伺服電機驅動渦輪蝸桿，來帶動兩條鋼帶相互纏繞，利用鋼帶中間的鎖孔相互鎖緊，螺旋上升。伺服電機正傳帶動渦輪旋轉，蝸桿逆時針旋轉，兩條鋼帶在渦輪的帶動下也逆時針旋轉上升，到達所調節的高度，伺服電機反轉，蝸桿順時針旋轉，鋼帶在渦輪的帶動下順時針下降，直至鋼帶全部收縮在固定盤里，整個上升下降動作完成。

蝸輪蝸桿傳動時，兩軸是相互交叉垂直的。蝸桿可以看成為在圓柱體上沿著螺旋線繞有一個齒或多個齒的螺旋，蝸輪就像個斜齒輪，但它的齒包著蝸桿。在嚙合時，蝸桿轉一轉，就帶動蝸輪轉過一個齒（單頭蝸桿）或多個齒（多頭蝸桿），因此蝸輪蝸桿傳動的速比i=蝸桿的頭數Z1/蝸輪的齒數Z2。

3.3 驅動設計

初期以推動20kg的重物計算，0.1-0.2m/s的速度向上爬升。

則負載所需功率為PW：

Pw=FWVW=200N*0.2m/s=40W

查詢資料得：

聯軸器的傳動效率取0.97；

軸承的傳動效率取0.94；

蝸輪蝸桿（具有自鎖）的傳動效率取0.4；

卡帶與傳動輪支柱之間的傳動方式，類似于螺旋傳動，效率為0.4；

則電機所需功率為P：

P=Pw/η=40/（0.97*0.94*0.4*0.4）W=274W

選取電機額定功率Pm：

Pm=（1～1.3）P=274～356W

因此電機暫以選用功率為400W的低壓交流伺服電動機，調速范圍為：1～3000RPM

由于電動機后接蝸輪蝸桿傳動，因其減速比較大，所以在伺服電動機驅動器的眾多可控參數中可以把加速度參數設置的大些，如20000，而位置環KP參數也可以設置的大些，如 3000。伺服電機最適合此種負載。

4 結束語

本文主要對薄壁升降機構的研究背景，工作原理，方案設計及詳細設計、電機的選擇。薄壁升降機構具有結構緊湊、尺寸小，設備閉合高度小，大載荷能力、大行程時穩定性好。相對實心螺旋絲杠來講，空心板帶螺旋升降器的承載能力大，運行平穩、噪音較低，壽命長、維修方便，效率高、驅動功率小，設備的總傳動效率較高，機械簡單，安裝容易，設備機械結構精巧而簡單，同步性能可靠等優點。未來在建筑，大劇院，舞臺升降，太空探測等領域將會有更大的應用，未來市場前景廣闊，可發展性好。

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