基于单片机关于螺旋千斤顶设计

1、摘 要本设计根据工厂使用要求，我们设计，计算并且校核了一种锥齿轮螺旋式千斤 顶，用来举起火车车厢，以方便火车车厢的检修。起重设备有多种形式，其中螺旋式千斤 顶的结构较简单，按照要求起重高度的不同，可高可矮，工作较最可靠。本螺旋式千斤 顶采用公 式计算的方法，对千斤 顶的重要部件例如，螺杆，螺母，套筒等关键螺旋式传动部件进行了精密的公 式计算与选材，重点运用机械原理机械设计方面的知识，并运用autocad进行了绘图。利用单片机控制直流电机实现千斤 顶的运动，替代了人力，节省了人力资源。为了防止发生侧向偏移，我们让四个直流电动机同步工作，既提高了本设备的安全性，又提高了运动的精度，方便快捷。采用语

2、言编程，使控制更加方便快捷，简单。本设计从螺旋式千斤 顶的零件的设计与选材等个个方面，论述了它设计的全部过程。在工艺规程制定中，运用了大量的科学加工理论及计算方法，对它进行了严密地设计计算。 关键词：螺旋式千斤顶 螺杆螺母单片机I1ABSTRACTThe requirements of the design according to the factory，We design, calculation and check of a bevel gear screw jack，Used to lift the train cars, and to facilitate the maintenan

3、ce of the train cars.Lifting equipment in various forms, in which the structure of the screw jack is relatively simple, in accordance with the requirements of the the lifting height difference can be high or low, compared with the most reliable work.We use formula for screw jack designing, with impo

4、rtant component of the jack screw, for example nut, sleeve key screw drive components sophisticated formula and the selection, focusing on the use of the knowledge of the mechanical design and the mechanical principles, and use AutoCADthe drawing.Microcontroller to control the DC motor to achieve th

5、e movement of the jack, instead of manpower, saving human resources. In order to prevent the occurrence of lateral offset, so that the four DC motor synchronization, both to improve the safety of the device, but also improves the accuracy of movement, quick and easy.This design from all parts of the

6、 design and selection of screw jack, discusses the design process. In the process of order-making, the use of a large number of scientific processing theory and methods of computation it tight design calculations.Key words：Screw jack Screw Screw nut MCUII目 录摘 要IABSTRACTII第一章 前言11.1中国发展情况1第二章 传动方式的选择

7、22.1几种千斤顶及不同结构的比较22.1.1千斤顶的分类22.1.2经过带减速器的电机后向螺杆传递运动的途径22.1. 3千斤顶的技术规格和结构32.1.4千斤顶的工作原理3第三章 螺旋传动的设计与计算43.1 螺旋传动的应用和类型43.1.1根据螺杆和螺母的相对运动方式的不同进行分类43.2螺旋传动的计算53.2.1螺杆外形尺寸的设计计算53.2.2螺母尺寸的计算73.2.3自锁的验算83.2.4螺杆的其他参数计算9第四章 锥齿轮设计计算104.1锥齿轮的设计计算104.1.1锥齿轮的基本参数计算10第五章 电动机的选择125.1电动机的初步确定125.1.1电动机功率的初步确定125.1

8、.2选择电动机功率125.1.3确定电动机的转速12第六章 控制部分的设计146.1控制部分简介146.1.1控制部分选材介绍146.2元器件简介146.2.1 STC89C52RC 单片机介绍146.2.2电机控制模块简介146.2.3红外接触部分156.2.4水银开关部分156.3电器原理图156.3.1电路原理图的设计15参 考 文 献18致 谢19 1第一章 前言1.1中国发展情况1. 建国以来一直到改革开放之前， 中国的千斤 顶产业发展的较晚，中国的千斤 顶需求是以工业和国防尖端使用为主。改革开放之后，国家经济的快速发展，拉动了中国千斤 顶的需求。千斤 顶产业在中国飞快发展的时期是上

9、 世纪九十年代末，千斤顶需求量的增速,远高于全球平均的水平。大概在20世纪的30年代，卧式千斤顶已经在汽车的检修中应用广泛，当是因为当时各种科技原因，千斤顶在设计时的尺寸和体积份份异常大，顶举重物的质量也异常巨大，不方便我们的使用。后来随着千斤顶生产制造技术的迅速发展以及工业发展,千斤顶越来越多的走进工业领域.在90年代中期，世界上很多用户在运用卧式千斤顶逐步取代了立式的千斤顶。在21世纪初期一些新型化样式的千斤顶也逐渐出现例如便携式千斤顶以及充气式千斤顶。1991年后，世界上千斤顶在数据上以每年平均6%的增长率增长，而从九十年代末期的几十年后，千斤顶在我国数据上消费量每年平均增长率是18.7

10、3%，大概是世界上每年平均增长率的3.0倍左右。进入到二十一世纪初期，千斤顶行业在中国高速的增长。2001年2005年，千斤顶行业在我国的销售量从198万吨增长到457万吨次，增加了2.5倍之多，每年的增长率在28%左右。甚至在2001年，我国千斤顶在数据上消费量更是达到226万吨，成为全球第一千斤顶生产销售大国。与此同时，千斤顶在进口中也增加非常迅猛。1999年，千斤顶在我国进口了101万吨，成为全球最大的进口国。2005年与1999年相比，千斤顶的进口增长的幅度每年都达到28.14%。预计2006年，中国千斤顶在数字上消费量将达到510万吨，进口仍将保持在310万吨次左右。从总体上研究发现

11、，我国生产制造的千斤顶已经由品种单一、水平低、规模小、严重不能满足需求逐步到达质量可以符合要求、初步满足国民经济发展要求,品种质量显著提高和的深刻转变，千斤顶的需求将一步步实现自己生产自己制造。在一家维修火车车厢的公司，发现他们需要一种使火车车厢升起的举重设备，经过各种分析，发现塔吊、行吊、以及普通升降机均不能符合这家公司的要求，因此我们设计了这款千斤顶举重设备来弥补不足，以便使这家公司方便检修。01第二章 传动方式的选择2.1几种千斤顶及不同结构的比较2.1.1千斤顶的分类按其构造及工作原理的不同，通常分为机械式和液压式式，机械式千斤顶又有螺旋式式与齿条式两种，其中的螺旋式式千斤顶和液压式式

12、千斤顶最为常用。然而液压式千斤顶具有一些利于长时间顶举的特点，十分不适合本场合的应用，所以我们这次选择螺旋锥齿轮千斤顶。2.1.2经过带减速器的电机后向螺杆传递运动的途径传动方式优势劣势皮带传动制造较易，价格很低，安装性能较好，可加工性好。出现过载时，皮带打滑；皮带具有弹性滑动使传动比及传动速度不平稳。齿轮传动动作准确可靠。体积巨大，不利于加工以及制造。若实现很大的传动比则需要的空间很大，十分不利于加工以及装配，且加工价格很高，不利于成批量生产蜗轮蜗杆传动传动平稳，无振动、以及冲击和噪声均很少，利用很小的成本可获得很大的传动比。发热磨损较严重（需用减磨、耐热量很大，传动效率非常的低，需要十分耐

13、磨材料，生产成本较高）。链传动无弹性滑动或者打滑现象，传动效率很高，工作可靠并且可承受重载，成本低。不可以在较长的距离内水平布置。112.1. 3千斤顶的技术规格和结构按油压式千斤顶的结构、用途分为如下两种形式： 代号为表征字母qyl的立式螺纹连接结构油压式千斤顶，。 代号为表征字母qw立卧式两用油压千斤顶。螺旋千斤 顶按其结构和使用场所分为： 代号为表征字母为ql的普通型螺旋千斤顶。 代号为表征字母为qlg的普通高型螺旋千斤顶。 代号为表征字母为qld的普通低型螺旋千斤顶。 代号为表征字母为qlg的钩式螺旋千斤顶。 代号为表征字母为qlj的剪式螺旋千斤顶。 代号为表征字母为qlz的自落式螺旋

14、千斤顶。2.1.4千斤顶的工作原理千斤顶有液压式千斤顶和机械式千斤顶等等十几种工作原理，每种千斤顶的原理有所区别。从原理角度上讲，液压方式传动所基于的最简单的工作原理为帕斯卡原理，就是说，在容器中液体各部分的压强的大小是完全一致的，因此，在平衡设计系统内，体积很小的活塞上面所给予的压力非常小，而体积大的活塞上方施加的压力也非常大，这样才能够保持液体的全面静止。因此通过容器内,或者液压缸内,液体的传递，我们完全可以获得各种不同端上的多种不同的工作压力，我们这样就能够获得一个变换着的目的的机械结构。在我们日常生活中所常见到的一些液压千斤顶采用了这个经典的原理以用来获得力的传递。手动螺旋式千斤顶,我

15、们就是通过往复的扳动手柄，手柄推动拔爪即能推动棘轮间隙的回转，小型伞齿轮用来带动大型伞齿轮、再带动举重螺杆使其旋转，我们从而再使升降套筒能够获得起升或下降的动力，因此我们能够获得起重下降的功能，它可以由人力通过螺旋副式传动，也可以通过电动机进行传动.其成本很低，结构非常紧凑，使用,携带非常的方便；并且能够长期的承受负载上升及下降，最大的起重得重量达100多吨，使用非常广泛。21第三章 螺旋传动的设计与计算 3.1 螺旋传动的应用和类型我们利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副，来实现传动的要求。它可以将物体回转的运动变成物体直线的运动，而且螺旋传动可以传递运动以及扭矩。具有转动均匀、结构紧凑、平稳

16、、准确、易于自锁等优势，所以非常适合我们使用。 3.1.1根据螺杆和螺母的相对运动方式的不同进行分类螺旋传动根据固定端的不同可以分为：（1）如图(a) 螺杆转动并且可以直线运动，螺母被固定。这种方式在手动千斤顶中被广泛运用，但因为我们需要的行程大，螺杆容易弯曲，显然不符合我们的要求（2）如图(b)螺母转动，螺杆以直线方式移动，这种结构也不适合我们的要求，原因同上。（3）如图(c)螺杆固定在机器上不动，螺母旋转并沿直线移动，我们要求螺母固定不动，显然这也不符合我们要求。（4）如图(d)螺母可以沿着直线运动，螺杆转动。 (a) (b) (c) (d)(c)(d)图3.1 运动方式本次设计的螺旋千斤

17、顶是运用了上图（d）的运动方式，即螺母直线运动。3.2螺旋传动的计算3.2.1螺杆外形尺寸的设计计算我们通过工厂的数据得知一台车厢的重量一般在21吨,我们采用四台千斤 顶同时举起的方式,那我们每台大概举起6kg,为了预防千斤顶一端收载太大，我们假设一台千斤 顶能够举起7000kg，物理计算为70000N，我们通过这个参数以及机械设计上的一些公 式来计算或者校核一些零件例如:螺杆、螺母、套筒、托盘等的尺寸、强度、材料等内容。并且我们通过他的外形结构、尺寸、以及他所使用的材料来定出他的可加工型。根据上文讲的一些特点，采用梯形螺纹，根据我们的要求，我们单的螺杆要承载的力为70000N，螺母我们选择整

18、体形势的螺母。至于材料我们看表3.1。通过表3.1我们再结合我们工厂的环境，发现我们的工厂很棒，温度适宜，工人熟练程度很高，工资发的很到位，润滑条件很好，且我们的千斤 顶运动形势为低速重载，所以我们螺杆选择40Cr，而螺母我们选择ZCuSn5Pb5Zn5。这两个材料都具有很高的强度，很好的韧性以及很出色的耐冲击性能，价格还可以，可加工性好，很符合我的要求。表3.1 螺杆与螺母常用的材料螺纹副材料应用场合螺杆Q235 Q275 45 50轻载、低速传动。材料不热处理40Gr 65Mn 20GrMnTi重载、较高速。材料需经热处理，以提高耐磨性9Mn2V GrWMn 38GrMoAl精密传导螺旋传

19、动。材料需经热处理螺母ZcuSn10P1 ZcuSn5Pb5Zn5一般传动ZcuAL10Fe3 ZcuZn25AL6Fe3Mn重载、低速传动。尺寸较小或轻载高速传动，螺母可采用钢或铸铁制造，内空浇铸巴士合金或青铜我们首先要计算螺杆的中径值，为了计算中径值我们从机械设计课本中找到了公 式（1）这个万恶的公 式，有请公 式（1）登场其中-矩形螺纹、梯形螺纹的一个系数为0.8；锯齿形螺纹的这个系数为0.65。-表示整体式螺母的一个系数为1.2-2.5，=18-25mpa通过以上万恶的公 式我们计算得到螺纹中径d2的值(计算值)为：33.466mm，我们选择了螺纹中径d2(选取值)为：36mm，公称直

20、径为：40mm，外螺纹小径d1为：34mm，内螺纹大径d为：34mm螺距P为：6mm导程L为：6mm3.2.2螺母尺寸的计算通过上文的螺杆的计算，基本可以推理一些大概螺母的尺寸以及他的一些个结构，我们借鉴了课本的公 式（2）（3）（4）进行了分析计算，通过查书我们发现：矩形与梯形螺纹的工作高度为h=0.5p；锯齿形螺纹的高度为h=0.75p；z=H/p为螺纹工作的圈数，H为螺纹高度(mm)，p为许用的压强(MPa)通过计算我们得到：螺母高度H的值为：72mm旋合圈数z的值为：12螺纹的工作高度h的值为：3mm工作压强p的值为：12.193MPa；通过计算校核，以及查表3.2我们发现所选材料完全

21、符合机械使用要求。表3.2 滑动螺旋传动的许用压强螺纹副材料滑动副速度/(m·min-1)许用压强/MPa钢对青铜低速<3.0612>151825111871012钢-耐磨铸铁61268钢-灰铸铁<2.4612131847钢-钢低速7.513 淬火钢-青铜6121013注：ø<2.5或人力驱动时，p可提高20%；螺母为剖分式时，p应降低15%-20%。3.2.3自锁的验算自锁的条件是在该式中：为螺纹中径处的升角；是该式的当量的摩擦系数，其中（，式中的代表螺纹工作面的牙形斜角度数）；为该式的当量摩擦角（为保证机械自锁，螺纹中径处的螺旋的升角至少要比当量

22、摩擦角小10.）查表3.3取（取起动时计算用最大值）故，所以自锁性是完全可以保证的。表3.3 螺旋传动螺旋副的当量摩擦系数fV（定期润滑）螺旋副材料钢和青铜钢和耐磨铸铁钢和铸铁钢和钢淬火钢和青铜3.2.4螺杆的其他参数计算经过一些其他的计算，我们算的：螺杆的刚度计算螺杆材料的切变模量G为：83000MPa轴向载荷使导程产生的变形量LF为：0.00223mm转矩使导程产生的变形量LT为：-3E-5mm导程的总变形量L为：0.00228mm计算横向的振动螺杆两支承间的最大距离lc为：500mm一端固定，一端不完全固定的系数1为：4.730临界转速nc为： 21022.713(r/mi第四章 锥齿轮

23、设计计算4.1锥齿轮的设计计算4.1.1锥齿轮的基本参数计算根据我的设计计算，我要求得锥齿轮的传动比为1:2.5，试取锥齿轮大端模数，试取小齿轮齿数，大齿轮齿数，平均模数，当量直齿圆柱齿轮的模数。 所以，当量齿数 分度圆的直径平均分度圆的直径锥距已知 既当量直齿圆柱齿轮分度圆半径为齿顶 高齿根 高齿顶圆的直径齿根圆的直径齿 根角 因为所 以顶 锥角根 锥角顶隙是 分度圆的齿厚为齿宽取 取B=31mm经过受力校核分析，该齿轮副完全符合要求。第五章 电动机的选择5.1电动机的初步确定5.1.1电动机功率的初步确定根据工厂的环境以及使用要求,我们初步选择带减速器的直流电动机,电压220v，额定的电压

24、就是220v。5.1.2选择电动机功率电动机所需的计算的功率是：（其中：为负载功率，为电动机功率， 为总效率。）然而KW, 因此KW各部件的传动的效率分别为： 圆锥齿轮的传动效率开式齿轮的传动效率传动装置的总效率应该是组成传动装置的各个部分运动副的效率的乘积,即：所以 KW （3）5.1.3确定电动机的转速我们根据公 式计算得出小锥齿轮的转速，参见公 式（4）再用减速器是1:80的得出电机转速大概是1500r/min,查看机械手册得，型号功率/kw转速r/min电压v电流aZ2-322.515oo22012第六章 控制部分的设计6.1控制部分简介6.1.1控制部分选材介绍我们要求四台电动机同步

25、工作，中间不能有倾斜现象，这样我们的选材选择一些性价比较高，符合要求的材料，我们选取了STC89C52RC 单片机、水银平衡电开关、红外控制模块、直流电机控制模块等部分。6.2元器件简介6.2.1 STC89C52RC 单片机介绍STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的,新一代低功耗/高速/超强抗干扰的单 片机，指令代码完全兼容的传统 8051 单片机系列，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周 期可以任意选择。 6.2.2电机控制模块简介电机选择直流电机，电机模块的图见:图6.1 直流电机控制模块电路图如图所示,如果P2.0为高电平，则继电器k1接受高电平吸和控制接触器km1，使km1

26、相接触，则220v电源通过接触器km1从电动机1口到达2口，实现电动机的正传，如果继电器k1断开，继电器k2相接触，则电动机转向则正好相反。由此实现了电动机的正反转。其中继电器选择的是JT17系列，整定电流范围101214A。而接触器选择的是CZ0-630/10，额定电流/A: 为 630额定电压/V: 为440主触头数量|常开: 为 1主触头数量|常闭: 为56.2.3红外接触部分一体化设计的红外接收头 HS0038 是一个 具有3 个脚的 IC（集成电路），并且它内置一些调理电路，因此其外部的电路就非常简单易懂。1 脚是用来接 GND。2 脚是电源，通过电阻器 R50 连接 VCC。3 脚

27、连接 I/O 口， I/O 口必须上拉才使信号更加稳定。我们利用红外线接触部分与红外行程开关相接触，用来反馈千斤 顶工作的高度。当千斤 顶到达合理的位置时停止。6.2.4水银开关部分水银开关，我们又称其为水银平衡开关，作为电路开关家族的一员，它有一端接著容器的电极内含有一小滴子水银元素。通过牛顿力学定律的原理，水银珠会随着容器的摆动流向容器较低的地方，假如我们与两个电极相接触，开关就会将电路相闭合，开关就会开启变为另一种状态。 6.3电器原理图6.3.1电路原理图的设计电路图如图6.2所示，图6.2 电路控制图其中四个按键分别为s1表示开始；s2表示电动机正转；s3表示电动机反转；s4表示停止

28、。再接复位电路，这款电路图就完成了。按下s1键，千斤顶开始工作，按下s2键电动机开始正转，带动螺母向上顶起重物；按下s3键电动机开始反转，带动螺母使重物下降，按下s4键则千斤顶停止工作。结 论 本毕业设计，螺旋式千斤 顶采用螺旋传动的原理进行了设计，传动精确，符合工厂的使用要求具体优点有：（1） 螺旋传动具有传动精确，传动效率高，使用寿命长的特点，被工程师广泛的运用，尤其符合我们设计的要求，以及我们使用环境以及工厂的要求，且在机械领域螺旋传动式结构使用众多，因此选择螺旋传动式结构。（2） 电机选用直流伺服电动机，直流伺服电动机具有调速性能好的优点，特别适合以后的开发使用，虽然直流电动机的价格有

29、点偏高，但他符合我们的使用要求，且调速性能各种好。因此，我们选择直流电动机。（3） 控制部分选择单片机控制，单片机控制具有控制精度高，价格便宜，容易学习的特点，符合我们的要求，因此我们选择使用单片机。使我们的毕业设计部分更加的完善，更加符合我们的要求。但是本毕业设计因为时间以及本人水平有限，还有许多可以开发的领域，例如我们可以利用直流电动机进行调速，因为直流伺服电动机具有方便调速的特性,在这方面我们可以大大加以利用,并且我们可以利用pwm技术进行直流电动机的调速。PWM调速控制的大体基本的原理在上世纪就已经出现，由于受到了很多电力,电子元件的发展水平制约的限制，在二十世纪八十年代之前一直没能够加以实现。一直步入上世纪90年代末，伴随着全控型形式的各种电子元器件的发明和创造，PWM调速控制技术才能够真正的得到应用。并且随着微电子技术、电力电子技术和自动控制科技发明的发展以及各种先进的理论方法的出现，例如现代控制理论与研究、非线性系统的控制思想应用与实现，PWM在工业控制技术获得了巨大的的发展，到二十一世纪初，已经出现了很种PWM控制技术。但我们在这次的设计中还没有出现。而且我们的程序里面没有增加防止抖动的措施，当一摁下按键，电动机直接旋转，不利于电动机的长期使用。以上问题都可以在以后的使用中慢慢的增加或者修正。参 考 文 献1刘书杰.李丽.刘树香，