【摘要】本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)控制的電動(dòng)升降書(shū)架。傳動(dòng)系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu),以單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),通過(guò)按鈕或遙控裝置控制書(shū)架可動(dòng)部分升降。升降式書(shū)架有效解決了閱覽室、圖書(shū)室、文獻(xiàn)儲(chǔ)存室等大量圖書(shū)的存取和查閱的困難,同時(shí)能增大室內(nèi)空間利用高度,增大存儲(chǔ)空間從而增大圖書(shū)存儲(chǔ)量。另外,書(shū)架升降避免了傳統(tǒng)柜式書(shū)架圖書(shū)存放、查找往往要上下攀爬潛在的危險(xiǎn),也減少管理人員的采用手動(dòng)升降書(shū)架的勞動(dòng)強(qiáng)度。該方案設(shè)計(jì)的書(shū)架是一款新型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,本設(shè)計(jì)方案已經(jīng)申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利并獲批準(zhǔn),使用方便,安全性好。
【關(guān)鍵詞】電動(dòng)升降書(shū)架;單片機(jī)控制;遙控裝置
目前,由于社會(huì)發(fā)展對(duì)知識(shí)和信息的強(qiáng)大需求,各種級(jí)別的閱覽室、圖書(shū)館和資料室藏書(shū)量急劇增加[1],圖書(shū)的管理工作十分繁重。圖書(shū)的存放,查找都是繁重的體力勞動(dòng),往往還要上下攀爬,具有一定的危險(xiǎn)性?,F(xiàn)代圖書(shū)館、資料室、辦公室、個(gè)人書(shū)房都需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)升降的書(shū)架,能有效增大存儲(chǔ)空間、充分利用室內(nèi)空間,而又存取書(shū)籍安全、省力。通過(guò)調(diào)查,在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的書(shū)架有傳統(tǒng)柜式和隔板式,還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有與本設(shè)計(jì)方案類(lèi)似的書(shū)架。市場(chǎng)上新出現(xiàn)的“升降式閱讀書(shū)架”是一種放一本書(shū)能手動(dòng)調(diào)節(jié)高度,主要目的是方便閱讀。本方案設(shè)計(jì)的書(shū)架可以滿足以上需求,并且美觀大方、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格適中,具有很強(qiáng)的人性化特色,因此具有極強(qiáng)的開(kāi)發(fā)使用前景。
1.書(shū)架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
本新型電動(dòng)升降書(shū)架的結(jié)構(gòu)分為上下兩部分,下部分為固定書(shū)架,上部分為升降書(shū)架。電動(dòng)升降書(shū)架結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)原理如圖1所示。
固定書(shū)架整體高1.6m,寬0.25m,長(zhǎng)度可根據(jù)使用空間適當(dāng)調(diào)整。其底部下幾層向前傾斜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使書(shū)籍側(cè)面書(shū)名略斜向上放置,使查閱者無(wú)需彎腰或蹲下查看書(shū)名和選書(shū)。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)使書(shū)架與地面接觸部分變寬,保證升降書(shū)架整體的穩(wěn)定性(可動(dòng)書(shū)架向前滑出時(shí)造成重心前移)。
1.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.自鎖蝸桿減速器 4.鋼絲繩卷筒 5.鋼絲繩 6.滾輪 7.升降書(shū)架 8.導(dǎo)向孔 9.導(dǎo)向塊 10.定位卡槽 11.上行程開(kāi)關(guān) 12.定滑輪 13.上導(dǎo)向桿 14.定位卡塊 15.動(dòng)滑輪 16.懸吊鋼絲繩 17.定位擋板 18.前導(dǎo)向桿 19.法蘭盤(pán) 20.下行程開(kāi)關(guān) 21.固定書(shū)架
2.傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理
2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)
傳動(dòng)系統(tǒng)組成:驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、自鎖蝸桿減速器依次串連。鋼絲繩卷筒和自鎖蝸桿減速器同軸,用螺栓固定在書(shū)架底板后部(有空腔)位置。工作時(shí),電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器、自鎖蝸桿減速器同軸轉(zhuǎn)動(dòng);自鎖蝸桿帶動(dòng)鋼絲繩卷筒減速轉(zhuǎn)動(dòng);卷筒通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)升降書(shū)架可動(dòng)部分升降運(yùn)動(dòng)。
2.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
前導(dǎo)向桿與法蘭盤(pán)焊接成一體,通過(guò)螺釘固定連接在固定書(shū)架左右兩側(cè)面上,通過(guò)下行程開(kāi)關(guān)和上行程開(kāi)關(guān)限制升降書(shū)架的運(yùn)動(dòng)行程。
固定書(shū)架上部左右兩側(cè)的柜體側(cè)板,有一定斜度。固定書(shū)架后部的板體和書(shū)架最高位置同高,用于固定連接兩個(gè)上導(dǎo)向桿。支撐桿從兩側(cè)面聯(lián)接上導(dǎo)向桿和固定書(shū)架。
上導(dǎo)向桿上裝有定位卡塊,與上導(dǎo)向桿以移動(dòng)副動(dòng)連接;升降書(shū)架上中部設(shè)有無(wú)頂盒型的定位卡槽,定位卡槽四周內(nèi)側(cè)面與定位卡塊的四周側(cè)面接觸形成移動(dòng)副。定位卡塊上設(shè)計(jì)有與兩個(gè)上導(dǎo)向桿直徑相同,且位置對(duì)應(yīng)并平行的通孔,與兩個(gè)上導(dǎo)向桿形成移動(dòng)副;定位卡塊下部放入位于其正下方固定在升降書(shū)架上的長(zhǎng)方形無(wú)頂定位卡槽內(nèi)。
2.3 導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)
導(dǎo)向塊與升降書(shū)架固定連接,導(dǎo)向塊中部設(shè)有與前導(dǎo)向桿直徑相同下部成倒置喇叭形的垂直導(dǎo)向孔。升降書(shū)架底部裝有若干個(gè)滾輪,其安裝高度由前至后逐漸升高,中心連線與固定書(shū)架上部側(cè)板斜面平行。
鋼絲繩在鋼絲繩卷筒上預(yù)先纏繞足夠長(zhǎng)度后,從書(shū)架后中部垂直引上,如圖1所示。鋼絲繩經(jīng)定滑輪轉(zhuǎn)向后,再?gòu)纳侠@過(guò)安裝在定位卡塊前上部的動(dòng)滑輪后,分成四股直徑較小的懸吊鋼絲繩,分別固定在升降書(shū)架頂部的四角,而且長(zhǎng)度相同,保證升降書(shū)架各層在運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中保持水平平動(dòng)。
圖1中雙點(diǎn)劃線部分表述的是升降書(shū)架恰好沿傾斜滑槽滑出,導(dǎo)向塊與豎直的前導(dǎo)向桿即將進(jìn)入配合導(dǎo)向、升降書(shū)架準(zhǔn)備下降時(shí)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)的關(guān)鍵位置;粗實(shí)線表述的是書(shū)架平時(shí)靜止放置使用的初始位置。
2.4 電動(dòng)升降控制
電動(dòng)升降書(shū)架采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng),交流工頻50Hz-220V。通過(guò)上升按鈕或下降按鈕使電機(jī)能夠正反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)書(shū)架升降。電機(jī)點(diǎn)動(dòng)方式運(yùn)行,方便人們調(diào)整可動(dòng)書(shū)架高度,保障安全。
當(dāng)需要取用高層升降書(shū)架各層內(nèi)的書(shū)籍時(shí),手按住下降按鈕不松手,驅(qū)動(dòng)電機(jī)通電正轉(zhuǎn),經(jīng)過(guò)自鎖蝸桿減速器減速至合適轉(zhuǎn)速,使鋼絲繩卷筒繞軸旋轉(zhuǎn),將纏繞在其上的鋼絲繩勻速展開(kāi),升降書(shū)架在重力的作用下沿固定書(shū)架頂部的斜面,在滾輪的作用下順利向前下方移動(dòng)。
同時(shí),頂部定位卡塊沿上導(dǎo)向桿移動(dòng),且在定位卡槽中向上逐漸移動(dòng),當(dāng)定位卡塊的前端面與焊接在兩個(gè)平行的上導(dǎo)向桿前端的擋板接觸時(shí),定位卡塊停止。此時(shí),升降書(shū)架位于圖示的雙點(diǎn)劃線位置,導(dǎo)向塊中部的導(dǎo)向孔與位于書(shū)架左右兩側(cè)的兩個(gè)垂直布置的前導(dǎo)向桿軸線恰好重合,即將接觸,而定位卡塊與定位卡槽還未完全脫離。
當(dāng)鋼絲繩繼續(xù)從鋼絲繩卷筒上展開(kāi)時(shí),升降書(shū)架在重力和定位卡塊與定位卡槽組成移動(dòng)副的共同作用下,緊貼著固定書(shū)架正面垂直下降,前導(dǎo)向桿逐漸進(jìn)入導(dǎo)向孔內(nèi),形成移動(dòng)副,在定位卡塊與定位卡槽完全脫離時(shí),接替前者的上下定位作用,使升降書(shū)架繼續(xù)落下,達(dá)到合適高度時(shí),松開(kāi)下降常開(kāi)開(kāi)關(guān),驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),在自鎖蝸桿減速器自鎖的作用下,穩(wěn)定停止到合適高度,從而實(shí)現(xiàn)高層書(shū)架前移并降低到需要高度。
下行程開(kāi)關(guān)和上行程開(kāi)關(guān)在升降書(shū)架運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的最低位置高或最高位置時(shí),斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)電路,使電機(jī)停止,保證整個(gè)起降過(guò)程中鋼絲繩拉緊,避免鋼絲松弛而從滑輪或卷筒槽中脫開(kāi)。當(dāng)取放好書(shū)后,按動(dòng)上升常開(kāi)開(kāi)關(guān),整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)反轉(zhuǎn),升降書(shū)架在上行程開(kāi)關(guān)的作用下恰好回復(fù)到初始位置。另外,在電機(jī)正向/方向運(yùn)動(dòng)切換時(shí),采用機(jī)械互鎖的方式保護(hù)電路,防止損毀電源,另外加熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)。
3.傳動(dòng)系統(tǒng)確定
3.1 選擇電動(dòng)機(jī)[2]
功能要求分析;根據(jù)設(shè)計(jì)的要求,盡量選擇功率與轉(zhuǎn)速適當(dāng),能滿足升降要求,能實(shí)現(xiàn)頻繁正反轉(zhuǎn),且價(jià)格較低的電動(dòng)機(jī)。經(jīng)計(jì)算要求電動(dòng)機(jī)功率2.5KW、轉(zhuǎn)速48rpm,故選用Y100L2-3電動(dòng)機(jī),而且?guī)?bào)閘功能。
3.2 蝸桿傳動(dòng)的確定
考慮到傳遞的功率不大,轉(zhuǎn)速較低,選用ZA蝸桿傳動(dòng)[3],精度8CGB10089-1988。蝸桿用35CrMo,表面淬火,硬度為45-50HRC;表面粗糙度Ra≤1.6μm。蝸輪輪緣選用ZCusn10p1金屬模鑄造。選取蝸桿Z1=1、蝸輪Z2=30、導(dǎo)程角=3.18度,蝸桿外圍采用散熱片散熱。
3.3 鋼絲繩選擇及卷筒的設(shè)計(jì)
選取鋼絲繩參數(shù)直徑D鋼絲繩=8mm、長(zhǎng)度L=2200mm。
卷筒采用低合金高強(qiáng)度鋼,鋼絲繩卷筒設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其尺寸如圖2所示。因?yàn)楣怖@1.7層,所以采用壓板固定方式把鋼絲繩固定在卷筒上。
3.4 滑輪軸設(shè)計(jì)及聯(lián)軸器的選用
滑輪軸選用45#鋼調(diào)質(zhì),滑輪軸結(jié)構(gòu)及其尺寸如圖3所示?;喼睆紻=225m。該傳動(dòng)系統(tǒng)間歇工作,且速度低,故選用凸緣聯(lián)軸器。選用Gy5型聯(lián)軸器公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩為400Nm,許用轉(zhuǎn)速為6800rpm。
4.基于單片機(jī)的電動(dòng)控制設(shè)計(jì)
4.1 電動(dòng)升降書(shū)架遙控系統(tǒng)
電動(dòng)升降書(shū)架控制系統(tǒng)原理如圖4所示。電動(dòng)升降書(shū)架還采用遙控器控制,控制系統(tǒng)采用AT89C52作為核心[4]。89C52單片機(jī)接收到紅外遙控器的控制指令后,進(jìn)行判別和處理,輸出控制升降電機(jī)的運(yùn)動(dòng),從而控制書(shū)架的上升。升降電機(jī)為帶報(bào)閘功能的單相減速電機(jī),當(dāng)電升降轉(zhuǎn)到位后,相應(yīng)的上限位開(kāi)關(guān)或下限位開(kāi)關(guān)檢測(cè),反饋信號(hào)給單片機(jī),并由蜂鳴器產(chǎn)生到位報(bào)警,使電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,可以通過(guò)遙控器按鍵隨時(shí)停止電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
4.2 遙控開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)[5]
在紅外接收電路中,紅外接收頭與單片機(jī)的P3.2口相連接。紅外遙控器控制升降電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)和電機(jī)的停止。系統(tǒng)設(shè)置了6個(gè)操作按鍵K1、K2、K3、分別為升降電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止按鍵。系統(tǒng)的無(wú)線遙控模塊采用38KHZ的HT6221,在單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)接收后,需用軟件程序?qū)ζ溥M(jìn)行解碼,以控制電機(jī)相應(yīng)的動(dòng)作。
4.3 電機(jī)控制電路
升降電機(jī)為單相電機(jī),單片機(jī)的p1.5輸出控制繼電器,通過(guò)控制繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。
5.結(jié)語(yǔ)
本方案書(shū)架特征是書(shū)架結(jié)構(gòu)分為升降暑假和固定書(shū)架兩部分,升降書(shū)架底部通過(guò)滾輪(布置成一定傾斜角度)與固定書(shū)架頂部的斜面(具有相同斜度)接觸,上部通過(guò)鋼絲繩穩(wěn)定懸掛在固定書(shū)架上部。通過(guò)按鈕或遙控器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)下,使升降書(shū)架能夠緩慢平移出來(lái),下降到合適高度以便于存取和查閱書(shū)籍。有利于增大書(shū)架存儲(chǔ)量、充分利用室內(nèi)空間。解決了現(xiàn)有書(shū)架上層書(shū)籍不便查閱、存放,節(jié)省人力,避免上下攀爬的危險(xiǎn)。新型電動(dòng)升降書(shū)架,安全性好,自動(dòng)化程度高,操作簡(jiǎn)便。
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基金項(xiàng)目:陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題“基于PIC16F72單片機(jī)控制的升降書(shū)架”(ZK11-16)。
作者簡(jiǎn)介:
劉保朝(1979—),河南南陽(yáng)人,主要研究方向:機(jī)電一體化技術(shù)。
賈紅雨,河南禹州人,鄭州輕工業(yè)學(xué)院教師。