動控舞臺傳動部分機構設計【舞臺傳動機構設計】,舞臺傳動機構設計,動控舞臺傳動部分機構設計【舞臺傳動機構設計】,舞臺,傳動,部分,部份,機構,設計 舞臺傳動部分機構設計 Design of stage transmission organization system 設計： 指導教師： 摘 要 隨著人們文化生活水平的提高，對舞臺演出節(jié)目的質量要求越來越高。舞臺的現(xiàn)代化、智能化是必然的發(fā)展趨勢。國內雖有部分舞臺參照了國外的舞臺形式，但整體的技術水平較低，不能滿足舞臺使用的各種功能要求。本文以北京廣播電視中心800㎡演播廳舞臺與長影舞臺為例，通過選擇合理的傳動機構使舞臺實現(xiàn)平穩(wěn)傳動，長度達到12米的現(xiàn)代化動控舞臺。 通過舞臺伸縮的最佳速度8m/min，選擇相匹配的電動機與減速器，并通過對槽輪的設計使舞臺達到速度要求，從而依據完成主軸的設計。選擇合理的傳動機構（鋼絲繩傳動）實現(xiàn)舞臺平穩(wěn)傳動。并注意舞臺傳動機構與拖動機構相匹配，共同達到舞臺設計要求。 關鍵詞：動控舞臺、傳動機構、鋼絲繩傳動、主軸設計 Abstract Along with the people culture living standard enhancement, is more and more high to the stage items on the program quality requirement. The stage modernization, the intellectualization are the inevitable development tendency. The home although had a part of stage to refer to the overseas stage form, but the whole technical level was lower, could not satisfy the stage use each kind of function to request. This article take the Beijing broadcast television center 800㎡telecasts halls stage and the Changchun Movie Studio stage as an example, enables the stage realization steady transmission through the choice reasonable transmission system, the length to achieve 12 meters modernizations move control the stage. Optimum velocity 8m/min expands and contracts which through the stage, the electric motor and the reduction gear which the choice matches, and through enables the stage to the V-belt pulley design to meet the speed requirements, thus rests on completes the main axle the design. Chooses the reasonable transmission system (rope drive) to realize the stage steady transmission. And pays attention to the stage transmission system with to drive the organization to match, meets the stage design requirements together. Key word: Moves controls the stage, the transmission system, the rope drive, the main axle design 目 錄 前言·········································（2） 第一章 智能舞臺控制系統(tǒng)構成··················（3） 第二章 舞臺設計總體原則······················（15） 第三章 舞臺電動機的選擇要求與原則············（17） 第四章 減速器的選擇要求與原則················（19） 第五章 舞臺拖動設計··························（19） 第六章 主軸的設計····························（21） 結論·········································（30） 致謝·········································（31） 參考文獻·····································（32） 前 言 舞臺機械是舞臺設備的主干，是影劇院禮演堂和各種綜藝活動的重要組成部分，對舞臺幕布、舞臺燈光的設計起至關重要的作用！舞臺機械設計的好壞直接影響到舞臺的整體效果，他就好比一幢大樓的根基一樣！而且舞臺機械設計和安全也有很大的關系，舞臺機械主要由舞臺吊桿組成--有幕布吊桿、燈光吊桿和景物吊桿！ ???　 舞臺吊標分為電動和手動兩種,它主要用于懸吊和升降各種幕布、燈具、布景等物，是上下左右頻繁移動機械,所以吊桿也是舞臺安全的主要系數。電動吊桿的作用可以降低工作人員的勞動強度，起至事半功倍的效果,如果一個舞臺的深度有14米,我們可以為他設置電動吊桿38道，其中24道景桿（含一道前沿幕）、14道備用吊桿【包括2道二維側光燈架】，一道升降電影銀幕架、1道燈光渡橋及無極均勻伸縮大幕機1套。 　　 通過我們多年使用舞臺吊桿機械的經驗,我們認為泰州長江影視工程設備廠生產的產品，性能最穩(wěn)定，安全最可靠，已經被上百家劇院采用。其運用了蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)、材質為錫青銅，磨擦系數小，傳動效率高。有防沖頂保護、上下限保護?；啚殄冧\防跳繩花輪，安裝不須焊接在滑輪梁上，如焊死，以后維修、調整極不方便。長江影視設備廠的滑輪都是用抱箍羅栓固定。當吊桿升、降至某一位置時，ABS抱死系統(tǒng)立即斷火緊鎖馬達，這樣確保吊桿停至此位置下滑系數最小,安全性達到最高。且強弱電分開控制。 　　所以在這里設計了舞臺機械的具體參數: ?? ?A、景物吊桿技術參數如下： ???　電機功率：2.2KW?吊點數：4個 ???　升降速度：0.27m/s?桿體長暫定：16米 ???　電機轉速：1400轉/分?速比為：?40：1 ???　提升荷載為：400KG?桿體為鋼管 ???　控制方式：點控 ???該型吊相具有上下限位，沖頂保護裝置。制動形式：蝸輪、蝸桿自鎖，電磁抱閘。噪音≤45dB. ???吊桿桿體用兩根Φ50黑鐵管焊接成吊桿，中間接頭內襯鋼管。最后均刷防銹漆兩遍，外層噴黑色油漆。 ?? ?B、燈光吊桿技術參數如下： ???　電機功率：3KW?　?吊點數：4個 ???　升降速度：0.18m/s?桿體長暫定：14米 ???　電機轉速：1400轉/分?　速比為：?50：1 ???　提升荷載為：600KG?桿體為?50黑鐵管吊桿 ???控制方式：點控 ???該型吊桿具有上下限位，沖頂保護裝置。制動形式：蝸輪、蝸桿自鎖，電磁抱閘。噪音≤45dB。 ???吊桿桿體用Φ50；黑鐵管焊接成吊桿，中間接頭內襯鋼管。最后均刷防銹漆兩遍，外層噴黑色油漆。 第一章 智能舞臺控制系統(tǒng)構成 1． 舞臺臺面組成 舞臺臺面運動可以實現(xiàn)舞臺的升降、移動升降、旋轉、升降旋轉、伸縮、伸縮升降等運動，舞臺的基礎變化將達到數十到近百種，從而達到舞臺與舞美、演員、場景、燈光等協(xié)調變化功能，避免了傳統(tǒng)的為一次性使用而反復搭建基礎舞臺造成的人力、物力、財力的浪費，縮短了節(jié)目舞臺準備周期，使精彩紛呈的演出更加豐富多彩、變幻無窮。 智能舞臺臺面控制系統(tǒng)主要針對單元舞臺臺面運動進行控制。圖1為某廣播電視中心800mm演播廳智能舞臺臺面結構，包括5個升降臺面，一個通道臺面，一個旋轉臺面和一個T型臺面，其中1#~5#為升降臺，6#為通道臺，7#為旋轉臺，8#為帶伸縮功能的T型臺。8塊活動臺面均有現(xiàn)場手動和自動工作方式選擇，當選擇工作方式時，其所有動作均由PLC完成。通過上位機（監(jiān)控計算機）可實現(xiàn)整體舞臺活動臺面的監(jiān)視和控制。 T形臺8# 升降臺1# 升降臺2# 升降臺3# 升降臺4# 升降臺5# 旋轉臺7# 通道臺6# 圖1 舞臺臺面構成 2． 臺面運動控制原理 以升降臺面控制系統(tǒng)為例，說明升降臺面控制回路工作原理[2]。如圖2所示，舞臺的臺面運動部分由單元舞臺臺面、叉臂升降和液壓傳動結構組成，而臺面監(jiān)控部分由上位監(jiān)控機和 PLC組成，泵站提供液壓源。系統(tǒng)啟動時，由上位機下達舞臺臺面運動量的指令，PLC接受指令，判斷決策，然后向泵站電流及液壓傳動機構發(fā)出命令。泵站開始工作，液壓傳動機構中油缸活塞推動叉臂機構按輸入要求帶動升降舞臺進行升降運動。此時安裝在叉臂移動滾輪上的編碼器開始旋轉記錄行程，它隨時檢測升降臺的升降高度。系統(tǒng)中采用型號為KSJ1200編碼器，其旋轉速度為0.8圈/秒，在整個1200mm行程上編碼器約旋轉5圈，每圈產生500個脈沖，共產生5×500=2500個脈沖，平均1個脈沖代表1200/2500=0.5mm。這樣，控制精度可控制在±1mm。各升降舞臺即可獨立運行，也可同步運行。根據各個舞臺的不同要求組合成各種不同尺寸、不同形狀及不同面積、不同功能的舞臺。同理伸縮舞臺控制系統(tǒng)的工作原理大致相同。 單元臺面 叉臂結構 液壓傳動機構 泵站機構 編碼器 PLC 上位監(jiān)控機 操作 圖2 升降臺臺面控制回路示意圖 通過各單元舞臺的升降、伸縮或旋轉變化，滿足演出過程中對舞臺整體變化、各種道具及人員升降或旋轉的要求。 3． 臺面運動控制系統(tǒng)配置 如圖3所示，舞臺臺面控制系統(tǒng)主要由四大部分組成。分別是操作臺、PLC控制柜、液壓傳動機構和各活動單元舞臺臺面。 操作臺 觸摸屏 IPC ADAM4520 PLC柜 電源控制柜 液壓傳動機構 臺面1# 臺面2# 臺面3# 臺面4# 臺面5# 臺面6# 臺面7# 臺面8# 圖3 臺面運動控制系統(tǒng)示意圖 1） 操作臺 操作臺主要完成系統(tǒng)的操作任務。觸摸屏和工控機各自獨立工作。在觸摸屏操作界面上可以完成系統(tǒng)的操作任務，具體就是單元舞臺的各種工作，在IPC編程界面上可以完成系統(tǒng)的編程。 2） ADAM4520 亞當姆塊為通訊接口，將上位機與PLC的通信協(xié)議轉換為RS-422/RS-458串行通信協(xié)議標準，起通訊作用。 3） 控制柜 控制部分由PLC柜和電源控制柜組成。PLC柜主要完成系統(tǒng)的控制任務，包括PLC主機、通信模塊、輸入模塊、輸出模塊等。PLC主機接收到給定值及反饋值信號后，根據其內部的程序進行邏輯運算，按設計要求控制各個輸出點，由執(zhí)行元件實施具體的動作，電源控制柜主要完成系統(tǒng)供電、保護系統(tǒng)供電和液壓系統(tǒng)泵站電機的供電任務，包括斷路器、缺相檢測單元和見機保護設備等組成。 當操作員發(fā)出啟動油泵指令后，程序邏輯控制器（PLC）就給泵站主變頻電機的接觸器的線圈KM上電，主油泵電機工作，油壓上升到設計要求后，自動通知操作員。然后操作員可選擇舞臺效果，如按上升命令時，舞臺上升。若所選擇的單元舞臺上升到位后，就給程序邏輯控制器（PLC）發(fā)出一個信號，程序邏輯控制器（PLC）接到此信號后，啟動維持正常油壓的維持油泵電機，當維持油泵電機正常工作后，切斷主油泵電機，主油泵電機停止工作。這樣，主油泵電機僅在單元舞臺上升和下降時工作，油壓的維持靠維持電機來實現(xiàn)，既減少了噪音，同時起到節(jié)能的作用。油泵電機控制流程圖見圖4所示。 啟動 PLC 主油泵電機啟動 主油泵電機工作 臺面運動控制 臺面到位否？ 關斷主電機 Y N 啟動維持電機 下次啟動 圖4 油泵電機控制流程圖 4. 臺面運動控制回路的組成 舞臺臺面控制回路是由臺面、叉臂傳動機構[4]、液壓傳動機構[3]、PLC、上位監(jiān)控機[5]等部分組成，其控制回路原理圖參見圖5。操作人員通過人機界面向PLC發(fā)出給定指令，測量裝置對舞臺升降及旋轉位置進行實時監(jiān)測，檢測值與給定值比較，PLC經邏輯運算，命令執(zhí)行機構驅動舞臺升降或旋轉。 給定值 上位機 + PLC決策 e 液壓傳動裝置 檢測裝置 檢測值 - 圖5 臺面控制回路原理圖 5. 控制系統(tǒng)設計 1）臺面尺寸 ①1#~5#升降臺位于舞臺后部，尺寸為3700mm×3000mm，主臺面凈升降高度1200mm，臺面閉合高度600mm，單元舞臺組合成單排五列布置安裝在地平面上。 ②6#通道臺位于旋轉升降臺與臺階升降臺之間，為方便演員在演出過程中順利地從升降臺到旋轉臺而設計。當演員登上旋轉臺時，通道臺落到與地面齊平。臺面尺寸為1800mm×940mm，臺面凈升降高度1200mm，臺面閉合高度600mm，臺階升降臺的靜載300Kg/m，動載150 Kg/m，升降速度2400mm/min。旋轉臺面及通道升降臺面用有機玻璃裝修而成。通道升降臺與旋轉升降臺組成互動升降，使旋轉升降臺形成多種立體藝術效果。 ③7#旋轉臺位于智能舞臺中部，臺面尺寸Ф3600mm，靜載400Kg/m，動載為150Kg/m；凈升降高度1200mm，升降速度2400mm/min，旋轉速度600~4000mm/min可調；最低高度600mm，臺面可正反向旋轉。 ④智能化舞臺的前部有1個單元伸縮、升降舞臺[6]，也就是8#臺。伸縮活動舞臺臺面尺寸為3700mm×5400mm（由3個3700mm×1800mm臺面組成），伸縮距離分別為1800mm\3600mm\5400mm；伸縮舞臺基礎高度為450mm，舞臺上3個升降臺，其臺面尺寸為3700mm×1800mm，升降高度150mm左右與固定臺補平；伸縮臺靜載為300Kg/m，，伸縮速度2000mm/min。固定舞臺大小面積為20000mm×9600mm，高度為600mm，載荷為500Kg/m，由鋼框架及木版制成。臺口臺階尺寸為3700mm×300mm×150mm，靜載為300Kg/m。 2）控制程序流程 在控制系統(tǒng)中單元舞臺臺面是一個非常特殊控制對象，與液壓傳動機構相比，它質量大，從幾噸到幾十噸都有，臺面運動與叉臂運動是一致的，其傳遞函數近似地看成是一個比例環(huán)節(jié)。液壓傳動機構時間常數不大，所以這里采取邏輯控制策略。因為伸縮升降臺和旋轉臺決策原理同升降臺一樣，以升降臺為例說明其控制原理。 根據廣電中心演播廳的現(xiàn)場要求及技術指標，要求5個升降臺閉合高度為600mm，凈升降高度為1200mm，整個升降高度共分四個階段完成，每一階段高度為300mm。每個升降臺即可以一次性升降到指定高度后停止，也可以分階段升降，即每次只升降300mm停止，多次升降到指定高度。五個升降臺可以同步進行升降到指定高度值。臺面高度指定值i，按照分四個階段共有五個高度值分別賦值給五個變量：i=1200，i=900，i=600，i=300，i=0。下面以1#升降單元舞臺為例，闡述其具體的工作過程，程序流程如圖6所示。 EM232 操作臺 ADAM1520 電源 CPU226 通訊塊 接口 EM223 EM223 EM223 變頻器 泵站 電機 旋轉臺 液壓傳動機構 1#-5#升降臺 液壓傳動機構 通道臺 液壓傳動機構 伸縮梯形臺 備用 圖6 PLC網絡拓撲結構圖 6. 控制系統(tǒng)硬件設備 800m演播廳智能化舞臺主要由前區(qū)伸縮T形臺、中區(qū)旋轉升降臺及通道升降臺、固定臺、后區(qū)臺階升降臺、電氣驅動及液壓傳動系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)及軟件等部分組成?？刂葡到y(tǒng)硬件設備如附表。 附表 基本配置表 品號 設備名稱 型號規(guī)格 單位 數量 Z-1 臺階升降臺 HSJ1200型 套 5 Z-2 通道升降臺 HTDSJ1200型 套 1 Z-3 旋轉升降臺 HXS3600/1200型 套 1 Z-4 伸縮升降臺 HSS5400型 套 1 Z-5 固定臺 HGD600型 套 1 Z-6 固定臺階 HTJ150型 套 5 Z-7 油缸 CJT140-CA100C1 套 1 Z-8 減速器 RDY100-60Y1.1-ZA-B11 套 1 Z-9 觸摸屏 臺達PWS-1700-STN 套 1 Z-10 PLC Siemens s7-200CPU226 套 1 7. 控制系統(tǒng)監(jiān)控點統(tǒng)計 針對本文所描述的廣電中心800m演播廳單元舞臺控制系統(tǒng)的設計要求，共需要監(jiān)控點96個，其中輸入點57個，輸出點39個。 根據廣電中心800m演播廳活動舞臺設計要求，采用一臺PLCS7-200，其配置如下： ①CPU226 1個 主機 ②EM223 3個 （擴展模塊） ③EM232 1個 （擴展模塊） 其中，CPU226控制泵站電機變頻器，1#~3#泵站及旋轉臺旋轉動作。1#EM223輸出點驅動1#~5#升降臺升降運動；2#EM223輸出點驅動旋轉臺升降及通道臺升降運動；3#EM223輸出點驅動伸縮T形臺伸縮及升降運動。EM232作備用。PLC網絡拓撲結構如圖7所示。 啟動油泵電機 主油泵電機是否故障？ 1#升降舞臺工作方式？ 取給定值i 計算偏差e=給定值?反饋值 E>0？ PLCQ1輸出1#升降舞臺上升電磁閥SV1上電1#升降舞臺上升i PLCQ1輸出1#升降舞臺上升電磁閥SV1上電1#升降舞臺下降i 取反饋值 取反饋值 1#升降舞臺上升 1#升降舞臺下降 1#升降舞臺是否上升到最高位？ PLCQ1輸出1#升降舞臺上升電磁閥SV1上電1#升降舞臺上升i 按[上升]命令 手動方式 Y N Y N N N Y N 自動方式 圖7 1#舞臺升降程序流程示意圖 由上面的實例，可借鑒到本舞臺設計中。下面為舞臺設計內容。 第二章 舞臺設計總體原則 1、?鋼結構 ???a)?所有承重的鋼結構件，其結構剛度大于1：1000 ???b)?鋼結構件應設計合理，鋼結構及其接頭應能承受最大額定載荷和由緊急停車造成的沖擊載荷； ???c)?鋼結構件所用材料應符合有關標準；? ???d)?鋼結構焊縫須符合有關規(guī)定，主要焊縫應進行無損探傷檢查； ?? 2、?吊物與卷揚裝置 ???①?卷揚機?卷揚機上的電動機和制動器應聯(lián)合動作，只有電動機電源接通時，才能許可制動器打開；萬一制動器打開，而電動機沒有接通電源?時，只許吊桿（負載）靜止或低速下降；? ???②?卷筒組件 ???※?卷筒直徑不小于鋼絲繩直徑的30倍； ???※?卷筒用優(yōu)質灰鑄鐵或厚壁無縫鋼管焊接并經精確機械加工而成； ???※?鋼絲繩嶼卷筒繩槽中心線的夾角應中于2.5度； ???※?卷筒組件應設計防止鋼絲繩在負荷或松馳狀態(tài)下跳槽的裝置。??? ???③?滑輪 ???※?滑輪的節(jié)圓直徑，不應小于鋼索直徑的28倍； ???※?滑輪及滑輪組應采用滾動軸承支承； ???※?滑輪及滑輪組應有防止鋼絲繩脫槽的保護裝置。 ???※?鋼絲繩與滑輪的偏角不超過2.5度。? ???④鋼絲繩 ???※?懸吊鋼絲繩應為帶有人造纖維芯的軟鋼絲繩； ???※?預先檢驗：供貨時所有的鋼絲繩均應分批測試； ???※?現(xiàn)場處理：鋼絲繩在安裝期間應小心處理，不能以任何方式技術打結或損壞；受損或變形的鋼絲繩不予接收。所有切斷頭都應妥善處理； ???※?安裝：鋼絲繩不應與設備的固定或移動部分磨擦，在有損壞或卡住風險的地方，應采取正確防護措施； ???※?懸掛支承：穿過頂樓的轉向滑輪或在其它需要懸掛支承的地方，鋼絲繩應在滑輪上進行支承。?? ???⑤?鋼絲繩配件 ???※?鋼絲繩配件應采用表面鍍鋅的標準配件； ???※?鋼絲繩配件規(guī)格尺寸與鋼絲繩匹配； ???※?使用鋼絲繩夾的地方，每個接頭至少使便用3個正確安裝的繩夾。 ??3、?吊桿?? ???a)?吊桿采用圓管桿或桁架桿，管子或構架應平直、無扭曲變形； ???b)?管桿采用優(yōu)質無縫鋼管制造； ???c)?桿的接頭應盡量少，接頭采用實心圓棒與管子配合； ???d)?懸吊鋼絲繩的端頭用單獨安裝于桿上的調節(jié)裝置進行調整； ???e)?管端：管端應配有帶醒目顏色的永久性塑料帽或鋼封頭；?? ??4、?限位、定位、超程開關? ???a)?限位及定位開關 ???i.?行程終止限們開關：行程終止限位開關應能測出設備正常行程綹并使之停車； ???ii.?中間定位開關：在合適的地方配置中間定位開關和減速開關； ???iii.?直接碰撞限位開關：行程終止限位開關也可選用直接碰撞限位開關。 ???b)?超程限位開關 ???超程限位開關：所有電動設備都應安裝單獨的超程限位開關，以防行程終止限位開關發(fā)生故障導致機械損傷。 ??5、?電動機? ???a)?工作循環(huán)：舞臺機械按斷續(xù)操作設定。每個工作循環(huán)規(guī)定為在載荷條件下6次全行程運轉并有15min停頓； ???b)?電動機型號：舞臺機械的偉動裝置，采用國內第一品牌上海躍進電動機。 ???c)?功率因素：所有電動機的功率因素應大于或等于0.85。 第三章 舞臺電動機的選擇要求與原則 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。? ? ?步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。?? ? ?選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。? ?? 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。? ?? ?選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。? ???? 選擇步進電機需要進行以下計算：? ? ?（1）計算齒輪的減速比? ?????根據所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下:? ?????????????i=(φ?S)/(360?Δ)??????????????? (1-1)??? ?式中φ?---步進電機的步距角（o/脈沖）?????? ??????S?---絲桿螺距（mm)? ??????Δ---(mm/脈沖）? ? （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。? ?????????Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2]???? （1-2）? ?????式中Jt?---折算至電機軸上的慣量(Kg?cm?s2)? ??????J1、J2?---齒輪慣量(Kg?cm?s2)? ????????Js?----絲桿慣量(Kg?cm?s2)????????W---工作臺重量（N）?? ???????S?---絲桿螺距（cm）? ?（3）計算電機輸出的總力矩M?? ????????M=Ma+Mf+Mt??????????????????????????? （1-3）? ?????????Ma=（Jm+Jt) ?n/T×1.02×10ˉ2??????????????????????（1-4）? ?????式中Ma?---電機啟動加速力矩（N?m)? ?????????Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg?cm?s2)? ?????????n---電機所需達到的轉速（r/min）? ????????T---電機升速時間（s）? ????????Mf=(u?W?s)/(2πηi)×10ˉ2?????????????????????????（1-5）? ???????Mf---導軌摩擦折算至電機的轉矩（N?m)? ??????u---摩擦系數? ???????η---傳遞效率? ???????Mt=(Pt?s)/(2πηi)×10ˉ2????????????????????????（1-6）????? ???????Mt---切削力折算至電機力矩（N?m)? ???????Pt---最大切削力（N）? ?? （4）負載起動頻率估算。數控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為? ???????fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/）÷(1+Jt/Jm)]??1/2??????????????（1-7）? ?????式中fq---帶載起動頻率（Hz）? ?????fq0---空載起動頻率? ?????Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N?m)? ?????若負載參數無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算。? ?? （5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率?時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。? ???? （6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2?～0.4)Mmax。 第四章 減速器的選擇要求與原則 通過對電動機的性能了解以及舞臺動空的要求，選擇適當的減速器。蝸桿減速器的特點是在外輪廓尺寸不大的情況下，可以獲得大的傳動比，工作穩(wěn)定，噪聲較小，但效率較低。其中應用最廣的是單級蝸桿減速器，兩級蝸桿減速器則應用較少。單級蝸桿減速器根據蝸桿的位置可分為上蝸桿、下蝸桿及側蝸桿三種。單級蝸桿減速器常用的傳動比i=10—70。選擇蝸桿配置方案時，應盡可能地選用下蝸桿的結構。因為此時的潤滑和冷卻問題均較易解決，同時蝸桿軸承的潤滑也很方便。當蝸桿的圓周速度大于4—5m/s時，為了減少攪油和飛濺時損耗的功率，可采用上蝸桿結構。根據本設計所需的傳動比與圓周速度，選擇單級下蝸桿結構減速器。 第五章 舞臺傳動設計 國內有大多數劇場采用的是3米舞臺的伸縮來實現(xiàn)舞臺效果，例如藍桂坊。這些只能滿足比較小的場合。所以過內需要一些比較大點的T型舞臺，例如長影所設計的，應用的合理。下面所設計的是12米T型舞臺的伸縮。 舞臺的行進速度控制在8m/min左右時，舞臺上的模特才能正常行走，不至于不適應。怎樣能把舞臺進速度控制在8m/min呢？從總體設計角度看，應由舞臺行進速度往前推，來選擇電動機和減速器。如果還達不到要求，應從滾輪直徑上找，設計要求主軸轉速為10轉/min。 初步估算槽輪的直徑D=250mm，這樣主軸旋轉一分鐘時前進8m左右，而槽輪旋轉一周舞臺將前進S=πD=3.14×250=758mm，L=758mm×10轉/min=7.58m，近似于8m，所以舞臺的速度就可以控制在8m/min。估算皮帶傳動的傳動比為1.8，則減速器所輸出的轉速約為18轉/min，選擇的減速器的傳動比為1：50，則推算出電動機的轉速n=18轉/min×50=900轉/min，所以選擇電動機的轉速為910轉/min。 經計算電動機轉速為910轉/min,，滾輪直徑為Ф254，這樣舞臺行進速度剛好為8m/min。所以選定電機型號為Y90S-6步電電機。外購減速器型號為WHT08-53-II的蝸桿減速器。電機與減速器布置在舞臺前半端。 如何選用傳動機構是非常關鍵的，齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。而鏈傳動只能用于同向回轉的傳動，運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比，磨損后易發(fā)生跳齒，工作時有很大的噪聲，不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動中應用，且也不宜用于傳動距離過大的場合。故應選擇適合本設計的傳動方式，所以采用鋼絲繩傳動。鋼絲繩傳動價格合適，安裝簡易，傳動平穩(wěn)，適合傳動距離很大的傳動場合。鋼絲繩的直徑選擇應滿足拉力校核強度，選用Φ4.7的鋼絲繩。 由于動控裝置有非常大的慣性，必須配置一個制動器，作用是把主軸抱住不動，不至于舞臺沖出軌道。根據主軸結構，可以外購制動器。 整套系統(tǒng)裝置得用膨脹螺絲固定在地面上，地面需光滑，有了這些基礎系統(tǒng)才能平穩(wěn)的運行。各部件應按裝配圖擺放。（見圖紙DKET-01-00） 舞臺由鋼絲繩拉動行進，鋼絲繩纏繞在滾輪上，為減輕鋼絲繩所受拉力負載過大，可減輕滾輪重量，即滾輪設計為空心。這樣可以避免鋼絲繩被拉斷。為了使鋼絲繩不打滑，不丟轉，鋼絲繩必須張緊，可用連接在鋼絲繩兩端的連接軸銜接，連接軸后端設有螺母，用來回擰鋼絲繩，調節(jié)張緊力。連接軸上必須設有彈簧來控制鋼絲繩的張緊力，使鋼絲繩不松不緊，松緊適中，不打滑和丟轉。如果沒有彈簧來控制鋼絲繩的張緊力，舞臺則在行進開始和結束時，裝置會因慣性發(fā)出聲響，沒有緩沖，影響整體效果。選擇彈簧時，應選擇彈簧張緊力適當的中性彈簧，直徑為10mm左右，可以外購。 已知滾輪直徑為D=254mm，長度為h=220mm，纏繞的兩條鋼絲繩相距為l=7mm，鋼絲繩用螺母鎖緊在滾輪表面中心，故 Q=(h/2)/l=(110/2)/7≈16圈 C=πD=3.14×254≈800mm L=CQ=800×16≈13000mm 其中,Q為鋼絲繩所繞的圈數，C為鋼絲繩繞滾輪一圈的長度，L為所需鋼絲繩的總長。 由上可知，滾輪在轉15圈左右時，鋼絲繩能出去13m左右?？刂其摻z繩拉動舞臺行進在13m時，鋼絲繩能正好繞滿滾輪，如果超出13m，鋼絲繩將繞出滾輪。外購鋼絲繩，選擇GB1102-74，6×7Ф4.7的鋼絲繩，總長為13m。 另外，整套裝置的高度應低于舞臺中間高度，也就是低于410mm。如果不夠，必須在地面上挖出一條供裝置行走的軌道，這樣才能使裝置在行進過程中不能碰到舞臺支架。整套裝置用膨脹螺栓固定在地面上，地面要求光滑、結實，如果地面比較軟，則需打水泥基礎。 第六章 主軸的設計 1. 求減速器輸出軸上的功率P3、轉速n3和轉矩T3 若取每級齒輪傳動的效率（包括軸承效率在內）η=0.97，則 P3=Pη=0.75×0.97KW=0.73 KW 又 n3= n1×1/i=910×1/50 r/min =18.2 r/min 于是 T3=9550000× P3/n3=9550000×0.73/18.2 N?mm≈383050 N?mm 2. 初步確定軸的最小直徑（見圖1） 先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理。根據《機械設計》表15-3，取A0=112，于是得 dmin= A0 =112× mm=39.1 mm 輸出軸的最小直徑顯然是安裝制動器處軸的直徑dⅠ-Ⅱ。為了使所選的軸直徑dⅠ-Ⅱ與制動器的孔徑相適應，故需同時選取制動器型號。購買的制動器的孔徑dⅠ=40mm,故取dⅠ-Ⅱ=40mm；制動器長度L=42mm。 圖1 軸的結構簡圖 3． 軸的結構設計 1) 擬訂軸上零件的裝配方案 軸的結構形式應便于加工和裝配軸上的零件，并且生產率高，成本低。一般地說，軸的結構越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求的前提下，軸的結構形式應盡量簡化。為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應制出45°的倒角；需要磨削加工的軸段，應留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應留有退刀槽。它們的尺寸可參看標準或手冊。 2）根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 （1）為了滿足制動器的軸向定位要求，Ⅰ-Ⅱ與Ⅹ-Ⅺ軸段左端需制出一軸肩，故取Ⅱ-Ⅲ段與Ⅹ-Ⅺ段的直徑dⅡ-Ⅲ=dⅩ-Ⅺ=45mm;右端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=55mm。制動器與軸配合的轂孔長度L1=40mm，為了保證軸端擋圈只壓在制動器上而不壓在軸的端面上，故Ⅰ-Ⅱ段的長度應比L1略短一些，現(xiàn)取lⅠ-Ⅱ=40mm。 （2）制動器與軸承座支架應有一端距離，故取lⅡ-Ⅲ=lⅩ-Ⅺ=42mm. （3）初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承。參照工作要求并根據dⅡ-Ⅲ=45mm，由軸承產品目錄中初步選取0基本游隙組、標準精度級的單列圓錐滾子軸承30309，GB276-82其尺寸為d×D×T=45mm×120mm×30mm,故dⅢ-Ⅳ=dⅨ-Ⅹ=45mm;而lⅢ-Ⅳ=lⅢ-Ⅳ=30mm。 （4）軸承左端應有軸肩進行軸向定位，又有圓螺母對槽輪進行軸向定位，選取圓螺母為M48，螺母高度為15，故dⅣ-Ⅴ=48mm,切削螺紋時應有退刀槽，取長度 lⅣ-Ⅴ=51mm。 （5）根據設計出的槽輪長度，取lⅤ-Ⅷ=215mm，槽輪兩端用元盤固定，根據設計出的元盤結構，元盤轂孔直徑為50mm，長度為40mm，故取dⅤ-Ⅵ=dⅦ-Ⅷ=50mm，dⅥ-Ⅶ=49mm。槽輪左端采用軸肩進行軸向定位，定位軸肩高度h=2.5mm,因此，取dⅧ-Ⅸ=55mm,lⅧ-Ⅸ=30mm。 （6）根據大皮帶輪結構，取安裝大皮帶輪處的軸段Ⅺ-Ⅻ的直徑dⅪ-Ⅻ=40mm,大皮帶輪左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=55mm.大皮帶輪與軸配合的轂孔長度L=52mm,為了保證軸端擋圈只壓在大皮帶輪上而不壓在軸的端面上，故Ⅺ-Ⅻ段的長度應比L略短一些，現(xiàn)取lⅪ-Ⅻ=50mm。 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。 3）軸上零件的周向定位 制動器、元盤與大皮帶輪的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。按dⅠ-Ⅱ由手冊查得平鍵截面b×h=12mm×4.8mm,鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為35mm，同時為了保證制動器與軸配合有良好的對中性，故選擇制動器輪轂與軸的配合為H7/n6；元盤與軸的聯(lián)接，選用平鍵為16mm×4mm×40mm，元盤與軸的配合為H7/k6；同樣，大皮帶輪與軸的聯(lián)接，選用平鍵為12mm×4.8mm×40mm，大皮帶輪與軸餓配合為H7/n6。滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 4）確定軸上圓角和倒角尺寸 參考《機械設計》中表15-2，取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑為2×45°。 4.求軸上的載荷 首先根據軸的結構圖（圖DKWT-01-08）作出軸的計算簡圖（圖2） 圖2 軸的載荷分析圖 在確定軸承的支點位置時，應從手冊中查取a值。對于30309型圓錐滾子軸承，由手冊中查得a=28mm。因此，作為簡支梁的軸的支承跨距L2+L3=122.5mm+143.5mm=266mm。根據軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖（圖1）。 從軸的結構圖以及彎矩圖和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險截面。計算出截面C處的MH、MV及M的值 支反力F：FNH1=3327N，F(xiàn)NH2=1675N，F(xiàn)NV1=1869N，F(xiàn)NV2=-30N 彎矩M ：MH=236217 N?mm ，MV1=132699 N?mm，MV2=-4140 N?mm 總彎矩 ：M1==270938 N?mm M2=236217+4140=236253 N?mm 扭矩T ：T3=960000 N?mm 5.抗彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。取α=0.6，軸的計算應力 δca= M+（αT3）/W= 270938+（0.6×960000）MPa=18.6MPa 前已選定軸的材料為45鋼，調質處理，由《機械設計》中表15-1查得 [δ-1]=60MPa。因此δca<[δ-1]，故安全。 6.精確校核軸的疲勞強度 1）判斷危險截面 截面A，B，D只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起的應力集中均將削弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉強度較為寬裕地確定的，所以截面A，B，D均無需校核。 從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面Ⅳ和Ⅸ處過盈配合引起的應力集中最嚴重；從受載的情況來看，截面C上的應力最大，但應力集中不大（過盈配合及鍵槽引起的應力集中均在兩端），而且這里軸的直徑最大，故截面C不必校核。由《機械設計》第三章附錄可知，鍵槽的應力集中系數比過盈配合的小，因而該軸只需校核截面Ⅳ左右兩側即可。 2）截面Ⅳ右側 抗彎截面系數　　W=0.1d=0.1×45mm=9112.5 mm 抗扭截面系數　　WT =0.2d=0.2×45mm=18225 mm 截面Ⅳ右側的彎矩M為 　　　　M=270938×(122.5-30)/122.5 N?mm =204586 N?mm 截面Ⅳ上的扭矩T3為　 　　　　　T3=960000 N?mm 截面上的彎曲應力 　　　　δb=M/W=204586/9112.5 MPa=22.45 MPa 截面上的抗轉切應力 　　　τT = T3/WT =960000/18225 MPa =52.68 MPa 軸的材料為45鋼，調質處理。由《機械設計》中表15-1查得δB =640MPa, δ-1=275MPa,τ-1=155MPa。 截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數αδ及ατ按《機械設計》附表3-2查取。因r/d=2.0/45=0.044,D/d=70/45=1.556,經插值后可查得αδ=2.0, ατ=1.31。 又由《機械設計》附圖3-1可得軸的材料的敏性系數為qδ=0.82,qτ=0.85 故有效應力集中系數為 　　　　　　　kδ=1+qδ(αδ-1)=1+0.82×(2.0-1)=1.82 kτ=1+qτ(ατ-1)=1+0.85×(1.31-1)=1.26 由《機械設計》中附圖3-2得尺寸系數εδ=0.67;由附圖3-3得扭轉尺寸系數ετ=0.82。 軸按磨削加工，由附圖3-4得表面質量系數為βδ=βτ=0.92 軸未經表面強化處理，即βq=1,則綜合系數值為 　　　　　　 　Kδ= kδ/εδ +1/βδ -1=1.82/0.67 +1/0.92 -1=2.80 Kτ= kτ/ετ +1/βτ -1=1.26/0.82 +1/0.92 -1=1.62 又由《機械設計》§3-1及§3-2得碳鋼的特性系數 　　　　　　　　ψδ=0.1―0.2, 取ψδ=0.1 ψτ=0.05―0.1, 取ψτ=0.05 于是，計算安全系數Sca值，則得 　　　 Sδ=δ-1/( Kδδa+ψδδm)=275/(2.80×22.45+0.1×0)=4.37 Sτ=τ-1/( Kττa+ψττm)=155/(1.62×26.43+0.05×26.43)=3.51 Sca= SδSτ/ Sδ + Sτ =4.37×3.51/ 4.37 +3.51 =3.28>S=1.5 故可知其安全。 3）截面Ⅳ左側 抗彎截面系數W按《機械設計》中表15-4中的公式計算： 　　　　　　 W=0.1d=0.1×48mm=11059.2mm 抗扭截面系數WT為 　　　　　　　 WT =0.2d=0.2×45mm=22118.4mm 彎矩M及彎曲應力為 　　　　　　　 M=270938×(122.5-30)/122.5 N?mm =204586 N?mm δb=M/W=204586/11059.2 MPa=18.50 MPa 扭矩T3及扭轉切應力為 　　　　　　　 T3=960000 N?mm 　　　　　　　 τT = T3/WT =960000/22118.4 MPa =43.40 MPa 過盈配合處的　kδ/εδ值，由《機械設計》中附表3-8用插入法求出，并取kτ/ετ=0.8kδ/εδ，于是得 　　　　　　　 kδ/εδ=3.16 kτ/ετ=0.8×3.16=2.53 軸按磨削加工，由附圖3-4得表面質量系數為βδ=βτ=0.92 故得綜合系數為 　　　　　　　 Kδ= kδ/εδ +1/βδ -1=3.16+1/0.92 -1=3.25 Kτ= kτ/ετ +1/βτ -1=2.53+1/0.92 -1=2.62 所以軸在截面Ⅳ左側的安全系數為 　　　　　 Sδ=δ-1/( Kδδa+ψδδm)=275/(3.25×18.50+0.1×0)=4.56 Sτ=τ-1/( Kττa+ψττm)=155/(2.62×21.70+0.05×21.70)=2.68 Sca= SδSτ/ Sδ + Sτ =4.56×2.68/ 4.56 +2.68 =3.15>S=1.5 故該軸在截面Ⅳ左側的強度也是足夠的。因本裝置的瞬時過載及嚴重的應力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。 至此，軸的設計計算即告結束。 最后，按總體要求進行裝配，零件圖與裝配圖見圖紙。 結 論 本設計所涉及的知識面有機械零件設計手冊的內容、機械傳動（繩傳動）原理和焊接技術及材料選用。所以，通過本次題目設計可更好的掌握機械設計原理與應用和舞臺設計的基本了解，對以后的學習和工作起到了很關鍵的作用。 致 謝 經過兩個多月的畢業(yè)設計，終于完成了這篇論文。此間，我查閱并參考了國內外大量的文獻書刊對機械知識有了全面、系統(tǒng)、深入的認識，增強了所學知識的綜合運用能力，同時又翻譯了一定的外文資料，整個過程使我受益匪淺。 在整個寫作過程中，張廣杰老師給我提供了大量國內外寶貴機械專業(yè)資料，且給予我耐心的指導，他們嚴謹的工作作風給我留下了難忘的記憶，在他們的幫助下，我學到了許多知識，相信這些在我以后的工作中會有很大的引導作用。在此，我向張老師表示衷心的感謝！同時也向曾給予我大力支持和幫助的老師同學表示感謝！ 由于本人才疏學淺，知識水平有限，且時間倉促，沒有工作中的實際動手能力，在寫作過程中難免有疏漏和不完善之處，敬請諸位老師和同學給予批評指正。謝謝！ 參考文獻 1.《機械零件設計手冊》 機械工業(yè)出版社 1991年 2.《機械工程手冊》機械工業(yè)出版社 1996年 3.《機械工程圖學》 科學出版社 ISBN7-03-009529-4/TH.73 1992年 4.《焊工手冊》機械工業(yè)出版社 1991年 5《機械傳動設計手冊》 江耕華等主編 煤炭工業(yè)出版社 1989年 6.《機械設計》 濮良貴、紀名剛主編 高等教育出版社 2004年