一種新型電動(dòng)升降書(shū)架設(shè)計(jì)

【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。

參考文獻(xiàn)

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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。