一种门联动升降机构设计
朱严宽+刘树青+陈伟+薛海峰
摘 要：介绍一种新型螺旋升降机-薄壁升降机构的工作原理、性能特点及其设计方法。该设备利用两组带状不锈钢板的螺旋升降，达到升降有效载荷的目的，设备体积小，效率高，安全性能稳定，维护方便，操作简单。并从力学模型上分析其可行化。
关键词：薄壁升降机构；机构设计；力学模型
中图分类号：TH211+.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0124-02
1 研究背景
传统伸缩机构的结构形式主要有杆套杆式（如起重机臂），可折叠式（如剪叉式升降台），杆套杆式伸缩机构结构紧凑，但伸展过程中其截面尺寸逐级递减，使得杆伸出级数受到限制，因此伸缩比不高，可以应用于狭小空间以及作为其他机构的驱动部分。剪叉式伸缩机构伸缩比大，但是机构自身往往较大。在露天或者空间较大的场所应用较多。动力驱动伸缩机构的驱动方式主要有丝杠-螺母、齿轮-齿条、钢丝绳-滚筒、液压、气压以及几种方式混合使用。其中以液压驱动为主。液压缸供油系统复杂、维护困难，长期承受较大的静载荷容易出现漂移现象。
薄壁升降机构是一种长度可变的机构。薄壁升降机构在收缩状态结构紧凑、占用空间小，展开时可以达到很大的长度。另外一些动力驱动的伸缩机构可以提供一定的推力与拉力，可以作为一种线性驱动机构。因此伸缩机构在机械、建筑、航空、汽车、消防、演艺等领域有着广泛的应用。例如起重机伸缩比、剪叉式升降机、液压千斤顶、可伸缩机翼以及生活中常见的伸缩鱼竿，电视机伸缩天线等。
2 方案设计
薄壁升降机构是一种伸缩可控的柱状伸缩机构，原理主要是利用两个柔性钢带螺旋缠绕相互锁紧形成刚性螺旋管柱，控制参与缠绕的钢带的多少可以任意控制螺旋管柱的高度，从而实现其伸缩的特性。收缩时两根钢带分别盘绕在机构周围和下方占用空间小，使得机构非常紧凑。管柱直径在伸缩过程中保持不变，因此可以实现很大的伸缩比，承受较大的载荷。薄壁升降机构采用电机驱动，驱动系统简单，维护方便，可实现精确控制。
薄壁升降机构的传动主要靠伺服电机驱动涡轮蜗杆，来带动两条钢带相互缠绕，利用钢带中间的锁孔相互锁紧，螺旋上升。伺服电机正传带动涡轮旋转，蜗杆逆时针旋转，两条钢带在涡轮的带动下也逆时针旋转上升，到达所调节的高度，伺服电机反转，蜗杆顺时针旋转，钢带在涡轮的带动下顺时针下降，直至钢带全部收缩在固定盘里，整个上升下降动作完成。
3 详细设计
3.1 薄壁机构设计
薄壁升降机构是一种伸缩可控的柱状伸缩机构，原理主要是利用两个柔性钢带螺旋缠绕相互锁紧形成刚性螺旋管柱，一盘水平螺旋板片拉开，然后连续插入螺旋薄壁时，就组合成一个由两种螺旋片连续自锁的垂直螺旋管柱，可以在电机的驱动下平稳的在垂直方向伸展和收缩。控制参与缠绕的钢带的多少可以任意控制螺旋管柱的高度，从而实现其伸缩的特性。收缩时两根钢带分别盘绕在机构周围和下方占用空间小，使得机构非常紧凑。管柱直径在伸缩过程中保持不变，因此可以实现很大的伸缩比，承受较大的载荷。薄壁升降机构采用电机驱动，驱动系统简单，维护方便，可实现精确控制。
3.2 传动设计
薄壁升降机构的传动主要靠伺服电机驱动涡轮蜗杆，来带动两条钢带相互缠绕，利用钢带中间的锁孔相互锁紧，螺旋上升。伺服电机正传带动涡轮旋转，蜗杆逆时针旋转，两条钢带在涡轮的带动下也逆时针旋转上升，到达所调节的高度，伺服电机反转，蜗杆顺时针旋转，钢带在涡轮的带动下顺时针下降，直至钢带全部收缩在固定盘里，整个上升下降动作完成。
蜗轮蜗杆传动时，两轴是相互交叉垂直的。蜗杆可以看成为在圆柱体上沿着螺旋线绕有一个齿或多个齿的螺旋，蜗轮就像个斜齿轮，但它的齿包着蜗杆。在啮合时，蜗杆转一转，就带动蜗轮转过一个齿（单头蜗杆）或多个齿（多头蜗杆），因此蜗轮蜗杆传动的速比i=蜗杆的头数Z1/蜗轮的齿数Z2。
3.3 驱动设计
初期以推动20kg的重物计算，0.1-0.2m/s的速度向上爬升。
则负载所需功率为PW：
Pw=FWVW=200N*0.2m/s=40W
查询资料得：
联轴器的传动效率取0.97；
轴承的传动效率取0.94；
蜗轮蜗杆（具有自锁）的传动效率取0.4；
卡带与传动轮支柱之间的传动方式，类似于螺旋传动，效率为0.4；
则电机所需功率为P：
P=Pw/η=40/（0.97*0.94*0.4*0.4）W=274W
选取电机额定功率Pm：
Pm=（1～1.3）P=274～356W
因此电机暂以选用功率为400W的低压交流伺服电动机，调速范围为：1～3000RPM
由于电动机后接蜗轮蜗杆传动，因其减速比较大，所以在伺服电动机驱动器的众多可控参数中可以把加速度参数设置的大些，如20000，而位置环KP参数也可以设置的大些，如 3000。伺服电机最适合此种负载。
4 结束语
本文主要对薄壁升降机构的研究背景，工作原理，方案设计及详细设计、电机的选择。薄壁升降机构具有结构紧凑、尺寸小，設备闭合高度小，大载荷能力、大行程时稳定性好。相对实心螺旋丝杠来讲，空心板带螺旋升降器的承载能力大，运行平稳、噪音较低，寿命长、维修方便，效率高、驱动功率小，设备的总传动效率较高，机械简单，安装容易，设备机械结构精巧而简单，同步性能可靠等优点。未来在建筑，大剧院，舞台升降，太空探测等领域将会有更大的应用，未来市场前景广阔，可发展性好。
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