机械原理课程设计(自动控制采光装置)

中国地质大学（武汉）2011年机械原理课程设计—自动控制采光装置指导老师：曾小慧班级：072093小组成员：谢辉王维摆富珍日期：2011-7-10目录一．设计题目及任务.........................................................11.1设计题目：远程自动控制采光装置.....................................11.2设计任务...........................................................2二．方案确定...............................................................32.1总体构想（逻辑框图）...............................................32.2方案简述...........................................................32.3总的运动过程.......................................................52.4总机构运动简图.....................................................62.5方案初步评估.......................................................6三．运动时序分析及图解.....................................................73.1平面镜竖直摆动模块.................................................73.2底盘摆动模块.......................................................7四．详细设计（各运动模块设计）.............................................84.1俯仰机构模块.......................................................84.1.1基本尺寸的确定：.............................................94.2水平机构模块......................................................104.2.1基本尺寸的确定：............................................104.2.2确定极限位置：..............................................11五．运动分析（各运动模块运动分析）........................................115.1平面镜竖直摆动模块的运动分析......................................115.1角位置分析....................................................125.1.2角速度分析：................................................135.1.3角加速度分析：..............................................145.1.4结果分析....................................................155.2底盘摆动模块的运动分析：..........................................165.2.1角位置分析..................................................165.2.2角速度分析..................................................175.2.3角加速度分析................................................185.2.4结果分析....................................................18六．装配建模..............................................................19七．设计评价..............................................................19六．总结和心得............................................................206.1组员的心得........................................................206.2总结..............................................................21七．参考书籍..............................................................22八．附录..................................................................23附录1：..............................................................23附录2：..............................................................24附录3：..............................................................25附录4：..............................................................26附录5：..............................................................27附录6：..............................................................29附录7：..............................................................30第1页共30页一．设计题目及任务1.1设计题目：远程自动控制采光装置（1）设计目的及原理：如今，城市发展越来越快，城市人口越来越多，所以，对于住房的需求也与日俱增。这种现状则必定导致房地产行业迅猛发展。然而，城市土地是有限的，这就会导致住房紧缺和房价偏高。为了谋取最大利润，有些开发商将楼层之间的距离一缩再缩。这样虽然利用了很多空间，但这却使得底层居民采光不足，整日处于阴暗潮湿的环境中，严重影响生活质量。如图1所示。图1为了缓解这种矛盾，我们设计出一种远程自动控制采光装置。该装置通过远程控制，利用反射原理，使得底楼居民能够获得足够的阳光。促使居民身心健康，并且有效的缓解住房压力。总体原理图如图1。第2页共30页图2中：1表示太阳光路；2表示采光装置；3表示楼底。（2）初定参数：底盘主动轴转速：6r/min（为了能够平缓的进行水平方向上的扫描）底盘摆动角度：30°～150°（为了能尽量扩大水平扫描范围）曲柄摇杆主动轴转速：6r/min（为了能够平缓的进行竖直方向上的扫描）1.2设计任务1．自动控制采光装置应包括曲柄摇杆机构、导杆机构、行星轮机构等常用机构。2．设计各机构的相对位置和各构件的尺寸。3.利用CAD画出各机构的运动方案简图，并用运动极限位置确定各机构运动最大转角。4.用matlab对曲柄摇杆机构、导杆机构进行速度、加速度分析，绘出运动曲线图。5．编写设计计算说明书。图2第3页共30页二．方案确定2.1总体构想（逻辑框图）2.2方案简述为了能够实现装置对阳光的准确反射，装置采用了平面镜的旋转进行对光的捕捉。平面镜的底盘采用导杆机构，使得平面镜能够实现在一定的角度内的水平摆动（如图3）；而平面镜的上下摆动则由曲柄摇杆机构实现（如图4）；进给角度由驱动器处理数据，伺服电机接受相应脉冲信号自行调整；最后，为了使得装置实现自动化，装置采用光敏电阻光强比较法，设计出一种全新的光电转换装置，很好的实现了光电转换。它能够利用光敏电阻比较法实现对太阳水平、垂直方向的全方位跟踪，晚上便自动复位（如图5）。检测、传感（光敏电阻）数据分析及处理数模转换驱动电机1驱动电机2传去相应脉冲俯仰机构调整、运动水平摆动机构调整、运动获得合理光源第4页共30页图3图4第5页共30页图5根据需要我们选用如下两种型号的伺服电动机作为动力源，来调整整个装置的俯仰角和水平方位角并通过相应的驱动器实现对应的脉冲信号，使电动机带动机构进行调整。序号规格型号额定输出功率(W)额定转矩(N•m)额定转速(rpm)转子惯量(kg·cm2)额定相电流(A)重量(kg)编码器(P/R)外形尺寸(mm)适配驱动器1120MB075A-0010007507.16100013.23.618.22500123×123×184GS0075A2120MB100A-00100010009.55100017.24,7910.62500123×123×208GS0100A（如上表，1号电动机用于俯仰机构，2号用于水平机构）2.3总的运动过程首先，将指定的行星轮系通过外壳固定在房顶边缘，主动轴接上电动机。然后将该轮系的另一端接上底盘的导杆机构。再将曲柄摇杆机构的底面机架固结在导杆上。最后，将另一个轮系接上曲柄摇杆机构的主动轴，并连上电动机。当底盘下的电动机运行时，带动平面镜进行水平位置的摆动，找到阳光的直射方向。当曲柄摇杆机构的电动机运行时，曲柄进行转动，带动平面镜进行上下摆动，可以找到杨过的直射高度。根据指定的程序，可以将阳光通过装置反射到指定的位置，从而达到采光要求。第6页共30页2.4总机构运动简图机构总简图，如图6。图62.5方案初步评估根据我们的总体设计，国标规定住户每日采光不能少于2小时，我们的设计对高层住户的采光造成影响主要集中在上午9—10点和下午4—6点之间，我们在这个时间段内为底层用户提供光照，而在其他时间对高层用户基本不造成采光影响，这样我们的设计既满足了底层用户的采光需求而又不影响其它居民的日常采光需求并且能够有效缩短楼间距，提高空间利用率，在总体上对于缓解住房问题是利大于弊的，所以此方案有其使用价值和可行性。第7页共30页三．运动时序分析及图解3.1平面镜竖直摆动模块图7图7为平面镜竖直摆动模块时序分析图解[0°～47.2°]:平面镜在竖直方向上进行向上摆动。[47.2°～201.1°]:平面镜在竖直方向上进行向下摆动。[201.1°～360°]:平面镜在竖直方向上进行向上摆动。3.2底盘摆动模块图8第8页共30页图8为底盘摆动模块时序分析图解[0°～240°]:底座导杆进行正向摆动扫描[240°～300°]:导杆进行急速回转[300°～360°]:底座导杆进行正向摆动扫描四．详细设计（各运动模块设计）4.1俯仰机构模块图9此部分是为了在竖直方向捕捉阳光并反射光线的。而该机构的体积是值得考虑的问题，不能太大，导致占地面积大，动力需求大，材料要求太高。设计过程如下：第9页共30页4.1.1基本尺寸的确定：通过各种途径查询可得住宅楼的楼距s:楼高h在1.2到1.6之间。而我们的装置以达到在s/h=1的时候依然能使采光达到要求为目标。根据图10所示，假定每栋楼有20层，每层