攝影車上的升降機(jī)構(gòu)

課程設(shè)計說明書 設(shè)計題目：攝影車上的升降機(jī)構(gòu) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班級：機(jī)設(shè)11-1班 設(shè) 計 人： 杜明超 學(xué)號：201101041810山東科技大學(xué)2013年 12月 19 日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院 專業(yè)機(jī)設(shè)專業(yè) 班級2011-1 姓名 杜明超一、課程設(shè)計題目：攝影車上的升降機(jī)構(gòu) 二、課程設(shè)計主要參考資料1 齊秀麗，機(jī)械原理，中國電力出版社，2010 2 孫桓，陳作模.機(jī)械原理M.7版. 北京：高等教育出版社，2006 3 梁崇高.平面連桿機(jī)構(gòu)的計算設(shè)計M北京：高等教育出版社,1993 4 鄒慧君，傅祥志等機(jī)械原理M北京：高等教育出版社，1999 5 申永勝.機(jī)械原理教程M北京：清華大學(xué)出版社,1999 三、課程設(shè)計應(yīng)解決主要問題 （1）通過機(jī)構(gòu)設(shè)計滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動要求 （2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高可行性以及機(jī)構(gòu)工作的穩(wěn)定性 （3） 四、課程設(shè)計相關(guān)附件（如：圖紙、軟件等）（1）課程設(shè)計說明書一份 （2）cad繪圖軟件 （3） 簡單的原理圖和傳動系統(tǒng)圖 五、任務(wù)發(fā)出日期：2013.12. 任務(wù)完成日期：2013.12.指導(dǎo)教師簽字： 系主任簽字： 指導(dǎo)教師對課程設(shè)計的評語 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目錄第一章 課程設(shè)計任務(wù)11.1設(shè)計題目11.2設(shè)計背景11.3設(shè)計要求3第二章 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動功能系統(tǒng)圖42.1功能描述42.2機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動分析4第三章 系統(tǒng)方案擬定與比較53.1方案一53.2方案二93.3方案三103.4方案四113.5方案五13 36方案六 37 方案七3.8方案優(yōu)化14第四章 選定方案運(yùn)動尺寸確定15第五章 系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)分析16第六章 課程設(shè)計總結(jié)17第七章 參考文獻(xiàn)18第一章 課程設(shè)計任務(wù)1.1設(shè)計題目攝影車上的升降機(jī)構(gòu)1.2設(shè)計背景 目前國內(nèi)生產(chǎn)的攝影車上的升降機(jī)構(gòu)大多數(shù)為人工操作實(shí)現(xiàn)的，廣泛應(yīng)用的有兩種，一種是需要兩個人來完成攝影工作的，一個操作員，通過攝影師的指示，對攝影機(jī)進(jìn)行方位操作，而攝影師則在攝影車座斗上進(jìn)行拍攝工作；另一種攝影師兼操作員，將攝影機(jī)懸掛在座斗上，而攝影師通過對攝影機(jī)進(jìn)行方位操作來實(shí)現(xiàn)拍攝工作，這就對攝影師和操作員有較高的技術(shù)要求。現(xiàn)在，一種基于簡單的機(jī)械原理而設(shè)計的機(jī)械升降機(jī)構(gòu)的構(gòu)思出來了，它的臂是可伸縮的，并且通過簡單的齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降，以及旋轉(zhuǎn)副來實(shí)現(xiàn)360度轉(zhuǎn)動。1.3設(shè)計要求1）該升降機(jī)構(gòu)應(yīng)該具有一般升降機(jī)的功能，如圖1所示，安裝在汽車車身A上，座斗B可以升降3米。圖12）座斗B升降過程中應(yīng)保持水平狀態(tài)。左右移動過程中也應(yīng)該保持水平狀態(tài)。并且在升降和移動過程通過簡單的遙控操作，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動，避免了人工出現(xiàn)顫動，影響攝影效果。圖2為座斗B的部分?jǐn)?shù)據(jù) 圖2數(shù)據(jù)記錄3）結(jié)構(gòu)盡量緊湊、簡單、可靠，具有良好的動力傳遞性能 圖3傳統(tǒng)人工攝影機(jī) 圖4 改進(jìn)自動升降機(jī)第二章 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動功能系統(tǒng)圖2.1功能描述 這種基于簡單機(jī)械原理的新型升降機(jī)是在原有升降機(jī)的基礎(chǔ)上，通過添加齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械升降，取代了繁瑣的人工勞動，解決掉拍攝過程人工操作不穩(wěn)定現(xiàn)象。通過添加齒輪齒條機(jī)構(gòu)，做出簡單的操作系統(tǒng)，將座斗的升降和旋轉(zhuǎn)通過控制鍵實(shí)現(xiàn)，并有一個遠(yuǎn)程遙控器，可通過按鍵來實(shí)現(xiàn)座斗3米升降和360度旋轉(zhuǎn)。這樣操作員只需要拿著遙控器站在一邊操作即可，不需要手動來調(diào)整方向，減少了勞動力，節(jié)約了成本。2.2機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動分析 圖5 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動分析 如圖五所示，采用“雙齒輪單齒條”升降機(jī)構(gòu)，可以減緩齒輪的受力，延長使用壽命；控制盒控制步進(jìn)電動機(jī)，電動機(jī)左右伸出兩個傳動軸分別接傘齒輪，傘齒輪接齒輪帶動齒條，通過控制盒對步進(jìn)電動機(jī)的控制，可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的準(zhǔn)確、快速的啟動和停車。這里采用的傘齒輪可以實(shí)現(xiàn)使一個電動機(jī)分出兩個傳動軸，分別帶動兩個齒輪同步轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)齒輪齒條同步嚙合，達(dá)到穩(wěn)定傳動的目的，還能節(jié)省電機(jī)。之后，齒輪齒條的運(yùn)動帶動杠桿左端上下移動，右端懸掛的攝影機(jī)也得以上下移動，并通過一定的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)拍攝工作。 第三章 運(yùn)動方案擬定比較3.1方案一 如圖6所示 圖6 電動升降機(jī)1工作原理 如圖六所示，通過對1控制盤或者是遙控器進(jìn)行操作，可以實(shí)現(xiàn)左邊2齒輪3齒條運(yùn)動來帶動桿架上下運(yùn)動，從而使右邊懸掛攝影機(jī)的長臂4運(yùn)動，通過各相關(guān)桿件的長度計算和一定的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)攝影機(jī)6上下移動3米，同時，遙控8- 360°旋轉(zhuǎn)副實(shí)現(xiàn)攝影機(jī)360度旋轉(zhuǎn)。另外，長臂4設(shè)計為可伸縮式，能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向上的位移移動，滿足基本的設(shè)計要求2起升機(jī)構(gòu)及相關(guān)尺寸采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下移動，360°旋轉(zhuǎn)副實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動，可伸縮長臂能夠改變水平方向上的位移，機(jī)構(gòu)整體坐落在攝影車上，可實(shí)現(xiàn)隨走隨拍，相關(guān)桿件尺寸如下圖所示 圖7 相關(guān)尺寸標(biāo)注通過遙控，實(shí)現(xiàn)齒條在齒輪的帶動下上下0.5米運(yùn)動，由杠桿原理知，若短臂長1米，長臂長6米，則攝影機(jī)可以實(shí)現(xiàn)上下3米的運(yùn)動，其中長臂為可伸縮型，在滿足升降的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)水平方向上的位移，從而達(dá)到設(shè)計的基本要求3動力系統(tǒng)分析 圖8 動力系統(tǒng)控制盒控制步進(jìn)電動機(jī)，電動機(jī)左右伸出兩個傳動軸分別接傘齒輪，傘齒輪接齒輪帶動齒條，通過控制盒對步進(jìn)電動機(jī)的脈沖控制，可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的準(zhǔn)確、快速的啟動和停車。這里采用的傘齒輪可以實(shí)現(xiàn)使一個電動機(jī)分出兩個傳動軸，分別帶動兩個齒輪同步轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)齒輪齒條同步嚙合，達(dá)到穩(wěn)定傳動的目的，還能節(jié)省電機(jī)。4優(yōu)缺點(diǎn)1> 優(yōu)點(diǎn)：1） 節(jié)省勞動力，可以只讓攝影師操作，利用改進(jìn)的攝影機(jī)將拍攝到的圖像傳送到操作盤的屏幕上，這樣攝影師只需要盯著操作盤屏幕就可以進(jìn)行拍攝工作了。2） 提高操作的穩(wěn)定性，齒輪齒條運(yùn)動可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的上下傳動，避免了人為操作時晃動，影響拍攝效果。2>缺點(diǎn)1） 同時實(shí)現(xiàn)升降、旋轉(zhuǎn)時對攝影師的操作要求較高，而且操作時對于快速鏡頭跟進(jìn)速度可能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。2） 所占空間較大，設(shè)備成本制造較高。3.2方案二方案2是利用剪式升降機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)升降，如圖9所示 圖9剪式升降機(jī)剪叉式：強(qiáng)度高，外形美觀，性能穩(wěn)定、操作簡單、載重量大、寬大的作業(yè)平臺，可以適合多人作業(yè)，效率高，安全可靠缺點(diǎn)：但凈升高在10米以上，支桿的層數(shù)自然要多，相對來說保養(yǎng)起來要麻煩一些，可以加上方管或槽鋼做導(dǎo)軌，減小晃動。但成本可能要比同參數(shù)的導(dǎo)軌式成本高點(diǎn)。 1.造價是一方面，長行程，絲杠和皮帶，鏈條，液壓缸比起來貌似都要貴些；2.結(jié)構(gòu)設(shè)計難易度，絲杠不如鏈條，液壓缸簡單；3.如果需要自鎖性能的話，絲杠也會麻煩一些，有自鎖的，效率低； 4.出力，這個可能是最重要的一點(diǎn)，絲杠要提高更大推力，幾乎只能在前端增加齒輪減速，而鏈條皮帶還可以通過設(shè)計合適的鏈輪來實(shí)現(xiàn)，液壓缸的出力就更大了。3.3方案三凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降功能，如圖10所示 圖10 凸輪式攝影機(jī)升降機(jī)構(gòu)工作原理（通用）：簡介：機(jī)構(gòu)動力由電動機(jī)（圖示凸輪處）提供，并應(yīng)用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小范圍的升降運(yùn)動，通過橫桿傳遞到另一側(cè)的坐斗升降機(jī)構(gòu)。橫桿處應(yīng)用杠桿原理，實(shí)現(xiàn)右側(cè)小范圍升降轉(zhuǎn)化為右側(cè)大范圍的升降。坐斗連接到單獨(dú)的升降桿上，用于保證坐斗升降過程始終保持水平，橫桿左端設(shè)計成滾輪機(jī)構(gòu)，保證傳遞運(yùn)動的可靠以及減小傳遞過程的摩擦損失，折彎處是保證坐斗在升降過程中不會碰到橫桿。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)構(gòu)使用過程中平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)坐斗的大幅度升降，應(yīng)用杠桿可將右側(cè)大幅度升降變?yōu)檩^小的升降距離，即凸輪大小可控制在一定的范圍內(nèi)，對動力機(jī)構(gòu)要求相對較小。升降范圍可通過調(diào)節(jié)橫桿的長度實(shí)現(xiàn)，可以滿足不同情境下的使用要求。缺點(diǎn)：橫向長度比較長，使用時有一定的條件限制，不易于運(yùn)輸。由于坐斗升降桿的限制，實(shí)現(xiàn)某些特定場景的拍攝。3.4方案四利用液壓和四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)升降的曲臂升降機(jī)，如圖11所示 圖11曲臂升降機(jī)工作原理1為固定架與卡車相連，1,2構(gòu)成移動副，使升降機(jī)可實(shí)現(xiàn)左右來回運(yùn)動，3為液壓千斤頂，可讓桿件4，5, 6上下移動，從而帶動座斗作上下移動，最終達(dá)到所要設(shè)計的要求.優(yōu)缺點(diǎn):在外觀上相比于其他的設(shè)計比較美觀，可進(jìn)行多點(diǎn)拍攝，座斗載重量比較大，可供兩個人或多人同時拍攝并搭載一定的除攝影機(jī)之外的設(shè)備，升降座斗移動性較好，轉(zhuǎn)移拍攝場地比較方便，采用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。座斗安全可靠，總體性能比較好，不過制造成本比較高3.5方案五該升降機(jī)構(gòu)是采用曲柄滑塊實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動，如圖12所示圖12 輪盤升降機(jī)構(gòu)工作原理（通用）：簡介：最下方的輪盤可以與電動機(jī)相連，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動輪盤的轉(zhuǎn)動。因?yàn)檩啽P上有一個凸起，所以可以通過這個凸起將輪盤的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為豎直方向上桿架的直線運(yùn)動。圓盤的在豎直方向上的位移就可以傳遞到桿架上。這樣就可以實(shí)現(xiàn)托盤的豎直運(yùn)動，托盤的設(shè)計是為了穩(wěn)定托盤上的機(jī)構(gòu)。而固定框架的設(shè)計則是為了固定桿架的運(yùn)動軌跡，防止桿架偏離預(yù)定的軌道。優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)的動力可以持續(xù)作用進(jìn)而傳遞到輪盤上，輪盤的旋轉(zhuǎn)是非常有規(guī)律，因此凸起的轉(zhuǎn)動也是有規(guī)律的，有固定的周期。因此桿架的上升高度就等于輪盤的直徑。整個運(yùn)動都有固定周期的。缺點(diǎn)：因?yàn)闂U架的上升高度就等于輪盤的直徑，所以需要一個很大的圓盤才能滿足題目的要求，而在實(shí)際中這種大圓盤是很難制作的3.6方案六利用液壓三桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)升降，如圖13所示 圖13 液壓三桿升降機(jī)構(gòu)工作原理:有桿1上的液壓機(jī)構(gòu)1推動桿2做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可以使桿2和桿3從而帶動攝像機(jī)所在的平臺做升降及左右運(yùn)動，桿2的液壓機(jī)構(gòu)同樣可以使桿3及平臺做升降和左右運(yùn)動。從而實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)平臺的多級運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的豎直及水平方向的運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)：該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的升降和水平運(yùn)動，利用兩級的傳動裝置實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)平臺的不同高度和長度的豎直和水平的運(yùn)動，這樣，相同的高度如3米，每個桿只需運(yùn)動高度為1.5米即可，從而將運(yùn)動長度以此方式縮短二分之一。缺點(diǎn)：因?yàn)闂U1與桿2之間由一個斜桿連接，在桿上升的同時會有水平方向的運(yùn)動，從而使攝影機(jī)的位置調(diào)整較為困難，精度不夠。同時因?yàn)閷⒏叨鹊目s短為二分之一，導(dǎo)致該機(jī)構(gòu)在水平方向長度增加，使該機(jī)構(gòu)所占的面積也有所增加。3.7方案七利用四桿機(jī)構(gòu)，行星輪機(jī)構(gòu)以及皮帶輪來實(shí)現(xiàn)攝影機(jī)的拍攝工作，如圖14所示 圖14力臂式自動及手動升降攝像機(jī)工作原理：本機(jī)構(gòu)由電動機(jī)提供動力，通過減速箱減速達(dá)到較為合適的轉(zhuǎn)速，然后再通過皮帶傳送給周轉(zhuǎn)輪系，周轉(zhuǎn)輪系上配有輪轂，通過線的纏繞實(shí)現(xiàn)最左側(cè)攝像機(jī)的升降，而且也可以通過手動搖桿的角度調(diào)動來實(shí)現(xiàn)升降，通過這兩個的配合共同實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的升降。優(yōu)點(diǎn)：既能通過電動機(jī)帶動繩索實(shí)現(xiàn)一部分升降，也可通過手動操作實(shí)現(xiàn)一部分升降，兩者結(jié)合更容易、更便捷的實(shí)現(xiàn)升降。同時也可以通過底座的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的最大方位拍攝。缺點(diǎn)：由于運(yùn)用繩索，故存在摩擦，需要定期更換繩索，并且此升降機(jī)構(gòu)比較重，需要人員較多來實(shí)現(xiàn)本機(jī)械的操作。3.8方案優(yōu)化綜合以上所有的方案，最終選定方案一為最佳方案，對方案一進(jìn)行一定的簡化、修改，去掉繁雜作用不大的部分，并通過三維繪圖軟件繪制出這款新式的自動升降機(jī)，最終再通過仿真實(shí)現(xiàn)新式攝影機(jī)的拍攝工作，觀察拍攝過程是否按預(yù)想的效果進(jìn)行。 第四章 選定方案運(yùn)動尺寸確定在方案一中已經(jīng)對方案的尺寸進(jìn)行了確定，其中座斗簡化為360°旋轉(zhuǎn)副，對尺寸方面沒有要求了，其他各部件尺寸參照下圖按比例做出，通過簡單的計算，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的設(shè)計要求。如圖15 各部分尺寸第五章 系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)分析此部分內(nèi)容主要是分析機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動的位移、速度、加速度與原動件轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)速）的關(guān)系，建議用仿真軟件完成，也可以用解析法，圖解法作為最后的方法。仿真軟件包括：Adams、各種自編小軟件，如四桿機(jī)構(gòu)仿真軟件、凸輪仿真軟件等。通過仿真驗(yàn)證各桿件、各部分的運(yùn)動情況，是否有咬齒，脫齒現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)傳動是否穩(wěn)定。對油壓泵與各桿件的速度與加速度關(guān)系進(jìn)行分析，對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。第六章 課程設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計是我進(jìn)入大學(xué)以來第一次對自己所學(xué)知識和動手能力的綜合檢測，使我感觸頗多、獲益匪淺。首先，通過此次課程設(shè)計，進(jìn)一步鞏固所學(xué)的基本理論、基本概念和基本知識，培養(yǎng)了自己分析和解決與本課程有關(guān)的具體機(jī)械所涉及的實(shí)際問題的能力。對平面連桿機(jī)構(gòu)、搖桿、齒輪、槽輪等一些課本上獨(dú)立的知識有了更加深刻的理解和聯(lián)系，要使這些基本結(jié)構(gòu)能組成功能強(qiáng)大的各種機(jī)構(gòu)，我的學(xué)習(xí)還有待于更深入。其次，這次課程設(shè)計過程中，使我了解到團(tuán)隊的力量是無限的。與同學(xué)們激烈討論，團(tuán)結(jié)合作，共同努力，最終完美的實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的設(shè)計，是本次課程設(shè)計中珍貴的體驗(yàn)。再有，在設(shè)計過程中，遇到的問題通過網(wǎng)絡(luò)搜索基本得到解決 ，讓我再一次意識到網(wǎng)絡(luò)的重要性，并且通過網(wǎng)絡(luò)開闊了眼界，在課程設(shè)計中，不止應(yīng)用學(xué)過的知識，還從網(wǎng)絡(luò)上了解到了別的可以用來實(shí)現(xiàn)升降的機(jī)構(gòu)，例如液壓傳動等。此外，希望我們能有更多的機(jī)會參與課程設(shè)計，提高自主創(chuàng)新能力。這次課程設(shè)計我投入了很多的時間和精力，我覺得這是完全值得的。在我看來，課程設(shè)計比考試更能檢測出學(xué)習(xí)的深度和精度。獨(dú)立思考，勇于創(chuàng)新，動手能力都得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)。最后，衷心感謝齊秀麗老師這個學(xué)期的悉心教導(dǎo)與鼓勵，在課堂上為我們補(bǔ)充了很多知識，帶領(lǐng)我們走進(jìn)了奇妙的機(jī)械世界。在齊老師的耐心指導(dǎo)下，我們才能完成了這次的課程設(shè)計 ，并從中學(xué)到了更多的知識。第七章參考文獻(xiàn)1 齊秀麗，機(jī)械原理，中國電力出版社，20102 孫桓，陳作模.機(jī)械原理M.7版. 北京：高等教育出版社，20063 梁崇高.平面連桿機(jī)構(gòu)的計算設(shè)計M北京：高等教育出版社,1993 4 鄒慧君，傅祥志等機(jī)械原理M北京：高等教育出版社，1999 5 申永勝.機(jī)械原理教程M北京：清華大學(xué)出版社,1999 6 鄧宗全，張朋，胡明，高海波.輪式行星探測車移動系統(tǒng)研究狀況綜述及發(fā)展態(tài)勢J. 機(jī)械設(shè)計，2008，25（1）：1-57 課程設(shè)計指導(dǎo)書