單根立，高詩(shī)凱

(河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

0 引 言

隨著現(xiàn)代繪畫藝術(shù)的發(fā)展，目前開始流行在墻體上進(jìn)行創(chuàng)作[1]。畫家作畫，長(zhǎng)時(shí)間伏案，大都會(huì)患上頸肩腰腿痛。所以目前開始流行在墻上作畫，避免長(zhǎng)時(shí)間彎腰低頭，避免了頸椎和腰椎病的發(fā)生。墻面一般較高，畫家需要通過攀爬梯子才能完成整幅繪畫。在繪畫姿勢(shì)受到很大程度上限制的同時(shí)，也無法保證人身安全[2]。

通過與畫家進(jìn)行探討交流后，決定研制一種操作方便、穩(wěn)定可靠、適用性好的智能畫家座椅。該畫家座椅的主要解決遇到較大篇幅繪畫時(shí)畫家難以升降和移動(dòng)的問題，在保證安全的前提下可以使畫家升降移動(dòng)自如，提高了創(chuàng)作效率，減輕了工作強(qiáng)度。畫家一旦構(gòu)思完成后，一氣呵成完成創(chuàng)作，有利于畫作的統(tǒng)一性和完整性。

本文以升降平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過大量力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出了畫家座椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。通過對(duì)控制系統(tǒng)的研究，以PLC作為控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)的可操作性及安全性[3]。在設(shè)計(jì)與選材時(shí)，既要保證功能的完善，又要考慮其經(jīng)濟(jì)適用性。該座椅能夠完成載人自動(dòng)升降，無軌道前后移動(dòng)和左右移動(dòng)，把畫家從地面舉升到空中某位置，使得畫家能夠方便地進(jìn)行作畫、審視。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理

畫家座椅機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由升降裝置、底盤旋轉(zhuǎn)裝置、行走裝置、支腿部分、椅座部分組成。如圖1所示。

機(jī)械部分框架材料選取的是定制鋁合金型材，底部選取材料為鋁板。鋁合金型材因具有質(zhì)量輕、易造型且價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，如今在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。通過前期的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，得出使用鋁合金型材比較符合要求。在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，一是將整體框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量降到了最低，減輕了底部平臺(tái)的承載壓力，也為座椅在搬運(yùn)過程中減輕了不少負(fù)擔(dān)；二是由于鋁合金型材價(jià)格較低，也縮減了畫家座椅的設(shè)計(jì)成本，提高了畫家座椅的經(jīng)濟(jì)適用性。

圖1 畫家座椅機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖2 旋轉(zhuǎn)裝置

圖3 行走裝置

圖4 電動(dòng)推桿及支腿部分

圖5 升降裝置

底盤旋轉(zhuǎn)裝置中轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出軸裝有主動(dòng)小齒輪，行走減速電機(jī)通過主動(dòng)小齒輪驅(qū)動(dòng)從動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)[4]，其中大齒輪安裝在底部圓盤上，小齒輪安裝在長(zhǎng)方形底盤上，如圖2、圖3所示；行走裝置中的行走減速電機(jī)通過主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)軸上安有左右兩個(gè)輪子實(shí)現(xiàn)行走[5]，行走裝置安裝在長(zhǎng)方形圓盤上，如圖3所示；支腿部分中的四個(gè)電動(dòng)推桿的同步伸縮控制著底部支腿的升降，電動(dòng)推桿通過連接件與底部支架相連，通過導(dǎo)向輪導(dǎo)向[6-7]，如圖4所示；升降裝置中的絲杠通過軸承支撐在軸承支座上，通過聯(lián)軸器與升降電機(jī)相連，從而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)便帶動(dòng)了絲杠的旋轉(zhuǎn)升降[8]，其中椅座部分通過支架與升降裝置連接在一起。本結(jié)構(gòu)采用的是絲杠螺母式升降機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、傳動(dòng)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)絲杠易于實(shí)現(xiàn)自鎖，故其安全可靠[9]，如圖5所示。

畫家座椅工作過程如下：

(1)座椅到達(dá)作業(yè)區(qū)域后，畫家開始移動(dòng)創(chuàng)作，在確定行走方向后，由旋轉(zhuǎn)裝置確定座椅的行走方向，行走分為前后左右四個(gè)方向。旋轉(zhuǎn)裝置工作過程詳見PLC控制流程圖。

(2)行走方向確定后，行走裝置驅(qū)動(dòng)座椅行走。

(3)行走至理想?yún)^(qū)域，電動(dòng)推桿收縮使支腿通過導(dǎo)向輪平穩(wěn)下降著地，支腿將座椅支起保證畫家創(chuàng)作時(shí)座椅穩(wěn)定可靠。

(4)絲杠螺母式升降裝置帶動(dòng)椅座上下運(yùn)動(dòng)，由于自鎖性良好，椅座可停在絲杠行程范圍內(nèi)任意位置。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的總體方案

系統(tǒng)采用PLC控制，系統(tǒng)框架圖如圖6所示，需要同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電動(dòng)推桿的伸縮。通過光電耦合器和光電開關(guān)等傳感器反饋給PLC信號(hào)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)工作的連續(xù)和準(zhǔn)確性。為了保證旋轉(zhuǎn)裝置達(dá)到旋轉(zhuǎn)角度，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接的大齒輪處裝有擋片，配合光電耦合器反饋給PLC信號(hào)，當(dāng)擋片到位后電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；為了保證絲杠升降不超出行程，在升降支架部分安裝有光電開關(guān)傳感器反饋給PLC信號(hào)[10]，到位停止(與此同時(shí)還在絲杠上下極限位置安裝有機(jī)械式接觸開關(guān)，預(yù)防光電開關(guān)傳感器失效)；通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的升降以及調(diào)速，通過隔離型直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。畫家通過十字搖桿開關(guān)控制座椅的走向以及升降，十分方便高效。

圖6 PLC系統(tǒng)框架圖

2.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC I/O地址分配見表1，由PLC控制電磁閥的通斷實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)核心是采用PLC為中央處理單元，輸入點(diǎn)有16個(gè)，輸出點(diǎn)有8個(gè)。輸入點(diǎn)分別有信號(hào)采集和模式選擇兩種方式，檢測(cè)傳送機(jī)構(gòu)的行程開關(guān)與PLC相連。

表1 PLC I/O地址分配

由搖桿開關(guān)通過PLC控制輸出繼電器的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及電動(dòng)推桿的收縮，通過控制程序?qū)崿F(xiàn)各個(gè)升降和行走動(dòng)作[11]。為了提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，對(duì)關(guān)鍵的部位和關(guān)鍵的故障在硬件和軟件上設(shè)置了雙重保護(hù)：為保證升降系統(tǒng)的安全可靠，設(shè)定PLC內(nèi)部定時(shí)器T0作為升降延時(shí)關(guān)斷的雙重保護(hù)。正常時(shí)，升降電機(jī)由外部繼電器KT控制，若KT發(fā)生故障或設(shè)定時(shí)間太短，T0會(huì)自動(dòng)使升降電機(jī)延時(shí)關(guān)斷停止旋轉(zhuǎn)，起到雙重保護(hù)的作用[12]。另外程序設(shè)定為開機(jī)復(fù)位，使座椅在開機(jī)后座椅能處在最低的位置，方便畫家乘坐。

PLC接線圖如圖7所示。

圖7 PLC接線圖

2.3 PLC控制流程

根據(jù)設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的順序動(dòng)作，繪制了控制流程圖，方便后期PLC控制程序的編寫，具體控制動(dòng)作順序如圖8所示。

圖8 PLC控制流程圖

通過分析畫家座椅需要滿足的上移、下移、左移、右移、前進(jìn)、后退各個(gè)行走動(dòng)作，列出了每個(gè)動(dòng)作需要的行進(jìn)步驟。上移與下移動(dòng)作相對(duì)簡(jiǎn)單，程序需通過限位開關(guān)控制電機(jī)的啟停，保證椅座部分的上限位與下限位；畫家座椅左移、右移、前進(jìn)、后退相對(duì)復(fù)雜，但這四個(gè)動(dòng)作步驟相似：首先需要判斷行走裝置中輪子的方向位置，而后檢測(cè)底盤是否需要旋轉(zhuǎn)(例如輪子現(xiàn)在是前進(jìn)的方向，而給出的命令是左移，這時(shí)便需要旋轉(zhuǎn))，如若需要旋轉(zhuǎn)，首先電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)支腿上升將底盤支起離地，而后旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)改變輪子的方向位置，當(dāng)檢測(cè)到位后，行走裝置啟動(dòng)，座椅實(shí)現(xiàn)左移動(dòng)作，最后電動(dòng)推桿再驅(qū)動(dòng)支腿下降著地，畫家開始創(chuàng)作；如若無需旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)支腿上升后，座椅便可以直接左移，而后支腿下降著地。由此便完成了一次左移的行走動(dòng)作，其他三種動(dòng)作與此流程基本一致。

3 結(jié)束語

本文依托現(xiàn)有升降機(jī)構(gòu)，結(jié)合畫家座椅需完成功能的參數(shù)條件，通過系統(tǒng)的建模以及控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了一套完整的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及升降、旋轉(zhuǎn)、平移系統(tǒng)控制方案。畫家座椅解決了畫家登梯子進(jìn)行繪畫創(chuàng)作的困局，使畫家在墻上作畫時(shí)能上下左右前后任意移動(dòng)，其中上升高度可達(dá)1.3 m，操作性能良好，并具有平穩(wěn)連續(xù)的升降能力和靈活的平移能力，從而提高了創(chuàng)作效率，減輕了工作強(qiáng)度。實(shí)物如圖9所示。

圖9 畫家座椅實(shí)物圖