助老型“方便阅读架”的重要机构设计

助老型“方便阅读架”的重要机构设计

周仓库，袁彪，陈阳阳，易竞柳，葛宏雨

安徽文达信息工程学院 机械与汽车工程学院， 合肥 230000

摘 要：本设计拟设计一种老年人阅读时使用的放大镜搁置的摆放支架，该阅读书架是利用直线电机设计的一种新颖的机械结构，可以实现利用手动遥控控制放大镜能在x和y方向自如的移动，以实现阅读不同的区域。该论文主要对步进电机丝杠传动机构进行分析与设计，达到了使用要求。

关键字：摆放支架；手动遥控；丝杠传动

中图分类号：TH132.1 文献标识码：B

Important mechanism design of "convenient reading frame" for the aged

Zhou Cangku

（Anhui Wenda College of Information Engineering School of mechanical and automotive engineering,Hefei,230000）

Abstract: This design intends to design a kind of bracket for placing magnifying glass used by the elderly when reading,the reading bookshelf is a novel mechanical structure designed by using linear motor.The magnifying glass can be controlled by manual remote control, and can move freely in X and Y directions to read different areas.This paper mainly analyzes and designs the screw transmission mechanism of stepping motor, and meets the requirements of application.

Key words:Place the bracket;Manual remote control;Screw drive

0引言

老年人看书是他们了解当今社会的一种主要方法，但是高龄老人阅读确实存在不小的困难，高龄老人的眼睛已经严重老花，因此阅读时需佩戴老花镜，并且手持放大镜，这种阅读的方式非常繁琐劳累，还要随着阅读的部位的不同手持放大镜不断改变位置，增加了不少的阅读负担。此论文准备设计一款可以方便老年人阅读时可以放置放大镜的摆放支架装置结构，此结构可根据老年人阅读时的速度自动变换x方向和y方向的位置，实现类似我们利用电脑阅读时的自动滚屏操作，还可以按照手动控制的方式来实现手动控制改变放大镜的位置，以实现阅读不同的区域。

1. 工作原理

1.1概述

方便阅读架的结构主要采用基本的轴类件、杆件、丝杆、同步带、皮带轮、板材等组成，选取51单片机系统来控制步进电机动力传动机构，此论文传动机构这一部分主要采用步进电机带动丝杠传动、皮带传动等，结构紧凑、简便，原材料完全可以选用于市面上普通的现有材料，成本低廉，原材料广泛。

1.2工作原理

本论文设计的阅读架整体尺寸：500mm×400mm×500mm。该装置主要由同步带运动机构，丝杆步进电机运动机构等构成。丝杆步进电机运动机构主要是由步进电机提供动力，通过弹性联轴器将步进电机与传动丝杆联结，通过一个开环控制系统对步进电机伺服系统进行控制，驱动机构是控制步进电机传动系统的，进给脉冲信号可以转变成具有一定速度、大小和方向的矢向量转角，阅读架工作台是根据丝杠和齿轮进行传动移位。

脉冲驱动的速度快慢是由频率w来决定，位移量的大小是由进给脉冲的数量多少决定的，步进电机的三相交流电的相序决定了脉冲方向，步进电机出现自锁行为是根据步进电机相序的保持而确定的。因为该控制系统没有设置单位负反馈环节，其系统传动精度主要是由电机工作精度来决定，传动速度因此受到步进电机整体工作要求的限制并将其送到正确位置^[1]。

2. 重要部件设计

步进电机丝杠传动机构包含42步进电机、螺钉、丝杠螺母、弹性联轴器、、轴承座、横向连接轴、紧固螺母、托板支架、紧定螺钉等重要部件组成。

结构特点：由42步进电机提供动力带动丝杠转动，丝杠上的丝杠螺母通过横向连接轴带动整个同步齿形带传动机构Y方向运动^[2,3]。

图1 步进电机丝杠传动机构示意图

滑动螺旋传动的设计计算：螺杆是螺旋传动系统的主要结构。螺旋传动系统的工作刚度与精度等都和螺母支承结构有着重要联系。滑动螺旋传动系统工作表面的磨损受到压力、速度、润滑状态以及螺纹粗糙度的大小的影响。当然最主要的因素还是螺纹工作面上的压力，受到的压力越大螺旋副间越容易出现过度磨损的现象。因此，需要计算滑动螺旋副的耐磨性，主要是为了对螺纹工作面上的压力p有一个限制作用，让压力P小于零件材料的许用压力[p]。假设作用于螺杆的轴向力F（N），螺距为 P（mm），受力面积为A（mm

²），工作高度为H（mm），中径为d₂（mm），高度为 D（mm），工件圈数为 u＝H/P 。则螺纹工作面上的耐磨性条件为: （1）

上式可作为校核计算用。为了导出设计计算式，令ф=H/d2， 则H=фd2，，代入式（1）引整理后可得: （2）

对于30º锯齿形螺纹，h=0.75P，则： （3）

螺母高度：

（4）

[P]为材料的许用压力，单位MPa，见表1；

ф一般取1.2～3.5。（紧固螺母，因磨损后的螺母间隙不能在调整，为得到受力较均匀的受力图，螺纹不能有过多的工作圈数，因此取ф＝1.2～2.5；对于剖分螺母，可取ф=2.5～3.5；只有传动精度较高，载荷较大，寿命较长时，才允许取ф=4。）

通过上面的式子求出螺纹中径d2以后，应按国标选取合适的公称直径d及螺纹螺距P。根据以上要求，螺纹工作圈数不能超过10圈。

表1 滑动螺旋副材料的许用压力[P]

大臂、小臂、手指各部分及负载重量的总和约25N，即F=25N，取ф=1.2，[p]=7MPa,则由式（3）求出

根据实物本身尺寸，以及市场实际情况选择直径为M5，取中径为4.5mm。

查表选取螺距P=2mm,则工作圈数u=H/P=5.4/2=2.7<3,根据其200mm的行程及运动和安装余量，设计其长度为270mm^[4]。

参考文献

1. 张永亮，安超群.基于阅读姿态视觉识别与自适应调整的智能阅读架[J].计算机系统应用，2020.6，：95-97.

[2]陈明.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2005:37-41.

[3]杨豪虎.AutoCAD2016[M].上海：上海交通大学出版社，2018:55-85.

[4]邱宣怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2011:29-36.

作者简介：周仓库（1999—），男，学士本科，研究方向：机械电子工程，E-mail:2906129443@qq.com