毕业设计论文多功能童车开发设计构想.docx
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毕业设计论文多功能童车开发设计构想
河南科技学院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：
多功能童车开发设计构想
学生姓名：
夏运奎
所在院系：
机电学院
所学专业：
机械设计及其自动化
导师姓名：
丛晓霞
完成时间：
2009年5月20日
摘要
本设计是用于父母忙于工作，对子女无法随时随地照看，避免儿童接触水、电、火等危险物，基于机电结合，利用棘轮机构、电控机构，实现童车的折叠功能、自动行驶功能以及机械手伸缩功能，并在与Solidworks设计软件结合设计一款集保护、教育、娱乐为一体多功能童车，在整个设计中，对车体整体、功能部件以及童车运动进行了基本的设计。
本童车的基本功能有：
可乘坐、折叠、自动行驶以及处理危险事物。
关键词：
多功能，自动化，童车，机械手
Designedanddevelopedtheconceptofmulti-purposebaby
Abstract
Thedesignisfortheparentswhentheyaretoobusyinworktolookaftertheirchildren.Toprotectchildrenfromexposuretowater,electricity,fireorotherdangerousobjects.Basingonthemechanicalandelectricalintegration,theuseofratchetmechanism,electric-controlledinstitutions,toachievefoldingbabystrollerfunctionality,automaticdrivingfunctionaswellastelescopicmanipulatorfunctionanddesignwithSolidworkssoftwaretodesignasetprotection,educationandentertainmentintoonemulti-purposebabystroller,inthedesignofthewholebody,aswellasthebabystrollercampaignfeaturesabasicdesign.Thebasicfunctionofthebabystrollerare:
touse,folding,automaticdriving,aswellasthehandlingofdangerousthings.
Keywords:
multi-functional,automation,babystroller,mechanicalhand
目录
1引言1
2童车功能设计2
2.1功能要求2
2.2功能设计方案2
2.2.1童车车体设计2
2.2.2折叠功能设计2
2.2.3自动行驶功能设计2
2.2.4危险处理功能设计3
2.3功能总结3
3童车零件设计5
3.1各功能所需零件设计5
3.1.1折叠功能零件6
3.1.2立式功能零件设计6
3.1.3传动部件设计6
4机械手设计7
4.1机械手动力设计7
4.2机械手的具体功能7
4.2.1伸缩功能设计7
4.2.2转动功能设计7
4.2.2螺丝电机原理8
5系统功能设计10
5.1系统可控机构10
5.2系统功能设计11
5.3系统软件选择12
6主要零部件设计15
6.1车轮绘制15
6小结16
致谢17
参考文献18
1引言
现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。
70年代以后，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。
自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。
自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。
工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。
自动化是一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术。
作为一个系统工程，它由5个单元组成：
（1）程序单元决定做什么和如何做。
（2）作用单元施加能量和定位。
（3）传感单元检测过程的性能和状态。
（4）制定单元对传感单元送来的信息进行比较，制定和发出指令信号。
（5）控制单元进行制定并调节作用单元的机构。
自动化的研究内容主要有自动控制和信息处理两个方面，包括理论、方法、硬件和软件等，从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、管理自动化、实验室自动化和家庭自动化等。
机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。
自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。
采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。
因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。
现代家庭自动化多数为使生活更舒适、更方便、更安全，而对于儿童的安全与成长考虑的非常少，子女是家庭和国家的希望和未来，儿童的健康成长对于国家的富强有着极其重大的意义，所以设计这款集娱乐、保护、教育为一体的童车是非常适应的和需要的。
2童车功能设计
2.1功能要求
本款童车的基本功能有：
可乘坐、折叠、自动行驶以及处理危险事物。
孩子在刚学会站立时，是不能长时间站立的，在孩子无法站立或刚刚学会站立是可乘坐这款童车。
如果孩子自己行走，童车可折叠和在后跟随，时刻对孩子四周的环境进行监测，如有危险，信号会被系统接收，并作出反应，机械手可带离孩子远离危险区域，或者是机械手将危险物处理掉，从而保证孩子的安全。
童车功能复杂，必然对设计要求严格。
首先，童车整个车身设计必须能够使诸多功能实现。
其次，童车功能的实现与各个零件的准确设计以及配合是分不开的。
最后，设计完毕在童车的准确度和灵敏度上要满足实际的需要。
童车动力可有电动和燃料动力，由于童车是用于儿童使用，其就必须要轻便、动力稳定，而且考虑对儿童身体健康的因素，电动是比燃料动力更好的选择。
2.2功能设计方案
2.2.1童车车体设计
现在的童车市场，有多种多样的童车：
伞柄车、手推车、双胞胎车等等，种类繁多。
虽然其大都是对童车形状进行改进，功能单一，但是在车身方面从儿童视角考虑，充分满足儿童的需要。
由于现有童车设计车身设计已是多种多样，所以本款童车车身的设计重点不是外型设计，而是在四轮童车和三轮童车（图1）的设计上。
四轮童车在安全方面比三轮童车优越，在行驶时很稳定，但如果在四轮童车的基础上设计本款童车，设计难度将会增大，同时由于童车的行驶速度比较慢，所以三轮童车的安全也比较可靠，设计也是比较简单，而且培养孩子的骑行能力，为以后学习自行车打个坚实的基础。
图1
2.2.2折叠功能设计
折叠并不是拆卸，折叠是将车把收起在车箱内，所以可在童车支撑处加一可供旋转用的铰链即可。
通过旋转角度的调节，来实现童车的状态，即坐式或立式。
2.2.3自动行驶功能设计
要自动行驶除了系统程序调节外，童车机械结构应有相应的配合。
系统程序在后面再做叙述，现从童车的硬件分析：
万向轮可调节行驶方向，在童车自动行驶时，方向需要有效调节，在选择三轮童车的方案，唯一可用来调节方向的轮子，只有单轮，即非动力轮。
由于现市场在有电控万向轮，所以此项设计可省去，其可完全适用童车轮子的360度角度调节，对童车自动行驶时方向自动调节功能完全可以实现。
如图2：
图2
2.2.4危险处理功能设计
本款设计最大特点是在对危险的处理上，由于在孩子的眼中，一切事物都是好奇的，但是有的事物对幼儿来说是相当危险的。
一般有水、火、电等，避免孩子的接触。
童车的设计要实现这一功能，就必须有一个可以将危险物带离孩子身边的设计———机械手。
机械手是一种能自动化定位控制，并可重新编程序改变动作的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；工业机械手在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业。
因单片机设计复杂,需较多继电器,接线繁杂,易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。
可编程序控制器PLC控制的机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力,保证了系统运行的可靠性,降低了维修率,提高了工作效率[3]。
机械手可以单独完成一些复杂的步骤，所以这一功能用机械手来实现，是完全可靠和方便的。
2.3功能总结
（1）（折叠功能）当童车无人乘坐时，童车可折叠跟随，其车把部分收起，车箱立起，后轮着地，两大轮为动力轮，后轮为方向轮。
如图3：
图3
（2）（坐式行使功能）坐式功能可供乘坐，车把展开，前轮为方向轮，后轮为动力轮。
如图4：
图4
（3）（立式机械手操作功能）立式状态,机械手可伸缩,抓取危险物品远离儿童,其可实现360°旋转。
如图5：
图5
3童车零件设计
3.1各功能所需零件设计
由于功能较为复杂，且童车在实际使用中，特定的人群与特定的用途，要求零件设计上要严格遵从安全、轻便、简单、准确的原则。
3.1.1折叠功能零件
方案一设计一转动铰链，可由电机带动，通过童车内部系统调节电机的转动方向和角度大小来实现折叠功能，此方案的优点在于准确，同时灵敏度高，缺点则是设计较复杂，需要的技术要求高，同时在后续的工作中加大了工作量和工作难度。
方案二采用一种棘轮结构[6]（图6），轮轴上缠绕一根钢丝，在内部设计一电机，电机带动动轮转动，使钢丝收、放，来实现车体的折叠。
在整个设计中，车体的折叠是童车需要立式时，首先的动作是机械手接触地面以支撑车体，使车体前端抬起一定角度，同时后端动力轮转动，带动车后端向前，逐渐成为立式，在达到一定角度后，电磁铁得电，棘轮卡齿抬起，在车前端自身重力的作用下，钢丝放出，车前端自然下垂，实
现折叠功能。
然后动力轮继续转动，直到车体完全直立，收回机械手，完成折叠动作。
此方案设计简单，且在整体中设计较为紧凑，也不增加设计的难度，和后续工作量。
缺点是对动作连续性和准确性要求较高。
方案一和方案二比较，在从市场角度和使用者角度，市场要求成本低，生产较为容易，且技术较低，效益好，而对于儿童来说，安全大为重要。
方案一，对技术要求高且在实际的使用中，将会有失灵或断齿现象，在安全方面有缺陷，所以选方案二较为妥当。
图6
3.1.2立式功能零件设计
方案一架式结构两个动力轮，其轴是安装在车体伸出的支架上的，其优点是平衡性好；缺点是传动设计较为复杂，增大设计难度，对动力部件要求较高，无法实现准确传动。
方案二内轴式结构在后车箱内安装动力轴，靠齿轮传动带动轮子转动，传动稳定，结构较为简单，且闭式齿轮，对齿轮寿命也有一定保障。
所以，从两个方案比较可知，方案二较佳。
3.1.3传动部件设计
方案一链传动链轮传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；需要的张紧力小，作用在轴上的压力小，可减少轴承的摩擦损失；结构紧凑；能在高温，有油污等恶劣环境下工作；缺点：
瞬时转速和瞬时传动比不是常数，传动的平稳性较差，有一定的冲击和噪声。
方案二齿轮传动效率高，在常用的机械传动中，以齿轮传动效率为最高，闭式传动效率为96%~99%，这对大功率传动有很大的经济意义。
结构紧凑，比带、链传动所需的空间尺寸小。
3）工作可靠、寿命长 设计制造正确合理，传动比稳定[8] 。
4机械手设计
4.1机械手动力设计
由于童车的特殊用途和其自身设计特点的限制，童车不可能太过大，应尽可能小、轻、便。
机械手有很多功能不可能采用一些传统的动力设计方案，如液压传动、气动等，所以应最可能简单且准确的实现机械手的所有功能。
4.2机械手的具体功能
4.2.1伸缩功能设计机械手的伸缩功能可采用螺丝杆旋转来实现，如图7：
图7
4.2.2转动功能设计
机械手可实现360°转动，此功能是在车箱内部用一电机来带动，左右机械手实现同步、同角度旋转。
如图8：
机械手
图8
4.2.2螺丝电机原理
1）绿色部分为螺丝电机及丝杆，螺丝电机旋转带动丝杆转动，丝杆上的螺纹带动机械手2（右）伸缩。
如图9：
图9
2）绿色为螺丝电机，固定在机械手1（上图），丝杆通过螺纹来使机械手2（右灰）伸缩。
如图10
图10
5系统功能设计
5.1系统可控机构
转动1
童车主要转动功能部件有4个电机顺序转动，转动1控制车把的折叠和展开，转动2控制左右机械手同步、同角度转动，转动3控制行驶方向，转动4控制机械手伸缩。
如图11，12，13：
转动2
图11
转动3
图12
转动4
图13
5.2系统功能设计
动作一机械手转动（转动2）一定角度，螺丝电机转动（转动4），使车身抬高，后轮转动后箱前进，逐渐直立。
如图14:
图14
动作二棘轮卡齿抬起，车前身自重，完成折叠。
如图15:
图15
动作三后轮旋转使后箱前进，完成直立，收回机械手，电控轮转动（转动4）控制方向，后轮为动力轮，完成直立行驶。
5.3系统软件选择
童车功能实现的系统，可由单片机控制，也可用PLC控制。
PLC更注重于工业应用，对于防干扰、设备接口、联网、模块化都有完善的技术支撑，使用更简单，成本高。
而单片机技术含量高，使用灵活但是工作量很大的，对于抗干扰、模块化要求低，成本低廉，应用广泛。
特别适合于开发消费电子、商业应用的电子、玩具、家电等等。
PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电路，两者不具有可比性。
单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。
不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。
这正是PLC获得广泛应用的基础。
而单片机应用系统则是八仙过海，各显神通，功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。
从工程的角度，谈谈PLC与单片机系统的选用；对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，手尾少，但成本较高。
对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。
最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证[9]。
PLC程序设计：
表1I/O接口
输入
输出
车把（电机1）
X0,X1
电机1正反转
Y0,Y1
棘轮（电机2）
X2
棘轮正转
Y2
电磁铁
X3
电磁铁得电，放开棘轮
Y3
动力轮（电机3）
X4,X5
电机3正反转
Y4,Y5
机械手（电机4）
X6,X7
电机4正反转
Y6，Y7
电控万向轮（电机6）
XA,XB
电机6正反转
YA,YB
机械手伸缩（电机5）
X8,X9
电机5正反转
Y8,Y9
程序指令
STXO
ORY0
AN/X1
OTR0
STX1
ORY1
AN/X0
OTY1
STX2
AN/R0
OTY2
STX2
TMY1
K5
STT1
OTR0
STX3
AN/R1
OTY3
STX3
TMY2
K5
STT2
OTR1
STX4
ORY4
AN/X5
OTY4
STX5
ORY5
AN/X4
OTY5
STX6
ORX6
AN/X7
OTY6
STX7
ORY7
AN/X6
OTY7
STX8
ORY8
AN/X9
OTX8
STX9
ORY9
AN/X8
OTY9
STXA
ORYA
AN/XB
OTYA
STXB
ORYB
AN/XA
OTYB
ED
6主要零部件设计
6.1车轮绘制
绘制草图：
选前视基准面
，绘制一圆，半径为40mm，选择特征
拉伸凸台
，拉伸10mm。
选择圆角命令
，选择三面，绘制实体圆角。
选择车轮一圆面，在其上绘制一草图，如图16，再选择拉伸切除命令
，选择完全贯穿
，选择此特征，利用圆形阵列命令
，输入数据如图17，点确定
。
在车轮圆心绘制一圆，如图18，选择特征拉伸切除命令
[13]，选择完全贯穿，即成功绘制车轮，如图19。
图16
图17图18
图19
6小结
全部设计任务及问题都能得到有效解决，在设计中通过遇到问题——思考问题——解决问题，巩固了所学知识，在独立的完成设计的这段时间里，自己可以自主的查资料，找文献。
有目的，有针对性的去解决问题，这对以后的学习和工作都是大大有利的，也让自己积累了大量经验，为毕业以后工作打好基础。
通过设计，加深了对机械设计基础的理解，同时对SolidWorks软件知识的学习，我了解到了Solidworks的基本原理和具体运用方法。
并且能够运用SolidWorks软件对各种零件进行三维实体建模,掌握了一定得计算机辅助设计技能，给我有很大启发。
致谢
在这段设计期间，我的导师丛老师在我遇到困难时，给了我很多帮助，在丛老师的无私帮助下，我才能完成自己的设计，我要谢谢丛老师的帮助。
在设计构思及修改过程中，丛老师在百忙之中了解问题，并提出了宝贵的解决意见。
其严谨求实的治学态度，一丝不苟的研究精神，令我受益非浅，在此向丛老师致以最诚挚的谢意。
衷心感谢各位老师在百忙之中对本人设计进行审查，并提出宝贵的意见。
最后，感谢所有帮助和关心我的人。
参考文献
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