一种新型电动升降书架设计
【摘要】本项目设计了一款基于单片机控制的电动升降书架。传动系统采用蜗轮蜗杆机构，以单片机控制电动机拖动，通过按钮或遥控装置控制书架可动部分升降。升降式书架有效解决了阅览室、图书室、文献储存室等大量图书的存取和查阅的困难，同时能增大室内空间利用高度，增大存储空间从而增大图书存储量。另外，书架升降避免了传统柜式书架图书存放、查找往往要上下攀爬潜在的危险，也减少管理人员的采用手动升降书架的劳动强度。该方案设计的书架是一款新型的机电一体化产品，本设计方案已经申请实用新型专利并获批准，使用方便，安全性好。
【关键词】电动升降书架；单片机控制；遥控装置
目前，由于社会发展对知识和信息的强大需求，各种级别的阅览室、图书馆和资料室藏书量急剧增加[1]，图书的管理工作十分繁重。图书的存放，查找都是繁重的体力劳动，往往还要上下攀爬，具有一定的危险性。现代图书馆、资料室、办公室、个人书房都需要一种能够实现自动升降的书架，能有效增大存储空间、充分利用室内空间，而又存取书籍安全、省力。通过调查，在国内现有的书架有传统柜式和隔板式，还没有发现有与本设计方案类似的书架。市场上新出现的“升降式阅读书架”是一种放一本书能手动调节高度，主要目的是方便阅读。本方案设计的书架可以满足以上需求，并且美观大方、结构简单，价格适中，具有很强的人性化特色，因此具有极强的开发使用前景。
1.书架机构设计
本新型电动升降书架的结构分为上下两部分，下部分为固定书架，上部分为升降书架。电动升降书架结构及传动原理如图1所示。
固定书架整体高1.6m，宽0.25m，长度可根据使用空间适当调整。其底部下几层向前倾斜的结构设计，使书籍侧面书名略斜向上放置，使查阅者无需弯腰或蹲下查看书名和选书。同时这种结构使书架与地面接触部分变宽，保证升降书架整体的稳定性（可动书架向前滑出时造成重心前移）。
1.驱动电机 2.联轴器 3.自锁蜗杆减速器 4.钢丝绳卷筒 5.钢丝绳 6.滚轮 7.升降书架 8.导向孔 9.导向块 10.定位卡槽 11.上行程开关 12.定滑轮 13.上导向杆 14.定位卡块 15.动滑轮 16.悬吊钢丝绳 17.定位挡板 18.前导向杆 19.法兰盘 20.下行程开关 21.固定书架
2.传动系统工作原理
2.1 传动系统
传动系统组成：驱动电机、联轴器、自锁蜗杆减速器依次串连。钢丝绳卷筒
和自锁蜗杆减速器同轴，用螺栓固定在书架底板后部（有空腔）位置。工作时，电机驱动联轴器、自锁蜗杆减速器同轴转动；自锁蜗杆带动钢丝绳卷筒减速转动；卷筒通过钢丝绳带动升降书架可动部分升降运动。
2.2 导向机构
前导向杆与法兰盘焊接成一体，通过螺钉固定连接在固定书架左右两侧面上，通过下行程开关和上行程开关限制升降书架的运动行程。
固定书架上部左右两侧的柜体侧板，有一定斜度。固定书架后部的板体和书架最高位置同高，用于固定连接两个上导向杆。支撑杆从两侧面联接上导向杆和固定书架。
上导向杆上装有定位卡块，与上导向杆以移动副动连接；升降书架上中部设有无顶盒型的定位卡槽，定位卡槽四周内侧面与定位卡块的四周侧面接触形成移动副。定位卡块上设计有与两个上导向杆直径相同，且位置对应并平行的通孔，与两个上导向杆形成移动副；定位卡块下部放入位于其正下方固定在升降书架上的长方形无顶定位卡槽内。
2.3 导向运动
导向块与升降书架固定连接，导向块中部设有与前导向杆直径相同下部成倒置喇叭形的垂直导向孔。升降书架底部装有若干个滚轮，其安装高度由前至后逐渐升高，中心连线与固定书架上部侧板斜面平行。
钢丝绳在钢丝绳卷筒上预先缠绕足够长度后，从书架后中部垂直引上，如图1所示。钢丝绳经定滑轮转向后，再从上绕过安装在定位卡块前上部的动滑轮后，分成四股直径较小的悬吊钢丝绳，分别固定在升降书架顶部的四角，而且长度相同，保证升降书架各层在运动运动的过程中保持水平平动。
图1中双点划线部分表述的是升降书架恰好沿倾斜滑槽滑出，导向块与竖直的前导向杆即将进入配合导向、升降书架准备下降时的运动转向时的关键位置；粗实线表述的是书架平时静止放置使用的初始位置。
2.4 电动升降控制
电动升降书架采用交流电机驱动，交流工频50Hz-220V。通过上升按钮或下降按钮使电机能够正反转，实现书架升降。电机点动方式运行，方便人们调整可动书架高度，保障安全。
当需要取用高层升降书架各层内的书籍时，手按住下降按钮不松手，驱动电机通电正转，经过自锁蜗杆减速器减速至合适转速，使钢丝绳卷筒绕轴旋转，将缠绕在其上的钢丝绳匀速展开，升降书架在重力的作用下沿固定书架顶部的斜面，在滚轮的作用下顺利向前下方移动。
同时，顶部定位卡块沿上导向杆移动，且在定位卡槽中向上逐渐移动，当定位卡块的前端面与焊接在两个平行的上导向杆前端的挡板接触时，定位卡块停止。此时，升降书架位于图示的双点划线位置，导向块中部的导向孔与位于书架左右两侧的两个垂直布置的前导向杆轴线恰好重合，即将接触，而定位卡块与定位卡槽还未完全脱离。
当钢丝绳继续从钢丝绳卷筒上展开时，升降书架在重力和定位卡块与定位卡槽组成移动副的共同作用下，紧贴着固定书架正面垂直下降，前导向杆逐渐进入导向孔内，形成移动副，在定位卡块与定位卡槽完全脱离时，接替前者的上下定位作用，使升降书架继续落下，达到合适高度时，松开下降常开开关，驱动电机停止转动，在自锁蜗杆减速器自锁的作用下，稳定停止到合适高度，从而实现高层书架前移并降低到需要高度。
下行程开关和上行程开关在升降书架运动到设定的最低位置高或最高位置时，断开驱动电路，使电机停止，保证整个起降过程中钢丝绳拉紧，避免钢丝松弛而从滑轮或卷筒槽中脱开。当取放好书后，按动上升常开开关，整个传动系统反转，升降书架在上行程开关的作用下恰好回复到初始位置。另外，在电机正向/方向运动切换时，采用机械互锁的方式保护电路，防止损毁电源，另外加熔断器进行短路保护。3.传动系统确定
3.1 选择电动机[2]
功能要求分析；根据设计的要求，尽量选择功率与转速适当，能满足升降要求，能实现频繁正反转，且价格较低的电动机。经计算要求电动机功率2.5KW、转速48rpm，故选用Y100L2-3电动机，而且带报闸功能。
3.2 蜗杆传动的确定
考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动[3]，精度8CGB10089-1988。蜗杆用35CrMo，表面淬火，硬度为45-50HRC；表面粗糙度Ra≤1.6?m。蜗轮轮缘选用ZCusn10p1金属模铸造。选取蜗杆Z1=1、蜗轮Z2=30、导程角=3.18度，蜗杆外围采用散热片散热。
3.3 钢丝绳选择及卷筒的设计
选取钢丝绳参数直径D钢丝绳=8mm、长度L=2200mm。
卷筒采用低合金高强度钢，钢丝绳卷筒设计结构及其尺寸如图2所示。因为共绕1.7层，所以采用压板固定方式把钢丝绳固定在卷筒上。
3.4 滑轮轴设计及联轴器的选用
滑轮轴选用45#钢调质，滑轮轴结构及其尺寸如图3所示。滑轮直径D=225m。
该传动系统间歇工作，且速度低，故选用凸缘联轴器。选用Gy5型联轴器公称转矩为400Nm，许用转速为6800rpm。
4.基于单片机的电动控制设计
4.1 电动升降书架遥控系统
电动升降书架控制系统原理如图4所示。电动升降书架还采用遥控器控制，控制系统采用AT89C52作为核心[4]。89C52单片机接收到红外遥控器的控制指令后，进行判别和处理，输出控制升降电机的运动，从而控制书架的上升。升降电机为带报闸功能的单相减速电机，当电升降转到位后，相应的上限位开关或下限位开关检测，反馈信号给单片机，并由蜂鸣器产生到位报警，使电机停止运动。在运动过程中，可以通过遥控器按键随时停止电机的运动。
4.2 遥控开关电路设计[5]
在红外接收电路中，红外接收头与单片机的P3.2口相连接。红外遥控器控制升降电机和旋转电机的正反向转动和电机的停止。系统设置了6个操作按键K1、K2、K3、分别为升降电机正转、反转和停止按键。系统的无线遥控模块采用38KHZ的HT6221，在单片机进行信号接收后，需用软件程序对其进行解码，以控制电机相应的动作。
4.3 电机控制电路
升降电机为单相电机，单片机的p1.5输出控制继电器，通过控制继电器实现电机的正反转控制。
5.结语
本方案书架特征是书架结构分为升降暑假和固定书架两部分，升降书架底部通过滚轮（布置成一定倾斜角度）与固定书架顶部的斜面（具有相同斜度）接触，上部通过钢丝绳稳定悬挂在固定书架上部。通过按钮或遥控器控制电机驱动下，使升降书架能够缓慢平移出来，下降到合适高度以便于存取和查阅书籍。有利于增大书架存储量、充分利用室内空间。解决了现有书架上层书籍不便查阅、存放，节省人力，避免上下攀爬的危险。新型电动升降书架，安全性好，自动化程度高，操作简便。
参考文献
[1]李凤英.1978-2010年“图书情报一体化”论题的统计分析[J].太原理工大学学报，2011，29（3）：41-74.
[2]王少怀，徐东安，高红霞等.机械设计使用手册（下册）[M].北京：机械工业出版社（第2版），2000.12：1463-1506.
[3]毛谦德，李振清.袖珍机械设计师手册（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2000，12：939-996.
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贾红雨，河南禹州人，郑州轻工业学院教师。
一种新型电动升降书架设计
