图书馆AGV小车起升机构设计（全套含CAD图纸）
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解决金属切削问题的智能专家系统的开发 乌鲁达大学 ， 机械工程系， 尔萨，土耳其 于 2004 年 9 月 8 日收稿， 于 2005 年 1 月 31 日 接受 2005 年 3 月 21 日可在线 摘 要 在金属切削 方面 ，这些问题需要有良好的分析，以便遇到任何意外的结果之前， 可以 采取 有效的 防范措施。这一 过程 在实现 产品 质量稳定和控制生产总成本 方面起很 重要的 作用。但是，需要 一个 拥有 在 金属切削 方面有大量 经验 和知识的 专家是一项艰巨的任务 。 在本 文 ， 智能专家系统 （ 查 并解决了 在金属切削领域遇 到的三个主要问题 ： 车削，铣削和 钻孔。许多 金属切削 方面的问题都被考虑在内，如在 车削 过程中的工件 内部插入转折点 ， 铝 件 车削 ， 沟 槽车削， 螺纹车削 等工序 ; 在 铣削 方面 面铣，方肩铣，端铣，多用途铣和侧铣 等工序；在 和钻 孔 作业，使用 固定 或可转位钻头钻 孔等。以 给出建议的切削参数 而且能及时 更新 在切削 问题， 产生 原因和补救措施等方面的 数据库， 因此 系统能够处理 的问题数量在 增加。 关键词 ： 金属切削问题 专家系统 具磨损 1、引言 现代制造业的目标是，在组织设施能够进行有效控制，以便能以在较短 生产周期内以较低的生产价格制造出高质量的产品 。为了实现能以较低的价格获得更优质的产品，制造部门格关注采用更好的刀具和高精密的机械等 1。然而，在大多数情况下对于生产要求这是不够的。专业的工作选择正确的工具是重要的，但是为了更高效的制造，刀具磨损也应考虑在内。在文献中，许多出版物上对于不同材料制造的刀具的磨损的确做了很多研究 2。 金属切削是切削碎片的形成过程。虽然切削过程是把金属切削成所规定的形状和大小，但这必须通过定义切削碎片工作来完成。切削碎片的形成意味着一个新的金属界面不断形成并沿刀具材料承受着 非常高的压力和温度 3。所产生的区域成为发生金属扩散和化学反应的理想场所。所有刀具在加工过程中不断变得破旧，并继续这样工作直到它们报废。刀具磨损是不可避免的，如果能了解刀具磨损的时间，程度，类型时，刀具磨损就不再是一个消极的进程。 在不同的金属切削过程中存在着几种不同的磨损机理，相近 不同类型的问题由于这些机制作用的结果而联系交织在一起。如果这些问题能够得到很好的分析，我们就有可 能找到其中每一种问题的正确的解决方案。 在分析金属切削问题时这个问题应当明确界定，而且其可能的原因也应该得到确认。找一个拥有知识 和大量金属切削经验的专家是一项艰巨的任务。今天在金属切削领域，关于解决切削碎片问题的专业设施主要由切削刀具生产企业提供。由于在这一领域工作的人是有限的，因此并不总是能够找到真正需要的专家。在现有专家聘用费用昂贵而且人员稀缺的领域中专家系统一直特别受欢迎。对于解决金属切削问题专家系统将是非常有益的。 2、专家系统在协助发展制造工艺上的应用 基于知识的系统或专家系统是一个体现狭窄领域的知识并解决该领域相关问题的计算机程序。专家系统通常包括两个主要内容，知识基础和推理机制（图 1）。 基础知识包含一个可以表述 为由 则、事实说明、框架、对象、程序和案件组合而成的知识领域。推理机制，是专家系统操纵存储的知识并对遇到的生产问题提出解决方案的一个组成部分 4。 一个人类专家利用知识和推理最终得出的结论，专家系统也是如此。推理在专家系统试图模仿结合人类专家的知识的过程中进行。因此，专家系统的结构或架构有些类似于人类专家的执行情况。因此，专家系统可以比喻成专家。 一个比较明显的问题是规则的收集。人类专家聘用费用高昂，而且并不想要坐下来写关于他们是怎样得出他们结论的那些大量的规则。更重要的一点，他们可 能也无法做到。虽然他们通常会遵循逻辑的路径来得到他们的结论，但是把那些规则放入一套标准之中实际上是非常困难的，并且也许是不可能的。 对于许多人类专家下面这种情况是很可能的。虽然他们开始时有着自己的专业规则，但是在工作中通过自己的工作经验知识来开展自己的工作，并且通过直觉得出正确的解决方案。它们可能都跟随逻辑路径，但是在沿着这逻辑的路径上，他们精神上已经 跳过许多步骤。专家系统不能做到这一点，它需要很清楚的知道各种规则。 专家系统的一个很突出的好处是能够广泛把知识分发给每一个专家，或者可以同时汇总的几个远远相隔 的几个专家的知识。当偶尔的执行任务时专家系统特别有用，而专家每次执行任务时则需要重新学习工作程序。 专家系统是用来规范操作的。如果你有三个机器操作员（或工程师）来执行相同的任务，但是每个人都会做的不同。而专家系统则每次都可以用同样的方式来工作。 这些系统可用于培训员工，指导他们，或进行实际执行如计算任务。专家系统的另一个用途是作为专家辅助您的工作。他们将使您能更准确，更一致，更快，从而为专家能更创意的完成任务而节省了时间。当处理乏味、重复的任务时这是特别有用的。 因此，一旦领域知识被专家系统提取，建设此系统 的过程比较简单。能被发展的专家系统的易用性，导致了刀具广泛应用。在工程，可以找到在各种任务上的应用，包括选料，机械零件，刀具，设备和工艺，信号解释，状态监测，故障诊断，机器和过程控制，机械设计，工艺规划，生产调度和系统配置。最近专家系统所执行的一些具体任务的例子如下： (1)确定和规划离岸结构重要组成部分的检查时间表 5; (2)在设计和评价能源热电厂方面培训技术人员 6; (3)配置输纸机构 7; (4)在有限元分析锻造变形时自动重新啮合 8; (5)存储，检索和修改平面连杆机构设计 9; (6)应用于发动机油产品的添加剂配方设计 10; (7)选择刀具和切削参数 11 有几个潜在的研究领域肯定了专家系统在制造业方面价值 14， 15 et 16在其文章中讨论了关于加工操作规划的系统框架。在此框架中从电子刀具目录和网络环境下的加工实例数据库中提取和组织的加工技术诀窍了发挥了主要作用。在有参考的情况下可以构成加工数据，这些加工数据来自翻查的刀具目录，相关的国际标准，参考教材和手册。 在一般车削和铣削时， 11在专家系统的应用对于解决制造工程师目前所面临的 et 17开发了一种优化棱镜组件加工业务的专家系统。他们描述了一种新的 码方案用于代表待加工得棱镜组件表面。 18在可以作为霍隆的 5 轴曲面加工过程中提出了一个用来选择刀尺寸和工具方向的算法。铣削表面分为三个阶段，即粗加工，半粗加工和精加工。该算法在曲率分析的基础上选择最佳的刀具并且在立方（凹 面上自主的计划刀具路径。本文的主要目 的是建立这种涵盖了主要的金属切削问题的系统，并帮助那些参与金属切削工作的人们提高产品质量。 3、专家系统在解决金属切削问题上的应用 决金属切削问题时应考虑的因素 在金属切削过程中大部分问题是磨损的结果。所有刀具在加工过程中不断变得破旧，并继续这样工作直到它们报废。刀具磨损是不可避免的，如果能了解刀具磨损的时间，程度，类型时，刀具磨损就不再是一个消极的进程。因此，如果对刀具磨损所导致的问题以及其他不利于机械加工业务的有害因素进行了分析，我们就有可能找到其中个个问题的正确解决方案。这将减少 非生产性故障的检查时间，因此，减少了加工时间、非生产性停工时间、加工费用并且提高生产效率。在解决金属切削加工问题时所使用的专家系统的结构图如图 1。通过软件需要考虑的输入列于图 2。 特点 该软件已开发利用 视化编程语言。而建立一个咨询系统的主要困难在获取和研究在解决方案中使用的要素。根据目前在解决金属切削问题上的设计，一旦选中操作类型，对于每个类型的操作的四个主要阶段已经确定： (1)切削数据的建议。 (2)问题的定义。 (3)切割数据评价。 (4)问题的汇总 。 削数据的建议 在加工过程中刀具的正确选择是实现最大的生产力的关键。但是，虽然工具是正确的，如果加工条件不符合标准，特别是在切削参数一般稳定，问题将会出现而且刀具的最佳寿命将无法达成。切削参数不正确，刀柄、夹紧的振动和缺乏刚性这些都是金属切削的主要问题。 除了解决问题该软件对每个操作类型（业务类型如前所述）、每个材料组 (, M ), 每个应用类型（粗，中，完成）、每加工条件类型（好，一般，困难）提供切削数据的建议并且显示如图 4 的可用插入列表。在这里不是为了找到应用 程序的最合适的插入点但是监测金属切削中使用的插入的初始值和切削参数的工作范围（即切削速度，进给量和切削深度）。在这个阶段决定的合适的等级与所选操作，材料组，应用程序等有关。此外，个个材料组的材料清单能够清楚的看到。 推荐切削参数值取自 0，其他厂商的刀具切削参数可作为建议的值。切削数据显示值是在一定的材料硬度和一定的刀具寿命下得到的。对于任何工件材料跟指定的值相比具有不同的硬度值而且如果刀具寿命超过 15 分钟，提供的切削数据应乘以修正系数（见表 1）。 析金属切削问题 目前有在金属切削过程中存在多种不同 /类似的问题。表面上看这些问题有些是相同的，但是很难相区分开来。问题类型的分类已经形成评估加工操作的重要基础，它通过获取刀具等级以及适合切削类型材料类型的正确的加工条件而优化了生产力。正确的工具，良好的出发切削数据，专家的支持下，自己的经验，工件的材料和优质的设备条件是加工成功的重要因素。对各种工具制造商问题清单的聚合进行归类形成了可由软件使用的 用户分析金属切削问题时要么在一个或两个阶段之一：从菜单中直截了当的挑选出定义的问题或者首先检查金 属切削过程中使用的切削数据，之后访问定义的问题。问题定义模块显示问题的清单，包括其可能的原因及补救措施。一旦选定一个问题（例如，后刀面磨损的转折点或在钻深孔是的转头的跳动），一张图片，清楚的提供了问题的界 定和其可能原因的列表。因此一旦选择了可能的原因就确定了相应的补救措施。更多与该问题有关的信息通过点击 “？”获得（图 5）。 削数据评估 在金属切削过程中，大部分的问题是切削数据不合适应用程序的结果。因此，在这些问题直接列出之前，用户被建议检查操作，应用程序和加工条件的切削参数以确定是否切削速度，进给量和切削深度是否与事先插入的长度，厚度和圆角半径相符。切削数据模块检查在运行中的切削参数是否与插入的相符而且这项工作基本上是与理想的切削数据值进行比较，理想的切削数据值是目录值和校正因子的乘积。如果不相符（这意味着切削参数的值不在范围内），用户应修正切削参数。在铣削和钻孔只有切削速度和进给速度值被考虑，在钻孔时钻头直径和钻头中心或周边的等级被考虑在内（图 6）。在图中对中型钢（ L 代表轻型， M 代表中型， H 代表中型铣削操作）面铣的切削参数被评估，由于使用价值远低于由给定硬度和刀具寿命计算的理想值， 则就会显示警告。 一旦切削数据被审查（和纠正），下一个步骤就是访问这个问题的定义模块。由于切削数据被修正，原因列表和补救措施将会不同而且“切削速度过高”或者“进给量太低” 将不会是有关问题产生的根源。 该软件能够在各种业务类型中分析超过 100 多种问题，并对近 200 个问题原因提供补救措施（ 340 补救措施）。他系统中包含的知识有两个主要来源：从事金属切削领域的专家或者来自于技术文件，目录和各种刀具生产公司的手册 21， 22， 23， 24和 25。 题编辑 系统中包含的 知识有两个主要来源：从事金属切削领域的专家或者来自于技术文件，目录和各种刀具生产公司的手册。一个专家系统的成功之处隐藏在像人类专家一样的扩展结构当中。人类专家遇到每一次新的解决方案时都增加了他的知识并且在未来分析时能再利用这些知识。因此， 一个可扩展增长的数据库结构，它能处理每天越来越多的问题。 由于系统有单独的和模块化的知识基础，只要进入到数据库编辑获得知识文件就可以很容易的更新系统。系统包含的信息越多，它能够处理的金属切削方面的问题就越多。 知识库是系统的核心，因此，负责生产、添加、删 除或修改是那些少数人的任务。因此，用户需要知道密码才能进入的知识库。问题编辑允许和问题，原因和补救措施相关的问题，图片和资料档案添加到知识库。此外，还有可能增加新的问题原因或原本已存在知识库中的问题原因的新的补救办法（图 7）。 该系统是多语言，因此它能够处理无论是土耳其文还是英文的金属切削的问题。一旦确定语言被确定，所有程序菜单和问题，原因及补救措施清单都用所选择的语言显示出来。 4、结论 本文介绍了一种为解决各种加工操作任务 中 金属切削问题的专家系统 。 由于在 许多文献中没有很多关 于 此主题 的 工作 也 因为这种类型 的系统可以实现多 种 金属切削业的要求 ， 这里所描述的工作可以 认为是 一件有益的工作 。 在制造业，特别是在小型或中型加工车间 ，切削数据是不正确 是 问题的主要原因。工具一般 以 较低的切削数据运行 来使他们在频繁的启动中能维持较长的寿命。 这就显然是 低效率的利用 金属切削时间。由于系统提供 的便利 之一 便是 评估的切削参数 ， 这将帮助用户 为应用程序 选择合适的速度，进给量 或切削深度。如果切削数据是正确的 而且 金属切削问题 也得到 解决 ， 由于发生故障 而引起 的停顿将缩短，良好的利用发电能力 的目的将可以达到而且 金属 得 切削时间 将会有所减少 。 这 就 意味着生产 成本 将会下 降很多 。 该系统开发 也为了培训从事 金属切削业 的人。 这些照片和有关问题的资料 将会 帮助用户更多 的 认识了解他们。这些图片和信息 收集于应用于 工业 的 各种手册和 研究报告 。 参考文献 1 1994. 2 , , of 004； 25： 5251. 3 P A, A 26(6). 4 O. . An 005； 21（ 2）： 835 X, . A , A, W, in X (), 1994. p. 1818. 6 L, K, a , A. of of on 996. p. 5300. 7 Y, H. of to a of on 996. p. 4956. 8 , , ,. , An to in 6 (1997), 8792. 9 . . A to 1 (1997), 107119. 10 Z ,to 1 (1997), 167172. 11 of an in a J 3 (2001), 306311. 12 V. of 8 (2002), 112. 13 V. A, J 990 (1999), 310317. 14 of 9 (1990). 15 1988). 16 An of J 07 (2000), 160166. 17 .A of by a J 3 (1997), 163168. 18 of (1999) (2). 19 62000. 20 72002. 21 2001. 22 29: 0221996. 23 1993. 24 103 1994. 25 1995. *,to be in to of is to 2is of as a of If +90 224 4428176; +90 K. 1 +90 224 4428176; +90 224 7 (2006) - 211 2005 in to at a To a to be in by 1. is in of is be is a is at to to be by a is at 3. it an of to do so to of is a in in of it is a an a of in In a in is A of as in in or in of of is 005 In do on in of of a 004;6059, 005034& it be to to of a in be be is a an a of in in in by of in is it is to an he/is in in an be an is of to to a of as to to to be a to a F . be is o in a of do 212a to do to K. 7 (2006) 102710342. or to An a an 1). be as 212is of an to to 4.A at so an in an in or of a is an an 1. of is of a or to of in a is to it is to or it do it be to a as a is as to to be is to in an of is be to a of of In be a of of of by of an 5; in of 6; 7; a of 8; 9; 0; or 1113to in 14,15et 16 in in in On of be is of K. 7 (2006) 10271034 10292. of 1 on in is of by AD NC et 17 an to a T to be of 18 an as a is in to on of is to of in to A in of in to do so of is K. 7 (2006) 102710343. a if of is if as as it be to of of of of in is 1. by A in a in in is if up to as be of in of a of of ,M ), of of of 4). it is to of in it is to K. 7 (2006) 10271034 1031in of of is of is 4. to of 20, be as as a 5 be by )20 +40 +60 +80 +1001 0 45 K. 7 (2006) 10275. 19B 040 80 80 60 10 15 20of In of to be of to an to of of of is to BS or by or by in to to a is in or in a a of a is is by ? (5)of of to of if in in is 6. a K. 7 (2006) 10271034 1033of of If is no of in is to In in of 6). In of L M H is a 7. to is be of is of 00of in of to 00 340 in in of or of 2125in in of or of of an is in he to in an to a it is to it in is of of a to or to to to to of to be to it is to to or to in 7)is it is is in an of in in of in as a of In in or of at fre毕业设计（论文）任务书 课题名称 图书馆 车起升机构 设计 专业 机械设计制造及其自动化 姓名 严博文 学号 12101530 主要内容、基本要求、主要参考资料、进度安排等： 主要内容： 完成 图书馆 车起升机构机械结构的设计，并根据小车起升机构的驱动方式和工作要求，对皮带、电机、带轮、轴等进行了设计和选型 ；完成各参数的计算，确定加工工艺，绘制二维装配图及部分零部件图；完成外文资料的翻译；编写设计说明书。 基本要求： 根据毕业设计要求，了解图书馆 车起升机构的原理；初步定下结构；完 成相关的优化研究设计；使用 绘图软件完成装配图的绘画。 主要参考资料：机械设计手册、 机械设计基础课程设计 。 进度安排： 第 1 周：按选定毕业设计题目，填写“毕业设计（论文）附件”。 第 2：收集资料，翻看机械设计手册及相关报告，与指导老师联系， 完成相应的调研。 第 7：按照调研情况，绘画装配图，零件图，并撰写论文。 第 15：请指导老师对论文进行指导，对论文内容的是否错误及格式的要求进行审查。 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 系主任签字： 年 月 日 I 摘 要 本次设计主要是针对图书馆 中包括齿形带、竖直上下带轮、电机座、机架等总成的结构设计及个总成中主要零件的结构设计，以及驱动电机、皮带、带轮、轴承等主要零部件的选型和有关零件的强度计算。 在计算部分，首先，进行有关参数的选取确定，包括带速、载重、安全系数的确定，带的单位质量的计算，输送带张力的计算以及驱动电机的功率计算。然后进行各个主要零部件的选型和设计计算。 在设计过程中，参考了多部文献以及工程实践人员的经验心得，对各部分机构进行了认真比对，选取通 用结构，以便于输送机的修理与维护。波状挡边带式输送机的应用已经日趋成熟，通过对各个部件的优化及选择更合理的结构，将更大的提高其应用效率。 本文介绍了 国内外的发展现状和应用情况，在此基础上，结合毕业设计的课题要求，设计了图书馆 车起升机构。其研究内容主要包括以下几个方面 : 论述了图书馆 车起升机构的组成及原理，结合课题要求，选择电动机起升机构作为该机构的运作方式。 介绍了图书馆 车起升机构机械结构的设计，并根据小车起升机构的驱动方式和工作要求，对皮带、电机、带 轮、轴等进行了设计和选型。 根据图书馆 定了总体框架结构。硬件方面，选择合适的皮带、电机、带轮，对轴进行了设计。 在总结全文的基础上，对 车的设计和研究提出了展望。 关键词： 起升机构；电机；皮带；带轮 GV is is is of is to As of of GV so GV in as GV to of in GV to of of CU to to CU On of GV 录 摘要 . I . 录 . 论 . 2 1 展现状 . 3 . 3 外研究状况 . 3 内发展情 况 . 3 . 4 书馆 . 5 书馆 车的构成 . 5 课题主要工作 . 5 2 图书馆 车起升机构设计与原理分析 . 7 车起升机构设计与工作原理分析 . 7 车起升机构零件选型 . 8 机的选型 . 8 带的选型 . 11 轮的选型 . 12 3 图书馆 车起升机构设计计算 . 16 升机构载重分析 . 16 算载荷 . 16 全系数 . 16 算最大正应力 . 17 度验算 . 17 电机扭矩转速分析 . 17 给驱动伺服电机的选择 . 17 载转矩的计算 . 18 机转速分析 . 18 同步带传动计算 . 20 步带受力情况的分析 . 20 4 工程图设计 . 22 装配图设计 . 23 般装配图技术要求 : . 23 图中的技术要求 . 24 件图设计 . 24 般零件图技术要求 : . 25 件图的技术要求 . 26 结 论 . 27 致 谢 . 28 参考文献 . 29 2 绪 论 随着自动化和计算机的集成制造系统技术逐步发展还有柔性制造 系统和自动化立体仓库应用越来越多， 动导引车当作联系、调节离散型物流系统使它的作业连续化的必要的自动化的搬运和装卸手段，它的使用范围和技术水平得到了很快的发展，再这样的大背景下图书馆 车的设计发展也势在必行。 自动化导引车是上世纪 50年代发展起来的智能装卸型机器人。智能小车是现代工业自动化系统中的重要设备之一 ,它是把蓄电池作为主动力 ,并且安装有电磁和光学自动导航设备等 ,可以独立自主引导 ,并且可以通过核心系统控制 ,完成无人驾驶及工作的设备。九十年代全世界拥有智能小车 ( 万台以上。这几年 ,自动化技术展现出加快发展的趋势 ,国内自动化立体仓库和自动化慢性装配线到了发展与普及阶段。在自动仓库与生产车间中 ,各工位中 ,各段输送线中 ,智能小车替代了传统的机械设备 ,和传统的传送道或传送带相比较 ,智能小车输送方式具有操作简单、工作方式灵活 ,不占据很多空间、有良好的转动性、慢性等众多优点。 3 1 展现状 展环境 国外研究状况 1913 年 ,美国汽车制造公司使用有轨底盘小车。 1953 年 ,世界上第一台采用埋线电磁感应式的跟踪轨迹自动导引小车在国外制造出来 ,国外也称为 无人驾驶牵引车 。 20世纪末 ,具有装卸功能的智能小车在欧洲得到发展和应用 ,引入国外用于自动化系统和柔性系统的材料运输。大约过了好几年 ,新的导引方式和技术得到更加大规模研究和设计。智能小车以前不景气的情况下发展到其效率和效益非常好。智能小车按照引导传感器不同分为 :电磁导引、红外导引等。智能小车是根据慢性加工系统、慢性装配系统、电 脑制造系统、自动化立体仓库发展起来的。然而 ,其发展速度是非常快的。 1981 年通用公司开始使用 ,1985 年智能小车确保数量是 500 台 ,1987 年智能小车确保数量是 3000台。大量资料显示欧洲国家 40%的智能小车用在汽车制造业 ,日本 15%的智能小车用于汽车工业 ,也就是说智能小车在其他行业也有广泛的实际使用 国内发展情况 国内自主研发方面：六十年代初开始研究。 1976年，北京起重和运输机械研究所研制的 1988年，原邮电部北京邮政科学 技术研究所等单位研制了邮政枢纽 1991 年，中科院沈阳分院自动化所与新松机器人自动化股份有限公司为沈阳金杯总装线上设计了九台自动装配的系统，并于 1996年获得国家科学技术进步三等奖，是当时国内较先进的使用型 1992 年，天津理工学院研制了核电站用光学导引 1998 年昆明船舶设备公司在红河卷烟厂研究多模式激光导引无人自动车 22辆，红河项目于 2002 年获国家科学技术进步二等奖。 在引进国外技术与产品方面： 1980年，上海石化总厂为涤纶长丝作业从日本大福公司引进国内第一套 十年代初，华宝 空调装配线上使用了日本进口的电磁导引 1996年，玉溪卷烟厂首家在烟草行业引进三星的 52台 是国内企业中使用数量最多的 北承德输送机械厂合资引进美国 司 术。天津理工学院研制的 方位视觉引导自动车，属国家 863高科技项目，已通过鉴定，达到八十年代末国际先进水平。九十年代中期，昆船公司在引进国外最先进 后承担了数十个 统的设计、安装；其水平代表了目前国内的最高水 4 平。昆明船舶设备公司研制的各种导引形式的 统已经广泛应用于 烟草行业，汽车行业等。 从国内总体智能小车发展来看也就刚刚起步状态 ,相当于国外 19世纪初的水平。经过各行业的大量数据分析 ,分布范围规模非常广 ,经常用于工厂 ,汽车业 ,飞机业 ,家用电器业 ,烟草业 ,机械生产加工 ,仓库 ,邮电部门 ,地下的采矿厂中进行材料运输 ,也可以用 在海洋和太空探索等， 这说明智能小车具有非常广阔的市场和使用价值。 结构 (1)车载控制系统： 车载控制系统是核心控制部分 ,导航系统根据导航传感器方式不同可分为电磁传感器导航、 磁条传感器导航等不同形式。 通讯系统是小车和控制装置之 间互换信息和命令的通道 ,由于无线电通讯具有不受障碍物隔挡的特点 ,一般在控制装置和小车之间采用无线电通讯 ,通过接口和电脑相互连接。小车上的电源为蓄电池 ,所以小车的驱动装置一般采用直流电动机、步进电动机和直流伺服电机等。 (2)车体系统：它包括底盘、车体框架、壳体和控制装置、蓄电池安装架等 ,是小车的主体 ,具有电动车辆的构成特点。 (3)行走系统 (4)移载系统：它是用来完成工作目标的执行机构 ,在不同的目标和外部环境下 ,可以选择不一样的移载系统来控制。 (5)安全与辅助系统：为了避免智能小车在系统出故障或有人员经 过小车工作路线时出现碰撞 ,小车一般都会有探测障碍物的装置和防撞、警音、警视、紧急停止等装置。除此之外，还有可以自动充电的辅助装置。 (6)控制装置： 控制装置可以采用普通的单片机 ,如条件艰苦时 ,也可采用工业控制电脑 ,控制装置通过计算机网络接受主控电脑下达的小车输送任务 ,通过无线通讯系统有效的采集各小车的状态信息。根据需求情况和当前各小车运行情况 ,将调整命令传递给选好的小车。小车能够快速地进行多任务和准确的操纵小车 ,还有复杂地面的碰撞等众多问题都需要软件来解决。 (7)通讯系统：通讯系统一方面受命与监控系统的指 令 ,及时、准确地传送给其它各相对应的辅助系统 ,来完成监控操作下所指定的动作命令 :另一方面又接受各个辅助系统的反馈信息 ,回传给监控系统 ,可以成为监控系统协接、管理、控制的跟据。由于智能小车位置变化 ,且整个系统中装置较多 ,控制装置和智能小车间的通讯最合适用无线通讯的方式。控制装置和各智能小车就合成无线局域网。无线电存在一些弊端 ,最好将调节在 5 小车使用范围之内。使本次设计小车系统处于最佳状态达到设计的要求 ,不断的研究和设计 ,调制数值范围必须要在小车控制系统使小车处于其设计目的和要求 ,智能小车在工业进程中起到非常重要 的地位 ,所以将此问题具体解决到小车规定下的范围 ,不同的小车有不同的调制方法。 图书馆 车发展现状研究 图书馆 车的构成 图书馆 车 一般采用万向轮驱动 ,具有电动车的特点。小车可以在地面上由控制系统的统一控制下 ,自动装卸货物 ,实现自动化的货物输送， 有电动车的一切特征。 动搬运一些货物，能够实现自动的物料传送。因为具有灵活性和智能化等特点，可以方便的重组一些系统，从而达到生产过程中所需要的柔性化运输的目的。相比较 传统的人工和半人工的物料输送方式，图书馆 车极大得减轻了劳动的强度和其危险性，大大的提高了工作效率，而国外的一些统设计，其应用水平都非常高，应用范围也十分广泛。国内的应用就相对少了一些，可是在各方面的共同努力下，国内的图书馆 车 的设计水平和应用水平正在接近或赶超国际先进水平。 图书馆 车由驱动机构、起升机构、取物动力机构、取物增速机构、弃疗机构控制系统、驱动机构控制系统组成，其中主控计算机负责 统与外部系统的联系与管理，它可以根据所需物料的状况向控制台下达输送任务。 在 池容量下降到预先的规定值后，充电系统会给 动进行充电。地面移载设备一般会采取轨道输送机等将物料从自动化的仓库和工作现场自动移载到车 上，反之也可以将物料从 车 上移载下来并输送到目的地。 电系统、地面移载设备等都可以根据实际需要及工作场地任意布置，这也体现了 本课题主要工作 智能化的移动机器人，是现代工业自动化物流系统的主要设备，也是机器人比赛的主要项目之一，是许多大学、科研机构重点研究的项目之一。本研究课题的主要工作是设计出简单易行的图书馆 车起升机构，对 国内外现状作了叙述和分析，介绍了 统的组成，对于其核心部分导引单元予以重点介绍，本章还 6 提出了本课题的研究背景和研究目标。 7 2 图书馆 车起升机构设计与原理分析 小车起升机构设计与工作原理分析 图 书馆 车 图 书馆 车起升机构 根据图 图 示起升机构采用竖直导轨滑块方式实现，通过电机提供驱动 8 力，由同步齿形带传动。齿形带传动的方式具有缓冲量大，运动平稳，简单高效，承重大，安装和维护便捷等优点。电机前端配有失电制动器，在断电时自动抱紧电机输出轴，保证小车在停机或失电时竖直方向无法移动。在小车立柱的相应位置安装有接近传感器，当起升机构运动的指定位置时，反馈信号，保证在竖直方向的定位。 小车起升机构零件选型 电机的选型 电机轴上的负载有两种，分别为转矩负载和惯 量负载。在选用电机时，必须准确计算这些负载，以满足如下条件： 当机床处于非切削工作状态时，在所有速度范围内负载转矩必须小于电机连续额定转矩。如果以非常低的速度运行时，因为摩擦系数的增大，使得负载转矩变大并且超过电机额定转矩，电机也有可能出现过热的情况。而另一方面，在高速运转时，如果受粘滞性影响，使转矩变大并且超过额定转矩，因为不能获得足够的加速转矩，所以加速时间常数会大大增加。最大切削转矩所占时间（负载百分比即“ 间）满足所期望的值。以希望的时间常数进行加速。一般来说，负载转矩有助于减速，如果 加速不成问题，以同一时间常数进行减速亦无问题。加速检查按以下步骤进行。 图 根据图 示进行以下计算： 计算齿轮减速比 根据所需求的脉冲当量，齿轮的减速比 i 计算如下 : i=( 中 o/脉冲） S 9 冲） 计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量 1+（ 1/(s） +W/g（ S/2)2 中 N） S 计算电机输出的总力矩 M M=f+ a=（ t)02 中 r/ s） (2i)102 (2i)102 N） 其估算公式为 fq=1-(t)/(1+m) 1/2 式中 若负载参数没有办法精确的确定 ,则可按 。运行中的最高频率与升速时间的计算。因为电机的输出力矩会随着频率的升高而下降，所以在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足 10 够的余量。 根据以上的计算分析选择东方马达 列 入的调速电动机（如图 因应节省空间的需求为薄型高功率 是 板型驱动器与薄型大功率无刷直流电动机的组合产品，最适用于需要节省空间的装置。速度控制范围为 1003000r/有适用于各种用途种类丰富的 15W 100W 产品可供选择。 图 方马达 11 图 方马达 此电机有以下几个优点： 小巧的基板型驱动器： 15W 50满足机器的小型化需求。 卓越的速度稳定性： 对负载速度变动率为 下，实现卓越的速度稳定性。即使负载变动时也几乎不会出现如变频器因负载变化等而产生速度变动的情形。 丰富的驱动器功能：体积小巧，功能完善，有瞬时停止、旋钮速度控制、直电压速 度控制、加速时间 /减速时间设定、警报输出等功能。 皮带的选型 电机功率计算公式： 电机功率 =（ 周驱动力 *带速） /1000 2、圆周驱动力计算公式： 公式一：圆周驱动力 =2*主要阻力 +附加阻力 +特种主要阻力 +特种附加阻力 +倾斜阻力 （该公式适用于输送机小于 80 公式二：圆周驱动力 =系数 *主要阻力 +附加阻力 +特种主要阻力 +特种附加阻力 +倾斜阻力 主要阻力 =送机长度（即头尾滚筒中心距） *上托辊质量 /上托辊间距 +下托辊质量 /下托辊间距 +2*每米长度输送带质量 +皮带小时输送料量 /（ 速） 。 附加阻力计算公式： 附加阻力 =皮带小时输送料量 *带速） 主要特种阻力计算公式： 主要特种阻力 =型系数 *输送机长度 *每米长度输送带质量 +皮带小时输送料量 /（ 速） * 12 其中：槽型系数的选取， 30槽角时取 35槽角时取 40槽角时为 附加特种阻力计算公式： 附加特种阻力 =1470*清扫器个数 +带宽（米） *1500 6、倾斜阻力计算公式： 倾斜阻力 =料提升高度（米） *皮带小时输送料量 /（ 速） 根据上述分析皮带选择 盖茨 3048_8步带（如图 盖茨 3048_8步传动，无速度损失，且传动比恒定。皮带齿形极大的降低了运行噪音。与带轮齿的完美啮合，以最小的摩擦进入带轮齿。 图 步带 带轮的选型 同步带传动是利用带齿与带轮齿啮合来传递动力的一种新型传动方式，具有准确的同步传动功能，不需要润滑、无滑差、无污染、噪音少；传动效率达 比范围可达 1： 10，允许线速可达 50m/s，传动率从几百瓦到数百千瓦，适宜多轴传动。 广泛应用于纺织、汽车、化纤、卷烟、造纸、印刷、化工等机械设备；近年来，采矿冶金、钢铁机 械、医疗设备需求量日渐增加。 同步带轮选型需注意的参数： (1)齿形 同步带轮齿形可以分为英制（普通扭矩） L、 H 以及公制（高扭矩） 3M、 （普通扭矩 )13 图 轮齿形分类图 (2)齿数 齿数是同步带轮重要参数，同步带轮节圆直径齿数齿距 / (3)材质及表面处理 同步带轮常用材质 为铝合金及 45钢，表面处理分别为 铝轮：本色氧化黑色氧化；钢轮：四氧化三铁保护膜、无电解镀镍 (4)带轮形状 图 形齿同步带、轮选型圈 14 图 形齿同步带、轮选型图 图 （圆弧形齿）同步带、轮选型图 确定计算功率 0=FV=14500 = 5 15 AP=5=30 定带轮的基准直径 动带轮的最小基准直径 25从表中带轮的基准直径系列中，取 40 i 140=350大轮直径为 355据上述的分析与计算选择 带轮选择 盖茨 图 此带轮有一下几个优点：能缓和载荷冲击；运动平稳，无噪声；制造和安装不像啮合传动那样严格；过载时将引起带在带轮上打滑，因而可以防止其他零件的损害；可增加带长一适应中心距较大的工作条件。 图 16 3 图书馆 车起升机构设计计算 起升机构载重分析 载重主要取决于起重量 Q、载荷中心距 c，根据选题，已知起重量 Q=40准规定，载荷中心距离为 c=500由 平段受弯矩和剪力 , 垂直段受弯矩和拉力 , 危险截面支座 m a c 式中 P 起升架的计算载荷， N； C 标准载荷中心距， a 起升架厚度； b 起升架截面宽度， 计算载荷 P 的确定 ()122 K 式中 Q 起重量 ， Q=7640N 动载荷系数，取 偏载荷系数，取 由此得出 176401 . 2 1 . 3 ( ) 1 3 7 5 9 . 22 安全系数 n 的确定 安全系数的选取 , 与货叉的计算载荷大小、动载荷系数和偏载荷系数的选取密切相关。如果计算载荷比较准确 , 安全系数可以取较小数值。否则，安全系数应取较大数值。 强度计算时，安全系数应满足以下条件 3 3 其中 17 n 强度安全系数； s 材料屈服极限； 危险截面处应力（即最大正应力）； 注：s与 单位相同。 此次设计选择安全系数为 n=3。 计算最大正应力 539 1 7 9 . 6 73s M P 强度验算 把数据代入式 3得出 m a x 21 3 7 5 9 . 2 3 5 0 0 2 4 04 0 1 2 01 1 3 . 2 3 M P a 为 m a x 1 1 3 . 2 3 1 7 9 . 6 7M P a M P a ,所以满足强度条件。 电机扭矩转速分析 伺服电机 有直流、交流之分，一般来说选择合适的伺服电机要根据机器的负载大小和速度来选。 进给驱动伺服电机的选择 在原则上选择伺服电机应该由负载条件来决定。电机轴上的负载有两种，一种是阻尼转矩，另一种是惯量负载。这两种负载都需要正确地计算。 伺服电机可以控制速度，位置和精度十分准确，它能把电压信号转化成为 转矩 和转速从而驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并且可以快速反应，在自动控制系统中，可以当作执行元件，并且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等优点，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 18 负载转矩的计算 因为每种机械的算法不同，所以此计算需要加到伺服电机轴的转矩计算公式中。但是不管是哪种机械，都应计算出折算到电机轴上的负载转矩。一般折算到伺服电机轴上的负载转矩可由下列公式计算 : F*L/2)+ 中 : 由角加速度公式： 2 中： 角加速度； 角速度； 加速时间。 0C C C 3.7 中： J 惯性力矩； 不平衡力矩。 根据电机与中心轴的传动比 1:N，可以估算出电机扭矩： 电机转速分析 极数反映出电动机的同步转速， 二 极同步转速是 3000r/四 极同步转速是 1500r/六 极同步转速是 1000r/ 极同步转速是 750r/ 绕组的一 来一去才能组成回路，也就是磁极对数，是成对出现的，极就是磁极的意思，这些绕组当通过电流时会产生磁场，相应的就会有磁极。 三相交流电机每组线圈都会产生 N、 S 磁极，每个电机每相含有的磁极个数就是极数。由于磁极是成对出现的，所以电机有 二 、 四 、 六 、 八 极之分。 19 若三相交流电的频率为 50合成磁场的同步转速为 50r/s,即 3000r/进一步分析还可以得到同步转速 n 与磁场磁极对数 p 的关系 :n=60f/频率 ,单位为 单位为 r/所接 交流电的频率 (f)、电机的磁极对数 (P)之间有严格的关系 f/P 在中国，电源频率为 50 赫，所以二极电机的同步转速为 2000 转 /分，四极电机的同步转速为 1000 转 /分， 以此类推 。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在 10以内。由此可知，交流电机（不管是同步还是异步）的 同步电动机的转速 =50*频率 / 极对数（我国工频为 40异步电动机转速 =（ 50*频率 / 极对数） 转差率，另外，同等功率的电动机，转速越 大，输出扭距越小。 同步电机的极数 大容量的同步电机均为转极式，即转子为磁极，由励磁绕组通以直流电产生，而同步机的极对数就是转子磁极的对数。八极电机就是转子有 八 个磁极， 2P=8,即此电机有 四 对磁极。一般汽轮发电机多为隐极式电机，极对数很少，一般为 1、 2对，而 n=60f/p,所以他的转速很高，最高可达 三千 转（工频），而水轮发电机的极数相当多，转子结构为凸极式，工艺比较复杂，由于他的极数很多，所以它的转速很低，可能只有每秒几转！ 电机转速与频率的公式： n=60f/p 式中 n 电 机的转速（转 /分）； 60 每分钟（秒）； f 电源频率（赫芝）； p 电机旋转磁场的极对数。 我国规定标准电源频率为 f=50 周 /秒，所以旋转磁场的转速的大小只与磁极对数有关。磁极对数多，旋转磁场的转速成就低。 极对数 P=1 时，转速 n=3000； 极对数 P=2 时，转速 n=1500； 极对数 P=3 时，转速 n=1000； 20 极对数 P=4 时，转速 n=750； 极对数 P=5 时，转速 n=600 在变频调速系统中，根据公式 n=60f/p 可知： 改变频率 f 就可改变转速 降低频率 f，转速就变小：即 60 f / p = n 增加频率 f，转速就加大： 即 60 f / p = n 电机功率，转矩，转速的关系 功率 =力 *速度 P=F* 转矩 (T)=扭力 (F)*作用半径 (R) 推出 F=T/R 速度 (V)=2R*每秒转速 (n 秒 )=2R*每分转速 (n 分 )/60=R*30 将公式 2、 3 代入公式 1 得： P=F*V=T/R*R*30=/30*T*率单位 W， T=转矩单位 n 分 =每分钟转速单位转 /分钟 如果 将 P 的单位换成 么就是如下公式： P*1000=/30*T*P=T*=T* = T * n 电机转速： n=60f/p， p 为电机极对数，例如四级电机的 p=2； 注：当频率达 到 50， 当 电机达到额定功率 时 ，再增加频率， 它的 功率时 也 不会再增 加了 ， 而是 会保持 在 额定功率。 当 电机转矩在 50下时， 此时是与频率以正比进行变化 ；频率达到 50，电机 为 最大输出功率，即额定功率；如频率在 50基础上 再继续增加， 此时 输出转矩与频率 会 成反比变化，因为它的输出功率 已经到达最大了 ， 如果 你还要继续增加频率，那么套入上面的计算式分析，转矩则 会 明显会减小。 同步带传动计算 同步带受力情况的分析 张紧力 :传动带是将原动机的电机或发动机旋转产生的动力，通过带轮由胶带传导到机械设备上，故又称之为动力带。传动带通过摩擦来传递动力，因此传动带要调整张紧力以获得合适的摩擦力。通过调整传动带的张紧度可以调整传动带和皮带轮之间的摩擦力，传动带的张紧度是靠张紧轮进行调整的（没张紧轮装置就直接调整轮距）。皮带过紧会使 皮带磨损严重，过松则易产生打滑现象，使皮带严重磨损甚至烧坏。一般两轮 21 距离 1米左右时，用手指按压三角带中部，应垂直下降 10带使用中应检查皮带的张紧度，并随时进行调整。 故控制同步带传动合宜的张紧力是保证同步带传动正常工作的重要条件。 设 01F、 2F、 F 分别为带传动工作时带的紧边拉力、松边拉力、和有效拉力。为了保证同步带在带轮上齿合可靠、不跳齿，同步带运转时紧边带的弹性伸长量与松边带的弹性收缩量应保持近似相等。因此，紧边拉力的增加量应等于松边拉力的减少量，即 1 1F+2F=20F、 0F=1F+2F） 压轴力 :压轴力即为同步带作用在轴上的力，是紧边拉力与松边拉力的矢量和，如图 图 边拉力、松边拉力 式中： ； ， 工况系数， P 为需传递的名义功率（ 所以压轴力为： 1500 对于频繁正反装、严重冲击、紧急停机等非正常传动，需视具体情况修正工况系数。另外步进电机在工作时其工作过程是“加速 减速”的过程。在匀速时，电机所受负载为工件与导轨的滑动负载；电机加速时主要考虑惯性负载；如电机直接启 动，即转速直接从 0跳到所规定的转速时，电机的滑动负载和惯性负载均要考虑。一般情况下电机传递的负载约为滑动负载的 23倍。所以对于频繁正反转、严重冲击的传动机构，设计计算时：同步带需传递的名义功率应是同步带正常传动需传递的功率的 2设计时根据所设计的传动系统即可计算出作用在步进电机轴上的压轴力，再根据所涉及的步进电机由上图表中查出电机轴的容许负载，两相比较，只要压轴力小于电机轴的容许悬挂负载即可。 22 且从式 :1500 式中可看出作用在电机轴上的 压轴力受所需传递的功率、速度以及实际传动情况的影响。 在应用中减少压轴力的方法有：减少同步带小带轮的包角，即采用小带轮带大带轮的形式，这样可以减少 （ ）；在满足设计要求的情况下减少同步带的宽度，并安装时使同步带离步进电机轴的端面更远，这样可增加电机所容许的悬挂负载。 23 4 工程图设计 装配图设计 图 一般装配图技术要求 : (1)各密封件装配前必须浸透油。 (2)装配滚动轴承允许采用机油加热进行热装，油的温度不得超过 100。 (3)齿轮箱装配后应设计和工艺规定进行空载试验。试验时不应有冲击、噪声，温升和 (渗漏不得超过有关标准规定。 (4)齿轮装配后，齿面的接触斑点和侧隙应符合 规定。 应防止进入系统中。 括外购件、外协件），均必须具有检验部门的合格证方能进行装配。 (10)螺钉、螺栓和 螺母紧固时
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