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仓储机器人设计开题报告
机器人设计开题报告
设计开题报告
机器人机构设计开题报告
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仓储机器人传动机构设计【开题报告】,仓储机器人设计开题报告,机器人设计开题报告,设计开题报告,机器人机构设计开题报告
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仓储机器人传动机构设计摘要 机器人的研发和应用的广泛程度是衡量一个国家工业自动化发展的重要标志。所谓的机器人并不只是人们所能看见的能够代替人工作业的一种机械体，而是对人和机器进行了综合，是一种可以完成人们所需动作的电子机械装置。在现代社会，工业的发展以及工厂的高效运作离不开这些仓库后勤兵-仓储机器人，它们集机械、电子、材料、人体仿生、人工智能等于一身，是一个国家高科技水平和智能化发展的重要体现，同时也是世界各国的重点研究领域之一。本次设计主要针对仓储机器人在国内外的发展前景以及发展趋势进行分析，然后对其整体结构进行总体的设计，包括对底盘系统、升降装置和伸缩装置进行必要的设计计算以及强度校核，对单片机控制系统硬件部分进行设计。关键词 仓储机器人 底盘系统 升降装置 伸缩装置Drive Mechanism Design of the Warehouse Robot Abstract Robot research and development and application of a wide range of degree is an important symbol of a countrys development in industrial automation.The robot not only can replace manual operation in which people can see a mechanical body, but for humans and machines for the integrated, is a kind of electromechanical device can be required to complete the action.In modern society, the development of the industry and factories of efficient operation without these troops are - warehouse logistics warehouse robot, they set of machinery, electronics, materials, human bionic, artificial intelligence is equal to one, is a national high-tech level and the important embodiment of intelligent development, is also one of the important research field in countries around the world.This design mainly aims at the development prospects of warehouse robot at home and abroad and the development trend is analyzed, then the overall structure of the overall design, including the chassis system, lifting gear and telescopic device to make the necessary design calculation and intensity, the part of single chip microcomputer control system hardware design.Keywords Warehouse robot Chassis mechanism Lifting gear Telescopic device 目 录前 言1第1章 绪论21.1 国外的机器人发展现状21.2 国内的机器人发展现状31.3 机器人的发展趋势4第2章 设计的方案52.1 总体设计方案52.2 基本设计思想5第3章 传动机构部分的设计计算63.1 底盘系统的设计63.1.1 传动方案的确定63.1.2 电动机的选型73.1.3 计算传动装置的总传动比和各级传动比83.1.4 计算传动装置的动力参数83.1.5 传动零件的设计计算93.2 货物装载伸缩装置的设计143.2.1 传动方案的确定143.2.2 电动机的选型153.2.3 钢丝绳的选择153.2.4 钢丝绳磙子的设计163.3 升降装置的设计163.3.1 传动方案的确定163.3.2 电动机的选型173.3.3 计算传动装置总传动比及各级传动比173.3.4 传动零件的设计计算183.4 重心与整机性能的关系203.4 仓储机器人传动机构设计的运动过程20第4章 控制部分234.1 单片机的选定234.2 I/O接口的扩展244.3 锁存器74LS373254.4 626427共 II 页 第 I 页4.5 74LS04274.6 7407驱动器284.7 74LS135异或非门284.8 异步电动机的调速294.8.1变频调速294.8.2 变频器294.8.3 异步电动机的正反转控制30总 结32致 谢33参考文献34共 II 页 第 II 页前 言机器人技术是一种综合了机械、电子、机构学、传感技术、人工智能以及仿生学等多个学科领域结合起来的高新技术，是一种现代社会必须发展的前沿领域。机器人并不是单单的代替人工去作业，而是综合了人和机器的特点的一种的机械装置，既具备人对外界的快速反应能力，又具备机器可长时间、高精度作业和适应各种环境作业的能力，从另一个方面来说它是机器进化的一种产物，是社会发展所必须的一种重要的服务型设备，也是工业自动化制造领域一种必然的发展趋势。仓储机器人的优点在于不仅能够完成人所具备的动作，还具备超过人的体力能力，既可以长时间连续重复运转，又能够承受各种恶劣环境。因此，仓储机器人是人体局部功能的发展产物。现在这个时代是智能制造的时代，并且我国还提出了“中国制造2025”，可见仓储机器人在工业智能制造系统中有良好的前景。我的毕业设计的题目是“仓储机器人传动机构设计”，本次设计通过对仓储机器人的工作对象和环境的分析，深入了解它的运动动作，具体到各个零部件是如何紧密配合并且联系在一起完成整套工业动作，然后对其整体和细节进行设计，先确定其总体结构然后对主要零部件进行设计计算并确定其尺寸，最后对其控制部分进行设计。虽经过多次修改，但限于作者的水平，加上时间仓促，书中一定还有很多不足甚至错误，仍然恳请各位老师批评指正。0共 34 页 第 页第1章 绪论1.1 国外的机器人发展现状 机器人的产生和发展虽然时间较短，但它已应用到国民经济，军事技术等众多领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力。从20世纪下半叶起，世界机器人工业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年均增长率在10%左右。据联合国颁布的最新调查资料显示，2000年世界机器人工业增长率达到15%左右，一年增加了近10万台机器人，使世界机器人总拥有量达到75万台以上。现在的工业机器人主要还是靠人为的进行控制动作，没有完全的自动化，大部分还是第一代机器人；其控制方式还为开环式，没有自动识别的能力；主要以降低制造成本和提高运动精度两个方面来进行改进。目前各国正在加紧研制第二代机器人，它内部安置有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉的能力，并安装传感器，把传感器采集到的信息进行反馈，使机器人具有感觉的功能，从而自主避障自主检测所需要进行的动作。而第三代机器人则被规划为能独立地完成所要求的各项任务，它与计算机和摄像设备进行联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）和柔性制造单元FMC（Flexible Manufacturing Cell）中的重要一环。为了防止机器人伤害人类，1940年科幻作家阿西莫夫在我是机器人一书中提出了“机器人三原则”：1、器人不应伤害人类；2、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 这是给机器人赋予的伦理性纲领。这三原则一直作为学术界领域机器人开发的准则。在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，人们提出了两个有代表性的定义。一是：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。另一个是具有如下3个条件的机器称为机器人：1、具有脑、手、脚等三要素的个体；2、具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；3、具有平衡觉和固有觉的传感器。该定义强调了机器人应当仿人的含义，即它靠手进行作业，靠脚实现移动，由脑来完成统一指挥的作用。非接触传感器和接触传感器相当于人的五官，使机器人能够识别外界环境，而平衡觉和固有觉则是机器人感知本身状态所不可缺少的传感器。这里描述的不是工业机器人而是自主机器人。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人形机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。随着现代科学技术的飞速发展和社会的不断进步，针对于机器人系统也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更好的柔性结构和更完美的编程环境，以去适应不同种场合的生产要求。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能与工作环境内的其他自动化设备的数据分析紧密的联系在一起。为了提高机器人系统的性能和自动化水平，研究人员要求机器人系统具有开放性结构并且能集成各种外部传感器的进行各种感知的能力。1.2 国内的机器人发展现状在二十世纪八十年代，我国的工业机器人才开始起步，经过这么多年的努力，已经新兴起来了一些具有竞争力的工业机器人研究所和单位，并先后研制出应用于电焊、装配、搬运、冲压及喷漆等各个工业领域的现代化机器人。目前国内制造的机器人主要应用在国内市场。在我国，汽车和工程机械行业是最先应用工业机器人的地方，主要在这些领域用来进行焊接及涂装。目前，由于机器人技术的研发水平还比较落后，工业机器人主要还是在制造业上使用比较广泛，应用在其他行业的比较少。仓储机器人在工作中大体就相当于一个机械化的搬运手臂，机械手臂的发展是工业自动化必然的，它有很多优点好处：1、它能代替一部分的人工劳动；2、它能按照要求去按照规定的流程和时间来完成对工件的各种操作；3、它能操作必要的工具进行作业，比如进行焊接或者装配，从而显著的提高了工厂的生产率，加快工厂向前生产的步伐。所以，受到世界各国的重视，并且投入大量的时间、人力来进行对机器人的研究和工厂应用。尤其是极其恶劣的环境，比如在高温、高压、存在有害气体的环境，这时候应用的更加广泛。我国机器人领域在近几年也有较快的发展，并且有了一定的成绩，受到各行各业的广泛重视。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按固定程序控制并且可以重复运动操作，适用范围很广的通用机械手。由于通用机械手能很方便的改变工作程序从而完成不同的动作，操作普遍性较强，所以它在要求定期变换生产工件的生产中获得广泛的应用1。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”机器人就是用机器臂把工件从一处移向指定的另一处，或按照规定要求操作工具来对工件进行加工。一般把机器人分三类：第一类是不需要人为进行操作的通用机器人，它是一种独立的机构，可以根据需要来进行编程并把程序植入，以完成各项规定的动作。第二类是需要人工进行操作的，我们称之为操作机（Manipulator）。它起源于军事工业，先是通过操作机来完成指定的任务，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。第三类是专业机器人，主要应用于自动化生产线上。这种机器人在国外被人们称之为“Mechanical Hand”，它是由主机驱动去为主机服务的。它们的工作程序是固定的，因此是专业机器人。随着现在生产技术的提高，对于机器人研发制造的能力进一步得到加强，尤其把机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前人工操作机械制造的状态，大大的提高了生产效率。1.3 机器人的发展趋势目前，现代机器人有以下几个发展趋势：（1） 把运动速度和运动精度提高，并且尽量减少机身重量和所占用的空间，将机器人功能部件进行标准化和模块化发展，把机器人的各个机械模块、控制模块组成起来，装配成结构不同的机器人；（2）开发各种用于不同场合的新型结构，比如开发拥有多个自由度的手臂和夹爪；开发各种行走机器人，以适应不同的环境；（3）研发各种传感部件及检测类型的元器件，如视觉、听觉、和测距传感器等，用专业的传感器来获得工作对象对外界的环境信息和位置信息的收集，以完成所需要的识别和检测，并设计专业系统进行动作规划2。第2章 设计的方案2.1 总体设计方案本课题通过对仓储机器人传动机构的工作对象及场所进行分析研究，先是了解其工作原理以及各个零部件是如何进行紧密配合，再接着对其进行设计，首先确定其总体结构方案，其次对主要零部件进行设计计算以确定其尺寸大小并进行标准件选型以及非标准件设计，最后对其控制程序进行设计。（其结构设计简图见图2-1）2.2 基本设计思想（1） 根据设计要求和工作环境限制，本设计中采用轨道机器人的方案。（2） 考虑到搬运货物时所要求的精确度不是必须很高，为了简化结构，降低成本，对其采用角铁焊接的结构。（3） 为了满足设计要求，需要安置三个独立的电驱系统，将各部分之间的动作协调起来。图2-1 仓储机器人传动机构的结构简图第3章 传动机构部分的设计计算3.1 底盘系统的设计3.1.1 传动方案的确定首要满足机器的工作任务要求才是合理的传动方案，例如机器所能传递的功率及规定的转速等等。除此之外，还应保证机器的可靠性和使用寿命，应该具有较高的传动效率、结构简单、成本低廉和后期维护方便等。不过要想同时达到这些要求是很难的，因此在设计过程中，需要拟定多种方案来进行多方面的对比。如图3-1的三种方案简图。因为采用了不同类型的传动方式，所以各有利弊。a方案采用锥齿轮和链传动相结合的方法，可对轴进行垂直传动，不过加工锥齿轮的成本相对较高。b方案采用了蜗轮蜗杆减速器和带传动相结合的方法，带传动的优点是传动平稳和能够缓冲吸震，但是带传动不能够在特殊环境下工作。c方案选用了蜗轮蜗杆减速器和链传动相结合的方法，蜗轮蜗杆虽然传动效率低功率损失大，不过可实现相对较大的传动比，而链传动无弹性滑动和打滑等现象，在对于相对远距离的传动时，链传动比齿轮传动更加方便。 a方案b方案c方案图3-1 传动方案简图通过对仓储机器人传动机构这几种传动方案的仔细分析，如总体传动比大小，载荷的大小，工作的环境，对整机结构的要求等，最终采用方案c，并且确定仓储机器人传动机构设计底盘机构的传动方案为电动机、联轴器、蜗轮蜗杆减速器、链轮、轴、轴承、车轮。3.1.2 电动机的选型电动机的选择范围应包括:电动机的类型、型式、容量、额定电压、额定转速及其各项经济指标等，而且对这些参数应综合进行考虑。选择电动机的容量是电力传动系统能否经济和可靠运行的重要问题。如果电动机容量太小，长期处于过载运行，造成电动机绝缘过早地损坏；如果容量过大，不仅造成设备上的浪费，而且运行效率低，对电能的利用也很不经济。因此在选择电动机之前，应该考虑好应该是在哪种工作方式下去选择电动机的容量3。 决定电动机容量的是其额定功率。正确选择电动机额定功率的原则是在电动机能够胜任所需生产的工件负载的前提下，来确定最经济的电动机功率。按已知的工作条件和要求，我们选用Y系列三相交流异步电动机，其具有结构简单、价格低廉、维护方便等优点。工作机所需的有效功率按式（3-1）计算（3-1）式中 F=2000N，v=0.8m/s，工作机的效率=0.99，带入上式得：电动机的输出功率按式（3-2）计算 （3-2）式中 为电动机到工作机至传动轴的传动装置总效率。由式，由机械设计课程设计表10-1，取联轴器传动效率；蜗轮蜗杆传动效率；链传动传动效率，则总传动效率故 因载荷平稳，只需电动机额定功率略大于即可。查表10-2可知Y系列三相交流异步电动机的技术数据，选择电动机的额定功率为3KW。对于容量相同的电动机而言，低转速的电动机磁极对数多，外轮廓尺寸及重量都较大，价格高，但可使传动装置的传动比及结构尺寸都较小，从而降低传动装置的成本；高转速的电动机则相反。因此，在确定电动机转速时，应与传动装置综合考虑，进行比较。为了传动更加的经济合理，根据实际工作转速的要求和各传动副的传动比范围来计算电动机转速的可选范围。工作机轴转速为 按表2-4里的各级传动比范围：蜗轮蜗杆传动比范围,链传动传动比范围，那么总传动比范围为，可见电动机的转速可选范围为：。符合这一范围的同步转速有、和三种，考虑重量和价格，由机械设计课程设计表10-2选常用的同步转速为的Y系列异步电动机Y132S2-6，其满载转速，电动机的尺寸可查表，此处从略。3.1.3 计算传动装置的总传动比和各级传动比传动装置的总传动比分配传动装置各级传动比由式可知，为使蜗轮蜗杆减速器外廓尺寸不致过大，取传动比，则链轮传动比3.1.4 计算传动装置的动力参数（1） 各轴转速蜗轮轴转速车轮轴转速（2） 各轴功率蜗杆轴功率蜗轮轴功率车轮轴功率（3） 各轴转矩电动机轴转矩蜗杆轴转矩蜗轮轴转矩车轮轴转矩3.1.5 传动零件的设计计算（1） 减速器的选择减速器的作用是用来降低转速和增大转矩的，以满足工作的需要。由于仓储机器人的底盘机构需要频繁的进行正反转运动，因此选用JB/T 5559-1991推荐的锥面包络圆柱蜗杆减速器。本节用到的表均来自机械设计手册。1） 按表25.1-82选择传动比2） 按式（25.1-5）计算允许转矩：查表25.1-5得从表25.1-82知：，值未定，暂取，从表251-86知：，则为：3） 由表25.1-84知，当，时，由表251-83知，所以根据表25.1-84注2的说明，当时，应乘以1.35倍。则4） 散热计算从表25.1-88查得摩擦角，蜗杆传动效率：选，所以 从表25.1-87查得则减速器的热功率： 减速器所传递的功率：，故散热满足要求。（2） 联轴器的选择联轴器是机械传动中常用的部件。它主要用来连接轴与轴（或链接轴与其他回转零件），以传递运动和力矩；有时也可用作安全装置。根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力，联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器。下面对联轴器进行选择，本节用到的表均来自机械设计课本。1） 类型选择由于轴的刚性大、对中性较好，选用凸缘联轴器。2） 载荷计算电动机输出轴的功率P=2.45kW，转速为公称扭矩计算转矩按下式计算Tca= KAT（3-3）由机械设计表14-1查得：KA=1.5，代入上式得Tca= KAT1=Nm3） 型号选择从GB/T5843-2003中查得YL7型凸缘联轴器的许用转矩为160Nm，许用最大转速9000r/min，轴颈在2840mm之间，故可选用。标记为：YL7联轴器GB/T5843-2003主动端：J型轴孔，A型键槽，d2=38mm，L=60mm从动端：J1型轴孔，B型键槽，d1=24mm，L1=108mm（3） 键的选择在连接上选择两个相同的平键，由于在联轴器的传递过程中存在能量损失，因此主动端的键相对于从动端的来说更容易失效，只校核主动端。根据连接轴的直径d=38mm，从GB/T1096-2003中选择键10856。假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为（3-4）式中 T传递的转矩，单位Nm； k键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为键的高度，单位mm； l键的工作长度，圆头平键l=Lb，这里L和b是键的公称长度和键的宽度，单位mm； d轴的直径，单位mm； 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位MPa。其中T=T1=24.37Nm，k=0.5h=4mm，l=Lb=46mm，d=38mm，代入得查机械设计表6-2得：=110MPa，故此键在工作过程中不会失效，满足条件。（4） 链传动的选择链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮组成。通过链轮轮齿和链条链节的啮合来传递运动和动力。链传动主要用在要求工作可靠，两轴相距较远，工作环境恶劣，以及其他不宜采用齿轮传动的场合4。链传动的主要缺点是：只能实现平行轴间链轮的同向传动；工作时有噪声；不宜用在载荷变化很大、高速和急速反向的传动中。下面对链传动进行选择，本节用到的表均来自机械设计手册。1） 选择链轮齿数取小轮齿数，则大链轮的齿数为取。2） 实际传动比3） 确定计算功率由表22.2-3知；表22.2-4知；表222-5知.则 4） 选择链条型号和节距由设计功率和小链轮转速在图22.2-2上选得节距p为12B即19.05mm。5） 检验小链轮孔径由表22.2-6，故可以。6） 计算链节数和中心距初选中心距，取。相应的链节数为取链长节数节。7） 链条长度L8） 理论中心距 式中，由表22.2-7插值法得到。9） 计算链速v，确定润滑方式由和链号12B，查图22.2-3可知应采用滴油润滑。10） 计算压轴力有效圆周力为：（5） 轴的确定轴是组成机器的主要零件之一。一切回转类的零件，例如齿轮、链轮等，都必须安装在轴上才能进行运行和动力的传递。因此轴的主要是支承回转零件及传递运动和动力。下面对轴进行选择，本节用到的表均来自机械设计手册。先按初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3，取，于是得安装轴承处的直径即轴的最小直径为，如图3-2所示。为了使轴承与所设计轴的直径与相适应，故需同时选取滚动轴承型号。因轴主要承受径向力，故选用深沟球轴承。参照工作要求并根据轴的最小直径，由轴承产品目录中初步选取6207，标记为：滚动轴承 6207 GB/T 276-1994。故取。图 3-2 轴的结构与装配根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。1） 为了满足滚动轴承轴向定位要求，轴段右端需制出一轴肩以在轴向固定套筒，故取；根据滚动轴承宽度及轴承端盖取。同样取，。2） 初步选定圆柱车轮。根据GB 4628-84选取直径的单轮缘车轮，标记为：DYL-256 GB 4628-84。为了满足车轮的轴向定位要求，轴段右端需制出一轴肩，故取段的直径；由车轮宽度取；同样取，。3） 根据结构要求取；。4） 根据链轮孔径取，根据链轮宽度和圆螺母宽度取；为了满足链轮的轴向定位要求，轴段左端需制出一轴肩，故取段的直径，根据结构要求取。故轴的总长为826mm。车轮、链轮的轴向定位均采用平键连接。按由表6-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为56mm。同时为了保证链轮与轴配合有良好的对中性,故选择链轮轮毂与轴的配合为H7/k6，滚动轴承与轴的轴向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为n6。图3-3 仓储机器人底盘系统结构图上图为仓库搬运机器人的底盘设计图，图中所有钢板和角铁之间的连接均采用手工电弧焊接的方法。手工电弧焊接方法是目前应用最广泛的焊接方法，手弧焊所需的设备简单，操作灵活，对空间不同位置、不同形式的街头以及不同形式的焊接缝均能方便地进行焊接，其缺点是劳动强度他、生产率低5。上边所设计的底盘钢架结构由材料力学知识计算能够满足设计要求且具有成本低的特点。此底盘的扩展空间较大，可适合于各种方位的货架，并且具有较高的承载能力。可以满足提升各种货物的需求。3.2 货物装载伸缩装置的设计3.2.1 传动方案的确定由于设计的机器人用于搬运，其搬运高度为300mm-2500mm，而且货物架要求运动灵活且平稳，综合考虑得出本次设计采用蜗轮蜗杆减速器和钢丝绳传动相结合的方法。此次合理的传动方案如图3-4所示图3-4 货物拖架传动机构钢丝绳传动是利用摩擦力来传动的，而钢丝绳本身截面为圆型，且钢丝绳本身直径很小，所以导致其摩擦面积很小，这样很不利于摩擦传动。上图中标号1的零件为传动用钢丝绳磙子，为了克服钢丝绳的摩擦面积小的缺点，将该部分设计成将钢丝绳在磙子上缠绕几圈，以次来增加钢丝绳与磙子之间的接触面积，从而增加了摩擦力，增加了摩擦传动效率。3.2.2 电动机的选型根据工作环境，选用冶金及起重用的YZR系列三相异步电动机。工作机所需功率按式（3-5）计算 （3-5）式中 F=500N，v=1m/s，工作机的效率=0.90，带入上式得： 电动机的输出功率按式（3-6）计算 （3-6）式中 为电动机到工作机至轴的传动装置总效率。由式可知，由机械设计课程设计表10-1，取减速电机传动效率；钢丝绳传动效率，则总传动效率故 因载荷平稳，电动机额定功率只需略大于即可。选Y系列三相异步电动机：德国动力设备GKS05-3MV071-32。3.2.3 钢丝绳的选择根据伸缩装置与导轨的摩擦力和钢丝绳作用种类来看，选择了线接触钢丝绳作为本装置的钢丝绳，查表可选钢丝绳牌号为，其外层的钢丝粗，内层的钢丝细，并且具有耐磨，抗疲劳强度好等优点。钢丝绳直径的选取。由线接触钢丝绳的直径在6mm-36mm，初步估算钢丝绳承受拉力，则由公式 （3-7）所以，取。对钢丝绳进行验算，验算公式为式中，则，故合格。3.2.4 钢丝绳磙子的设计根据伸缩装置的结构及功能需求，可知需要2种钢丝绳磙子。一种为传动作用，一种为导向作用。由于传动用钢丝绳磙子上受钢丝绳的径向载荷，因此设计其直径为16mm，材料选用45号钢。其与磙子支架间以滑动轴承连接。由于导向导向用钢丝绳磙子不与钢丝绳有载荷，因此设计其直径为8mm，材料选用45号钢。其与磙子支架间以滑动轴承连接。图3-5 货物装载伸缩机构上图为货物装载伸缩装置的侧视图，其中：1-电机减速器；2-钢丝绳；3-货物伸缩托架；4-链板及整体托架；5-磙子链条 3.3 升降装置的设计 3.3.1 传动方案的确定 常用的传动方式有带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和钢丝绳传动等，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗轮传动工作的发热情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有足够的压紧力，故而在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于大功率传动。带传动容易磨损松弛易出现打滑现象；齿轮传动制造及安装精度要求高价格较贵而且不宜用于传动距离过大场合；链传动与摩擦型带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率高；又因为链不需要像带那样张得很紧，故而作用于轴上的径向压力较小；链条采用金属材料制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构比较紧凑，多用于低速重载6。综合考虑以上因素本次设计采用蜗轮蜗杆减速和链传动。3.3.2 电动机的选型电动机在生产中的作用是带动机械的启动、停止以及对速度的调节，以完成对工厂程序运作的要求，保证生产过程的正常运行。电动机的型号主要有以下几种：直流电动机、交流电动机、伺服电动机等。交流电动机与直流电动机相比具有结构简单、维护方便、价格便宜，具有较好的稳态和动态特性等优点7。此次设计的机器人是应用于仓储中用来搬运的，而且搬运货物最大重量为30，故需要一个动力足够大的电机才行，因此需要选用冶金及起重用的三相异步电动机。依据公式传动装置总效率为：初步拟定按表2-4推荐的各级传动的传动比范围：蜗轮蜗杆传动比范围,链传动传动比范围。则总传动比范围为：。可见电动机的转速可选范围为：。符合这一范围的同步转速有、两种，考虑重量和价格，由表10-2选常用的同步转速为的Y系列异步电动机DV112M6BM，其满载转速，电动机的尺寸可查表，此处从略。3.3.3 计算传动装置总传动比及各级传动比传动装置的总传动比分配传动装置各级传动比由式可知，选择JB/T5559-91 KWU100锥面包络圆柱蜗杆减速器。为使蜗轮蜗杆减速器外廓尺寸不致过大，取传动比，则链轮传动比（1） 各轴转速蜗轮轴转速车轮轴转速（2） 各轴功率蜗杆轴功率蜗轮轴功率车轮轴功率（3） 各轴转矩电动机轴转矩蜗轮轴转矩车轮轴转矩3.3.4 传动零件的设计计算（1） 联轴器的选择1） 类型选择由于轴的刚性大、对中性较好，选用凸缘联轴器。2） 载荷计算电动机输出轴的功率P=1.78kW，转速为，公称扭矩计算转矩按下式计算Tca= KAT（3-8）由机械设计表14-1查得：KA=1.5，代入上式得Tca= KAT1=Nm3） 型号选择从GB/T5843-2003中查得YL7型凸缘联轴器的许用转矩为160Nm，许用最大转速9000r/min，轴颈在2840mm之间，故可选用。（2） 链传动设计1） 选择链轮齿数取小轮齿数，则大链轮的齿数为取2） 确定计算功率 由表22.2-3知；表22.2-4知；表22.2-5知.则3） 选择链条型号和节距由设计功率和小链轮转速在图22.2-2上选得节距p为12A即19.05mm。4） 计算链节数和中心距初选中心距，取。相应的链节数为取链长节数节。5） 理论中心距 式中，由表22.2-7插值法得到。6） 计算链速v，确定润滑方式由和链号12A，查图22.2-3可知应采用滴油润滑。7） 计算压轴力有效圆周力为：因为是较重要的传动，链轮材料选35号钢，热处理后硬度40-50HRC。（3） 滚动轴承的选择选择轴承之前，必须要先了解其所承载的机械设备，再根据各类轴承作用的不同来选择不同型号的轴承。具体应该对轴承的载荷、限位要求、轴承的调心性能和轴承的安装和拆卸等参数进行分析。根据所需设计的仓储机器人的具体要求，选择轴承的型号为6207。经校核可满足设计要求。图3-6 仓储机器人升降机构图上图为仓储机器人传动机构设计的升降机构，其框架结构采用等边角钢和冷轧钢板。由于手弧焊操作灵活，对不同形式的接头以及不同形式的焊缝都可进行焊接8。以上所设计的底盘结构已经由材料力学知识计算过了，不仅能够满足设计要求，其成本还比较低。这种底盘系统的可扩展空间较大，能够适用于不同方向的货架要求，而且具有很高的承载力。可以满足提升各种货物的需求。3.4 重心与整机性能的关系仓储机器人重心的位置，与所受的合力有着密不可分的关系，直接影响机器人行走的稳定性和平顺性以及电机所带动的制动和驱动。重心过高，那么稳定性就不好，转弯时易产生侧倾。在使用仓储机器人时，要十分注意应该进行合理载货，主要为了降低重心的高度。下部装载较为重的货物，而上部应该装载较轻的货物。另外,在机器人的工作当中,重心的技术参数也是十分必不可少的。所以在JB2405-79标准中,整机性能试验的项目之一就是对重心位置的测定。在具体的计算设计中，在计算机器人整体发动机的功率和牵引性能时，就会用到有关机器人的总重以及重心所在的位置。对于一些旧有车型的改进设计来说，机器人的自重及其重心位置可以方便地获取，并且比较准确可靠。3.4 仓储机器人传动机构设计的运动过程图3-7 仓储机器人传动机构设计的整体结构上图及为仓储机器人传动机构设计的整体结构，从图中可以看出，整个车体由等边角钢焊接而成，为满足其车体问题位将其余分成三层，中间用等边角钢围成，为防止车体可能发生的倾斜隐患，设计在机构的中间加一配重。其工作过程可分为如下几部分：（1） 计算机控制装置。当仓储机器人在仓库内安置的固定轨道上前进时，由于车轮上装有特定的传感器，车体的位置就会形成反馈信号传递到中心计算机中。当仓储机器人到达所要求的位置时，计算机就会发出设定好的指令，控制底盘系统中的电机停止运作。因为所选择的电动机本身就具备制动功能，并且其减速器还应用了蜗轮蜗杆减速装置，所以其定位很准确。（2） 当机器人运动到达在指定货架前时，传感器反馈的信息会传递给计算机，经处理后，计算机会向升降装置中的电动机发出固定指令，电动机就会开始正向运转，货叉上升，当到达要求的高度后，计算机会收到传感器发出的指令去停止电动机运转，货叉随即停止上升，因此状态下所要求的定位精度不高，所以允许有一定的误差。（3） 当货叉达到指定高度时，计算机随即发出指令，控制伸缩装置中的电动机转动，此电动机带有减速器和制动装置，当伸出所设定的长度后，电动机会停止转动，此时货叉会自动上升一定高度，以抬起货物，这样货物就被放到货叉上了。此时系统会自动延时，数秒钟后，电机反转，货物就被货叉移出货架了。（4） 为防止货物处于整个仓储机器人车体上面，因为位置太高而导致车体行走时产生的不稳定因素，计算机会再次发出控制信号，升降装置中电动机得到此信号时，会转动起来使货物降到合适位置。（5） 至此，货物被装好，计算机随即发出与开始相反的指令，控制底盘系统，让仓储机器人按原路返回。 第4章 控制部分4.1 单片机的选定单片机是一种现代化集成的电路芯片，采用了大规模的集成电路技术把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上，从而构成的一个虽然小但却完整的计算机系统9。美国Intel公司的8位高档单片机系列之一是MCS-51，它是在MCS-48系列的基础上发展而来的，也是我国现在应用最多的一种单片机系列。在这个系列里，有很多种型号，它们的性能都各不相同。在MCS-51系列里，所有的产品都是以8051为核心电路研制起来的，它们都具备8051的软件特征。由于本设计的系统里数据相对较为简单，故选用常用的8051单片机就可适应需求。其内部包含了作为微型计算机所必须的功能，一块芯片上同时集成了相互独立地各个功能部件，其内部结构如图4-1所示。图4-1 8051的内部结构框图8051内部的CPU是一个字长为二进制8位的中央处理单元，其与微型计算机的CPU相类似，8051内部CPU也由运算器、控制器和专用寄存器这三部分电路组成，并且采用的是双列直插式封装结构，如图4-2所示。图4-2 8051的封装和管脚分配8051共计有40条引脚，其分为电源线、端口线和控制线三类。（1） 端口线（48=32条）8031共有4个并行的I/O端口，并且每个端口共有8条端口线，用来传输数据或地址信息。（2） 电源线（2条）VCC为5V，VSS为接地线。（3） 控制线（6条） 4.2 I/O接口的扩展8051共有4个8位的I/O端口，但是能够使用的只有P1端口，因为当传送外部存储器的地址和数据时才会用到P2和P0端口，类似的，P3口也需要使用它的第二功能。因此，通常需要扩充8051的I/O端口，以便它能和更多的外部设备联系在一起进行工作10。8051 的I/O端口的扩展方法有两种：一是借用外部RAM的地址来扩展I/O端口，二是为了扩展I/O端口，采用并行的I/O端口芯片。前者相对来说比较简单，所能扩展使用的I/O端口数量有限，但当外设本身不具备接口的能力时，使用会受到一定的限制；后者虽然很复杂，但I/O端口接收到的数据可以得到缓存。所以综合考虑之后，为了扩展I/O端口，本装置采用8255A和8155芯片。8255A是Intel公司生产的并行I/O接口的芯片，其中有3个8位并行I/O口，还具有3个通道3种工作方式的可编程并行的接口芯片。 其可由软件进行选择各口功能，使用方便灵活。其内部机构框图见图4-3。图4-3 8255A内部结构8155是Intel公司生产的具有RAM、I/O接口和计数器的通用可编程芯片。其内部结构如图4-4所示图4-4 8155内部结构4.3 锁存器74LS373锁存器对脉冲电平十分敏感，在输入脉冲电平时，它们会改变现有状态。锁存，就是把信号暂时存起上，已达到保持某种状态的要求。锁存器会起到缓存作用，然后完成控制其与外设不同步的问题，再其次是解决驱动方面的问题，最后是解决一个I/O口能同时输出输入的问题。本装置选择74LS373作为被控制部分的锁存器，74LS373为三态缓冲输出的8D锁存器，AuW838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸AuW838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸其如图4-5所示，做如下介绍：总线可直接与74LS373的输出端1Q8Q相连。1.三态允许控制端（简称OE）为低电平时，1Q8Q为正常的逻辑状态，可用来驱动负载。2.OE为高电平时，1Q8Q呈显出高阻态，既不驱动总线，也不为总线的负载。当锁存允许端ENABLE G（简称G）是高电平时，Q随数据D的变化而变化。当G是低电平时，Q被锁存在已建立的电平中。引出端符号：1D8D：数据输入端 OE：三态允许控制端（低电平有效）G：锁存允许端1Q8Q：输出端图4-5 内部结构和引脚在使用中，G会使得输入端与8051的ALE连接高电平变得畅通无阻；低电平关门锁存。OE为使能端，接地。AuW838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸当G=1时，74LS373输出端1Q8Q与输入端1D8D相同；AuW838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图当G为下降沿时，输入数据会被锁存。74LS373工作的真值表见表4-1。表4-1 74LS373真值表OEGDQLHHHLHLLLLQ0HZ表中符号说明：L低电平 AuW838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸H高电平 AuW838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种不定态 AuW838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸Q0建立稳态前Q的电平 Z高阻态4.4 62646264是一种静态存储器，其内部的结构如图4-6（a）所示，它主要由512128的存储器矩阵以及数据输入输出控制逻辑电路组成。它的地址线有13位，其中A12A3是用于行地址译码的，A2A0和A10是用于列地址译码的。当存储器读周期时，选中单元的8位数据经过列I/O控制电路输出；当存储器写周期时，外部8位数据经过数据控制电路和列IO控制电路，写入到被选中的单元里。6264有28个引脚，如图4-6（b）所示，采用双列直插式结构。图4-6 6264内部的结构及引脚图4.5 74LS0474LS04是6非门，其工作电压为5V，他的内部含有6个coms反相器，74LS04的作用就是把1反向变成0，平时在使用中应该注意不要把芯片的管脚的顺序弄错，下图4-7是芯片的管脚图图4-7 74LS04管脚图4.6 7407驱动器7407为六高压输出驱动器（OC，30V）。简要说明7407为集电极开路输出的六组驱动器，其主要电特性值如下：表4-2 7407主要电特性引出端符号：1A-6A 输入端1Y-6Y 输出端引脚图如下：图4-8 管脚图4.7 74LS135异或非门 简要说明：74LS135为异或非门，其主要电特性的典型值如下：表4-3 74LS135主要电特性当功能选择端（M）为低电平时，可执行异或操作；当M为高电平时，可执行或非操作。图4-9 管脚图4.8 异步电动机的调速4.8.1变频调速三相异步电动机的转速计算公式为n=n1（1s）=（1s）（4-1）式中 n异步电动机的转速，单位r/min； n1同步转速，单位r/min； f电流的频率，单位Hz； p磁极对数； s转差率。三相异步电动机有很多调速方法，其中有以下几种类型：变频调速、变极调速和变转差率调速。变频调速有调速范围大，机械特性硬，静差率小，运行频率高等几个特点，并且其频率可进行连续调节，而且变频调速为无极调速，故它的应用十分广泛，因此我选用变频调速这种方式来进行调速。4.8.2 变频器变频器是能够将工频电源转换成任意频率和电压交流电源的一种设备，变频器主要作用是对电机的功率进行调整、对电机实现变速运行。变频器的主要是由主电路和控制电路这两个部分组成的11。变频器主要是通过控制电路来间接进行控制主电路系统，其中的整流器会将交流电变为直流电，直流中间电路会将直流电进行平滑滤波，部分变频器还会在电路内加入其他部件，来进行必要的转矩运算。变频器的种类和控制方式有很多种，我选择VFD-A型变频器，然后以V/f的方式来进行控制。V/f控制，即通过调整变频器输出的电压与频率的比值来改变电机在调速过程中的控制方式。图4-10 基本运行V/f曲线变频器V/f控制即U/f=c，在频率fx时，Ux的表达式为Ux/fx=c，其中的c是“压频比系数”，也就是常数。变频器的基本运行V/f曲线由图4-11中所示。在图4-11中看出，当电动机的运行频率高于一个固定数值的时候，变频器的输出电压就不会随着频率的上升而上升，该固定值就被称为基本运行频率，用fb表示。换句话说，基本运行频率就是变频器输出最高电压情况下所对应的最小频率值。最大输出电压即同时与基本运行频率对应的变频器的输出电压，用Umax表示，基本运行频率需要预先设置。4.8.3 异步电动机的正反转控制电动机的转速及转向的控制是由主电路来实现的，如图4-13所示。下面简述转速的控制过程: 首先在计算机中提起前设置一速度值，然后与变频驱动器相联系，从而通过变频驱动器来进行控制转速。调角器往复运动的转向控制过程如图4-14所示: 在调角器转动的两个极限值位置各安装一个接近开关T1和T2
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