JXFZ01-016@基于单片机取水车（结构部分）（仿真）
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机械毕业设计全套
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JXFZ01-016@基于单片机取水车（结构部分）（仿真）,机械毕业设计全套
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第 1 章 绪 论 1.1 课题研究目的、意义 在机器人技术高速发展的今天，形 形色色的机器人在各种工作场合和家庭生活环境中担任具体且十分重要 工作的情形，目前人们还只是在各种科幻大片里面看到。然而，随着科学技术的不断发展，机器人在人们的生活中将会起到不可忽视的作用。有专家预言，若干年后，实用型机器人的技术将会得到很大的提升，它们将如同现在人们手中的个人 PC机一样普遍。人们可以用它们来打扫卫生，解决很多繁重，琐碎而又重复性很高的工作，例如，擦玻璃窗等工作。 可见， 用信息技术帮助甚至提高人们的工作效率以及 生活质量不仅是可能的而且是必要的。本文旨在设计一套能自动根据设定的路线，在一定区域内来回运水的机器人系统，若它被运用于工业生产中，可以降低劳动力的损耗，提高生产效率。 1.2 我国机器 人 技术现状 国内现在 对智能机器人的关注也在逐渐增加。智能机器人在结构上的优化、控制技术的使用、传感器的应用、导航与定位的研发、智能机器人之间的协作等方面问题上都需要不断的努力。 我国的工业机器人从 80 年代 “七五 ”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过 “七五 ”、 “八五 ”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系 统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人 产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计 ”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。 相信经过相关领域的共同努力，我国智能车辆的技术水平一定会得到很大的提高。 nts 国外对智能车的重视程度早在上世纪 50 年代就已经开始，并且一直保持对该技术的创新，不难看出这也体现着国外对智能机器人的关注程度。 日本最近提出要重新认识发展机器人技术的重要 意义 ，并认为机器人技术与信息技术一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略技术领域。机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面，机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展；另一方面， 机器人向着非制造业应用发展以及微小型方向发展 ，并将服务 于人类活动的各个领域。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（）概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有在实世界动作功能的智能化系统”。目前，国外机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展。 机器人技术的发展离不开单片机技术出现。与之息息相关的单片机技术的发展状况也长了重中之重。 单片机自 70 年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善 ，单片机技术的发展趋势 : 单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用 户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时系统也更加稳定，目前该方向即是发展为 SOC(片上系统 )。 单片机抗干扰能力加强，使的它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景。 单片机提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。 在线编程目前有两种不同方式 ， ISP ，具备 ISP 的单片机内部集成 FLASH 存储器，用户可以通过下载线以特定的硬件时序在线编程，但用户程序自身不可以对内部存储器做修改。这类产品如 ATMEL8990 系列。 IAP ，具备这种特性的单片机厂 家在出厂时内部写入了单片机引导程序，用户可以通过下载线对它在线编程，用户程序也可以自己对内存重新修改。这对于工业实时控制和数据的保存提供了方便。这类产品如 SST的 89 系列。 在线仿真变的容易。用户一旦开发一个比较大的系统，开发调试变的非常复杂，同时由于单片机资源有限，不能象 PC 一样直接调试自己的软件，于是出现了品种繁nts 多的专业仿真器，为用户的开发提供了强大功能，加速了开发进程，降低了开发难度，同时这类仿真器也给中小型用户带来沉重的经济负担，目前已经有公司推出了可以在线调试的单片机，这类单片机采用标准 JTAG 接 口， JTAG 是一种标准 (IEEE 1149。 1)，是为测试芯片而制定的，目的是用 TCK、 TDI、 TDO 和 TMS 四个信号来测试芯片的内部状态 . 1.3 当前机器人技术的发展趋势 我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。 “九五 ”期间我国工业机器人的需求量以每年 30以上的速度增长。 2000 年，我国工业机器人的拥有量约为 3500 台，其中以点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类 机器人为主，销售额为 6 7 亿元。 据专家对国内 542 家用户以及汽车、电子电器、工程机械 3 个行业的部分用户进行的统计分析，就全国而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人；其他机器人用量很少。就行业而言，汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多，冲压、搬运、装配次之；电子电器行业集中在装配，如华录一家就用了近 300 台，其次是搬运和喷涂；工程机械行业集中用于弧焊，喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人 目前主要用于石化、轻纺和烟草行业。 据对 724 家用户的统计分析，大机械行业（机械制造和汽车工业）用户共有 467家，占用户的 65；电子电器和邮电通讯业用户有 92 家，占用户的 13。可见，目前国内工业机器人主要应用在汽车、机械制造等行业。 机器人及其自动化成套装备是指以机器人为核心，以信息技术和网络技术为媒介，将所有设备连接到一起而形成的大型自动化生产线。机器人及其自动化成套装备的拥有量和水平是衡量一个国家制造业综合实力的重要标志之一。机器人及其自动化成套装备已成为目前国内外极受重视的高新技术应用领域。 目 前，国外机器人自动化生产线成套装备已成为自动化成套装备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。 国外汽车行业、电子和电器行业、物流与仓储行业（企业级）等已大量使用机器人自动化生产线， 从而保证了其产品的质量和生产的高效。典型的如机器人有大型轿车壳体冲压自动化系统技术和成套装备、大型机器人车体焊装自动化系统技术和成套装备、电子和电器等的机器人柔性自动化装配及检测成套技术和装备、机器人整车及发动机装配自动化系统技术和成套装备、 AGV 物流与仓储自动化成套技术及装备等，nts 这些机器人设备的使用大大推动了这些行业的快速发 展，提升了制造技术的先进性。 当前，国外将机器人自动化生产线成套装备的共性技术作为重点开发内容： 1大型自动化生产线的设计开发技术。利用 CAX 及仿真系统等多种高新技术和设计手段，快速设计和开发机器人大型自动化生产线，并进行数字化验证。 2自动化生产线 “数字化制造 ”技术。虚拟制造技术发展很快，国外几家早期从事仿真软件的开发公司已经推出可进入实用的所谓 “数字化工厂 ”（ DMF）商品化软件。国外企业已利用这类软件建立起自己的产品制造工艺过程信息化平台，再与本企业的资源管理信息化平台和车身产品设计信息平台结 合，构成支持本企业产品完整制造过程生命周期的信息化平台。自动化生产线的设计、制造、整定及维护也必须要基于上述信息化平台进行，开展并行工程，实现信息共享，这是最大限度地压缩自动化生产线投产周期所必须的，另外也有利于实现生产线的柔性和质量控制的功能。 3大型自动化生产线的控制协调和管理技术。利用计算机和信息技术，实现整条生产线的控制、协调和管理，快速响应市场需求，提高产品竞争力。 4自动化生产线的在线检测及监控技术。利用传感器和机器人技术，实现大型生产线的在线检测，确保产品质量，并且实现产品的主动质量控 制。利用网络技术，实现生产线的在线监控，确保生产线安全运行。 5自动化生产线模块化及可重构技术。利用设计的模块化和标准化，能够实现生产线的快速调整及重构。 6生产线快速整定技术。如建立完整的制造过程信息技术，发展机器人等自 动化设备的离线编程技术、生产线上的机电设备实现网络控制管理技术 、 关键工位在线100产品检测技术、先进的生产线现场安装精度测试 技术。 1.4 拟解决的主要问题 1.确定电源、 LED 数码管、步进电机和各模块的安装位置； 2.给水区小车第二次返回时自动给水动作如何完成； 3.如何隔开 控制部分与储水容器，以避免在注水时水溅入控制部分； 4.红外传感器位置的确定及如何固定； 5.给水装置与存水装置结构如何设计，使其完成功能。 1.5 技术路线及研究方法 硬件方面 ，电路板的制作和调试是关键，它是设计成功的根基。小车车身及取水区与存水区的制作。软件方面，红外线传感器对当前的路径的检测，通过编程使控制器按一定的周期进行采样检测，判断检测器的状态，并决定小车在行进过程中的路线，nts 即小车发现需寻迹的线路后，能自行按照该线路行走而无需用户干预。 研究方法如下： 1).阅读和查阅相关资料和文献，对国内 外智能车的发展进行全面地学习和研究； 2).参考国内外相关设计和项目设计要求； 3).小车控制系统采用单片机技术； 4).小车车身车架采用手工制作； 5).确定取水小车的总体设计方案； 6).对小车制作、组装、运行和调试； 7).用 UG 画出三维结构图、系统爆炸图； 8).撰写毕业论文。 nts 第 2 章 总体方案设计 2.1 功能说明 有 A、 B、 C 三个区， A 区为给水区，有给水装置（简称 A 容器）。 B 区为输送线路， C 区为存水区有存水装置（简称 C 容器）。在开始时 A 容器装 一定量的水，容器大小、水量及放置方式任意； B 区有一条黑色引导线，引导线两端有两条与引导线垂直的黑色边界线，线宽不大于 20mm； C 容器的口径不得大于 100mm，高度不得低于250mm，放置方式在固定板上自定，开始把 C 容器清空。如图 1.1 所示： 图 2.1 路线图 设计一套自动送水小车系统，由送水小车（以下简称小车）将水从 A 区通过 B 区运至 C 区。该系统包括 A 区自动（或手动）给水装置；往返于 A、 C 区之间的小车（小车及安放的运水容器总垂直高度不得超过 300mm，小车上的储水装置容量不超过600mm，口径不大于 100mm，小车上任意部分不得超出小车边缘 50mm）； C 区存水装置；固定底板。 基本要求： （ 1）开始时小车在 A 区黑色起始一的左侧，车轮不得压线。 （ 2） A 区给水方式采用手动，注水完毕，启动小车，同时开始计时。 将水由小车运到 C 容器，停在 右边线左侧，车轮不得压线，小车看载的水人工倒到 C 容器中。 （ 3）卸水后，小车自动返回 A 区停在起车线的左侧，车轮不得压线。重复过程 （ 4）第二次卸水结束，将容器放回小车， B 容器接触小车时，终止计时。 （ 5）由测试人员记量 C 容器中的水量，计算单位时间的运水量。 发挥部分： （ 1） A 区第二次给水采用自动方式完成。 nts （ 2）小车可显示运行时间（单位秒），向 C 容器注水结束，将容器放加小车同步停止计时。 （ 3）其它 特色与创新。 2.2 小车寻迹原理 这里的寻迹是指小车在白色地板上寻黑线行走，通常选用红外探测法。红外探 测法即红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地板时发射漫反射，反射光被装在小车的接受管接受；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的红外管接受不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器的探测距离有限，一般最大不超过 15cm。对于发射和接受的红外探头，可以自己制作也可以采用集成式红外探头。 2.3 方案的选择论证 1、小车设计方案选择 方案一：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车 架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不低。因此我们放弃了此方案。 方案二：自己制作电动车。我们制定了用两块 L298N 芯片来驱动左右两个步进电机，前轮是万向轮转向的方案。使小车可以做转弯的功能。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较 平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。所以我们采取了第二种方案。 2、电机模块选择 方案一、用直流电机。直流电机是电机的主要类型之一，一台直流电机即可以作为发电机使用，也可以作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合用，但是由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。 方案二、用步进电机。步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机 的转速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。还有，步进电机易于起动，停止，正反转及速度响应性好。停nts 止时可有自锁能力。步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低速下高转距稳定运行，能常可以不经减速器直接驱动负载。速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制同台步进电动机可使它们完全同步运行。我们所需要的就是记前面的两个轮一起运动这个特性，所以我们选择了第二个方案。使用的是两相四线步进电机。 3、 卸水模块选择 方案一：采用 水泵将小车上的水直接抽到储水装置中。水泵控制简单，而 且速度较快，效率较高。 方案二：采用舵机控制的简单机械臂结构。舵机带动机械臂运动，将处于水平位置的水杯抬高，并使水杯在上抬的过程中呈竖直状态保证水不溢出杯口，抬至最高点后，利用舵机控制水杯转向，使水注入储水装置中。我们选择方案一。 4、 给水装置的选择 方案一：采用杠杆原理，当小车运行到给水装置下面时，推动给水装置前面的杠杆，使杠杆通过顶端线经过滑轮拉动钢球，钢球抬起即开始给水。此方案经济性好，易于制作，便于调整。 方案二：采用传感器 完成检测小车的工作。感应到小车到达指定位置后，发出信号，从而使给水装置开始供 水。此方案需制作单独控制部分，价格较高。因此选择方案一。 2.4 最终我们选择的方案 1、车架用塑料手工制作 2、步进电机来完成任务 3、轮子布置采用三角形结构 4、圆盘式双层结构 5、送水方式采用泵抽水送入 C 区 6、 给水装置采用杠杆联动方式给水 2.5 本章小结 本章的主要内容就是说明小车设计的总体方案，及设计的方案比较，从而得出最终方案。确定了取水车的设计方案为日后制作奠定了基础。 nts 第 3 章 运水小车组成部件及安装位置 3.1 小车上零件选取及参数确定 3.1.1 小车尺寸参数 小车长 度： 200mm 小车宽度： 200 行驶速度： 0.1m/s 负载 10kg 小车转弯半径： 70cm 小车最大速度： 10m/s 3.1.2 车轮的选择 1、车轮直径的选择 轮胎凭借与地面的摩擦力，把电动机输出地转动转化成小车的直线运动，小车制作中，轮胎的参数极为重要：轮胎的重量过大，影响小车机动性能以及小车的整体可控性；轮胎带花的样子决定了与地面之间的摩擦，摩擦力不足使小车产生的原地打滑，无法前进；轮胎的直径与小车的速度有关，这就与电机的选择，电源的选择，及传感器的安装等有密切的联系。 选择车 轮时，首先要考虑扭矩和速度，直径大的车轮，获得同等的动力输入时扭矩较低，但转速较高，电机负载可以允许 7kg 重物。车轮直径可选 6 8cm。 2、车轮宽度的选择 车轮的宽度不可以太宽，否则会影响灵活性，太窄则不够稳定。所以车轮宽度不能超过 2.5cm。 3、车轮中心孔径 这个孔来把电机轴蔬菜的动力传递到车轮。因此，这个孔径的选择要根据电机轴的大小决定。电机的轴径 5mm，如果车轮没有中心孔，就加个出一个中心孔，加工出来的中心孔需比电机轴径细一点，然后涂强力胶将电机轴穿过车轮中心孔，使电机轴与中心孔形成过盈配合。 3.1.3 机架的设计 机架是机器人本体的主要组成部分，它将机器人各个部分很好的连接在一起。 机器人的机架材料为厚度为 0.3mm 的苯乙烯 -丙烯酸材料板，采用铜柱连接。考虑到方便更改高度采用铜柱连接。另外在一些重要部分和连接较困难部分使用高强度胶接。 3.1.4 联轴器 的选择 联轴器是电动机和车轮的连接部分，主要作用是传递扭矩和承载径向弯矩。 nts 图 3.1 联轴器尺寸图 3.1.5 顶板 的设计 顶板主要起到支撑储水装置的作用。另外由于顶板面积比较大，当储水装置出现液体外溅时，对内部的各电器元件起到一定的保护作用。顶板上安装的支撑架是小车自动加水的关键部件。 由于给定要求为最大长宽为 200mm。为了使安装其他零件时有足够空间，所以选择 200 为顶板直径。 如图 3.2 是顶板的立体图。 由于顶板上需安放存水容器，所以设计及了三个半弧形挡片 2，以保证存水容器不因小车晃动而 前后移动。此外，顶板上钻有三个安装铜柱的螺纹口 3，与底盘设计的一致，以方便安装。次孔直径均为 M3。 出水孔 1 与水泵连接用于抽水。送水孔 4 为与水泵另一端的出水孔连接的送水孔。为了减少运水管的弯曲，设计偏水泵出水孔一端。 图 3.2 顶板 1-出水孔 2-挡 片 3-铜柱螺纹孔 4-送水孔 3.1.6 底盘的设计 小车底盘安装了各个模块的部分，电动机，万向轮，传感器等等，是小车的部件的主要载体， 设计时需要定位个铜柱的固定位置又要保证 有足够空间安装个部件。 图3.3 为底盘的造型图。 2 3 4 1 nts 图 3.3 底盘 1-电机固定架 2-铜柱螺纹孔 3-控制模块螺纹孔 4-万向轮螺纹孔 3.1.7 电池 的选择 电池是小车的动力源，既为电动机供电力又给各个控制部分供电，为了减少对控制单元的影响，小车对控制单元采用单独供电的方式。 选用 12V 蓄电池。 3.1.8 万向轮 的选择 万向轮既对车体有支撑作用，同时在导向中也起到了非常重要的作用，万向轮与小车的两后轮形成三点支撑，使小车行走过程稳定且结构简单。 选用 240 的万向轮。 3.1.9 水泵 的选择 运水小车倒水装置中的重要部分，由它把容器中的水倒入 存水区 的目标容器中，它的使用省去了复杂的机械结构，简单易用，但也是由于它的出现，使本车对电源的要求严格了不少。 选用水泵的 流量 为 65ml/s。 3.1.10 小车存水装置及给水装置的容积计算 小车上容器的容积 =底面积 高 =3.14 25 4.5=353.25mL 给水装置容积为 3300mL 小车 共运 两次水，给水装置中水足够 使用。且小车上容器不可以装太 满 （装 200ml即可）， 以防止小车在启停时 晃动洒出水来。 3.2 各部件的安装位置 3.2.1 电池安装位置 1.由于电池的重量较大，电池应该安排在轮轴附近，这样绝大部分的电池重量就施加在轮胎上去增大摩擦力，而不是施加在前部被当成负载。 3 2 1 4 nts 2.机器人需要经常更换或给电池充电，所以应安装在便于拆装的位置。 3.电池为锂电池，用胶棒或胶带固定到小车上即可。 3.2.2 电机安装位置 要固定到机器人底盘上都需要一个 L 形支架。可以用一块有一定厚度的塑料板来制作，一侧钻两个孔，用来利用电机上的孔来固定电机。将另一块塑料板粘在底盘和电机上，这样就可以固定电 机了。 3.2.3 电路板的固定 由于电路板带有螺纹孔，使用螺母和螺杆来把电路板固定在机器人底盘上，电路板选择放的高处，因为电子设备大多较轻，应该尽量使机器人重心靠下，同时要注意做好封闭。由于设计是取水车，水如果溅入电路板，会干扰控制电路。 3.2.4 传感器的位置 传感器的安装要考虑很多因素，传感器不能离噪声大的电动机太近，必须安装在前面或者两侧，并且要有保护措施，避免碰撞，灰尘也有可能影响传感器正常工作；由于设计的寻迹机器人，那么机器人底部传感器的离地间隙必须精确。可能要用到工具或者技巧：螺纹、胶棒 或是一些自制支架来完成。 3.3 小车各部分材料选择 小车在制作前，必须选择小车本体的主要结构材料。在进行小车制作时，特别要确定它自身的大小、轻重等，这就需要选择合适的材料来满足要求。对机器人本体材料的选择，不仅仅有助于确定它的强度、重量、尺寸，而且确定了整体结构的难度水平，可能需要的特殊工具以及达到可接受结果所需要的技术水平。因此在选择材料时，一般是根据以下原则进行挑选的： （ 1）零部件的形状、大小有何要求； （ 2）零部件需要多大的强度； （ 3）要选多大重量的零部件。 表 3-1 结构材料的优缺点比较 材 料 优点 缺 点 木材 易于获得；价格较低，使用日常工具易于加工；硬木和层压板强硬且坚固 不如塑料或者金属强度大；受潮容易变形；在压力下会有裂缝和碎裂 塑料 强度大而且耐用；有多种形式可选；包括板材遇高温会发生溶化或者下陷；某些塑料受到冲击nts 和挤压型材；容易获得 可能会碎裂，有些材料 金属 强度非常高；铝材有各种方便使用的形状；甚至在高载荷以及高温下也可以保持稳定性 是所有材料中最重的；制作过程需要电动工具以及锋利的锯条和钻头 3.3.1 车轮材质的选择 如果路面太光滑，将很难获得足够的摩擦力，过度光滑的轮子在刹车时或加速时有可能打滑，所以塑料轮子不如橡胶轮子好。但如果轮子的摩擦过大，比如泡沫材料，则会影响电机的效率，并且轮子的磨损严重，所以选择橡胶轮子。 3.3.2 车身材质的选择 : 根据小车的负载情况选择 0.3mm 苯乙烯 -丙烯酸板 作为小车的车身。 3.3.3 支架材质的选择 小车支架选择铜柱。铜柱的尺寸有很多，可以根据需求挑选尺寸，并且灵活性好，如短可以加小号铜柱以增加高度，大小铜柱均有螺纹，也可以起到固定位置的作用。 3.3.4 存水容器材质的选择 本设计对存水装置的要求不高，所以之选择普通圆形餐盒即可。 3.4 螺纹的校核 根据公式 P=F/S，算出轴向力的大小。 螺纹牙的剪切强度条件： )1( JbzpdFJ （ 3-1） 螺纹牙的弯曲强度条件： )21/( (3 zbpdFh （ 3-2） 式中 ， F螺纹所受的总 轴向力， N d1螺纹小径， mm z实际工作的螺纹牙圈数 b螺丝牙根部的宽度， mm h螺纹牙的实际工作高度， mm J螺纹材料的许用剪应力， Mpa 螺纹材料的许用弯曲应力， Mpa 又有： J0.6 ， s/(3-5)， s(0.52-0.65) b， b（ 3.2-3.5） HBS，nts 故有螺纹牙的弯曲强度 与螺纹材料的布氏硬度 HBS 之间的关系： W（ 0.52-0.65） (3.2-3.5)/4HBS （ 3-3） 将式（ 3）代入式 (1),可得到螺纹牙需要的强度值。 J=1050114 110 3 1010 3 =0.1470.6（ 0.52-0.65 ） (3.2-3.5)/ （ 3-5）=0.1987-0.216 符合强度。 3.5 小车装配模型 根据上述选择将各部件组合在一起，智能小车 的初步设计 组装后 如下图 ，其三维实体图如图 3.4 所示。为了清楚地显示各部分的安装位置、安装顺序以及小车组装中用到的其他易耗品 可以看爆炸图 3.5 所示。 图 3.4 小车装配图 nts 图 3.5 小车爆炸图 3.6 本章小结 本章主要介绍了取水车的零件选择及参数的确定、各部件的安装位置、小车各个部分的材料选择及螺纹的校核。确定了小车的所有参数后即可开始制作。 nts 第 4 章 给水装置及存 水装置设计 4.1 取 水装置设计 4.1.1 取 水装置的功能 取 水装置需要完成的功能 主要有 几 方面，一 是在小车运动到给水 区是取水装置自动给水。 在此期间小车车身完全运行到给水区后， 取 水装置才可给水， 以避 免小车没到指定位置， 取 水装置已经开始注水，损坏小车车上的控制模块；二是 保证小车注满水后自动停止供水。 如果不能及时停止供水，又会将水撒到小车上或者地上，既浪费了水，又有可能损坏小车上的控制模块。所以完成 取 水装置的设计需达到以上两个要求。 4.1.2 取 水装置原理 根据功能要求，设计为小车运行到 给水 区后碰到杠杆 2，杠杆 2 连接的线经过滑轮 3 拉动连着小球 6，使小球 6 向上运动，即将堵住的出水口打开，开始供水。小车供水完成后像 存水 区运动，即远离杠杆，小球 6 通过重力作用回到原来位置，封住出水口。 图 4.1 给水装置 1-桶的支撑架 2-杠杆 3-滑轮 4-支撑架 5-水桶 6-钢球 4.1.3 取 水装置 设计中出现的问题 及解决方法 1 2 3 4 5 6 nts 在总体方 案设计完成后 ，在完成这一过程是同时会出现很多问题。 首先，杠杆的长度设计。 本设计中小车运动到 取 水装置前端时会触碰杠杆，推动杠杆移动一定距离。小车的力量是一定的，这就要求杠杆能使小车在很小的力的情况下即可拉动钢球。这就涉及到 杠杆原理中提到省力 杠杆，即 要想省力，就必须多移动距离 。所以在安装杠杆是上端距支撑架平面的距离为 150mm，下端距支撑架的距离为 45mm。增加了距离即可不费力的将小球抬起。 第二，小球不能复位。本设计的小球材质为钢，直径 20mm。自身的重量有限，经试验证实，当水达到 1000ml 时，小球无法自 动复位，即无法回到 瓶口处。这就需要给小球一个配重。增加配重后自然解决了该问题，但又出现了一个新的问题，就是小车推动杠杆吃力了。我们选择了增加杠杆的上端长度 ,使其上端距支撑架平面距离为 165mm。这样增加距离，即可减少力了。 第三，如何定位滑轮。定位滑轮即是定位拉动钢球的线的支点。如果选择支点定在出水孔的正中间，小球被拉起后通过重力作用即可回到出水孔处，堵住出水口；如果选择在偏于正中位置，小球在复位时需要滑移一段距离才能回到出水口位置。这时小车已经离开给水区却不能直接停止供水， 不但 浪费了水 ，还没有达到预期的效 果。所以将支点定在出水孔正上方的位置是最佳选择。 第四 ，如何固定杠杆。由于在制作时并不能找到有符合尺寸和要求的固定零件，所以此处选择改装其他零件。经过查找，万向轮上的铝合金支撑架可以使用，将轮子去掉，后面的滚动部分去掉。只需将杠杆的指定位置打孔，并用销轴将铝合金支架与杠杆连接即可。 第五，如何密封出水口。在出水口处是用小球起到阀门的作用，靠重力作用封闭出水口。可是在小球并不能密封的非常好，还是会出现漏水的现象。针对次现象采用了向小球上涂润滑脂的办法。这样就可以更好的密封出水口了。 4.2 存水装置设计 存 水装置要有足够的直径以保证送水小车可以把水倒入容器内，所以选用直径为260mm。 另外高度也要合适， 不可高于小车给水支架的上端。所以选用高度为 200mm这样既可以减少对水泵的要求，也减少了对电源的要求，节约成本。 4.3 本章小结 本章 主要介绍小车车身、取水装置及存水装置的设计。确定取水及送水方案 。在制作过程中 遇到的问题和解决方案 ， 在设计过程中 要注意整体尺寸 和安装位置。 nts 结 论 本设计在开始就介绍了设计内容及要求，在小车满足尺寸要求的情况下完成取水、寻迹运水及送水的功能。 在选择方案时候考虑到要 结构简单、经济、可拆卸等问题，选择自制顶板 、 底盘等即可简化结构又可降低成本，由于顶板底板之间采用铜柱连接，更加方便的拆卸。而一些零件是不需经常拆卸的例如电机等，只需将其粘在底板上即可。本设计中由于有些零件不宜定位所以采用胶之间粘贴上，此类零件不需经常拆卸，所以采用这种方法即可。 在选材方面，对材料 的认知程度很重要，它直接关系到能否更好的完成其功能。 选择苯乙烯为小车的车身既满足强度要求又方便加工。 本文旨在设计一套能自动根据设定的路线，在一定区域内来回运水的机器人系统，若它被运用于工业生产中，可以降低劳动力的损 耗，提高生产效率。 nts 参考文献 1 袁锋 . UG 机械设计工程范例教程（高级篇） M.北京： 机械工业出版社， 2009 2 袁浩 . 机械设计使用教程 M. 北京： 化学工业出版社， 2007 3 王跃进 孟宪颐 .绿色产品多级模糊评价方法的研究 J.北京： 中国机械工程出版社 ,2006. 11 4 林以敏 . 机器人制作 M.北京： 机械工业出版社， 2008 5 芮延年 . 机器人技术及其应用 M.北京： 化学工业出版社， 2008 6 Robert. Mott. Machine Elements in Mechanical DesignM.北京： 电子工业出版社， 2007 7 左凯 左正兴 肖涛等 . 组合近似方法在结构优化中的应用 J.上海： 中国机械工程， 2007(12) 8 李鹏 马书根 李斌等 . 具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析 J.北京： 机械工程学报 2009（ 2） 9 莫才颂 曾亚森 . 机器人仿真系统运动学逆解算方法分析 J.贵阳： 机械与电子，2006（ 12） 10 金大鹰 . 机械制图 M.北京： 机械工业出版社 , 2006 11 M.R.Smith. 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