移动升降轻便式货物搬运平台行走机构设计

1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 课题名称课题名称 移动升降轻便式货物搬移动升降轻便式货物搬 运平台行走机构设计运平台行走机构设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自 103 学 号 1001100445 姓 名 姚元英 指导老师 张铁异 二零一四年五月三十日二零一四年五月三十日 摘要 本设计是一种由蓄电池提供电力来驱动的移动升降轻便式货物搬运平 台行走机构，主要应用于仓库货物搬运环节，能够减轻搬运工人的工作难 度，同时达到规范仓库管理、提高工作效率、减少安全事故等目的。随着 机械自动化的进一步发展，机器将在更广大的领域取代人类进行工作，这 一趋势不可阻挡。尽管本设计

2、较为简单，但是于我来说有着重要的意义， 有着开阔视野、革新观念的效果。 该行走机构主要由转向系统、制动系统、支撑机构及平衡装置等四部 分构成，其整体为轮式底盘驱动车，通过电动机驱动车轮行进，后轮为驱 动轮，前轮为转向轮。所有组成部分均采用电动自动控制，并通过 PLC 可 实现自动寻找目标、自动躲避障碍物、自动返回等功能，其中底盘驱动车 在结构上进行优化，减少螺栓连接，部分采用焊接来实现车架结构的要求。 关键词：移动 机器人 行走机构 自动控制 平衡 Travel agencies handling platform designed portable mobile lift cargo Abs

3、tract This design is provided by the battery of a mobile power to drive the lift platform portable cargo handling travel agencies , mainly used in warehouse cargo handling areas, can reduce the difficulty of the work stevedore , while achieving standardized warehouse management , improve efficiency,

4、 reduce security accidents and other purposes. With the further development of automation machinery , machines will replace humans in the wider field of work , this trend is unstoppable . Although the design is simple, but to me it is of great significance , has a wide field of vision , the effect o

5、f innovative ideas. The walking mechanism composed mainly of four parts steering system, brake system , the support mechanism and balancing devices, the overall wheel drive vehicle chassis , the wheels driven by the motor travel , the rear wheels , the front wheel of the steering wheel . All compone

6、nts are used in electrical automatic control and automatic target PLC can be achieved by automatically avoid obstacles , automatic return function, which drive the car on the chassis structure is optimized to reduce bolting partly achieved by welding the frame structure requirements. Keywords : Mobi

7、le Robot Travel agency Automatic control Balance 目录 第一章第一章 绪论绪论.1 第一节 前言.1 第二节 机器人.1 第三节 方案的选择.3 第二章第二章 移动升降轻便式货物搬运平台总体功能移动升降轻便式货物搬运平台总体功能.6 第一节 总体功能的设计.6 第三章第三章 动力源选择及传动方式的比较分析动力源选择及传动方式的比较分析.9 第一节 动力源选择.9 第二节 传动方式的比较分析.11 第四章第四章 底盘驱动车的设计底盘驱动车的设计.15 第一节 立体仓库的布局.15 第二节 驱动系统的设计.15 第三节 传向系统的设计.21 第四节

8、制动系统的设计.26 第五节 底盘车架的设计.28 第五章第五章 辅助装置辅助装置.31 第一节 缓冲器.31 第二节 平衡装置.33 附录附录 1 1：.38 附录附录 2 2：.39 附录附录 3 3：.41 参考文献参考文献.42 致谢致谢.43 第一章 绪论 第一节 前言 随着工业进程的发展，近年来，货物搬运工作已由主要靠人力畜力到 机器自动化来完成，极大的提高了工作效率，适应社会大市场的需求。而 随着机器的投入使用更是加快了货物搬运方式的革新，各种各样的搬运机 器不断出现，而移动升降轻便式货物搬运平台便是其中的一种研究设计方 向，同时它也是机器人的一种，主要应用于立体化仓库等，以降低

9、工人的 劳动强度，减轻其负担。 如何实现更高更快的效率，完成人们无法或者不容易完成的搬运工作， 消除安全隐患，同时创造出具吸引力的财富，这是社会大环境迫使企业必 须思考的几个问题。因此，机器逐步取代人力搬运货物的趋势势不可挡， 这也是人类文明进步的充分体现。进一步解放和发展生产力，这就是企业 最为关心的“两化”即资源利用最大化、生产效益最大化。 而移动升降轻便式货物搬运平台行走机构，作为平台的一个重要组成 部分，并不是什么新鲜名词，而今我们要考虑的是如何将该部分设计的高 效、简洁和紧凑，进而更符合货物搬运的需要。 第二节 机器人 一、机器人的由来与发展 192 年在捷克作家卡雷尔查培克在其剧本

10、罗萨姆的万能机器人中 最早使用机器人一词。 180 年前的东汉时代，著名科学家张衡不仅发明了地动仪、计里鼓车， 而且还发明了指南针，这些发明都是具有机器人构想的装置。 1662 年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶。 1738 年，法国天才技师杰克戴瓦克逊发明了机器鸭。 1959 年，第一台工业机器人在美国诞生，从而开创了机器人发展的新 纪元。 进入 20 世纪 70 年代末、80 年代初我国才开始机器人的研究，90 年代 中期 6000m 以下深水作业机器人实验成功，在以后的 10 年中，在步行机器 人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩 小了与世界先进

11、水平的差距1。 二、机器人的定义 机器人现在虽然已被广泛应用，且越来越受人们的重视，而机器人这 一名词却还没有一个统一、严格、准确的定义。不同国家、不同领域的学 者给出的定义不尽相同，虽然定义的基本原则大体一致，但仍有较大区别。 一般地，可以定义机器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能， 可以代替人进行工作的机器。 应该说国际标准化组织（ISO）给出的机器人定义较为全面和准确，其 定义涵盖如下： （一）机器人的动作结构具有类似人或其他生物某些器官（肢体、感 官等）的功能。 （二）机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。 （三）机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、

12、 学习等。 （四）机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于 认得干预1。 三、机器人的分类 按机器人的开发内容与应用分三类： （一）工业机器人 工业机器人是在工艺生产中使用的机器人的总称，主要用于完成工业 生产中的某些作业。依据具体应用目的不同，又常常以其主要用途命名。 （二） 操纵型机器人 操纵型机器人主要用于非工业生产的各种作业，又分为服务机器人与 特种作业机器人等。 （三）智能机器人 智能机器人具有多种由内、外部传感器组成的感觉系统，不仅可以感 知内部关节的运行速度、力的大小等参数，还可以通过外部传感器（如视 觉传感器、触觉传感器等） ，对外部环境信息进行感知、提取、处理并

13、做出 适当的决策，在结构或半结构化环境中自主完成某项任务。 此外，还有按驱动方式分成气力驱动式、液力驱动式、电力驱动式、 新型驱动方式四类，按机器人工作时的机座可动性分为固定式和移动式两 类1。 四、机器人与本设计的关系 本设计“移动升降轻便式货物搬运平台行走机构设计”自动控制型机 构，能够智能的完成指令要求，无需或较少人为干预，所以，从总体上看 属于智能机器人。 第三节 方案的选择 一、传动机构选择轮式底盘驱动车，其中后轮为驱动轮，主要作为主 动力运动机构，实现整个机构的移动；前轮为拐弯转向轮，主要实现机构 灵活机动转换方向。 二、行走机构选择四轮平行式，主要考虑到仓库通道方面，平行式四 轮

14、机构可以使得移动升降式货物搬运平台行走机构与车道保持平行，为控 制带来方便。 三、相比于传动机构，动力源选择较多，并且相比互有优缺点，主要 有液压带动和电机带动等。 因此，整个移动升降轻便式货物搬运平台行走机构的结构选择： 方案一：用液压泵做驱动结构2，如图 1-1 所示。 图 1-1 方案一示意图 1、内燃机，2、变量泵，3、管路，4、液压马达，5、驱动车轮 方案二：用电动机做驱动结构，如图 1-2 所示。 图 1-2 方案二示意图 那么我们来分析一下两个个方案的优缺点： 对于方案一，采用液压泵作为行走机构驱动器可以平稳的驱动行走机 构前进，驱动力较大，但是液压系统较复杂，且占据空间较大，液

15、压油容 易发生泄漏，对环境污染也较大，另外，由于存在泄漏，使得控制也不够 灵敏。 对于方案二，采用电力拖动的方法3 用电动机作为驱动机构，干净、 整洁，重量轻，灵活度高，采用步进电机可以轻而易举实现精确控制，可 以省去油泵、油管、油缸和液压系统所需的各种阀，占用空间小，可以很 大程度上缩小驱动系统的体积，从而使得整个行走机构更为紧凑。但是， 电动机提供的功率一般比液压泵（液压马达）小。 综上所述，对比两种方案的优缺点、可行性，我最终选择方案二来作 为本次毕业设计的方案。 第二章 移动升降轻便式货物搬运平台总体功能 第一节 总体功能的设计 移动升降式货物搬运平台的总体结构图如图 2-1 所示：

16、一、升降机构的功能设计 货叉在减速电机的驱动下，通过齿轮传动可以伸缩，进而实现货物的 取放，升降机构在电动推杆的传动下可以自由升降到所需高度。货叉安装 在升降机构上平台，为三级伸缩货叉，其中下叉为固定叉，中叉和上叉为 伸缩运动叉，中叉起到连接上叉和下叉的桥梁作用，保证整个移动升降式 货物搬运平台取放货物过程中的平衡；上叉主要起货物取放作用，取货物 是先伸长到货物下方，剪叉结构再向上升高，将货物抬高，然后货叉缩回 原状（即不工作时的状态） ，完成取货物的过程，而放货物则是相反过程。 升降机构的主要功能是在底盘驱动车运载其到达指定地点后将货叉送 到需要取放货物的相应的位置，以辅助货叉取放货物。 升

17、降机构采用双排剪叉式机构，用电动推杆驱动，升降机构底部一端 固定，另一端可以活动，当电动推杆伸出时就可以将机构抬升，达到指定 高度，使货叉可以取放货物。 升降机构顶部安装有一个平台，平台上安装三级伸缩货叉，因为要搬 运货物，所以升降机构在升降时平台必须保持平衡，否则会影响到正常的 货物搬运。其中，减速电动机驱动保证三级货叉的正常伸缩，进而完成货 物搬运过程中取放部分的工作。 二、行走机构的功能设计 底盘驱动车作为行走机构，其本身要具备灵活的运动性能，要能到达 各个角落。底盘驱动车的转向机构也必须灵活。 另外底盘驱动车还要搭载升降平台，电池，电路板部件，所以底盘驱 动车的结构设计上必须能满足需要

18、。需要留出安装升降机构的平台，平衡 装置，电池支架，电动推杆安装支架等。 底盘驱动车采用后轮驱动，前轮转向的机制。后轮由两个轮子组成， 每个轮子各有一个电机带动。前轮有两个轮子，由一个电机控制其转向。 底盘驱动车的后轮在电动机的驱动下可以进行行进运动，并且前轮可 以进行拐弯转向运动。 三、编程控制 要能结合机械部分就行编程，以实现程序控制，并使编程简单。 四、我此次负责的任务 经课题小组成员讨论，采用分配负责制原则将课题分为三个部分，分 别由一人负责，而我此次负责的是行走机构的功能及其设计。 图 2-1 移动升降式货物搬运平台总体结构图 第三章 动力源选择及传动方式的比较分析 第一节 动力源选

19、择 综合市场上的动力机械分析，目前使用最广泛的以及最常见通用的动 力源有三种即空气、电和液压，即气动、电传动和液压传动。 一、气动 气动是利用撞击作用或转动作用产生的空气压力使其运动或作功，气 动就是以压缩空气为动力源，带动机械完成伸缩或旋转动作。因为是利用 空气具有压缩性的特点，吸入空气压缩储存，空气便像弹簧一样具有了弹 力，然后用控制元件控制其方向，带动执行元件的旋转与伸缩。从大气中 吸入多少空气就会排出多少到大气中，不会产生任何化学反应，也不会消 耗污染空气的任何成分，另外气体的粘性较液体要小，所以说流动速度快， 也很环保。 优点： （一）气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低

20、、使用 安全相对液压系统安全一些。 （二）工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单， 不污染环境，但电能消耗较大，能源转换率很低，初期成本较低，但使用 成本较高。 （三）输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般为 50500mm/s。但运行速度稳定性不高。 （四）可靠性不太高，使用寿命受气源洁净度和使用频率的影响较大。 （五）利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间释 放能量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载和过负 载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。 （六）全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比，

21、气动方式可在高温场合使用（通常为 160以内） 。 缺点： （一）由于空气有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化而变化。 采用气液联动方式可以克服这一缺陷,气缸速度比液压要快。 （二）气缸在低速运动时候，由于摩擦力占推力的比例较大，气缸的 低速稳定性不如液压缸。 （三）虽然在许多应用场合，气缸的输出力能满足工作要求，但其输 出力比液压缸小。 二、液压传动 液压是传动方式的一种，液压传动是以液体作为工作介质，利用液体 的压力能来传递动力。一个完整的液压系统由五个部分组成，即能源装置、 执行装置、控制调节装置、辅助装置、液体介质。液压由于其传递动力大， 易于传递及配置等特点，在工业、民用行业应用广

22、泛。液压系统的执行元 件（液压缸和液压马达）的作用是将液体的压力能转换为机械能，从而获 得需要的直线往复运动或回转运动。 优点： 与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点： （一）液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 （二）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达 2000：1） 。 （三）可自动实现过载保护。 （四）一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用 寿命长。 （五）很容易实现直线运动。 （六）很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实 现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。 缺点： （一）由于流体流动的阻力和泄露较大，所以

23、效率较低。如果处理不 当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。 （二）由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低 的温度条件下工作。 （三）液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。 （四）由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比。 （五）液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技 术水平。 三、电传动 机电传动是利用电动机为动力源将电能变为机械能，以驱动机器的启 动、切换和停止。电力传动由驱动环节（电动机） 、被控对象（传输机械能 的传动机构）和控制环节（控制电动机运转的电气控制装置）组成。机电 传动可以分为交流电动机传动和直流电动机传动。

24、优点： （一）机电传动所需的电能易于传输和集中生产， （二）清洁、环保，价格较低，效率高， （三）结构紧凑，体积小，反应迅速， （四）便于远距离自动控制， (五) 维修方便，对工作环境的要求不高， （六）电动机的功率范围比较宽，从数几瓦到 1 万千瓦以上，它已成 为现代工业的主要动力机。 缺点： （一）控制系统较复杂，对技术人员的技术要求高， （二）传动力与同等液压传动相比较低。 经综合比较分析知机电传动具有气动跟液压传动的共同优点，同时又 能够避免气动和液压传动所特有的许多缺点，故在此选择电传动来作为驱 动机构的传动形式。电传动示意图如图 12 所示。 第二节 传动方式的比较分析 常见的几种

25、机械传动方式，按力方式分，可分为摩擦传动和啮合传动， 摩擦传动又分为摩擦轮传动和带传动等，啮合传动可分为齿轮传动、涡轮 蜗杆传动、链传动等等;按传动比又可分为定传动比和变传动比传动4。他 们的概括分类如下： 图 21 一、带传动 图 22 皮带传动 皮带传动是一种挠性传动，是由主动轮、从动轮和紧张在两轮上的皮 带所组成，如图 22。由于张紧，在皮带和皮带轮的接触面间产生了压紧 力，当主动轮旋转时，借摩擦力带动从动轮旋转，这样就把主动轴的动力 传给从动轴。 特点： （一）可用于两轴中心距离较大的传动， （二）皮带具有弹性、可缓冲冲击和振动，使传动平稳、噪声小， （三）当过载时，皮带在轮上打滑，可

26、防止其它零件损坏， （四）结构简单、维护方便， （五）皮带在工作中有滑动，不能保证精确的传动比， （六）外轮廓尺寸大，传动效率低，皮带寿命短。 二、链传动 链传动是是以种挠性传动，由链条和链轮（小链轮和大链轮）组成， 通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的 从动链轮的一种传动方式3。 优点： （一）与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象； （二）平均传动比准确，工作可靠，效率高； （三）传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小； （四）所需张紧力小，作用于轴上的压力小； （五）能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。 缺点： （六）仅能用于两平行轴间的传动；

27、（七）成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加 动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。 三、齿轮传动 齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动，是机械传动 中最重要的传动之一。 优点： （一）效率高； （二）结构紧凑； （三）工作可靠、寿命长； （四）传动比稳定。 缺点： 齿轮传动制造及安装精度要求高，价格较贵，且不适用于传动距离较大 的场合。 四、蜗杆传动 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线 间的夹角可为任意值，常用的为 90。蜗杆传动用于在交错轴间传递运动和 动力，如图 23。 图 23 蜗杆传动 优点：传动比大，结构

28、紧凑，传动平稳，噪音低，具有自锁性。 缺点：蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低，发热 量大，齿面容易磨损，成本高。 五、传动方式的确定 综合以上各传动方式的特点和此次的设计要求，由于齿轮传动具有效 率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等优点，比较符合此次设计的要 求，故优先选择齿轮传动为此次设计的传动链。 第四章 底盘驱动车的设计 第一节 立体仓库的布局 立体仓库陈列于货仓5中，呈行列式排列，行与行之间以过道隔开， 过道间距 F=1m 。为了保证仓库空间的充分利用，仓库呈立体式，货架统一 采用标准规格，货架高度 H=M层数+N，其中 M 为每层高度，N 是为了便于 仓库的卫生清洁

29、工作而预留的高度，50mmN140mm。货物以开放式的抽 屉式多层存放，货物规格：不超过 EPM,货物限重 35kg，如图 31 所 示: 图 31 立体仓库布局图 第二节 驱动系统的设计 一、驱动系统的设计 （一）驱动系统的组成及传动原理 1.前进方式 电机正转，电机轴直接与联轴器相连，并通过联轴器 J 将动力传递给 轴 M,在经过齿轮 2 传递给轴 N,即驱动力通过 M（J）12N 的传递带动 后轮转动而实现行走机构前进。 2.后退方式 电机反转，电机轴直接与联轴器相连，并通过联轴器 J 将动力传递给 轴 M,在经过齿轮 2 传递给轴 N,即驱动力通过 M（J）12N 的传递带动 后轮转动

30、而实现行走机构后退。 图 41 驱动电机传递系统 M主动轴 N从动轴 J换挡离合器 1.驱动电机传递系统6如图 41 所示，由主动轴 1（电机轴） 、从动轴 2（差速器输入轴） 、联轴器 J，多个齿轮、差速器（图 42）及支架组成。 图 42 差速器 （二）差速器工作原理 差速器主要由两个半轴齿轮、四个行星齿轮、十字轴和左、右差速器 壳构成，结构如图 42 所示。当行走机构再不平路面上或弯道上行驶时， 它会自动调整两根半轴的转速，使左、右两半轴以不同的转速旋转。其工 作原理是：当量边车轮阻力相同时，四个行星齿轮只有随十字轴绕半轴轴 线的转动公转；当两边车轮阻力不同或车辆转弯时（实际上也是左、

31、右车轮阻力不等） ，则行星齿轮在这上述公转的同时，还有绕自身轴线（十 字轴两轴线）的转动自转，从而使两边的驱动轮以不同的转速前进或 后退。7 （三）驱动系统的特点 1.该传递系统采用离合器换挡，换挡容易，通过离合器之间的摩擦使 得齿轮之间强行同步，换挡无冲击，传动平稳； 2.两条传动链之间的传动比皆为 1，保证了系统采用无级调速方式的实 现，同时也使得结构简单，无形之中降低了成本； 3.该传递系统只需要控制离合器的开合方式即可控制机构前进或是后 退，控制简单，使得编程方便； 4.传动链由离合器和齿轮组成，结构简单，稳定可靠，不易出现故障 的同时，也使得检修更为容易。 二、驱动电动机的分析、计算

32、与选择 （一）驱动电动机的选择 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电 机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的 频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信 号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角” ， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制 角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制 电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的8。其显著优点是便于编 程控制，故选用步进电机。 （二）小车运行机构的运行静阻力的计算 小车运行机构的运行静阻力由以下公式可以求

33、出 （1） FFFFwgfsts 式中： 堆垛机运行静阻力； Fts 运行摩擦阻力； Ffs 坡度阻力，当轨道坡度不超过 0.5%时，可不计入； Fg 室外风阻力，即运行时由风载荷引起的阻力，室内取 Fw Fw = 0；以上单位均为 N。 运行摩擦阻力包括车轮轴承中的摩擦阻力和车轮踏面沿轨道的滚动摩 擦阻力；由于水平运行时偏斜总是不可避免的，因此还有导向轮沿轨道侧 面的附加摩擦阻力。这 3 种阻力之和可用下式计算： （2） gfQG d UK D gQG Ffs 2 2 式中： G车身自身净质量（100 kg） ； Q额定起重总质量（35 kg） ； D车轮直径（100 mm） ； K车轮沿轨

34、道的滚动摩擦力臂（无轨道：取 0 mm） ； U轴承摩擦系数（滚动：U = 0.02） ； d轴承内径（20 mm） ； f摩擦系数（f = 0.030） 。 所以 = N Fts 292 . 5 2 20 02 . 0 0 100 8 . 9351002 满载运行时最大坡度阻力 （3）gQG KFg 坡 查起重机设计手册得 K 坡= 0.001， 所以 = 0.0011359.8 = 1.323 N Fg 满载运行时最大风阻力 （4） AACFacw q 式中： 风载体型系数；C 工作状态时的标准风压（Pa） ；q 运行部分的挡风面积（m2） ； Ac 物品的挡风面积（m2） 。 Aa 因为

35、堆垛机在室内工作，所以取 = 0。 Fw 求出平台运行机构的运行静阻力9为 =5.292 +1.323+0 =6.615 N FtsFFFwgfs （三）静转距计算 底盘驱动车作为整个机器人的地盘和移动部分，其设计既要考虑到与 上面部件的安装，又要考虑到驱动性能，所以选择驱动电机尤为重要。 1.所设计机器人满载总重约为 135KG，即 G=1350N，而其橡胶车轮与地 面的滚动阻力系数为：b=2mm， 车轮半径为：r=50mm,启动加速度： 2 /1sma 。 滚动阻力矩: )(7 . 221350 10 3 1 NbG T 滚动摩擦力： N r T Fu 54 50 7 . 2 10 3 1

36、 电机提供的牵引力： r T F 带动底盘驱动车所需牵引力： maF FFua 其车轮端所需转矩: mNrmarFT Fu 45 . 9 50541135 10 3 由计算结果可选取驱动电机型号。 驱动电机参数如表 3-1: 表 3-1 驱动电机参数 型号相数步距脚静转距 （Nm） 电流 (A) 相电阻 () 相电感 (mH) 110HCY130AH-TK0 31.2133.51.222.6 2.脉冲当量的计算： 脉冲当量=n 360 L L 是导程，此处根据机械实际安装原理计算 L=2=100,是步距角，为了方便编r 程及计算，将步距角用驱动器细分成等分,n 是传动比，由于采用的是电机无极传

37、动， 故 n=1 所以 3 1 1 2 . 1 360 100 1 360 L 即小车每行进 1mm，需要 3 个脉冲。 第三节 传向系统的设计 一、对转向系统的要求 1.工作可靠，安全、不卡死； 2.操纵轻便灵活； 3.应该有适当的“路感” ； 4.满足转向要求； 5.要保持转向稳定，不蛇形、不滞后； 二、转向类型选择 （一）转向类型 叉车转向系统类型 全液压式 液压助力式 机械式 下面是各转向类型的示意图： 43 机械式转向机构示意图 1 转向器；2 转向垂臂；3 纵拉杆；4、11 横拉杆；5 转向桥；6、10 转 向节；7、9 梯形臂；8 转向摆臂（三联板） 图 44 液压助力转向装置示

38、意图 1、转向器；2、转向垂臂；3、控制阀拨板；4、11、横拉杆；5、转向 桥；6、10、转向节；7、9、梯形臂；8、转向摆臂（三联板） ；12、纵拉杆； 13、转向助力器；油箱、油管略 图 45 全液压转向装置示意图 1、转向泵；2、摆线油马达；3、配油盘；4、控制阀；5、方向盘； 6、转向车轮；7、转向桥；8、转向摆臂（三联板） ；9、活塞杆；10 转向油 缸；11、车架；12、油箱；13、油管9 由此可知，以上三种转向类型10都有一个共同特点，都需人力转向、 无法实现自动控制，为了充分保证转向设计的相关要求，使转向系统能够 实现的简单、轻便的无人力自动转向，需要对以上转向系统进行改装11

39、。 （二）经改装后的传向系统 图 46 电力转向装置 1 转向轴；2 转向垂臂；3 纵拉杆（齿条） ；4、11 横拉杆；5 转向桥； 6、10 转向节；7、9 梯形臂；8 转向摆臂（三联板）; 12 联轴器；13 电机 经改装后的传向系统如图 46 所示，原理：电机轴旋转通过联轴器将 转矩传给转向轴 1，转向轴与垂臂 2 相连，从而将转矩传递给垂臂末端的小 齿轮，小齿轮与齿条 3 啮合，使得齿条产生向左或向右移动的拉力，使得 三联板 8 受拉或受推，在经过横拉杆、梯形臂和转向节传递给轮子，从而 达到转向的目的。主要是用步进电机代替传统传向盘，为转向系统提供转 向动力。其优点是：与机械式转向机构

40、相比，省去了人对机构运转的参与， 直接实现无人操作；与液压转向装置相比，不仅能实现无人操作，还省去 了液压控制的复杂系统，结构简单便于控制。 三、转向电机的选择计算 （一）静转距计算 1.所设计机器人满载总重约为 135KG，即 G=1350N，而其橡胶车轮与地 面的静摩擦系数为：=，见附表 1， 车轮半径为：r=50mm85 . 0 6 . 0 静摩擦力：Nf 最大静摩擦力： N N f Max Max 540 2 1 13508 . 0 2 1 前轮转向所需转矩：rT f Max )(27 50540 10 3 N 由计算结果可选取转向电机型号。 转向电机参数如表 3-2: 表 3-2 转

41、向电机参数表 型号相数步距脚静转距 （Nm） 电流 (A) 相电阻 () 相电感 (mH) 130HCY230AH-TK0 31.23050.829 （二）脉冲当量的计算： 图 32 为前轮转向过程模拟图，即小车行走转向时，转向轮由位置 123 的变化过程，之间转过 90，行进距离 y=1mm ，转向轮行程 。 24 2 y p 脉冲当量=p/90n 是步距角，为了方便编程及计算，将步距角用驱动器细分成等分 n 是传动比，由于采用的是电机无极传动，故 n=1 所以 150 1 1 2 . 1 180 1 90 p 即小车每转 90需要 150 个脉冲，平均每转过 1需要 0.6 个脉冲。 图

42、32 前轮转向过程模拟图 第四节 制动系统的设计 一、制动系统的功能与要求 （一）制动系统是制约平台行驶运动的机构，强制其减速以致完全停 车。制动系统是平台 安全行驶的重要装置，它必须具备如下基本功能： 1、在平台行驶过程中，能以适当的减速度使平台降速行驶至停车； 2、平台下坡时为避免平台在本身中重力下不断加速，进行制动，使平 台保持适当的稳定车速； 3、平台停放时，使平台能在原地可靠停车 。 （二）对制动系统的基本要求 1、工作可靠，制动器产生的制动力矩应满足平台对制动性能的要求； 2、制动平稳，制动力与操纵力成正比； 3、操纵轻便，最好能实现自动调整； 二、制动系统的组成与工作原理 （一）

43、制动系统的组成 制动系统（行车制动系统）主要由制动器和制动操纵机构组成。制动 器都是装在车轮旁或车轮刚性联系的传动件上。凡是受制动力矩作用的车 轮称为制动轮。 （二）制动系统的工作原理 按组成部分的作用， 制动系统通常分为两大部分。其中用来直接产生 制动力矩的部分称为制动器，它主要由旋转元件（制动鼓 8）和 不旋转 元 件（制动蹄 10、摩擦垫片 9 等）组成摩擦副。制动时，平台在行驶中的动 能转化为摩擦副的热能而散失掉。 另一部分称为制动操纵机构，塔用来将 制动力源（来自驾驶员或其他力源）的作用传给制动器，使摩擦副互相压 紧而产生制动力矩12。经改装后的制动系统如图 47 所示。 图 47

44、制动装置 1 电磁铁，如图 48；2 衔铁（活塞推杆） ；3 总泵活塞；4 总泵缸体； 5 油管；6 分泵缸体；7 分泵活塞；8 制动鼓；9 摩擦垫片；10 制动蹄； 11 制动器底板；12 支撑销；13 回位弹簧 图 48 电磁铁的组成图 1 固定座；2 导线；3 铁芯；4 弹簧；5 衔铁；6 活塞推杆；7 小孔 不制动时，固连于车轮连杆上的制动鼓 8 随车轮一起转动。外圆表面 上铆有摩擦垫片 9 的两个弧形制动蹄 10，分别铰接在下端两个支撑销 12 上， 支撑销通过制动器底板 11 固定在车桥上。在回位弹簧 13 的作用下，两制 动蹄 10 的上端贴紧在分泵两端活塞 7 上。摩擦垫片 9

45、 外圆弧 面与制动鼓 8 的内圆面之间保持一定的间隙，使车轮和制动鼓可以自由旋转。 制动时，线圈 1 通电，对衔铁 2 产生吸力（其大小由通入的电流控制） ， 通过推杆 2 和总泵活塞 3，总泵中的油液产生一定的压力，经油管 5 流入分 泵中 ，迫使分泵活塞推动两个制动蹄 10 绕支撑销内圆面 12 转动，于是制 动蹄上的上端分别向两边张开，摩擦垫片 9 便紧紧压在制动鼓 8 的内圆面 上。这样，不旋转的制动蹄就对旋转着的制动鼓作用一个摩擦力矩（即制 动力矩），其方相与车轮旋转方向相反。当线圈 1 断电时，衔铁所受 Mb 的吸力消失，回位弹簧 13 将制动蹄拉回原位，制动力矩消失，解除制 Mb

46、 动。 第五节 底盘车架的设计 一、底盘驱动车的车架设计 底盘驱动车的车架设计也是必须考虑多种安装要求的，如图 3-3 所示， 底盘驱动车的左侧设计有电瓶座，用来放置电瓶，车轮也是安装在此平面 上。 图 3-3 底盘驱动车主视图 底盘驱动车车架由多块钢板焊接而成，结构简单。电动推杆安装在后 轮与前轮之间，靠近后轮一端，电动推杆下端采用销钉连接。底盘驱动车 底座上面是升降机构安装平台。 两个驱动轮都分别用一个电动机带动，每一根轮轴由两个轴承固定， 通过传动链与电动机的转轴相连，电动机用连接板固定在底盘驱动车底盘 上。两个前轮后沿采用连扳和螺栓连接固定，转向电机用螺钉固定在连扳 的中间。两个前轮采

47、用转向杆连接，然后用连杆将转向电机与转向杆相连， 利用转向电机控制前轮的转向。各部件安装情况如图 3-4、图 3-5 所示。 图 3-4 底盘驱动车俯视图 图 3-5 底盘驱动车左视图 第五章 辅助装置 第一节 缓冲器 为了使行走机构在运行过程中平稳，不出现过大的震荡，需引人缓冲 器。缓冲器的工作原理：即借助于压缩弹性元件来缓和冲击作用力，同时 在弹性元件变形过程中利用金属摩擦、液压阻尼和胶质阻尼吸收冲击能量。 一、缓冲器的类型 （一）木质缓冲器 木质缓冲器构造简单、 取材方便。但弹性变形小、吸收动能有限，一 般运用于速度低的起重机中。 （二）橡胶缓冲器 橡胶缓冲器构造非常简单，其弹性变形较小

48、、吸收动能有限，但比木 质缓冲器效果好，适用于运行速度低于的起重机运行机构。 s m 833 . 0 （三）聚氨酯泡沫塑料缓冲器 聚氨酯泡沫塑料缓冲器的构造与橡胶缓冲器相似，但其重量较轻，使 用寿命较长。 （四）弹簧缓冲器 弹簧缓冲器的构造简单，维修页比较方便，吸收能量较大，工作时环 境温度对其影响不大，因此其运用得最广。其工作原理是依靠弹簧的变形 来吸收撞击时产生的冲击能量，达到缓冲减震地目的。它适用于速度在 的情况下，因此选用弹簧缓冲器较合适13。 s m 2833. 0 （五）型号选定 1.缓冲器主要性能参数的确定14 （1）碰撞速度 v 碰（m/s） 。对于橡胶缓冲器和弹簧缓冲器，分别

49、取两 者的极限适用碰撞速度 0.90 m/s 和 2.0 m/s 的 0.85 倍，对于液压缓冲器， 取现场可能遇到的最大碰撞速度 2.0 m/s。 （2）碰撞质量 m（kg） ，碰撞质量包括自重与货物的质量。 （3）最大允许减速度。从减少冲击的观点来看，应当尽可能减小 jmax 最大减速度，但太小又会使缓冲行程过长。通常根据碰撞速度的大 jmaxjmax 小确定适当的最大允许减速度 。按照起重机设计规范 （GB3811- jmax 83）的规定，最大允许减速度4 。 jmax s m 2 （4）最大缓冲力,弹簧缓冲器都属于弹性缓冲器，橡胶缓冲器和 Pmax 弹簧缓冲器都属于弹性缓冲器，最大缓

50、冲力计算的原理相同，最大缓冲力 计算的原理由缓冲过程能量方程式有： (1)SSW M W P Z jmax max 2 m 22 ）（ 碰 式中:W 为运行阻力； 为换算到车轮踏面的制动力；S WZ 为缓冲行程。因为在碰撞过程中动能主要被缓冲器吸收，因此忽略 和W ，由式有最大缓冲力为： WZ 540 N jmax max m P （5）缓冲器的设计计算。橡胶缓冲器。由式得橡胶缓冲器缓冲行 程为： mS j 1463 . 0 4 )85 . 0 90 . 0 ( 2 max 2 橡胶缓冲器的缓冲容量 A 为： mN S A P 501.39 2 1463 . 0 540 2 max 橡胶缓冲器

51、的长度 I 及截面积 F 为： m SE I3658 . 0 2 1463 . 0 5 m P n F 2 6 max 000135 . 0 22 540 10 式中:E 为橡胶的弹性模数，取 E 5 MPa；s为橡胶的许用应力， 取s2 MPa；n 为缓冲器的数目，一般为 2。根据 F 可求出橡胶缓冲器 直径 D 0.00116m。 由式得弹簧缓冲器的缓冲行程: m7225. 0 4 85. 02 j 2 max 2 碰 S 弹簧钢丝直径 d 与弹簧的中径 D 作用在圆柱形螺旋弹簧上的最大碰撞力应 满足下式： (2) KDn P 5 . 12 d 3 max 式中:d 为弹簧钢丝的直径；D

52、为弹簧的中径；t为弹簧 材料许用扭转应力，以 60SiMn 为例，t 750 MPa；K 为弹簧曲度系数，按下式计算： 其中 c 为弹簧指数，c D/d 2.54，取 c 为 4，则 D 4d，有： 由式和式 D 4d 可得 m n K d P 000227 . 0 2750 5 . 12 4038 . 1 5404 5 . 12 4 10 6 max 则，mmd227 . 0 mmD898 . 0 结合两种缓冲器的特点及本设计的实际情况，所选的缓冲器型号为 2015DD06 第二节 平衡装置 cc c K 615. 0 44 14 4038 . 1 615 . 0 44 14 cc c K

53、图 51 磁力式平衡装置 1 电机；2 活塞推杆；3 活塞；4 电磁铁； 5 固定套；6 限位导杆;7 货架 一、磁力式平衡 （一）工作原理 平衡装置如图 51 所示，该装置装在行走机构左右两端各一个，卸货 时，电机 1 通电正传，带动活塞推杆运动使得 2、3 远离，使得 a+b 达到 0.5m，此时电磁铁 4 通电，产生吸力，吸在货架上，从而平衡货物产生的 偏心力矩；货卸后，电磁铁断电，吸力消失，电机反转，装置回复原位。 优点：机构简单、控制方便、成本低。 缺点：该装置的运作受货架限制，无法保证整个货物搬运过程的可靠 性和安全性。 二、力矩平衡系统 （一）工作原理 该力矩平衡系统，主要由步进

54、电机、联轴器、卷轴、钢丝绳、钢丝绳、 定滑轮、导轨、滑快、倾角传感器、导线、控制器、限位挡板、滑轮支架、 固定支撑板、底座组成。 平衡系统通过底座固定在车架表面上，当该平台机构处于水平状态 时，倾角传感器（21）感知到水平状态信息，并通过导线将信息传递给控 制器，从而发出信号使电机（9）处于失电状态，电机（9）不转，滑块 （20）重心与平衡系统及行走机构的重心重合，力矩为零；对照图 52 ，当该行走机构在运行过程中其重心向左移时，倾角传感器（21）在第一 时间获知这一信息，并将此信息通过导线传递给控制器，控制器作出反应 并给出指令来控制电机（9）得电，并使电机（9）沿如图 52 中所示反转，

55、从而通过联轴器（10）带动部分空心卷轴（8）与电机（9）同向旋转，使 得反绕在部分空心卷轴（8）上的钢丝绳（4）与部分空心卷轴（8）远离， 顺绕在部分空心卷轴（8）上的钢丝绳（17）拉近，该动作通过滑轮组 （1、15） 、滑轮组（16、18）传递给与钢丝绳（4） 、钢丝绳（17）紧连的 滑块（20） ，使滑块（20）右移，从而产生一个实时连续的动态力矩与机构 重心偏移力矩相互抵消，使得机构保持水平状态；当该机构的重心向右 偏移时，倾角传感器（21）第一时间感知这一信息，并通过导线将此信息 传递给控制器，控制器对该信息进行处理，并给出指令控制电机（9）作正 转，并通过联轴器（10）使部分空心卷轴

56、（8）与电机（9）一起同向转动， 从而使得钢丝绳（4）拉近，钢丝绳（17）远离，该动作通过滑轮组 （1、15） 、滑轮组（16、18）传递给与之紧连的滑块（20） ，使得滑块 （20）沿导轨（19）向左移，从而产生一个动态力矩与机器重心偏移力矩 相互抵消，使得机构处于水平状态。 因此，不管机构的重心如何、何时发生偏移，控制器都能通过倾角传 感器（21）获得并处理这一信息，控制步进电机（9）以不同的转速作正传 或反转，从而使得滑块（20）向左或向右移，并产生一个实时的连续的动 态力矩来与机器运行过程中的重心偏移力矩平衡，使行走机构不会因重心 的偏移而倾倒。力矩平衡系统如图 52 所示。 图 52

57、 力矩平衡系统 图 53 塔式起重机力矩平衡系统15 1 平衡臂；2 起重臂；3 塔身；4 基座；6 活动配坐；5、7 起重吊钩；8 平衡系统吊钩；9 平衡系统滑轮组；10 载重小车；11 钢丝绳；12 起升机 构；13 平衡重高度限位装置； 14 钢丝绳固定装置；15 被起吊物 附录 1： 转向车轮参数： 产品 编号 规格 名称 轮径轮宽载重轴承全高偏心 距 顶板 尺寸 装配 尺寸 孔径 3- 4WJT 51 4 寸 平顶 铁芯 PU 万向 轮 10038280 双轴 6202 14035114* 98 84*7 2 11 驱动轮参数： 型号规格名称轮径轮宽载重全高 S3B1PVCJ- 12

58、5 单轴弹力 胶刹车轮125 32 150157 S3B2PVCJ- 125 附录 2： 材料摩擦系数表 Leather 皮革 Metal(Wet)0,4 Leather 皮革 Oak (Parallel grain) 0,610,52 Magnesium 镁Magnesium 镁 0,6 0,08 Nickel 镍 Nickel0,7-1,10,530,280,12 Nickel 镍 Mild Steel 低碳钢 0,64; 0,178 Nylon 尼龙Nylon 尼龙 0,15 - 0,25 Oak 橡树 Oak (parallel grain) 0,620,48 Oak 橡树 Oak (cross grain) 0,540,32 0,072 Platinum 铂金 Platinum1,2 0,25 Plexiglas 树脂玻璃 Plexiglas0,8 0,8 PlexiglasSteel 0,4 - 0,5 0,4 - 0,5 Polystyrene 聚苯乙烯 Polystyrene0,5 0,5 Polystyrene 聚苯乙烯 Steel0,3-0,35 0,3-0,35 Polythene 聚乙烯 Steel0,2 0,2 Rubber 橡胶 A