搬运机器人毕业设计

1前言众所周知随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，人们感到自己在不断异化，各种职业病逐渐产生，于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。搬运机器人的显著特点是无人驾驶，它装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。1搬运机器人的另一个特点是柔性好，自动化程度高和智能化水平高，它的行驶路径可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变，并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比非常低廉。搬运机器人一般配备有装卸机构，可以与其他物流设备自动接口，实现货物和物料装卸与搬运全过程自动化。此外，搬运机器人还具有清洁生产的特点，依靠自带的蓄电池提供动力，运行过程中无噪声、无污染，可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。搬运机器人作为一种成熟的产品和技术在发达国家已经广泛应用，对企业提高生产效率降低成本提高产品质量提高企业生产管理水平起到了显著的作用。随着工业自动化的发展，国内外的应用和需求越来越强烈，已经约有千台AGV在使用，而且市场在逐渐扩大。根据初步市场调查分析，今后5年内，国内各行业对AGV需求量可达数千台，年产值接近2亿元，经济效益十分可观。1.1国内外的发展现状总结一下，我们认为，机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种第一代机器人，也就存在它这种缺陷。在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个1鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。那么从三代机器人发展过程中，从另一个方面，我们对机器人从应用的角度进行了分类，比如说工业机器人，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业现场中工作的这种机器人，我们统称为工业机器人，那么从不同的应用中，到水下去作业的叫水下机器人，到空间作业的叫空间机器人，同时又存在农业、林业、牧业，对医疗机器人叫医用机器人，还包括娱乐机器人，建筑和居室上用的机器人，所以从应用分类，它包括从行业、应用角度，也可以进行这样简单的分类。2搬运机器人[transferrobot]是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。装卸搬运是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高，占据物流费用的重要部分。美国工业生产过程中装卸搬运费用占成本的2030,德国物流企业物料搬运费用占营业额的1/3，日本物流搬运费用占国民生产总值的10.73，我国生产物流中，装卸费用约占加工成本的15.5。国内外一直在寻求机械化和智能化的搬运技术和装备。AGV,一种柔性化和智能化物流搬运机器人，在国外从50年代在仓储业开始使用，目前已经在制造业、港口、码头等领域得到普遍应用。在国内，AGV的应用也逐渐开始。仓储业是搬运机器人最早应用的场所。1954年世界上首台搬运机器人在美国的SouthCarolina州的MercuryMotorFreight公司的仓库内投入运营，用于实现出入库货物的自动搬运。目前世界上约有2万台各种各样搬运机器人运行在2100座大大小小仓库中。9海尔集团于2000年投产运行的开发区立体仓库中，台搬运机器人组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地完成了每天23400的出入库货物和零部件的搬运任务。2设计方案论证本课题通过对仓库搬运机器人工作对象及工作场所的分析研究，深入了解其工作是2如何进行，各部分零部件应该如何运行以及如何紧密配合，先确定其总体结构再对主要零部件进行设计计算确定其尺寸大小以及确定电机型号。2.1基本思想（1）根据设计要求和工作环境限制。本设计中采用有轨机器人方案。（2）考虑到搬运货物时所需要精确度不是很高，为了简化结构，境地成本，采用角铁焊接结构。（3）为了满足设计要求，须设计三个独立的电机驱动系统，各部分之间通过计算机控制、协调工作。（4）本次设计只是该题目的机械部分，而对应控制部件的考虑较少。3仓库搬运机器人的设计计算3.1货物装载伸缩装置的设计3.1.1确定传动方案我们所学的传动方式有以下几种：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。带传动具有结构简单，传动平稳，价格低廉和缓冲吸振特点。可是容易磨损松弛，易出现打滑现象；链传动只能实现平行轴间同向传动而且运动时不能保持恒定瞬时传动比；齿轮传动效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定但是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。此次设计由于机器人用于搬运，其搬运高度为500mm-2500mm，而且货物架需要灵活且运动平稳速度不宜过大，综合考虑以上因素本次设计采用蜗轮蜗杆减速器和钢丝绳传动。此次合理的传动方案如下图所示3图3.1货物拖架传动机构Figure3.1cargocarriagedrivemechanism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。3.1.2选择电动机的类型与结构电动机在工业生产中实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常运行。电动机的型号有多种，主要有以下几种：直流电动机、交流电动机（三相异步电动机、单相异步电动机、同步电动机）、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、制造容易、维护方便、运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广泛的一种电动机。由于此次设计的机器人是应用于仓库搬运业，而且搬运货物最大重量为40kg,故而需要一个能够提供足够大动力的电机来提供动力，因此应选用冶金及起重用三相异步电动机。3.1.3选择电动机的功率（容量）依据所选择的电动机额定功率应大于工作机所需的电动机功率即：P0Pr（公式1）式中Po——电动机额定功率，Kw；Pr—一工作机所需的电动机功率，Kw；已知FN1061.78N,L0.4m40.2所以FFN0.21061.78212.365N所以PwFL212.3650.484.9424w所需电动机功率由下式计算：PwPr（公式2）式中Pw——工作机所需有效功率，由工作机的工艺阻力及运行参数确定。——电动机到工作机的总效率。Pw0.0849Pr0.13kw12....n0.64（公式3）蜗绳磙子轴——传动装置的总效率蜗一一涡轮蜗杆传动效率其大小为66绳钢丝绳传动效率，其大小为99轴承滚动轴承传动效率，其大小为99磙子——钢丝绳磙子传动效率，其大小为99。由于考虑到动力设备不能与所搬运货物干涉，因此动力设备应尽可能的占用较少面积。因此选用电动机和蜗轮蜗杆整合在一起的动力设备，以此来减少所占用的空间。因此查表可选Y系列三相异步电动机：德国动力设备GKS05-3MV071-32。该设备将蜗轮蜗杆减速器和制动设备整合在一起。有效的控制了动力设备所占用的空间。额定功率P00.37Kw0.13Kw该电动机减速器的各项参数：n21r/minT161Nmc1.7i66.5923.1.4钢丝绳的选用根据伸缩装置与导轨的摩擦力FFN0.21061.78212.365N以及钢丝绳作用种类为牵引及传动，所以选择钢丝绳种类为点接触钢丝绳，查表可选钢丝绳牌号为619。根据伸缩装置结构布局，查表选择钢丝绳直径为3mm。3.1.5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，一5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。3其与磙子支架之间以滑动轴承连接。由于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。其与磙子支架之间以滑动轴承连接。图3.2货物装载伸缩机构Figure3.2cargoloadingtelescopicmechanism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3.2底盘系统的设计3.2.1确定传动方案我们所学的传动方式有以下几种：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6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。综合考虑以上因素本次设计采用蜗轮蜗杆减速和链传动。3.2.2选择电动机的类型与结构电动机在工业生产中实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常运行。电动机的型号有多种主要有以下几种：直流电动机、交流电动机（三相异步电动机、单相异步电动机、同步电动机）、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、制造容易、维护方便、运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广泛的一种电动机。由于此次设计的机器人是应用于仓库搬运业而且搬运货物最大重量为40kg,故而需要一个能够提供足够大动力的电机来提供动力，因此综上所述选用冶金及起重用三相异步电动机。3.2.3选择电动机的功率（容量）依据所选择的电动机额定功率应大于工作机所需的电动机功率即：P0Pr（公式4）式中Po——电动机额定功率，单位为KW；Pr——工作机所需的电动机功率，单位为KW；已知Pw2Kw。所需电动机功率由下式计算：PwPr（公式5）式中Pw——工作机所需有效功率，由工作机的工艺阻力及运行参数确定。——电动机到工作机的总效率。Pw2Pr2.98kw12....n0.67（公式6）蜗链联轴2式中——传动装置的总效率。蜗——为涡轮蜗杆传动效率，其大小为667链为链传动传动效率，其大小为99。轴承为滚动轴承传动效率，其大小为99。联为联轴器传动效率，其大小为99。，查表可选Y系列三相异步电动机：德国动力设备DV132S6。额定功率P03Kw2.98Kw3.2.4确定电机转速车轮转速nw60ri110~12i21.5-2minn152460900~1400rmin符合这一范围的同步转速为1000rmin电机主要性能参数如下所示表3.1电机主要性能参数Table3.1themainperformanceparametersofthemotorMBmaxPNKwINAcosJmKgm2104毛重KgMhMNNmP.E.37.60.72.2187.275633.2.5计算传动装置的总传动比和分配各级传动比（1）传动装置总传动比为：nm960i16nw60（公式7）式中nm电机主轴转速。nw车轮主轴转速。（2）分配传动装置各级传动比：iibig（公式8）式中ib-一减速器的传动比。ig——链轮的传动比。r减速器选用蜗轮蜗杆减速器型号为KWL100O传动比ib12.5。出入转速1000min。中心距a100mm。额定输入功率3.44KWo额定输出转距378.4Nm。效率86.6。8i16ig1.28ib12.53.2.6计算传动装置的运动和动力