毕业设计（论文）-AGV搬运机器人设计-AGV小车

⑷完全静止的时候的静强度计算为： （4-27）所以此次选择的链条设计合理4.1.5链轮传动处电机、减速器选择叉具部分对旋转轴轴线的转动惯量为：主动链轮对其轴线的转动惯量为：令其加速时间为0.1s，加速度为： （4-28）①对于主动链轮：则驱动主动链轮加速的惯性力矩为： （4-29）则加速阶段需要的最大扭矩为： （4-30）动态匀速阶段所需要的力矩由前计算可知为： （4-31）静止状态的时候需要主动链轮处的刹车力矩为：试选减速器型号为80ZDE40，其最大输出扭矩为,推荐输入转速为，转动惯量为，传动比为则需要的电机的力矩为： （4-32）转动惯量按照容许负载3倍计算，则负载以及减速器折算到电机上的转动惯量为： （4-33）则需要电机的转动惯量为：选择电机型号为SDGA08C11PD，其额定扭矩为，额定转速为3000r/min，额定功率为750w，电机转动惯量为，表4-1链条抗拉负载ISO链号测量力/N抗拉载荷/KN单排双排三排单排双排三排05B501001504.47.811.106B701402108.916.924.908A12025037013.827.641.408B12025037017.831.144.510A20039059021.843.665.410B20039059022.244.566.74.2齿轮齿条的相关设计4.2.1原始参数计算：取载货架竖直方向最大速度为：令重物以及相关零部件质量共为：则货物在移动过程中的最大负载为： （4-34）则货物在上升或者下降过程中的最大功率为： （4-35）取齿轮转速为：则该齿轮的扭矩为： （4-36）图4-1齿轮齿条结构模型4.2.2接触疲劳强度计算⑴选择齿轮材料由前可知齿轮一、齿条材料均为40Cr，调质，HB240-260按照ME级质量取：初步确定主要参数此处为开式传动由于该处驱动齿条的齿轮对称配置，且齿面硬度小于HB350，故取由前可知：初步估算模数：初令二级一档齿轮副中的齿轮一齿数为29 （4-37） （4-38）取模数为：由接触疲劳强度初步确定齿轮的直径:其中： （4-39）所以：所以：取齿数为取模数为：则分度圆直径为： （4-40）则齿轮转速为： （4-41）齿宽为： （4-42）取齿条宽度为齿轮分度圆周长为： （4-43）则齿轮转动过程中的所需扭矩为： （4-44）齿轮精度选择为7级，齿面接触强度核算：分度圆上名义切向力：使用系数:原动机为电动机，取轻微冲击，工作机有轻微冲击，查表14-1-71动载系数：由前可知齿轮线速度：查手册可得：计算传动精度系数C： （4-45）对于齿轮一：则有圆整后取C=8所以螺旋载荷分布系数： （4-46）查手册可得：则：齿间载荷分配系数：由于 （4-47）该齿轮的齿顶圆直径为: （4-48） （4-49）所以该齿轮副的重合度为： （4-50）齿轮一齿顶圆压力角查手册可得：弯曲计算的重合度系数：所以：查手册得以及：轮齿柔度：单队齿刚度理论值为： （4-51）则单队齿刚度为： （4-52）则啮合刚度为：齿廓跑合量为： （4-53） （4-54）所以： （4-55）节点区域系数，由于零变位，查手册可得：弹性系数可得为：由手册可得螺旋角系数为： （4-56）求齿轮一端面齿顶圆压力角齿轮副中的端面啮合角齿轮二端面齿顶圆压力角由前可知： （4-57）由于是标准安装，故 （4-58）所以：计算接触应力： （4-59）寿命系数：应力循环次数的计算： （4-60）由手册的公式可计算得： （4-61）润滑影响系数：由手册可得 （4-62）齿面工作硬化系数ZW可得尺寸系数Z尺寸系数则安全系数： （4-63）4.2.3轮齿弯曲强度核算螺旋线载荷分布系数： （4-64）其中所以又由前可知：所以有：螺旋线载荷分配系数齿廓系数:齿轮的齿廓系数：齿条的齿廓系数：齿轮的应力修正系数：齿条的应力修正系数：齿轮的重合度系数计算：由前可知：螺旋角系数计算齿根应力为：由于： （4-65）所以试验齿轮的应力修正系数：查手册可得：寿命系数：由前可知：应力循环次数的计算：由表14-1-108： （4-66）所以：由图14-1-98可知： （4-67）所以：所以有：该值介于1到4之间故相对齿根表面状况系数：查手册可知齿根表面微观不平度10点高度为：时，尺寸系数：由手册可得公式：则弯曲强度的安全系数为： （4-68）所以：所以该齿轮设计合理4.3齿轮副转动惯量计算由前计算可知：负载以及其他移动零部件对于齿轮轴上的转动惯量为： （4-69）加速度时间为：则齿轮副加速过程需要的惯性力矩为：又由前可知齿轮在匀速状态的时候，需要的力矩为：则货物在上升或者下降过程中的最大功率为：选择减速器传动比为又轴一以及齿轮的转动惯量为：4.4整机加速阶段所需力矩的计算整机转动惯量的计算：令整机加速时间为0.6s则车轮加速度为：整车质量按照210kg计算则在加速过程中，需要的惯性力矩为：4.5驱动轮相关计算4.5.1驱动轮匀速工作过程的相关计算整机总质量为，一共4个车轮，两个驱动轮，两个转向轮，每个轮子承受质量为，当原地转弯也即驱动轮只有一个工作的时候，所需要的电机驱动力矩为最大，此时需要的驱动力矩为： （4-70）车轮直径为：则车轮转速为：则匀速运动的时候驱动车轮所需要的功率为：4.5.2驱动轮加速工作过程的相关计算整机转动惯量的计算：令整机加速时间为则车轮加速度为：由前可知则在加速过程中，需要的惯性力矩为：则在加速过程中总共需要的最大力矩为：则加速过程中所需要的最大功率为：图4-2驱动轮模型4.6同步带相关计算驱动电机通过同步轮传动来驱动驱动轮，取同步带传动比为：则小带轮转速为：由前计算可知驱动单个驱动轮所需的最大功率为0.68kw则单根同步带所需要的设计功率为：其中上式中的为同步带传动的机械效率，此处取，为工况系数，查手册得查机械手册得圆弧齿同步带的选型图如下图：图4-3圆弧齿同步带选型图又因为电机转速也即小带轮转速为为179r/min,由上图可得同步带选型为8M,主从动轮齿数的确定：设主从动轮齿数相等，即传动比为1，则;主动轮节圆直径的确定,查手册可得:带速的确定：再查手册可得：则可以得到：中心距的初定：令同步带的节线长度以及齿数的初步确定： （4-71）带轮啮合齿数的确定：基准额定功率的确定：查手册得圆弧齿制基准额定功率8M在齿数为38Z，转速为179r/min的时候，带宽为20mm的皮带轮，所传递的功率为1.12Kw，同步带带宽的确定：作用在轴上的力的验算：4.7同步带处电机的相关计算由前计算可知，匀速状态的时候，驱动轮需要的转矩为：则匀速状态驱动主动轮需要电机的力矩为：加速状态的时候驱动主动轮需要的扭矩为：电机转速的计算：由于驱动轮的最大转速为：又同步带传动比为1故电机的最大转速为：又由前可知整机相对车轮的转动惯量为：两个同步轮的转动惯量为：选择车轮处减速器型号为120ZDE16K，电机型号为M130AIS157-48-C05030-B1-5，额定功率为1.5Kw，传动比为：则所有负载转动惯量折算到电机上的转动惯量为：4.8电池选型由于同步带处电机额定电压以及额定电流分别为48V,60A；转向电机电压以及电流分别为48V以及10A；升降电机电压以及电流分别为48V以及20A，链条处电机电压以及电流分别为48V，21A，取充电一次管2小时，则：上式中0.85为电机的实际耗电比率系数，选择电池型号为48V350Ah4.9章节小结在本章中，通过计算确定了齿轮齿条机构、同步带、驱动轮和电机等关键零件的选型和计算。同时，结合三维建模软件，构建了AGV搬运机器人基本的机械结构框架。这个过程中，首先根据设计需求和机器人功能，进行了齿轮齿条机构、同步带、驱动轮和电机等关键零件的选型计算，确保其能够满足机器人运行和搬运任务的需求。随后，利用三维建模软件，将这些选型计算得到的关键零件进行组装，构建了机器人的机械结构框架。通过这一过程，可以直观地展现出机器人的整体结构和各个零部件之间的关系，为后续的工程设计和制造提供了重要的参考和指导。这一综合的设计和建模过程将有助于保证AGV搬运机器人的稳定性、可靠性和性能表现。图4-4AGV搬运机器人整体模型

第五章货架有限元分析由前论述可知，货架由多个零部件焊接而成，其非等截面梁，故用传统计算方式计算出准确的强度以及刚度具有一定的难度，但是强度以及刚度又是货架的一项重点，因此本次设计对货架采用有限元也即CAE分析的方法计算出货架的强度以及刚度。5.1有限元分析简介有限元分析是近些年兴起的一种数字化设计方式，其设计原理为将待分析的力学模型划分成无数个网格，并通过施加相关约束以及载荷，然后在计算机的辅助之下计算出相关力学性能指标，如强度、刚度，其优点是其可以计算出一些复杂工况的受力情况，其缺点是需要很高的操作技能。本次设计利用ANSYS2022来对车架进行有限元分析。ANSYS2022是一款功能强大的工程仿真软件，它基于ANSYSWorkbench平台，提供了沉浸式仿真环境，旨在降低工程仿真的入门难度REF_Ref28108\r\h[11]。Ansys2022的相关特点以及工作原理如下：5.1.1ANSYS2022的相关特点①用户界面ANSYS2022通过ANSYSWorkbench提供了一个直观的用户界面，使工程师能够更容易地进行模型建立、仿真设置和结果分析。②基本分析流程该版本简化了仿真的基本分析流程，使得即使是刚接触仿真的工程师也能快速上手并有效地完成复杂的工程分析任务。③工程应用实例为了帮助用户更好地理解和掌握ANSYS的使用，相关书籍通常会结合典型工程应用实例来详细讲解ANSYS在具体工程项目中的应用方法。④功能与应用ANSYS2022涵盖了广泛的功能和应用，不仅包括结构分析、流体动力学分析、热分析等传统领域，还扩展到了电磁学、多物理场耦合分析等高级应用领域。⑤理论与实践结合为了更好地服务于工程技术人员和学者，相关教材会将有限元基础理论与ANSYS操作紧密结合，帮助读者深入理解并实际应用。⑥修补导入的外部几何模型ANSYS不仅有进行有限元分析的模块，而且还有构建三维模型的模块，如Designmodeler以及spaceclaim模块，其不但科研构建三维模型，而且在用ANSYS导入外部模型有失真现象时候，还可以对这些失真进行修补甚至重建相关三维几何模型。5.1.2其核心工作原理①离散化（Discretization）有限元分析的第一步是将连续的物理模型划分为许多小的、有限的元素，这个过程称为网格划分或离散化。每个元素的形状和大小可以根据所要解决的问题的复杂性和所需的精度来选择REF_Ref28193\r\h[12]。②建立方程组（FormulatingEquations）一旦模型被离散化，ANSYS会为每个元素建立代数方程组，这些方程组描述了元素内部物理量（如位移、温度、压力等）之间的关系REF_Ref28265\r\h[13]。这些方程通常基于物理定律，如弹性力学、热传导、流体动力学等。③组装（Assembly）将所有元素的方程组合在一起形成整体系统的方程组。这个方程组是巨大的，因为它包含了所有元素的所有自由度。④边界条件和载荷应用（BoundaryConditionsandLoading）在求解之前，必须在模型上施加适当的边界条件和外部载荷。这些条件定义了模型的固定点、受力点以及与其他环境的相互作用。⑤求解（Solving）使用数值方法（如直接求解器或迭代求解器）解整体系统方程组。这是计算最密集的部分，可能需要大量的计算资源。⑥后处理（Post-processing）一旦方程组被解出，就可以得到模型中每个节点的物理量值。ANSYS提供了强大的可视化工具来显示这些结果，如变形图、应力/应变图、温度分布图等。⑦多物理场耦合分析（MultiphysicsCoupling）ANSYS的一个强大之处在于其能够处理多物理场耦合问题，即在同一模型中考虑多种物理现象的相互作用，如结构力学与热分析的耦合、电磁场与流体动力学的耦合等。⑧参数化和优化（ParameterizationandOptimization）ANSYS允许用户进行参数化建模，这意味着可以设置变量来控制模型的几何形状、材料属性等。结合优化模块，可以进行设计探索和性能优化。⑨非线性分析（NonlinearAnalysis）ANSYS能够处理包括材料非线性、几何非线性和边界条件非线性在内的复杂非线性问题。这通常涉及到在求解过程中不断更新刚度矩阵和迭代至收敛。⑩模块化和集成（ModularityandIntegration）ANSYS是一个模块化的平台，包含多个专用的分析模块，如结构分析、流体动力学分析、热分析等。这些模块可以独立使用，也可以集成在一起进行更复杂的多物理场分析。总结来说，ANSYS22的工作原理是基于有限元分析方法，通过将连续的物理模型离散化为有限元素，然后建立、组装、求解和后处理方程组，以预测和优化工程问题的解决方案。它的多功能性、模块化和参数化设计使其成为工程领域内广泛使用的仿真工具。5.2货架前处理由前论述可知，在有限元分析中，网格的划分的好坏直接影响到有限元分析相关结果的准确性，但是如果一味的追求网格的精细化，势必会增加电脑的运输时间成本，因此有必要对一些小特征进行简化，如去掉边线圆角，轴肩倒角，键槽，中心孔，以及螺纹孔等特征，本次设计的货架由于是经过多个零部件拼焊而成，因此几乎每个子零件均有方便施焊的倒角尺寸，现将这些倒角尺寸全部去掉，除此之外还有型材空心矩形方管，该零件在外形上均有一定的圆角，而这些圆角的存在势必会增加网格的数目，增加电脑运行的时间成本，因此也将其去掉，未经过前处理以及经过前处理的货架三维几何模型分别如图5-1以及图5-2：43214321图5-1货架未前处理的三维模型图1.旋转座2.焊板3.型材一4.封板图5-2货架前处理后的三维模型图5.3建立有限元静力学分析界面①赋予材料属性为货架建立静力学分析模块，并双击工程数据，由于货架部件里边的所有零件的材料均为Q345，故在ansys材料属性里边添加拉伸屈服强度以及压缩屈服强度均为345MPa,其余的接受默认设置，然后命名为结构钢并保存，退出材料赋予界面。其中材料赋予界面如图5-3所示：图5-3材料赋予操作界面②压印面处理由于货架在实际工况中，是通过轴将其与旋转座上的孔相连接，故在该孔处可视作是铰接在轴上，也即需要铰接类的约束，在ansys里边，远程位移能够很好的模拟这种铰接，故需要在网格化前进入ansys里边的designmodeler进行布尔运算的压印面处理，布尔运算完之后的DM界面图如图5-4所示：图5-4布尔运算后货架模型图5.4划分网格进入静力学分析界面，点击模型下的材料，接受前边创建的材料结构钢，由于货架主要零部件有空心矩形板以及封板，属于薄板类零件，而旋转座为非薄板类零件给于网格尺寸为2mm，整体网格过渡处以及膨胀选项中选择平滑过渡，以保证所画的网格不要大开大合，从而提高后续计算的准确性，其余的为系统默认设置。划分网格结束，并查看网格数目为81964个，节点数为252799个，整个货架网格划分结果见图5-5：图5-5货架网格结果图5.5添加约束以及相关载荷①添加约束由前所述可知，货架在旋转座孔处与大臂进行铰接，故对该处添加远程位移，点击静态结构下的插入远程位移，然后选中前边做布尔运算的四个分割面，并在定义类型中所有方向的自由度均固定，具体见图5-6所示：图5-6远程位移操作界面图②添加负载由前计算可知曲货架端部起吊重物最大质量为20kg，分别由两个货架承担，故每个货架承担力为100N，方向为Z轴负向。具体操作界面如图5-7所示：图5-7轴承载荷施加操作界面5.6分析设置为了保证结果的准确性以及收敛性，需要将求解器设置为直接求解器，若弹簧选项选择开启，相关操作界面如图5-8所示：图5-8分析设置操作界面5.7后处理并查看结果在ansys界面中右击求解，选择变形下的总变形，然后再次右击求解，插入应力下的等效应力，并求解，等待电脑计算结果。⑴货架变形查看电脑计算货架结果的总变形，查看其最大变形为0.044672mm，使用探针，和剖面工具，可以发现其最大变形位于封板处，且位置与货架旋转座处也即施加的远程位移处越远，变形越大，该现象非常符合货架的材料力学模型，该变形云图非常符合材料力学相关知识。具体见图5-9所示：图5-9货架变形云图⑵货架等效应力云图点击等效应力并查看其应力云图，其最大应力为8.8MPa，使用max等工具发现其位于旋转座与焊板连接处，相关应力云图见图5-10：图5-10曲轴应力分布由于该货架为Q235的焊接件，故其屈服强度为235MPa,取其安全系数为5，则其许用应力为：又通过本次的有限元分析得其最大应力为8.8MPa,其值小于47MPa，其结果偏向于安全也即保守，故本次设计的货架能够满足使用要求。5.8章节小结本章利用ANSYS软件，对AGV搬运机器人最重要的部件货架（叉）进行有限元分析，通过具体的应力分布图可以清晰的判断该部件设计的合理性。

结束语本次研究旨在针对AGV搬运机器人在进行设计与严谨的数据分析后，我们得以全面验证某方案的性能及其实际可行性。基于对结果的细致解读，可以得出如下重要结论：针对AGV搬运机器人，设计了一款专为物流仓储工作场景打造的装置，该装置能够稳定高效地搬运物品。通过精密的计算与详尽的有限元分析，可以确认该机器人具备优秀的导航和搬运控制能力，实现高度精准的操作，并且在多样化的环境和操作条件下均展现出了卓越的性能表现。因此，可以认为此机器人能够满足各种搬运任务的需求。通过综合考量，本设计的研究成果显著地证明了AGV搬运机器人及其安全保护装置均能满足现实工作场景下的严苛需求，并且预示着广阔的应用前景。然而，我们也清晰地认识到随着市场需求的不断演变和技术标准的持续提升，这些装置的性能和功能仍需我们不断地进行优化和完善。因此，面向未来，我们将致力于在现有基础上进行深入研究与技术创新，确保AGV搬运机器人能够适应不断变化的市场需求，并在技术上保持领先地位。

参考文献张广杰.AGV结构设计及路径规划算法研究[D].江南大学,2023.DOI:10.27169/ki.gwqgu.2023.001122.王森磊,胡昊程,张星晨,等.AGV的技术应用现状与发展趋势[J].数字技术与应用,2023,41(12):17-21.DOI:10.19695/12-1369.2023.12.05.张晓萍,颜永年.现代生产物流及仿真[M].清华大学出版社,1998.叶菁.磁导式AGV的控制系统设计与研究[D]:[硕士学位说明书].武汉:武汉理工大学,2006.闵四宗,祖基龙,刘家昶.自动导向车AGV开发技术综述与展望[J].汽车工艺师,2022(09):34-