【《某智能分拣系统机械部分设计案例》6100字】

目录 1 1 2 2 3 4 51.3识别部分 51.4分拣部分 7 7 81.5总结 10机械部分是整个智能分拣系统的主要的外在表现形式，也是完成分拣必不可少的部分。主要分为驱动部分、传动部分、识别部分、分拣部分，共四部分组成了完整的机械部分。驱动装置的意义是带动滚子转动，以达到输送物品的目的。驱动装置中，电机的选择是很重要的，在本次项目中，对于电机的要求是容易启动、容易停止、速度可以对其进行调节并且速度的变化要迅速，除了能够达到上述要求外，价格也要优惠。电机一般有步进电机、直流电机、伺服电机。对于不同的应用场景，对于电机的要求也不同。步进电机、直流电机、伺服电机三款不同的电机适用于不同的应用场景以及领域。步进电机从根本上说是一种使用不同的电动化方法的伺服电机[网址]。步进电机一般由前端盖子、轴承、中心轴、转子铁芯、磁钢、绕组绝缘、定子铁芯、波纹垫圈、后端盖子、螺丝组成，其中定子铁芯与绕组绝缘组合成定子组件。步进电机是把电脉冲转化为角的位移或者是线的位移，步进电机是根据施加在电机线圈上的电脉冲的顺序、频率以及数量，实现对步进电机的转向、转速、旋转角度的控制。直流电机是由两根线控制并不断旋转的电机，这两根线分别是电源和地线，接通电源就会旋转，直到断开电源停止。直流电动机是可以通过PWM进行调速的。伺服电机结合了直流电机、位置传感器、齿轮传动以及控制电路。该电机适合需要高精度的工作，例如机械臂等，若是使用PWM进行控制，则相对较为复杂。在本次项目中，选用的直流电机，驱动电压为3V到24V。该电机的工作原理是电磁转化原理，将电能转化为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动。直流电机的优点有以下六点：体积小：步进电机的体积比较小，不会占用太大的空间散热快：具有较好的散热功能平稳：在电机的运行过程中较为平稳速度可控：可以通过PWM（脉冲宽度调节）来控制电机的转速耐用：直流电机适用性强，经久耐造安静：直流电机在工作时噪声小电机的速度控制一般为两种。其一为通过PWM的占空比控制速度。首先需要了解PWM指的是什么。PWM波英文全称为“PulseWidthModulation”，中文为脉冲宽度调节，是利用微型处理器的数字信号输出从而对模拟电路进行控制的一种非常有效的方法，广泛应用在众多领域。一个脉冲周期包含一个高电平，一个低电平，占空比则指的是高电平占整个周期的比例。例如一个脉冲周期为10毫秒，高电平为6毫秒，低电平为4毫秒，则占空比为60%。PWM的工作原理为将数字信号转化为模拟信号。单片机的IO口输出的是数字信号，IO口只能输出高电平和低电平。假设5V为高电平，0V为低电平，一个脉冲周期为10毫秒，为了要控制电机的速度，需要利用到IO口输出的方波的占空比，若使一个脉冲周期中高电平为5毫秒，那么占空比就为50%，输出的模拟电压为1.5V，若使一个脉冲周期的高电平为7毫秒，那么占空比为70%，输出的模拟电压为3.5V。通过对输出的模拟电压的控制，进而对电机的转速得到控制。输出的模拟电压越高，电机的转速越高。在电机接受到不同的电压时，有不同的反应。当输出端是高电平时，电机会转动，但是电机的提速过程是一个循序渐进的过程，由上述可知，一个脉冲周期是由一个高电平和低电平组成，当输出端突然转为低电平时，点击由于存在电感，而电感的作用就是防止电机突然停止，所以电机并不会因为输出的是低电平就会停止，保持原有的速度，以此往复，电机的平均转速就是周期内平均输出的电压值，所以实质上电机是一种似停非停，似全速而非全速的一种状态，因此一个周期的平均速度就是占空比调出来的速度。在对电机的控制中，不同的电机有不同的合适的频率，并不能一概而论，如果频率太低就会导致电机的运动不稳定。第二种控制方法则针对实时情况的速度控制，即通过PID对速度进行调节。PID调节是经典控制理论中的一种基本的调节方式。PID中P指比例调节，I指积分，D指微分。进行PID调节控制电机的前提是有速度反馈。其中比例调节是按照比例去反馈速度的偏差，速度出现了偏差，比例调节可以立即作出反应，减少偏差，可以进行快速调节，减少误差，但是如果过大的比例，会造成系统的稳定性差。积分调节的存在则是为了消除误差，只要系统中存在误差，积分调节就会进行工作，减小误差，直到误差不存在，才会停止工作。但是积分调节会降低系统的稳定性，使系统的动态响应变慢。微分调节的作用是显示系统偏差的变化率，能够提前预见偏差变化的趋势，在偏差还没有形成之前被微分调节处理，做出响应的反应，所以，微分调节具有超前的控制作用。能够提高系统的动态性能。在一些对反应要求较高的工作环境中具有特别的意义。整体来看，本课题的驱动部分要求并不高，不需要在运动过程中对电机的转速进行调节，只需要按照一定的速度进行工作即可，所以，本课题的驱动部分是通过PWM占空比对电机进行调节控制的。传动部分是指将驱动部分的力进行传送，以达到指定某部分运动的目的。在本课题中，传动部分是指将电机驱动的力传送到滚子，滚子进而将力传送到输送带，输送带进而可以运动，可以运输物品。通常情况下，传动结构摩擦传动、齿轮传动、链条传动、皮带传动、联轴器传动等多种传动方式。摩擦传动:摩擦传动顾名思义就是通过面与面之间的摩擦达到传递运动和动力的目的。摩擦传动的优点是结构简单、易维护、运动平稳、自动防过载（打滑）的特点。但是运动过程中存在滑动，所以传动效率低，并且摩擦传动结构尺寸一般情况下较大，作用在轴与轴承上的力较大，所以摩擦传动适用于传递动力较小的环境。齿轮传动：齿轮传动是指通过齿轮副传递运动和动力的传动方式，其具有结构简单、传动精度高、传动的效率高等特点，并且平行轴、相交轴、交错轴等任意空间的两个轴之间的传动，并且齿轮传动的寿命较长，是当前机械传动常用的一种传动方式。齿轮可以按齿形、齿轮的外形、齿轮中齿线的形状、齿轮的制造方法等对齿轮进行分类。但是齿轮传动的缺点就是噪音相对较大、安装精度要求较高、不适合用在轴间距离较大的机械设备上使用。生活中最常见的齿轮传动的系统就是钟表，钟表内部是由各种齿轮组合而成，经过各个齿轮之间的协调配合，最终使得钟表可以有相当精确的时间，好一点的钟表很多年误差都不会超过1秒钟。链条传动：链条传动是链条连接电机与被驱动部分，链条传动不会产生打滑的现象，传动的效率较大，损失的动能小，可以在温度高、灰尘多、潮湿等恶劣环境中进行使用。但是该传动方法的成本高、容易损坏、不能够像齿轮传动那样可以交错传递动能，而且链条传动的系统稳定性比较差。生活中常见的链条传动的例子就是自行车，自行车是最简单的链条传动系统，将人登脚蹬的力传给后轮驱动。链条如下图所示。图1：链条皮带传动：皮带传动中，可以分为主动轮与从动轮，主动轮表示电机或者驱动部分，皮带连接主动轮与从动轮，利用皮带与两个轮的摩擦进而达到力的传递的作用。皮带传递结构简单、造价较低、相对于齿轮传动而言，更有利于维护维修，维修时一般更换皮带即可。在工作时，由于是利用皮带与轮子之间的摩擦传递力，所以肯定会存在将动能转化为内能的过程，这时就会造成皮带发热，所以，皮带传动不可以用在易燃易爆的工作场所，存在安全隐患。皮带传动对皮带的张紧度有很高的要求，如果皮带不够紧，就会造成打滑的现象，所以皮带传动中皮带需要拉紧，并且由于存在动能与内能之间的转化，所以，皮带传动的传动效率比较低。通过综合对比，本次智能分拣系统的机械部分中的传动结构选用齿轮传动。电机与伞齿轮连接，伞齿轮与伞齿轮连接，从动的伞齿轮通过轴与一个正齿轮相连接，带动正齿轮的转动，正齿轮下方与带有正齿轮的滚子相连，从而使得滚子转动，滚子带动上方皮带的转动，进而可以达成流水线效果，达成运输物品的目的。连接方式如下图所示。图2：传动结构1.3识别部分在该智能分拣系统中，不可缺少的就是识别部分，机械中识别部分的主要作用就是放置摄像头，方便摄像头获取图像并进行识别。为了摄像头能够识别到图像，就要确保摄像头在待分拣物品的正上方，同时要求物品带有条形码的一面朝上。那么需要怎样将摄像头才能够处于上方的位置呢？因此，我们选用了铝型材，通过铝型材之间的相互连接，搭建龙门架，将摄像头固定在龙门架上，摄像头方向向下进行图像的识别。首先介绍一下铝型材，铝型材广泛适用于建筑行业、工业制造行业交通运输行业、航空航天等诸多行业领域，铝型材具有结构简单易安装易拆卸、轻便、环保、耐腐蚀等特性，所以涉及到的应用范围较广，之所以说铝型材易安装易拆卸是因为铝型材之间的连接不是通过电焊焊死，而是通过角件进行连接，角件与铝型材之间通过T型螺母对其进行固定，同时可以根据自己的需求改变位置，拆卸时只需将T型螺母拆下即可解除铝型材之间的固定状态，不会损坏铝型材。国内铝型材的型号由20系列到100系列总共9个系列，每个系列又有不同的型号，型号的不同，铝型材的截面大小与形状也不同。为了与整个系统相匹配，所以选择了20系列的铝型材，该铝型材的截面图如下图所示。图3：铝型材的截面图该材料轻便，易于安装在智能分拣线上，首先需要在分拣线左右两旁安装两根大小适宜的铝型材，然后在将两根垂直于分拣线左右两旁的铝型材通过角件与之相连，相连之后，便在垂直方向上有了有了高度，但是并不能将摄像头放在上面，所以仍需放置一根水平方向的铝型材，再次通过角件与两个垂直方向的铝型材相连，至此，摄像头才能够完成识别部分的结构。该结构的最大优点就是可以根据需要对其水平方向和垂直方向进行调节，不会因为一时的失误导致位置不合适，想要更改位置却并不容易的问题。龙门架结构如图所示。图4：摄像头龙门架结构1.4分拣部分分拣部分是该智能分拣系统的最后一个步骤，其原理是输送带对物品进行输送，根据条形码扫描结果，控制舵机的旋转，舵机连接挡板，由于输送带是一直在进行工作的缘故，便会由于挡板的旋转，与输送带组成响应的夹角，货物便会根据挡板的方滑动，最终落入相应的分拣框中。舵机一般分为模拟舵机与数字舵机，两者在机械结构方面上差异不大，都是有马达、控制电路，减速齿轮组合而成，两者之间最大的区别则是表现在控制电路之上，数字舵机的控制电路比模拟舵机的控制电路多了晶振和微处理器。两者具有以下四个不同点：对于输入信号的处理方式不同：数字舵机只需要发送一次PWM信号就可以旋转到规定的角度，并且保持，而模拟舵机是需要多次发送PWM信号，才可以旋转到规定的角度，并且保持。两者的控制电路不同：数字电机比模拟电机多了晶振和微处理器，所以在控制电路方面上也不同。反应速度不同：数字电机反应迅速，而模拟舵机反应较为迟钝，因为模拟舵机的转动需要一个较短的脉冲，接受到脉冲之后还会停顿一段时间，而数字舵机由于存在微处理器，所以动力脉冲可以发生在马达之前就会对接收到的信号根据相应的一些参数进行处理。价格不同：数字舵机因为在很多方面优于模拟舵机，所以数字舵机在价格方面一般要比模拟舵机高，不具备价格优势。本项目是通过舵机的旋转来分拣货物，对于舵机并没有较高的要求，所以，综合上述优缺点的分析，本文选用了模拟舵机MG996舵机，该舵机具有体积小、重量轻、价格低]等特点。舵机要想实现分拣的任务，首先就是要将舵机固定在合适的位置上。如何将舵机固定在输送线的两旁是个问题。但是在上述的识别部分中，应用到了铝型材，所以，舵机的固定仍然可以借助铝型材。为了能够将舵机与铝型材连接并固定，需要利用Solidworks绘制舵机固定件，并将其进行3D打印。为了设计出合适的舵机固定件，既需要考虑铝型材的形状又需要参考舵机的外观，以便进行舵机的固定。舵机的外观如下图所示。图5：舵机由上图可以看出，舵机上方的两侧均具有两个螺丝孔，若想让舵机固定，便可将螺丝通过螺丝孔与舵机固定件相连，根据舵机该特性，便可以设计出固定件的上半部分。该固定件下方则需要与铝型材相连接，铝型材外侧的中间部分具有凹槽，所以可以利用该特点设计出舵机固定件的下半部分，最终，舵机固定件如下图所示。图6：舵机固定件完成舵机固定件的设计之后，需要将其打印出来。3D打印的材料一般有PLA、ABS、尼龙以及光敏树脂等材料。PLA是聚乳酸，具有食品级的要求，其打印出来的模型不会翘边且没有气泡。ABS是3D打印中常用的材料，其具有耐高温、强度高、韧性好等特点，打印出来的模型表面光滑，并且重量较轻。尼龙耗材适合打印较为复杂的模型，对于后期的处理来说，较为容易。而光敏树脂可以用于制作高强度、耐高温、防水等。综合上述，从经济效益以及材料的用途放弥漫考虑，本项目采用ABS耗材对其进行打印。另外，由于该部件是由自己单独设计，并采用ABS耗材3D打印出来，为了保证设计出来的部件满足该系统的要求，所以需要对其进行静应力分析与屈服力仿真，该步骤需要运用到solidworksSimulation，静应力分析通常是用来分析在静力的作用下该部件的响应，而屈服力表示的是材料结构强度的一种度量，简单来说可以理解为材料的韧性。仿真结果如下所示。图7：仿真结果由仿真结果可以得出，该舵机固定件完全可以满足要求。另外，完成分拣动作的是舵机与挡板。舵机一般分为模拟舵机与数字舵机，模拟舵机的控制电路为纯模拟电路，要想使舵机维持在一定角度，需要不断地发送信号，但是其响应速度较慢。数字舵机一般价格较高，不需要不断地发送信号，只需要发送一次信号，反应快。在本项目中舵机选用MG996舵机，为模拟舵机，该舵机具有体积小、重量轻、精度高、价格低的优点，同时本项目对于舵机并没有太高地要求，模拟舵机便可完成所需动作，因此选用了MG996舵机。本项目中，为了完成分拣