毕业设计（伦文）-送餐机器人设计

XXX毕业设计（论文）PAGE第28页目录TOC\o"1-3"\h\u4743摘要 327273ABSTRACT 4188441引言 4243282本课题的研究现状、目的及意义 738482.1国内外研究现状与成果应用 7219342.2课题目标 11182962.3研究意义 119822.4本章小结 11124743功能分析与原理设计 12323943.1送餐机器人机构的功能分析 12267093.1.1送餐机器人机构的总功能 12325623.1.2送餐机器人机构的分功能 1251323.2送餐机器人机构设计原理 1216933.2.1送餐机器人的总体结构设计 1390223.2.2送餐机器人行走部分的结构设计 1364763.2.3送餐机器人转向部分的结构设计 1462733.2.4送餐机器人支撑部分的结构设计 15264153.2.5送餐机器人托盘升降功能结构设计 1612673.3送餐机器人的结构优化设计 175603.4关键零件齿轮设计 18273993.5关键部件传动轴设计 2187773.6其他零件设计 25114903.7本章小结 26109874零件设计与运动仿真 2726934.1总体结构设计 2712854.2各部分零件结构设计 2757144.2.1防护罩的设计 28148324.2.2餐盘装载装置的设计 28314114.2.3四角支架的设计 29243274.2.4电机架的设计 304824.2.5转向轴的设计及强度校核 3178664.2.6驱动电机及减速器型号的选择 3264464.3齿轮设计及强度校核 33213244.4主要零件设计 35186364.4基于机械三维软件SolidWorks的设计 3897634.5本章小结 3830432参考文献 3917746致谢 40

摘要送餐机器人的应用范围很广，只要是服务行业都可以使用它，譬如在学校、医院、餐厅等地方，都可以使用它来替代服务人员为顾客服务，大大满足人们对快捷服务的需求。目前设计点餐，送餐、迎宾、娱乐等功能的一款送餐服务机器人，不但能提高服务效率，减少服务人员数量，更能建立餐厅特色，打造餐厅品牌，进而提升餐厅的业绩。送餐机器人独轮行走机构的创新设计主要内容包括本课题的研究现状、目的及意义、国内外研究现状与成果应用、送餐机器人的功能分析、原理设计以及标准件的选用和关键零件的设计核对，通过参考相关设计经验，作出原理改进，并进行分析、计算、验证，得出了较为可靠地设计结论。本次设计中的送餐机器人主要由动力部分、转向部分两部分组成，采用伺服电机提供动力支持。在此次设计中主要着手于动力部分的传动分析与设计。关键词：送餐机器人；独轮行走；转向功能

ABSTRACTRoomoftherobotapplicationrangeisverywide,itcanbeusedaslongasisaserviceindustry,suchasschools,hospitals,restaurantsandotherplaces,itcanbeusedtoreplacetheserviceforthecustomerservicepersonnel,greatlysatisfypeople'sdemandforquickservice.Thedesignorder,delivery,hospitality,entertainmentfunctionsuchasaroomservicerobot,notonlycanimprovetheserviceefficiency,reducetheamountofservicepersonnel,canestablishmorerestaurantfeatures,makestherestaurantbrand,raisetheperformanceoftherestaurant.Roomsingle-wheelwalkingmechanisminnovationdesignofthemaincontentsincludethistopicresearchpresentsituation,purposeandsignificance,researchstatusathomeandabroadandtheapplication,theroomfunctionanalysis,theprincipleoftherobotdesignandthechoiceofstandardpartsofthedesignofkeypartsandcheck,byreferencetorelevantdesignexperience,makeaprincipletoimprove,andcarriesontheanalysis,calculationandverification,designofmorereliableconclusion.Therobotinthisdesignismainlycomposedofthepowerpartandthesteeringpart,whichispoweredbyservomotor.Mainattackpowersectioninthedesigndriveanalysisanddesign,usedforseveralmajorpartsdothedetaileddesign,andmainbodyofavirtualprototypedemonstration.Keywords:Cylindricalwork;Toautomatically;Theclamping

1引言机械工业是现代国民经济的生产生活支柱，而机械工业发展水平是一个国家科学技术实力的衡量指标，现代机械工业技术对国家发展和提高国民生活水平具有重要意义。随着科学技术的发展，人类对机械工业技术的创新与研究已达到前所未有的水平，在对未来的机械工业探索和开发过程中，以机械工艺品为代表产品为机械工业技术的创新和研究提供了重要参考价值。作为计算机技术及现代IT综合技术的一个必然延伸，家庭服务机器人技术将以前所未有的速度实现突破。家庭服务机器人将成为继家电、个人电脑之后，第三个以超规模速度走向家庭的产品。无论在日本、韩国，还是在欧洲、美国，服务机器人技术都在快速发展中，以iRobot公司为代表的服务机器人产业得到了蓬勃发展。近年来，服务机器人在我国也得到了快速发展，特别是在产业化方面，由企业主导的自主研发与自主创新取得了较快的发展和成就。对国内外的服务机器人研究现状、最新进展进行了解和分析，有助于加快我国服务机器人行业的发展。本文在介绍国内外服务机器人发展现状的基础之上，总结出服务机器人的技术发展趋势，同时对市场进行一些预测，旨在为我国服务机器人行业和研究者提供一些参考。服务型机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能一定程度上代替人类完成服务工作，因此非常贴近人们的生活。人性化、智能化的餐厅服务机器人具有服务员特有的“人情味”，不仅能代替服务员的工作，还增强了互动性和娱乐性[1]。近年来，随着社会的发展和科技的进步，人类的平均寿命不断提高，社会老龄化问题日趋加剧，一方面造成体力劳动人群的缩减，满足不了社会对劳动力的需求，另一方面大量的老年人又急需得到社会照顾，因此，研制服务机器人具有广泛的社会需求，必将成为本世纪最具潜力的应用领域之一[2]。服务机器人技术是集机械、信息、材料、生物医学等多学科交叉的战略性高技术，对于相关技术与产业的发展起着重要的支撑和引领作用[3]。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，明确指出将服务机器人作为未来优先发展的战略高技术，并提出“以服务机器人应用需求为重点，研宄设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术”。2015年被称为机器人的元年，无论是工业机器人还是服务机器人都得到了空前的关注。无论是习近平总书记工业4.0的“机器人革命”还是李总理的“大众创业，万众创新”，都极大地推动了中国的机器人发展，越来越多的企业和创客加入其中，有人说中国将成为全球最大的机器人市场，而且与世界的水平也越来越近。目前，我国的服务机器人主要有餐厅服务机器人、吸尘器机器人、教育、娱乐、保安机器人、智能轮椅机器人、智能穿戴机器人、智能玩具机器人，同时还有一批为服务机器人提供核心控制器、传感器和驱动器功能部件的企业。服务机器人的研制具有如下意义[4-5]：解决社会人口结构变化问题；提高社会生活质量，提供多种移动服务作业；提升家居环境智能，服务机器人替主人担当管家；在康复和助残方面服务，服务机器人也是病人的得力助手。送餐机器人的应用范围很广，只要是服务行业都可以使用它，譬如在学校、医院、餐厅等地方，都可以使用它来替代服务人员为顾客服务，大大满足人们对快捷服务的需求。目前设计点餐，送餐、迎宾、娱乐等功能的一款送餐服务机器人，不但能提高服务效率，减少服务人员数量，更能建立餐厅特色，打造餐厅品牌，进而提升餐厅的业绩。本文所研究的是能够在餐厅环境下自主移动的智能机器人。实现的移动机器人主要能为顾客提供迎宾、点餐、送餐等服务。餐厅服务机器人不仅能减少劳动力,也由于其极具观赏性的外观及交互功能，能给前来就餐的客人带来乐趣。

2本课题的研究现状、目的及意义2.1国内外研究现状与成果应用移动机器人家族最早出现和最普遍存在的以为成员就是轮式移动机器人，1969年美国StanfordResearchInstitute(SRI)研制成功“Shakey”系统，如图1(a)所示，标志着移动机器人研究的正式开端。“Shakey”证实了许多通常属于人工智能(AritificialIntelligence,AI)领域的严肃的科学结论，并将它们痛移动机器人的智能系统联系起来，虽然“Shakey”只能解决简单的感知、运动规划和控制问题，但它却是当时将AI应用于机器人的最为成功的研究平台。随着传感器技术、信息处理技术、高性能控制器和规划技术的迅速发展，服务机器人的研制空前活跃取得了卓越的成果，目前在欧美、日本等科技发达国家，服务机器人已广泛应用于家居、导游、商场及医疗等各个领域。abcd图1国外机器人的设计图图1(b)为专治中风的机器人医生，其在密歇根州圣约瑟夫默西奥克兰医院率先上岗，这种机器人头部是一个显示屏，能显示网络另一端医生的形象和声音，显示屏上方安装了一个摄像头，可以把医院现场的图像和声音传回给医生，有了这种机器人，医生在任何地方只要利用一台笔记本电脑和互联网，就可以远程遥控机器人为病人提供治疗服务。在日本，他们将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持，而且日本根据目前机器人产业面临的问题，提出了加强机器人研究和推动机器人产业化的具体措施，日本机器人工业之所以领先世界，一方面和他们的机器人文化也有关，在日本，有一种“让机器人成为人”的氛围，在日本，由于人口不多，而且老龄化趋势严重，他们需要机器人来承担劳力的工作，因此培养起浓厚的机器人文化;另一方面，日本政府也希望机器人研发成为本国的支柱产业，所以投入大量资金，为了攻克更关键的服务机器人技术，日本在2006年至2010年间，每年投入1000万美元用于研发服务机器人。图1(c)为日本发明的人形个性机器人保姆“ar”，不仅会洗衣，打扫卫生，还会收拾餐具等诸多家务杂活，它依靠车轮移动，共搭载有5台照相机以便确认家具的位置。图1(d)为日本软银公司一年前公开人机器人Pepper，它旨在扮演一个家庭伙伴的角色，可以与使用者交流，能读懂人类情感并作出相应的反应，支持声音指令。日本ZMP公司设计生产的Nuvo机器人身高15英寸，体重5.5磅。Nuvo可以行走，起坐，并可以对语音命令如“向右转”做出反应。它与手机有连接，因此人们可以通过安装在机器人头部的数码摄像机拍摄的照片，查看家中的情况，人们还可以通过遥控器对其进行控制，如图3所示。日本Tmsuk机器人公司与Alacom安保公司合作开发的T34机器人配有4个轮子，最高移动速度为每小时10公里，如图2所示。它配备有探测装置，可根据人体温度和声音侦察周围情况，并将相应图像实时地显示于手机屏幕。发现可疑人员后，它可在主人的遥控指挥下，朝可疑人员喷撒一张蜘蛛网式的大网。图2Nuvo机器人国内对服务机器人的研究起步很晚，但国家对此非常重视，1986年3月才开始把研究、开发智能机器人的内容已列入国家863高科技发展规划中，从1986年至2009年的20多年中，智能机器人主题在863的旗帜下，团结了近几千人的研究开发队伍，圆满完成各项任务，建成了一批高水平的研究开发基地，造就了一支跨世纪的研究开发队伍，为我国21世纪机器人技术的持续创新发展奠定了基础。中科院自动化研究所研制的移动机器人CLIMBER，是我国第一台融合红外、超声、视觉、电子罗盘等传感器信息的复合型移动机器人。CLIMBER配备了超声波、红外传感器、CCD摄像头和电子罗盘等多传感器，通过多信息融合算法对周围环境感知，实现了非结构环境下的自主导航、避障功能，还能够寻找并定位环境中的特征目标。2006年，由中国科学院自动化研究所先进机器人研究中心花费了一年的时间研制，我国首台具有国际一流语音交互水平和复杂动作及智能运动控制水平的“美女”机器人正式在公众面前亮相，如图3（a）。该机器人拥有丰富的仿人关节和动作，从头到脚共有17个自由度，可以完成各种的迎宾等动作，而且她的服装和发型可以根据应用场合来更换。“美女”机器人不仅可以根据指令和游客进行语音聊天和知识问答，还具有讲英语、四川方言和唱歌、讲笑话等功能，此外，她还是一个导游和摄影师，可以自动识别行走过程中碰到的障碍物，并做语音提示，还会给人照相。abcd图3国内机器人研究进展发展现状由北京理工大学牵头、中科院沈阳自动化所、兵器工业集团惠丰机械有限公司、中科院自动化所等单位参加，通过三年的奋斗，研制的“汇童”仿人机器人,如图3（b），取得了重大成果,“汇童”仿人机器人具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的自主知识产权的仿人机器人，功能达到了国际先进水平，研制的“汇童”仿人机器人在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作。机器人——工业4.0最具代表性的产物，隶属于中国科学院的新松智能服务机器人已经是我国服务器机器人领域的领军代表。图3（c）、（d）为餐厅服务机器人典型产品，其具有智能送餐、自动充电、智能语音、地图建立、路径规划等实用功能，能够代替或者部分代替餐厅服务员繁重重复的送餐工作，为餐厅运营节约人力成本，解放劳动力。2015年中国有几个概念非常火，第一是大众创业、万众创新，第二就是工业4.0，第三个就是“互联网+”。其中“互联网+制造”就是工业4.0。它将推动中国制造向中国创造转型，所以很多人说，工业4.0是整个中国时代性的革命。在这工业4.0革命的时代，服务机器人占着举足轻重的位置。目前，我国服务机器人研究技术已跨入世界先进行列，但与日本、美国等国家的技术相比还是有差距的，我国科技工作者正在努力向前，热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的服务型机器人与大家见面。2.2课题目标本毕业设计的目标对具有独轮机构的餐厅送餐机器人进行设计和机构创新，机器人的初步方案为中心水平放置的转向大齿轮表面装有轴承架和减速驱动电机，在转向齿轮中间表面开有方孔，该部位垂直装上行走轮，透过方孔与地面接触，驱动电机转动时驱动轮转动带动机器整体前行，水平放置转向齿轮周边布置有驱动的主动齿轮，该齿轮由步进电机驱动，该步进电机接受控制脉冲信号控制小齿轮转动角度，带动大齿轮转动对应角度，达到控制行走轮转向的目的。对上述总功能的几点说明：1）外形尺寸自行安排；2）结构要求紧凑可靠，外观大方美观。2.3研究意义餐厅送餐机器人是一种餐厅送餐自动化机械装具，由于餐厅通常都面积比较狭小，要求机器人要非常灵活，传统的此类装置都是双轮或是多轮，灵活性有所欠缺。本设计力争设计一种可以灵活行走，原地转弯/掉头的输送车底盘，为今后餐厅送餐机器人的升级换代打好基础。由于是属于一种创新设计，参考资料相对匮乏，因此设计任务具有一定难度。2.4本章小结本章主要介绍了服务型机器人相关研究与应用现状，梳理了课题的要求与目的，针对送餐机器人的研究目的进行了结构方案的初步设想，并结合当前国情对该课题的研究意义做出了分析。

3功能分析与原理设计3.1送餐机器人机构的功能分析3.1.1送餐机器人机构的总功能本毕业设计的目标对具有独轮机构的餐厅送餐机器人进行设计和机构创新，机器人的初步方案为中心水平放置的转向大齿轮表面装有轴承架和减速驱动电机，在转向齿轮中间表面开有方孔，该部位垂直装上行走轮，透过方孔与地面接触，驱动电机转动时驱动轮转动带动机器整体前行，水平放置转向齿轮周边布置有驱动的主动齿轮，该齿轮由步进电机驱动，该步进电机接受控制脉冲信号控制小齿轮转动角度，带动大齿轮转动对应角度，达到控制行走轮转向的目的。对上述总功能的几点说明：对上述总功能的几点说明：外形尺寸自行安排；结构要求紧凑可靠，外观大方美观。3.1.2送餐机器人机构的分功能圆柱形工件自对中夹紧机构的分功能包括以下几点：传动机构简单可靠；机器人运动稳定，转向自如。送餐托盘可以进行高度自由升降。3.2送餐机器人机构设计原理根据本毕业设计任务书的要求，在对送餐机器人机构进行详细研究过程中，初步方案为中心水平放置的转向大齿轮表面装有轴承架和减速驱动电机，在转向齿轮中间表面开有方孔，该部位垂直装上行走轮，透过方孔与地面接触，驱动电机转动时驱动轮转动带动机器整体前行，水平放置转向齿轮周边布置有驱动的主动齿轮，该齿轮由步进电机驱动，该步进电机接受控制脉冲信号控制小齿轮转动角度，带动大齿轮转动对应角度，达到控制行走轮转向的目的。同时机器人具备了，送餐托盘高度可控制的功能，通过私服电机运行，带动链轮与链条进行传动方可上线托盘升降功能，送餐机器人的机构原理图如图4所示。图4送餐机器人的机构原理3.2.1送餐机器人的总体结构设计本设计中，送餐机器人的总体结构如下图（5）所示：送餐机器人主要由行走部分、转向部分以及支撑部分构成，这几部分通过中心转轴和支架建立联系，实现机器人的稳定行走与全方位转向。图（5）送餐机器人的总体结构3.2.2送餐机器人行走部分的结构设计根据课题的设计要求，机器人中心设置一个较大的行走轮，行走轮穿轴后由两侧的两个轴承架固定在转向大齿轮上，转向大齿轮上还装有电机和直角减速器，减速机固定在机架上。由于轴承架与电机架在安装到大齿轮上的过程中，装配偏差难以控制，为此，在减速器的输出端与行走轮的动力轴输入端安装柔性联轴器，通过联轴器传递转动能量。夹具座的主要结构如下图（6）所示：ab图6行走轮的设计由于独轮难以在自动控制下掌握平衡，以至于无法实现送餐功能，所以在独轮的周边阵列三个万向脚轮，脚轮固定在防护罩上。万向脚轮的结构如图所示，布置方式如图所示。图7万向脚轮的布置3.2.3送餐机器人转向部分的结构设计转向部分是送餐机器人全方位运动的核心部分，本文对送餐机器人的转向部分采用创新设计，该转向机构总共由两份部分组成，一是驱动转向机构，另一部分是被动转向机构。1）送餐机器人驱动转向机构的设计本方案的机构中，采用伺服步进电机，连接小齿轮，推动大齿轮转向。采用小齿轮与大齿轮配合的方式可以实现转向角度的微调，达到方向的精准定位于控制。具体布置方案如图8所示。图8伺服步进电机固定在防护罩上，固定位置采用凹槽设计，目的是固定伺服电机时，直口连接可以保证同轴度，另外转向时，不易产生晃动。2）送餐机器人被动转向机构的设计本方案的机构中，被动转向机构是当驱动转向机构的转向小齿轮驱动大齿轮后，大齿轮连带着四脚支架发生角度变化，四角支架与防护罩产生角度变化后，机器人可以实现方向的改变，达到转向的目的。被动转向机构中转向轴被两个轴承竖直方向固定，上下两个轴分别笃定在防护罩和四角支架上，目的是减小转向时的摩擦力和竖直方向的结构对中。具体布置方案如图9所示。图9被动转向机构3.2.4送餐机器人支撑部分的结构设计本设计中，支撑部分的设计结构简单，行走部分的支撑主要是大齿轮配合四角支架，具体结构如图10所示。四角支架的脚步通过两个螺钉与大齿轮固定，顶部连接轴承，达到转向功能。图10四角支架图餐盘装载部分的设计如图11所示，该装置底部通过法兰盘与防护罩螺钉连接固定，由于防护罩与地面是通过三个万向脚轮来接触行走的，所以将装载装置固定在防护罩上可以避免餐盘的倾斜和不稳。图11餐盘装载部分3.2.5送餐机器人托盘升降功能结构设计本设计中，升降部分的设计结构简单，升降机构种的支撑主要是依靠私服电机通过信号启动后。带动链轮，链轮与托盘起动支架链接后，链轮带动链条进行运动，这样通过托盘下面的轴与轴套进行升降功能，具体结构如图12所示。伺服电机通过电机安装支架安装到机器人架体上，往后通过起动架完成这些部件的固定装置问题。图12托盘升降部分3.3送餐机器人的结构优化设计根据机械设计原则以及行业标准对以上的初步设计内容进行优化，改进不合理结构，细化每个部分的具体设计。（1）脚轮高度的优化由于三个脚轮与中间行走轮的尺寸不同，所以为了确保机器人行走过程中，平稳，需要对轮组进行与地面共面接触设计，在防护罩边缘焊接具有一定厚度垫块，使四个轮子同时与地面接触，使用螺钉将万向脚轮固定在垫块上。图12脚轮高度的优化（2）小齿轮连接优化小齿轮是与转向电机直接相连的，本设计中，对转向电机的输出轴进行螺纹孔加工，安装完小齿轮后，采用弹性垫圈和螺钉配合的方式对小齿轮进行紧固，防止转向传动过程中出现松动的问题。图13小齿轮连接优化图3.4关键零件齿轮设计按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。1.选择齿轮的材料、精度、齿数和齿宽：考虑送餐机器人的轮传动的特点，选用尺寸规格一样的齿轮，采用40Cr钢加工，调质处理后齿面淬火，由于齿轮的转速不高，选择7级精度进行加工，闭式软齿面齿轮传动。初步选择齿轮齿数Z=40，齿轮的布置形式为悬臂布置，查参考文献4表3-1，选齿宽系数，由齿轮的强度公式可知，轮齿越宽，承载能力越高，因此轮齿因尽可能宽一些；但齿宽过大又会使齿面上的载荷分布更加不均匀，故齿宽系数应取得适合。圆柱齿轮齿宽系数的荐用值列于下表。对于标准圆柱齿轮传动，齿宽系数取为因此对于外啮合齿轮传动的值规定为0.2，0.25，0.30，0.40，0.50，0.60，0.80，1.0，1.2。对于标准圆柱齿轮传动，可先选定再用上式计算出相应的值。表3-1圆柱齿轮的齿宽系数装置状况两支撑相对小齿轮作对称布置两支撑相对小齿轮作不对称布置小齿轮作悬臂布置0.9～1.4（1.2～1.9）0.7～1.15（1.1～1.65）0.4～0.6注：a.大、小齿轮皆为硬齿面时应取表中偏下限的数值；若皆为软齿面或仅大齿轮为软齿面时可取表中偏上限的数值；b.括号内的数值用于人字齿轮，此时b为人字齿轮的总宽度；c.金属切削机床的齿轮传动，若传递的功率不大时，可小到0.2；d.非金属齿轮可取≈0.5～1.2。对接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、振动增大，并不立即导致不能继续工作的后果，故可取S==1。但是，如果一旦发生断齿，就会引起严重的事故，因此在进行齿根弯曲疲劳强度的计算时S==1.25～1.5。2.按接触疲劳强度计算：Jishug确定公式中的各参数取载荷系数Kt=1.3齿轮的转距T=135.29N/m材料系数查文献[4]表6.3得，齿轮的接触疲劳强度按齿面硬度查文献[4]图6.8得应力循环次数接触疲劳寿命系数，查文献[4]图6.6得0.92确定许用接触应力设计计算试算齿轮分度圆直径取=70.84mm取72mm计算圆周速度VV=0.314m/s计算载荷系数K查文献[4]表6.2得使用系数K=1；根据V=0.314m/s7级精度查文献[4]图6.10得支载荷系数K=1.15；查图6.13得K=1.13，则K=KKK=1.2995校正分度圆直径d1d==80mm计算齿轮传动的几何尺寸计算模数m=d/z=96/50=1.92，按标准取模数m=2mm分度圆直径d=mz=240=80mm中心距a=m(z+z)/2=80mm齿宽b=d=0.2100=20mm齿高h=2.25m=2.252=4.5mm校核齿根弯曲疲劳强度由文献[4]公式6.12查文献[4]图6.9取，弯曲疲劳寿命系数，=0.92=0.90许用弯曲应力齿形系数，，计算大小齿轮的、/与、/，并加以比较取其中大值带入公式计算校核计算：弯曲疲劳强度足够（以上设计计算参照文献[4]）其他齿轮传动机构跟以上齿轮传动机构设计计算过程一样，这里就不一一介绍，可以查看相关附件。3.5关键部件传动轴设计转轴受弯扭组合作用，在轴的结构设计前，其长度、跨距、支反力及其作用点的位置等都未知，尚无法确定轴上弯矩的大小和分布情况，因此也无法按弯扭组合来确定转轴上各段的直径。为此应先按扭转强度条件估算转轴上仅受转矩轴径。轴为实心，轴的直径为（mm）式中，——由轴的材料及承载情况确定的系数，查表得。所以当轴段上开有键槽时，应适当增大直径以考虑键槽对轴的削弱：d>100mm时，单键槽增大3％，双键槽增大7％；d100mm时，单键槽增大5％～7％，双键槽增大10％～15％。最后对d进行圆整。取mm由于本设计中机构的特点，根据《机械原理》中的要求和《机械设计手册》中相关设计，动力轴的设计为长75mm。动力轴两端淬火处理，用于与轴承连接转动，选用材质为45号钢，并且除轴肩部分其余淬火处理，调质T235，表面粗糙度为0.8，其他为3.2。图19动力轴的结构图传动轴强度计算：扭转强度条件为：弯曲强度条件计算为：校核轴的强度：扭转切应力则：图3-5扭矩图按照上面提到的第三强度理论公式：式中：-轴的计算应力，单位为Mpa;M-轴所受的弯矩，单位为N.mm;T-轴所受的扭矩，单位为N.mm;W-轴的抗弯截面系数，单位为mm3依次确定式中的各个参数：根据减速器输出轴的受力条件，已知：根据图分析可得：因此：=59120N.mm=53030N.mm根据轴的工作条件，取=0.6。计算抗扭截面系数W查表15-4可得：分别带如图示所示的数据，可得：根据危险截面分析,取M=591200N.mm强度的计算：将以上数据分别带入上式中可得：前面已经选定轴的材料为45钢，由表15-1查得,所以，故轴安全。键槽可根据如图3-5所示的键槽国家标准确定，图3-5键槽国家标准轴采用45加工，调质处理，硬度250~286HBS。送餐机器人整个传动系统由许多传动轴组成，具体设计方法跟以上设计一样，这里不一一介绍设计过程，可以查看相关附件。3.6其他零件设计前面主要介绍了凸轮、齿轮、轴等重要零件的设计，山药去皮切片磨粉一体机除了这些零件，还由许多其他零件组成，其他零件的设计相对以上零件的设计简单一些，因为篇幅的原因，这里就不展开叙述，具体可以查看相关附件。3.7本章小结本章主要对送餐机器人的功能原理进行了分析，讨论了各部分的工作内容和设计方案，确定了本课题使用的方案且做出了机构总体设计与设计优化。

4零件设计与运动仿真4.1总体结构设计由于本设计中机构的特点，根据《机械原理》中的要求和《机械设计手册》中相关设计，本次设计拟定送餐机器人独轮行走机构的外形尺寸为660×660×610mm左右，如图14所示，来设计零件。送餐机器人独轮行走机构中，主要由防护罩、大齿轮、四角支架、中心轴、电机架、转向轴、餐盘装载装置以及相关电机轮组类零件装配而成。总体装配的图技术要求为：零件在装配前必须清理和清洗干净，不得有毛刺、飞边、氧化皮、锈蚀、切屑、油污、着色剂和灰尘等。装配前应对零、部件的主要配合尺寸，特别是过盈配合尺寸及相关精度进行复查。装配过程中零件不允许磕、碰、划伤和锈蚀。同一零件用多件螺钉（螺栓）紧固时，各螺钉（螺栓）需交叉、对称、逐步、均匀拧紧。螺钉、螺栓和螺母紧固时，严禁打击或使用不合适的旋具和扳手。紧固后螺钉槽、螺母和螺钉、螺栓头部不得损坏。各转动副装好后用手转动应灵活平稳自如，不得有任何卡滞现象。图（14）餐机器人独轮行走机构4.2各部分零件结构设计4.2.1防护罩的设计由于本设计中机构的特点，根据《机械原理》中的要求和《机械设计手册》中相关设计，防护罩的设计如图（15）所示，图15防护罩的结构图由于本设计中机构的特点，根据《机械原理》中的要求和《机械设计手册》中相关设计，防护罩为筒罩形，底部折边设计，用于固定转向电机。防护罩的壁厚为10mm，高度为340mm，最大外径为660mm，由于底部需要安装万向脚轮，需在边缘底部焊接三个垫块，用以保证轮组的水平共面设计要求。防护罩的底部边缘还有一个法兰安装孔，用于伺服电机的之后安装，精准定位。防护罩顶部焊接与各圆形法兰，用于与餐盘装载装置进行固定连接。防护罩选用采用航空铝7075加工而成，7075铝合金是一种经过冷处理锻压的合金，强度高，远胜于软钢，是目前商用最强力的合金之一。7075铝合金结构紧密，耐腐蚀效果强，对于航空、船用板材最佳。孔部分热处理，调质T235，表面粗糙度为0.8，其他为3.2。4.2.2餐盘装载装置的设计由于本设计中机构的特点，根据《机械原理》中的要求和《机械设计手册》中相关设计，餐盘装载装置的设计如图（16）所示，总体尺寸为400mmx300mmx150mm，该装置为两部焊接件焊接而成，顶部为矩形凹盘，底部为法兰盘。为减轻整机重量，底部法兰盘芯部掏空设计。餐盘装载装置选用采用航空铝7075加工而成，7075铝合金是一种经过冷处理锻压的合金，强度高，远胜于软钢，是目前商用最强力的合金之一。7075铝合金结构紧密，耐腐蚀效果强，对于航空、船用板材最佳。孔部分热处理，调质T235，表面粗糙度为0.8，其他为3.2。图16餐盘装载装置4.2.3四角支架的设计由于本设计中机构的特点，根据《机械原理》中的要求和《机械设计手册》中相关设计，四角支架的设计如图（17）所示，四角支架为焊接组件，由中心旋转架、支撑柱以及脚部法兰座焊接而成。中心旋转架与转轴连接，所以四个支撑柱轴向阵列布置，脚部法兰座用于与转向大齿轮进行螺钉固定。四脚支架的材质选择45号钢，中心旋转架表面内圆淬火处理，调质T235，表面粗糙度为0.8，其他为3.2。图17四角支架的结构图四角支架的杆强度计算：受力分析为重物重力受力Fa和支撑杆的支撑力F1，支撑杆截面积为S1。则：Fa=3F1，可得支撑导向杆的抗压强度校核：材质为Q235(抗拉强度（σb/MPa）：375-460,屈服应力（σs)为235MPa)σbc=Fa/3S1≦（σs)≥235MPa4.2.4电机架的设计由于本设计中机构的特点，根据《机械原理》中的要求和《机械设计手册》中相关设计，电机架的设计如图（18）所示。图18电机架的结构图4.2.5转向轴的设计及强度校核由于本设计中机构的特点，根据《机械原理》中的要求和《机械设计手册》中相关设计，转向轴的具体设计如下图（20）所示。直径为20mm，总长度为55mm。选用材质为45号钢，并且轴颈部分淬火处理，调质T235，表面粗糙度为0.8，其他为3.2。图20转向轴的结构图传动轴强度计算：扭转强度条件为：弯曲强度条件计算为：校核轴的强度：扭转切应力则：4.2.6驱动电机及减速器型号的选择图21为送餐机器人的电机结构，电机选型为松下A5II系列伺服马达，法兰输出，电机型号为MSMJ042G1U，额定输出功率400W，三相电源，电源电压200V，额定转速1000rpm，最大输出转速为2000rmp。图21步进伺服电机的选型减速机选型为松下直角减速器，法兰输出，减速机型号为HTF60-12-MSMJ022G，额定输出力矩为44Nm，额定输入转速为1000rmp，最大输出转速为500rmp。图22减速器的选型4.3齿轮设计及强度校核图23齿轮连接图大齿轮强度计算：受力分析为重力G1和板的支撑力F1，受力面积为S1。则得：G1=F1，可得地盘的抗压强度校核：(抗拉强度σb(MPa)95～125,条件屈服强度σ0.2(MPa)≥75)σbc=F1/S1≦σ0.2(MPa)≥75小齿轮的强度计算：输入扭矩为T1，模数为0.7，输入转速为n1，大齿轮齿数z1=96，小齿轮齿数z2=16，齿宽b1=b2=3，传动比u=1/6，尼龙1010材质（拉伸强度为50~60MPa，弯曲强度为80~89MPa）则：Ft=2*T1/d1v=n1*π*d1Kv则大齿轮为K1小齿轮为K2计算接触应力σH则σH1，σH2许用应力σHP则σHP1，σHP2安全系数SH则SH1，SH2计算弯曲应力σF则σF1，σF2许用弯曲应力σFP则σFP1，σFP2安全系数SF则SF1，SF22）强度校核根据设计数据，对机构进行受力分析可知，整个机构只，只有与液压缸连杆连接的轴受力最大，因此对连接销轴进行强度校核。根据设计数据，把销轴受力可以简化成如下图（28）所示：根据设计，销轴使用材料45号钢，其剪切许用应力[σbs]为355MPa销轴直径Φ为20mm。图（25）轴的强度校核则按剪切强度校核有：所以才能保证该销轴满足剪切强度条件要求，可得液压缸出力F的计算公式为F<=1150N4.4主要零件设计零件是二维图纸主要指机器的装配图、零部件图等，主要用来加工、安装等。如图24所示，为零件“隔套”的二维图，平板是安装在机架上面，然后其他零部件会安装在平板上面，隔套的尺寸为直径13mm，平板采用45钢制造，调制处理HBS220~250，加工完去除毛刺、飞边，锐角倒钝。平板的详细零件图可以查看相关附件。图24隔套如图25所示为伺服电机支架的零件图，伺服电机支架的主要作用是用来固定伺服电机，伺服电机支架的尺寸如图所示。伺服电机支架采用45钢加工，调制处理HBS220~250，加工完去除毛刺、飞边，锐角倒钝。伺服电机支架的详细零件图可以查看相关附件。图25伺服电机支架如图26所示为支撑2的零件图，支撑2主要是用来传动动力和安装齿轮实现三药去皮的，支撑2的尺寸如图所示，支撑2采用45钢加工，调制处理HBS220~250，加工完去除毛刺、飞边，锐角倒钝。轴3的详细零件图可以查看相关附件。图26支撑2如图27所示为中心转轴的零件图，中心转轴的主要作用是用来固定伺服电机，中心转轴的尺寸如图所示。中心转轴采用45钢加工，调制处理HBS220~250，加工完去除毛刺、飞边，锐角倒钝。中心转轴的详细零件图可以查看相关附件。图27中心转轴如图28所示为盖板的零件图，盖板的主要作用是用来固定伺服电机，盖板的尺寸如图所示。盖板架采用45钢加工，调制处理HBS220~250，加工完去除毛刺、飞边，锐角倒钝。盖板的详细零件图可以查看相关附件。图28盖板4.4基于机械三维软件SolidWorks的设计SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，其所遵循的稳定、易用、和创新三大原则得到了全面的证明和落实，使用它，设计师能大大缩短设计时间，使产品高校、快速地投向市场。Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks有技术创新、功能强大和易学易用等特点，这使得SolidW