毕业设计（伦文）-土壤采集机器人设计

前言PAGEI目录TOC\o"1-3"\h\u17896第1章绪论 421946第2章土壤采集机器人总体方案设计 5129052.1机器人组成结构 5149462.2机器人整体结构图 6320252.3关于材料的选用 618181第3章土壤采集机器人驱动系统设计 833903.1驱动结构设计 8113.2蜗轮蜗杆减速机传动比的确定 97503.2.1各轴功率计算 995563.2.2各轴转速的计算 10179533.2.3各轴输入扭矩的计算 10287193.3蜗轮蜗杆的设计 1080213.3.1关于蜗轮蜗杆齿数的确定 10209593.3.2验算车轮的速度 10252143.3.3减速机构传动中心距计算 1197773.4蜗轮轴的设计 12154373.4.1轴的材料选择 1244613.4.2轴径的初步计算 13236663.5滚动轴承的校核 1325893.6键联接的强度校核 14177963.7蜗杆轴输入端联轴器的选择 1525479第4章采集机械臂及其旋转机构设计 161394.1采集机械臂整体方案的确定 16197824.2采集机械臂旋转机构设计 1984314.2.1选定齿轮类型﹑精度等级﹑材料及齿数 19186464.2.2按齿面接触疲劳强度计算 19141184.3采集机械臂折叠设计 2236105控制系统的设计 25265635.1可编程控制器(PLC)的简介及选择 25129665.2变频器的介绍及选型 25123105.3蓄电池的选用 26113765.4行走避障原理 2627792参考文献 28第3章REF_Ref168484495\h错误！未找到引用源。PAGE4第1章绪论土壤样品采集，简称采样，是指将土壤从野外、田间、培养或者栽培单元中取出具有代表性的一部分的过程。采样得到的土壤样品经过适当处理制备成分析样品，最后到分析测定时所取的测试样品只有几克甚至零点几克，而分析结果则应代表全部土壤，因此必须正确地采取有代表性的平均试样，否则即使分析过程再准确也是无用的，甚至会导致错误的结论，给生产或科研带来不必要的损失。采样一般分为单点样品和混合样品。单点样品即每个样品只采一个点，其中又可分为扰动型样品、原状样品和剖面样。通过机器人采用实现自动化操作，既能提高效率又能保证人不用接触恶劣的环境，降低人为操作的风险。早期的机器人主要以模仿人手的动作，进行简单的抓取零件的作业，定位精度也不是十分准确，只能简单地实现抓取。随着我国步入改革开放，一直到近期的不断发展。机器人也从原先的非常简早期的机器人主要以模仿人手的动作，进行简单的抓取零件的作业，定位精度也不是十分准确，只能简单地实现抓取。随着我国步入改革开放，一直到近期的不断发展。机器人也从原先的非常简单的发展到现在复杂的机器人。现在应用在汽车行业，发动机装配机器人，其定位精度已经可达0.05毫米，其结构是六轴机器人，每个关节都采用非常精准的私服电机实现准确定位，定位后又通过位置信息反馈进行二次确认。国外关于机器人的发展，最好的以德国和日本为典型。日本和德国在机械制造行业的发展是非常迅速的，他们对设计的图纸到加工到组装等诸多环节，都通过6S严格把控，质量非常有保证。同时日本和德国对世界机械行业的自动化产业的付出也是非常巨大的，他们设计出来的机器，虽然价格相对昂贵，但是精密度是相当高的，诸多行业只有使用该两国的机器才能加工出合格的产品。也有在少数行业，他们的设备已经形成了垄断。我国的自动化产业发展相对较快，但是起步比较晚，和发达国家还是有一定差距的，如果我们能在加工制造行业取得较大进步，同时芯片行业也有较大进展的情况下，那么我们生产出来的机器人也会有较高的市场价值，相信在党中央国务院的领导下，我们的发展一定会越来越好。

第2章土壤采集机器人总体方案设计2.1机器人组成结构土壤采集机器人通过底座固定在小车上，其中底盘能够实现360度旋转，旋转机构主要是通过齿轮减速机构实现旋转，当电机停止转动后通过电机抱闸锁定位置。折叠臂通过电机驱动一个拉杆实现，拉杆的强度相对较高通过铸铁加工成本较低，经济性较好。关于该机器人的机构构成如下图2-1所示。土壤采集机器人控制系统土壤采集机器人控制系统智能系统机械系统执行机构采集机构折叠机构行走机构旋转机构执行机构采集机构折叠机构行走机构旋转机构驱动机构驱动机构电液混合驱动电液混合驱动图2-1机器人组成机构图机器人的工作需要根据指令进行相应的操作，所谓的指令就是PLC程序。根据动作的需要先对机器人的动作进行PLC编程，之后机器人的每个动作都是根据程序进行动作的。机器人的其机械系统分成执行机构和驱动系统两部分，每次操作的位置是否准确又通过检测系统进行位置信息反馈给PLC,如果位置信息不准确，系统会报警，需要人工进行排除处理。关于驱动机构除了采用马达的方式之外，也可以采用气缸、液压缸等均可做为动力源。各部分关系图如下图2-2所示。控制系统控制系统机械系统智能系统驱动-传动装置执行机构工作对象位形检测图2-2各部分关系图2.2机器人整体结构图根据机器人的使用条件及零件的参数，机器人的材料需要轻便且承重性好，土壤采集机器人的结构图如下所示。图2-3整体结构图2.3关于材料的选用本次设计选用铝合金制架体，铝合金的密度只有2.7，是铁的三分之一，能够保证整体的质量非常轻，确定了比较适合本次设计的铝合金型号就是6063-T5。关于轴的材料选用45号钢，因为该材料在调质处理之后都会有着非常高的强度，满足轴高扭矩的使用工况。这里的调质处理硬度达到HB220-230的强度即可。

第3章土壤采集机器人驱动系统设计3.1驱动结构设计该驱动系统由车轮、支架、减速器等主要部分构成。减速机选用蜗轮蜗杆一级减速机，蜗轮蜗杆能够实现自锁。行进到位置后停止转动，蜗轮蜗杆减速机输出轴通过联轴器连接车轮，车轮即停止转动实现自锁。该驱动系统采用双前驱的结构形式，前端两个轮子分别采用电机单独驱动，同时正转即是前进、同时反转即是后退，一正一反转动可实现左右转弯。由车轮的行进力和其旋转行进速度v,得 （3.1）其中：（3.2）m行进重物的质量，单位Kg，整套设备的自重以及行进阻力等按照600Kg计算，其中两套驱动机构，每套驱动机构分担的负载是300Kg。g为重力加速度，单位N/Kg； 带入数据得 各传动机构和轴承的效率为：法兰效率单级蜗轮蜗杆传动的效率是双滚动轴承效率台阶键槽固定联轴器传动效率：驱动电机经过联轴器-减速机-联轴器-车轮的总传动效率将以上查询数值带入得：驱动马达的功率为因为各种机构导致功率损耗，所以驱动马达的实际功率计算公式为：（3.3）则选用的电动机的转速首先要满足的条件是在以上的计算范围内，同时还需要考虑在整个设计中电动机的尺寸需要满足便于安装，需要考虑电动机的价格及是否方便采购，是否方便维修和保养，通过综合比较最终决定选择的电动机；满载转速：=940。电机做为该设备的主要驱动装置，在设备中如同心脏一样重要。电机的选型必须满足设计需求。选择合适类型的电机后可以按照相关的使用需求，对电动机的相关参数进行确定。电机的主要参数是矩扭必须满足的使用要求，所选电机的启动转矩必须大于该设备的负载扭矩。而计算相关扭矩又需要对各转动惯量等进行详细计算。电机转速有750转/分钟、1000转/分钟、1500转/分钟等多种样式，需要结合设计任务的实际要求去确定电机的具体转速。除此之外，还要通过确定其他参数，校核电机型号是否满足要求。3.2蜗轮蜗杆减速机传动比的确定蜗杆一般头数选择一个头的，蜗轮可以初选50个齿的，一般减速机减速比40~60时性能较为稳定，强度较好。选定转速比为：i＝50/1 所以车轮转速 从而，车轮直径：（3.4）圆整为170mm3.2.1各轴功率计算（3.5）（3.6）3.2.2各轴转速的计算3.2.3各轴输入扭矩的计算（3.7）表3-1蜗轮蜗杆减速机各轴参数计算汇总名称功率Kw转速扭矩N.m蜗杆轴1.4794014.93蜗轮轴0.9718.8492.743.3蜗轮蜗杆的设计蜗轮材料的许用接触应力[]=190N/mm蜗轮弯曲应力[]=44N/mm3.3.1关于蜗轮蜗杆齿数的确定选取Z＝1，则Z＝Z·i＝1×50＝50（3.8）故取Z＝503.3.2验算车轮的速度实际传动比i＝50/1工作机车轮转速n＝940/50=18.8钢丝绳的行进速度（3.9）速度误差（3.10）3.3.3减速机构传动中心距计算关于蜗杆的功率的详细计算公式如下：（3.11）式中K——关于应用场合参数，由于该行进机构属于小型的K＝0.7；K——加工等级参数，蜗杆的加工精度等级为IT7，所以K＝0.9；K——速度参数，机构运行速度为10米/分钟，K＝0.85。以上参数带入公式＝KW（3.12）蜗杆传动几何参数汇总如下。表3-2蜗轮蜗杆几何尺寸汇总表序号名称代号或公式数值1中心距a100mm2齿数比u=z2/z1503蜗轮齿数z2504蜗杆头数z115蜗杆齿顶圆直径45mm6蜗杆齿宽53mm7蜗杆螺纹部分长度L59mm8蜗杆齿顶圆弧半径Ra182mm9蜗杆齿顶圆最大直径de153.8mm10蜗轮端面模数m＝3.18mm11径向间隙0.51mm12齿顶高h=0.75m2.23mm13齿根高h=h+C2.74mm14全齿高h=h+h4.97mm15蜗杆分度圆直径＝（0.624＋）a40.53mm16蜗轮分度圆直径＝2a－159.47mm17蜗轮齿根圆直径d＝－2h153.98mm18蜗杆齿根圆直径d＝－2h35.05mm19蜗轮齿根圆弧半径82.48mm20分度圆压力角（2.15）24°21蜗杆分度圆齿厚（2.15）4.298mm22蜗杆分度圆法向齿厚（2.15）4.29mm23蜗轮分度圆法向齿厚（2.15）5.49mm图3-1蜗轮加工图3.4蜗轮轴的设计3.4.1轴的材料选择材料选用40Cr,通过调质处理硬度需要达到285HBS，加工等级均IT7级精度。=6503.4.2轴径的初步计算（3.13）其中——转速单位r/min—传递功率单位kw——危险截面直径，单位mmmm蜗轮轴固定联轴器处的直径是，根据公式，转距变化很小，故取Ka=1.3，则，选用YL11型凸缘联轴器。图3-2蜗轮轴图3.5滚动轴承的校核已经初选圆锥滚子轴承7306E，查得：C＝52.5KNC＝60.5KNe＝0.83Y=0.7==1.62833>e=0.83考虑到载荷系数f=1.21.2（0.4×2655.5367+0.7×5952.4）=6274.673616轴承寿命L=（3.14）==21778.8311h该行进机平均每天使用半小时，故所选轴承寿命为＝＝120.9935y所选轴承合适。3.6键联接的强度校核蜗杆轴上安装联轴器处的键联接选用普通平键6×6、键的工作长度l＝28。键的工作高度k＝＝3查得键联接的许用比压[p]=50～60N/（3.15）=9.276N/<[p]式中：—传递的转矩，单位为；—键与轮毂键槽的接触高度，，为键的高度，单位为；—键的工作长度，单位为；d—轴的直径，单位为；—键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位为。通过计算，所选平键合格。3.7蜗杆轴输入端联轴器的选择选用凸缘联轴器，查得K＝1.3，（3.16）＝1.3×11428.5165＝14857.07145N·㎜选用YL3型联轴器。附录PAGE16PAGE11采集机械臂及其旋转机构设计4.1采集机械臂整体方案的确定图3-1折叠臂传动机构图3-1为折叠臂传动结构简图，折叠臂主要是通过连杆机构的驱动进行俯仰动作，俯仰角度为±50度。伺服电机通过减速机进行减速，减速器输出轴带动连杆机构进行俯仰动作，连杆机构性能稳定、强度较高，能够很好的满足该采集工况的使用需求。同时连杆机构也是机器人较为常见的使用机构，这里根据操作要求设计连杆的长度，以次实现不同位置的采集需求，折叠臂做为土壤采集机器人末端执行部分，既需要结构简单、尽量减轻重量减少机器人的负载，同时还要保证有足够的强度来承受抓手的抓取作业。小齿轮的要求相对更高一些所以材料选用40Cr,通过调质处理硬度需要达到285HBS，大齿轮考虑到生产成本的情况下，以满足使用需求为前提，采用45#钢为材质，调质处理后硬度为245HBS,大小齿轮的加工等级均IT7级精度。传动比按照i=4.23，结合实际、并保证使用强度需求，选用小齿轮的齿数为Z1=23,则大齿轮的齿数为：圆整为97圆柱直齿轮分度圆直径定位d1，需要满足如下要求：1）查机械设计手册Kt=1.32）扭矩为T=55.47Nm3）查机械设计手册得到取齿宽系数。弹性影响系数为根据机械设计手册并结合使用要求得到：，根据机械设计手册并结合使用要求得到大齿的接触疲劳强度为：。。此传动机构的设计使用寿命为10年，按照每天两个班次进行生产，每班次8小时，每天的工作时间为16小时。每年的工作天数按照365天进行计算。基于以上的条件，按照如下的公式对齿轮的应力循环次数进行计算：查机械设计手册接触疲劳寿命系数取值是：KHN1=0.85;KHN2=0.88许用接触应力中的安全系数为S=1进行计算计算直齿轮分度圆直径通过如下的公式对直齿轮分度圆直径进行计算：圆周速度的确定齿宽b的确定宽高比通过如下的公式对齿轮的模数进行计算通过如下的公式对齿轮的高度h进行计算：载荷系数的确定圆周速度v为4.22m/s，Kv=1.15，通过查询也可以确定直齿轮的齿间载荷分配系数KHa=KFa=1，KA=1.25，小齿轮的系数为，基于，。将以上确认的相关系数代入到如下的公式中，得出载荷系数为：分度圆直径的计算。15）确定模数的计算如下机器人臂的设计其主要是设计机械臂的相关结构和选择合适的电机。电机的主要参数是矩扭矩必须满足使用要求，保证机械臂运动的状况下能够抓起重物。计算相关扭矩需要对各转动惯量等进行详细计算。选择电动机的时候，首先需要确定电动机的类型，选择合适类型的电动机后可以按照相关的使用需求，对电动机的相关参数进行确定。电机的选择非常重要、所选电机的启动转矩必须大于减速机负载扭矩，电机转速有750转/分钟、1000转/分钟、1500转/分钟等等多种多样，需要结合设计任务的实际要求去确定电机的具体型号。电机的功率、转速、启动转矩和最大扭矩都能满足设计要求，并在加了安全系数的条件下也能很好的满足使用要求，电机做为减速机的主要驱动装置，在设备中如果心脏一样尤为重要，电机的选型必须满足设计需求。4.2采集机械臂旋转机构设计4.2.1选定齿轮类型﹑精度等级﹑材料及齿数（1）按传动方案选用直齿圆柱齿轮传动。（2）本机工作速度、功率都不高，故选用7级精度。（3）齿轮材料及热处理：选择小齿轮材料为40Gr，调质处理，硬度250HBS，大齿轮材料为45号钢，调质处理，硬度为230HBS，二者硬度差为20HBS。齿数选择。选取小齿轮齿数18，初步确定传动比为则大齿轮齿数此时传动比4.2.2按齿面接触疲劳强度计算（1）确定各参数的值（4.1）因大小齿轮为钢制，由《机械设计》表12.12查得弹性影响系数（5-2）初拟载荷系数K=2.0取齿宽系数0.3对于标准圆柱齿轮传动，由《机械设计》图12.16查得设，求得;应力循环次数计算：使用时间8×350×16=44800h小齿轮循环次数大齿轮循环次数按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限为：小齿轮：；大齿轮：接触疲劳强度寿命系数查教材得接触疲劳寿命系数，计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S=1，得（2）参数计算1）试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得（4.2）2）计算平均圆周速度3）计算载荷系数K已知使用系数，根据v=4.4m/s，8级精度，查得动载系数；查得K=1.42；得K=1.35；得。故载荷系数（4.3）4）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径（4.4）5）计算齿宽b和模数b=m=6）齿轮部分相关参数查手册得齿轮弯曲疲劳强度极限。查手册得弯曲疲劳寿命系数。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则7）校核（4.5）满足要求。（4.6）所以安全。4.3采集机械臂折叠设计关于空间的工作分析，空间我们通常分为x轴、y轴、z轴，通常所说的六个自由度包括x轴的移动、y轴的移动、z轴的移动、以及x轴的旋转、y轴的旋转，z轴的旋转。这里根据使用要求，我们只需要对x轴的旋转，y轴的旋转以及x轴的移动和y轴的移动四个自由度进行设计，满足这四个自由度即可满足料袋土壤采集机器人的基本使用要求，在这几个自由度的基础上，对相关尺寸和旋转角度进行详细设计。机器人的设计相对是比较繁琐的，由于其精度比较高，每个设计环节都是尤为重要的，由于自身能力和本科生研究领域所限，这里只针对主要部分进行设计。图4-1土壤采集机器人位置示意图L1为机械主体部分臂部的长度按照665mm取值；L2为折叠臂的长度根据任务书使用要求折叠臂的长度按照630mm取值；θ1为大臂的旋转角度，根据采集的要求-150º~150º就可以满足使用要求；θ2为折叠臂的旋转角度根据使用要求，这里按照±65°；根据上图4.1所示A点：长机械臂的最小值按照符号θ1min、小机械臂的最小值按照符号θ2min。B点是大臂极限位置用θ1max表示。C点大臂转动到最大极限时的值用θ1max表示，折叠臂达到正极限值为θ2max。D点为大臂达到负极限时θ1min表示，折叠臂达到正极限值，由θ2max表示。A-B和C-D的圆心是大机械臂的起点，为了方便后续说明和详细计算，把这里定义为坐标原点。其中E点为A-D圆弧的中间，F点为B-C圆弧的中间。E点：F点：对以上个点计算汇总如下表4-1坐标点位置汇总坐标点X坐标Y坐标Z坐标A-11745470B31.7547.30C-5.81180D-336.58520E-602.72810F602.72810通过以上分析，大机械臂和小机械臂的工作平面及XZ的平面构成坐标系，同时本机器人的底座又能够在X-Y-Z这三个方向实现旋转移动等动作，这样就可以通过上述分析绘制出XZ工作空间的具体图纸，从而进行分析计算比较，然后选型。以上的分析过程及计算的结果可以看出折叠臂末端的覆盖范围要比作业的空间大。以上的计算和分析都是基于手腕具有多自由度时，可以取其操作臂最大覆盖范围的二分之一。所以一般可以满足覆盖范围时，一定是可以满足机械作业的范围。所以此方案是正确的。

5控制系统的设计5.1可编程控制器(PLC)的简介及选择可编程程序控制器因为其可以根据实际的使用需求编写不同的程序，使得相应的设备可以自动的完成一定的操作，可变性比较强，可以适用不同的需求，同时具有很好的稳定性，因此在很多行业都引进和使用可编程的控制器，尤其是工业控制行业，更是一种趋势。如果想在相关行业内具有很大的发展势头和提升自身在行业内的竞争力，使可编程程序控制器是一种必然的选择。通过可编程程序控制器可以使得相关的气动和电动装置按照设定好的程序进行动作和运行，同时，可以根据操作步骤和工序要求的不同，调用不同的程序来完成预期的操作。5.2变频器的介绍及选型交流变频器是将工业电源转换为变频功率输出控制装置，其原理是通过功率半导体元件的关闭来控制。工业中经常使用的变频器主要是采用交流-直流-交流控制方式原理，先把工厂的工频交流电源通过变频器内部的三个整流条转换成直流电源，然后通过各种控制命令将直流电源转换成电压可调节，频率可改变的交流输出控制电动机运转，从而改变电动机运转性能和转速大小。电动机转速的公式如下：算式中n——为电动机的转动速度，单位为m/s;f——为电源的输出频率,单位为HZ；s——为转差率(异步电动机)；p——为极对数(异步电动机)由上述的公式可以看出，电动机输出的转速n与三相电的频率f之间为正比例关系，电动机输出的转速可以通过控制三相电的频率来改变，当三相线输出的频率在0HZ-50HZ之间变化时，那么电动机的转速将从零到额定转速之间变化，因此交流电动机的转速n调节范围很宽。根据公式可以通过改变电动机的频率输出来调节变频器的转速。这是一个很理想，高效率和高性能的调速方法，广泛应用在工厂实践中。5.3蓄电池的选用该土壤采集机器人臂采用蓄电池供电，使用更便捷不用考虑现场电源的问题。为满足装置在医院随时移动的使用要求，需要实现自主供电，在装置上安装电池，本设计中的电源为可充电电池。在选择电池时需要充分考虑成本价格、使用寿命、电压大小、电池容量等要素。就市面上现有的蓄电池来看，其常见的有：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、金属氧化物镍蓄电池、铁镍蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池和锂离子蓄电池。从节省成本方面考虑，选用铅酸蓄电池最为合算，但缺点也很明显。比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较大，一次充电后的行驶里程短。使用寿命短，导致了使用成本高、充电时间长。铅是重金属，存在污染。相比较而言，锂电池可以算作是更好的选择。锂电池的优点有超长的寿命、使用安全、能够实现大电流快速充电、容量大、行程长、体积小质量轻以及绿色环保等优点。电池成本随着锂液提纯技术的提高也能够接受。因此，本装置选用高效环保的锂电池作为供电能源。电源采用24V充电式电源，充满一次电可连续48个小时使用。5.4行走避障原理当土壤采集机器人遇到障碍物不能及时避开的时候，不但会影响其正常工作，还会因为碰撞对自身造成损害，因此检测并避开障碍物是至关重要的。为了检测设备移动的路径上是否存在障碍物，在内部