大型压榨场无人运输机构的设计

大型压榨场无人运输机构的设计设计设计任务书设计题目大型压榨场无人运输机构的设计的设计主要内容：1、了解大型压榨场无人运输机构的设计的工作及设计原理；2、对目前存在的大型压榨场无人运输机的设计制造及发展情况有一定了解；3、实物的实际测绘；4、结合要求对大型压榨场无人运输机构的设计进行结构设计，要求绘制CAD装配图。基本要求：CAD图的绘制；三维建模的绘制；论文的完整性。主要参考资料：《机械设计基础》、《机械原理与机械设计》等。进度安排：1、3月5号~3月15号，提交开题报告；2、3月15号~4月19号，查阅相关资料，了解大型压榨场无人运输机构的设计的工作及设计原理；3、4月20号~5月10号，找到相关实物进行现场测绘；4、5月11号~5月28号，对结果进行分析和校正；5、5月29号~6月10号，完成论文工作，进行答辩准备。年月日备注：[摘要]大型压榨场无人运输机构的可以将繁重的压榨工艺的物品搬运任务由指定地点到另外一个地点。大型压榨场无人运输机构与传统的人工、半人工的工业制造和工程实践方式相比较,大型压榨场无人运输机构系统减轻了人工劳动的强度,降低了工业生产危险,提高了工业生产效率,在各行业中均展现了非常重要的作用和地位。本文设计的主要内容是大型压榨场无人运输机构的设计，大型压榨场无人运输机构可以实现两个位置间的物体的搬运。本文设计过程首先了解了大型压榨场无人运输机构的发展历史和现状，通过对现有大型压榨场无人运输机构结构进行分析，确定了本次设计的总体方案，设计了符合本次设计要求的机械结构。[关键词]大型压榨场无人运输机构的设计；机械；结构设计；Abstract:Unmannedtransportationagenciesinlargecrushingyardscantransportheavycrushingprocessitemsfromdesignatedlocationstoanotherlocation.Comparedwithtraditionalmanualandsemimanualindustrialmanufacturingandengineeringpractices,theunmannedtransportationmechanismsysteminlargecrushingyardsreducestheintensityofmanuallabor,reducesindustrialproductionrisks,andimprovesindustrialproductionefficiency.Ithasplayedaveryimportantroleandpositioninvariousindustries.Themaincontentofthisarticleisthedesignofanunmannedtransportationmechanismforalargepressfield,whichcanachievethetransportationofobjectsbetweentwopositions.Thedesignprocessofthisarticlefirstunderstoodthedevelopmenthistoryandcurrentsituationofunmannedtransportationmechanismsinlargepressfields.Byanalyzingthestructureofexistingunmannedtransportationmechanismsinlargepressfields,theoverallplanofthisdesignwasdetermined,andamechanicalstructurethatmeetstherequirementsofthisdesignwasdesigned.Keywords:Designofunmannedtransportationmechanismforlargecrushingyards;Mechanics;Structuraldesign;I1绪论1.1课题的研究的目的及意义无人运输机构，又可以称作是AGV.是替代传统车间人工搬运任务的一种机器人。传统的在车间里面都能看见人工搬运物品上下件的场景，而在现代车间里面，一些自动化设备，无人搬运车，上下料自动线等一些自动化的产品层出不穷，不仅在车间看不到人员，而且在整个企业的竞争能力上也上了一个台阶。目前上述场景还是存在于大型企业中，一些小的企业还是很难看见这种操作的，主要是该自动化搬物的机器人使用和购买成本也较高，一些厂家很难能够进行普及应用和购买，这就是其难以普及的地方之一。但现代化搬运机器人的运用或早或晚也会在大中小企业里面掀起一股热潮，主要还是因为其真正做到了代替人的操作。很多情况下，工业机器人可以实现工序自动化。其动作灵活多样，可适用于多场景的工序与工序之间或单一工序间的搬物工作，且达到批量自动化生产，国内外工业大型压榨场无人运输机构的应用也是主要解决了人工操作工作量大，工作效率低的问题。随着计算机技术等在机器人中的应用，工业机器人成为工业生产中提高生产效率的重要手段。图1-1自动化无人输送机构国内方面，在世界范围内，中国研究机器人的时间与发达国家相比，开始得比较晚。在国外展开研究工作的上世纪70年代，中国经济状况较差，难以为机器人研发提供充足资金。因为改革开放政策的实施，我国的经济逐渐恢复好转，机器人行业也开始逐渐发展起来，研发水平、应用技术一再提高，但是和世界先进水平相比，有着比较大的差距，我国机器人技术发展过程中遇到的主要问题包括机器人结构的优化和控制系统的创新研究等。根据现今情况来看，关节型无人运输机构、直角坐标机器人是中国通过自主研发制造出来的机器人。其中直角坐标机器人大多为4轴机器人，具有X、Y、Z三轴的位移，以及某一轴的旋转自由度，该类机器人又称作笛卡尔坐标机器人，其借助旋转电机所带来的驱动力，推动滑块进行运动。这种类型的机器人有着坐标简单，运动轨迹十分明确的突出优点；但其也有难以忽视的缺点，就是除了需要的空间大，在后期使用阶段，该机器还面临着高额的维护费用。而关节型机器人也具有鲜明的优缺点，首先它最显著的优点是具有较高的细化程度；而缺点便是运动轨迹难以确定，存在一定操控难度。随着社会的进步，一些具有高效率、关节细化、维护成本低等优点的新一代机器人开始逐渐出现，并以极快的速度发展着。机器人生产越来越普及，这是社会发展的必然趋势，不仅能更进一步解放社会生产力，还能提升社会生产的安全性。此外，TPR系列机器人由上海交大的专业机器人研发机构开发，在设计过程中选择了平行四杆这一结构，并使用硬铝合金作为机器人手臂的外包装材料，不仅轻便，还能保证机器人臂的品质；此外运用计算机控制系统，安全稳定。专家苏海新也运用了平行四杆的结构形式开发了新型无人运输机构，该机器人也具有高集成化的优点。而李成伟等多位学者针对无人运输机构中四杆机构的运用开展了深入研究，将末端执行器与机器人分离研发，赋予无人运输机构对不同物品选用不同末端执行器进行抓取的能力，大大提升了无人运输机构的通用程度。国外方面，率先将工业机器人投入到搬运领域开展应用的是日本和瑞典。20世纪70年代初期，日本开发并应用了第一个大型压榨场无人运输机构。德国、意大利等一部分世界发达国家也开始提高自身的机器人研发水平。随着计算机软件平台的逐渐完善，产业现代化进程也越来越深入，许多现代化信息技术开始应用到了社会生产服务的各个领域，此外机器人控制技术经过多年发展也逐渐成熟起来，一些发达国家逐渐掌握了较为优良的机器人研发技术，如日本、瑞典、美国等开始集中精力发展新型大型压榨场无人运输机构技术，先后推出了自主研发出的新型机器人。在这些机器人中，ABB这一瑞典老牌生产商推出的大型压榨场无人运输机构，受到了全世界的关注。图1-2麦克纳姆轮的无人输送机构1.2课题的的研究现状瑞士、挪威等一些国家，一部分食品制造商已经开始运用2-3台来自国外、具有先进技术的搬运机器人（KUKA），来提高自身的生产效率，降低劳动强度，更好地保障产品的完整度。为了确保搬运机器人能够更加精准地抓住纸箱、托盘等物件，为机器人配置了技术先进的智能末端感应，让其能精确感知到待抓取物体的存在，完成搬运、码垛等一系列工作。而PC控制平台能够保障机器的作用力不会过大，为生产线创造了良好的处理环境，不断改善结构的紧凑度，使用起来更加便捷。JTM将可编程控制器作为控制系统的核心，使用吸盘式抓取装置作为末端执行器，选择了每节点均为伺服电机的6轴搬运机器人，使生产力提高了近一倍。ABB这一知名机器人制造商，生产的TRB640能够独立进行纸箱、包装袋等一系列物品的搬运以及搬运工作，其最为显著的特点便是拥有许多能够灵活运动的节点，像人的关节一样，正因如此它可以完成较为细致准确的动作，除此之外微型处理器的加入使得机器稳定性得到了极大提升。莫托曼这一新型搬运机器人，功能上有所突破，展现出一机多线的能力，能够同时处理多种不同类型的物品，并且根据系统中提前设定好的控制程序将这些物品进行码放。此外该机器人装有具有调节功能的末端执行器，这一执行器的动作也受到预定程序的控制。知名机器人设计师J.NorbertoPires[11]，将目光聚焦在易碎物品难以抓取这一特点上，设计了末端执行器为吸盘式的机器人，该搬运机器人借助计算机系统实现远程操控，通过吸取、码放等动作，能够独立码放玻璃等易碎物品。日、德等先进国家，在大型压榨场无人运输机构研发领域取得了较大成绩，中国在这一领域的研究工作也取得了很大进步，但还存在一些不足，需要不断完善，一些发展难题还待进一步攻克，经历一段时间的发展，相信中国技术和制造也会迎头赶上。1.3课题研究内容与设计目标本次设计的项目是大型压榨场无人运输机构的结构设计。本次设计主要是结合市场现有机器产品拟定设计参数，确定主要结构形式方案，之后进行总体方案设计，设计出相关的部件，且对相关方面进行设计校核等内容。同时也针对二维和三维装配结构也做了比较细致的介绍。1.3.1课题项目的研究内容本课题研究主要是对大型压榨场无人运输机构的设计的总体方案结合查询资料进行设计和拟定，然后对相关的运动组成部分进行设计和计算。具体设计的步骤如下：1.资料查询，定设计参数，拟定总体方案；2.针对具体结构进行结构设计和校核；3.相关选型验算；4.建立图纸并装配进行，并进一步的改进直至达到要求，然后绘制二维图；5.总结归纳，完成设计说明书。1.3.2课题项目的设计目标及路线表1-1技术路线根据查阅的表1-1技术路线根据查阅的大型压榨场无人运输机构的设计相关资料，首先确定大型压榨场无人运输机构的设计总体的方案↓设计大型压榨场无人运输机构的设计大型压榨场无人运输机构的设计底盘整体结构构造和清的布置方式↓画出大型压榨场无人运输机构的设计机械的结构简图，修改完善已有的设计方案，确定最终方案↓利用计算机进行各部分大型压榨场无人运输机构的设计的零件图的绘制和整机的总装配体的装配↓大型压榨场无人运输机构的设计整理资料，编写设计说明书PAGEPAGE32整体方案的确定2.1设计需求所设计的无人运输机构主要用于大型压榨场的搬运工作，结合实际运输过程，在机械结构和整机性能上应该能够满足如下要求：本大型压榨场无人运输机构主要是实现将物体由A点搬运到B点的功能。为了实现搬运过程顺利进行，实现将物体升降并推出至指定位置。经过上述功能剖析，得出下述方案结构。同时本课题全向车的设计应具有如下指标：可运输长宽高为50x40x40cm的货物.2.2大型压榨场无人运输机构的设计相关形式的确定2.2.1轮系结构的方案1）方案1球轮。球轮包括球体、滚子和支撑滚子，驱动滚子固定在支架上，支架可转动，如此一来电机驱动轮架上的滚子带动球体来实现运动.2）方案2正交轮。正交轮的运动原理为通过固连在同一个支架上的轮与地面交替接触，实现不同方向的运行。但是由于两个球形轮与地面接触时间都不是很长，因而在行驶过程中两轮所要承受的压力波动较大，因而使得其行驶速度及运行控制精度都难以得到提高。3）方案3舵轮。舵轮：舵轮主要包括驱动和转向两个部分，通过驱动、转向电机分别驱动，实现舵轮本体的二自由度运动。舵轮型AGV的轮型结构主要采用的为卧式和立式舵轮。结合上述内容的优缺点，综合选择方案三进行设计，。2.1.2车体结构形式的方案方案一叉车式AGV无人运输小车结构叉车式AGV搬运结构，主要是该机器存在叉车结构和AGV本体行走的功能。方案一平车板式升降式AGV无人运输小车结构该结构高度尺寸上较小。适用于环境空间较小的场合。本设计结合实际应用情况，最后选择方案二进行设计。2.3大型压榨场无人运输机构的结构总体布局整体布局结构如下：采用的是四轮单独驱动的结构形式。运动和转向均可以实现，也可以通过差速的运动实现转弯和转向。同时还可以实现前进和后退。3大型压榨场无人运输机构部分的结构设计校核3.1机架机构设计车体是机架焊接结构，其上安装的各个运动部件和操作部件以及运行部件。所以针对整个设计来讲，其为主要部件关键性的部件。该车体在设计过程中需要充分结合其安装结构，安装部分以及相关配合构件的安装形式等内容。同时还需要考虑能够方便拆卸和维修。车架的设计合理性对整个车的性能影响也很大。结合具体应用实际，进行车体的结构设计。3.2驱动轮机构设计3.2.1驱动轮机构的结构驱动轮是该车的主要的运动部件，其可以实现车的转弯，运行以及承载。在运动过程中调整运行姿态也是靠其来执行。属于执行部件。执行承载部件中的较为关键性的构件。本设计采用的单独驱动的结构形式，由电机直接驱动。其中转弯等差速操作也是靠其来执行动作的。主要工作原理：轮胎通过轴，轴上有涡轮蜗杆。涡轮蜗杆端连接减速器和电机，通过电机驱动进行运行。3.2.2驱动轮机构电机的选择3.2.2.1运动系统分析无人运输车在拐弯时的状况：无人运输车以恒定速度匀速转弯；主动轮之间的间隔长度为D；小车主动轮中心（假设小车质量分布均匀）与转弯圆心的距离即转弯半径为R；车轮半径为r；两轮的转速分别为N1、N2；车重为G；小车与行驶路面的摩擦系数为。则有：整个体系中，V为1米每秒；小车自重G为150千克；选取摩擦系数为0.2；3.2.2.2电机的选型和校核伺服电动机的主要参数是功率(KW)。采用伺服电动机并不根据功率，主要还要根据以下三个基本指标选择。动力参数：智能车前行的速度为100mm/s，轮子的转速为电机的转速1）车的受力分析小车车架自重为P小车的载荷为G选用三维坐标系如图所示3.3，写出平衡等式因为前轮和后轮关于Y轴对称，所以，，，解得滚动摩擦阻力偶力矩的数值在零与最大值之间，即Δ为其中滚动摩尼系数，通过表5-2，δ为2～10左右，所以δ可选取6mm牵引力F为求换算到电机轴上的负荷力矩（）取=0.7,=157.66,=0.15求换算到电机轴上的负荷惯性（）其中为车轮的转动惯量；为蜗杆的转动惯量；为蜗轮的转动惯量；为蜗轮轴的转动惯量。电机的选定根据额定转矩和惯量匹配条件，选择直流伺服电动机。电机型号及参数：东方马达BLH5100K-100FR电机Ø60mm石墨电刷80WJM=1290gcm2匹配条件为即惯量其中为伺服电动机转子惯量故电机满足要求。（4）快移时的加速性能当自动导引车进行工件时，最大的空载加速度发生扭矩，而对伺服电机最大速度的步进指令加快。这个最大空载加速转矩就是伺服电动机的最大输出转矩。加速时间其中，机械时间常数3.2.3驱动轮轴的结构设计校核（1）求无人运输车驱动轮轴上的功率、转速和转矩取传动的效率=0.7,则（2）作用在蜗轮上的力（3）初步确定轴的最小直径最开始按照式子（15-2大约设计最小轴的直径。轴的材料选用45号钢，表面做调质处理。根据表15-3，取=115，于是得最小的无人运输车驱动轮轴直径是安在辐轮轴处的直径。因为辐轮与轴运用键的方式联结，所以d4为26mm。（4）轴的结构设计（a）设定轴上零件的按装配合设计装配方案是：蜗轮、套筒、深沟球轴承、轴用弹性挡圈依次从轴的左端向右安装；右端安装深沟球轴承、透盖、内轮辐、轴端挡圈从右端向左安装。（b）按照轴向定位的规定明确轴的每段长度和直径开始采用滚动轴承。由于轴承不仅受有径向力和而且还受轴向力，所以采用单列深沟球轴承。单列深沟球轴承6206型号，他的尺寸为D×T×d=62mm×16mm×30mm，所以dⅠ=dⅢ=dⅤ=30mm。位于右端滚动轴承采取轴肩进行轴向定位方式。根据机械手册查到6206号轴承的轴肩定位高度h=3mm,所以，选用dⅣ=36mm。轴用弹性挡圈为标准件。选取规格为GB894.1-8630,他的长度为d0=30mm，推出lⅡ=1.7mm，dⅡ=28.6mm。选用装置在轮辐处的轴段6的直径dⅥ=26mm。轮辐的宽度是27mm,目的让轴端挡圈可以紧紧地地压紧轮辐，这个轴段应稍微比轮辐的宽度短，所以选用。其他的尺寸可以按照零件的构造能随意选用。明确了轴上每段长度和直径，如图2.10所示。（c）轴上零件的周向定位轴的周向定位采用平键联接。按由手册查得平键截面b×h=8mm×7mm,键槽长为25mm。轮辐与轴的配合为H8/h7。（d）确定轴上圆角和倒角尺寸选用轴端倒角定为1×45°，每个轴肩处的圆角半径是。（5）求轴上的载荷无人运输车驱动轮轴上的受力分析2.11a。L1=L2=27.5mmL3=41mm(a)在水平面上无人运输车驱动轮轴的受力简图为2.11b。由静力平衡方程求出支座A、B的支反力三个集中力作用的截面上的弯矩分别为(b)无人运输车驱动轮轴在垂直面上的受力简图分析2.11c。由静力平衡方程求出支座A、B的支反力，=-127.87，=220.8-157.66+127.87=190.01N在段中，将截面左边外力向截面简化，得在段中，相同把截面受到左边外力向截面处简化方程，得=190.01×27.5+190.01X2-220.8X2+2030.5=7283.275-29.79X2在段中，同样将截面右边外力向截面简化，得计算A、B、C、D截面的总弯矩M无人运输车驱动轮轴上的转矩（6）按弯扭合成应力校核轴的强度开始校核时，一般仅仅核对轴上危险截面D的强度。也就是承受最大弯矩和扭矩的截面由式（15-5）得(2.47)其中，为折合系数，取=0.6为轴的抗弯截面系数，由表15-4得轴的材料选用是45号钢，表面做调质处理，通过表15-1得到[σ-1]=60MPa因此，故安全。4大型压榨场无人运输机构部分的尺寸综合4.1蓄电池尺寸机参数该车辆选用镉镍超高倍率蓄电池做动力电源,其原因是该电池可满足大电流快速充电,且体积重量相对较小的原因.在领域中应用10几年来,虽出现过一些问题,总体行业内还算认可.故业内设计人员的设计思路大都基本固定在这里.在稳步发展的同时,也掩盖了该电池1.循环寿命低2.维护繁琐3.成本高启4回收困难5因一致性不良造成车辆故障率偏高等诸多问题.近年来随着电池技术的发展,锂电池逐渐在各个领域显现出其优势.所以总结了一些方案,对比二者的参数如下：在相同额定容量下（以24V100Ah为例），锂电池体积比镉镍电池为大一倍;重量锂电池约30公斤，而镉镍电池为86公斤，约为3倍。则选择尺寸为85*250*88的蓄电池。锂电池生产采用全密封工艺制作，终身不需更换电解液，且使用过程中不会有任何气体、液体产生。锂电池组合均带有电池保护系统，可确保终身每单体电压一致，不会如镉镍电池极易产生因长期使用造成个别单体落后最终降低整组容量下降。4.2驱动轮结构尺寸参数驱动轮的外形尺寸为：4.1驱动轮的外形尺寸4.3综合尺寸计算该机的高度方向：蓄电池的高度驱动轮的结构高度+平移台+余量=409mm该机的宽度方向：蓄电池的宽度方向+机架的余量=570mm该机的长度方向：轮距-蓄电池的长度+余量=959mm结论本次毕业设计中，对机械设备的设计方面有了很好的提升，对大型压榨场无人运输机构机构的工作过程有了深刻的体会，明白了各个零件的主要结构以及安装位置。设计使我掌握了机械设计的步骤和方法，同时通过本次的设计，明白了以前在课堂上很多不是很清楚的问题。总体来说本次设计有以下优点：（1）设计的大型压榨场无人运输机构驱动轮的原理和结构都比较简单，从而给制造、安装、使用和维修带大型压榨场无人运输机构来了极大的方便。（2）升降平台可以适当优化。当然，本次设计也有许多不足之处，比如在大型压榨场无人运输机构驱动轮的更换方式上，整机尺寸的把握和控制上以及再成本上会有更大的空间，希望以后有机会能够实现且做到不足之处的弥补。参考文献[1]邱宣怀.机械设计.北京；高等教育出版社，1997（2006重印）[2]罗圣国.龚掕义。机械设计课程设计指导书.高等教育出版社1990.4[3]王德夫.姜勇.李长顺.韩学栓机械设计手册；北京；化学工业出版社；1997年[4]陈顺平，梅德庆，陈子辰.激光导引ACV的自动导引系统设计.工程设计学报,2003,10(5):279-282[5]陈顺平，梅德庆，陈了辰激光导引差速转向AGV的控制系统设计‘机电工程，2003,20(5):87-89[6]T.立贤，汀滨琦.用单片机实现步进电机变速控制的方法.应用科技，2003,30(1):42-42,54[7]李海波，何雪涛步进电机升降速的离散控制.北京化工大学学报，2003,30(1):92-94[8]宋小鹏，盛仲FA.多功能步进电机控制器软件设计.华北工学院学报，2003,24(1):58-61[9]陈细军，谭民.VC编程中的串口通信技术.计算机应用，,2001,21(9):94.95[10]王宏伟.昊建设，基于VC++6.0的串行通信设计与实现.黄石高等专科学校学报，2003,19(2):16-19[11]张辰贝西。自动导航车_AGV_发展综述。南京：南京航空航天大学信息科学与技术学院，2010年。[12]常健、吴成东、李斌。移动机器人避障方法综述。仪器仪表学报第31卷第八期增刊，2010年8月。[13]STC89C52RC单片机用户手册，百度文库。[14]宁慧慧。智能小车运动轨迹的控制方法研究。山西：中北大学硕士学位论文，2010年。[15]张自红、付伟、罗瑞。C51单片机基础及编程应用。北京：中国电力出版社，2012年10月第一版。[16]曹卫芳。基于MCS51系列单片机的通用控制模块的研究。山东：山东科技大学硕士论文，2005年5月。[17]刘建清。轻松玩转51单片机。北京：北京航天航空大学，2011年3月第一版。[18]刘建清。轻松玩转51单片机C语言。北京：北京航天航空大学，2011年3月第一版。[19]贺哲荣、黄金波。AT89S51单片机硬件设计与编程实例。北京：中国电力出版社，2012年7月第一版。[20]protue