餐廳服務機器人設計【含CAD圖紙、說明書】

餐廳服務機器人設計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,餐廳,服務,機器人,設計,cad,圖紙,說明書,仿單 摘 要 隨著人們生活水平的不斷提高，消費觀念已從傳統(tǒng)的單純物質(zhì)消費逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量的服務要求。體現(xiàn)的最為明顯的就是對餐飲的衛(wèi)生條件以及環(huán)境的要求。傳統(tǒng)的人工服務已經(jīng)無法滿足人們的要求。本人設計的餐廳服務機器人是節(jié)省人力方便快捷而又衛(wèi)生的新型全自動送餐車，是新型的自動車與傳統(tǒng)飲食文化的一種融合，對于傳統(tǒng)的餐飲業(yè)帶來全新的沖擊，通過以機器代替人力來節(jié)省資源，同時還改善了就餐的環(huán)境，滿足了人們對餐飲衛(wèi)生條件越來越高的要求，改變傳統(tǒng)的餐飲理念。 本文文中詳細介紹該車各部件的選擇，首先簡要介紹了傳統(tǒng)人工送餐的弊端以及人們對餐飲業(yè)更高的要求，同時也介紹了本車的驅(qū)動方式、手臂的擺動方式。該車的設計運用雙電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。其中重點是驅(qū)動裝置和機械手臂的設計思路，驅(qū)動裝置是該車設計的關鍵組成部分，考慮到餐廳的面積有限，各個餐桌之間的距離也極為有限，所以用兩個電機驅(qū)動可以原地轉(zhuǎn)彎。機械手的設計是全車的另一個主要部分，其中延時繼電器的使用完成了全部自動化的實現(xiàn)，重點介紹該車各部件具體尺寸的選擇原則，尤其是驅(qū)動裝置的尺寸應與機械手部件尺寸的選擇。 文中詳細介紹了該車部分部件的實際繪制過程，并簡要介紹該車各部件的裝配。本車具有一定的創(chuàng)新性，以它新穎的理念和意義一定會受到人們的喜愛，希望這款自動送餐車能夠早日投入市場。 關鍵詞：自動送餐車；驅(qū)動裝置；機械手 I Abstract Because people live horizontal of continuously raise, consume the idea has already consumed the gradual change as high quality from the traditional pure material of service request.Body's ising the most obvious is the request to the hygiene condition of dining and the environment now.The traditional artificial service has already can't satisfy people's request.Oneself automatically send of the design serving cart is economical manpower convenience fast but again sanitary new full-automatic send serving cart, is 1 kind of new automatic car and traditional food culture to blend, bring all new impact to the traditional dining industry, pass to replace manpower by machine to economical resources, still improved for the environment of meal in the meantime, satisfied people to the condition more and more high request of the dining hygiene, change a traditional dining principle. This text the synopsis introduced traditional artificial to send the irregularity of meal and people to the dining industry higher request first and also introduced the swing method of way, arm of drive of this car in the meantime.The design usage of that car double the electrical engineering drive, can carry out at first turn.The choice of detailed introduction that each parts of car in text, among them point is drive equip and machine arm of design way of thinking, drive device is that car design of the key constitute part, in consideration of the area of restaurant is limited, the distance of of each dining table isn't extremely limited either, so drive with two electrical engineerings can at first make a turn.The design of machine hand is that the another of whole carses is mainly part of, completed all realizations of automations after the usage of electric appliances while postponing among them, the point introduces the choice principle of that concrete size of each parts of car, particularly is the size which drives device in response to and machine hand piece the choice of the size. Masterly control CAD to draw three see diagram is also oneself one of the purpose of this design, in the process of introducing that physically draw of the car parts of partseses in detail in the text, and the synopsis introduce the assemble of that each parts of car.This car has certain innovation, novel principle and the meaning certain meeting which hope with it are subjected to people's fancy, hope oneself design of this automatically sends serving cart and can throw in a market. Keyword:Automatically send serving cart,Drive device,Machine han II 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題的背景及意義 1 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3 餐廳服務機器人發(fā)展趨勢 2 1.4 課題研究方法和手段 2 第2章 行走方案設計 4 2.1 概述 4 2.2 車身總體設計 4 2.2.1 車身部分的設計 4 2.2.2 車輪的選擇 4 2.2.3 驅(qū)動方式的設計 4 2.2.4 驅(qū)動速度的相關計算 5 2.2.5 驅(qū)動軸校核計算 6 第3章 送餐部分設計 15 3.1 機械手總體設計 15 3.1.1 蝸輪、蝸桿的相關設計計算 15 3.1.2 滑動螺旋傳動的計算 21 3.1.3 主軸軸承校核計算 23 3.2 電磁鐵的選擇 25 3.3 機械手 26 3.4 平行四邊形機構的設計 26 3.5 機械手的尺寸 27 3.6 外部支架的設計 27 第4章 控制方案設計 29 4.1模擬餐桌的分布 29 4.2 PLC選型 30 4.3 輸入/輸出地址分配 30 4.4流程圖 33 4.5 PLC外部接線圖 34 4.6 梯形圖 35 結 論 40 參 考 文 獻 41 致 謝 42 第1章 緒論 1.1 課題的背景及意義 隨著科學技術的日新月異，人們生活水平的不斷提高。現(xiàn)代都市的節(jié)奏越來越快，人們對于時間的要求越來越高，怎么樣才能更有效的節(jié)約時間成為了一個十分敏感的問題，飲食的質(zhì)量和便捷程序是人們更加關注的問題，許多的餐飲業(yè)主對此也給予了很高的關注，因此關于怎么樣才能節(jié)約時間和人力等資源以成為了一種必然的趨勢了。這種既便捷又潔凈的供餐方式不僅滿足了消費者的需求，而且還為眾多的餐飲企業(yè)節(jié)約了許多的人力資源，從而得到了更好的經(jīng)濟效益，所以餐廳服務機器人是一個順應時代的產(chǎn)品，必將會被廣泛的推廣開來。餐廳服務機器人的出現(xiàn)不僅方便了人們的生活而且象征了一種文化品位，代表著現(xiàn)代人們追求的價值觀已經(jīng)到達了一個新的高度了，社會的文明也可以從此窺見一斑。餐廳服務機器人必將成為餐飲業(yè)一道最為靚麗的風景線。 機器人作為典型的機電一體化裝置，它綜合運用了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅(qū)動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和各行各業(yè)對自動化程度要求的提高，機器人技術得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機器人產(chǎn)品。機器人產(chǎn)品的實用化，既解決了許多單靠人力難以完成的實際問題，又促進了工業(yè)自動化的進程。目前，由于機器人的研制和開發(fā)涉及多方面的技術，系統(tǒng)結構復雜，開發(fā)和研制的成本普遍較高，在某種程度上限制了該項技術的廣泛應用，因此，研制經(jīng)濟型、實用化、高可靠性機器人系統(tǒng)具有廣泛的社會現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在國內(nèi)，最早的機器人系統(tǒng)是沈陽自動化研究所研制的OSMOR（an open system for mobilerobot）系統(tǒng)口。OSMOR系統(tǒng)為每個諸如車體運動、攝像機云臺和作業(yè)手等分系統(tǒng)設計一個具有規(guī)劃、運動學計算和伺服控制的三層結構。此外，OSMOR系統(tǒng)在傳感器的處理方面有自己的特點，它采用全局數(shù)據(jù)庫，將傳感器數(shù)據(jù)處理獨立于體系結構之外，以避免傳感器的多樣性和數(shù)據(jù)處理的復雜性。OSMOR是一個基于Windows操作系統(tǒng)的開放式體系結構。它基本屬于一種實驗室自主開發(fā)的機器人系統(tǒng)，其市場覆蓋面不大，缺乏后續(xù)研究性。中南大學蔡自興等研究了基于進化思想的機器人功能，行為集成控制體系結構，并開發(fā)了室外汽車的自主導航系統(tǒng)。浙江大學建立了一個基于混合控制模式的室內(nèi)移動機器人原型。南京理工大學則針對微小型機器人系統(tǒng)展開了研究，提出了分布式Agent系統(tǒng)口。總體來說，這些都是基于行為的控制模塊。 在國外，第一臺餐廳服務機器人Alfred在加拿大誕生，該機器人顯示出表情并可以與客戶進行簡單交流，但語音識別正確率低，顯示的表情也不是很自然；2006年，美國研制的餐廳服務機器人具有迎客、點菜、跳舞等功能，有較好的科技感和互動感；2010年， 餐廳服務機器人的發(fā)展又可以沿軌道送菜，并可以進行跳舞等表演；2013年餐廳服務機器人具有了更加全面的功能，包括煮水餃、煮面、炒菜、送菜、收費打包剩菜、清洗消毒工具等。他們主要使用的是Arduino控制板或者ARM開發(fā)板進行硬件的鏈接和軟件的控制和輸出。 1.3 餐廳服務機器人發(fā)展趨勢 目前餐廳服務機器人可以一定程度上的代替人工勞動，但是其與顧客的互動性還不夠且體型較大，價格很高。智能機器人發(fā)展很快，從智能玩具到其他各行業(yè)都有實質(zhì)成果。近些年，國內(nèi)的科研機構和企事業(yè)在機器人的研發(fā)領域開展了大量工作。在北京，各高校和研究所已經(jīng)形成區(qū)域優(yōu)勢。北京航空航天大學、清華大學、中科院北京自動化所、北京理工大學等單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果。在上海，政府投入力度很大，舉辦中國國際機器人展覽暨研討會。復旦大學和上海交通大學等高校都做了很有特色的研究工作。在東北，沈陽自動化所、哈爾濱工業(yè)大學等研究機構在專用機器人方面具有優(yōu)勢。像中科院沈陽自動化所于2000年開發(fā)和研制成功六千米無纜自治水下機器人。深圳在機器人產(chǎn)業(yè)涉及的計算機、傳感器、通訊、精密機械、光電一體化等領域具有優(yōu)勢，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中積聚了優(yōu)勢技術資源和創(chuàng)新能力，同時擁有良好的產(chǎn)業(yè)配套能力。作為全國高科技重鎮(zhèn)，深圳目前在機器人產(chǎn)業(yè)已具備一定的技術實力和產(chǎn)業(yè)基礎。? 1.4 課題研究方法和手段 我的畢業(yè)設計題目是餐廳服務機器人設計。根據(jù)整體的設計思路，將設計方案大致分為三部分。 第一階段：收集相關資料，閱讀有關的書籍對服務機器人有一個全面而詳細的了解。并且擬定出幾種可行的設計方案，根據(jù)分析對所得到的餐廳服務機器人的發(fā)展趨勢作出大膽的設想，并從中進行比較分析后確定一個最為可行的方案。 第二階段：在指導老師的幫助下深入研究有關的機械執(zhí)行機構，設計出合理的機械設備，并且配合以電路控制，從而達到理想的自動化效果。注重每一個環(huán)節(jié)，如正確的路線選擇，自動延時，自動躲避障礙物等。對這些組成部分進行準確的把握。 第三階段：在機器人的自動送餐實現(xiàn)之后及時的投入到機械手的機械設計以及相關的自動控制中去，能夠模擬出其工作過程，使其準確合理。將其與自動送餐的部分進行良好的結合，使兩部分結合到一起。最后總體的加以調(diào)試，在老師的指導下對整個控制系統(tǒng)進行優(yōu)化和完善。 路徑規(guī)劃是指機器人從起始點到目標點之間找到一條安全無碰的路徑，是機器人領域的重要課題。按路徑規(guī)劃，無論機器人路徑規(guī)劃屬于哪種類別，采用何種規(guī)劃算法，基本上都要遵循以下步驟來建立環(huán)境模型，即將機器人所處的現(xiàn)實世界進行抽象后建立相關尋找合乎條件的路徑的搜索算法。運動規(guī)劃方法分類比較及研究進展機器人需要對感知到的局部外部環(huán)境或者實現(xiàn)已知的全局環(huán)境進行建模，一般以便表述和體表述為主。前者需要寫出一些方程描述某個區(qū)域，后者需要描述某個區(qū)域內(nèi)包含的所有的點，它們都可用來描述自由區(qū)域和障礙區(qū)域。搜索策略基本上分為確定搜索方式和隨機搜索方式兩種。本文從環(huán)境模型表示和搜索策略角度考慮，探討移動機器人的路徑規(guī)劃方法。 第2章 行走方案設計 2.1 概述 本人設計的餐廳服務機器人的運動車主要有車身部分、動力部分、傳動裝置、制動裝置組成。其中車身部分包括車外殼、支撐板、前后車輪。為了能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎時的原地轉(zhuǎn)彎，本車采用雙前輪驅(qū)動，這樣轉(zhuǎn)彎的時候兩輪向相反的方向運動。該車采用前輪驅(qū)動，后輪隨動作用，以避免因兩前輪在剎車時因速度不等而發(fā)生事故現(xiàn)象。該車傳動部分采用皮帶傳動，使車身總體的質(zhì)量減小，達到輕便使用的目的。 2.2 車身總體設計 2.2.1 車身部分的設計 在車身設計過程中考慮的相關問題： 本車由于在餐廳內(nèi)行走，所以其體積應該盡量的小，這樣才不會影響客人的正常行動，使其從無論是外觀還是實用效果上所能適用的范圍更加的廣泛，許多中小型的餐廳也可以使用。但其高度應該適應一般飯桌的高度要求，這樣食物從餐車到餐桌的過程當中才能更加的平穩(wěn)，送餐部分的擺桿轉(zhuǎn)動的角度和距離也會減小，所以車上所帶的支架的高度選擇略高，絲杠的行程也應相應的減小，從而帶來了穩(wěn)定性的提高，使使用效果大大增強了。另外考慮到地面可能有雜物的存在，底板的高度要稍微高一點，就是要求車輪伸出車體的高度應該盡量的多，這樣可以避免雜物對車的影響。 車身框架的相關尺寸如下： 車全高為1250mm，車體的寬度為464mm，車體的長度為1028mm。 2.2.2 車輪的選擇 由于車是在室內(nèi)活動并且承載著食物，所以車的平穩(wěn)性的要求比較高，本車選用的是橡膠輪。其尺寸為146mm。 2.2.3 驅(qū)動方式的設計 傳統(tǒng)的餐車轉(zhuǎn)彎的時候需要一定的旋轉(zhuǎn)半徑來實現(xiàn)它的轉(zhuǎn)彎功能，這樣就對空間的要求比較的高，需要更大的空間才能完成轉(zhuǎn)彎，因此送餐的應用范圍就受到了很大局限。 如果選用通過軌道來限制餐車的運動軌跡，固然平穩(wěn)，但在餐廳內(nèi)設置軌道必然會引起諸多的不便捷之處，首先軌道內(nèi)雜物的對餐車運動的影響，其次軌道對客人行走的影響。再次，現(xiàn)代的餐廳都要求干凈整潔，軌道的存在勢必在視覺上影響餐廳的美觀和整潔。 為使送餐車能夠原地轉(zhuǎn)彎從而避免拐彎時所占用的空間過大，所以采用雙輪驅(qū)動，這樣可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，節(jié)省了拐彎時所須的空間。為了避免軌道的存在所帶來的各個方面的不便，本車采用延時系統(tǒng)來實現(xiàn)餐車的轉(zhuǎn)彎，是餐廳看上去更為干凈整潔。畢竟環(huán)境是現(xiàn)代人對餐廳的一個主要的要求。 本車的動力源是采用由杭州宏昌電聲磁技術開發(fā)有限公司制造的WB-0500-01型電機其特點是可以便于控制，而且所用電機存在制動系統(tǒng)能夠完成餐車在轉(zhuǎn)彎或遇到障礙時所需要的停止行走所需要的制動。電機的轉(zhuǎn)速為200r/min 2.2.4 驅(qū)動速度的相關計算 驅(qū)動相關的計算： 該車的主動帶輪第一級減速比為： (2-1) 第二級減速比為： (2-2) 電動機的轉(zhuǎn)速為n=200r/ min (2-3) 通過第一級降速后速度為： （2-4） 通過第二級降速后速度為： （2-5） 車輪的周長為： (2-6) 車前進的速度為： (2-7) 車轉(zhuǎn)90度的旋轉(zhuǎn)長度為： 車轉(zhuǎn)90度所需要的時間： (2-8) 2.2.5 驅(qū)動軸校核計算 圖2-1軸受力示意圖 圖2-1中A,C兩點為軸的固定點。B點為受力點AB＝52.44 mm，BC=27.44mm假設充分估計餐車的總重量為100kg。那么一個車輪受力為50kg,那么BF方向上所受到的力約為500N。 列Y向合力平衡方程： (2-9) 對A點取矩由∑Ma=0列彎矩平衡方程： (2-10) 求得F2=331.25N，因為，，所以，F(xiàn)1=168.75N。 對C點取矩得： (2-11) 此軸可看成是簡支梁，受力分析所得彎矩圖如下： 圖2-2軸受彎矩示意圖 σ===6.0766×103 Pa＜100MPa (2-12) 所以選用的軸符合強度的要求。 軸的扭轉(zhuǎn)剛度驗算如下： (2-13) 式中：G—軸的材料的剪切彈性模量，Mpa，對于鋼材G=8.1×104 Mpa； Ipi—第i段軸截面的極慣性矩，mm4，對于圓軸Ip=πd4/32； Ti—階梯軸第i段上所受的扭矩，N·mm； L—階梯軸第i段上所受的扭矩作用長度，mm。 由前面可知Me=T，則 (2-14) 扭轉(zhuǎn)強度條件計算如下：（電機輸出功率150W，轉(zhuǎn)速200r/min） Mpa (2-15) 因為，25 Mpa ＜=31.8 Mpa＜50 Mpa(按要求可以的范圍為25到50 Mpa之間),所以，經(jīng)計算，軸的設計尺寸符合要求。 2.2.6 驅(qū)動輪上軸承的校核 圖2-3軸承受力示意圖 選用的軸承型號為6000型 GB/T276 (1)計算軸承所受徑向力Fr1、Fr1 已知Fr=500N，F(xiàn)a=0N，列Y向合力平衡方程： 對A點取矩由∑Ma=0列彎矩平衡方程： 求得Fr2=331.25N，因為，，所以，F(xiàn)r1=168.75N。 （2）求比值 (2-16) 根據(jù)表13-5徑向動載荷系數(shù)X和軸向動載荷系數(shù)Y [4]，深溝球軸承的最小判斷系數(shù)e值為0.22，故此時 (2-17) (3)計算當量動載荷P (2-18) 根據(jù)表13-6載荷系數(shù)fp [4]查得，fp=1.0～1.2，取fp=1.2。 按表13-5徑向動載荷系數(shù)X和軸向動載荷系數(shù)Y [4]查得，X=0.56，取Y=0，則 (4)求軸承的基本額定動載荷值 (2-19) (5)按照軸承樣本選擇6201型軸承 C=1000N驗算軸承壽命： (2-20) 所以，軸承滿足要求。 2.2.7 帶傳動的相關計算 本服務機器人傳動設計由電機輸出的動力經(jīng)傳動帶輸送，經(jīng)過兩級減速后，傳送到車輪軸，驅(qū)動車前進。 1、第一級V帶的計算 電機輸出功率150W，希望中心距154mm，傳動比i=2。 （1）確定計算功率 計算功率Pca是根據(jù)傳遞的功率P,并考慮到載荷性質(zhì)和每天運轉(zhuǎn)時間長短等因素的影響而確定的。即： w (2-21) 式中：Pca—計算功率，單位為W； P—傳遞的額定功率（電機的額定功率），P=150W，單位為KW； KA—工作情況系數(shù)，KA=1.2（由表8-7工作情況系數(shù)KA [4]查得）。 （2）選擇帶型 根據(jù)Pca=180W及n=200r/min由圖8-11普通V帶選型[4]選取B型V帶。 （3）小帶輪基準直徑： 由圖8-11普通V帶選型[4]和表8-6 V帶輪的最小基準直徑[4]、表8-8普通V帶的基準直徑系列[4]選定小帶輪直徑為50mm。 （4）大帶輪基準直徑 取滑動率ε=0.02，大帶輪直徑： (2-22) 由表8-8 普通V帶的基準直徑系列[4]選定100mm 。 （5）驗算傳動比誤差 (2-23) (2-24) （6）帶速 m/s (2-25) 因為，在5～25m/s之間，所以可以用。 （7）初定中心距 (2-26) 式中：—中心距，單位為mm； d—帶輪的基準直徑，單位為mm。 按設計要求取a0=154mm （8）計算相應帶長 (2-27) 由表8-2 V帶的基準長度系列及長度系數(shù)KL [4]選取V帶基準長度 =560mm。 (9)實際中心距 a (2-28) 安裝時所需最小中心距 (2-29) (10)小帶輪包角 (2-30) 2、第二級V帶的計算 希望中心距200mm，傳動比i=1.4。 （1）確定計算功率 W (2-31) （2）選擇帶型 根據(jù)Pca=180W及n=100r/min由圖8-11 普通V帶選型[4]選取B型V帶。 （3）小帶輪基準直徑 由圖8-11 普通V帶選型[4]和表8-6 V帶輪的最小基準直徑[4]、表8-8 普通V帶輪的基準直徑系列[4]選定小帶輪直徑為50mm。 （4）大帶輪基準直徑 取滑動率ε=0.02，大帶輪直徑： 由表8-8 普通V帶輪的基準直徑系列[4]選定75mm 。 （5）驗算傳動比誤差 (2-32) (2-33) （6）帶速 (2-34) 在5～25m/s之間，所以可以用。 （7）初定中心距 式中：—中心距，單位為mm； d—帶輪的基準直徑，單位為mm。 按設計要求取a0=200mm （8）計算相應帶長 由表8-2 V帶的基準長度系列及長度系數(shù)KL [4]選取V帶基準長度 =630mm。 (9)實際中心距 a (2-35) 安裝時所需最小中心距 (10)小帶輪包角 (2-36) 第3章 送餐部分設計 3.1 機械手總體設計 本機械手腕部的動力源是采用J—ZYT系列直流減速電機其特點是可以便于控制，而且所用電機分別由ZYT系列直流電動機與Px型普通精度行星減速器構成，且配帶電源，可實現(xiàn)無級調(diào)速。調(diào)整范圍寬、體積小、重量輕、效率高、結構緊湊、輸出轉(zhuǎn)矩大，廣泛使用于引進設備及國產(chǎn)機械。如：四色印刷機、塑料平封機、食品及工業(yè)包裝機械、輸送管道保暖檢測裝置、焊接設備以及其它需要低速高轉(zhuǎn)矩、無級調(diào)速的驅(qū)動裝置所配電源采用脈寬調(diào)制技術，具有先進的短路保護功能（其功能詳見電源使用說明書），輸出0-220V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，使電動機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無級變速等優(yōu)點[6]。選擇電機的功率為20W、轉(zhuǎn)速為200r/min。 3.1.1 蝸輪、蝸桿的相關設計計算 1、選擇傳動類型和材料 由于傳遞功率不大，轉(zhuǎn)速較低，可選用普通圓柱蝸桿傳動，蝸桿用40Cr，表面淬火，硬度為45～55HRC。蝸輪輪齒圈選用鑄錫青銅（ZCuSn10Pb1），金屬膜鑄造[7]。 2、選擇蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù) 已知公稱傳動比i=4.83，取Z1=6，則： （3-1） 3、按蝸輪齒面接觸強度設計 （1）確定蝸輪轉(zhuǎn)矩T2 按表14—13蝸桿傳動總效率的近似值[8]，暫取η=0.92 （3-2） （3-3） （2)確定載荷系數(shù) 由載荷穩(wěn)定，可初定載荷系數(shù)K=1.2。 （3)確定許用應力 由表14—16含錫青銅蝸輪材料的基本需用接觸應力[σ]H [8]查得，基本許用應力[σ]H=220MPa，設vs=5m/s，由圖14—10滑動速度影響系數(shù)[8]，取滑動速度影響系數(shù)Zvs=0.90，則應力循環(huán)次數(shù)： （3-4） 查圖14—11壽命系數(shù)[8]查得，壽命系數(shù)為ZN=1.4。 （3-5） （4）計算模數(shù)m及蝸桿分度圓直徑d1 （3-6） 查表14—18m、d1和m2d1值[8]取m=2mm，d1=22.4mm（m2d1=89.6）； 查表14—10蝸桿、蝸輪參數(shù)的匹配[8]按i=4.83，m=6mm，d1=22.4mm可得：a=40mm，z1=6，z2=29，x2=-0.5。 蝸輪分度圓直徑： （3-7） （5）驗算蝸輪圓周速度 實際傳動比： （3-8） （3-9） 蝸輪的圓周速度： （3-10） （6）計算嚙合效率 蝸桿導程角： （3-11） 滑動速度： （3-12） 查表14—12普通圓柱蝸桿傳動的當量摩擦因數(shù)和摩擦角[8]得摩擦角為ρ,=4.8 ° 嚙合效率： （3-13） 取η2=0.96，η3=0.98則η=η1η2η3=0.82568×0.96×0.98=0.7768。 （7）校核蝸輪齒面接觸強度 蝸輪實際傳遞轉(zhuǎn)矩： 當vs=0.799m/s時，查圖14—10滑動速度影響系數(shù)Zvs [8]得Zvs=1， （3-14） 按表14—15使用系數(shù)KA [8]取使用系數(shù)KA=0.91，載荷分布系數(shù)Kβ=1.0，動載荷系數(shù)Kv=1.05則K=0.9×1.0×1.05=0.945，所以 因為m2d1＜89.6mm2，所以蝸輪齒面接觸強度合格。 （8）校核蝸輪齒根抗彎強度 需用彎曲應力： 由N=3.73×107查圖14—11壽命系數(shù)YN [8]得YN=1 （3-15） 當量齒數(shù)： （3-16） 查表14—19蝸輪齒形系數(shù)[8]得蝸輪齒形系數(shù)YF=1.68 （3-17） 所以蝸輪齒根抗彎強度合格。 （9）熱平衡計算 （3-18） 取t0=25℃, t1=28℃，Ks=14W/（m2k）,η=0.7768(傳動效率)。 由上式得所需散熱面積： （3-19） 4、蝸桿、蝸輪的參數(shù)計算 基本數(shù)據(jù)：中心矩a=40mm，傳動比i12=4.83，模數(shù)m=2mm，蝸桿頭數(shù)Z1=6，直徑系數(shù)q=11.2，蝸輪齒數(shù)Z2=29 （1）蝸桿參數(shù) 蝸桿分度圓直徑： （3-20） 蝸桿頂圓直徑： （3-21） 蝸桿齒根圓直徑： （3-22） 蝸桿齒頂高： （3-23） 蝸桿齒根高： （3-24） 蝸桿齒寬： 取b1=31mm （3-25） （2）蝸輪參數(shù) 蝸輪分度圓直徑： 蝸輪喉圓直徑： （3-26） 蝸輪頂圓直徑： （3-27） 蝸輪根圓直徑： （3-28） 頂隙： （3-29） 蝸輪咽喉圓半徑： （3-30） 蝸輪齒頂高： （3-31） 蝸輪齒根高： （3-32） 蝸輪齒寬： （3-33） 3.1.2 滑動螺旋傳動的計算 1、估計工作載荷F=200N，絲杠或螺母轉(zhuǎn)速為n=120r/min （1）選定螺紋類型 螺紋牙型為等腰梯形，牙型角α=30°、高徑比ψ=1.2～2.5。特點是內(nèi)外螺紋以錐面貼緊不易松動。與矩形螺紋相比，傳動效率略低，但工藝性好，牙根強度高，對中性好。梯形螺紋也是最常用的傳動螺紋[11]。 （2）選定螺旋副材料 查表16—10滑動螺旋副材料的摩擦因數(shù)f和許用比壓[P] [8]取許用比壓[P]=2.0MPa，摩擦因數(shù)f=0.15，螺桿材料為#45，螺母材料為鑄鐵。 （3）基本尺寸計算 螺紋中徑： （3-34） 所以取公稱直徑d2=22mm。要求自鎖時，，所以螺距P=3。 螺母高度： （3-35） 螺紋中經(jīng)： （3-36） 螺紋小徑： （3-37） 螺母旋合圈數(shù)： （3-38） 2、校核計算 （1）耐磨性校核 根據(jù)螺旋副材料從表16—10滑動螺旋副材料的摩擦因數(shù)f和許用比壓[P] [8]查取許用比壓[P]=2.0MPa，根據(jù)螺紋類型，從標準中查取螺桿的中徑d2=19.5mm，小徑d3=16.5mm。 計算螺距： 計算螺紋工作高度(梯形)： （3-39） 計算螺旋副壓強： （3-40） 因為，所以耐磨性能通過。 （2）螺桿強度校核 根據(jù)螺旋副材料，從表16—11滑動螺旋副材料的許用應力[8]查取許用拉應力[σ]=340MPa 計算危險斷面的當量應力： （3-41） 因為，所以強度通過。 （3）螺母螺牙強度校核 根據(jù)螺旋副材料，從表16—11滑動螺旋副材料的許用應力[8]查取許用彎曲應力，許用切應力。根據(jù)螺紋類型，從標準中查取螺母的大徑D4=22.5mm。 計算螺牙根部寬度： 計算螺牙切應力： （3-42） 計算螺牙彎曲應力： （3-43） 因為螺桿和螺母的切應力，彎曲應力，所以螺牙強度通過。 3.1.3 主軸軸承校核計算 圖3-1軸承受力示意圖 選用的軸承型號為3000型 GB/T297 (1)計算軸承所受徑向力Fr1、Fr1 由∑Ma=0列彎矩平衡方程： 求得Fr2=8N，同理， Fr1=6N。 （2）計算派生軸向力FS1、FS2 由于選擇3000型軸承，由表13-5徑向動載荷系數(shù)X和軸向動載荷系數(shù)Y[4] 查得Fs=0.23Fr則： 所以A、B軸承的軸向力： ∴， (3)計算當量動載荷P （3-44） 根據(jù)表13-6載荷系數(shù)fp [4]查得，fp=1.0～1.2，取fp=1.2。 按表13-5徑向動載荷系數(shù)X和軸向動載荷系數(shù)Y [4]查得，X1=0.4，取Y1=1.25，則 按表13-5徑向動載荷系數(shù)X和軸向動載荷系數(shù)Y [4]查得，X2=1，取Y2=0，則 因為P1＞P2，所以軸承A危險。 (4)求軸承的基本額定動載荷值 （3-45） (5)按照軸承樣本選擇3207型軸承 C=312.9N驗算軸承壽命： 所以軸承滿足要求。 3.2 電磁鐵的選擇 推拉式電磁鐵主要有外殼、定鐵芯、動鐵芯和線圈四部分組成。線圈通電后，動鐵芯產(chǎn)生軸向直線運動，起到推、拉外接負載裝置的功能。由于采用高導磁的材料和 帶有錐形配合的磁路結構，因此產(chǎn)品雖然體積小、重量輕，但與常規(guī)的小型電磁鐵相比，其行程和吸引力都較大[12]。 本次選用的電磁鐵的型號為TCT34Z，直徑為34mm，工作行程為26mm，吸力可達70N，所以足可以滿足機構對拉力的需求。 3.3 機械手 由于所取的使用的餐盤的大小為直徑為20cm，并且上下邊緣的傾斜角度為45度，餐盤的高度為3cm。所以機械手的相關尺寸是以此為條件選擇并設計。 機械手的下端部分必須能牢固的承接住餐盤的底部，從而實現(xiàn)對餐盤的抓舉。這樣餐盤在移動的過程當中才能更為穩(wěn)妥，為了讓餐盤能更為穩(wěn)固，所以與餐盤接觸處我選擇摩擦力較大的橡膠材料[13]。這樣既可以保證盤子不會打滑而脫落，而且在運動過程當中也能達到更好的安全效果。橡膠材料又不是太硬，不會對盤子造成損壞。與餐盤的接觸處設計成為45度的弧型，這樣可以緊緊包裹盤子的外部邊緣，設計的寬度又略小于盤子的邊緣，形成絕大多數(shù)面積的包裹，這樣在安全系數(shù)上有了進一步的保障。 3.4 平行四邊形機構的設計 當把餐盤送到客人的餐桌以后，機械手要張開，只有這樣才能使機械手自己返回到餐車的初始位置上面，但由于機械手的邊緣部分離餐桌的底部已經(jīng)很近了，原因是為了保證安全性[14]。所以為了讓手打開的時候不與餐桌發(fā)生干涉。既要讓手打開，而前端還不能下降，所以設計了平行四邊形機構，以達到目的。平行四邊形用銷釘與機械手連接在了一起。 工作原理如下：當機械手打開時，由于平行四邊形的上端固定，所以下面的邊只能與上面的邊平行，所以盡管機械手向兩邊打開了，但底邊沒有下降，不可能與桌面發(fā)生干涉。 圖3-2 機械手結構示意圖 如圖3-2所示桿的上端設有槽口,用來實現(xiàn)推桿推動機械手的時候不發(fā)生干涉,進而實現(xiàn)它的功能。 3.5 機械手的尺寸 圖3-3機械手尺寸示意圖 圖3-3中1為推桿，2的長度為136mm,3的長度為86mm，4的長度為72mm。桿2和桿3的夾角為120度。根據(jù)計算得出桿1的行程為26mm，此行程即是上部直線電磁鐵的行程。上訴幾桿長度的選擇是參考桌面距離和箱體的高度，餐盤的尺寸，以及裝上食物后所必須留出相應的空間所定的。 3.6 外部支架的設計 為了實現(xiàn)讓放在餐車上面的餐盤通過機械手的抓舉到達桌子上面，所以在車的上部設計了一個可以活動的支架，通過電機的旋轉(zhuǎn)使手臂轉(zhuǎn)動，直線電磁鐵推桿的推動實現(xiàn)餐盤的上桌，由于考慮到送餐的穩(wěn)定性，所以支架尺寸的選擇應該考慮到諸多的方面[15]。 方案一：讓餐車的高度和餐桌的高度達到完全一致，當餐車到達相應的位置后觸發(fā)開關，餐車上設置一塊擋板，此時擋板推動餐盤移動到客人的桌子上，然后擋板撤回，送餐完畢。 方案二：在餐車上設置一個支架，上端放置一個機械手，支架與車體相連接，支架上的電機使機械手臂轉(zhuǎn)動，并通過手腕處的絲杠系統(tǒng)是手爪上升下降，這樣就可以實現(xiàn)餐盤的移動，為了達到一定的安全性，所以支架的長度也要設計的合理。 本車選擇的是方案二所采取的措施。 觀察上面的兩個方案不難看出兩者的優(yōu)劣，方案一對餐桌和餐車的高度要求的非常的高，稍微有不平，就有可能造成食物的外流，還有擋板的推動速度也要相當?shù)钠椒€(wěn)，同時對餐桌和車體的光滑度要求的非常的高，這樣對于造價就可能造成很大的影響，這對于它的發(fā)展和使用都有很大的局限性。同時第一種方案對橫向的行程要求比較的大，這樣就造成了車身長度的加長，這就帶來了許多的不便捷，首先重量的增加，使得它更笨拙，對于材料的浪費也是比較嚴重的，成本也有一定影響。 而方案二對車上箱體的光滑度幾乎沒有要求，加工起來比較的方便，直線電磁鐵的行程也比較的小，對餐廳規(guī)模的限制不大，這對于它的推廣非常有易，畢竟送餐車的設計要照顧到各個規(guī)模的餐廳。這樣才能增加它的市場競爭力。 第4章 控制方案設計 本課題控制方案設計采用可編程控制器，可編程控制器（PLC）是一種用在工業(yè)自動化控制的“專用計算機”，實質(zhì)上也屬于計算機控制方式?？删幊炭刂破鳎≒LC） 與普通微型計算機一樣。以通用或?qū)Ｓ?CPU 作為處理器，實現(xiàn)運算和數(shù)據(jù)存儲等功能，除此之外還有位處理器（布爾處理器）可以進行點（位）運算與控制?？删幊炭刂破鳎≒LC） 控制一般具有可靠性高、操作容易、維修方便、編程易、操作靈活?？删幊炭刂破鳎⒉恍枰S多可拆裝元件和必須進行線纜連接的元件，這使得它的接線亮大大的減少，與此同時，使得其維護容易，維修時間短。它的操作、編程、檢修都非常容易，一通常情況下不會發(fā)生誤操作?？删幊炭刂破饔布矫妫翰捎昧艘幌盗锌梢蕴岣呖煽啃缘拇胧＠纾翰捎每煽啃缘碾娮釉?；采用先進制造工藝的流水線制造；對干擾進行屏蔽、隔離和濾波；斷電保護；存儲器內(nèi)容的保護等。軟件方面，亦采取了一系列提高其系統(tǒng)可靠性的措施。例如：軟件濾波；自診斷；簡化編程語言等。可編程控制器多重編程語言的使用，使得編程的方式方法的更加的多樣，也使得其可以在不同環(huán)境下使用。可以模擬運行，操作方便可靠。 4.1 模擬餐桌的分布 控制系統(tǒng)的設計按照六張餐桌的排列形成的，所取的排列形式如圖4-1所示： 圖4-1 送餐車工作平面示意圖 圖中的C處為送餐車的所在位置，是它初始狀態(tài)時的位置，1到6六個數(shù)字代表餐廳內(nèi)餐桌所處的位置。E和F代表送餐車所路過的兩條路線。 4.2 PLC選型 日本OMRON公司是世界上生產(chǎn)可編程序控制器（PC）的著名廠家之一，OMRON的大、中、小、微型機各具特色各有所長，在中國市場上的占有率位居前列，在國內(nèi)用戶中享有較高聲譽。1999年，OMRON在推出CS1系列的同時，在小型機方面相繼推出CPM2A/CP M2C/CPM2AE、CQM1H等機型。 歐姆龍PLC是一種功能完善的緊湊型PLC，能為業(yè)界領先的輸送分散控制等提供高附加值機器控制；它還具有通過各種高級內(nèi)裝板進行升級的能力，大程序容量和存儲器單元，以Windows環(huán)境下高效的軟件開發(fā)能力。它具有以下特點：結構靈活，不受環(huán)境的限制，有電即可組建網(wǎng)絡，同時可以靈活擴展接入端口數(shù)量，使資源保持較高的利用率，在移動性方面可與WLAN媲美。傳輸質(zhì)量高、速度快、帶寬穩(wěn)定，適用面廣，PLC作為利用電力線組網(wǎng)的一種接入技術，提供寬帶網(wǎng)絡“最后一公里”?的解決方案，廣泛適用于居民小區(qū)，酒店，辦公區(qū)，監(jiān)控安防等領域。它是利用電力線作為通信載體，使得PLC具有極大的便捷性，只要在房間任何有電源插座的?地方，不用撥號，就立即可享受4.5~45Mbps的高速網(wǎng)絡接入，來瀏覽網(wǎng)頁﹑撥打電話，和觀看在線電影，從而實現(xiàn)集數(shù)據(jù)、語音、視頻，以及電力于一體?的“四網(wǎng)合一”。低成本，充分利用現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)絡基礎設施，無需任何布線，節(jié)約了資源。無需挖溝和穿墻打洞，避免了對建筑物、公用設施、家庭裝潢的破壞，同時也節(jié)省?了人力。相對傳統(tǒng)的組網(wǎng)技術，PLC成本更低，工期短，可擴展性和可管理性更強。目前國內(nèi)已開通電力寬帶上網(wǎng)的地方，其包月使用費用一般為50-80元/?月左右，這樣的價格和很多地方的ADSL包月相持平。 我這次畢業(yè)設計所使用的PLC型號為CPM1A-40CDT-D-V1，40點CPU單元，24點輸入，16點繼電器輸出，能基本滿足系統(tǒng)設計的要求。 4.3 輸入/輸出地址分配 機器人需要完成的動作為：從初始位置出發(fā)，選擇餐桌1—6即選擇相應的行走路線，然后是車前行，車右轉(zhuǎn)，車繼續(xù)前行到達相應的桌，手臂左轉(zhuǎn)，手臂下降，手抓松開，繼而手臂上升，手臂右轉(zhuǎn)，小車后行，車左轉(zhuǎn)，車繼續(xù)后退直到回到初始位置。整個過程控制為節(jié)拍控制，輸出量和輸入量一般為開關量，各個輸入和輸出量如下表4—2和續(xù)表4—2所示。 表4—3 輸入量 地址編號 聯(lián)動 I0 手動 I1 傳感器 I2 前行 I3 后行 I4 車體右轉(zhuǎn) I5 車體左轉(zhuǎn) I6 手臂左轉(zhuǎn) I7 手臂右轉(zhuǎn) I8 爪開/爪合 I9 手臂下降 I10 手臂上升 I11 1桌 I12 2桌 I13 3桌 I14 4桌 I15 5桌 I16 6桌 I17 初始為行程開關1 I18 初始為行程開關2 I19 續(xù)表4—3 輸出量 地址編號 HL2就緒燈 　 00 HL3就緒燈 　01 電機1正轉(zhuǎn) 　 02 電機1反轉(zhuǎn) 　 03 電機2正轉(zhuǎn) 　 04 電機2反轉(zhuǎn) 　 05 電機3正轉(zhuǎn)