畢業(yè)設計（論文）-噴灑機器人的設計

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1、噴灑機器人的設計 噴灑機器人的設計 摘 要 本文設計一種噴灑機器人，該機器人通過底座固定在小車架體上，其中底盤能夠實現(xiàn)360度旋轉，旋轉機構主要是通過齒輪嚙合減速并旋轉，通過電機抱閘鎖定旋轉位置。機械臂的折疊通過拉桿實現(xiàn)，拉桿的強度相對較高通過鑄鐵加工成本較低，經濟性較好。驅動系統(tǒng)由車輪、支架、減速器等主要部分構成。減速機選用蝸輪蝸桿一級減速機，蝸輪蝸桿能夠實現(xiàn)自鎖。行進到位置后停止轉動，蝸輪蝸桿減速機輸出軸通過聯(lián)軸器連接車輪，車輪即停止轉動實現(xiàn)自鎖。該驅動系統(tǒng)采用雙前驅的結構形式，前端兩個輪子分別采用電機單獨驅動，同時正轉即是前進、同時反轉即是后退，一正一反轉動可實現(xiàn)左右轉彎。

2、通過對各機構進行分析計算校核，并對噴灑機器人進行SW三維建模，并輸出二維CAD圖紙。文中還對控制系統(tǒng)各模塊做了簡單闡述。 關鍵詞：噴灑機器人，行走機構，旋轉，折疊 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582Design of spray robot ABSTRACT In this paper, a spray robot is designed. The robot is fixed on the trolley frame through the base, in which the chassis can achieve 360 degre

3、e rotation. The rotating mechanism mainly decelerates and rotates through gear mesh, and locks the rotating position through the motor brake. The folding of the mechanical arm is realized by the pull rod, the strength of the pull rod is relatively high, the processing cost of the cast iron is low, a

4、nd the economy is good. The driving system consists of wheel, bracket, reducer and other main parts. The first stage reducer of worm and worm is selected for the reducer, and the worm and worm can realize self-locking. The output shaft of the worm gear reducer is connected with the wheel through the

5、 coupling, and the wheel stops rotating to realize self-locking. The driving system adopts the structure of double front drives. The front two wheels are separately driven by motors. At the same time, forward rotation means forward, while reverse rotation means backward. One forward and one reverse

6、rotation can realize left and right turns. Through the analysis, calculation and verification of each mechanism, and the SW 3D modeling of the spray robot, and output 2D CAD drawings. In addition, the modules of the control system are briefly described. KEY WORDS: Spray robot, walking mechanism,

7、rotation, folding 目　錄 前　言 1 第1章 緒論 2 1.1 研究背景 2 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 2 1.3 發(fā)展前景 3 第2章 噴灑機器人總體方案設計 4 2.1機器人組成結構 4 2.2機器人整體結構圖 5 2.3 關于材料的選用 6 第3章 噴灑機器人驅動系統(tǒng)設計 7 3.1 驅動結構設計 7 3.2蝸輪蝸桿減速機傳動比的確定 8 3.2.1各軸功率計算 8 3.2.2各軸轉速的計算 8 3.2.3各軸輸入扭矩的計算 8 3.3蝸輪蝸桿的設計 9 3.3.1關于蝸輪蝸桿齒數(shù)的確定 9 3.3.2驗算車輪的速度 9 3.3

8、.3減速機構傳動中心距計算 9 3.4 蝸輪軸的設計 11 3.4.1軸的材料選擇 11 3.4.2軸徑的初步計算 11 3.5 滾動軸承的校核 12 3.6 鍵聯(lián)接的強度校核 12 3.7 蝸桿軸輸入端聯(lián)軸器的選擇 13 第4章 噴灑臂及其旋轉機構設計 14 4.1 噴灑臂整體方案的確定 14 4.2 噴灑臂旋轉機構設計 16 4.2.1 選定齒輪類型﹑精度等級﹑材料及齒數(shù) 16 4.2.2 按齒面接觸疲勞強度計算 17 4.3 噴灑臂折疊設計 19 5 控制系統(tǒng)的設計 21 5.1可編程控制器(PLC)的簡介及選擇 21 5.2變頻器的介紹及選型 21 5.

9、3控制電路設計 21 5.4蓄電池的選用 22 5.5行走避障原理 22 5.6 防撞電路 23 6 基于SolidWorks的三維建模 24 6.1 SolidWorks軟件簡介 24 6.2 SolidWorks實體造型 24 結　論 24 謝 辭 27 參考文獻 28 前　言 本文主要研究噴灑機器人的機械結構，目的是設計一種能夠服務于公園、農業(yè)種植等噴灑農藥環(huán)境下的小型噴灑機器人。通過噴灑機器人的使用能夠代替人工作業(yè)，實現(xiàn)自動化噴灑。當前人工成本逐年提高，且純人工作業(yè)效率低，如果能夠通過機器人代替人工作業(yè)，勢必會減少惡劣工作環(huán)境下人工緊張的局面。目前

10、各種環(huán)境下的機器人層出不窮，但是關于噴灑作業(yè)的機器人研究還是相對較少，通過查閱文獻資料，總結機器人、噴灑等專業(yè)方向知識，設計一款適合小型噴灑的機器人。目前生產制造的主要發(fā)展方向就是智能制造,即我們所說的工業(yè)4.0時代，智能制造的核心內容就是工業(yè)機器人。使用工業(yè)機器人可以有效提高工作效率，減少人工作業(yè)的強度、降低生產成本。隨著國內工業(yè)機器人的普遍應用，工業(yè)機器人集群協(xié)作模式對控制中心的運算、協(xié)調能力提出了更高的要求。工業(yè)機器人云服務平臺，是由前列的信息技術、計算機技術及新興云計算、聯(lián)網等技術融會貫通的產物，是一種源于互聯(lián)網的、指向工業(yè)機器人的服務框架產物。機器人云服務平臺通過云計算在內的當代信息

11、技術前沿理念，在普遍的網絡資源環(huán)境下，協(xié)助機器人卸載運算計量的工作，使控制中心的運算能力大大提高，將產品打造成高附加值、低成本和全機球化制造的服務。 噴灑機器人的設計 第1章 緒論 1.1 研究背景 早期的機器人主要以模仿人手的動作，進行簡單的抓取零件的作業(yè)，定位精度也不是十分準確，只能簡單地實現(xiàn)抓取。隨著我國步入改革開放，一直到近期的不斷發(fā)展。機器人也從原先的非常簡早期的機器人主要以模仿人手的動作，進行簡單的抓取零件的作業(yè)，定位精度也不是十分準確，只能簡單地實現(xiàn)抓取。隨著我國步入改革開放，一直到近期的不斷發(fā)展。機器人也從原先的非常簡單的發(fā)展到現(xiàn)在復雜的機器人?，F(xiàn)在應用在

12、汽車行業(yè)，發(fā)動機裝配機器人，其定位精度已經可達0.05毫米，其結構是六軸機器人，每個關節(jié)都采用非常精準的私服電機實現(xiàn)準確定位，定位后又通過位置信息反饋進行二次確認。針對現(xiàn)在國家的工業(yè)自動化發(fā)展趨勢，高精密機器人主要應用在汽車行業(yè)，電子行業(yè)等比較精密的行業(yè)。其中電子行業(yè)的機器人種類最多，從簡單的兩軸、三軸、一直到六軸、七軸的機器人應有具有。機器人的快速發(fā)展也得益于PLC編程程序的進步。機器人每個零件的加工精度必須保證在IT5級左右，只有這樣加工出來的機器人才能保證定位準確,PLC和機械加工是機器人的關鍵構成部分。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 2012年亞馬遜公司通過自動化物流提供商Kiva花

13、重金買下了機器人倉儲業(yè)務后，通過機器人來對倉庫的貨物配貨和盤點等工作。當今亞馬遜公司的幾十個倉庫里，努力工作的Kiva機器人超過15000個。正因如此，亞馬遜成為全世界最有效率的倉庫。亞馬遜把倉庫分割成兩大部分：一部分是員工只用在特定的位置對貨物進行盤點和配貨。另一部分是Kiva機器人將貨物分揀到員工身邊。GreyOrange的主要自動化工業(yè)機器人推出了三種：一種是用于包裹的分析和快速分揀的機器人系統(tǒng)Sorter,第二種是高速動態(tài)的尺寸維度稱重系統(tǒng)Profiler,第三種是用于存儲和檢查的機器人Butler。他們可以對要派發(fā)的用戶的包裹進行收集，系統(tǒng)會通過計算庫存來進行及時補貨。 國外關于機

14、器人的發(fā)展，最好的以德國和日本為典型。日本和德國在機械制造行業(yè)的發(fā)展是非常迅速的，他們對設計的圖紙到加工到組裝等諸多環(huán)節(jié)，都通過6S嚴格把控，質量非常有保證。同時日本和德國對世界機械行業(yè)的自動化產業(yè)的付出也是非常巨大的，他們設計出來的機器，雖然價格相對昂貴，但是精密度是相當高的，諸多行業(yè)只有使用該兩國的機器才能加工出合格的產品。也有在少數(shù)行業(yè)，他們的設備已經形成了壟斷。 我國的自動化產業(yè)發(fā)展相對較快，但是起步比較晚，和發(fā)達國家還是有一定差距的，如果我們能在加工制造行業(yè)取得較大進步，同時芯片行業(yè)也有較大進展的情況下，那么我們生產出來的機器人也會有較高的市場價值，相信在黨中央國務院的領導下，我們

15、的發(fā)展一定會越來越好。 國內的機器人相對起步較晚，但是發(fā)展也是相當迅速的，中國自上世紀世紀70年代末改革開放，才開始陸續(xù)重視機械自動化產業(yè)。關于機器人的發(fā)展正式開始，還是上個世紀90年代。隨著中國加入WTO對機械產品的要求越來越嚴格，加工無論是從加工精度還是加工難度都逐漸人工作業(yè)已經無法滿足基本需求，陸陸續(xù)續(xù)開始使用機器人對放在產線上進行代替人工作業(yè)，機器人也在這種大環(huán)境下逐漸誕生。國內許多企業(yè)都將用到自動機器人，如果將一些問題處理好，該項發(fā)展的空間特別大，自動化的社會指日可待。一個國家的高科技水平和發(fā)展水平要看最頂端的工業(yè)機器人的研發(fā)和制造技術，它代表著機電一體化的最高榮譽。從科學技術研發(fā)

16、的角度來說，機器人的構架的硬件平臺是實現(xiàn)智能化。為了讓機械臂與環(huán)境更好的融合、更加靈活、跟上智能生產的步伐。最初的機器人機械臂主要應用于太空探索的方向，現(xiàn)在工業(yè)機器人的應用普遍各個行業(yè)，是整個生產型企業(yè)的發(fā)展主要方向。 1.3 發(fā)展前景 從世界的大發(fā)展環(huán)境下，工業(yè)4.0時代已經到來。智能制造、精密制造已經是現(xiàn)在刻不容緩的話題，如何才能實現(xiàn)高的工作效率，還要降低生產成本保證企業(yè)利潤，各種機器人的開發(fā)勢在必行，其中機器人就是機器人的一種。以往生產線中分揀作業(yè)都是通過人工進行手工分揀，不但效率低下還會浪費大量的人工成本，目前工人的工資也是逐年升高，通過機器人進行分解不但效率高，更重要的是可以

17、24小時不間斷作業(yè)。未來關于機器人的發(fā)展趨勢將會是機器人的結構越來越精密、精度越來越高、分揀速度越來越快、智能化會越來越強大。智能制造的發(fā)展趨勢將會是操作人員在辦公室坐著，就可以對車間上的機器人進行遠程遙控。不夸張的說，一個操作者可以控制一條生產線乃至一個車間的所有自動化設備。 第2章 噴灑機器人總體方案設計 2.1機器人組成結構 噴灑機器人通過底座固定在小車上，其中底盤能夠實現(xiàn)360度旋轉，旋轉機構主要是通過齒輪減速機構實現(xiàn)旋轉，當電機停止轉動后通過電機抱閘鎖定位置。折疊臂通過電機驅動一個拉桿實現(xiàn)，拉桿的強度相對較高通過鑄鐵加工成本較低，經濟性較好。關于該機器人的機構構成如下

18、圖2-1所示。 噴灑機器人 控制系統(tǒng) 智能系統(tǒng) 機械系統(tǒng) 執(zhí)行機構 噴灑機構 折疊機構 行走機構 旋轉機構 執(zhí)行機構 噴灑機構 折疊機構 行走機構 旋轉機構 驅動機構 電液混合驅動 圖2-1 機器人組成機構圖 機器人的工作需要根據(jù)指令進行相應的操作，所謂的指令就是PLC程序。根據(jù)動作的需要先對機器人的動作進行PLC編程，之后機器人的每個動作都是根據(jù)程序進行動作的。機器人的其機械系統(tǒng)分成執(zhí)行機構和驅動系統(tǒng)兩部分，每次操作的位置是否準確又通過檢測系統(tǒng)進行位置信息反饋給PLC,如果位置信息不準確，系統(tǒng)會報警，

19、需要人工進行排除處理。關于驅動機構除了采用馬達的方式之外，也可以采用氣缸、液壓缸等均可做為動力源。各部分關系圖如下圖2-2所示。 控制系統(tǒng) 機械系統(tǒng) 智能系統(tǒng) 驅動-傳動裝置 執(zhí)行機構 工作對象 位形檢測 圖2-2 各部分關系圖 2.2機器人整體結構圖 根據(jù)機器人的使用條件及零件的參數(shù)，機器人的材料需要輕便且承重性好，噴灑機器人的結構圖如下所示。 圖2-3 整體結構圖 表2-1 零部件明細表 2.2 關于材料的選用 本次設計選用鋁合金制架體，鋁合金的密度只有2.7，是

20、鐵的三分之一，能夠保證整體的質量非常輕，確定了比較適合本次設計的鋁合金型號就是6063-T5。關于軸的材料選用45號鋼，因為該材料在調質處理之后都會有著非常高的強度，滿足軸高扭矩的使用工況。這里的調質處理硬度達到HB220-230的強度即可。 第3章 噴灑機器人驅動系統(tǒng)設計 3.1 驅動結構設計 該驅動系統(tǒng)由車輪、支架、減速器等主要部分構成。減速機選用蝸輪蝸桿一級減速機，蝸輪蝸桿能夠實現(xiàn)自鎖。行進到位置后停止轉動，蝸輪蝸桿減速機輸出軸通過聯(lián)軸器連接車輪，車輪即停止轉動實現(xiàn)自鎖。該驅動系統(tǒng)采用雙前驅的結構形式，前端兩個輪子分別采用電機單獨驅動，同時正轉即是前進、同時反轉即是后退，一正

21、一反轉動可實現(xiàn)左右轉彎。 由車輪的行進力和其旋轉行進速度v,得 （3.1） 其中： （3.2） m行進重物的質量，單位Kg，整套設備的自重以及行進阻力等按照600Kg計算，其中兩套驅動機構，每套驅動機構分擔的負載是300Kg。 g為重力加速度，單位N/Kg； 帶入數(shù)據(jù)得 各傳動機構和軸承的效率為： 法蘭效率 單級蝸輪蝸桿傳動的效率是 雙滾動軸

22、承效率 臺階鍵槽固定聯(lián)軸器傳動效率： 驅動電機經過聯(lián)軸器-減速機-聯(lián)軸器-車輪的總傳動效率 將以上查詢數(shù)值帶入得： 驅動馬達的功率為 因為各種機構導致功率損耗，所以驅動馬達的實際功率計算公式為： （3.3） 則 選用的電動機的轉速首先要滿足的條件是在以上的計算范圍內，同時還需要考慮在整個設計中電動機的尺寸需要滿足便于安裝，需要考慮電動機的價格及是否方便采購，是否方便維修和保養(yǎng)，通過綜合比較最終決定選擇的電動機；滿載轉速：=940 。 電機做為該設備

23、的主要驅動裝置，在設備中如同心臟一樣重要。電機的選型必須滿足設計需求。選擇合適類型的電機后可以按照相關的使用需求，對電動機的相關參數(shù)進行確定。電機的主要參數(shù)是矩扭必須滿足的使用要求，所選電機的啟動轉矩必須大于該設備的負載扭矩。而計算相關扭矩又需要對各轉動慣量等進行詳細計算。電機轉速有750轉/分鐘、1000轉/分鐘、1500轉/分鐘等多種樣式，需要結合設計任務的實際要求去確定電機的具體轉速。除此之外，還要通過確定其他參數(shù)，校核電機型號是否滿足要求。 3.2蝸輪蝸桿減速機傳動比的確定 蝸桿一般頭數(shù)選擇一個頭的，蝸輪可以初選50個齒的，一般減速機減速比40~60時性能較為穩(wěn)定，強度

24、較好。 選定轉速比為：i＝50/1 所以車輪轉速 從而，車輪直徑： （3.4） 圓整為170mm 3.2.1各軸功率計算 （3.5） （3.6） 3.2.2各軸轉速的計算 3.2.3各軸輸入扭矩的計算 （3.7） 表3-1 蝸輪蝸桿減速機各軸參數(shù)計算

25、匯總 名稱 功率Kw 轉速 扭矩N.m 蝸桿軸 1.47 940 14.93 蝸輪軸 0.97 18.8 492.74 3.3蝸輪蝸桿的設計 蝸輪材料的許用接觸應力[] =190N/mm 蝸輪彎曲應力[]=44N/mm 3.3.1關于蝸輪蝸桿齒數(shù)的確定 選取Z＝1， 則Z＝Z·i＝1×50＝50 （3.8） 故取Z＝50

26、 3.3.2驗算車輪的速度 實際傳動比 i＝50/1 工作機車輪轉速 n＝940/50=18.8 鋼絲繩的行進速度 （3.9） 速度誤差 （3.10） 3.3.3減速機構傳動中心距計算 關于蝸桿的功率的詳細計算公式如下： （3.11） 式中 K——關于應用場合參數(shù)，由于該行進機構屬于

27、小型的K＝0.7； K——加工等級參數(shù)，蝸桿的加工精度等級為IT7，所以K＝0.9； K——速度參數(shù)，機構運行速度為10米/分鐘，K＝0.85。 以上參數(shù)帶入公式 ＝KW （3.12） 蝸桿傳動幾何參數(shù)匯總如下。 表3-2 蝸輪蝸桿幾何尺寸匯總表 序號 名稱 代號或公式 數(shù)值 1 中心距 a 100mm 2 齒數(shù)比 u=z2/z1 50 3 蝸輪齒數(shù) z2 50 4 蝸桿頭數(shù) z1 1 5 蝸桿齒頂圓直徑 45mm 6 蝸桿齒寬 53mm 7 蝸桿螺紋部分長度 L 59mm 8

28、 蝸桿齒頂圓弧半徑 Ra1 82mm 9 蝸桿齒頂圓最大直徑 de1 53.8mm 10 蝸輪端面模數(shù) m＝ 3.18mm 11 徑向間隙 0.51mm 12 齒頂高 h=0.75 m 2.23mm 13 齒根高 h= h+ C 2.74mm 14 全齒高 h= h+ h 4.97mm 15 蝸桿分度圓直徑 ＝（0.624＋）a 40.53mm 16 蝸輪分度圓直徑 ＝2a－ 159.47mm 17 蝸輪齒根圓直徑 d＝－2 h 153.98mm 18 蝸桿齒根圓直徑 d＝－2 h

29、 35.05mm 19 蝸輪齒根圓弧半徑 82.48mm 20 分度圓壓力角 （2.15） 24° 21 蝸桿分度圓齒厚 （2.15） 4.298mm 22 蝸桿分度圓法向齒厚 （2.15） 4.29mm 23 蝸輪分度圓法向齒厚 （2.15） 5.49mm 圖3-1 蝸輪加工圖 3.4 蝸輪軸的設計 3.4.1軸的材料選擇 材料選用40Cr,通過調質處理硬度需要達到285HBS，加工等級均IT7級精度。=650 3.4.2軸徑的初步計算

30、 （3.13） 其中 —— 轉速單位r/min —傳遞功率單位kw —— 危險截面直徑，單位mm mm 蝸輪軸固定聯(lián)軸器處的直徑是，根據(jù)公式，轉距變化很小，故取Ka=1.3，則，選用YL11型凸緣聯(lián)軸器。 圖3-2 蝸輪軸圖 3.5 滾動軸承的校核 已經初選圓錐滾子軸承7306E，查得： C＝52.5KN C＝60.5KN e＝0.83 Y=0.7 ==1.62833>e=0.83 考慮到載荷系數(shù)f=1.2 1.2（0.4×2655.5367+0.7

31、×5952.4）=6274.673616 軸承壽命 L= （3.14） ==21778.8311h 該行進機平均每天使用半小時，故所選軸承壽命為 ＝＝120.9935y 所選軸承合適。 3.6 鍵聯(lián)接的強度校核 蝸桿軸上安裝聯(lián)軸器處的鍵聯(lián)接選用普通平鍵6×6、鍵的工作長度l＝28。 鍵的工作高度 k＝＝3 查得鍵聯(lián)接的許用比壓 [p]=50～60N/ （3.15）

32、 =9.276 N/< [p] 式中： —傳遞的轉矩，單位為； —鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，為鍵的高度，單位為； —鍵的工作長度，單位為； d —軸的直徑，單位為； —鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，單位為。 通過計算，所選平鍵合格。 3.7 蝸桿軸輸入端聯(lián)軸器的選擇 選用凸緣聯(lián)軸器，查得 K＝1.3， （3.16） ＝1.3×11428.5165＝1

33、4857.07145N·㎜ 選用YL3型聯(lián)軸器。 14 第4章 噴灑臂及其旋轉機構設計 4.1 噴灑臂整體方案的確定 圖3-1 折疊臂傳動機構 圖3-1為折疊臂傳動結構簡圖，折疊臂主要是通過連桿機構的驅動進行俯仰動作，俯仰角度為±50度。伺服電機通過減速機進行減速，減速器輸出軸帶動連桿機構進行俯仰動作，連桿機構性能穩(wěn)定、強度較高，能夠很好的滿足該噴灑工況的使用需求。同時連桿機構也是機器人較為常見的使用機構，這里根據(jù)操作要求設計連桿的長度，以次實現(xiàn)不同位置的噴灑需求，折疊臂做為噴灑機器人末端執(zhí)行部分，既需要結構簡單、盡量減

34、輕重量減少機器人的負載，同時還要保證有足夠的強度來承受抓手的抓取作業(yè)。 小齒輪的要求相對更高一些所以材料選用40Cr,通過調質處理硬度需要達到285HBS，大齒輪考慮到生產成本的情況下，以滿足使用需求為前提，采用45#鋼為材質，調質處理后硬度為245HBS,大小齒輪的加工等級均IT7級精度。 傳動比按照i=4.23，結合實際、并保證使用強度需求，選用小齒輪的齒數(shù)為Z1=23,則大齒輪的齒數(shù)為： 圓整為97 圓柱直齒輪分度圓直徑定位d1，需要滿足如下要求： 1）查機械設計手冊Kt=1.3 2）扭矩為 T=55.47Nm 3）查機械設計手冊得到取齒寬系數(shù)。 3）

35、彈性影響系數(shù)為 4） 根據(jù)機械設計手冊并結合使用要求得到：， 根據(jù)機械設計手冊并結合使用要求得到大齒的接觸疲勞強度為：。。 5） 此傳動機構的設計使用壽命為10年，按照每天兩個班次進行生產，每班次8小時，每天的工作時間為16小時。每年的工作天數(shù)按照365天進行計算?；谝陨系臈l件，按照如下的公式對齒輪的應力循環(huán)次數(shù)進行計算： 6） 查機械設計手冊接觸疲勞壽命系數(shù)取值是： KHN1=0.85; KHN2=0.88 7） 許用接觸應力中的安全系數(shù)為S=1進行計算 8） 計算直齒輪分度圓直徑 通過如下的公式對直齒輪分度圓直徑進行計算：

36、 9） 圓周速度的確定 10） 齒寬b的確定 11） 寬高比 通過如下的公式對齒輪的模數(shù)進行計算 通過如下的公式對齒輪的高度h進行計算： 12） 載荷系數(shù)的確定 圓周速度v為4.22m/s，Kv=1.15，通過查詢也可以確定直齒輪的齒間載荷分配系數(shù)KHa=KFa=1，KA=1.25，小齒輪的系數(shù)為，基于，。 將以上確認的相關系數(shù)代入到如下的公式中，得出載荷系數(shù)為： 13） 分度圓直徑的計算。 15）確定模數(shù)的計算如下 機器人臂的設計其主要是設計機械臂的相關結構和選擇合適的電機。電機的主要參數(shù)是矩扭矩必須滿足使

37、用要求，保證機械臂運動的狀況下能夠抓起重物。計算相關扭矩需要對各轉動慣量等進行詳細計算。選擇電動機的時候，首先需要確定電動機的類型，選擇合適類型的電動機后可以按照相關的使用需求，對電動機的相關參數(shù)進行確定。電機的選擇非常重要、所選電機的啟動轉矩必須大于減速機負載扭矩，電機轉速有750轉/分鐘、1000轉/分鐘、1500轉/分鐘等等多種多樣，需要結合設計任務的實際要求去確定電機的具體型號。電機的功率、轉速、啟動轉矩和最大扭矩都能滿足設計要求，并在加了安全系數(shù)的條件下也能很好的滿足使用要求，電機做為減速機的主要驅動裝置，在設備中如果心臟一樣尤為重要，電機的選型必須滿足設計需求。 4.2 噴灑

38、臂旋轉機構設計 4.2.1 選定齒輪類型﹑精度等級﹑材料及齒數(shù) （1）按傳動方案選用直齒圓柱齒輪傳動。 （2）本機工作速度、功率都不高，故選用 7 級精度。 （3）齒輪材料及熱處理：選擇小齒輪材料為 40Gr，調質處理，硬度 250HBS，大齒 輪材料為 45 號鋼，調質處理，硬度為 230HBS，二者硬度差為 20HBS。 （4） 齒數(shù)選擇。選取小齒輪齒數(shù) 18，初步確定傳動比為 則大齒輪齒數(shù) 此時傳動比 4.2.2 按齒面接觸疲勞強度計算 （1）確定各參數(shù)的值 （4.1

39、） 因大小齒輪為鋼制，由《機械設計》表12.12查得彈性影響系數(shù) （5-2） 初擬載荷系數(shù) K=2.0 取齒寬系數(shù) 0.3 對于標準圓柱齒輪傳動，由《機械設計》圖12.16查得 設，求得; 應力循環(huán)次數(shù)計算： 使用時間 8 ×350 ×16 =44800h 小齒輪循環(huán)次數(shù) 大齒輪循環(huán)次數(shù) 按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限為

40、： 小齒輪： ； 大齒輪： 接觸疲勞強度壽命系數(shù) 查教材得接觸疲勞壽命系數(shù) ， 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1，安全系數(shù) S=1，得 （2）參數(shù)計算 1）試算小齒輪分度圓直徑，由計算公式得 （4.2） 2）計算平均圓周速度 3）計算載荷系數(shù)K 已知使用系數(shù)，根據(jù)v=4.4m/s，8級精度，查得動載系數(shù)；查得K=1.42；得K=1.35；得。 故載荷系數(shù) （4.3） 4）按實際載荷系數(shù)校正所算得的分

41、度圓直徑 （4.4） 5）計算齒寬b和模數(shù) b= m= 6）齒輪部分相關參數(shù) 查手冊得齒輪彎曲疲勞強度極限。 查手冊得彎曲疲勞壽命系數(shù)。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則 7）校核 （4.5） 滿足要求。 （4.6） 所以安全。 4.3 噴灑臂折疊設計 關于空間的工作

42、分析，空間我們通常分為x軸、y軸、z軸，通常所說的六個自由度包括x軸的移動、y軸的移動、z軸的移動、以及x軸的旋轉、y軸的旋轉，z軸的旋轉。這里根據(jù)使用要求，我們只需要對x軸的旋轉，y軸的旋轉以及x軸的移動和y軸的移動四個自由度進行設計，滿足這四個自由度即可滿足料袋噴灑機器人的基本使用要求，在這幾個自由度的基礎上，對相關尺寸和旋轉角度進行詳細設計。機器人的設計相對是比較繁瑣的，由于其精度比較高，每個設計環(huán)節(jié)都是尤為重要的，由于自身能力和本科生研究領域所限，這里只針對主要部分進行設計。 圖4-1 噴灑機器人位置示意圖 L1為機械主體部分臂部的長度按照6

43、65mm取值； L2為折疊臂的長度根據(jù)任務書使用要求折疊臂的長度按照630mm取值； θ1為大臂的旋轉角度，根據(jù)噴灑的要求-150o~150o就可以滿足使用要求； θ2為折疊臂的旋轉角度根據(jù)使用要求，這里按照±65°； 根據(jù)上圖4.1所示A點：長機械臂的最小值按照符號θ1min、小機械臂的最小值按照符號θ2min。 B點是大臂極限位置用θ1max表示。 C點大臂轉動到最大極限時的值用θ1max表示，折疊臂達到正極限值為θ2max。 D點為大臂達到負極限時θ1min表示，折疊臂達到正極限值，由θ2max表示。 A-B和C-D的圓心是大機械臂的

44、起點，為了方便后續(xù)說明和詳細計算，把這里定義為坐標原點。其中E點為A-D圓弧的中間，F(xiàn)點為B-C圓弧的中間。 E點： F點： 對以上個點計算匯總如下 表4-1 坐標點位置匯總 坐標點 X坐標 Y坐標 Z坐標 A -1174 547 0 B 31.7 547.3 0 C -5.8 118 0 D -336.5 852 0 E -602.7 281 0 F 602.7 281 0 通過以上分析，大機械臂和小機械臂的工作平面及XZ的平面構成坐標系，同時本機器人的底座又能夠在X-Y-Z這三個方向實現(xiàn)旋轉移動等動作，這樣就可以

45、通過上述分析繪制出XZ工作空間的具體圖紙，從而進行分析計算比較，然后選型。 以上的分析過程及計算的結果可以看出折疊臂末端的覆蓋范圍要比作業(yè)的空間大。以上的計算和分析都是基于手腕具有多自由度時，可以取其操作臂最大覆蓋范圍的二分之一。所以一般可以滿足覆蓋范圍時，一定是可以滿足機械作業(yè)的范圍。所以此方案是正確的。  5 控制系統(tǒng)的設計 5.1可編程控制器(PLC)的簡介及選擇 可編程程序控制器因為其可以根據(jù)實際的使用需求編寫不同的程序，使得相應的設備可以自動的完成一定的操作 ，可變性比較強，可以適用不同的需求，同時具有很好的穩(wěn)定性，因此在很多行業(yè)都引進和使用可編程的控制器，尤其是工

46、業(yè)控制行業(yè)，更是一種趨勢。如果想在相關行業(yè)內具有很大的發(fā)展勢頭和提升自身在行業(yè)內的競爭力，使可編程程序控制器是一種必然的選擇。通過可編程程序控制器可以使得相關的氣動和電動裝置按照設定好的程序進行動作和運行，同時，可以根據(jù)操作步驟和工序要求的不同，調用不同的程序來完成預期的操作。 5.2變頻器的介紹及選型 交流變頻器是將工業(yè)電源轉換為變頻功率輸出控制裝置，其原理是通過功率半導體元件的關閉來控制。工業(yè)中經常使用的變頻器主要是采用交流-直流-交流控制方式原理，先把工廠的工頻交流電源通過變頻器內部的三個整流條轉換成直流電源，然后通過各種控制命令將直流電源轉換成電壓可調節(jié)，頻率可改變的交流輸出控

47、制電動機運轉，從而改變電動機運轉性能和轉速大小。電動機轉速的公式如下： 算式中　n——為電動機的轉動速度，單位為m/s; f——為電源的輸出頻率,單位為HZ； s——為轉差率(異步電動機)； p——為極對數(shù)(異步電動機) 由上述的公式可以看出，電動機輸出的轉速n與三相電的頻率f之間為正比例關系，電動機輸出的轉速可以通過控制三相電的頻率來改變，當三相線輸出的頻率在0HZ-50HZ之間變化時，那么電動機的轉速將從零到額定轉速之間變化，因此交流電動機的轉速n調節(jié)范圍很寬。根據(jù)公式可以通過改變電動機的頻率輸出來調節(jié)變頻器的轉速。這是一個

48、很理想，高效率和高性能的調速方法，廣泛應用在工廠實踐中。 5.3控制電路設計 噴灑機器人臂在控制系統(tǒng)上的大致思路就是運用可編程控制器的控制變頻的停止和啟動狀態(tài)，其中包括多頻段的認定以及正轉反轉的運作，同時包括了電動機在通過對變頻器參數(shù)的控制從而得到良好的運轉。與此同時，作為外部傳感器，將限位信號進行監(jiān)測，使得通過對變頻器的PLC控制來達到停止輸出。 可編程控制器的主線主要有繼電器的輸入和輸出，以及輸入按鈕。按鈕的輸入包括了傳感器信號的輸入，變頻器故障的顯示以及變頻器啟動關閉按鈕。其中所包含的輸出有變頻器正轉反轉輸出的可控性選擇，變頻器的多放段多速輸出?？删幊炭刂破鞯倪B接線主要是控制電

49、路。 5.4蓄電池的選用 該噴灑機器人臂采用蓄電池供電，使用更便捷不用考慮現(xiàn)場電源的問題。為滿足裝置在醫(yī)院隨時移動的使用要求，需要實現(xiàn)自主供電，在裝置上安裝電池，本設計中的電源為可充電電池。在選擇電池時需要充分考慮成本價格、使用壽命、電壓大小、電池容量等要素。就市面上現(xiàn)有的蓄電池來看，其常見的有：鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、金屬氧化物鎳蓄電池、鐵鎳蓄電池、鋅銀蓄電池、鋅鎳蓄電池和鋰離子蓄電池。 從節(jié)省成本方面考慮，選用鉛酸蓄電池最為合算，但缺點也很明顯。比能量低，在電動汽車中所占的質量和體積較大，一次充電后的行駛里程短。使用壽命短，導致了使用成本高、充電時間長。鉛是重金屬，存在污染。相

50、比較而言，鋰電池可以算作是更好的選擇。鋰電池的優(yōu)點有超長的壽命、使用安全、能夠實現(xiàn)大電流快速充電、容量大、行程長、體積小質量輕以及綠色環(huán)保等優(yōu)點。電池成本隨著鋰液提純技術的提高也能夠接受。因此，本裝置選用高效環(huán)保的鋰電池作為供電能源。電源采用24V充電式電源，充滿一次電可連續(xù)48個小時使用。 5.5行走避障原理 當噴灑機器人遇到障礙物不能及時避開的時候，不但會影響其正常工作，還會因為碰撞對自身造成損害，因此檢測并避開障礙物是至關重要的。為了檢測設備移動的路徑上是否存在障礙物，在內部放置三個超聲波距離感應器。 頻率高于20000HZ的聲波叫超聲波。因為超聲波的方向性好，且在同一種介質中

51、的傳播速率是不變的，但是在不同介質的界面處回反射回來如圖5-1。根據(jù)這一特點，可以通過測量其發(fā)射波和反射波之間的時間間隔和傳播的速度進行計算，確定障礙物的距離。通過超聲波確認障礙物的位置后，避開障礙物。 圖5-1 超聲波傳感器測距的原理 噴灑機器人移動的過程中，超聲波感應器不斷檢測，當遇到障礙物時，會將收到的反射信息發(fā)給控制器，通過控制器控制電機帶動齒輪齒條調整噴灑機器人的方向有效地避開障礙物。同時，障礙物的大小也可以通過信號的幅值進行判斷。噴灑機器人使用超聲波傳器 可以有效地避免與家具等障礙物碰撞，避免對自身及物件的損害。 5.6 防撞電路 當經過被檢測物體時，噴灑機器人

52、將足夠量的發(fā)光器所發(fā)射的光線直接反射回受光器，光電開關產生檢測開關信號。如圖5-2所以該傳感器能以非接觸方式檢測出前方一定范圍內的物體，并轉換成高電平信號輸出。 圖5-2 防撞電路 6 基于SolidWorks的三維建模 6.1 SolidWorks軟件簡介 Solidworks是所有三維軟件中應用最廣泛的一種，由于其操作非常簡單方便快捷，深受廣大機械設計者的喜愛。軟件中有鈑金模塊、鑄造模塊、建模等諸多模塊，通過針對每一個零件進行繪制草圖，然后通過旋轉、拉伸、掃描等等一系列操作，最終將零件繪制成一個模型。然后通過裝配功能將每一個零件組裝成一個整體，裝配過程中會應用到各種配合

53、，例如重合、平行、垂直、角度等等。通過裝配功能將設備整體呈現(xiàn)在面前，非常直觀的表達了設備各個零部件之間的配合關系，也可可通過仿真功能進行模型的仿真運動。零件的建模的基本步驟是首先要建立一個草圖，草圖建立完成之后可以通過拉伸，旋轉，掃描等一系列操作，最終成為一個實體。 在實體的基礎上，可以通過拉伸切除孔異形孔打螺紋孔，等一系列操作最終呈現(xiàn)在面前的是一個完整的模型。每一個零部件建模完成之后，可通過組裝功能將它們組裝成一個整體，組裝的時候主要應用配合去實現(xiàn)，配合的關系有同軸度、重合、平行、垂直等一系列位置關系，將他們鎖定。Solidwork三維軟件在目前的機械行業(yè)應用非常的廣泛，應用于非標自動化設

54、計行業(yè)以及鈑金展開行業(yè)、模具制造、機加工等行業(yè)，因為該軟件使用非常便捷，軟件的操作通俗易懂、便于理解、入門等級比較低，通過短時間的努力便可充分掌握各大主要功能。 6.2 SolidWorks實體造型 圖6-1 噴灑機器人三維模型 各大主要零部件建模完成之后，通過軟件的組裝功能，將零件組裝成一個整體，這樣一個裝配模型就呈現(xiàn)在面前，通過軟件自有的渲染功能將模型進行渲染，渲染后的噴灑機器人更加逼真形象。渲染功能的應用更有利于對該噴灑機器人的造型設計，因為通常第一臺設備都會生產出來一個樣機，來觀察其外形的優(yōu)缺點，這樣通過渲染功能設備的真實狀態(tài)就呈現(xiàn)在面前，可以非常直觀的觀看效果

55、、非常方便，不用通過加工實物就能發(fā)現(xiàn)不足，發(fā)現(xiàn)結構中的缺陷直接通過三維模型進行改進優(yōu)化，最終得到最優(yōu)化的結構，最終生成出實物服務于廣大急救行業(yè)工作者。結　論 噴灑機器人通過底座固定在小車架體上，其中底盤能夠實現(xiàn)360度旋轉，旋轉機構主要是通過齒輪嚙合減速并旋轉，通過電機抱閘鎖定旋轉位置。機械臂的折疊通過拉桿實現(xiàn)。 驅動系統(tǒng)由車輪、支架、減速器等主要部分構成。減速機選用蝸輪蝸桿一級減速機，蝸輪蝸桿能夠實現(xiàn)自鎖。行進到位置后停止轉動，蝸輪蝸桿減速機輸出軸通過聯(lián)軸器連接車輪，車輪即停止轉動實現(xiàn)自鎖。該驅動系統(tǒng)采用雙前驅的結構形式，前端兩個輪子分別采用電機單獨驅動，同時正轉即是前進、同時

56、反轉即是后退，一正一反轉動可實現(xiàn)左右轉彎。 設計是服務于人，如果按照常規(guī)設計只是普通的器械，只能滿足人們的基本要求。本次設計的裝置中也加入了人工智能部分，但是由于本人知識能力所限，這一部分只是進行簡單闡述。噴灑機器人裝置中可以融入互聯(lián)網技術，設備的控制系統(tǒng)中含有GPS定位裝置，可以通過定位裝置實施監(jiān)控機器人位置。進一步暢想也可以在設備上安裝攝像頭，這樣工作人員就可以通過手機對工作狀態(tài)實時看管。關于人工智能是未來發(fā)展的大趨勢所在，未來社會隨著人民生活水平的提高以及制造成本、人工成本的增加，智能化是必然的發(fā)展產物。 28 噴灑機器人的設計 謝 辭 盡管有再多的不舍，還

57、是阻止不了時間向前移動的腳步，還是阻止不了畢業(yè)的臨近。大學這幾年時間是我人生中最難忘的時光，在這四年里我經歷了太多的成長，從以往做事更多的需要父母的建議到大學時代更多的獨立的解決問題。這不僅僅包含學業(yè)上需要解決的問題，還有自己獨立面對和解決生活中的問題。在大學的這段時光里，我的學習能力和處理事情的能力以及一些世界觀人生觀和價值觀的成長是顯而易見的。我的這些成長離不開學校提供給學生的濃厚的學習氛圍，離不開老師對我的關愛和幫助，也離不開同學對我的幫助和鼓勵。 通過知網檢索文獻查閱資料，分析相似課題的研究成果，通過總結分析形成自己的設計思路，設計過程中得到了指導老師非常大的幫助。通過這次畢業(yè)設計對

58、solidworks軟件進行了三維建模，過程中熟練掌握了軟件的使用，solidworks軟件目前在機械設計行業(yè)使用非常廣泛，對自己以后走上工作崗位都會受益匪淺。三維建模之后通過CAD二維軟件轉化了圖紙，圖紙繪制過程中對大學的課程也是一次很好的鞏固，尤其是工程圖學中的繪圖基本知識、以及機械設計基礎相關知識都是一次很好的復習，大學期間所學課程有很多，走上工作崗位未必每個課程都會用的上，但是通過學習的過程中掌握一種學習知識的方法，這種方法掌握了以后無論做什么事情都會用得上。 這段經歷對于我個人來講是一個蛻變的過程，通過這段經歷將我從一個懵懵懂懂，做事按部就班的人變成一個積極主動地，遇到事情可以主動

59、尋找解決問題方法的人，而且解決問題這個過程中不但可以成長，還能收獲快樂和喜悅，這對我畢業(yè)以后的生活和工作是一筆巨大的財富。生活不會一帆風順，一定會遇到很多的問題，在遇到問題時候，面對問題的態(tài)度會影響我們的人生品質，通過在大學里面學習到的知識和個人性格的培養(yǎng)，可以使我在面對困難的時候不再彷徨和害怕，而是想著做任何事情都有解決的辦法。“花有再開日，人無再少年”，在大學的這幾年，是我們人生中最寶貴的幾年，或許會因有些想做而沒做的事情而留有一些遺憾，但卻沒有后悔的事情。感謝大學的生活和學習帶給我個人的成長，也非常感謝在大學這幾年時間里面老師和同學對我的幫助，希望每個人在面對未來的生活時都可以更加自信和

60、從容。 參考文獻 [1]Li-Kai Yeh-Liu,Sheng-Yu Hsu,Po-Yu Chen,Jyh-Wei Lee,Jenq-Gong Duh. Improvement of CrMoN/SiN x coatings on mechanical and high temperature Tribological properties through biomimetic laminated structure design[J]. Elsevier B.V.,2020,393. [2]陳廣輝,熊茂華.基于視覺檢測的采摘機械臂的研究與開發(fā)[J].南方農機,2020,51

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