畢業(yè)設計（論文）-智能物料搬運小車設計

摘要目前工廠的自動化程度不斷提高，但工廠的生產效率并沒有得到大幅度提高，而限制生產效率的主要原因是：生產線毛坯與成品的搬運均采用工人手工完成，而搬運是一件費時費力的事情。針對上述現象，本文針對上述現象重點研發(fā)一套物料搬運智能機器人，該機器人集物料抓取、物料移動、物料放置于一體，主要研究內容如下：本文設計的物料搬運小車需要精準實現物料的搬運工作，因此本文設計的物料搬運小車選擇四輪式傳動。紅外反射時一般是漫反射，到遇到不規(guī)則物體時，其反射信號不一定能被小車接收到，本文最終選擇超聲波避障的方式。本文設計的物料搬運小車需要滿足不同工況的使用要求，因此本文設計的通信方式最終選擇連續(xù)式通信，具體的類別為wife傳輸。物料識別最終也采用機器視覺技術，搬運裝置選擇氣壓式驅動的方式。行走裝置控制系統(tǒng)選用AT89C51單片機作為中心控制單位，采用可編程序控制器(PLC)對機械手臂進行控制。經過最大力矩和工作轉速，最終選擇行走裝置直流電機的型號為：Z2-11小型直流電動機；本文設計的行走裝置電源類型選擇鉛酸蓄電池，電壓為12V，電池數量為2個。經過計算，回轉電機選擇：藤印象微形直流電機，回轉齒輪的模數為圓整為2。大臂電機的型號為：3D30GN-24，小臂電機的型號為：XD-3420-2，機械爪電機的型號為：XD-15GB555，經過計算，上述所有電機的輸出扭矩大于所需要的工作扭矩。驗算合格。對物料搬運小車進行虛擬模型建立，首先是要所有的零部件進行三維建模，建模完畢之后，對物料搬運小車進行虛擬模型裝配，整個三維模型分為行走裝置和搬運裝置兩個，分別利用配對，同心，對齊等命令將上述機構進行裝配。關鍵詞：物料搬運小車、超聲波避障、行走裝置、虛擬建模AbstractAtpresent,thedegreeofautomationofthefactorycontinuestoimprove,buttheproductionefficiencyofthefactoryhasnotbeengreatlyimproved,andthemainreasonforlimitingtheproductionefficiencyisthat:thehandlingoftheblankandfinishedproductsoftheproductionlinearecompletedbymanualworkers,andthehandlingisatime-consumingandlaboriousthing.Inviewoftheabovephenomenon,thispaperfocusesonthedevelopmentofasetofmaterialhandlingintelligentrobot,therobotsetmaterialcapture,materialmovement,materialplacementinone,themainresearchcontentisasfollows:Thematerialhandlingcardesignedinthispaperneedstoaccuratelyrealizethematerialhandlingwork,sothematerialhandlingcardesignedinthispaperchoosesfour-wheeldrive.Infraredreflectionisgenerallydiffusereflection.Whenanirregularobjectisencountered,itsreflectedsignalmaynotbereceivedbythecar.Inthispaper,ultrasonicobstacleavoidanceisfinallychosen.Thematerialhandlingcardesignedinthispaperneedstomeettherequirementsofdifferentworkingconditions,sothecommunicationmodedesignedinthispaperfinallychoosescontinuouscommunication,andthespecificcategoryisWifetransmission.Materialidentificationeventuallyalsousesmachinevisiontechnology,handlingdeviceschoosepneumaticdriveway.ThewalkingdevicecontrolsystemAT89C51singlechipmicrocomputerasthecentralcontrolunit,andusesPLCtocontrolthemechanicalarm.ChoosethemodeloftheDCmotorofthewalkingdevice:Z2-11smallDCmotor;Thepowersupplytypeofthewalkingdeviceislead-acidbatterywiththevoltageof12Vandthenumberofbatteriesis2.Handlingdevicehandclampingcylinderdiameteris65mm,thediameterofthepistonrodis18mm,thewristrotarycylinderdrivingmomentis,greaterthantheinertiamoment,thearmliftingcylinderdrivingforceis3799N,andtheneedtoovercometheforceis356N,checkqualified.Tovirtualmodelofmaterialhandlingvehicles,firstofallistoallcomponentsof3dmodeling,modeling,virtualassemblymodelofmaterialhandlingvehicles,thewhole3dmodelisdividedintotwo,walkingdeviceandhandlingdevicewithmatchingrespectively,concentric,suchascommandswillbeassemblingtheseorganizations.Keywords:materialhandlingtrolley,ultrasonicobstacleavoidance,walkingdevice,virtualmodeling目錄TOC\o"1-3"\h\u16791第1章緒論 緒論1.1課題的研究背景與意義隨著“中國制造2025”以及“兩化融合”的不斷深入，智能化、數字化設備開始大批量投入市場，工廠的自動化程度不斷提高，就目前而言，大部分工廠都逐漸實現了生產自動化與裝配自動化，但是工廠的生產效率并沒有得到大幅度提高，而限制生產效率的主要原因是：目前生產線毛坯與成品的搬運均采用工人手工完成，而搬運是一件費時費力的事情[1-3]。針對上述現象，國內外學者以及科研機構研發(fā)出適用于不同場合的物料搬運機器人，物料搬機器人是指通過各個關節(jié)自由度的配合，實現對物料的抓取，移動和放置。搬運機器人根據所抓取的對象不同，又可分為：輕型機械手、中型機械手以及重型機械手，根據自由度的不同，可分為三自由度機械手、四自由度機械手以及六自由度機械手等等，目前絕大部分機械手都是固定式，即機械手安裝座固定在地面上，固定式機械手存在一個很大的弊端，即機械手的運動范圍有限，無法實現物料長距離的搬運，這也是限制機械手廣泛運用的因素之一[4]。目前市面上成熟的機器人均是國外進口，國內自主研發(fā)很少，而國外對我國實行技術封鎖，一旦國外對我國實行經濟制裁，將會造成我國無物料搬運機器人可用，本文針對上述現象重點研發(fā)一套物料搬運智能機器人，該機器人集物料抓取、物料移動、物料放置于一體，實現無人化控制，智能化搬運。該機器人的成功研制不僅能打破國外的技術封鎖，還能提高我國機器人市場占有率，并且將工人從繁重的搬運工作中解放出來，極大程度提高企業(yè)生產效率，降低生產成本，市場前景廣闊。1.2國內外研究現狀1.2.1國外研究現狀國外對物料機器人的研究比較早，國外最早的一款機器人于20年世紀50年代成功研發(fā)，經過百年的發(fā)展，國外針對各種應用場合都研發(fā)了不同類型的機器人，其中DClark

等人研發(fā)了一種物料機器人，重點對運動路徑進行了規(guī)劃以及機器人控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，優(yōu)化之后，機器人能夠在更少的時間，更短的距離實現物料的搬運以及抓取，并且能夠自動的得到最優(yōu)的路徑；MBelfiore

等人對機器人的大小臂進行了受力分析，主要分析了機器人在最大承重以及最大擺臂距離下，各個擺臂的應力應變分布，結果表明：在最大承重情況下，各個擺臂的應力均小于材料的許用應力，即表明機器人能夠在各種工況下正常工作；MLuciw等人對設計了一款基于并聯(lián)機構的機械手，該機械手能夠在驅動不變的前提下，使其承載增加近一倍，特別適合用在大型物料的搬運工作，極大程度上減少了人為的參與[5-12]。1.2.2國內研究現狀國內對搬運機器人的研究時間較晚，國內第一款搬運機器人于80年代中期被研制出來，然后經過近40年的發(fā)展，國內學者與科研機構也陸續(xù)推出很多不同款式不同類型的機器人，比如李偉光等人對搬運機器人進行了移動路徑優(yōu)化，分別用三項式、五項式以及正弦對路徑進行了規(guī)劃，然后利用Matlab對路徑進行了仿真，分析結果表明在五項式路徑規(guī)劃下，搬運機器人的速度、加速度曲線連續(xù)，沒有突變，運動過程平穩(wěn)；郭毓等人對搬運機器人的伺服系統(tǒng)進行了優(yōu)化，使搬運機器人能更快對控制信號進行響應，一定程度上減少搬運機器人的運行時間；劉鳳臣等人研發(fā)了一款基于AGV小車的搬運機器人，將一個三自由度機械手放置在AGV小車上，然后在小車上設計超聲波發(fā)射器，實現避障功能，該機器人的成功研制，真正意義上解決了機器人長距離搬運的難題；曹波等人基于時間最優(yōu)對機器人路徑進行了規(guī)劃，首先建立了機器人的速度。加速度公式，然后對機器人運行路線進行了規(guī)劃和求解，然后以運行時間最少為優(yōu)化目標，建立了運動路線、運行速度以及加速度為自變量的遺傳算法，遺傳算法優(yōu)化之后：在運動路線不變的前提下，運行時間減少了30%，該算法已經被眾多機器人制造企業(yè)引用[13-18]。1.3本文研究內容目前工廠的自動化程度不斷提高，但工廠的生產效率并沒有得到大幅度提高，而限制生產效率的主要原因是：生產線毛坯與成品的搬運均采用工人手工完成，而搬運是一件費時費力的事情。針對上述現象，國內外學者以及科研機構研發(fā)出適用于不同場合的物料搬運機器人，但是市面上成熟的機器人均是國外進口，國內自主研發(fā)很少，而國外對我國實行技術封鎖，一旦國外對我國實行經濟制裁，將會造成我國無物料搬運機器人可用，本文針對上述現象重點研發(fā)一套物料搬運智能機器人，該機器人集物料抓取、物料移動、物料放置于一體，主要研究內容如下：（1）完成物料搬運小車總體方案設計；（2）對物料搬運小車進行重要零部件參數計算；（3）完成物料搬運小車虛擬模型建立。物料搬運小車總體方案設計本章主要對物料搬運小車進行總體方案設計，主要包括行走裝置方案設計、搬運裝置方案設計以及控制系統(tǒng)方案設計。2.1物料搬運小車技術要求確定在對物料搬運小車進行總體方案設計之前，需要對搬運小車技術要求進行確定，通過查閱國內外文獻以及任務書要求，物料搬運小車技術要求如表2-1所示。表2-1物料搬運小車技術要求參數類型具體要求動力源蓄電池/12V功能要求軌跡規(guī)劃、物料識別、wife通信、避障等2.2行走裝置方案設計2.2.1傳動機構方案設計目前常見的物料搬運傳動機構主要分為三輪式和四輪式，三輪式與四輪式傳動的機構的優(yōu)缺點如圖2-1所示。圖2-1不同傳動方式的優(yōu)缺點本文設計的物料搬運小車需要精準實現物料的搬運工作，因此需要保證裝置在運行過程的精準度，而三輪式傳動機構傳動誤差較大，無法使得搬運小車在精準停在某一個位置，因此本文設計的物料搬運小車選擇四輪式傳動。2.2.2避障方案設計搬運小車的避障功能主要是實現行駛過程中障礙物的有效躲避，使得裝置能夠真正無人化控制和智能化搬運，根據避障方式不同，市場上常見的避障裝置可分為超聲波避障與紅外避障。超聲波避障原理為：首先通過超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)射超聲波，當超聲波遇到小車前方的障礙之后進行反射，最終將相關參數轉化為信號，進而控制小車進行避讓。紅外避障的原理為：首先通過紅外發(fā)射裝置向外發(fā)射紅外線，當紅外線遇到小車前方的障礙之后進行反射，通過計算紅外發(fā)射和接收的時間，便可得到前方是否有障礙物以及障礙物離小車的距離。兩種方案都是通過發(fā)射信號和接受信號進行避障，但是兩者之間發(fā)射的媒介不同，一個是采用超聲波的方式，一個是采用紅外的方式，紅外的方式存在一個明顯的弊端，就是紅外反射時一般是漫反射，到遇到不規(guī)則物體時，其反射信號不一定能被小車接收到，這會使得小車誤以為前方沒有障礙，進而使得小車直接撞向障礙物，綜上所述，本文最終選擇超聲波避障的方式。2.2.3路徑導引方案設計小車在運動過程中，路徑導引尤其重要，路徑導引的好壞將直接影響小車的工作效率以及決定小車是否能準確地將物料送達。目前常見的路徑導引有兩種，一種主動導引，一種是被動導引。主動導引是指在車上安裝定位傳感器以及攝像頭，通過攝像頭以及定位傳感器精準識別小車的位置，然后計算小車離目的地的距離以及周邊是否有障礙物，最后通過后臺算法的運行，自動規(guī)劃和導引小車前進。被動導引是指在地面上設置導引裝置來實現小車的運動，例如光學導引和磁性導引，最為常見的是在地面上貼上一層磁條，使得小車只能在磁條上運行。被動改導引方式適合運動軌跡不變的物料搬運，該方案簡單，方便，只需要定期更換導引裝置即可，而主動導引裝置復雜，但能夠根據不同的環(huán)境實現不同軌跡的導引，搬運靈活，本文為了使得搬運小車能夠適用于不同的場合，最終選擇主動導引的方式。2.2.4通信方式方案設計搬運小車的通信主要是指車外地面控制器與小車之間的通信，地面控制器通過通信系統(tǒng)實時向搬運小車傳達指令，小車也可以通過通信系統(tǒng)向地面控制器傳送狀態(tài)，因為通信系統(tǒng)的好壞也會直接影響小車是否能準確地將物料送達。目前市面上常見的通信系統(tǒng)主要有兩種，一種是連續(xù)方式，另外一種是分散方式，兩種分散方式的優(yōu)缺點與通信原理如圖2-2所示。圖2-2連續(xù)式與分散式通信優(yōu)缺點如圖2-2所示，與分散式通信相比，連續(xù)式通信能夠實時傳輸數據，適用于各種場合，系統(tǒng)魯棒性和抗干擾能力強，本文設計的物料搬運小車需要滿足不同工況，因此本文設計的通信方式最終選擇連續(xù)式通信，具體類別為wife傳輸。2.2.5物料及顏色識別方案設計目前對于物料及顏色識別最常用的方法機器視覺技術，首先利用相機拍攝小車前方的圖像，然后通過預處理進行降噪；接著對特征進行提取，如：閾值處理、canny算法對圖像邊緣進行提取和分割；最后對被分割物體進行物料識別，機器視覺技術在最近幾年發(fā)生非常迅速，其中國內外眾多大型企業(yè)和科研機構已開發(fā)出許多成熟的算法，算法的魯棒性也不斷提高，本文設計的物料搬運小車，其對物料識別最終也采用機器視覺技術，具體算法流程如圖2-3所示。圖2-3物料及顏色識別算法流程2.3搬運裝置方案設計物料搬運裝置主要的功能為：通過機械爪夾取物料，當小車到達指定的位置時，放下物料。機械手臂由手部、臂部和立柱等部件組成。（1）手部即與物件接觸的部件。手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。（2）手臂手臂是支承被抓物件、手部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。（3）立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。目前，機械手的驅動裝置可分為：液壓傳動，氣壓傳動以及機械傳動，不同傳動方式的原理以及優(yōu)缺點如圖2-6所示。如2-6不同傳動方式的原理以及優(yōu)缺點本文設計的搬運小車需要結構簡單，輕量化，并且搬運對象為小型物體，抓握運動需要精準可靠，綜述所述，最終選擇機械驅動的方式。2.4控制系統(tǒng)方案設計2.4.1行走裝置控制系統(tǒng)設計行走裝置控制系統(tǒng)選用AT89C51單片機作為中心控制單位，其工作原理為：首先在電機與蓄電池連接，電機開始運轉，然后安裝再電機上的數字編碼器發(fā)送一系列脈沖信號，該脈沖信號經過控制電路的傳輸與分析，最終得到電動機的轉動方向與，計數器可以對發(fā)送出的脈沖信號進行記數，最終根據計數的結果得到電機的轉速，單片機運行相關的控制量經過開關放大器傳達至行走裝置執(zhí)行機構，最終完成形狀裝置實際位移與轉矩的控制。2.4.2搬運裝置控制系統(tǒng)設計采用可編程序控制器對機械手臂進行控制。控制工作流程圖如圖2-7所示。圖2-7機械手臂自動控制工作流程圖2.5本章小結本章主要對物料搬運小車進行總體方案設計，主要結論如下：本文設計的物料搬運小車需要精準實現物料的搬運工作，因此需要保證裝置在運行過程的精準度，而三輪式傳動機構傳動誤差較大，無法使得搬運小車在精準停在某一個位置，因此本文設計的物料搬運小車選擇四輪式傳動。兩種方案都是通過發(fā)射信號和接受信號進行避障，一個是采用超聲波的方式，一個是采用紅外的方式，紅外的方式存在一個明顯的弊端，就是紅外反射時一般是漫反射，到遇到不規(guī)則物體時，其反射信號不一定能被小車接收到，這會使得小車誤以為前方沒有障礙，進而使得小車直接撞向障礙物，綜上所述，本文最終選擇超聲波避障的方式。（2）被動改導引方式適合運動軌跡不變的物料搬運，該方案簡單，方便，只需要定期更換導引裝置即可，而主動導引裝置復雜，但能夠根據不同的環(huán)境實現不同軌跡的導引，搬運靈活，本文為了使得搬運小車能夠適用于不同的場合，最終選擇主動導引的方式。與分散式通信相比，連續(xù)式通信能夠實時傳輸數據，適用于各種場合，系統(tǒng)魯棒性和抗干擾能力強，本文設計的物料搬運小車需要滿足不同工況的使用要求，因此本文設計的通信方式最終選擇連續(xù)式通信，具體的類別為wife傳輸。本文設計的搬運小車需要結構簡單，輕量化，并且搬運對象為小型物體，抓握運動需要精準可靠，綜述所述，最終選擇機械驅動的方式。（3）行走裝置控制系統(tǒng)選用AT89C51單片機，機械手臂控制系統(tǒng)最終選擇PLC進行控制。物料搬運小車重要零部件參數計算本章重點對物料搬運小車重要零部件進行參數計算，包括行走裝置參數設計以及物料搬運小車搬運裝置參數設計。3.1物料搬運小車行走裝置參數設計3.1.1直流伺服電機的選型本文設計的搬運小車一共有4個萬向輪，和2個驅動輪，設定搬運小車整體的重量為60kg，平均分布在每個輪子上，萬向輪與地面的摩擦為0.15，驅動輪與地面的摩擦為0.2。4個萬向輪的摩擦力為：將相關參數數值代入上述，可得：萬向輪的直徑為76mm，可得到萬向輪對應的力矩為：驅動輪的摩擦力為：將相關參數數值代入上述，可得：萬向輪的直徑為150mm，可得到萬向輪對應的力矩為：整個驅動系統(tǒng)需要帶動的總力矩為：設定小車的最大運動速度為0.5m/s，驅動的轉速為：代入相關參數，即可得到：取渦輪減速器的減速比為20，得到電機的轉速為：圓整取電機轉速為1500r/min，最終代入電機功率求取公式，本文驅動系統(tǒng)是由兩套電機分別驅動，得到：代入相關參數得到：結合上述參數，最終選擇電機的型號為：Z2-11小型直流電動機，具體參數如表3-1所示。表3-1電機具體參數型號功率轉速效率Z2-110.4KW1500r/min85%3.1.2行走裝置電源選型各種類型蓄電池特點如圖3-1所示。圖3-1各種類型蓄電池特點本文設計的搬運小車需要長時間運行，并且使用壽命需要較長，橫向對比以上四種電池，本文設計的行走裝置電源類型選擇鉛酸蓄電池，電壓為12V，電池數量為2個。3.2物料搬運小車回轉機構參數設計3.2.1回轉電機設計與選型回轉電機需要帶動整個機械臂進行抓握運動，選取機械臂的等效回轉半徑為0.3m，等效回轉半徑所對應的物體重量為2000g，根據力矩方程可以得到回轉電機所需要的力矩為：帶入相關方程，可以得到力矩具體數值為：設定回轉速度為50r/min，初步選擇回轉電機為：藤印象微形直流電機，電機具體參數如表3-2所示。表3-1電機具體參數型號功率轉速電壓藤印象微形35W100r/min12V/24V接下來根據電機的具體參數，對其進行校核，校核的依據為回轉平臺的輸出扭矩是否大于工作力矩，由表可知，藤印象微形直流電機其轉速為100r/min，而本文所需要的轉速為50r/min，因此本文在回轉電機與回轉臺之間加上了齒輪機構進行減速，齒輪機構的具體參數見下文。電機輸出扭矩計算公式如下：將相關數值帶入，可得：上文可知，電機與回轉平臺之間由一對減速齒輪，因此，回轉平臺最終的輸出扭矩為：經過計算，最終回轉平臺的輸出扭矩為，大于所需要的工作扭矩，因此本文選擇的回轉平臺電機能夠滿足機械手的工況需求，驗算合格。3.2.2回轉齒輪的設計與校核已知電動機驅動兩個齒輪運動，然后大齒輪帶動回轉平臺運動，上文已知回轉電機35W，額定轉速為100r/min，每天工作10小時。大小齒輪的材料均可以選擇45鋼（調質）硬度為240。傳動比為2，選小齒輪的齒數，大齒輪的齒數為，?。?）按齒面接觸強度進行設計設計計算公式為：（2）由公式可得：（3）取，則主動齒輪的應力循環(huán)次數為：查表取，接觸疲勞強度；疲勞強度極限，由公式可得：將上式所求的、代入上式中，可得齒輪分度圓直徑為：（5）計算載荷系數查表可得，使用系數，動載系數，齒間載荷分配系數，齒向載荷分配系數，。則載荷系數為：（6）按實際計算出的載荷系數校正已算得的主動齒輪分度圓直徑，可得：模數為：按齒根彎曲強度設計設計計算公式為：式中：—齒輪齒數；—齒形系數。為，；—應力修正系數。為，。（1）計算彎曲疲勞許用應力查表得齒輪的彎曲疲勞強度小齒輪為，大齒輪彎曲疲勞強度為，安全系數，齒輪彎曲疲勞壽命系數為，齒條彎曲疲勞壽命系數為。（2）計算載荷系數載荷系數為：計算模數將齒輪的彎曲疲勞強度小齒輪為，大齒輪彎曲疲勞強度為分別代入計算中可以得到：對比以上結果，按齒面接觸疲勞強度計算的模數為1.6，按齒根彎曲疲勞強度計算的齒輪的最大模數為1.11，綜合考慮最終選取傳動齒輪的模數為圓整為2。3.3大臂電機的選型大臂電機需要帶動大臂，小臂以及機械爪運動，大臂電機的等效回轉半徑同樣為0.3m，等效回轉半徑所對應的物體重量為1500g，根據力矩方程可以得到回轉電機所需要的力矩為：帶入相關方程，可以得到大臂工作力矩具體數值為：設定回轉速度同樣為50r/min，初步選擇回轉電機為：3D30GN-24，電機具體參數如表3-2所示。表3-1電機具體參數型號功率轉速電壓3D30GN-2430W50r/min12V/24V接下來根據電機的具體參數，對其進行校核，校核的依據為大臂的輸出扭矩是否大于工作力矩。電機輸出扭矩計算公式如下：將相關數值帶入，可得：經過計算，最終大臂的輸出扭矩為，而大臂的工作力矩為，因此大臂的輸出扭矩大于所需要的工作扭矩，因此本文設計大臂電機能夠滿足機械手的工況需求，驗算合格。3.4小臂電機的選型小臂電機需要帶動機械爪和驅動臂運動，大臂電機的等效回轉半徑同樣為0.2m，等效回轉半徑所對應的物體重量為1000g，根據力矩方程可以得到小臂回轉電機所需要的力矩為：帶入相關方程，可以得到小臂工作力矩具體數值為：設定回轉速度同樣為50r/min，初步選擇回轉電機為：XD-3420-2，電機具體參數如表3-2所示。表3-1電機具體參數型號功率轉速電壓XD-3420-220W50r/min12V/24V接下來根據電機的具體參數，對其進行校核，校核的依據為小臂的輸出扭矩是否大于工作力矩。電機輸出扭矩計算公式如下：將相關數值帶入，可得：經過計算，最終小臂的輸出扭矩為，而小臂的工作力矩為，因此小臂的輸出扭矩大于所需要的工作扭矩，因此本文設計小臂電機能夠滿足機械手的工況需求，驗算合格。3.5機械爪電機設計與選型機械爪電機需要帶動機械爪運動，機械爪的等效回轉半徑同樣為0.05m，所抓握的重量為500g，電機與機械爪之間通過齒輪傳動，齒輪的傳動比為1，根據力矩方程可以得到機械爪回轉電機所需要的力矩為：帶入相關方程，可以得到機械爪工作力矩具體數值為：設定機械爪回轉速度同樣為50r/min，初步選擇回轉電機為：XD-15GB555，電機具體參數如表3-2所示。表3-1電機具體參數型號功率轉速電壓XD-37GB55515W50r/min12V/24V接下來根據電機的具體參數，對其進行校核，校核的依據為機械爪的輸出扭矩是否大于工作力矩。電機輸出扭矩計算公式如下：將相關數值帶入，可得：上文已知，電機與機械爪之間通過齒輪傳動，齒輪的傳動比為1，因此電機的工作扭矩就等于機械爪輸出的扭矩：經過計算，最終機械爪的輸出扭矩為，而機械爪的工作力矩為，因此機械爪的輸出扭矩大于所需要的工作扭矩，因此本文設計機械爪電機能夠滿足機械手的工況需求，驗算合格。3.6本章小結本章重點對物料搬運小車重要零部件進行參數計算，包括行走裝置參數設計以及物料搬運小車搬運裝置參數設計，主要結論如下：經過最大力矩和工作轉速，最終選擇行走裝置直流電機的型號為：Z2-11小型直流電動機；（2）本文設計的搬運小車需要長時間運行，并且使用壽命需要較長，橫向對比以上四種電池，本文設計的行走裝置電源類型選擇鉛酸蓄電池，電壓為12V，電池數量為2個。（3）經過計算，回轉電機選擇：藤印象微形直流電機，回轉平臺的輸出扭矩為，大于所需要的工作扭矩；回轉齒輪按齒面接觸疲勞強度計算的模數為1.6，按齒根彎曲疲勞強度計算模數為1.11，綜合考慮最終選取傳動齒輪的模數為圓整為2。其中小齒輪的齒數為20，大齒輪的齒數為40。（4）大臂電機的型號為：3D30GN-24，經過計算大臂的輸出扭矩為，而大臂的工作力矩為，因此大臂的輸出扭矩大于所需要的工作扭矩。（5）小臂電機的型號為：XD-3420-2，經過計算小臂的輸出扭矩為，而大臂的工作力矩為，因此小臂的輸出扭矩大于所需要的工作扭矩。（6）機械爪電機的型號為：XD-15GB555，經過計算，機械爪的輸出扭矩大于所需要的工作扭矩。驗算合格。物料搬運小車虛擬模型建立虛擬模型不同與實物模型，虛擬模型是指通過軟件中的一系列命令，建立起與實物對應的模型，通過對模型做運動學、動力學仿真即可驗證模型是否準確，并且如果發(fā)現干涉等可以及時調整，在對任何一個機構進行設計時，虛擬仿真都是必須要有的步驟，因為如果不進行仿真在，直接作出實物，萬一有什么差錯，根本無法調整，只能重做[19-20]。就目前而言，可通過對實物測繪進而對其進行虛擬建模與裝配的軟件有很多，例如比較常見的軟件有：Creo、Catia、UG、Soildworks等，上述軟件均能夠完成虛擬樣機的建模只是每個軟件有各自擅長的方面，本文虛擬樣機的設計裝配采用的是Soildworks軟件[21]。4.1物料搬運小車重要零部件建模所有的零部件模型建立，不外乎拉伸、旋轉、鏡像等命令，本文以旋轉安裝架為例，對零部件建模進行詳細的闡述。首先新建一個安裝架零件，如圖4-1所示。圖4-1新建零件示意圖首先拉伸底板，繪制底板草圖，底板直徑為162的圓，底板草圖如圖4-2所示。圖4-2底板草圖示意圖底板厚度為5mm，底板拉伸后三維示意圖如圖4-3所示。圖4-3底板拉伸三維示意圖接著繪制底板安裝孔，底板安裝孔可以先使用拉伸切除命令，然后再使用陣列，也可以直接在拉伸切除中繪制所有的安裝孔，這樣一個切除命令即可完成所有的安裝孔繪制，本文選用后者，安裝孔草圖如圖4-4所示。圖4-4安裝孔草圖示意圖接著繪制底板與氣缸連接孔，同樣是使用拉伸切除命令，底板連接孔草圖如圖4-5所示。圖4-5底板連接孔草圖示意圖至此，底板三維模型繪制完成，主要是使用了拉伸命令，底板三維示意圖如圖4-6所示。圖4-5底板三維示意圖其實所有的零部件模型建立，不外乎拉伸、旋轉、鏡像等命令，本文由于篇幅有限，不再進行詳細的闡述，只展示出建立好的零部件模型，如圖4-6~4-9所示。圖4-6搬運小車外殼圖4-7觸摸屏面板圖4-8搬運小車底板圖4-9充電口連接板4.2物料搬運小車虛擬模型裝配零部件建立完畢之后，開始對物料搬運小車進行三維模型裝配，可以將整個三維模型分為行走裝置和搬運裝置兩個，分別利用配對，同心，對齊等命令將上述機構進行裝配，具體的裝配步驟本文不再詳細的闡述，只列出裝配好的三維模型，上述機構裝配完畢后的模型示意圖如圖4-10~圖4-12所示。圖4-10搬運裝置三維示意圖圖4-11行走裝置三維示意圖圖4-12物料搬運小車三維示意圖4.3本章小結本章主要對物料搬運小車進行虛擬模型建立，首先是要所有的零部件進行三維建模，建模軟件為soildworks，建模完畢之后，對物料搬運小車進行虛擬模型裝配，整個三維模型分為行走裝置和搬運裝置兩個，分別利用配對，同心，對齊等命令將上述機構進行裝配。結論目前工廠的自動化程度不斷提高，但工廠的生產效率并沒有得到大幅度提高，而限制生產效率的主要原因是：生產線毛坯與成品的搬運均采用工人手工完成，而搬運是一件費時費力的事情。針對上述現象，國內外學者以及科研機構研發(fā)出適用于不同場合的物料搬運機器人，但是市面上成熟的機器人均是國外進口，國內自主研發(fā)很少，而國外對我國實行技術封鎖，一旦國外對我國實行經濟制裁，將會造成我國無物料搬運機器人可用，本文針對上述現象重點研發(fā)一套物料搬運智能機器人，該機器人集物料抓取、物料移動、物料放置于一體，主要研究內容如下：（1）本文設計的物料搬運小車需要精準實現物料的搬運工作，因此本文設計的物料搬運小車選擇四輪式傳動。紅外反射時一般是漫反射，到遇到不規(guī)則物體時，其反射信號不一定能被小車接收到，本文最終選擇超聲波避障的方式。本文設計的物料搬運小車需要滿足不同工況的使用要求，因此本文設計的通信方式最終選擇連續(xù)式通信，具體的類別為wife傳輸。物料識別最終也采用機器視覺技術，本文設計的搬運小車需要結構簡單，輕量化，并且搬運對象為小型物體，抓握運動需要精準可靠，綜述所述，最終選擇機械驅動的方式。（2）行走裝置控制系統(tǒng)選用AT89C51單片機作為中心控制單位，采用可編程序控制器(PLC)對機械手臂進行控制。（3）對物料搬運小車重要零部件進行參數計算，經過最大力矩和工作轉速，最終選擇行走裝置直流電機的型號為：Z2-11小型直流電動機；本文設計的行走裝置電源類型選擇鉛酸蓄電池，電壓為12V，電池數量為2個。經過計算，回轉電機選擇：藤印象微形直流電機，回轉齒輪按齒面接觸疲勞強度計算的模數為1.6，按齒根彎曲疲勞強度計算模數為1.11，綜合考慮最終選取傳動齒輪的模數為圓整為2。大臂電機的型號為：3D30GN-24，小臂電機的型號為：XD-3420-2，機械爪電機的型號為：XD-15GB555，經過計算，上述所有電機的輸出扭矩大于所需要的工作扭矩。驗算合格。（4）對物料搬運小車進行虛擬模型建立，首先是要所有的零部件進行三維建模，建模軟件為soildworks，建模完畢之后，對物料搬運小車進行虛擬模型裝配，整個三維模型分為行走裝置和搬運裝置兩個，分別利用配對，同心，對齊等命令將上述機構進行裝配。致謝離答辯只有不到幾個月的時間了，畢業(yè)論文的撰寫也進行到了收尾的工作，十分想念在柳州工學院四年時光，總是說畢業(yè)遙遙無期，沒想到現在離畢業(yè)已觸手可及，畢業(yè)之后，肯定是與舍友、同學們各奔東西，不會再住到這樣充滿青春回憶的宿舍，不會再擁有這樣經歷的的生活，寫到這里，我竟頓時從未如此的不想離開?；叵朐谶^去的四年學習生涯里，奮斗過，努力過，收獲過，也失敗過，特別是在畢業(yè)設計的時候，因為模型的問題導致畢業(yè)設計遭遇了重重阻礙，說實話，一次次的失敗接踵而至的時候，內心想過逃避，也曾無數次的詢問自己，為什么每次都是失敗，是自己能力不行還是不適合研究這個方向，每次疑惑困住我的內心時，我都會跑去找我的導師，將我心中所想一一的和我的老師去訴說，老師每次都會耐心著聽我說完，然后細心的幫我解決問題，當然，每每和老師談完，內心的疑惑都能瞬間廓然開朗，又有了重新前進的動力，當我成功做出畢業(yè)設計，看到設計成果，并且最終的結果和預計基本符合時，真的難掩心中的喜悅，我希望在以后的科研道路中，就算再次遇到困難，都會想起做畢設的時候擁有的成就感和不懈拼搏的精神，都會忘記一切困難，或者說有充滿了無限的動力去戰(zhàn)勝困難，還是十分感激我的導師謝老師，沒有他的悉心關懷，沒有他的包容肯定，我一個人在這條道路上必然曲折艱難，有他在，就像是一盞為前方道路照明的指明燈，帶給我不竭的希望和動力去突破難關。還記得進入校門的那一刻，對一些的事物都是充滿的好奇，我的室友，也是來自祖國的四面八方，有貴州的，江蘇的，海南的，記得我們第一次見面，我們一見如故，興趣，愛好竟然全部不謀而合，并且交流過程中，很多經歷竟然都發(fā)生在我們室友們身上，我們仿佛就是從下一起長大的小伙伴，在讀書期間，我的室友對我的幫助很多，我們一起去打飯，一起去打球，一起去游玩，也一起上課，在學習的道路上，我們攜手共進，相互幫忙，有什么不能解決的問題我們會一起討論，群策群力，每次討論的結果也總是很好的，在我印象中，我們的難題在每次討論完之后，都會有一個很好的解決思路。有一天晚上我們在床上一起閑聊，一起約定著畢業(yè)時候，來一場畢業(yè)旅行，一起約定著，畢業(yè)之后多聯(lián)系，一起約定著，不斷工作多忙，畢業(yè)之后一定得一年聚一次，不管我們以后那里工作，也不管以后會與到什么事情，我們都共同面對，不要忘記，我們曾經是在一間屋子呆了4年的兄弟，這份感情不是親情勝似親情，現在一眨眼，我們就都要畢業(yè)了，就都要各奔東西了，在這里，真心的各位親愛的室友們，祝福你們在以后的人生道路上能夠一帆風順。在四年學習期間，還得特別感謝一群人，就是我們同學們，在第一次進班級里，大家很熱情的去跟每一個人交流溝通，那一瞬間，同學們的微笑漸入心扉，在我每一次遇到困難的過程中，同學們都會盡其所能幫助我，讓我解決很多不僅是學習上，還有工作、生活上的難題，遇到什么問題，都會一起幫我分析，一起去解決難題，我能夠順利畢業(yè)，能夠順順利利的走到大學四年的最后一刻，這里面離不開同學們對我的幫助。最后，還需要特別特別感謝兩個人，就是我們父母，我的父母應該說是我的忠實粉絲，忠實觀眾，永遠默默付出但不求任何回報的人，每次我和父母打電話，父母會細心的詢問我的生活，問我的學習進度和有沒有遇到困難，我從心里知道，這是因為我的父母想幫助我，讓我不會擁有太多的心里負擔，有個地方去傾訴，有他們在，我才能安安心心的完成我的學業(yè)。參考文獻[1]李遠,農秉茂.包裝搬運機器人運動軌跡優(yōu)化設計[J].包裝工程,2020,41(1):123-127.LIYuan,NONGBing-mao.OptimizationDesignofMovingTrajectoryforPackagingHandlingRobot.PackagingEngineering,2020,41(1):123-127.[2]程麒文,邱白晶.箱式農作物搬運機器人的設計[J].中國農機化學報,2019,v.40;No.309(11):182-186.[3]丁云鵬,朱學軍,陳晉生,等.重載搬運機器人的動力學仿真及控制系統(tǒng)設計[J].機械設計與研究,2020,v.36;No.185(01):48-53+58.[4]于鐳、張國強、王澤龍.基于單舵輪搬運機器人的導航系統(tǒng)設計[J].電子測量技術,2020,v.43;No.350(18):17-22.[5]AMB,AMB,ASS.SoftwareNavigationSystemfortheOrientationofaTransportRobotontheGround[J].TransportationResearchProcedia,2021,54:692-698.[6]HubertB.Transportroboter,AnordnungundVerfahrenzurHerstellungeinesTransportroboters[J].20