自动无人小车抬臂系统设计.docx
- 文档编号:380780
- 上传时间:2022-10-09
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:593.67KB
自动无人小车抬臂系统设计.docx
《自动无人小车抬臂系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《自动无人小车抬臂系统设计.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
自动无人小车抬臂系统设计
自动无人小车抬臂系统设计
摘要
随着机器人技术和汽车工业的发展,机器人技术已逐步应用于机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。
近年来机器人的智能水平不断提高,并且迅速地改变着人们的生活方式。
人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中,制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
工业机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
自动无人小车抬臂系统是机器手技术与智能小车技术的有机结合。
近年来智能小车是国内外研究学者研究的热点问题,从智能玩具到其它各行业都有实质成果。
其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能,智能小车以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。
特别是最近几年的电子设计大赛,每年都有智能小车设计的题目。
目前智能小车的主要应用领域有军事侦察、环境探测、危险探测、安全检测、智能家居控制等方面。
本文在参考近几年国内外研究学者的成果之上,设计了自动无人小车抬臂系统,该系统可用于对物料运输与搬运。
采用自顶向下的设计方法,先拟定总体设计方案,而后设计了抬臂系统的传动机构,并对其中的关键零部件进行了校核。
关键词:
无人小车;抬臂系统;机械手;
目录
摘要2
目录3
1绪论4
1.1研究背景及意义4
1.2本文研究内容及方法4
2自动无人小车抬臂系统总体设计6
2.1设计需求分析6
2.2拟定总体方案6
2自动无人小车抬臂系统详细设计9
2.1取货机构的设计9
2.2伸缩臂机构的设计10
2.3驱动机构的设计11
2.4转向机构的设计16
3自动无人小车抬臂系统的仿真19
3.1SolidWorks零件建模设计19
3.2SolidWorks装配图设计21
总结25
参考文献26
1绪论
1.1研究背景及意义
物料运输与搬运是人类生产活动中的重要组成部分,随着社会化大规模生产的不断扩大,自动化程度不断提高。
自动控制无人小车搬运系统在现代化生产活动中占据了重要的地位,作用越来越大,更加促进了机电一体化技术的不断变革与发展。
随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究。
可见其研究意义很大。
本设计就是在这样的背景下提出的,本题目与实际相结合,现实意义很强。
智能小车国内外研究现状:
自第一台工业机器人诞生以来,机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。
近年来机器人的智能水平不断提高,并且迅速地改变着人们的生活方式。
人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中,制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
自动无人小车是用来对物料作运输、装卸等作业的机械设备,无人小车的出现大大减轻了人类沉重的搬运物料的状况,完成以前做不到或者很难做到的搬运工作,提高了劳动生产率。
随着自动控制技术的不断发展,无人小车可以应用于国民经济的各个部门,如煤炭、冶金、交通运输、建筑、采矿、化工等领域。
通过本次毕业设计,可以是我掌握大学四年中学习到的机械产品设计的基本方法、技巧和基本过程,通过采用计算机辅助设计的设计方法,和撰写技术文件,掌握对无人小车抬臂系统的总体设计与计算和主要零部件的设计技巧。
1.2本文研究内容及方法
本文主要研究方法是:
1)阅读有关自动无人小车抬臂系统方面的书籍,对无人小车的结构工作原理等有一定的的认识:
阅读相关驱动系统方面的书籍,了解各种驱动系统工作原理及作用,选定适用于无人小车上的驱动系统及各部件。
2)对无人小车总体结构进行设计,包括以下内容:
选定自动无人小车抬臂系统总体方案及总体参数。
分析确定无人小车的结构,分析无人小车抬臂系统的性能,确定支承工作面,并对抬臂系统进行稳定性分析。
本文研究技术路线:
1)选定自动无人小车整车的基本参数,基本外形尺寸、轴距、自身质量及承载重量等
2)轴载质量分配
3)抬臂系统的参数选择与设计,选择抬臂质量、抬臂高度、抬臂幅度及工作速度。
2自动无人小车抬臂系统总体设计
2.1设计需求分析
本次课题设计的自动无人小车抬臂系统是机器人技术与智能小车技术结合的产物,自动无人小车抬臂系统采用伸缩臂结构,完成对物料的搬运和运输,具体需要完成以下功能:
1、小车需要完成前轮转向功能
2、取货速度:
3s
3、取货重量:
30kg
2.2拟定总体方案
综合分析本次课题自动无人小车抬臂系统的设计任务,将该系统从整体上分为驱动机构、转向机构、伸缩臂机构以及取货机构四个部分进行分析。
驱动机构的主要作用是完成无人小车的行走,目前市场上的无人小车大多数都是电动机作为驱动源,为整车提供动力,目前常用于驱动无人小车的电动机主要有直流电机、交流感应电动机和永磁同步电动机三种。
直流电机驱动系统,20世纪90年代前的电动汽车几乎全是直流电机驱动的。
直流电机木身效率低,体积和质量大,换向器和电刷限制了它转速的提高,其最高转速为6000-8000r/min。
但由于直流电机驱动效率低,目前仅用于小型车上。
交流感应电机驱动系统是20世纪90年代发展起来的新技术,目前尚处于发展完善阶段。
无人搬运车电机一般采用转子鼠笼结构的三相交流感应电动机。
电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。
其具有效率高、体积小、质量小、结构简单,免维护、易于冷却和寿命长等优点,该系统调速范围宽,而且‘能实现低速恒转矩,高速恒功率运转,但交流电机控制器成本较高。
目前,世界上众多着名的电动汽车中,多数采用感应电机交流驱动系统。
永磁同步电机交流驱动系统,其中永磁同步电机包括无刷直流电机和三相永磁同步电机,而永磁同步电机和无刷直流电机相比,永磁同步电机交流驱动系统的效率较高,体积最小,质量最小,也无直流电机的换向器和电刷等缺点。
但该类驱动系统永磁材料成本较高,只在小功率的电动汽车中得到一定的应用。
但永磁同步电机是最有希望的高性能电机,是电动汽车电机的发展方向。
由于直流电机具有控制系统简单,调速方便,不需逆变装置等优点,本次课题设计的无人小车抬臂系统不需要工作在高速、大功率的状态下,因此,本文仍采用直流电动机作为驱动机构的动力源。
转向机构的主要作用是完成对无人小车的转向操作,一般无人驾驶汽车转向系统由转向控制单元,执行电机,转向驱动机构几部分组成,本次设计的无人小车为三轮机构,采用前轮作为转向轮,为分析和控制方便,仍采用直流电动机作为转向机构的驱动源,通过转向控制单元驱动直流电机转动,实现对无人小车的转向控制。
伸缩臂机构是自动无人小车抬臂系统的重要执行机构之一,它的运行需要稳定可靠,以便保证末端取货机构能够顺利完成取货动作以及最终的平稳的运输物料的环节。
经过详细分析伸缩臂机构的需求,本文决定采用同步带传动机构实现伸缩臂机构的伸缩动作,同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。
同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力,故带与带轮间无相对滑动,能保证准确的传动比。
同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体,氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻,故可用于较高速度。
传动时的线速度可达50m/s,传动比可达10,效率可达98%。
传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小,耐磨性好,不需油润滑,寿命比摩擦带长。
所以同步带传动常用于传动比准确度较高的中小功率传动中,本文所设计自动无人小车抬臂系统所需功率不高,故合适。
取货机构是自动无人小车抬臂系统的末端执行机构,它的承载量决定了自动无人小车抬臂系统整体的载重量,因此需要具有足够的强度和保持力矩,而能实现保持力矩锁定的只有步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机已被广泛地应用机电一体化关键产品中。
步进电机具有保持转矩的特性,它是指当步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一,由于步进电机具有这个特性,因此本文综合考虑使用条件,决定选用步进电机作为取货机构的驱动源,以便保持取货的稳定。
2自动无人小车抬臂系统详细设计
2.1取货机构的设计
步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。
每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。
电机总的回转角与输入脉冲数成正比例,相应的转速取决于输入脉冲频率。
步进电机是机电一体化产品中关键部件之一,通常被用作定位控制和定速控制。
步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。
广泛应用于机电一体化产品中,如:
数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
取货机构是自动无人小车抬臂系统的末端执行机构,它的承载量决定了自动无人小车抬臂系统整体的载重量,根据本次课题的需求取货重量为30kg,初拟取货臂长度为135mm,假定两个取货臂承载重量相等,则工作负载这算到电机轴上的转动惯量为:
由于是步进电机直接转动,因此,初取转动轴直径为15mm,长度为600mm,转动轴的转动惯量为:
电机自身转动惯量很小,可以忽略,则这算到电机轴上总的转动惯量是:
根据设定,取货机构完成取货动作的时间为3s,此时,取货臂转过90度,则转速为:
电机输出总力矩:
查阅步进电机相关技术手册,选用型号为85HB80-554的两相混合式步进电机满足要求,其具体参数为:
型号:
85HB80-554
步距角:
1.8度
额定电流:
5.5A
保持转矩:
4.6Nm
重量:
2.3kg
2.2伸缩臂机构的设计
伸缩臂机构是自动无人小车抬臂系统的重要执行机构之一,它需要完成机械手臂的伸缩动作,经过详细分析伸缩臂机构的需求,本文决定采用同步带传动机构实现伸缩臂机构的伸缩动作。
同步带传动设计的目的是确定同步带的类型、节距、带长、中心距、带宽及主、从动带轮齿数、直径等参数。
根据前述,初取同步带轮直径为D1=D2=80mm,减速机的传动比为i=5,伸缩臂伸出600mm距离时假定时间为3s,则线速度为:
v1=600mm/3s=0.2m/s,则同步带轮的转速为:
初步估计伸缩臂伸出部分重量为M1=50kg,则加在同步带轮上的转矩为:
则伸缩臂上的载荷功率为:
取得载荷修正系数K=1.2,则同步带传动的设计功率:
由于伸缩臂同步带轮的传动比为1,根据设计功率及同步带轮的转速,查阅资料,选择同步带型号为H型,对应节距为12.7mm,同时选取同步带轮齿数为Z1=Z2=20。
同步带轮节圆直径为:
根据工作条件确定同步带轮中心距为a=460mm
则同步带节线长度为:
式中,由于d1=d2,同步带传动比为1,所以
,故:
选择最接近计算值的标准节线长度为
则实际同步带轮齿数为:
为操作简便,两级伸缩臂伸缩机构的同步带传动设计为同样的结构。
2.3驱动机构的设计
驱动机构的主要作用是完成无人小车的行走,目前市场上的无人小车大多数都是电动机作为驱动源,为整车提供动力。
根据无人小车底盘设计可知选择常用的铝合金材料的密度为2.85×103kg/m3,则无人小车车架自重为
G=ρLbhg=2.85×103×0.5×0.3×0.03×9.8=126N
无人小车的载重P=mg=30×10=300N;根据电源模块知电源重量P1=5×9.8=49N;对于其他像电机,编码器等模块取一个安全系数K=1.1进行总重量计
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自动 无人 小车 系统 设计