循跡搬運(yùn)機(jī)器人--畢業(yè)設(shè)計(jì)（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書）

循跡搬運(yùn)機(jī)器人--畢業(yè)設(shè)計(jì)（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書）,搬運(yùn),機(jī)器人,畢業(yè)設(shè)計(jì),優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,設(shè)計(jì),說明書,仿單 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 循跡搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì) 系 （部） 機(jī)械工程系 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 提交日期 2015年 月 日 摘要 本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了循跡搬運(yùn)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)循跡搬運(yùn)機(jī)械手的搬運(yùn)裝置進(jìn)行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了循跡機(jī)器人搬運(yùn)裝置機(jī)械方面的設(shè)計(jì)（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）和簡單的三維實(shí)體造型工作。循跡搬運(yùn)機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中有著極大的應(yīng)用前景，本設(shè)計(jì)結(jié)合一定工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)對(duì)循跡機(jī)器人的搬運(yùn)裝置進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，開發(fā)能夠替代人工的機(jī)器人產(chǎn)品。循跡搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)其實(shí)就是搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，搬運(yùn)重量800~1000kg，本次設(shè)計(jì)采用貨叉托托盤的方式，可實(shí)現(xiàn)貨物的上升、下降、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。 所謂的循跡機(jī)器人，是一種含有獨(dú)立動(dòng)力輸出，能夠進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)向，針對(duì)流水線上的物料進(jìn)行裝卸與搬運(yùn)的裝置，從而實(shí)現(xiàn)流水線上物資運(yùn)輸傳遞的全自動(dòng)化，大大減少人力和財(cái)力的輸出，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間的無人化管理。若循跡機(jī)器人的機(jī)械部分比作人的軀干，則控制系統(tǒng)部分便是人的大腦，它的優(yōu)劣直接決定著循跡機(jī)器人的性能，是循跡機(jī)器人的核心。所以說對(duì)于循跡機(jī)器人控制器的硬件可靠性要求較高，需要滿足其功能的要求。依靠柔性制造系統(tǒng)系統(tǒng)的平臺(tái)，借助自身攜帶的計(jì)算機(jī)，利用無線通訊技術(shù)，與主控機(jī)房的中樞控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，使得機(jī)器人能夠響應(yīng)中樞計(jì)算機(jī)對(duì)其的控制，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有條件下的無線連接。 關(guān)鍵詞：循跡機(jī)器人；機(jī)器人；機(jī)械手；搬運(yùn)機(jī)器人 Abstract In this paper, the present situation of robot development, through learning robot works, familiar with the movement mechanism handling robot. On this basis, established the basic system configuration tracking handling robot, handling robot for handling the tracking device was simple mechanical model, complete tracking robot handling device mechanical design (including transmission parts, the operative part driving portion) and a simple three-dimensional solid modeling work. Traction handling robots in modern industrial production has great prospects, combined with the design of certain industrial products for robot handling device tracking the overall design and development of robots can replace manual. Handling robot handling device designed tracking is actually handling robot design, handling the weight of 800 ~ 1000kg, this design uses a fork Toto disk mode, enabling goods to rise, down, rotate action. The o-called tracking robot, is a composition containing independent power output that can be automatically oriented, loading and unloading of equipment for material handling assembly line, enabling fully automated transmission pipeline transportation of materials, greatly reducing the output of human and financial resources, ultimately unmanned management workshop. When tracking the mechanical part of the robot to a human torso, the control system is part of the human brain, it will directly determine the performance of the tracking robot is the core tracking robots. So tracking robot controllers for higher hardware reliability requirements, the need to meet the requirements of its functions. Flexible manufacturing systems rely platform system, with its own portable computer, using wireless communication technology, and master room central controller for data connections that allow the robot to respond to the central control of its computer, enabling wireless under existing conditions connection. Keywords: tracking robot; robot; transfer robot; handling robot I 目錄 摘要 I 1 引言 - 1 - 1.1 循跡搬運(yùn)機(jī)器人 - 1 - 1.2 循跡搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展 - 2 - 1.3 循跡搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用 - 4 - 1.4 本章小結(jié) - 6 - 2 總體方案的設(shè)計(jì) - 7 - 2.1 循跡方式的選擇 - 7 - 2.2 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) - 9 - 2.3 傳動(dòng)方式的選擇 - 10 - 2.3.1 升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì) - 12 - 2.3.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì) - 13 - 2.4 本章小結(jié) - 15 - 3. 設(shè)計(jì)計(jì)算及其校核 - 16 - 3.1 步進(jìn)電機(jī)及絲杠螺母副的選擇 - 16 - 3.1.1 貨叉的水平移動(dòng) - 19 - 3.1.2 橫梁的升降運(yùn)動(dòng) - 20 - 3.2 軸的設(shè)計(jì) - 24 - 3.2.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 24 - 3.2.2 計(jì)算過程 - 25 - 3.3 齒輪的設(shè)計(jì)與校核 - 29 - 3.4軸承的設(shè)計(jì)與校核 - 32 - 結(jié)語 - 37 - 參考文獻(xiàn) - 38 - 致謝 - 39 - IV 1 引言 1.1 循跡搬運(yùn)機(jī)器人 循跡機(jī)器人是一種能夠自動(dòng)按照給定的路線（通常是采用不同顏色或者其他信號(hào)標(biāo)記來引導(dǎo)）進(jìn)行移動(dòng)的機(jī)器人，它是一個(gè)運(yùn)用傳感器、信號(hào)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及自動(dòng)控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)路面探測(cè)、障礙檢測(cè)、信息反饋和自動(dòng)行駛的技術(shù)綜合體。循跡機(jī)器人在軍事、民用和科學(xué)研究等方面已獲得了廣泛的應(yīng)用。例如自動(dòng)化生產(chǎn)線的物料陪送機(jī)器人，醫(yī)院的機(jī)器人護(hù)士，商場(chǎng)的導(dǎo)游機(jī)器人等。 圖1-1 循跡搬運(yùn)小車 搬運(yùn)機(jī)器人(transfer robot)是可以進(jìn)行自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。最早的搬運(yùn)機(jī)器人出現(xiàn)在1960年的美國，Versatran和Unimate兩種機(jī)器人首次用于搬運(yùn)作業(yè)。搬運(yùn)作業(yè)是指用一種設(shè)備握持工件，是指從一個(gè)加工位置移到另一個(gè)加工位置。搬運(yùn)機(jī)器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)。世界上使用的搬運(yùn)機(jī)器人逾10萬臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料、沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)裝配流水線、碼垛搬運(yùn)、集裝箱等的自動(dòng)搬運(yùn)。部分發(fā)達(dá)國家已制定出人工搬運(yùn)的最大限度，超過限度的必須由搬運(yùn)機(jī)器人來完成。 搬運(yùn)機(jī)器人是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，涉及到了力學(xué)，機(jī)械學(xué)，電器液壓氣壓技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，傳感器技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)體系中的一項(xiàng)重要組成部分。它的優(yōu)點(diǎn)是可以通過編程完成各種預(yù)期的任務(wù)，在自身結(jié)構(gòu)和性能上有了人和機(jī)器的各自優(yōu)勢(shì)，尤其體現(xiàn)出了人工智能和適應(yīng)性。 循跡搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)合了循跡機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人的特點(diǎn)，技能完成循跡機(jī)器人的行走工作，又能完成搬運(yùn)機(jī)器人的作業(yè)過程。 1.2 循跡搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展 無人搬運(yùn)車(Automated G uided Vehicle，簡稱AGV)，指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車，工業(yè)應(yīng)用中不需駕駛員的搬運(yùn)車，以可充電之蓄電池為其動(dòng)力來源。一般可透過電腦來控制其行進(jìn)路線以 圖1-2 AGV搬運(yùn)車 及行為，或利用電磁軌道(electromagnetic path-following system)來設(shè)立其行進(jìn)路線，電磁軌道粘貼于地板上，無人搬運(yùn)車則依循電磁軌道所帶來的訊息進(jìn)行移動(dòng)與動(dòng)作。 AGV以輪式移動(dòng)為特征，較之步行、爬行或其它非輪式的移動(dòng)機(jī)器人具有行動(dòng)快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)勢(shì)。與物料輸送中常用的其他設(shè)備相比，AGV的活動(dòng)區(qū)域無需鋪設(shè)軌道、支座架等固定裝置，不受場(chǎng)地、道路和空間的限制。因此，在自動(dòng)化物流系統(tǒng)中，最能充分地體現(xiàn)其自動(dòng)性和柔性，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的無人化生產(chǎn)。 由此可見，AGV的功能和循跡搬運(yùn)機(jī)器人的功能完全一樣，可以說循跡搬運(yùn)機(jī)器人是具有特定搬運(yùn)功能的AGV小車。而AGV的發(fā)展史就是循跡搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展史。 AGV扮演物料運(yùn)輸?shù)慕巧呀?jīng)50多年了。第一輛AGV誕生于1953年，它是由一輛牽引式拖拉機(jī)改造而成的，帶有車兜，在一間雜貨倉庫中沿著布置在空中的導(dǎo)線運(yùn)輸貨物。到上世紀(jì)五十年代末到六十年代初期時(shí)，已有多種類型的牽引式AGV用于工廠和倉庫。 20世紀(jì)70年代，基本的導(dǎo)引技術(shù)是靠感應(yīng)埋在地下的導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁頻率。通過一個(gè)叫做“地面控制器”的設(shè)備打開或關(guān)閉導(dǎo)線中的頻率，從而指引AGV沿著預(yù)定的路徑行駛。 20世紀(jì)80年代末期，無線式導(dǎo)引技術(shù)引入到AGV系統(tǒng)中，例如利用激光和慣性進(jìn)行導(dǎo)引，這樣提高了AGV系統(tǒng)的靈活性和準(zhǔn)確性，而且，當(dāng)需要修改路徑時(shí)，也不必改動(dòng)地面或中斷生產(chǎn)。這些導(dǎo)引方式的引入，使得導(dǎo)引方式更加多樣化了。 從20世紀(jì)80年代以來，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中最大的專業(yè)分支之一，并出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)，成為現(xiàn)代化企業(yè)自動(dòng)化裝備不可缺少的重要組成部分。在歐、美等發(fā)達(dá)國家，發(fā)展最為迅速，應(yīng)用最為廣泛；在亞洲的日本和韓國，也得到迅猛的發(fā)展和應(yīng)用，尤其是在日本，產(chǎn)品規(guī)格、品種、技術(shù)水平、裝備數(shù)量及自動(dòng)化程度等方面較為豐富，已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、流水線生產(chǎn)的程度。在我國，隨著物流系統(tǒng)的迅速發(fā)展，AGV的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展，如何能夠開發(fā)出能夠滿足用戶各方面需求（功能、價(jià)格、質(zhì)量）的AGV系統(tǒng)技術(shù)是未來我們必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問題。 綜合分析AGV技術(shù)的發(fā)展，我們不難分析出國內(nèi)外AGV有兩種發(fā)展模式：第一種是以歐美國家為代表的全自動(dòng)AGV技術(shù)，這類技術(shù)追求AGV的自動(dòng)化，幾乎完全不需要人工的干預(yù)，路徑規(guī)劃和生產(chǎn)流程復(fù)雜多變，能夠運(yùn)用在幾乎所有的搬運(yùn)場(chǎng)合。這些AGV功能完善，技術(shù)先進(jìn)；同時(shí)為了能夠采用模塊化設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，提高批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，歐美的AGV放棄了對(duì)外觀造型的追求，采用大部件組裝的形式進(jìn)行生產(chǎn)；系列產(chǎn)品的覆蓋面廣：各種驅(qū)動(dòng)模式，各種導(dǎo)引方式，各種移載機(jī)構(gòu)應(yīng)有盡有，系列產(chǎn)品的載重量可從50kg到60000kg（60噸）。盡管如此，由于技術(shù)和功能的限制，此類AGV的銷售價(jià)格仍然居高不下。此類產(chǎn)品在國內(nèi)有為數(shù)不多的企業(yè)可以生產(chǎn)，技術(shù)水平與國際水平相當(dāng)。第二種是以日本為代表的簡易型AGV技術(shù)－－或只能稱其為AGC（Automated Guided Cart），該技術(shù)追求的是簡單實(shí)用，極力讓用戶在最短的時(shí)間內(nèi)收回投資成本，這類AGV在日本和臺(tái)灣企業(yè)應(yīng)用十分廣泛，從數(shù)量上看，日本生產(chǎn)的大多數(shù)AGV屬于此類產(chǎn)品（AGC）。該類產(chǎn)品完全結(jié)合簡單的生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)合（單一的路徑，固定的流程），AGC只是用來進(jìn)行搬運(yùn)，并不刻意強(qiáng)調(diào)AGC的自動(dòng)裝卸功能，在導(dǎo)引方面，多數(shù)只采用簡易的磁帶導(dǎo)引方式。由于日本的基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)達(dá)，AGC生產(chǎn)企業(yè)能夠?yàn)槠渑渲蒙蠋缀鹾唵蔚貌荒茉俸唵蔚墓δ芷骷?，使AGC的成本幾乎降到了極限。這種AGC在日本80年代就得到了廣泛應(yīng)用，2002到2003年達(dá)到應(yīng)用的頂峰。由于該產(chǎn)品技術(shù)門檻較低，目前國內(nèi)已有多家企業(yè)可生產(chǎn)此類產(chǎn)品。 1.3 循跡搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用 循跡搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用廣泛，在各個(gè)領(lǐng)域都有涉足。 1．倉儲(chǔ)業(yè) 倉儲(chǔ)業(yè)是AGV最早應(yīng)用的場(chǎng)所。1954年世界上首臺(tái)AGV在美國的South Carolina州的Mercury Motor Freight公司的倉庫內(nèi)投入運(yùn)營，用于實(shí)現(xiàn)出入庫貨物的自動(dòng)搬運(yùn)。目前世界上約有2萬臺(tái)各種各樣AGV運(yùn)行在2100座大大小小倉庫中。海爾集團(tuán)于2000年投產(chǎn)運(yùn)行的開發(fā)區(qū)立體倉庫中，9臺(tái)AGV組成了一個(gè)柔性的庫內(nèi)自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，成功地完成了每天23400的出入庫貨物和零部件的搬運(yùn)任務(wù)。 2．制造業(yè) 　　AGV在制造業(yè)的生產(chǎn)線中大顯身手，高效、準(zhǔn)確、靈活地完成物料的搬運(yùn)任務(wù)。并且可由多臺(tái)AGV組成柔性的物流搬運(yùn)系統(tǒng)，搬運(yùn)路線可以隨著生產(chǎn)工藝流程的調(diào)整而及時(shí)調(diào)整，使一條生產(chǎn)線上能夠制造出十幾種產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的柔性和企業(yè)的競爭力。1974年瑞典的Volvo Kalmar轎車裝配廠為了提高運(yùn)輸系統(tǒng)的靈活性，采用基于AGVS為載運(yùn)工具的自動(dòng)轎車裝配線，該裝配線由多臺(tái)可裝載轎車車體的AGVS組成，采用該裝配線后，裝配時(shí)間減少了20%，裝配故障減小39%，投資回收時(shí)間減小57%，勞動(dòng)力減小了5%。目前，AGV在世界的主要汽車廠，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾等汽車廠的制造和裝配線上得到了普遍應(yīng)用。 圖1-3 工業(yè)機(jī)器人 近年來，作為CIMS的基礎(chǔ)搬運(yùn)工具，AGV的應(yīng)用深入到機(jī)械加工、家電生產(chǎn)、微電子制造、卷煙等多個(gè)行業(yè)，生產(chǎn)加工領(lǐng)域成為AGV應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。 3．郵局、圖書館、港口碼頭和機(jī)場(chǎng) 　　在郵局、圖書館、碼頭和機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合，物品的運(yùn)送存在著作業(yè)量變化大，動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，作業(yè)流程經(jīng)常調(diào)整，以及搬運(yùn)作業(yè)過程單一等特點(diǎn)，AGV的并行作業(yè)、自動(dòng)化、智能化和柔性化的特性能夠很好的滿足上式場(chǎng)合的搬運(yùn)要求。瑞典于1983年在大斯得哥爾摩郵局、日本于1988年在東京多摩郵局、中國在1990年于上海郵政樞紐開始使用AGV，完成郵品的搬運(yùn)工作。在荷蘭鹿特丹港口，50輛稱為“yard tractors”的AGV完成集裝箱從船邊運(yùn)送到幾百碼以外的倉庫這一重復(fù)性工作。 4．煙草、醫(yī)藥、食品、化工 　　對(duì)于搬運(yùn)作業(yè)有清潔、安全、無排放污染等特殊要求的煙草、醫(yī)藥、食品、化工等行業(yè)中，AGV的應(yīng)用也受到重視。在國內(nèi)的許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團(tuán)、玉溪紅塔集團(tuán)、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠都應(yīng)用了激光引導(dǎo)式AGV完成托盤貨物的搬運(yùn)工作。 1.4 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是循跡搬運(yùn)機(jī)器人的現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢(shì)等方面，并通過對(duì)現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中使用搬運(yùn)機(jī)器人的主要工作種類的列舉，提出了未來搬運(yùn)機(jī)器人的幾種先進(jìn)的發(fā)展模式和本文的主要研究內(nèi)容。 2 總體方案的設(shè)計(jì) 2.1 循跡方式的選擇 AGV控制系統(tǒng)分為地面（上位）控制系統(tǒng)、車載（單機(jī)）控制系統(tǒng)及導(dǎo)航/導(dǎo)引系統(tǒng)，其中，地面控制系統(tǒng)指AGV系統(tǒng)的固定設(shè)備，主要負(fù)責(zé)任務(wù)分配，車輛調(diào)度，路徑（線）管理，交通管理，自動(dòng)充電等功能；車載控制系統(tǒng)在收到上位系統(tǒng)的指令后，負(fù)責(zé)AGV的導(dǎo)航計(jì)算，導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)，車輛行走，裝卸操作等功能；導(dǎo)航/導(dǎo)引系統(tǒng)為AGV單機(jī)提供系統(tǒng)絕對(duì)或相對(duì)位置及航向。 AGV系統(tǒng)是一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，加之不同項(xiàng)目對(duì)系統(tǒng)的要求不同，更增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此，系統(tǒng)在軟件配置上設(shè)計(jì)了一套支持AGV項(xiàng)目從路徑規(guī)劃、流程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真（Simulation）到項(xiàng)目實(shí)施全過程的解決方案。上位系統(tǒng)提供了可靈活定義AGV系統(tǒng)流程的工具，可根據(jù)用戶的實(shí)際需求來規(guī)劃或修改路徑或系統(tǒng)流程；而上位系統(tǒng)也提供了可供用戶定義不同AGV功能的編程語言。 AGV車載控制系統(tǒng)（Onboard System），即AGV單機(jī)控制系統(tǒng)，在收到上位系統(tǒng)的指令后，負(fù)責(zé)AGV單機(jī)的導(dǎo)航，導(dǎo)引，路徑選擇，車輛驅(qū)動(dòng)，裝卸操作等功能。 AGV之所以能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛，導(dǎo)航和導(dǎo)引對(duì)其起到了至關(guān)重要的作用，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前能夠用于AGV的導(dǎo)航/導(dǎo)引技術(shù)主要有以下幾種： 1 直接坐標(biāo) （Cartesian Guidance） 用定位塊將AGV的行駛區(qū)域分成若干坐標(biāo)小區(qū)域，通過對(duì)小區(qū)域的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引，一般有光電式（將坐標(biāo)小區(qū)域以兩種顏色劃分，通過光電器件計(jì)數(shù)）和電磁式（將坐標(biāo)小區(qū)域以金屬塊或磁塊劃分，通過電磁感應(yīng)器件計(jì)數(shù)）兩種形式，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)路徑的修改，導(dǎo)引的可靠性好，對(duì)環(huán)境無特別要求。缺點(diǎn)是地面測(cè)量安裝復(fù)雜，工作量大，導(dǎo)引精度和定位精度較低，且無法滿足復(fù)雜路徑的要求。 2 電磁導(dǎo)引（Wire Guidance） 電磁導(dǎo)引是較為傳統(tǒng)的導(dǎo)引方式之一，目前仍被許多系統(tǒng)采用，它是在AGV的行駛路徑上埋設(shè)金屬線，并在金屬線加載導(dǎo)引頻率，通過對(duì)導(dǎo)引頻率的識(shí)別來實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。其主要優(yōu)點(diǎn)是引線隱蔽，不易污染和破損，導(dǎo)引原理簡單而可靠，便于控制和通訊，對(duì)聲光無干擾，制造成本較低。缺點(diǎn)是路徑難以更改擴(kuò)展，對(duì)復(fù)雜路徑的局限性大。 3 磁帶導(dǎo)引 （Magnetic Tape Guidance） 與電磁導(dǎo)引相近，用在路面上貼磁帶替代在地面下埋設(shè)金屬線，通過磁感應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引，其靈活性比較好，改變或擴(kuò)充路徑較容易，磁帶鋪設(shè)簡單易行，但此導(dǎo)引方式易受環(huán)路周圍金屬物質(zhì)的干擾，磁帶易受機(jī)械損傷，因此導(dǎo)引的可靠性受外界影響較大。 4 光學(xué)導(dǎo)引（Optical Guidance） 在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，通過對(duì)攝像機(jī)采入的色帶圖像信號(hào)進(jìn)行簡單處理而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引，其靈活性比較好，地面路線設(shè)置簡單易行，但對(duì)色帶的污染和機(jī)械磨損十分敏感，對(duì)環(huán)境要求過高，導(dǎo)引可靠性較差，精度較低。 5 激光導(dǎo)航（Laser Navigation） 激光導(dǎo)引是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過激光掃描器發(fā)射激光束，同時(shí)采集由反射板反射的激光束，來確定其當(dāng)前的位置和航向，并通過連續(xù)的三角幾何運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。 此項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是，AGV定位精確；地面無需其他定位設(shè)施；行駛路徑可靈活多變，能夠適合多種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，它是目前國外許多AGV生產(chǎn)廠家優(yōu)先采用的先進(jìn)導(dǎo)引方式；缺點(diǎn)是制造成本高，對(duì)環(huán)境要求較相對(duì)苛刻（外界光線，地面要求，能見度要求等），不適合室外（尤其是易受雨、雪、霧的影響）。 6 慣性導(dǎo)航 （Inertial Navigation） 慣性導(dǎo)航是在AGV上安裝陀螺儀，在行駛區(qū)域的地面上安裝定位塊，AGV可通過對(duì)陀螺儀偏差信號(hào)（角速率）的計(jì)算及地面定位塊信號(hào)的采集來確定自身的位置和航向，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。 此項(xiàng)技術(shù)在軍方較早運(yùn)用，其主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)，較之有線導(dǎo)引，地面處理工作量小，路徑靈活性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是制造成本較高，導(dǎo)引的精度和可靠性與陀螺儀的制造精度及其后續(xù)信號(hào)處理密切相關(guān)?！　? 7 GPS（全球定位系統(tǒng)）導(dǎo)航 （Global Position System） 通過衛(wèi)星對(duì)非固定路面系統(tǒng)中的控制對(duì)象進(jìn)行跟蹤和制導(dǎo)，目前此項(xiàng)技術(shù)還在發(fā)展和完善，通常用于室外遠(yuǎn)距離的跟蹤和制導(dǎo)，其精度取決于衛(wèi)星在空中的固定精度和數(shù)量，以及控制對(duì)象周圍環(huán)境等因素。 由此發(fā)展出來的是iGPS（室內(nèi)GPS）和dGPS（用于室外的差分GPS），其精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于民用GPS，但地面設(shè)施的制造成本是一般用戶無法接受的。 根據(jù)工作環(huán)境和節(jié)約能源的角度，本次設(shè)計(jì)采用了磁帶引導(dǎo)的方式，通過磁感應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引，其靈活性比較好，改變或擴(kuò)充路徑較容易，磁帶鋪設(shè)簡單易行，而且費(fèi)用合理。 2.2 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 早期AGV小車自動(dòng)運(yùn)行時(shí)只能單向行駛，因而適用環(huán)境受到局限。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，近年來國外已有在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)能前進(jìn)和后退甚至全方位行駛、前進(jìn)、后退、側(cè)向和旋轉(zhuǎn)的AGV產(chǎn)品，這些成就歸功于行走機(jī)構(gòu)的進(jìn)步。 1、 兩輪差速的行走機(jī)構(gòu) 這種行走機(jī)構(gòu)兩行走驅(qū)動(dòng)車輪對(duì)稱布置在前后中線上兩支承輪前后分別布置在以兩行走輪支點(diǎn)為底邊的等腰三角形頂點(diǎn)處。小車靠兩側(cè)行走驅(qū)動(dòng)輪差速轉(zhuǎn)向因此不必設(shè)置舵輪。該小車機(jī)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低。在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下小車能做前進(jìn)、后退行駛并能垂直轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)性好。和帶舵輪的四輪行走機(jī)構(gòu)小車相比該車由于省去了舵輪不僅可以省去兩臺(tái)駕駛馬達(dá)還能節(jié)省空間小車可以做的更小些。近年來這種機(jī)構(gòu)的小車得到廣泛應(yīng)用。 為了提高行駛時(shí)車體橫向穩(wěn)定性可將兩輪差速的四輪行走機(jī)構(gòu)做如下改進(jìn)將支承輪由原來的兩個(gè)增加到四個(gè)分別布置在小車底盤的四個(gè)角處。 2、三輪行走機(jī)構(gòu) 三輪行走機(jī)構(gòu)的AGV小車三個(gè)車輪分別布置在等腰三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上前輪既是舵輪又是行走驅(qū)動(dòng)輪后面兩個(gè)車輪是無動(dòng)力支承輪。三輪行走機(jī)構(gòu)的AGV小車結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、工作可靠、造價(jià)低。該車手動(dòng)時(shí)可前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎自動(dòng)運(yùn)行時(shí)只能單向行駛轉(zhuǎn)彎時(shí)后輪中點(diǎn)軌跡偏離導(dǎo)引線輪跡呈曳物線。 3、帶舵輪的四輪行走機(jī)構(gòu) 帶舵輪的四輪行走機(jī)構(gòu)是在三輪行走機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上演變過來的，它相當(dāng)于把兩個(gè)三輪車合并在一起兩支承輪對(duì)稱地布置在小車前后的中線上前后車輪分別對(duì)稱布置在以兩支承輪支點(diǎn)為底邊的等腰三角形頂點(diǎn)處。前后車輪既是舵輪又是行走驅(qū)動(dòng)輪。這種AGV小車在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下可全方位行駛轉(zhuǎn)彎時(shí)前后車輪均能跟蹤導(dǎo)引線軌跡機(jī)動(dòng)性比三輪車好適用于狹窄通道作業(yè)環(huán)境。 4、其它形式的行走機(jī)構(gòu) 近年來國外公司不斷研究出新的行走機(jī)構(gòu)。其中最有代表性的屬瑞典麥卡納姆公司的行走機(jī)構(gòu)。該行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、機(jī)構(gòu)緊湊四個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪以鉸接形式分別布置在底盤的四個(gè)角上。運(yùn)行時(shí)分別控制四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速利用速度矢量合成原理實(shí)現(xiàn)駕駛。后來日本三井公司與麥卡納姆公司合作在原基礎(chǔ)上做了改進(jìn)推出了三井麥卡納姆車輪系統(tǒng)，其性能比原來又有所提高。這種AGV小車可實(shí)現(xiàn)全方位行駛。 根據(jù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響，本次設(shè)計(jì)采用四輪行走機(jī)構(gòu)，后輪驅(qū)動(dòng)，使用兩個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)后輪，用差速控制方向。 2.3 傳動(dòng)方式的選擇 機(jī)械傳動(dòng)有多種形式,主要可分為兩類：①靠機(jī)件間的摩擦力傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的摩擦傳動(dòng)，包括帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)和摩擦輪傳動(dòng)等。摩擦傳動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速,大都能適應(yīng)軸間距較大的傳動(dòng)場(chǎng)合,過載打滑還能起到緩沖和保護(hù)傳動(dòng)裝置的作用，但這種傳動(dòng)一般不能用于大功率的場(chǎng)合，也不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。②靠主動(dòng)件與從動(dòng)件嚙合或借助中間件嚙合傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)的嚙合傳動(dòng)，包括齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)和諧波傳動(dòng)等。嚙合傳動(dòng)能夠用于大功率的場(chǎng)合，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，但一般要求較高的制造精度和安裝精度。 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將動(dòng)力所提供的運(yùn)動(dòng)的方式、方向或速度加以改變，被人們有目的地加以利用。中國古代傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型很多，應(yīng)用很廣，除了上面介紹的以外，像地動(dòng)儀、鼓風(fēng)機(jī)等等，都是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的產(chǎn)物。中國古代傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要有齒輪傳動(dòng)、繩帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)。 1、 齒輪傳動(dòng)。 其出現(xiàn)時(shí)間不晚于西漢，西漢時(shí)的指南車、記里鼓車，東漢張衡發(fā)明的水力天文儀器上，都使用了相當(dāng)復(fù)雜的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。這些齒輪只用來傳遞運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度要求不高。至于生產(chǎn)上所采用的齒輪，要傳遞較大的動(dòng)力，受力一般較大，強(qiáng)度要求較高。古代在利用畜力、水力和風(fēng)力進(jìn)行提水、糧食加工等工作時(shí)，都要應(yīng)用此類齒輪。例如在翻車上，須應(yīng)用一級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以改變運(yùn)動(dòng)的方位和傳遞，適應(yīng)翻車的工作要求。 圖2-1 齒輪傳動(dòng) 2、鏈傳動(dòng)。 鏈，在我國古代出現(xiàn)很早，商代的馬具上已有青銅鏈條，其他青銅器和玉器上也有用鏈條作為裝飾的。西安出土的秦代銅車馬上，有十分精美的金屬鏈條。但這都不能算是鏈傳動(dòng)。作為動(dòng)力傳動(dòng)的鏈條，出現(xiàn)在東漢時(shí)期。東漢時(shí)畢嵐率先發(fā)明翻車，用以引水。根據(jù)其工作原理和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可以看作是一種鏈傳動(dòng)。翻車的上、下鏈輪，一主動(dòng)，一從動(dòng)，繞在輪上的翻板就是傳動(dòng)鏈，這個(gè)傳動(dòng)鏈兼做提水的工作件，因此，翻車是鏈傳動(dòng)的一種特例。到了宋代，蘇頌制造的水運(yùn)儀象臺(tái)上，出現(xiàn)了一種“天梯”，實(shí)際上是一種鐵鏈條，下橫軸通過“天梯”帶動(dòng)上橫軸，從而形成了真正的鏈傳動(dòng)。 3、繩帶傳動(dòng)。 這是一種利用摩擦力的傳動(dòng)方式。在西漢時(shí)，四川出產(chǎn)井鹽，在鑿井、提水時(shí)，都是用牛帶動(dòng)大繩輪，收卷繞過滑輪上的繩索，來提升鑿井工具、鹵水等。西漢時(shí)出現(xiàn)的手搖紡車，是一種典型的繩帶傳動(dòng)。在西漢時(shí)期的畫像石上，有幾幅手搖紡車圖，可以清楚地看到：大繩輪主動(dòng)，通過繩索帶動(dòng)紗錠，用手搖大繩輪旋轉(zhuǎn)一周，紗錠旋轉(zhuǎn)幾十周，效率很高。以后出現(xiàn)的三錠、五錠的紡車，效率就更高了。元代的水運(yùn)大紡車，也是用繩帶傳動(dòng)的。東漢時(shí)，冶金手工業(yè)有一項(xiàng)重要發(fā)明“水排”，用于鼓風(fēng)。這種繩帶傳動(dòng)的工作原理是：水力推動(dòng)臥式水輪旋轉(zhuǎn)，水輪軸上裝有大繩輪，通過繩帶帶動(dòng)小繩輪，小繩輪軸上端曲柄隨之旋轉(zhuǎn)，通過連桿推動(dòng)鼓風(fēng)器鼓風(fēng)。這種水排鼓風(fēng)效力很高，可以抵得上幾百匹馬鼓風(fēng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著東漢時(shí)發(fā)達(dá)的機(jī)械已經(jīng)在我國出現(xiàn)了，因而意義十分重大。 2.3.1 升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)，本次升降機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母副的傳動(dòng)方式。 PRTT滾珠絲杠螺母副（簡稱滾珠絲桿副）是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的理想傳動(dòng)裝置，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠（作為中間傳動(dòng)元件），以減少摩擦。如圖2-13所示為滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)，其工作原理是：在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當(dāng)把它們套裝在一起時(shí)可形成螺旋滾道，并且滾道內(nèi)填滿滾珠，當(dāng)絲杠相對(duì)于螺母做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)吋，兩者間發(fā)生軸向位移.而滾珠則可沿著滾道滾動(dòng).減少摩擦阻力.滾珠在絲杠上滾過數(shù)圈后，通過回程引導(dǎo)裝置（回珠器）.逐個(gè)滾回到絲杠和螺母之間.構(gòu)成一個(gè)閉合的回路管道。 在傳動(dòng)時(shí)，滾珠與絲杠、螺母之間基本上是滾動(dòng)摩擦.因此它具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)傳動(dòng)效率高 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率很高，可達(dá)92%?98%，是普通絲杠傳動(dòng)的2?4倍 (2)定位精度和重復(fù)定位精度高 滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)力矩減少至滑動(dòng)絲杠的1/3左右，發(fā)熱率大幅降低，溫升減小.并 且在安裝滾珠絲杠副時(shí)采取以預(yù)緊方式消除軸向間隙等措施.使?jié)L珠絲杠副具有高的定 位精度和重復(fù)定位精度。 圖2-2 滾珠絲杠副 (3)使用壽命長 滾珠絲杠副采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制成，其滾道表面經(jīng)淬火熱處理后硬度高達(dá)60? 似HRC，因此其實(shí)際壽命遠(yuǎn)高于滑動(dòng)絲杠，從而彌補(bǔ)其制造成本高于滑動(dòng)絲杠的不足點(diǎn)。 (4)剛度高 滾珠絲杠副經(jīng)預(yù)緊后可以消除軸向間隙，提高系統(tǒng)的剛度。 (5)傳動(dòng)的可逆性 滾珠絲杠副消除了在傳動(dòng)過程中可能出現(xiàn)的爬行現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并傳遞動(dòng)力這兩種傳動(dòng)方式。 因?yàn)闈L珠絲杠副具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以在各類中、小型數(shù)控機(jī)床的直線進(jìn)給系統(tǒng)中普遍采用滾珠絲杠，但是由于滾珠絲杠副的摩擦因數(shù)小、不能自鎖，所以當(dāng)作用于垂直位置時(shí). 為防止因突然停電而造成主軸箱自動(dòng)下滑，必須加有制動(dòng)裝置。 2.3.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)，本次旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)常用來傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。蝸輪與蝸桿在其中間平面內(nèi)相當(dāng)于齒輪與齒條，蝸桿又與螺桿形狀相似。 蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)： 1.可以得到很大的傳動(dòng)比，比交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)緊湊。 2.兩輪嚙合齒面間為線接觸，其承載能力大大高于交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)。 3.蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺旋傳動(dòng)，為多齒嚙合傳動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音很小。 圖2-3 渦輪蝸桿傳動(dòng) 4. 具有自鎖性。 當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，機(jī)構(gòu)具有自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪，而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿。如在起重機(jī)械中使用的自鎖蝸桿機(jī)構(gòu)，其反向自鎖性可起安全保護(hù)作用。 5. 傳動(dòng)效率較低，磨損較嚴(yán)重。 蝸輪蝸桿嚙合傳動(dòng)時(shí)，嚙合輪齒間的相對(duì)滑動(dòng)速度大，故摩擦損耗大、效率低。另一方面，相對(duì)滑動(dòng)速度大使齒面磨損嚴(yán)重、發(fā)熱嚴(yán)重，為了散熱和減小磨損，常采用價(jià)格較為昂貴的減摩性與抗磨性較好的材料及良好的潤滑裝置，因而成本較高。 6.蝸桿軸向力較大。 2.4 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容介紹了整體方案設(shè)計(jì)的選擇，其中循跡搬運(yùn)機(jī)器人循跡方式采用磁帶式引導(dǎo)方式；機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用四輪行走機(jī)構(gòu)，后輪驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)；傳動(dòng)方式選擇了絲杠螺母副和蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方式。 3. 設(shè)計(jì)計(jì)算及其校核 3.1 步進(jìn)電機(jī)及絲杠螺母副的選擇 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)在構(gòu)造上有三種主要類型： 反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。 反應(yīng)式： 定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2°、但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。 永磁式： 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。 混合式： 混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。 按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，約占97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性價(jià)比高，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動(dòng)器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后其步距角可細(xì)分達(dá)256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實(shí)際控制精度略低。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器以改變精度和效果。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。??? 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。??? 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動(dòng)的需要。??? 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算：??? （1）計(jì)算齒輪的減速比??? 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，齒輪減速比i計(jì)算如下:??? i=(φ?S)/(360?Δ)?(1-1) 式中φ?---步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈沖）??S?---絲桿螺距（mm)??Δ---(mm/脈沖）??? （2）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量Jt。??? Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2+?（1-2） 式中Jt?---折算至電機(jī)軸上的慣量(Kg.cm.s2)??J1、J2?---齒輪慣量(Kg.cm.s2)?? Js?----絲桿慣量(Kg.cm.s2)?W---工作臺(tái)重量（N）??S?---絲桿螺距（cm）??? （3）計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩M??? M=Ma+Mf+Mt?（1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2?（1-4） 式中Ma?---電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（N.m)?? Jm、Jt---電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2)??n---電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min）??T---電機(jī)升速時(shí)間（s）??? Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2?（1-5） Mf---導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m)?? u---摩擦系數(shù)??η---傳遞效率?? Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2?（1-6） Mt---切削力折算至電機(jī)力矩（N.m)??Pt---最大切削力（N）??? （4） 負(fù)載起動(dòng)頻率估算。 數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為??? fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)]?1/2?（1-7） 式中fq---帶載起動(dòng)頻率（Hz）??fq0---空載起動(dòng)頻率?? Ml---起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（N.m)??若負(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)行估算.??? （5） 運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。 由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率?時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。??? （6） 負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。 負(fù)載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計(jì)算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.2?～0.4)Mmax.??? 步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的兩種執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。在電機(jī)選型過程中，必須首先計(jì)算出負(fù)載通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)軸的折算扭矩（T折），下面就幾中常見的機(jī)械傳動(dòng)方式介紹折算扭矩（T折）的計(jì)算過程。??? 1、?重物提升?? T折=?(m×g×D)?/(2×i)?[N.m] 2、絲杠螺母傳動(dòng)?? T折=?1/I((F×t)/(2×π?×η)+Tb)?*N.m F=F0+μmg?*N 3、同步帶或齒輪齒條傳動(dòng)?? T折=(F×D)/(?2×i?×η)?*N.m F=F0+μmg?[N] 3.1.1 貨叉的水平移動(dòng) 貨叉的水平移動(dòng)采用絲杠螺母的傳動(dòng)方式，絲杠的選擇何以下圖表，選擇的絲杠螺母為DCM40.其尺寸如上圖所示。 圖3-1 THK梯形絲杠尺寸表 如上圖所示，貨叉的水平移動(dòng)和橫梁的上升都是采用的THK梯形絲桿。THK梯型絲杠是一款符合 30 度梯形螺紋標(biāo)準(zhǔn)的滑動(dòng)進(jìn)給絲桿。它由特種軸承合金經(jīng)壓鑄成型制成，具有極好的耐磨性，是一款價(jià)格適中的高精度產(chǎn)品。 THK梯型絲杠DC/DCM型，這是高性能進(jìn)給絲杠，它將壓鑄成形的螺母與高精度滾軋絲桿軸相結(jié)，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工品相比可降低成本 50%。 步進(jìn)電機(jī)的選擇： 因?yàn)槭墙z杠螺母傳動(dòng)選擇點(diǎn)擊扭矩的公式應(yīng)該選擇： T折=?（Fa×I）∕（2πn1）?*N?M T折：驅(qū)動(dòng)扭矩N ?M Fa：軸向負(fù)載N Fa=F+μmg *N F：絲杠的軸向切削力N μ：導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù) m：移動(dòng)物體重量（工作臺(tái)+工件）kg g：9.8 I：絲桿導(dǎo)程 mm n：進(jìn)給絲桿的正效率 假設(shè)貨物重1000kg，導(dǎo)向件的綜合摩擦因數(shù)μ=0.1，貨叉和螺母等零件約重50kg，絲杠的軸向切削力為零，絲桿導(dǎo)程I為6，傳動(dòng)比n1為0.4代入公式計(jì)算： T折 =（Fa×I）∕（2πn1） =0.1×（1000+50）×9.8×6∕（2π×0.4） =2.456（N ?M） 故而選擇雷賽86HS85型步進(jìn)電機(jī)，其保持轉(zhuǎn)矩為8.5 N ?M ，能夠完全符合要求運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.1.2 橫梁的升降運(yùn)動(dòng) 橫梁的升降運(yùn)動(dòng)依然選擇絲杠螺母的傳動(dòng)，其中的絲杠螺母選擇THK梯形絲杠DCM80，計(jì)算過程如下： 梯形絲杠DCM型和DC型在制造上符合30°梯形螺紋的標(biāo)準(zhǔn)。螺母材料采用特殊合金,并具有精密的外螺紋作為核心部分,經(jīng)壓鑄成形。因此,與由機(jī)械加工制造的產(chǎn)品不同,在精度上的偏差較小,為具有高精度和高耐磨損性的軸承。 對(duì)于要與其組合使用的絲杠軸,提供滾軋軸作為標(biāo)準(zhǔn)件。此外,切削絲杠軸和研磨絲杠軸也可根據(jù)具體用途制造,詳細(xì)情況請(qǐng)向THK咨詢。 對(duì)于梯形絲杠，提供有標(biāo)準(zhǔn)長度的專用滾軋軸。 【提高耐磨損性】 軸齒由冷軋加工成型,齒面加工硬化后硬度超過250HV,然后實(shí)施鏡面拋光。因此,軸具有高度耐磨損性,當(dāng)與梯形絲杠配合使用時(shí),可以獲得極其平滑的運(yùn)動(dòng)效果。 表3-1 高強(qiáng)度鋅合金的成分 【改善機(jī)械性能】 在滾軋軸齒面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,沿著齒面輪廓出現(xiàn)纖維流線,從而使得齒根周圍的結(jié)構(gòu)變得很緊密,因此可以增加疲勞強(qiáng)度。 【軸端支承座的額外加工】 由于每一根軸都是滾軋成形的,因此軸端的支承座軸承部等的額外加工可以很容易地通過車削或銑削來完成。 高強(qiáng)度鋅合金 梯形絲杠中使用的高強(qiáng)度鋅合金是一種具有高度耐焦化性、耐磨損性以及耐負(fù)荷性的材料,其成分、機(jī)械性能、物理性質(zhì)和耐磨損性如下表所示。 梯形絲杠的選擇——?jiǎng)討B(tài)容許扭矩T和動(dòng)態(tài)容許推力F 動(dòng)態(tài)容許扭矩(T)和動(dòng)態(tài)容許推力(F)表示為軸承齒面上接觸面壓為9.8N/mm 2 時(shí)的扭矩和推力。這些數(shù)值被用來作為梯形絲杠強(qiáng)度的基準(zhǔn)。 pV值 使用滑動(dòng)軸承時(shí),用接觸面壓(p)與滑動(dòng)速度(V)的乘積,即pV值作為判斷能否使用某種型號(hào)的基準(zhǔn)。請(qǐng)使用 圖3-2 中所示的相應(yīng)pV值作為選擇梯形絲杠的基準(zhǔn)。pV值還隨潤滑條件的不同而變化。 f S ∶安全系數(shù) 在計(jì)算梯形絲杠上承受的負(fù)荷時(shí),有必要獲得隨物體重量和運(yùn)動(dòng)速度而變化的慣性力產(chǎn)生效果的準(zhǔn)確資料。一般來說,對(duì)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置,要準(zhǔn)確獲得所有的系數(shù)是不容易的,例如經(jīng)常重復(fù)發(fā)生的起動(dòng)停止時(shí)的沖擊等。因此,如果不能獲得實(shí)際負(fù)荷資料,則有必要在 圖3-2 PV值 表3-2 安全系數(shù)（fs） 選擇軸承時(shí),考慮 表3-2 中顯示的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的安全系數(shù)(fs)。 【計(jì)算接觸面壓p】 P值可按如下計(jì)算∶ P ∶軸向載荷(P F N)情況下齒面的接觸面壓 (N/mm 2 ) F ∶動(dòng)態(tài)容許推力 (N) ∶軸向載荷 (N) 【計(jì)算齒面滑動(dòng)速度V】 V值可按如下計(jì)算∶ V ∶滑動(dòng)速度 (m/min) Do ∶有效直徑(參照尺寸表) (mm) n ∶每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) (min -1 ) S ∶進(jìn)給速度 (m/min) R ∶導(dǎo)程 (mm) α ：導(dǎo)程角(參照尺寸表) (度) 有以上各式帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，假設(shè)使用梯形絲杠DCM型,在承受單方向的軸向載荷P?F?＝20000N的同時(shí),以進(jìn)給速度為S=3m/min的情況下運(yùn)動(dòng),選擇梯形絲杠。首先試探性地選擇DCM50型（動(dòng)態(tài)容許推力F＝57100N）,求出接觸面壓(p)。? N∕mm 求出滑動(dòng)速度(V)。 以進(jìn)給速度S＝3m/min運(yùn)動(dòng)時(shí),需要的絲杠軸的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(n)按下式計(jì)算∶? 從pV值圖中,可以判斷,在p值為3.432 N/mm?的情況下,如果滑動(dòng)速度(V)為6m/min或更低,則不會(huì)有異常的磨損。然后求出相對(duì)于動(dòng)態(tài)容許推力(F)的安全系數(shù)(f?S?)。使用條件為∶溫度系數(shù)f?T?＝1和作用負(fù)荷P?F?＝1080N,安全系數(shù)則按如下計(jì)算。?? 按照負(fù)荷種類,“f?S??”在2或更大值時(shí)能滿足強(qiáng)度的要求,因此選擇DCM50型合適，但是為了安全考慮，本次設(shè)計(jì)采用DCM80型，一定能完全符合工作條件。 假設(shè)貨物和橫梁一起重1500kg，導(dǎo)向件的綜合摩擦因數(shù)μ=0.1，絲桿導(dǎo)程I為12，絲杠傳動(dòng)比n1為0.9代入公式計(jì)算齒輪傳動(dòng)比為i=5： =5×（200002000）×12∕（2π×0.9） =21.58（N ?M） 故而選擇雷賽110HS28型步進(jìn)電機(jī)，其保持轉(zhuǎn)矩為28N?M ，能夠完全符合要求運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.2 軸的設(shè)計(jì) （1）選擇軸的材料 選取45鋼，調(diào)制處理，參數(shù)如下: 硬度為HBS＝220 抗拉強(qiáng)度極限σB＝650MPa 屈服強(qiáng)度極限σs＝360MPa 彎曲疲勞極限σ－1＝270MPa 剪切疲勞極限τ－1＝155MPa 許用彎應(yīng)力[σ－1]=60MPa （2）初步估算軸的最小直徑 由前面的傳動(dòng)裝置的參數(shù)可知= 323.6 r/min; =6.5184(KW)；查表可取=115； 機(jī)械設(shè)計(jì)第八版370頁表15-3 =18.26mm 3.2.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）擬定軸上零件的裝配方案 如圖（軸1），從左到右依次為軸承、軸承端蓋、小齒輪1、軸套、軸承、帶輪。 （2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 1.軸的最小直徑顯然是安裝帶輪處的直徑，取=20 mm，為了保證軸端擋圈只壓在帶輪上而不壓在端面上，，故Ⅰ段的長度應(yīng)比后輪的寬度略長一些，現(xiàn)取帶輪的右端采用軸肩定位,軸肩的高度 ，取=2.5 mm，則=35mm。軸承端蓋的總寬度為20 mm，根據(jù)軸承端蓋的拆裝及便于對(duì)軸承添加潤滑脂的要求，取蓋端的外端面與帶輪的左端面間的距離=30 mm，故取=36mm。 2.初步選擇滾動(dòng)軸承。因?yàn)檩S主要受徑向力的作用，一般情況下不受軸向力的作用，故選用深溝球滾動(dòng)軸承，由于軸=35mm，故軸承的型號(hào)為6207，其尺寸為35mm，72mm, mm.所以==35mm，= =17mm 3.取做成齒輪處的軸段Ⅴ–Ⅵ的直徑=40mm，=83mm 取齒輪距箱體內(nèi)壁間距離a＝10mm， 考慮到箱體的鑄造誤差， 4.在確定滾動(dòng)軸承位置時(shí)，應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s＝4mm，則 s+a＝4mm＋10mm＝14mm =48mm 同理=s+a=14mm，=43 mm 至此，已經(jīng)初步確定了各軸段的長度和直徑 （3）軸上零件的軸向定位 齒輪，帶輪和軸的軸向定位均采用平鍵鏈接。 （4）確定軸上的倒角和圓角尺寸 圖3-3 確定軸的尺寸 參考課本表15－2，取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半R=1.2mm 3.2.2 計(jì)算過程 1.根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡圖，如圖，對(duì)于6207深溝球滾軸承的，簡支梁的軸的支承跨距： L= = -2a=249mm =47+50+9=106mm，=55 mm, =65mm 2.作用在齒輪上的力 = =916.6N 333.6N 計(jì)算支反力 水平方向的ΣM=0，所以 ， =458.3N 0， =541.6N 垂直方向的ΣM=0，有 0， =197N 0, =166.8N 計(jì)算彎矩 水平面的彎矩 = =29789.5 垂直面彎矩 10840 10840 合成彎矩 ==31700 ==31700 根據(jù)軸的計(jì)算簡圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖，可看出C為危險(xiǎn)截面，現(xiàn)將計(jì)算出的截面C處的及M的值列于下表： 載荷 水平面H 垂直面V 支反力 541.6N 458.3N 197N 166.8N 彎矩 =29789.5 10840 總彎矩 =31700 =31700 扭矩 T=195300 3.按彎扭合成應(yīng)力校核軸的硬度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎距和扭距的截面（即危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度。根據(jù)課本式15－5及上表中的值，并扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α＝0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力 ==13.51QMPa 已由前面查得許用彎應(yīng)力[σ－1]=60Mpa,因，故安全。 4.精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 截面A，Ⅱ，Ⅲ，B只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕地確定的，所以截面A，Ⅱ，Ⅲ，B均無需校核。 從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來看，截面和V和VI處的過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重；從受載的情況看，截面C上的應(yīng)力最大。截面VI的應(yīng)力集中的影響和截面V的相近，但截面VI不受扭距作用,同時(shí)軸徑也較大，故可不必作強(qiáng)度校核。截面C上雖然應(yīng)力最大，但應(yīng)力集中不大（過盈配合及槽引起的應(yīng)力集中均在兩端),而且這里軸的直徑最大，故截面C不必校核。因而只需校核截面V的左側(cè)即可，因?yàn)閂的右側(cè)是個(gè)軸環(huán)直徑比較大，故可不必校核。 2)截面V左側(cè) 抗彎截面系數(shù)：W＝0.1d3＝0.1×453＝9112.5mm3 抗扭截面系數(shù)：WT＝0.2d3＝0.2×453＝18225mm3 截面V左側(cè)的彎矩為 13256.36 截面V上的扭矩為 =195300 截面上的彎曲應(yīng)力 =1.45Mpa 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 =21.45Mpa 軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表可查 得=640 MPa, =155 MPa, =275Mpa 過盈配合處的的值，由課本附表3-8用插入法求出，并取 ，＝2.18 則0.8×2.18＝1.744 軸按磨削加工，由課本附圖3-4查得表面質(zhì)量系數(shù)＝0.92 故得綜合系數(shù)值為： ＝ ＝＝2.267 ＝ ＝＝1.831 又由課本§3－1及§3－2得炭鋼得特性系數(shù) ＝0.1～0.2 ，取 ＝0.1 ＝0.05～0.1 ，取 ＝0.05 所以軸在截面V左側(cè)的安全系數(shù)為 =83.6 ==7.68 7.652>>S=1.6 （因計(jì)算精度較低，材料不夠均勻，故選取s＝1.6） 故該軸在截面V左側(cè)的強(qiáng)度也是足