毕业设计（论文）-喷洒机器人的设计

喷洒机器人的设计喷洒机器人的设计摘 要本文设计一种喷洒机器人，该机器人通过底座固定在小车架体上，其中底盘能够实现360度旋转，旋转机构主要是通过齿轮啮合减速并旋转，通过电机抱闸锁定旋转位置。机械臂的折叠通过拉杆实现，拉杆的强度相对较高通过铸铁加工成本较低，经济性较好。驱动系统由车轮、支架、减速器等主要部分构成。减速机选用蜗轮蜗杆一级减速机，蜗轮蜗杆能够实现自锁。行进到位置后停止转动，蜗轮蜗杆减速机输出轴通过联轴器连接车轮，车轮即停止转动实现自锁。该驱动系统采用双前驱的结构形式，前端两个轮子分别采用电机单独驱动，同时正转即是前进、同时反转即是后退，一正一反转动可实现左右转弯。通过对各机构进行分析计算校核，并对喷洒机器人进行SW三维建模，并输出二维CAD图纸。文中还对控制系统各模块做了简单阐述。关键词：喷洒机器人，行走机构，旋转，折叠全套图纸加扣 3346389411或3012250582Design of spray robotABSTRACTIn 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 degree 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, and 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 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 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, rotation, folding目录前言1第1章 绪论21.1 研究背景21.2 国内外研究现状21.3 发展前景3第2章 喷洒机器人总体方案设计42.1机器人组成结构42.2机器人整体结构图52.3 关于材料的选用6第3章 喷洒机器人驱动系统设计73.1 驱动结构设计73.2蜗轮蜗杆减速机传动比的确定83.2.1各轴功率计算83.2.2各轴转速的计算83.2.3各轴输入扭矩的计算83.3蜗轮蜗杆的设计93.3.1关于蜗轮蜗杆齿数的确定93.3.2验算车轮的速度93.3.3减速机构传动中心距计算93.4 蜗轮轴的设计113.4.1轴的材料选择113.4.2轴径的初步计算113.5 滚动轴承的校核123.6 键联接的强度校核123.7 蜗杆轴输入端联轴器的选择13第4章 喷洒臂及其旋转机构设计144.1 喷洒臂整体方案的确定144.2 喷洒臂旋转机构设计164.2.1 选定齿轮类型精度等级材料及齿数164.2.2 按齿面接触疲劳强度计算174.3 喷洒臂折叠设计195 控制系统的设计215.1可编程控制器(PLC)的简介及选择215.2变频器的介绍及选型215.3控制电路设计215.4蓄电池的选用225.5行走避障原理225.6 防撞电路236 基于SolidWorks的三维建模246.1 SolidWorks软件简介246.2 SolidWorks实体造型24结论24谢 辞27参考文献28前言本文主要研究喷洒机器人的机械结构，目的是设计一种能够服务于公园、农业种植等喷洒农药环境下的小型喷洒机器人。通过喷洒机器人的使用能够代替人工作业，实现自动化喷洒。当前人工成本逐年提高，且纯人工作业效率低，如果能够通过机器人代替人工作业，势必会减少恶劣工作环境下人工紧张的局面。目前各种环境下的机器人层出不穷，但是关于喷洒作业的机器人研究还是相对较少，通过查阅文献资料，总结机器人、喷洒等专业方向知识，设计一款适合小型喷洒的机器人。目前生产制造的主要发展方向就是智能制造,即我们所说的工业4.0时代，智能制造的核心内容就是工业机器人。使用工业机器人可以有效提高工作效率，减少人工作业的强度、降低生产成本。随着国内工业机器人的普遍应用，工业机器人集群协作模式对控制中心的运算、协调能力提出了更高的要求。工业机器人云服务平台，是由前列的信息技术、计算机技术及新兴云计算、联网等技术融会贯通的产物，是一种源于互联网的、指向工业机器人的服务框架产物。机器人云服务平台通过云计算在内的当代信息技术前沿理念，在普遍的网络资源环境下，协助机器人卸载运算计量的工作，使控制中心的运算能力大大提高，将产品打造成高附加值、低成本和全机球化制造的服务。喷洒机器人的设计 第1章 绪论1.1 研究背景早期的机器人主要以模仿人手的动作，进行简单的抓取零件的作业，定位精度也不是十分准确，只能简单地实现抓取。随着我国步入改革开放，一直到近期的不断发展。机器人也从原先的非常简早期的机器人主要以模仿人手的动作，进行简单的抓取零件的作业，定位精度也不是十分准确，只能简单地实现抓取。随着我国步入改革开放，一直到近期的不断发展。机器人也从原先的非常简单的发展到现在复杂的机器人。现在应用在汽车行业，发动机装配机器人，其定位精度已经可达0.05毫米，其结构是六轴机器人，每个关节都采用非常精准的私服电机实现准确定位，定位后又通过位置信息反馈进行二次确认。针对现在国家的工业自动化发展趋势，高精密机器人主要应用在汽车行业，电子行业等比较精密的行业。其中电子行业的机器人种类最多，从简单的两轴、三轴、一直到六轴、七轴的机器人应有具有。机器人的快速发展也得益于PLC编程程序的进步。机器人每个零件的加工精度必须保证在IT5级左右，只有这样加工出来的机器人才能保证定位准确,PLC和机械加工是机器人的关键构成部分。1.2 国内外研究现状2012年亚马逊公司通过自动化物流提供商Kiva花重金买下了机器人仓储业务后，通过机器人来对仓库的货物配货和盘点等工作。当今亚马逊公司的几十个仓库里，努力工作的Kiva机器人超过15000个。正因如此，亚马逊成为全世界最有效率的仓库。亚马逊把仓库分割成两大部分：一部分是员工只用在特定的位置对货物进行盘点和配货。另一部分是Kiva机器人将货物分拣到员工身边。GreyOrange的主要自动化工业机器人推出了三种：一种是用于包裹的分析和快速分拣的机器人系统Sorter,第二种是高速动态的尺寸维度称重系统Profiler,第三种是用于存储和检查的机器人Butler。他们可以对要派发的用户的包裹进行收集，系统会通过计算库存来进行及时补货。国外关于机器人的发展，最好的以德国和日本为典型。日本和德国在机械制造行业的发展是非常迅速的，他们对设计的图纸到加工到组装等诸多环节，都通过6S严格把控，质量非常有保证。同时日本和德国对世界机械行业的自动化产业的付出也是非常巨大的，他们设计出来的机器，虽然价格相对昂贵，但是精密度是相当高的，诸多行业只有使用该两国的机器才能加工出合格的产品。也有在少数行业，他们的设备已经形成了垄断。我国的自动化产业发展相对较快，但是起步比较晚，和发达国家还是有一定差距的，如果我们能在加工制造行业取得较大进步，同时芯片行业也有较大进展的情况下，那么我们生产出来的机器人也会有较高的市场价值，相信在党中央国务院的领导下，我们的发展一定会越来越好。国内的机器人相对起步较晚，但是发展也是相当迅速的，中国自上世纪世纪70年代末改革开放，才开始陆续重视机械自动化产业。关于机器人的发展正式开始，还是上个世纪90年代。随着中国加入WTO对机械产品的要求越来越严格，加工无论是从加工精度还是加工难度都逐渐人工作业已经无法满足基本需求，陆陆续续开始使用机器人对放在产线上进行代替人工作业，机器人也在这种大环境下逐渐诞生。国内许多企业都将用到自动机器人，如果将一些问题处理好，该项发展的空间特别大，自动化的社会指日可待。一个国家的高科技水平和发展水平要看最顶端的工业机器人的研发和制造技术，它代表着机电一体化的最高荣誉。从科学技术研发的角度来说，机器人的构架的硬件平台是实现智能化。为了让机械臂与环境更好的融合、更加灵活、跟上智能生产的步伐。最初的机器人机械臂主要应用于太空探索的方向，现在工业机器人的应用普遍各个行业，是整个生产型企业的发展主要方向。1.3 发展前景从世界的大发展环境下，工业4.0时代已经到来。智能制造、精密制造已经是现在刻不容缓的话题，如何才能实现高的工作效率，还要降低生产成本保证企业利润，各种机器人的开发势在必行，其中机器人就是机器人的一种。以往生产线中分拣作业都是通过人工进行手工分拣，不但效率低下还会浪费大量的人工成本，目前工人的工资也是逐年升高，通过机器人进行分解不但效率高，更重要的是可以24小时不间断作业。未来关于机器人的发展趋势将会是机器人的结构越来越精密、精度越来越高、分拣速度越来越快、智能化会越来越强大。智能制造的发展趋势将会是操作人员在办公室坐着，就可以对车间上的机器人进行远程遥控。不夸张的说，一个操作者可以控制一条生产线乃至一个车间的所有自动化设备。第2章 喷洒机器人总体方案设计2.1机器人组成结构喷洒机器人通过底座固定在小车上，其中底盘能够实现360度旋转，旋转机构主要是通过齿轮减速机构实现旋转，当电机停止转动后通过电机抱闸锁定位置。折叠臂通过电机驱动一个拉杆实现，拉杆的强度相对较高通过铸铁加工成本较低，经济性较好。关于该机器人的机构构成如下图2-1所示。喷洒机器人控制系统智能系统机械系统执行机构喷洒机构折叠机构行走机构旋转机构执行机构喷洒机构折叠机构行走机构旋转机构驱动机构电液混合驱动图2-1 机器人组成机构图机器人的工作需要根据指令进行相应的操作，所谓的指令就是PLC程序。根据动作的需要先对机器人的动作进行PLC编程，之后机器人的每个动作都是根据程序进行动作的。机器人的其机械系统分成执行机构和驱动系统两部分，每次操作的位置是否准确又通过检测系统进行位置信息反馈给PLC,如果位置信息不准确，系统会报警，需要人工进行排除处理。关于驱动机构除了采用马达的方式之外，也可以采用气缸、液压缸等均可做为动力源。各部分关系图如下图2-2所示。控制系统机械系统智能系统驱动-传动装置执行机构工作对象位形检测图2-2 各部分关系图2.2机器人整体结构图根据机器人的使用条件及零件的参数，机器人的材料需要轻便且承重性好，喷洒机器人的结构图如下所示。图2-3 整体结构图表2-1 零部件明细表2.2 关于材料的选用本次设计选用铝合金制架体，铝合金的密度只有2.7，是铁的三分之一，能够保证整体的质量非常轻，确定了比较适合本次设计的铝合金型号就是6063-T5。关于轴的材料选用45号钢，因为该材料在调质处理之后都会有着非常高的强度，满足轴高扭矩的使用工况。这里的调质处理硬度达到HB220-230的强度即可。第3章 喷洒机器人驱动系统设计3.1 驱动结构设计该驱动系统由车轮、支架、减速器等主要部分构成。减速机选用蜗轮蜗杆一级减速机，蜗轮蜗杆能够实现自锁。行进到位置后停止转动，蜗轮蜗杆减速机输出轴通过联轴器连接车轮，车轮即停止转动实现自锁。该驱动系统采用双前驱的结构形式，前端两个轮子分别采用电机单独驱动，同时正转即是前进、同时反转即是后退，一正一反转动可实现左右转弯。由车轮的行进力和其旋转行进速度v,得 （3.1）其中： （3.2）m行进重物的质量，单位Kg，整套设备的自重以及行进阻力等按照600Kg计算，其中两套驱动机构，每套驱动机构分担的负载是300Kg。g为重力加速度，单位N/Kg； 带入数据得各传动机构和轴承的效率为：法兰效率单级蜗轮蜗杆传动的效率是 双滚动轴承效率台阶键槽固定联轴器传动效率：驱动电机经过联轴器-减速机-联轴器-车轮的总传动效率将以上查询数值带入得：驱动马达的功率为因为各种机构导致功率损耗，所以驱动马达的实际功率计算公式为： （3.3）则 选用的电动机的转速首先要满足的条件是在以上的计算范围内，同时还需要考虑在整个设计中电动机的尺寸需要满足便于安装，需要考虑电动机的价格及是否方便采购，是否方便维修和保养，通过综合比较最终决定选择的电动机；满载转速：=940 。 电机做为该设备的主要驱动装置，在设备中如同心脏一样重要。电机的选型必须满足设计需求。选择合适类型的电机后可以按照相关的使用需求，对电动机的相关参数进行确定。电机的主要参数是矩扭必须满足的使用要求，所选电机的启动转矩必须大于该设备的负载扭矩。而计算相关扭矩又需要对各转动惯量等进行详细计算。电机转速有750转/分钟、1000转/分钟、1500转/分钟等多种样式，需要结合设计任务的实际要求去确定电机的具体转速。除此之外，还要通过确定其他参数，校核电机型号是否满足要求。3.2蜗轮蜗杆减速机传动比的确定 蜗杆一般头数选择一个头的，蜗轮可以初选50个齿的，一般减速机减速比4060时性能较为稳定，强度较好。选定转速比为：i50/1所以车轮转速 从而，车轮直径： （3.4）圆整为170mm3.2.1各轴功率计算 （3.5） （3.6） 3.2.2各轴转速的计算 3.2.3各轴输入扭矩的计算 （3.7） 表3-1 蜗轮蜗杆减速机各轴参数计算汇总名称功率Kw转速扭矩N.m蜗杆轴1.4794014.93蜗轮轴0.9718.8492.743.3蜗轮蜗杆的设计蜗轮材料的许用接触应力 =190N/mm 蜗轮弯曲应力=44N/mm 3.3.1关于蜗轮蜗杆齿数的确定选取Z1，则ZZi15050 （3.8）故取Z50 3.3.2验算车轮的速度实际传动比 i50/1 工作机车轮转速 n940/50=18.8钢丝绳的行进速度 （3.9）速度误差 （3.10）3.3.3减速机构传动中心距计算关于蜗杆的功率的详细计算公式如下： （3.11）式中 K关于应用场合参数，由于该行进机构属于小型的K0.7；K加工等级参数，蜗杆的加工精度等级为IT7，所以K0.9；K速度参数，机构运行速度为10米/分钟，K0.85。以上参数带入公式 KW （3.12） 蜗杆传动几何参数汇总如下。表3-2 蜗轮蜗杆几何尺寸汇总表序号名称代号或公式数值1中心距a100mm2齿数比u=z2/z1 503蜗轮齿数z2504蜗杆头数z115蜗杆齿顶圆直径45mm6蜗杆齿宽53mm7蜗杆螺纹部分长度L59mm8蜗杆齿顶圆弧半径Ra182mm9蜗杆齿顶圆最大直径de153.8mm10蜗轮端面模数m 3.18mm11径向间隙 0.51mm12齿顶高h=0.75 m2.23mm13齿根高h= h+ C2.74mm14全齿高h= h+ h4.97mm15蜗杆分度圆直径（0.624）a 40.53mm16蜗轮分度圆直径2a159.47mm17蜗轮齿根圆直径d2 h153.98mm18蜗杆齿根圆直径d2 h35.05mm19蜗轮齿根圆弧半径82.48mm20分度圆压力角（2.15）2421蜗杆分度圆齿厚（2.15）4.298mm22蜗杆分度圆法向齿厚（2.15）4.29mm23蜗轮分度圆法向齿厚（2.15）5.49mm图3-1 蜗轮加工图3.4 蜗轮轴的设计3.4.1轴的材料选择材料选用40Cr,通过调质处理硬度需要达到285HBS，加工等级均IT7级精度。=650 3.4.2轴径的初步计算 （3.13） 其中 转速单位r/min传递功率单位kw 危险截面直径，单位mmmm 蜗轮轴固定联轴器处的直径是，根据公式，转距变化很小，故取Ka=1.3，则，选用YL11型凸缘联轴器。图3-2 蜗轮轴图3.5 滚动轴承的校核已经初选圆锥滚子轴承7306E，查得：C52.5KN C60.5KN e0.83 Y=0.7=1.62833e=0.83考虑到载荷系数f=1.21.2（0.42655.5367+0.75952.4）=6274.673616轴承寿命 L= （3.14）=21778.8311h 该行进机平均每天使用半小时，故所选轴承寿命为120.9935y所选轴承合适。3.6 键联接的强度校核蜗杆轴上安装联轴器处的键联接选用普通平键66、键的工作长度l28。键的工作高度 k3查得键联接的许用比压 p=5060N/ （3.15） =9.276 N/ p 式中： 传递的转矩，单位为； 键与轮毂键槽的接触高度，为键的高度，单位为； 键的工作长度，单位为；d 轴的直径，单位为；键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位为。通过计算，所选平键合格。3.7 蜗杆轴输入端联轴器的选择选用凸缘联轴器，查得 K1.3， （3.16）1.311428.516514857.07145N 选用YL3型联轴器。14第4章 喷洒臂及其旋转机构设计4.1 喷洒臂整体方案的确定图3-1 折叠臂传动机构图3-1为折叠臂传动结构简图，折叠臂主要是通过连杆机构的驱动进行俯仰动作，俯仰角度为50度。伺服电机通过减速机进行减速，减速器输出轴带动连杆机构进行俯仰动作，连杆机构性能稳定、强度较高，能够很好的满足该喷洒工况的使用需求。同时连杆机构也是机器人较为常见的使用机构，这里根据操作要求设计连杆的长度，以次实现不同位置的喷洒需求，折叠臂做为喷洒机器人末端执行部分，既需要结构简单、尽量减轻重量减少机器人的负载，同时还要保证有足够的强度来承受抓手的抓取作业。小齿轮的要求相对更高一些所以材料选用40Cr,通过调质处理硬度需要达到285HBS，大齿轮考虑到生产成本的情况下，以满足使用需求为前提，采用45#钢为材质，调质处理后硬度为245HBS,大小齿轮的加工等级均IT7级精度。传动比按照i=4.23，结合实际、并保证使用强度需求，选用小齿轮的齿数为Z1=23,则大齿轮的齿数为：圆整为97圆柱直齿轮分度圆直径定位d1，需要满足如下要求： 1）查机械设计手册Kt=1.3 2）扭矩为 T=55.47Nm 3）查机械设计手册得到取齿宽系数。3） 弹性影响系数为4） 根据机械设计手册并结合使用要求得到：，根据机械设计手册并结合使用要求得到大齿的接触疲劳强度为：。5） 此传动机构的设计使用寿命为10年，按照每天两个班次进行生产，每班次8小时，每天的工作时间为16小时。每年的工作天数按照365天进行计算。基于以上的条件，按照如下的公式对齿轮的应力循环次数进行计算： 6） 查机械设计手册接触疲劳寿命系数取值是： KHN1=0.85; KHN2=0.887） 许用接触应力中的安全系数为S=1进行计算8） 计算直齿轮分度圆直径通过如下的公式对直齿轮分度圆直径进行计算： 9） 圆周速度的确定10） 齿宽b的确定11） 宽高比通过如下的公式对齿轮的模数进行计算 通过如下的公式对齿轮的高度h进行计算： 12） 载荷系数的确定圆周速度v为4.22m/s，Kv=1.15，通过查询也可以确定直齿轮的齿间载荷分配系数KHa=KFa=1，KA=1.25，小齿轮的系数为，基于，。将以上确认的相关系数代入到如下的公式中，得出载荷系数为：13） 分度圆直径的计算。15）确定模数的计算如下机器人臂的设计其主要是设计机械臂的相关结构和选择合适的电机。电机的主要参数是矩扭矩必须满足使用要求，保证机械臂运动的状况下能够抓起重物。计算相关扭矩需要对各转动惯量等进行详细计算。选择电动机的时候，首先需要确定电动机的类型，选择合适类型的电动机后可以按照相关的使用需求，对电动机的相关参数进行确定。电机的选择非常重要、所选电机的启动转矩必须大于减速机负载扭矩，电机转速有750转/分钟、1000转/分钟、1500转/分钟等等多种多样，需要结合设计任务的实际要求去确定电机的具体型号。电机的功率、转速、启动转矩和最大扭矩都能满足设计要求，并在加了安全系数的条件下也能很好的满足使用要求，电机做为减速机的主要驱动装置，在设备中如果心脏一样尤为重要，电机的选型必须满足设计需求。4.2 喷洒臂旋转机构设计4.2.1 选定齿轮类型精度等级材料及齿数（1）按传动方案选用直齿圆柱齿轮传动。（2）本机工作速度、功率都不高，故选用 7 级精度。（3）齿轮材料及热处理：选择小齿轮材料为 40Gr，调质处理，硬度 250HBS，大齿轮材料为 45 号钢，调质处理，硬度为 230HBS，二者硬度差为 20HBS。（4） 齿数选择。选取小齿轮齿数 18，初步确定传动比为 则大齿轮齿数 此时传动比 4.2.2 按齿面接触疲劳强度计算（1）确定各参数的值 （4.1） 因大小齿轮为钢制，由机械设计表12.12查得弹性影响系数 （5-2） 初拟载荷系数 K=2.0取齿宽系数 0.3对于标准圆柱齿轮传动，由机械设计图12.16查得设，求得; 应力循环次数计算：使用时间 8 350 16 =44800h 小齿轮循环次数 大齿轮循环次数 按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限为： 小齿轮： ； 大齿轮： 接触疲劳强度寿命系数 查教材得接触疲劳寿命系数， 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1，安全系数 S=1，得 （2）参数计算1）试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得 （4.2） 2）计算平均圆周速度 3）计算载荷系数K 已知使用系数，根据v=4.4m/s，8级精度，查得动载系数；查得K=1.42；得K=1.35；得。 故载荷系数 （4.3）4）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径 （4.4） 5）计算齿宽b和模数 b= m= 6）齿轮部分相关参数 查手册得齿轮弯曲疲劳强度极限。 查手册得弯曲疲劳寿命系数。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则 7）校核 （4.5） 满足要求。 （4.6）所以安全。4.3 喷洒臂折叠设计关于空间的工作分析，空间我们通常分为x轴、y轴、z轴，通常所说的六个自由度包括x轴的移动、y轴的移动、z轴的移动、以及x轴的旋转、y轴的旋转，z轴的旋转。这里根据使用要求，我们只需要对x轴的旋转，y轴的旋转以及x轴的移动和y轴的移动四个自由度进行设计，满足这四个自由度即可满足料袋喷洒机器人的基本使用要求，在这几个自由度的基础上，对相关尺寸和旋转角度进行详细设计。机器人的设计相对是比较繁琐的，由于其精度比较高，每个设计环节都是尤为重要的，由于自身能力和本科生研究领域所限，这里只针对主要部分进行设计。图4-1 喷洒机器人位置示意图L1为机械主体部分臂部的长度按照665mm取值；L2为折叠臂的长度根据任务书使用要求折叠臂的长度按照630mm取值；1为大臂的旋转角度，根据喷洒的要求-150150就可以满足使用要求；2为折叠臂的旋转角度根据使用要求，这里按照65；根据上图4.1所示A点：长机械臂的最小值按照符号1min、小机械臂的最小值按照符号2min。 B点是大臂极限位置用1max表示。 C点大臂转动到最大极限时的值用1max表示，折叠臂达到正极限值为2max。 D点为大臂达到负极限时1min表示，折叠臂达到正极限值，由2max表示。A-B和C-D的圆心是大机械臂的起点，为了方便后续说明和详细计算，把这里定义为坐标原点。其中E点为A-D圆弧的中间，F点为B-C圆弧的中间。E点：F点：对以上个点计算汇总如下表4-1 坐标点位置汇总坐标点X坐标Y坐标Z坐标A-11745470B31.7547.30C-5.81180D-336.58520E-602.72810F602.72810通过以上分析，大机械臂和小机械臂的工作平面及XZ的平面构成坐标系，同时本机器人的底座又能够在X-Y-Z这三个方向实现旋转移动等动作，这样就可以通过上述分析绘制出XZ工作空间的具体图纸，从而进行分析计算比较，然后选型。以上的分析过程及计算的结果可以看出折叠臂末端的覆盖范围要比作业的空间大。以上的计算和分析都是基于手腕具有多自由度时，可以取其操作臂最大覆盖范围的二分之一。所以一般可以满足覆盖范围时，一定是可以满足机械作业的范围。所以此方案是正确的。 5 控制系统的设计5.1可编程控制器(PLC)的简介及选择可编程程序控制器因为其可以根据实际的使用需求编写不同的程序，使得相应的设备可以自动的完成一定的操作 ，可变性比较强，可以适用不同的需求，同时具有很好的稳定性，因此在很多行业都引进和使用可编程的控制器，尤其是工业控制行业，更是一种趋势。如果想在相关行业内具有很大的发展势头和提升自身在行业内的竞争力，使可编程程序控制器是一种必然的选择。通过可编程程序控制器可以使得相关的气动和电动装置按照设定好的程序进行动作和运行，同时，可以根据操作步骤和工序要求的不同，调用不同的程序来完成预期的操作。5.2变频器的介绍及选型交流变频器是将工业电源转换为变频功率输出控制装置，其原理是通过功率半导体元件的关闭来控制。工业中经常使用的变频器主要是采用交流-直流-交流控制方式原理，先把工厂的工频交流电源通过变频器内部的三个整流条转换成直流电源，然后通过各种控制命令将直流电源转换成电压可调节，频率可改变的交流输出控制电动机运转，从而改变电动机运转性能和转速大小。电动机转速的公式如下： 算式中n为电动机的转动速度，单位为m/s; f为电源的输出频率,单位为HZ； s为转差率(异步电动机)； p为极对数(异步电动机)由上述的公式可以看出，电动机输出的转速n与三相电的频率f之间为正比例关系，电动机输出的转速可以通过控制三相电的频率来改变，当三相线输出的频率在0HZ-50HZ之间变化时，那么电动机的转速将从零到额定转速之间变化，因此交流电动机的转速n调节范围很宽。根据公式可以通过改变电动机的频率输出来调节变频器的转速。这是一个很理想，高效率和高性能的调速方法，广泛应用在工厂实践中。5.3控制电路设计喷洒机器人臂在控制系统上的大致思路就是运用可编程控制器的控制变频的停止和启动状态，其中包括多频段的认定以及正转反转的运作，同时包括了电动机在通过对变频器参数的控制从而得到良好的运转。与此同时，作为外部传感器，将限位信号进行监测，使得通过对变频器的PLC控制来达到停止输出。可编程控制器的主线主要有继电器的输入和输出，以及输入按钮。按钮的输入包括了传感器信号的输入，变频器故障的显示以及变频器启动关闭按钮。其中所包含的输出有变频器正转反转输出的可控性选择，变频器的多放段多速输出。可编程控制器的连接线主要是控制电路。5.4蓄电池的选用该喷洒机器人臂采用蓄电池供电，使用更便捷不用考虑现场电源的问题。为满足装置在医院随时移动的使用要求，需要实现自主供电，在装置上安装电池，本设计中的电源为可充电电池。在选择电池时需要充分考虑成本价格、使用寿命、电压大小、电池容量等要素。就市面上现有的蓄电池来看，其常见的有：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、金属氧化物镍蓄电池、铁镍蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池和锂离子蓄电池。 从节省成本方面考虑，选用铅酸蓄电池最为合算，但缺点也很明显。比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较大，一次充电后的行驶里程短。使用寿命短，导致了使用成本高、充电时间长。铅是重金属，存在污染。相比较而言，锂电池可以算作是更好的选择。锂电池的优点有超长的寿命、使用安全、能够实现大电流快速充电、容量大、行程长、体积小质量轻以及绿色环保等优点。电池成本随着锂液提纯技术的提高也能够接受。因此，本装置选用高效环保的锂电池作为供电能源。电源采用24V充电式电源，充满一次电可连续48个小时使用。5.5行走避障原理当喷洒机器人遇到障碍物不能及时避开的时候，不但会影响其正常工作，还会因为碰撞对自身造成损害，因此检测并避开障碍物是至关重要的。为了检测设备移动的路径上是否存在障碍物，在内部放置三个超声波距离感应器。频率高于20000HZ的声波叫超声波。因为超声波的方向性好，且在同一种介质中的传播速率是不变的，但是在不同介质的界面处回反射回来如图5-1。根据这一特点，可以通过测量其发射波和反射波之间的时间间隔和传播的速度进行计算，确定障碍物的距离。通过超声波确认障碍物的位置后，避开障碍物。图5-1 超声波传感器测距的原理喷洒机器人移动的过程中，超声波感应器不断检测，当遇到障碍物时，会将收到的反射信息发给控制器，通过控制器控制电机带动齿轮齿条调整喷洒机器人的方向有效地避开障碍物。同时，障碍物的大小也可以通过信号的幅值进行判断。喷洒机器人使用超声波传器 可以有效地避免与家具等障碍物碰撞，避免对自身及物件的损害。5.6 防撞电路当经过被检测物体时，喷洒机器人将足够量的发光器所发射的光线直接反射回受光器，光电开关产生检测开关信号。如图5-2所以该传感器能以非接触方式检测出前方一定范围内的物体，并转换成高电平信号输出。图5-2 防撞电路6 基于SolidWorks的三维建模6.1 SolidWorks软件简介Solidworks是所有三维软件中应用最广泛的一种，由于其操作非常简单方便快捷，深受广大机械设计者的喜爱。软件中有钣金模块、铸造模块、建模等诸多模块，通过针对每一个零件进行绘制草图，然后通过旋转、拉伸、扫描等等一系列操作，最终将零件绘制成一个模型。然后通过装配功能将每一个零件组装成一个整体，装配过程中会应用到各种配合，例如重合、平行、垂直、角度等等。通过装配功能将设备整体呈现在面前，非常直观的表达了设备各个零部件之间的配合关系，也可可通过仿真功能进行模型的仿真运动。零件的建模的基本步骤是首先要建立一个草图，草图建立完成之后可以通过拉伸，旋转，扫描等一系列操作，最终成为一个实体。在实体的基础上，可以通过拉伸切除孔异形孔打螺纹孔，等一系列操作最终呈现在面前的是一个完整的模型。每一个零部件建模完成之后，可通过组装功能将它们组装成一个整体，组装的时候主要应用配合去实现，配合的关系有同轴度、重合、平行、垂直等一系列位置关系，将他们锁定。Solidwork三维软件在目前的机械行业应用非常的广泛，应用于非标自动化设计行业以及钣金展开行业、模具制造、机加工等行业，因为该软件使用非常便捷，软件的操作通俗易懂、便于理解、入门等级比较低，通过短时间的努力便可充分掌握各大主要功能。6.2 SolidWorks实体造型图6-1 喷洒机器人三维模型 各大主要零部件建模完成之后，通过软件的组装功能，将零件组装成一个整体，这样一个装配模型就呈现在面前，通过软件自有的渲染功能将模型进行渲染，渲染后的喷洒机器人更加逼真形象。渲染功能的应用更有利于对该喷洒机器人的造型设计，因为通常第一台设备都会生产出来一个样机，来观察其外形的优缺点，这样通过渲染功能设备的真实状态就呈现在面前，可以非常直观的观看效果、非常方便，不用通过加工实物就能发现不足，发现结构中的缺陷直接通过三维模型进行改进优化，最终得到最优化的结构，最终生成出实物服务于广大急救行业工作者。结论喷洒机器人通过底座固定在小车架体上，其中底盘能够实现360度旋转，旋转机构主要是通过齿轮啮合减速并旋转，通过电机抱闸锁定旋转位置。机械臂的折叠通过拉杆实现。驱动系统由车轮、支架、减速器等主要部分构成。减速机选用蜗轮蜗杆一级减速机，蜗轮蜗杆能够实现自锁。行进到位置后停止转动，蜗轮蜗杆减速机输出轴通过联轴器连接车轮，车轮即停止转动实现自锁。该驱动系统采用双前驱的结构形式，前端两个轮子分别采用电机单独驱动，同时正转即是前进、同时反转即是后退，一正一反转动可实现左右转弯。设计是服务于人，如果按照常规设计只是普通的器械，只能满足人们的基本要求。本次设计的装置中也加入了人工智能部分，但是由于本人知识能力所限，这一部分只是进行简单阐述。喷洒机器人装置中可以融入互联网技术，设备的控制系统中含有GPS定位装置，可以通过定位装置实施监控机器人位置。进一步畅想也可以在设备上安装摄像头，这样工作人员就可以通过手机对工作状态实时看管。关于人工智能是未来发展的大趋势所在，未来社会随着人民生活水平的提高以及制造成本、人工成本的增加，智能化是必然的发展产物。28喷洒机器人的设计谢 辞尽管有再多的不舍，还是阻止不了时间向前移动的脚步，还是阻止不了毕业的临近。大学这几年时间是我人生中最难忘的时光，在这四年里我经历了太多的成长，从以往做事更多的需要父母的建议到大学时代更多的独立的解决问题。这不仅仅包含学业上需要解决的问题，还有自己独立面对和解决生活中的问题。在大学的这段时光里，我的学习能力和处理事情的能力以及一些世界观人生观和价值观的成长是显而易见的。我的这些成长离不开学校提供给学生的浓厚的学习氛围，离不开老师对我的关爱和帮助，也离不开同学对我的帮助和鼓励。通过知网检索文献查阅资料，分析相似课题的研究成果，通过总结分析形成自己的设计思路，设计过程中得到了指导老师非常大的帮助。通过这次毕业设计对solidworks软件进行了三维建模，过程中熟练掌握了软件的使用，solidworks软件目前在机械设计行业使用非常广泛，对自己以后走上工作岗位都会受益匪浅。三维建模之后通过CAD二维软件转化了图纸，图纸绘制过程中对大学的课程也是一次很好的巩固，尤其是工程图学中的绘图基本知识、以及机械设计基础相关知识都是一次很好的复习，大学期间所学课程有很多，走上工作岗位未必每个课程都会用的上，但是通过学习的过程中掌握一种学习知识的方法，这种方法掌握了以后无论做什么事情都会用得上。这段经历对于我个人来讲是一个蜕变的过程，通过这段经历将我从一个懵懵懂懂，做事按部就班的人变成一个积极主动地，遇到事情可以主动寻找解决问题方法的人，而且解决问题这个过程中不但可以成长，还能收获快乐和喜悦，这对我毕业以后的生活和工作是一笔巨大的财富。生活不会一帆风顺，一定会遇到很多的问题，在遇到问题时候，面对问题的态度会影响我们的人生品质，通过在大学里面学习到的知识和个人性格的培养，可以使我在面对困难的时候不再彷徨和害怕，而是想着做任何事情都有解决的办法。“花有再开日，人无再少年”，在大学的这几年，是我们人生中最宝贵的几年，或许会因有些想做而没做的事情而留有一些遗憾，但却没有后悔的事情。感谢大学的生活和学习带给我个人的成长，也非常感谢在大学这几年时间里面老师和同学对我的帮助，希望每个人在面对未来的生活时都可以更加自信和从容。参考文献1Li-Kai Yeh-Liu,Sheng-Yu Hsu,Po-Yu Chen,Jyh-Wei Lee,Jenq-Gong Duh. 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