某糧食翻垛機器人的結構設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21568某糧食翻垛機器人的結構設計案例 1314751.1機械結構設計 1104561.1.1底盤結構設計 172611.1.2履帶車結構設計 2247411.1.3翻垛系統(tǒng)結構設計 5133021.1.4耙平系統(tǒng)結構設計 790771.2電動機選型 81.1機械結構設計糧食翻垛機器人的總體方案提出采用履帶式移動機器人作為搭載平臺，上面安裝翻垛裝置和耙平裝置。所以本章將對底盤和各個裝置進行分別的以及詳細的結構設計，如果存在多種設計方案，需要進行對比分析之后，選擇最合適合理的實施方案。經過設計之后可以得到各個部分的結構圖，并可以進行整體裝配。1.1.1底盤結構設計圖1.1圖1.1履帶式移動機器人底盤設計行車架式的底盤作為一個良好的搭載平臺，在能夠維持履帶式移動機器人的前進、轉向等操作的同時，還能把保證位于中間的裝置能夠不受其他條件的影響。糧食翻垛機器人的底盤設計很重要，這將決定著整個機器能否正常的完成工作。該底盤在設計時參考汽車底盤的橫梁設計，在盡可能減少整體質量的同時，還要保證底盤的強度能夠滿足要求。為了保證糧食翻垛機器人能夠正常的行走，底盤的整體布局以及各個裝置與之安裝時的配合都很重要，在設計時需要全面考慮到。1.1.2履帶車結構設計圖1.2圖1.2履帶式移動機器人結構履帶式移動機器人的設計是通過對載物平臺的研究和分析的擴延，使得載物平臺能夠很好的完成運動功能，進行添加輪子的設計。履帶式移動機器人很好的符合了這一特點，通過單獨的控制系統(tǒng)使得機器能夠很好的完成行進任務，并且該機器具有較大的裝載能力，能夠很好的完成與翻垛裝置的結合。為了盡可能的減少重量，底盤的材料整體為鋁合金，履帶采用橡膠履帶，減少與糧食接觸過程中對糧食產生的損害，這些措施都不會影響履帶式移動機器人整體強度，但能夠減少整個糧食翻垛機器人的整體質量，既能減輕對糧食谷物的損失，又能夠減少行進電機的功率消耗。通過對履帶式移動機器人圖1.3履帶式移動機器人側視圖圖1.3履帶式移動機器人側視圖確定各安裝總成結構元件的基本結構主體形式和主要安裝履帶位置；初步設計確定各總成部件的主要安裝尺寸長度參數(shù)，其中主要特點是初步確定安裝履帶的主要尺寸長度參數(shù)。這樣一來整個行駛駕駛體系的安全性能就可以有所謂的保證；各個零部件間就可以能合理地互相配合可以協(xié)調正常工作；而在設計時也可以有明確的設計方向和性能要求。確定負重輪個數(shù)及其直徑，負重輪個數(shù)與車輛的總重、負重面的長度及負重輪的直徑。現(xiàn)代軍用履帶車輛的發(fā)展趨向表明，采用有托帶輪的型式已逐漸取代無托帶輪的型式。這種不同型式的履帶式使用的拖帶有下列幾個優(yōu)點：在兩個履帶所連接地的全長相當于同長的條件下它亦可同時布置較多的負重輪。這樣做就可以有效改善履帶對高于地面的最大壓強壓力分布，使壓力分布更為均勻以從而降低履帶行駛時的阻力，從而大大提高通過時的性能；同時降低每個履帶負重輪的承載負荷以從而提高其履帶使用壽命；同時增加履帶彈性元件孔的個數(shù)以從而提高負載緩沖器的性能。有托帶輪后，上側履帶振動損耗的功率減少，提高了行駛系的效率。在同樣車底距地高的情況下，可采用較長的平衡軸和較大的負重輪動行程以改善懸架性能。由于負重輪直徑減小及上側履帶位置提高，使減振器(尤其是簡式減振器)布置較為有利。負重輪的直徑應考慮橡膠輪的承載能力和工作壽命，也要考慮系列化，通用化及標準化。確定負重輪的型式：單輪緣或雙輪緣。以往，中、重型車輛多采用雙輪緣，輕型車輛多采用單輪緣?，F(xiàn)代輕型車輛的發(fā)展趨向也采用雙輪緣。此外雙輪緣配用的單誘導履帶板的重量也較輕。確定各負重輪的布置位置。當負重輪直徑、車底距地高確定后，即可確定負重輪平穩(wěn)時的中心高。此時可初步確定平衡時的長度及傾角。第一負重輪應盡可能向前布置，后負重輪應盡可能向后布置以增大履帶的接地長度，并保證較大的接近角和離去角。中間負重輪的布置應考慮：使車輛重心和彈性中心一致，各負重輪負荷基本相等，且車體基本保持水平。各負重輪在運動范圍內彼此不發(fā)生干涉，也不和誘導輪、主動輪、托帶輪、減振器、限制器等發(fā)生干涉。履帶應盡可能寬些，以保持對地面較低的壓強和較高的通過性。但受車輛總寬度及車體寬度的限制，履帶側面距離至少20mm。葉子板與履帶間應有足夠間距，否則車輛高速行駛時上支履帶上下跳動會撞擊葉子板，無托帶輪的履帶車間距應適當增大。履帶初步確定后則可布置減振器及限制器，檢查在運動過程中是否與相鄰部件發(fā)生圖1.4圖1.4履帶式移動機器人1.1.3翻垛系統(tǒng)結構設計翻垛裝置是整個機器的主要工作環(huán)節(jié)，所以對于這一部分的設計需要具有足夠的強度和能量。糧食翻垛機器人的翻垛裝置是由驅動電機、減速齒輪箱和兩根螺旋輸送桿組成。驅動電機是整個翻垛裝置的動力來源，需要能夠帶動兩個螺旋輸送機的轉動，控制箱能夠控制驅動電機的輸出功率，來滿足不同谷物的翻倉需要。由于糧倉的大小有限，所以驅動電機的電源可以直接通過足夠長外接線連接在家用交流電上。齒輪箱的設計主要是為了改變螺旋輸送桿的旋向，以及起到一個減速器的作用。齒輪箱為單輸入雙輸出結構，并且兩個輸出軸的距離是固定，所以從齒輪箱的內部結構就需要重新設計計算，整個計算過程將會在第四章進行完成介紹。兩根螺旋輸送桿的旋線不同通過齒輪箱與驅動電機相連接，兩根螺旋輸送桿之間產生的不平衡力一部分可以抵消，一部分可以轉化為也有用的力。并且根據糧庫的大小，螺旋輸送桿的長度也可以進行更換，來滿足不同工作要求下的使用。本次設計要求的翻垛深度為三米，所以在設計過程中就根據三米的圖1.5翻垛裝置結構要求來指定螺旋輸送桿的長度。翻垛裝置結構設計如圖圖1.5翻垛裝置結構糧食翻垛機器人的翻垛裝置為可拆卸裝置，平時不用時電機和齒輪箱安裝放置在履帶式移動機器人的橫梁上，兩根螺旋輸送桿是單獨存放運輸?shù)?。在使用時需要在糧食表面上進行安裝使用。由于安裝時位于水平面的狀態(tài)上，如果直接進入糧食具有較大的阻力，所以通過控制箱先使得機器在小功率下進行轉動，在豎平面內整體轉動翻垛裝置，使得兩根螺旋輸送桿能夠較為容易的進入糧食，當?shù)竭_豎直狀態(tài)時就可開啟工作狀態(tài)的功率來進行作業(yè)。翻垛裝置是整個機器的最重要的作業(yè)功能，所以對于該裝置的設計和操作需要弄得清清楚楚。螺旋輸送設備能否保持良好的運行狀態(tài)和較長的使用壽命，不僅取決于設備的制造質量和安裝質量，還取決于長期的運行管理和維護,因此為了管好、用好設備，應根據下列要求，制訂完善的管理制度。企業(yè)必須要設有一個分管企業(yè)設備的專門領導及企業(yè)組織工作機構，負責組織制訂和制定貫徹落實執(zhí)行企業(yè)設備生產管理的各項規(guī)章制度、維修計劃、備品備件消耗和儲備定額，及對操作、維修人員進行安全、技術教育和考核，提高操作、維修人員的素質，統(tǒng)一組織調度維修力量。必須合理的配置使用安全設備，嚴禁機械超載運作和違背安全操作章程運行，嚴格執(zhí)行按計劃維修，不斷提高設備完好率。建立健全崗位責任制，其內容包括：崗位分工制、崗位操作法、交接班制及安全責任制。不斷推廣采用新設備技術、新設備管理和舊方法，延長企業(yè)設備正常使用壽命,縮短設備檢修工作時間，降低企業(yè)運行和設備維修中的費用。須有專職人員負責電子技術設備、計量儀表、檢測設備的管理，保持各類儀表、計量設備經常處于靈敏、準確、穩(wěn)定的狀態(tài)。建立較為完善的科學儀器設備技術檔案，保存設備的技術資料、圖紙，收集圖1.6圖1.6螺旋輸送機一般結構螺旋輸送設備的安裝、維修和使用，必須符合安全規(guī)程要求，應采取有效的措施，減少或消除一切事故的發(fā)生，設備的操作和管理人員，必須熟悉和嚴格遵守下列有關規(guī)定。螺旋輸送機的設備必須是由經過專業(yè)培訓且合格的從業(yè)人員進行操作，其他從業(yè)人員不得擅自進行操作。對有爆炸性的、易燃的及其它有危害性的物料，如果未采取特殊的安全措施，不能使用螺旋輸送設備輸送。制造廠一般不提供電器控制設備，使用單位應按電器規(guī)范要求，配置螺旋輸送設備的電器控制設備，并應有電器保護措施。在設備超載-定延時不能恢復或有一相斷開的情況下，能自動切斷電源。當設備發(fā)生故障時，應能在現(xiàn)場立即切斷電源，因此需要在設備附近，裝有緊急切斷電源開關。為了使操作人員了解設備運行情況，應在設備附近，裝有信號裝置，當設備起動時，發(fā)出音響信號，設備運行時有燈光顯示信號。為了保證螺旋輸送設備起動后才能供料，停機前即停止供料的要求，應設置電器聯(lián)鎖裝置。當螺旋輸送設備停機檢查或檢修時，必須采取防止設備意外起動的安全控制措施。設備裝置在潮濕地區(qū)較長時間不使用時，電器設備須經檢查后，才能再次起動。螺旋輸送設備外露的轉動部件，如聯(lián)軸器、帶輪、螺旋管輸送機托輪等，都需有防護罩。螺旋管輸送機轉動的機體兩側，應設有圍欄，以保護工作人員安全通行。螺旋輸送設備所有部件應連接嚴密蓋板、檢視門應加墊用螺栓擰緊，防止物料泄漏、粉塵溢出，污染工作環(huán)境。1.1.4耙平系統(tǒng)結構設計圖1.7圖1.7齒耙結構圖1.8齒1.2電動機選型機器人的主要機械驅動控制方式都是具有采用液壓機械驅動、氣動機械驅動和液壓電機機械驅動的三種最基本的機械驅動控制方式。由于真空液壓動力驅動兩種方式和真空氣壓動力驅動兩種方式對工作環(huán)境的特性要求都比較高，由于糧食翻垛過程中會產生大量的粉塵，所以不適合在這種環(huán)境中進行使用。對于各種電機式的驅動這種方式比較容易直接實現(xiàn)各種電機的機械密封和驅動機器人的旋轉速度自動控制，所以這里的各種電機都可以選擇采用電機式的驅動方式來直接完成各種糧食翻垛機器人的綜合動力系統(tǒng)。（1）行進電機的選型：通過三維軟件建模對相應的材料進行分析，得到糧食翻垛機器人的總體質量M大概為200kg，此外履帶式移動機器人在糧倉上的最大移動速度為v為1m/s（只進行移動不進行翻垛作業(yè)），糧庫的上糧食表面比較平穩(wěn)，所以不存在爬坡、越障等工作，履帶式移動機器人在糧食表面的最大加速度為a為0.2m/s2。代入電機公式：T已知驅動輪的半徑值r為0.05m，傳動比i為24，摩擦力作用系數(shù)f為0.1，機械效率η為0.86，最終計算得出所需要的電機轉矩TmN=其中N為電動機最大轉速，求得N=4586rpm。P=經計算所需電機功率P為279W。電機的轉速、功率和扭矩考慮一定的多余量，最終選擇而定功率為360W、額定轉矩為0.5Nm、而定轉速為6000rpm，額定電壓為24V的無刷直流電機。根據選擇的無刷直流電機，履帶式移動機器人可采用24V電壓、60AH容量的磷酸鐵鋰電池作為履帶式移動機器人的動力電源。圖1.圖1.9無刷直流電機（2）螺旋輸送機動力電機的功率選型：以往采用螺旋驅動輸送機作為驅動動力電機的工作功率的選型計算，是在我們假設一臺螺旋驅動輸送機采用空載高速起動、填充材料系數(shù)功率小于0.5的一種理想操作工作情況下設計進行的。其常用計算公式為：P=W?式中：Ｐ：所選驅動電機功率，單位：千瓦；Ｗ：螺旋輸送機的送料量，單位：噸/小時；K0Ｌ：螺旋輸送機的工作長度，單位：米；Ｈ：螺旋輸送機處于傾斜狀態(tài)下時，工作的長度在垂直平面上的影射的高度，單位：米；k：電機安全系數(shù)；η：傳動裝置效率。但是，在許多實際生產應用中的場合，螺旋驅動輸送機的實際工作運行條件很難完全符合上述技術要求。并且，不同類型螺旋物料輸送機的不同螺旋物料直徑、螺距各不相同；不同螺旋物料的機械摩擦阻力系數(shù)也不盡相同；進料口處理的物料快速堆積時的壓力對不同螺旋物料輸送機的機械啟動、運行性能影響也很大。而在上式中，對這些實際情況均未完全給予明確充分考慮。因此，在進行設計功率計算時，常常有人會把這種螺旋驅動輸送機用于驅動高壓電機的額定功率位置選擇得太小，從而容易導致在實際使用時容易發(fā)生驅動電機電路堵塞或難