基于慧鱼平台的自动化搬运系统设计与实现
基于慧鱼平台的自动化搬运系统设计与实现,基于,平台,自动化,搬运,系统,设计,实现
摘 要利用慧鱼创意模型组合包内的构件拼接的自动化搬运系统,主要是由自动化物料搬运设备和自动化物料存储设备构成,其中动力装置均由电机提供,通过慧鱼构件组搭建模型,然后通过慧鱼软件编程模拟仿真出自动化搬运系统的实际效果。本人的课程设计是用德国慧鱼创意积木组合包内的构件为载体,搭建出自动化物料搬运设备和自动化物料存储设备的基本构架,再利用ROBO编程,通过TXT控制器面板去控制所搭建的模型,使搭建的模型达到预期的动作,完成搬运的和存储的功能,再而取代我们以后常用的由硬体描述语言所驱动的构架。本人的说明书重点是简明扼要的阐释机械之间的配合关系,各种传感器安装使用,软件编写,以及如何实现对电机的控制,让慧鱼软件平台的操作变得简单易懂,同时方便快捷,便于大家理解。自动化物料搬运设备是循迹小车和搬运机械手臂的理想结合,通过传感器,实现从小车的循迹运动,到达预定的地点,到机械手臂完成货物搬运的过程。自动化物料存储设备是利用传感器检测货架的闲置空间,然后将货物从固定的地点,用机械手臂搬运到闲置的空间,完成空间的合理分配。关键词:慧鱼模型;循迹小车;传感器:机械手臂IABSTRACTThe automatic moving system is composed of automatic moving robot, automatic sorting system and automatic storing and transporting robot. The power device is provided by motor, and the model is formed by the cometary components. Then the actual effect of the automatic moving system is simulated by the cometary programming. This course is designed to use German fischer creative blocks combination of components as the carrier, build automated material handling equipment, and the basic framework of the automatic material storage equipment, recycling ROBO programming, through TXT controller panel to control the building model, to build the model of the desired action, complete the function of handling and storage, instead we commonly used later again driven by hardware description language structure. My manual focus is concise explanation cooperate relationship between the mechanical, various sensors installed, writing software, and how to realize the control of the motor, let fischer platform operation simple easy to understand, convenient and quick at the same time, to facilitate everybody understanding. Automated material handling equipment is tracking the car and handling the ideal combination of mechanical arm, through the sensor, achieve tracking motion, from the car to a predetermined location, to the mechanical arm to complete the process of cargo handling.Automation material storage device is to use the sensor testing shelf space, then the goods from a fixed location, with a robotic arm to the unused space, space distribution.Key Words:Fischertechnic; Tour line; Sensor: A robotic armI目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 选题背景及意义11.2 自动化搬运系统的设计原则21.3 自动化搬运系统的定位31.4 自动化搬运系统的内容4第2章 慧鱼模型52.1 慧鱼创意组合模型的简介52.2 慧鱼创意组合模型的意义52.3 慧鱼创意组合模型的主要构件6第3章 搬运系统的机械结构设计103.1 自动化物料搬运设备103.2 自动化物料存储设备19第4章 搬运系统的Robo Pro编程234.1轨迹跟踪小车的软件编程234.2摇臂式搬运手臂的软件编程264.3三自由度搬运手臂程序的软件编程30第5章 结 论32参 考 文 献33附录1:外文翻译34附录2:外文原文41基于慧鱼平台的自动化搬运系统第1章 绪 论1.1 选题背景及意义产品都是由物料加工生产而来,在生产到消费的过程中,物料的搬运作业是十分重要的一个环节,对于生产商而言,自动化搬运系统的合理性,将很大程度上影响到产品成本的高低,同时搬运系统的合理性,也将对生产作业环节造成很大的影响,不合理的搬运系统会造成作业时间的浪费,产品的损坏,进而降低生产率。所以在国家制造业迅速发展的今天,物料搬运系统的研究是非常必要的。在制造企业中引入物料搬运方案,可以有效提高搬运效率,合理安排生产时间,节约人力资源,减少机器加工等待时间,让更多的生产力投入到产品的加工中去,从而提高企业的竞争力4。合理优化物料搬运路线,选择合适的搬运单元和搬运工具,可以减少物料中转的复杂程度,减少物料在中转过程中的损耗,便于生产车间的合理布局和管理。 对于一个自动化搬运系统而言,运输、仓储保管、装卸搬运是其中的核心所在11。自动化物料搬运设备是可以进行自动化搬运作业的工业机器人,用一种设备握持工件,同时从一个加工位置移到另一个加工位置6。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作,大大减轻了人类繁重的体力劳动;自动化物料存储设备是可以合理安排物料存储与搬运的设备,极大的节约了空间成本,同时方便查找,也降低了人类的体力劳动。在现代生产过程中,自动化搬运系统中的核心就是自动化搬运设备。而自动化搬运设备的先进性,往往是由搬运机器人的发展程度决定的。当今,机器人的研制和生产已迅速发殿起来的一门新兴的技术,搬运机器人可以很好地实现机械化和自动化的有机结合11。搬运机械人虽然目前还不如人那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点。因此,搬运机械人越来越广泛地得到了应用,也是今后工业发展的必然趋势4。1.2 自动化搬运系统的设计原则1、确定方针原则:了解现有问题,考虑技术上和经济上的限制,初步考虑解决问题的方针。2、规划原则:根据了解的实际情况,初步建立一个目标,基本确立初步的需求和所有物料搬运和储存活动的应变计划。3、系统原则:整合搬运和储存活动,使得系统和活动经济有效,包括进货、检验、储存、生产、组合、包装、仓储、出货、运送等。4、空间利用原则:充分有效地利用空间。5、标准化原则:尽可能把搬运方法和设备标准化。6、工效原则:了解人类的能力和限制以设计物料搬运设备和程序,使得使用系统的人和系统能有效互动。7、能源原则:考虑物料搬运系统和物料搬运程序的能源消耗。8、生态原则:使用对环境不良作用最少的物料搬运系统和物料搬运程序。9、机械化原则:物料搬运过程机械化,以增进效率。10、简单方便原则:通过消除减少和合并不需要的移动和设备,以简化搬运。11、重力原则:在考虑安全损坏遗失等因素下,尽可能使用重力移动物料。12、安全原则:遵循安全原则,使用安全的物料搬运系统和方法。13、信息化原则:在物料搬运和储存系统使用电脑,以增进物料搬运系统和物料搬运程序对物料和信息的控制。14、系统化原则:处理物料搬运和储存时,整合数据流动和物流流动的系统化。15、布局原则:对所有可行的方案,准备操作顺序和设备设计,接着选择最有效的效果的方案。16、成本原则:比较不同解决方案的每单位物料搬运成本。17、维修原则:对所有物料搬运设备,准备预防维修和定期维修的计划。18、淘汰原则:需要考虑产品的生命周期,对于设备更新有长期且经济的合理政策。1.3 自动化搬运系统的定位企业的物料搬运系统定位是一个非常麻烦的问题,从我国当前的发展情况来看,东西部地区的经济发展的不平衡,使得企业物料搬运系统具有了多样性,既有可以体现当今世界物料搬运最为先进科技水平的由无人自动搬运小车、自动化立体仓库、自动化输送机等组成的无人化物料搬运系统,也有还处于相当落后的,比较原始的物料搬运输送线。但是不论何种水平,有一点是共同的,即这些物料搬运系统都与企业的经济状况、产品质量要求、劳动力水平的高低、产品的市场竞争力等状况相匹配,也就是对于不同的企业来看,是没有最好的、最先进的搬运系统,只有最经济、最合适的物料搬运系统。我们都知道,搬运系统的本质任务就是在A、B俩地之间连续搬运大量物料。可以发现搬运位置精度高,搬运时间比较准确的搬运系统一般都是自动化搬运系统才能达到的水平,这种自动化搬运系统被广泛用于大批量生产的流水线、装配线。事实证明输送机搬运系统是最适于大批量生产方式的搬运系统。因此,输送机搬运系统实际上已成为大批量生产的代名词,但是这种搬运系统实际上由外部的需求条件来定位,它要求物料型式比较单一、量大、品种单调,在社会生活水平尚处于温饱阶段时,这种搬运系统与社会相吻合。当社会进入小康,需求呈现多元化、个性化、人性化,这种大批量流水线生产出来的雷同商品,显然无法满足市场要求。这种外部需求反馈到企业的生产环节中要求原有生产线在功能、外形、花色、大小等方面有所调整和变动,传统的大批量流水线搬运系统显得力不从心6。在当今而言,输送搬运运系统对企业的定位来说是不合适的。这种不合适的根本原因源于经济发展从高速走向平稳增长的经济环境的变化,源于人们消费从单调雷同走向多样化的观念的变化,源于大众生活水平从温饱走向小康社会发展的变化。自动化的搬运系统已经变得更为受企业欢迎,因为它的特点是小批量、多品种生产,同时可以适应变化多端的消费市场。这样的生产方式需要已经不再需要更换大量的工装,因为在搬运大量不同的原材料及零部件时,只需要更改搬运系统的手爪机构就可以完成不同物料的搬运。这样就可以满足当生产线上可能会出现同时组装几种不同的产品或频繁更换组装不同的产品时,依旧可以方便快捷的完成搬运的行为。自动化搬运系统的这些特点,符合企业的物流系统所需要的应变能力,即满足物流系统的柔性11。这种具有一定柔性的物流系统,对随时应变市场变化的企业来讲是合适的, 其物流系统的定位,就应当是具有相当科技含量的柔性物流系统。1.4 自动化搬运系统的内容对于一个自动化搬运系统而言,运输、仓储保管、装卸搬运是其中的核心所在。本人所设计的自动化搬运系统就是以慧鱼创意组合模型搭建出来实际仿真模型,模拟整个自动化搬运系统的工作过程中最为重要的运输和装卸搬运部分。1.4.1 自动化物料搬运设备物料搬运是指在统一范围内所进行的、通过使物料存放状态和空间位置发生改变为主要目的的行为。仓库作业效率的提高主要就是同屋物料搬运体现的,物料搬运也将直接影响到生产效率4。在生产型企业中,物流经理通常要对货物搬运入库、货物在仓库中的存放、货物从存放地点到订单分拣区域的移动以及最终到达出货区准备运出仓库等环节负责。物料搬运作业具体主要有以下几个方面:水平或斜面运动搬运作业;垂直运动装卸作业;码垛或取货提升或下降作业;转向绕垂直线转动作业和翻转绕水平轴线转动作业。本人所设计的物料搬运设备是自动化搬运机器人,其功能可以实现自动化的物料搬转运输上,有两个部分构成,其一是轨迹跟踪小车,主要作用为沿着既定的轨迹行驶,从摸一个起点移动到到目的地;另外一个部分为自动化机械手臂,负责将物料夹起,移动,升降和旋转等动作,完成物料的搬运。轨迹跟踪小车与自动化机械手臂,通过编程控制,协调与调试,共同完成物料的搬运工作。1.4.2 自动化物料存储设备仓储物流设备是指在仓储管理过程中使用到的硬件设施和信息管理软件系统,其结构主要包括立体货架、堆垛机、室内搬运车、出入输送设备、分拣系统、升降设备(提升机或升降机)、以及计算机管理和监控系统。这些设备可以组成半自动化、自动化、机械化的仓库,来堆放、存取和分拣物品。利用自动化立体仓储设备,可实现仓库高层合理化、存取自动化、管理简便化。其功能可概括为6:1、高层货架存储,节约用地,充分利用库房空间增大存储量;2、自动存取,提高入出库效率,机械自动化作业解放人力,减小劳动强度;3、计算机控制,自动对信息进行准确的存储和管理,自动打印各种报表;4、可与其他输送设备配合使用,使生产、仓库、物流整体链接,减少管理成。第2章 慧鱼模型2.1 慧鱼创意组合模型的简介1964年,阿图费舍尔以“六面可拼接体”作为孩子的生日礼物,经过几十年的发展与创新,以“六面可拼接体”为基本构件的慧鱼创意组合模型(fischertechnik)成熟起来并且获得大众的认可。慧鱼创意组合模型代表的科技含量很高的工程技术是以类智趣拼装模型体现出来,因此慧鱼创意组合模型不仅仅是一种可以很好地通过搭建模型,编辑程序进行仿真以展示科学原理和技术过程的理想教具,同时也为青少年的创新教育和实验提供了最佳的载体,使得青少年们拥有了更多动手实践机会,可以很好的帮助他们锻炼独立思考的能力与创新的思维能力。尼龙塑胶是一种纤维的树脂,具有良好的综合性能,以此作为慧鱼创意组合模型中的主要部件的原材料,使得慧鱼创意组合模型部件的尺寸精确度高,且不易磨损,这样可以保证在反复拆装的同时不会对模型结合的精确度造成影响。同时,由于慧鱼创意组合模型组合包内的主要构件都是用了工业燕尾槽专利设计以达到六面都可拼接的效果,这种独特的设计使得搭建模型时可以实现随心所欲的组合和扩充。慧鱼创意组合模型主要包括创意组合包、培训模型、工业模型三大系列(本人的毕业设计所使用的主要便是创意组合包),在创意组合包里面主要涵盖了机械结构方面、电子控制方面、液压气动方面、和机器人技术等领域和高新学科。使用慧慧鱼创意组合模型,首先便是利用组合包内的工业标准的机械元件、电气元件、气动元件,辅以传感器、控制器、执行器的配合搭建出基本模型,然后将设计构思以程序的方式输入到TXT控制器,通过实际的模拟仿真和实验分析,基本可以实现任何技术过程的还原,更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟,从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能。 2.2 慧鱼创意组合模型的意义在使用慧鱼创意组合模型进行模拟仿真的过程中,由于慧鱼的“六面可拼接体”可以实现任意的拼接,完全可以让学生们以自己的创意去搭建自己所想要的模型。在这个过程中,将自己在课本上所学到的理论知识与实际的情况相结合,将所学的机械原理、气动技术、电子电路和软件编程等方面的知识充分的运用,使得本来枯燥的理论知识变得生动形象,不仅可以提高学生对于理论学习的兴趣性,加强对于理论知识的理解,同时可以开拓自己的知识面,培养自己的创新思维能力。在慧鱼创意组合模型的搭建、组装以及编程的过程中,学生的实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力也得到了充分的锻炼。以学习为主、专业严谨是慧鱼课程的教学侧重点。慧鱼创意组合模型体现了不同学科的知识点的组合,不仅可以应用于中小学各个年级学科教学,还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动,可以说这是创新教育的一个全新平台。我选择以慧鱼组合包作为自动化搬运系统的载体,一方面是由于慧鱼组合包内部的构件基本可以搭建出我所需要的自动化搬运系统的模型,并且通过将编辑的程序输入到TXT控制器可以实现对所搭建出来的模型的控制,通过实际观察模型的运动情况,可以生动形象的展现出整个搬运系统的运行情况;另一方面则是由于慧鱼创意组合模型组合包内的大量构件可以将我所学的机械方面,电子方面以及控制方面的知识综合的体现出来,是我大学四年所学知识的一个汇总,对我自己的一个检测,希望可以通过慧鱼创意组合模型对自己的大学提交一份满意的答卷。 2.3 慧鱼创意组合模型的主要构件2.3.1 基本构件分类:图2.1基本构件2.3.2 控制器: 快速脉冲计数端口,接收带编码器电机中的编码器信号,还可以作为数字量输入端使用,如开关。TXT控制器的EXT端口只能耦合 1个TXT控制器,TX控制器的EXT端口可以扩展多个TX控制器。图2.2 TXT控制器2.3.3 电气元件:图2.3 传感器与执行器2.3.4 电机图2.4 电机2.3.4 接触开关:图2.5 开关2.3.5 LED灯:图2.6 LED灯第3章 搬运系统的机械结构设计3.1 自动化物料搬运设备本人所设计的自动化物料搬运设备所要实现的目标为远距离的物料搬运,所以为了达到预定的目的,物料搬运设备需要有两个部分构成,轨迹跟踪小车与摇臂式搬运手臂。轨迹跟踪小车需要实现远距离的轨迹跟踪,即为沿着固定的轨迹行驶,将物料由起始地远距离的运输到目的地。摇臂式机械手臂需要实现的功能为当轨迹小车到达物料的起始地时将物料夹起,并且跟随小车移动,直到到达目的地,将物料放回到预定点。3.1.1 轨迹跟踪小车1 组装模型在实验室进行慧鱼模型小车组装工作,首先熟悉慧鱼模型的构件及其拼装方法,我所要实现的功能是跟踪搜索,因为没有相关的拼装顺序说明书或者步骤,我需要按照自己的思路进行拼接,首先我们现有的组装材料有控制器板、电源、连接电线、电机、传感器、各个拼装模块等: 图3.1 电机 图3.2 六面体长方形模块(左) 六面体正方形模块(右)图3.3 轨迹传感器首先拼接的小车底板,用到的是正六面体模块和长方六面体模块,根据电机的体积大小确定底板的拼接。因为要实现左右转向,所以采用2个电机驱动来实现转弯的功能,然后根据2个电机的位置,用上述的六面体模块通过楔形卡槽将其组装成一个底板的样子。因为电机上有齿轮,所以采用的是齿轮传动,带动轮子转动,将轮子套上轮套,然后在用一个带有孔的正方六面体模块连接固定齿轮轴和装好的轮。然后将这个部件装到带有电机的底板下方,并调整位置将齿轮配合好并固定,最后调整好各个结构的位置让两边的轮子尽量对称,这样后基本的前轮框架就出来了。图 3.4 整体前轮装置然后装配的是后轮,因为后轮实现的只是平衡小车以及保持小车行走的能力,所以结构简单,另外需要在上面装电源来提供动力源给电机,把后底板与前面所拼装的整体前轮装置安装到一起组成可以行走的小车雏形,再把轨迹传感器安装到小车前面部分,这样所有的初级准备都完成。图 3.5 车体雏形 2 安装控制板及接线我们所用到的是TXT controller控制器: 电机与控制器的连线如图(电机中间的蓝头三线中红线接电源,绿线接C口地线,黑线接C口上位线,电机两边的口接控制器M口,传感器红头线中绿接I口地线,红线接电源,蓝线中红绿均接I1 2口表示输入),把线接好并且把TXT控制器安装到小车模型上:图3.6 轨迹跟踪小车3.1.2 摇臂式搬运手臂1 结构分析我们需要拼接的是一个可360旋转,并能够完成俯仰动作的一个吊臂,其末端执行器是一个可以控制开合的手爪,以完成货物从低到高或从高到低的一个搬运的设备,我们将其细分到以下几个机构:(1)下方控制整体360旋转的涡轮蜗杆机构。该机构需要将涡轮蜗杆同时固定在底板上,由一个电机驱动。 (2)后侧控制吊臂俯仰动作的丝杠及配件。丝杠上连接一个与其相匹配的块,块上的两臂与连接手爪的支撑型材相连,随着丝杠的转动,块在丝杠上上升或下降,其手臂带动支撑型材做俯仰动作,丝杠的旋转由电机控制.(3)末端执行的可开合的手爪。手爪的开合同样用电机控制,并加上两个触碰开关进行限位处理。2 组装模型在拼接自动化搬运手臂时,由于三个机构之间联系性不是特别高,互不干扰,所以我选择把分别完成拼接,最后再用相应的连接件将他们连接成一体。a部分的拼接:涡轮蜗杆是重要的传动件,为了保证整体旋转的流畅,我们需要把握好涡轮与蜗杆之间的间距,也就是说,我们需要确定好这两个件在底板上的安装位置,经过试验和分析,我们选定了一个最好的位置,既能保证机构平稳的运行,又留出了足够的空间来安装控制器等其余原件,为了保证传动的平稳可靠,我们还需要其余相应的块在合适的位置作为支撑。图3.7 a部分涡轮蜗杆结构b部分的拼接:这一部分是控制吊臂俯仰的重要组成部分,在拼接的时候,既要考虑到它的行程,又要消除由于高度过高而产生的变形情况。丝杠是需要电机驱动的,将电机安装到固定在涡轮盘上的块上,并且在丝杠的底端装一个齿轮,齿轮与电机轴上的齿轮啮合进行传动,考虑到涡轮盘的空间,我们在这两个齿轮间加了一个惰轮,这样不会对传动产生任何影响,同时也可以留出空余空间,防止干涉的发生。单从丝杠来看,光是固定下端是不行的,在其顶端也需要固定,这样就不会出现由于载重而产生倾斜或变形的情况。吊臂和连接块的长度需要根据实际行程来进行调整。图3.8 b部分吊臂控制装置c部分的拼接:手爪的主要作用是夹取货物,保证结构稳定,手爪能灵活开合是重点,然后根据货物的大小来确定触碰开关的位置,在保证夹紧货物且不损坏货物的前提下,不对手爪的结构产生影响。图3.9 c部分手爪装置连接件的拼接:三根型材在所有的零件中刚度最大,作为支撑杆使用,承受大部分的力的同时还不会产生变形,上方的型材一端需要绕轴转,一端需要与手爪连接,由于手爪需要保持一直垂直于地面,所以型材与手爪之间也是可以相对转动的,不能把它们固定。为了让块与块之间处于同一平面,不产生相对移动,在必要的地方添加红色的小薄片用于定位。图3.10 抓取装置3.1.3 物料搬运设备的成果展示物料搬运机器人主要由两个部分组成:轨迹追踪小车与摇臂式自动化搬运手臂,两者之间分别使用TXT控制器进行控制,独立编程。在最初的构思时,考虑的是通过一个TXT控制器完成对两个部分的控制,但是由于需要控制的电机数目比输出端口的数量多,通过实际的仿真发现无法实现,最终还是选择以两个TXT控制器进行协调控制。自动化物料搬运设备需要实现的是远距离物料的搬运,所以运输小车是不可或缺的,考虑到实际工厂的物料搬运车都有规定的行驶轨道,所以选择以轨迹传感器来实现定轨迹行驶。在搭建机械手臂时,考虑到结构的稳定性以及搬运的合理性,最终选择搭建球坐标式机器人。在摇臂式机械搬运手臂的实际拼接时,最大的难点是手爪的拼接,需要控制夹取物料时,手爪的张开程度,既要保证可以将物料搬起,又要考虑物料不会因为夹紧力不够发生脱落现象。最初的设想是使用滑觉传感器来控制,但是最终由于不具备条件,换了一种思路,改为使用微动开关配合电机使用,当脉冲计数次数达到预定数值,控制电机的启停,实现对于手爪的开合程度控制。图6.1 物料搬运机器人左视图 图6.2 物料搬运机器人俯视3.1.4 机械结构分析: 蜗轮蜗杆传动: 蜗杆传动蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构,两轴线交错的夹角可以为任意值,常用的为90。由查询资料可知,慧鱼创意模型组合包里面的蜗轮蜗杆传动主要是圆柱蜗杆传动。圆柱蜗杆传动的主要参数有模数 m、 压力角 a、蜗杆头数 z1、蜗轮齿数 z2、及蜗杆的直径d1等。模数与压力角蜗轮蜗杆啮合时,蜗杆的轴面模数、压力角应该与蜗轮的端面模数、压力角相等。ma1=mt2=ma1=a2蜗杆的分度圆直径d1为了限制蜗轮滚刀的数目,对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1而把比值称为蜗杆的直径系数。 q=d1/m蜗杆头数z1蜗杆头数可根据要求的传动比和效率来选择,通常蜗杆头数取为1、2、4、6。传动比i和齿数比u传动比 i=n1/n2其中,n1、n2分别为蜗杆和蜗轮的转速,r/min。齿数比 u=z2/z1蜗杆齿数z2 蜗杆齿数z2主要是根据传动比来确定的,但是为了避免根切现象,理论上应使z2min 17。蜗杆传动的标准中心距蜗杆传动的标准中心距 =1/2(d1+ d2)=1/2(q+z2)m 蜗杆传动的特点当使用单头蜗杆是,蜗杆每旋转一周,涡轮只转过一个齿距,因而可以实现的传动比大。蜗杆头数用Z1表示(一般Z1=14),蜗轮齿数用Z2表示。从传动比公式I=Z2/Z1可以看出,一般在动力传动中,取传动比I=10-80;在分度机构中,I可达1000。这样大的传动比如用齿轮传动,则需要采取多级传动才行,所以蜗杆传动结构紧凑,体积小、重量轻。在蜗杆传动中,因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿,它与蜗轮齿啮合时是连续不断逐渐进入以及逐渐退出的的,同时啮合的齿数又比较多,因此工作平稳,冲击、震动、噪音都比较小。蜗杆的螺旋升角很小,并且低于啮合面的当量摩擦角时,蜗杆只能带动蜗轮传动,而蜗轮不能带动蜗杆转动,因此握杆传动具有自锁性。由于蜗杆传动与螺旋齿轮的传动相识,在啮合处有相对滑动,故而蜗杆传动效率低,一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。尤其是具有自锁性的蜗杆传动,其效率仅为0.4左右,一般效率只有0.70.9。啮合处有相对滑动,当滑动速度很大,工作条件不够良好时,会产生比较严重的摩擦与磨损,从而使得工作发热量大,齿面容易磨损,成本高。图3.11 蜗轮蜗杆示意图 慧鱼中的蜗轮蜗杆机构本人所搭建慧鱼模型使用的蜗轮蜗杆便是阿基米德蜗杆(ZA蜗杆),阿基米德蜗杆的端面齿廓为阿基米德螺旋线,其轴面齿廓为直线,可以在车床上用梯形车刀加工,所以制造简单,但难以磨削,故精度不高。在阿基米德圆柱蜗杆传动中,蜗杆与蜗轮齿面的接触线与相对滑动速度之间的夹角很小,不易形成润滑油膜,故承载能力较低。由于慧鱼模型组合包里面的零件全部为固定尺寸,所以不对结构的进行受力计算以及校核。在我所搭建的模型中,蜗轮蜗杆结构所起到的作用主要为俩个方面,一个是带动机械手臂做旋转运动,使得机械手臂可以达到固定的地点;另外的作用这是成为搭建手臂的底座,承担竖直方向的载荷作3.2 自动化物料存储设备本人所设计的自动化物料存储所要实现的目标为近距离的物料搬运,主要任务是将定点的物料搬运到存储架上,所以主要的设计目标为圆柱坐标式机器人。3.2.1 三自由度机械手臂1 结构分析物料存储设备主要由三自由度机械手臂,传感器,和存储货架组成。机械手臂由三个电机和一个马达驱动三个自由度的运动以及手爪的开合运动,其中控制手爪的夹紧和松开主要是由4号马达实现的,机械手臂机器人的手爪主要需求的功能也是对货物的夹紧与松开物件;涡轮蜗杆装置主要负责控制的是机械手臂的旋转,由1号电机进行控制,编程时输入的脉冲数,将决定该机械手臂的旋转角度;2号电机则是控制机械手臂的前后运动,可以将旋转后的货物送到货架指定的位置。3号电机主要是控制机械手臂的上升与下降,主要负责调控货物将其运送到存储货架不同的高度位置;机械手臂可通过慧鱼软件对TXT控制器进行编程,从而输出控制信号到各电机与马达,驱动机械手臂的运动方向或行程,从而夹取或放置物件。图3.12 三自由度机械手臂2 组装模型三自由度机械手臂的整体结构非常紧凑,与前面的机械手臂不同,需要从底座开始搭建。首先拼接的是涡轮蜗杆结构,蜗轮蜗杆是非常重要的传动件,我需要保证整体旋转的流畅性以及作为底座的稳定性,所以不仅需要把握好涡轮与蜗杆之间的间距,同时也要确定好这两个件在底板上合理性同时为了保证传动的平稳可靠,我们还需要其余相应的块在合适的位置作为支撑。六面可拼接体拼接出来的结构其作用均为支撑作用。铝型材做为该机械手臂机构垂直运动与水平运动的导轨,然后用小号六面体拼接出来的结构不仅起到了支撑作用同时也为该机构提供垂直运动的空间,这样基本的骨架就可以搭建出来了。然后将马达,手爪以及限位开关与搭建出来的骨架合理的连接。A开关的作用是实现手臂的收缩限位作用,其运作过程是,当手臂末端触碰到A开关时,A开关向B电机发送停止信号,B电机停止转动,手臂收缩到初始位置。B开关(脉冲开关)的作用是控制手臂的伸出距离,其运作过程是通过电机的转动带动一对齿轮的转动,从动齿轮带动脉冲齿轮的转动,脉冲齿轮的转动控制开关的开合次数,通过程序给B开关输入脉冲次数,当B开关的开合次数等于脉冲次数时,B开关向2号电机发送停止信号,手臂实现目标距离的伸出。C开关(脉冲开关)的作用是控制手爪的合闭的大小,其运作过程是4号电机的转动开动脉冲齿轮转动,脉冲齿轮的转动控制C开关的开合次数,通过程序向C开关输入脉冲次数,当C开关的开合次数等于脉冲次数时,C开关向4号电机发送停止信号,从而实现手爪合闭大小的控制。D开关的作用是控制手爪的打开至最大值,其运作过程是当4号电机转动时小丝杠也随之转动,从而带动手爪打开,当手爪上的开关触碰装置触碰到D开关时D开关向4号电机发送停止信号,4号电机停止转动,手爪打开到最大位置。其中1号电机受自身控制;2号电机受A开关和B开关控制;C电机受自身控制;4号电机受C开关和D开关控制。3.2.2 物料搬运设备成果展示物料存储设备需要实现的是将物料搬运到存储架上,因此是短距离的搬运,无需搬运小车,所以我选择搭建了一个圆柱坐标式机器人。该设备最初的设想是通过传感器检测存储架上空闲的位置,通过合理的分配,将货物有序到的搬运到存储架上,充分的利用空间,但是由于传感器数目不足,最终只是实现将物料搬运到存储架上的功能。该机械手臂的手爪与前面物料搬运机器人的手爪一样,都是通过微动开关以及电机实现物料的抓取,但是其中伸缩运动与上下运动都是通过接触开关进行控制,因此精确度更高。图6.3 搬运系统两大部分3.2.3 机械结构分析 丝杠螺母机构分析:(1)丝杠螺母机构的基本传动形式丝杠螺母结构又被称之为螺旋传动结构,它的主要作用是将螺母的直线运动转换为丝杠的旋转运动或者将丝杠的旋转运动转换为螺母的直线运动,本人所利用的便是将电机带动丝杠的旋转运动,转换为螺母的直线运动。丝杠螺母结构主要有类似于千斤顶这类的传动能量为主的,类似工作台中进给丝杆的传递运动为主的,还有调整零件之间的相对位置的。(2)丝杠螺母相对运动组合形式a、螺母固定,丝杠转动并移动这种传动形式由于螺母本身起着支撑作用,使得丝杠轴承可能产生的轴向窜动被降低,同时具有结构简单,传动精度高的特点。缺点是刚性较差,只适合行程小的情形。b、螺母转动,丝杠移动由于该传动形式需要限制螺母的转动,所以需要一个导向装置。它的特点是结构很紧凑,丝杠的刚性很好,适合行程较大的情况。c、螺母转动,丝杠移动这种传动形式需要限制螺母移动和丝杠的转动,但是由于结构过于复杂,且所占用的空间很大,应用很少。d、丝杠固定,螺母固定并移动这种传动方式结构简单,紧凑,但是在大多数的情况下,使用极不方便,很少有实际的应用。图3.13 丝杠螺母的传动形式(3)慧鱼模型中的丝杠螺母结构慧鱼模型中的丝杠螺母的运动方式主要用的是丝杠转动螺母移动,在物料存储设备中,丝杠与电机相连,螺母则是与控制机械手爪上下移动的铝型材相连。抓取货物时,程序开始运行,电机被控制开始右旋转,此时丝杠与电机相连接同样进行右旋转,螺母沿着丝杠向上移动,根据杠杆原理,铝型材的另外一侧向下运动,使得机械手爪向下运动;当回归正常状态时,电机被控制左旋转,丝杠也跟着左旋转,螺母沿着丝杠向下运动,带动铝型材的另一侧向上运动,与之相连的机械手爪也跟着向上运动第4章 搬运系统的Robo Pro编程4.1 轨迹跟踪小车的软件编程4.1.1 编程思路控制板能够控制电机转动;颜色识别传感器可以检测到是否到达指定位置,实现暂停;红外轨迹传感器能够识别白色背景上的黑色轨迹,并向控制板输送信号;当小车运动至轨迹尽头时,小车停止。4.1.2 程序框图控制模块是软件系统的核心,主要功能是通过接收TXT控制器的实时信息,对信息进行分析,判断,然后作出判断,使得小车可以完成轨迹跟踪的目标。程序开始红外轨迹传感器识别轨迹并向控制板输送信号颜色识别传感器进行检测,判断是否延时。TXT控制板判断输入信号是否偏离轨迹然后向电机输出运动信号电机输出转动量小车运动到轨迹尽头随后小车停止运动图4.1 轨迹跟踪小车程序框图主程序:图4.2 轨迹小车主程序由于红外轨迹传感器识别的是白色背景上的黑色轨迹: 右侧的传感器进行识别,如果识别到黑色轨迹,I1传感器输入为“0”,随后左侧传感器识别,若I2输入依然为“0”,说明小车正在轨迹上方,此时电机M1与电机M2正转,使得小车继续直行。 右侧的传感器进行识别,如果识别到黑色轨迹, I1传感器输入为“0”,左侧I2传感器输入为“”,则说明小车已经向左侧偏离轨迹,此时电机M1停止转动,M2正转,使得小车应该向右方调整从新回到轨道。 右侧传感器进行识别,未识别到黑色轨迹,则I1传感器输入为“0”,左侧I2传感器输入为“1”,说明小车已经向右侧偏离轨迹,此时电机M1正转,M2停止转动,使得小车应该向左方调整,从新回到轨道。 右侧传感器进行识别,未识别到黑色轨迹,则I1传感器输入为“0”,左侧I2传感器输入为“0”,则说明小车已经彻底脱离轨迹,或者已经行进至轨迹尽头,此时电机M1与M2全部停止转动,小车停止。子程序:图4.3轨迹小车子程序当颜色识别传感器未检测到信号时,说明没有到达货物的搬运起始点,小车沿着既定轨迹行走,但当颜色传感器检测到信号时即I3或者I4检测到信号,说明到达货物的搬运起始点,此时M1与M2电机停止运转,小车进入暂停状态,静止10s。与此同时,机臂检测到信号,开始货物的搬运,当完成搬运后,小车继续沿着既定的轨迹行走,直到脱离轨迹。4.2 摇臂式搬运手臂的软件编程4.2.1 编程思路该机器手所要完成的动作为搬运货物,即把货物从地面搬运到高处,重点仍然是实现基座的旋转以及手臂的俯仰两个自由度的程序以及手部的夹紧以及松开放下货物。首先是颜色识别传感器识别到信号,程序开始运行,涡轮蜗杆机构运动,带动手臂旋转到需要的位置,然后机械手抓张开当触碰到触碰开关时停止,其次是手部到地面并抓紧货物,程序中是通过控制手臂下降的高度使手部接触地面货物,夹紧货物是通过手部的触碰开关,当触碰开关被触碰18次后手部闭合停止,此时货物正好被手部夹紧,然后控制手臂高度使重物达到预定高度,之后旋转基座回到预定的位置。停止运动,随着延时程序的结束,货物到底目的地,旋转基座开始旋转到预定位置,机械手臂开始下降到预定位置,机械手爪开启当碰触带碰触开关时停止开启,再控制手臂使其回到原来高度旋转基座使手臂回到起始位置。这样一个工作周期结束。4.2.2 程序框图手爪打开基座旋转该程序主要需要实现的目标是完成对货物的抓取以及放回,如何精确的抓紧货物,运输到目的地,需要多次尝试,但是主要的动作是固定的,协调好动作就可以顺利完成预定的任务。传感器检测测延时,等待到达目的地基座旋转下降到预定位置手爪打开基座旋转基座旋转到原来位置下降到抓取位置上升到指定位置程序结束手爪闭合 图4.4 摇臂式搬运手臂程序框图主程序:图4.5 手臂主程序主程序是一个检测程序,当颜色传感器检测到信号时,即I3与I4都检测到“0”信号时,说明小车已经停在了物料搬运的预定起始地,此时主程序进入子程序“banyunu”中,自动化搬运手臂开始夹取货物,并且将货物携带,等待小车沿预定轨迹到达目的地;通过不断的调试协调小车与手臂的关系,测量出到达目的地的时间,以延时程序作为暂停,当延时到指定时间,说明小车已经停在了物料搬运的目的地,此时开始执行子程序“fanghui”,自动化搬运手臂开始放回货物到目的地,程序结束。主程序主要是起到一个连接的作用,将定轨迹小车与自动化搬运手臂完整的契合起来,达到小车停,手臂工作;小车动,手臂停止的工作的效果。子程序:图4.6 banyun子程序“banyun”子程序是控制程序中出现的第一段子程序,其作用就是控制摇臂式机械手臂完成物料从起始地到被夹持在小车之上,与小车共同移动的控制程序。“Entry”是子程序的入口,代表开始执行子程序,首先是M3电机以速度5正转3秒,反映到仿真的模型上为蜗轮蜗杆开始工作即手臂旋转一定角度;M1以速度8开始正转,当等待输入模块变为“1”时,M1电机停止,实际仿真得到的效果是手爪不断张开,当碰触到接触开关,使其由常开触点变为常闭触点时,手爪张开到最大并且停止;M2电机以速度8开始正转,当计数达到2100个脉冲时M2电机停止,仿真效果为摇臂式机械手臂的手爪开始下降到预定的位置;M1电机开始反转,脉冲计数模块开始计数,当达到21次时,M1电机停止,实际仿真效果是手爪开始闭合,直到抓紧货物时停止闭合;M2反转以及M3反转这是摇臂式机械手臂夹住物料后,回复到初始位置。图4.7 fanghui子程序“fanghui”子程序是控制摇臂式搬运手臂开始货物放回的程序,其作用是控制摇臂式机械手臂,将夹住的物料放回到目的地。首先M3以速度5反转3秒,M3停止,M2以速度8正转100个脉冲,完成后M2停止,M1以速度8正转,当等待输入模块接收到“1”信号时,M1停止旋转,然后M2以速度8反转1600个脉冲,然后停止,M3以速度5正转3秒后停止。运行过程:反映到实际的仿真效果为蜗轮蜗杆反转到一定角度,摇臂式机械手臂开始下降,当降到指定位置时,手爪开始打开,物料被放下,当手爪达到最大时停止,机械手臂上升到初始位置,蜗轮蜗杆正转,直到恢复到初始位置,一次物料的“搬运”与“放回”结束。4.3 三自由度搬运手臂程序的软件编程4.3.1编程思路该机械手臂所要完成的动作为将货物搬运到存储货架,即把货物从地面搬运到货架上固定地点,重点仍然是实现基座的旋转以及手臂的伸缩与升降运动,这三个自由度的程序以及手部的夹紧以及松开放下货物。传感器进行检测,当检测到货物时,程序开始运行,2号电机开始工作,手臂伸缩到预期位置,马达工作,手爪打开至最大,3号电机工作手臂下降到物品处,手爪闭合加持货物,然后1号电机工作,蜗轮蜗杆带动底盘旋转至预定位置,手臂上升,然后伸缩到货架内部存放货物的位置,手爪打开,放下物品,手臂伸缩到货架外,涡轮蜗杆带动底盘旋转至起始角度,最后手臂升降起始的地点,本次程序结束,传感器继续检测。4.3.2程序框图手臂伸缩运动到指定位置该程序所要实现的是物料由起始点搬运到存储货架上,传感器识别起始地的物料情况决定搬运程序是否开始运行,各个电机、马达以及开关之间协调运行,使得搬运机构可以有序的完成工作任务。传感器检测手臂旋转运动手爪打开,准备抓取货物手爪打开 放下货物手臂进行 上下运动手臂伸缩运动手臂进行 伸缩运动手爪闭合 抓取货物手臂旋转运动回到原位置手臂进行 上下移动图4.8 三自由度机械手臂程序框图程序图:图4.9 存储设备主程序程序开始,M1电机以速度8反转1250个脉冲,1号电机停止;2号以速度8电机反转,1号开关脉冲计数模块计数100次,2号电机停止;4号电机以速度8正转,4号等待输入模块控制4号电机当输入信号为“1”时,4号电机停止;3号电机以速度8正转1750个脉冲,3号电机停止;4号电机以速度8反转,3号等待脉冲计数模块计数26次开合,4号电机停止;3号电机以速度8反转1750个脉冲,3号电机停止,;1号电机以速度8正转,2号等待输入模块控制2号电机,当输入信号为“1”时2号电机停止;1号电机以速度8正转1250个脉冲,1号电机停止,;3号电机以速度8正转1750个脉冲,3号电机停止;4号电机正转挡4号等待输入模块输入信号为“1”时控制4号电机停止,3号电机以速度8反转1750个脉冲,3号电机停止; 4号电机以速度8反转,当3号脉冲计数模块执行计数30次开合,4号电机停止,一次物料的存储结束。运行过程:反映到实际的仿真效果是程序开始后,蜗轮蜗杆转动使得底盘转动90度,手臂伸出1250个脉冲距离,手爪打开至最大,手臂下降至物品处,手爪合闭夹持物品,手臂上升至初始位置,手臂收缩至初始位置,底盘回转90度至初始位置,手臂下降,手爪打开放下物品,手臂上升至初始位置,手爪合闭至初始位置,一次物料存储结束。第5章 结 论本次课程设计主要是利用慧鱼创意组合模型来搭建一个自动化搬运系统,通过ROBO接口板和TXT控制器主要完成了自动化搬运设备和自动化物料储运设备的机械结构和软件编程部分的设计,本文主要介绍了自动化搬运系统的研究背景,和多样化的发展趋势。同时通过资料查找和学校提供的慧鱼创意组合模型组合包,详细的了解了慧鱼创意模型组合包内的主要构件和慧鱼软件编程的思路。围绕着慧鱼模型下的自动化搬运系统设计,我主要成功的设计完成了自动化搬运设备和自动化物料储运设备的运动过程,并且通过慧鱼编程实现了预期的功能,达到自动化搬运中的部分目标,其中包括传感器装置,ROBO接线设计,ROBO接口板,ROBO的I/O控制板以及软件设计中的各个程序单元,都一一的进行了系统化的学习。在论文与实物模型搭建仿真过程中,本人对所出现的问题具体分析,同时通过对每个模块的资料查询,运用到了很多理论知识,将理论与实践进行了紧密的结合,不仅仅是我的理论知识得到了深化,同时使我的动手能力得到了很充分锻炼,培养了我独立思考,独立解决问题的能力,使得自己有了很大的提高。在此次毕业设计中,我有以下几点体会,首先态度要端正,认真严肃,还要有耐心,在搭建模型的时候,尤其要严谨的对待每一个细节,一个细微的错误,对于后续的模型搭建和仿真都会造成很大的问题。其次要主动的去思考问题,分析问题和解决问题,本次设计主要是在老师的指导下完成的,虽然有老师的知道,但是我们也应该更加主动的开动思路,通过自己的分析去查找问题,排除问题,最终才能完整的起到锻炼自己能力,检测自己能力的效果。参 考 文 献1 毛茂林.慧鱼创意模型试验教程M交通大学出版社,20102 朱学敏. 慧鱼模型指导书J. 机械工业出版社,20103 康立新、马建华.工业机械手的设计.中小企业管理与科技(下旬刊)J.2012.4 王凤林.机械工厂物料搬运系统设计J.起重运输机械,1983(12):45-54.5 王超、王宜怀. 基于红外传感器的自寻迹小车控制系统的设计C. 电子工程师,2008,34(11):60-62.6 王方智、付德源.中国物料搬运系统的自动化J.物流技术与应用,1997(Z1):7-8.7 Sunil Nath. Analysis of molecular mechanisms of ATP synthesis from the standpoint of the principle of electrical neutralityJ. Biophysical Chemistry,2017,8 Achler Tsvi. Evaluating the role of feedback regulation in recognition processingJ. BMC Neuroscience, 2010, 11(Suppl+1).9 赵汝和. 基于慧鱼模型的自动避障机器人的设计J. 黑龙江科技信息,2015,(27):76-77.10 M. Steffanson,I. Rangelow. Microthermomechanical infrared sensorsJ. Opto-Electronics Review,2014,22(1)11 李正林.物料搬运系统及其应用J.泸天化科技,2017(04):214-217.12 王芳、王瑞芳、平学成、刘卉、张林静. 基于虚拟样机技术的机械原理课程改革与实践J. 中国轻工教育,2017,(01):60-62.13 周东波.颜色识别及其在智能机器人控制系统中的应用研究D.2013-05-01.14 祝守新、刑英杰、韩连英.机械工程控制基础M.清华大学出版社.2011.815 刘志红. 单片机原理及应用M. 电子工业出版社. 2011-08.16 刘天军、毛建秋、支波浩、武谦、朱达杰、段俊杰.基于“慧鱼”创意组合模型的避障机器人的设计与制作J.常州工学院学报,2012,25(02):6-9.17 王方智、付德源.中国物料搬运系统的自动化J.物流技术与应用,1997(Z1):7-8.- 34 -附录1:外文翻译基于慧鱼模型的智能清洗机器人设计摘要:清洗机器人主要由行走系统的硬件结构和软件控制、水画和上蜡系统、清洗系统和拖曳更换系统、自主路径规划和相
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