1、超大型工件测量装置设计作者姓名：专业班级：2011 级机械工程及自动化四班指导教师: 摘 要在现代工业中，对超大工件的测量是一个难题。各项数据的测量功能很分散，没有办法用同一个仪器对工件的长度、直径、同轴度、表面粗糙度等数据进行测量。虽然近几年也有三维扫描仪等仪器能够对工件进行全面的测量，但是高昂的价格却没有办法能够使它在工业中广泛的运用。本文对激光测量技术以及机器人技术进行深入的研究，将通过激光测距原理测量长度和直径的机构，用百分表测量同轴度机构，以及用激光测量表面粗糙度的机构结合在一个机器人上，并分析设计机器人的性能、用途、自动化程度、操控方式，以实现设计机器人的多功能测量。并配合辅助机器
2、人，对功能进行实现。而且采用了基于蜗轮蜗杆原理的电动升降杆和电动旋转台，以及全方位轮式移动等装置，使机器人能够实现全方位的移动。关键词：超大工件；激光测量；机器人全套图纸加 153893706The Design of The Large Workpiece Measurement DeviceAbstractIn modern industry, measurement of large workpiece is a problem. The measurement data is dispersed, there is no way to measure the length, diame
3、ter, coaxiality, surface roughness data of workpiece with the same instrument. Although in recent years there are 3D scanners and other equipment to conduct a comprehensive measurement of the workpiece, but the high price but there is no way to make it widely used in the industry.This paper of laser
4、 measurement technology and robot technology for in-depth study, through mechanism of laser ranging principle to measure the length and diameter with dial indicator measuring coaxiality institutions, and with laser measurement of surface roughness of institutions combined in a robot and analysis des
5、ign robot properties, application, the degree of automation and ways of control, to realize multifunctional measurement robot design. And assist robot to realize the function And the use of worm gear principle of electric lifting rod and the electric rotating table based on, and omni-directional whe
6、eled mobile device. To enable the robot to achieve a full range of mobile.Key words: very large workpiece; laser measurement; robot目 录第 1 章 绪论 .11.1 工业机器人在实践中的应用 11.1.1 工业机器人 11.1.2 测量机器人 21.2 大型工件测量现状 21.2.1 三坐标测量机 21.2.2 三维扫描仪 31.2.3 激光测距仪 31.2.4 双频激光干涉仪 41.3 研究内容及预期成果 5第 2 章 机器人整体设计 .62.1 机器人各部分组
7、成 .62.2 辅助机器人 .102.3 电源 .112.3.1 供电部分 112.3.2 监测电路 122.3.3 过流保护 12第 3 章 测量方法 143.1 长度测量 .143.2 直径测量 .153.3 同轴度测量 173.4 轮廓测量 17第四章 运动机构设计 194.1 测量头旋转 194.2 升降机构 204.2.1 机构结构 204.2.2 校核 224.3 旋转机构 .234.3.1 机构设计 234.3.2 校核 244.4 行走机构 .244.4.1 旋转电机 254.4.2 转向电机 26结论 .28致谢 .29参考文献 .30成都理工大学 2011 届本科毕业设计（
8、论文）1第 1 章 绪 论1.1 工业机器人在实践中的应用1.1.1 工业机器人工业机器人是机器人的一种, 它是一种能在三维空间完成各种作业，可重复编程，仿人操作自动控制的机电一体化的自动化生产设备。它由控制器、操作机、检测传感器装置和伺服驱动系统构成，特别适合多品种,变批量柔性生产。它对稳定和提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件的快速更新换代起着十分重要作用。随着工业机器人智能水平的提高以及机器人发展的广度和深度，工业机器人已经广泛应用于各个领域。现在不仅仅用于传统的汽车制造领域，也广泛用在了非制造领域。如建筑业机器人、采矿机器人以及用于水电系统设备维修维护的机器人等。在医疗卫生、生活服
9、务、国防军事、食品加工等领域工业机器人的应用也逐渐广泛起来。汽车制造是一个资金和技术高度密集的产业，同时该产业也是最广泛应用工业机器人的行业，几乎占到整个工业机器人的一半以上。在我国，工业机器人的应用最初也是在工程机械和汽车行业中。在汽车生产中主要的制动化设备就是工业机器人，在整车及零部件生产的冲压、涂胶、弧焊、点焊、喷涂、搬运等工艺中大量使用。据预测正在进入汽车拥有率上升时期的中国，在未来较长一段时期内，汽车仍将以每年超过10%的速度增长。所以在未来几年里，我国对工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，工业机器人在我国汽车行业的应用势必也将快速发展。工业机器人除了广泛应用在汽车行业之外，非金
10、属加工、电子、食品加工、木材家具和日用消费品加工等行业对工业机器人的需求也以较快速度增长。工业机器人在石油方面也有广泛的应用，如海上炼油厂、石油钻井、采油平台、管道的检测、大型油罐和储罐的焊接等均可使用工业机器人来完成。在最近几年里，工业机器人也广泛采用了激光技术、传感技术、工程网络技术，这些技术使工业机器人的应用更为高质、高效，同时也减少了运行成本，使工业机器人进入了一个新的时代。成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）21.1.2 测量机器人测量机器人就是为了满足现行工业的测量需求所设计的机器人。在工业化高速发展的今天，对工件的精度要求也越来越高，加工零件时的精度要求固然重要，但是加
11、工完之后对工件的测量也必不可少。只有在加工时的高精度加工和加工完之后的准确测量，才能保证工件是否满足要求。对于小型工件我们已经拥有了很多方便快捷的测量手段和方法，不管是传统的测量方法还是新型的测量手段，都在现实工业中为我们的生产提供了很大的便利。但是现在对大型工件的测量装置并不完善，虽然有高精度且全面的三维扫描仪等先进的机器，但是由于其成本太高，阻碍了它的发展。而其他的一些测量方法并没办法将所需数据全部收集起来，所以，功能集合的能对大型工件测量的机器人有着广泛的需求。1.2 大型工件测量现状1.2.1 三坐标测量机三坐标测量机的各个轴都设有微动装置和气源制动开关，可以完成每个轴的精密传动，并使
12、用性能优异的数据采集系统。它可以用来测量物体的长度及圆周分度、几何形状等数据，其测量范围是在一个六面体的空间范围内。三坐标测量仪又可定义“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传递讯号，三个轴的位移测量系统（如光栅尺）经数据处理器或计算机等计算出工件的各点（x，y，z）及各项功能测量的仪器。”三坐标测量仪的测量功能应包括定位精度、轮廓精度、尺寸精度及几何精度等。虽然有足够的精度要求，但是装置较大，移动不方便，不适合对大型工件的测量。成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）3图1-1 三坐标测量机1.2.2 三维扫描仪三维扫描仪是一种比
13、较新型的技术，可以把它比喻成一部照相机，它们都是圆锥状的视线范围，对信息的搜集都被限定在一定的范围内。三维扫描仪测量的其实是距离，通过距离的测量，计算出所测物体的各个尺寸。通过这几年的发展，三维扫描仪已经把以前扫描速度慢的问题解决了，但是还有一个问题没有解决，就是他的高成本，这始终是三维扫描仪未来发展的一个阻碍。图1-2 三维扫描仪1.2.3 激光测距仪激光测距是目前最常用的手段，它是通过在运行时，向被测物体发射很细成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）4的激光束，经过反射后，被反射的激光束被光电元件接收，再利用计时器测定激光束从发射到接收之间的时间，根据激光在空气中的速度，可得出从激
14、光射出点到被测物之间的距离。由于它的低价，激光测距仪被广泛使用于现代工业中，主要被用于距离的测量中。图1-3 激光测距仪1.2.4 双频激光干涉仪双频激光干涉是一种拥有极高精度的测量方法，它可以达到m，甚至nm的量级。它是用稳频的氦氖激光器作为光源，由于它的相干长度很大，干涉仪的测量范围可以大大的扩展；而且由于它的光束发散角小，能量集中，因而它产生的干涉条纹可以用光电接收器接收，变为电讯号，并由计数器一个不漏的记录下来，从而提高了测量速度和测量精度。图1-4 双频激光干涉仪成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）51.3 研究内容及预期成果根据上述分析可知，目前对大型工件的测量是国内外机
15、械行业里的难题，其关键难题在于，如何在控制成本的基础上，保证测量的精度，以及测量的多样性。本设计主要是针对直径在800-1000mm之间的超大型工件的测量，其中包括了对工件长度、直径、同轴度、表面粗糙度等数据的测量。为了实现这一目的，将设计一个，把激光测距原理测量长度，百分表测量长度和同轴度，以及激光轮廓测量技术测量表面粗糙度等测量装置结合在一起，在锂电池提供能源的基础上，结合电机正反转机构，电动升降杆装置，电动旋转台装置，以及全方位轮式移动装置等运动机构，再加上辅助机器人的配合，以实现全方位，多功能，可遥控的测量机器人。根据需求设计思路如下：1、先对各种测量方法进行深入探索，寻找到适合安装在
16、机器人上的测量方法；2、然后分别确定测量长度、直径、同轴度和表面粗糙度的方法，分析测量时所需的条件，以及具体的测量步骤；3、再根据各种测量需要，设计机器人的运动机构，以保障能满足测量需求。成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）6第 2 章 机 器 人 整 体 设 计2.1 机器人各部分组成图2-1 机器人整体结构1-轮廓测量装置 2-挡板 3-激光发射传送装置4-支撑臂 5-测量头 6-Y型支架 7-直径测量装置 8-显示台 9-旋转台10-升降杆 11-底座 12-行走轮1、 轮廓测量装置：该轮廓测量装置，是由一个激光发射器及一个横向光电感应器组成，用于测量工件的表面粗糙度和同轴度（
17、下文有介绍）。如图2-2所示（含测量头）：31125984 7211106成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）7图2-2 测量头及轮廓测量装置2、 挡板在长度和直径测量时，用于确定激光测量的基准，使测量更加精确。如图2-3所示：图2-3 挡板3、 激光发射传送装置为了满足测量高度的需求，使激光发射不被被测物体遮挡，于是选择如图2-4所示的装置，让激光在高点发射。成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）8图2-4 激光传送装置4、 支撑臂：主要用于支撑测量头，使测量头能够平稳的旋转，同时也是测量所用线路的存放处。如图2-5所示：图2-5 支撑臂形状5、 测量头测量头两侧分别装有同
18、轴度测量装置和表面粗糙度的测量装置，而且可以根据测量时的需要进行适当的旋转，方便测量。如图2-2。6、 Y型支架只要是用于确保在轮廓测量时，测量装置与被测物体平行，如图2-6：图2-6 Y型支架成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）97、 直径测量装置：用于对超大型工件的直径测量。如图2-7所示：图2-7 直径测量装置8、 显示台：安装一个显示屏，用于显示机器人测量完之后的结果显示，并安置一个接口，用于将得出的数据进行拷贝。如图2-8所示：图2-8 显示台形状9、 旋转台电动旋转台，在电机驱动和涡轮蜗杆的带动下，使旋转台进行360度的旋转，使测量能够满足各个方位的需求。10、升降杆电动
19、升降杆，在电机驱动和涡轮蜗杆的带动下，能够使测量装置进行垂直的上升和下降，使测量能够满足各个高度的需求。11、底座是机器人能源的存放处，里面装有电源，同时也是放置用于机器人行走的成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）10全方位轮式机构转向结构的地方。12、行走轮采用的是全方位轮式机构，控制机器人的行走。2.2 辅助机器人辅助机器人主要用于辅助测量机器人实现一些测量，他并没有太多复杂的机构，主要就是由行走装置和不透光且反射率高的铜表面挡板，以及为了平衡重心的配重。如图2-9所示：图2-9 辅助机器人1-挡板 2-配重 3-底座 4-行走轮1、 挡板该挡板是为了反射由激光发射器发出激光，的
20、是采用的50mm250mm1000mm的空心板，表面光滑均匀的镀上铜。这是因为铜的反射率高，能够使测量更加精准。1234成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）112、 配重该配重是为了平衡挡板的重力及力矩，所以相对于挡板，配重的重量略大且体积较小。3、 底座是机器人能源的存放处，里面装有电源，同时也是放置用于机器人行走的全方位轮式机构转向结构的地方。4、 行走轮采用的是全方位轮式机构，控制机器人的行走。2.3 电源由于机器人中部有升降杆，所以在之间的线路连接会有一定困难，于是设计在旋转台和地盘各放一个电源。上面的电源主要负责旋转台的旋转、测量头的旋转、激光的发射、显示台的显示、以及同轴
21、度和表面粗糙度的测量；下面的电源则主要负责升降台的升降和行走轮的移动。2.3.1 供电部分由于机器人各部分供电需求不一样，所以需要用到DC-DC变换，将主电源通过稳压电路输出多组电压，根据不同的需要供应给不同的电机。根据之前的分析，主电源采用的是电压为48V的蓄电池。各用电器所需电压如下表2-1：表2-1 所有用电器电压用电器 电压（V） 型号测量头旋转电机 48 56BYG250EK旋转台电机 48 56BYG250DK升降杆电机 48 56BYG250DK行走轮转向电机 48 56BYG250BK行走轮旋转电机 48 56BYG250DK显示台 12LED灯 3相机 3.7激光发射 5成都
22、理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）12根据上下电源分布，设计为上电源输出电压为48V、12V、5V、3.7V、3V，下电源输出为48V、48V、24V。2.3.2 监测电路影响机器人稳定运行的最重要的因素之一就是电源的电压和电量，所以对电压和电量的监测，是保障机器人安全运行的必备要素。监测电路主要是由三极管和触发电路组成，原理如图2-10：图2-10 监测电路原理图该监测电路采用的是双限比较电路，可以通过对可调电阻W1和W2的阻值的调整，来设定电压值的上限和下限。以该机器人为例，设定电压值的上限和下线分别是48.5V和44.5V。当电池电压低于45V时，触发输入2脚的电压值小于1/3V
23、cc，3脚输出高电平，三极管Q2导通，驱动发光二极管D1发光和蜂鸣器H1发声来报警；当电池电压高于48.5V时，触发输入6脚电压高于2/3Vcc，3脚输出低电平，三极管Q2关断，停止报警。2.3.3 过流保护过流保护就是为了避免因电流过大，导致电机和其它器件的损坏。过流保护电路分为采样电路和放大比较电路两部分。1、采样电路如图2-11所示，为了保证测量精度，所以选取了载流能力强、选取温度系数低，精度可以达到1%的锰铜丝作为采样电阻，R14=R15=0.05，其总阻值成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）13R=0.025。由于电动机启动时间与电动机的容量有关，并且启动电流通常是其额定电
24、流的4-7倍，为了防止电机启动过程中过流保护电路产生误动作，而在堵转时保护电路尽快动作，在采样电路中增加了低通滤波，把电机启动和堵转瞬间产生的纹波电压滤除。C9=417uF,R13=10k，则低通滤波电路时间常数为47ms。OUT+和OUT-分别为48V供电电源的正负极，V1为采样电压。图2-11 采样电路2、电压放大比较电路如图2-12所示，V1为采样电压值；V2为经过运算放大器LM358之后的电压值，其放大比例系数=(R1+R2)/R2=6；V3为基准电压，可以通过对可调电阻W3的调整为改变。Q3是正反馈射极跟随器，它能够制造一定回差，以此来避免过流点附近电流很小的波动引起的不稳定现象。当
25、V2V3时，则表示电路过流，此时电压比较器的输出变为0，电源供电被切断。图2-12 放大比较电路成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）14第 3 章 测 量 方 法3.1 长度测量该设计的激光测量的方法是采用的相位法，这是因为它相对于其他激光测量方法的优点就是精度较高，可以达到零点几毫米的级别，虽然其测量距离不比其他方式远，但是100米左右的测量长度完全足够满足测量的需要。相位法激光测距技术，所采用的激光频率在无线电波段，先对激光的幅度进行调制，再发射正弦调制光，经辅助机器人挡板反射回来后，测定接收到的激光与发射时所产生的相位差。根据发射光的频率和波长，计算出激光往返的时间，再依据相关
26、公式计算出所求距离。如图3-1所示：图3-1 相位法激光测量原理图由上图原理，以及所学光学知识可以进行求解：（3-1）=/2（3-2）=/又： （3-3）=2（3-4）=+所以： （3-5）=(+)/(4)其中：D是所求距离，也就是激光发射器与辅助机器人挡板之间的距离；C是光速，即为299792458m/s；t是激光往返激光发射器与辅助机器人挡板之间一次所用时间；是激光光速发射时与接收反射时所形成的相位差；是调制信号的角频率。是激光往返一次形成的相位差中不足半个波长的部分；N是产生的相位差中含有半波长的个数；成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）15因为无法确定N的数值，即激光在往返过
27、程中的半波长数，所以该方法就只能测定 ，即相位差中不足半波长的部分。为了消除这个问题，就必须控制调制光的波长，来决定测量范围，也就是使发射出来的激光的半波长要大于实测距离。测量的步骤如下：1、机器人通过遥控器的控制，用挡板去接触被测物体的侧表面；2、用辅助机器人去接触被测物体的另外一个侧面；3、机器人发射一束激光；4、激光经过辅助机器人反射之后，机器人接收到反射回来的激光信号；5、将所得长度数据减去激光发射口与挡板边缘的距离，既是被测轴的长度。具体操作如下图3-4所示：图3-4 长度测量3.2 直径测量直径的测量是利用三点确定一个圆的原理，用三个百分表去触碰圆表面，得出三个数值，再根据这些数值
28、来建立一个坐标系，求出被测工件直径。在测量时，先用Y型支架去接触被测物体，使其紧靠被测物体，并保持不动，再调节旋转台，使Y型支架与行走轮的行走方向垂直，此时行走方向与被测物体平行。再通过对测量头和旋转台的调整，使直径测量装置正对物体表面。再慢慢向前移动，当三个百分表均有读数显示时，停止测量。如图3-4所示：成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）16图3-5 直径测量设A、B、C三个百分表的读书分别为a、b、c，A、B、C三杆之间的距离为n，以B点所处位置为原点，建立直角坐标系。所以A（b-a,n）B（0,0）C（b-c,-n）再设圆心坐标为（r x,ry），半径为R则：（3-6）()2
29、+()2=2（3-7）(0)2+(0)2=2（3-8）()2+()2=2由公式（3-6）和公式（3-7）得：=()2+2)(20)/(2()0)（3-9）=()2+22()0(0)()0设：（3-10）=()2+22()（3-11）1=得：（3-12）=1同理由公式（3-7）和公式（3-8）可得：（3-13）=2其中：（3-14）=()2+22()成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）17（3-15）2=由公式（3-12）和公式（3-13）可得：（3-16）=()2/(12)（3-17）=()/(12)所以可得：（3-18）=2+2根据半径即可得出被测物体的直径，为了减少误差，应多测几
30、次，求其平均值。3.3 同轴度测量同轴度测量的原理与直径测量类似，先用Y型支架去接触被测物体，使其紧靠被测物体，并保持不动，再调节旋转台，使Y型支架与行走轮的行走方向垂直，此时行走方向与被测物体平行。再通过对测量头和旋转台的调整，使直径测量装置正对物体表面。再使机器人沿轴线方向直线行驶，利用记录直径测量装置中间那个百分表的读数，将所得的百分表B的读数的最大值与最小值相减，就得出同轴度误差。如图3-6：3-6 同轴度测量3.4 轮廓测量该轮廓测量技术，是利用被测物体的漫反射和光电效应来对物体表面进行扫描，得出被测物体表面的情况，以此来判断被测物的同轴度和表面粗糙度。测量原理如下图3-6所示，成都
31、理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）18图3-6 轮廓测量原理1-物体表面 2-聚光镜 3-激光器4-横向光电效应传感器 5-成像透镜激光发射器发射出来的光，经过聚光镜之后，照射到被测物体的表面，因为物体表面不可能是绝对光滑的，所以，不管光线投射到哪一点，都会发生漫反射。这些漫反射光纤通过成像透镜成像，并传输到横向光电效应传感器的接收面上，把光信号转换成电信号。因为经过聚光镜之后的激光束直径一般在0.25至0.5mm，所以该技术具有较高精度。光电传感器件的工作原理如图3-7所示:图3-7 光电传感器原理当成象光线照射在传感器的接收面上形成光点P点时，将产生一个光电流，大小为I,在器件两侧
32、的电极A和B上将分别输出与P点距离成正比的电流 和 ,即：（3-19）=（2+） / 成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）19（3-20）=（2） / 由公式（3-19）和公式（3-20）可得：（3-21）=()(+)=2/此时算出的D值就能够反映出光点所在位置，当被测物件的高度发生变化时，D值也会产生相应的变化，将得到的D值进行储存，用计算机对得到的数据进行精确的分析，就可得到被扫描的表面轮廓图像。在测量时，先用Y型支架去接触被测物体，使其紧靠被测物体，并保持不动，再调节旋转台，使轮廓测量装置与行走轮的行走方向垂直，此时行走方向与被测物体平行。再通过测量头的旋转，使轮廓测量装置正对
33、被测物体。则可得出一条表面轮廓图像，求出被测物体的表面粗糙度。成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）20第 四 章 运 动 机 构 设 计4.1 测量头旋转对于测量头的旋转，主要是为了使测量能够适应不同的位置要求，它主要是通过对直流电机正反转的控制来实现测量头的旋转。测量头的旋转是采用H桥式电机驱动电路，如图4-1所示，它是由一个电机和四个三极管组成的。只有当电流通过对角线上的两个三极管时，电机才会运转。即当电流从Q1-M-Q4时，驱动电机朝一个方向进行旋转，当电流从Q2-M-Q3时，电机则朝另外一个方向旋转。图4-1 H桥式电路在该电路中，保证Q1、Q2不会被同时接通特别重要，因为如
34、果同时接通，那么电流就不会经过电机，致使电流过大，容易损坏三极管。所以需要对该电路进行改进，在原来的电路中增加两个非门和四个与门。如图4-2所示：图4-2 H桥改进电路成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）21此时，当DIRR信号为1，DIR-L信号为0时，三极管Q1和Q4导通，电流方向为Q1-M-Q4；如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流方向为Q2-M-Q3。该测量头质量在3kg左右,，所以，是测量头旋转的转矩为：（4-1）=29.80.22=1.92根据上述介绍，可以选择型号为L293D的H桥集成电路，电动机选择静力距为2.5 ，型号为 56BY
35、G250EK的步进电机。 4.2 升降机构4.2.1 机构结构升降装置采用的是电动推杆。当电动机转动带动蜗杆转动，蜗杆又带动蜗轮转动，使连接在蜗轮内部的丝杆作轴向移动，当到达设定的行程时，使行程开关断电，电动机停止运转。根据需要，选取南京永诺传动设备有限公司YNT-01型号的升降杆。具体结构如下图4-3：图4-3 升降杆装置相关参数：1.永磁直流电机电压：56BYG250DK电机，额定电压48V，额定功率100W2.最大推/拉力：600KG/600KG成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）223.标准行程：S200mm4.最短安装距离(内管完全收回来前后两孔中心距离)：LS(行程)17
36、5mm;内管完全伸出去前后两孔中心距离=2*S（行程）+175mm5.空载速度：最大30mm/s6.额定载荷速率：5mm/s（600KG）30mm/s（50KG）7.环境温度：-26658.标准保护等级：IP549.内置行程开关10.配无线遥控器但是由于本设计及中不是只有一个升降杆，而是四个升降杆，为了保证四个升降杆运动的一致性，所以需要使用T系列齿轮传动箱（如图4-4），让四个升降杆同步。布局图如图4-5：图4-4 传动箱1-基座 2-横轴座 3-横轴 4-纵轴5-横轴锥齿轮 6-纵轴锥齿轮 7-端盖8-端盖 9-轴承 10-油封 11-油标成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）23
37、图4-5 传动箱布局图根据设计，需要的是三轴传动箱，而三轴的传动箱又分为了单横轴（如图4-6）和双横轴（如图4-7），其差别是在于两个对向轴的旋转方向的不同。为了保证四个升降杆的同步，于是三个传动箱都选择双横轴的传动箱。图4-6 单横轴传动箱 图4-7 双横轴传动箱4.2.2 校核因为强度都满足厂家设定，所以只需对功率进行校核。所需输入轴转速：（4-2）=所需输入轴扭矩：（4-3）=2+0所需输入功率：成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）24（4-4）=9550由厂家提供的相关数据：升降速度V=300mm/min 丝杆螺距L=0.01m 传动比i=6 单台升降机当量载荷 （4-=10
38、9.840.85=28.825）升降机的综合效率=0.64 空载扭矩 0=1.37所以：（4-6）=180/（4-7）=2+0= 28.820.0123.1460.64+1.37=1.38（4-8）=9550=1.381809550=0.026=26因为 ，所以电机满足要求额4.3 旋转机构4.3.1 机构设计利用涡轮蜗杆机构原理，当电机转动，经过减速器，带动蜗杆转动，从而带动涡轮转动，即实现工作台的旋转。根据需要，选择上海程方光学仪器有限公司的ERT型号的电动旋转台。如图4-8：成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）25图4-8 旋转台相关参数：1、 旋转台面600mm2、 传动比：
39、72013、 电机：56BYG250DK型号，额定电压为48V 4、 驱动方式：涡轮蜗杆5、 主要材料：铝合金6、 载重：76kg7、 自重：11kg8、 最大速度：5/s9、 配无线遥控器4.3.2 校核根据之前的选择，该旋转台需要带动旋转的部分重量约为10kg，半秒内达到匀速,并将负载看成是一个圆柱体，空载转矩为1.2 。 所以，角加速度：（4-9）= 53600.5=0.0276/2转动惯量：（4-10）=122=12100.32=0.452成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）26又因为传动比为700:1，所以电机所需扭矩：（4-11）=0.450.0276700+1.2=1.
40、2所以对电机的扭矩要求很低，于是选择最大转矩为1.72 56BYG250DK型号电机。4.4 行走机构该机器人选用的是全方位轮式机构作为其行走机构。全方位轮式机器人的运动包括了三个自由度的运动，即自转、横向和纵向。该机构的优点是：机构的控制简单，能量利用率高，能够进行高速稳定的移动。全方位轮式移动机构分为了转向机构和旋转机构，如下图4-9：图4-9 全方位轮式移动机构的示意图轮式移动机构能实现可调速，便于控制，零半径回转。车轮的转向和旋转是可以单独控制的，转向是通过前后轮成对驱动来控制，而每个车轮的旋转则是由每个车轮单独的电机来控制。以此实现全方位移动。行走装置的驱动电机选用的是步进电机，因为
41、步进电机可以对车轮进行较高精度的控制；同时也可以不用减速器，使整体结果简洁。4.4.1 旋转电机1、结构设计在结构设计中，有两种模型需要进行选择，如图4-10，分析如表4-1：成都理工大学 2011 届本科毕业设计（论文）27图4-10 旋转机构模型表4-1 两种模型的比较模型号 优点 缺点1 结构简单车轮与地面的接触的面积小，容易打滑；对电机轴形成一个弯矩，容易损坏电机。2增大车轮与底面的接触面积，减少打滑；缩短了轴向距离。电机固定比较困难综上考虑，选择上述模型2为设计模型。2、校核车轮在平面移动的过程中，主要是克服摩擦力做功。所设计的测量机器人的整体质量在30Kg左右，根据金属与混凝土之间的摩擦关系，取地面摩擦系数为0.5，那么它的总功率为：（4-12）总 =(309.80.5)0.5=73.5所以平均每组车轮提供的功率为37瓦。 对于单个车轮而言： （4-13）=车轮直径为60mm，则电机需要提供的转矩为： （4-14）=372300.5=1110因此，选择了北京和利时公司的静转矩为1.72Nm的56BYG250DK型号电机。1 2
