1、第七屆全國機械創新設計大賽 作品設計說明書 作品名稱： 設 計者： 王友運、周道裕、覃建覺、蒙顯偉、鐘培峰 指導老師： 參賽單位：梧州學院 目錄 第一章 緒論 1. 1.1 現代物流的定義 1. 1.2研究背景 1. 1.3 國內外研究狀態 1. 1.4 研究意義 2. 1.5 研究內容、擬解決的問題 2. 第二章 總體設計方案分析 3. 2.1 功能分解 3. 2.2 整體設計方案 3. 2.3 工作原理 4. 2.4 工藝分析 5. 第三章 執行系統方案設計 6. 3.1 機械手夾持裝置的設計 6. 3.2 機械手夾持裝置主要參數 7. 3.3 旋轉裝置的設計 7. 3.4 旋轉裝置主要參

2、數 7. 第四章 基于 Pro/E 零件三維建模與 AVR 編程 9. 4.1 Pro/E 簡介 9. 4.2 Pro/E 零件三維建模 9. 4.3 AVR 的相關編程 1.0 第五章 作品設計的創新點 1.3 第六章 設計總結 1.4. 參考文獻 1.5. 第一章 緒論 1.1 現代物流的定義 物流是指根據實際需要，將運輸、儲存、裝卸、搬運、包裝、流通加工、配 送、信息處理等基本功能實施有機結合， 實現物品從供應地向接受地的實體流動 過程。 物流的概念主要有以下要點 : (1) 研究對象是貫穿流通領域和生產領域的一切物料流以及有關的信息流; 而對其進行科學規劃、 管理與控制， 使其高效率、

3、 高效益地完成預定的服務目標 則是物流研究的主要目的 ; 物資由供給主體向需求主體轉移 (包含物資的廢棄與 還原)，創造時間價值和空間價值，并且創造部分形質效果，這是物流的作用。 (2) 物流活動包括運輸、倉儲、裝卸搬運、包裝、流通加工、配送、以及有 關的信息活動等 ; (3) 作為供應鏈的一個組成部分，物流在供應鏈管理與整合中起著非常重要 的作用。 1.2研究背景 隨著經濟全球化和信息技術的迅猛發展， 被譽為 “第三利潤源泉 ”的現代物流 業在世界范圍內蓬勃興起。我國物流業由于基礎設施不完備，管理技術、水平、 服務質量等方面比較落后， 加上物流教育起步較晚， 以及企業對物流認識不足等 因素的

4、限制，發展水平相對滯后。我國加人 WTO 后，企業為了提高服務質量、 降低運作成本、 打造核心競爭力、 在國際和國內兩個市場贏得競爭優勢， 對物流 業的重視程度越來越高， 物流外包需求亦口益增加。 我國物流業迎來了前所未有 的發展機遇， 有著巨大的市場潛力和十分廣闊的發展前景。 據專家估計， 在未來 幾年內，我國物流市場的發展空間至少在 1 千億元以上。 現代物流在 21 世紀的飛速發展，特別是網購等小部件的快遞數量之多，對 倉庫的作業提出了新的要求。 但是改造倉庫為立體倉庫花費的成本太高， 從經濟 效益和解決問題的角度觀察，應該改變倉庫的存取工具。 1.3 國內外研究狀態 目前，全世界最先進

5、的物流自動存取的技術與裝備還主要集中在歐洲、 日本 和美國等發達國家或地區。 自改革開放以來， 我國在國際和國內市場的不斷推動 下，雖然也引進和采用了一些新先進的物流技術與設備， 例如光機電信息一體化 等新技術， 在一定程度上提高了物流流通效益， 但是，隨著信息革新的飛速發展 和市場競爭的日益激烈，目前物流技術和設備正朝著大型化、節能化、標準化、 系統化、智能化和高效化等方向發展。 今后，對物流技術與裝備的需求將更傾向 于先進物流裝備和物流技術集成化的物流系統。 我國的在物流自動存取技術設備 的創新和研發上面明顯落后于西方發達國家， 再加上我國對信息化和智能化機械 設備的認知不足， 自動化存取

6、服務管理手段較為單一獨立， 缺乏一套完整的管理 方法與之配套、 行之有效的自動化存取管理系統； 目前有的物流企業連基本的倉 庫自動化還沒實現， 可想而知更別說提供高級自動化操作系統。 所以，目前在國 內設計研發一臺快捷、 輕巧而又安全、 可靠的自動化存取升降設備是十分有必要 的，也具有極大的市場需求，更具有極高的經濟和創新價值。 1.4 研究意義 物流是經濟發展的命脈，象人體的血液一樣，時刻支撐著人體的各種循環， 維持著生命。工業企業的物流在物流學眾多的研究領域中一直是被關注的焦點， 這不僅是因為物流組織的好壞直接決定著企業生產過程是否能夠順利進行， 并且 決定著企業產品的價值和使用價值是否能

7、夠順利實現， 而且生產成本和流通成本 最重要的一部分就是物流成本的費用。 自動存取升降平臺作為物流系統的一個樞 紐和核心，是物流系統實現物流合理化、信息化、快捷化、智能化的關鍵所在， 在國民經濟中有著舉足輕重的地位。 研究設計的自動存取升降機械設備， 既減輕 工人勞動程度，又提高了生產效率，具有重要的現實意義和廣泛的市場前景。 1.5 研究內容、擬解決的問題 1、本課題的研究內容 本論文研發的對象是自動存取升降平臺的設計， 通過結合工程材料、 機械創 新設計教材、機械原理以及機械制造工藝及設備等參考書以及 AutoCAD 、Pro/E 等軟件進行零件的二維、 三維產品數字化建模， 和進行功能的

8、運動仿真。 主要從 以下幾個方面入手 1) .根據物流包裝的不同規格，確定機械手夾持的尺寸，擬定動作路徑圖。 2) .分別對升降機構、夾持機構和旋轉機構進行結構設計。 3) .按照選擇的電機以及機構的設計參數制定傳動方案。 4) .畫出自動存取升降臺的工作流程圖。 2、擬解決的主要問題 1) 擬采用雙絲桿傳動、 雙導軌導向方式來解決升降臺的可控升降定位問題； 2) 擬采用兩個齒輪嚙合傳動來解決機械手的可控旋轉角度問題； 3) 擬采用手腕和手指處的舵機運動來解決機械手的可控定位夾持功能； 4) 軟件輔助設計： 采用 Pro/E 模擬機構運動的仿真和采用 AutoCAD 對部分 非標準零件圖的二維

9、圖設計。 第二章總體設計方案分析 2.1功能分解 自動存取升降臺主要由自動升降平臺、夾持機械手兩大部分組成。 （1）升降平臺：自動升降平臺是整個裝置的一個重要組成部分，它的工作 動力源主要由兩個同步的步進電機來控制，能夠有效、平穩、精確的實現對載物 平臺的步進升降功能，進而輕便快速的實現對不同高度的儲物柜中的貨物進行存 取的要求。 （2）機械手：機械手主要實現對貨物的準確定位和夾持功能。它的主要動力源 來分別自于伺服電機和步進電機，并且通過末端的手腕和手指處的舵機運動來抓 取貨物；再由兩齒輪的嚙合傳動來實現機械手的旋轉； 最后通過手臂處絲桿傳動 將貨物放入（取出）到指定的貨架中。 2.2整體設

10、計方案 圖2-1示意圖 2.3工作原理 本作品設計： （1）首先，通過控制兩個同步并且功率適合的步進電機 1和2的轉動來帶 動兩個植入式絲桿1和2的傳動，使兩絲桿能夠實現協調同步的上升、 下降和停 止的功能，進而帶動整個載物平臺隨其可控運動， 完成對不同高度的存儲物柜的 精準定位，也為下一步機械手對貨物的夾持做好的準備； （2）其次，通過伺服電機的帶動絲桿 3的傳動，實現對機械手在水平方向 上直線往復運動； （3）再次，在經過步進電機3的轉動帶動手腕和手指處的舵機運動，既實 現了對貨物的抓取和釋放功能，也可以使機械手在豎直方向上實現90的擺動旋 轉功能，增加了機械手的自由度； (4) 接次，由

11、步進電機4帶動小齒輪的轉動，經過與大齒輪的嚙合傳動, 適當的減緩速度后，通過固定連接軸實現對機械手 360。的全方位穩步轉動； (5) 最后，又經過絲桿3的轉動，把夾持的貨物放入指定的貨架中； (6) 如此往復動作，既可以減輕投遞員的勞動強度，又能保障商品安全、 文明的裝卸、分發和投遞。滿足了環保、快捷和節約的生態文明理念。 2.4工藝分析 根據設計思路，自動存取升降臺的工藝流程圖和運動循環圖分別如圖2-2、 圖2-3所示。 平臺垂直上升1機械手旋轉 一二級桿伸出H抓取貨物二級桿收回 機械手旋轉*手腕下轉卜H放下貨物手腕上揚 平臺下降 圖2-2升降臺的取出貨物流程圖 平臺垂直上升手腕下轉抓取貨

12、物 手腕上揚一|機械手旋轉 1 二級桿伸出 放下貨物 二級桿收回 機械手旋轉:f 平臺下降 圖2-3升降臺的存入貨物流程圖 16 第三章執行系統方案設計 3.1機械手夾持裝置的設計 3.1.1方案的選用 并通過齒輪旋轉裝置有序的 夾持的功能是把不同規格尺寸的貨物夾緊夾牢, 按指定位置取放貨物。 萬案一 采用一邊固定一邊夾緊的方式夾緊貨物，它的結構主要是由左固定夾板、絲 桿導軌、右移動夾手、測力傳感器、步進電機等構成，不同規格的貨物在左固定 夾板的初步定位之后，再經右移動夾手在通過電機帶動，經絲桿導軌的緩慢而有 序的向左固定夾板移動，在經過測力傳感器的測試控制，實現對貨物的夾緊動作。 優點：可將

13、貨物夾持得很緊，能實現較為精確定位、結構簡單、穩定性好。 缺點：由于右夾手的移動會帶動貨物與儲物柜底板的不斷摩擦，對貨物造成 一定程度的損傷，而且耗時費能。 米用機械手雙向移動夾持的方式夾緊貨物。它由手腕、手指、舵機、步進電 機、測力傳感器等部分構成。不同規格的貨物在手腕和舵機的初步定位以后，經 過手指的雙向同時迅速的夾緊，再由測力傳感器的控制是啊在對貨物的夾持。 優點：具有環保、成本低、容易拆裝、快速便捷、省時節能等優點。 缺點：由于雙向同時受力夾緊貨物，降低了對貨物的定位精準，存在一些不 穩定因數。 綜合比較，結合學校的具體實際生產條件和時間節能問題， 我們決定采用機 械手雙向移動夾持的方

14、案來實現對貨物的夾緊功能。 3.1.2直線水平移動裝置的概述 機械手實現對縱深貨物的抓取，主要是通過水平放置的絲桿導軌的運動來實 現。其結構簡便功能齊全。主要機構部件參數的選擇如下： 1）因為機械手直線移動的有效行程范圍設定在 140mm,考慮到絲桿也電機 的鏈接長度，故取絲桿3長度為165mm; 2）考慮到絲桿3所需傳動的力不是很大，根據相關參考書的設計要求，取 絲桿3的直徑為8mm； 3）根據互換性與技術測量基礎里面的有關配合公差的相關技術要求， H6 為了保證裝配的精確性，在絲桿 3與螺母滑塊的配合中采用基孔制 8。 js 5 4）考慮到設計中所需要的材料的剛度和強度的要求，結合機械設計

15、一 書中的相關技術要求，故絲桿 3選擇45號鋼來制作。 5）步進電機：詳見本章3.2主要設計參數電機的選用。 6）電機底座：是用于安裝步進電機，在安裝電機之前必須要先檢查臺座是 否安裝；牢固。 3.1.3工作原理 本機構對機械手可以實現往復循環運動，首先由工人將貨物推送到指定的位 置，然后通過控制面板將平臺抬升到指定高度，再由機械手手腕的下轉使得手爪 能夠抓取貨物，然后然后上揚后機械手旋轉到貨架前， 通過伸縮桿的伸展將貨物 放置在貨架中，最后伸縮桿收縮，機械手旋轉回到原點，抓取貨物的過程則更好 相反。 3.2機械手夾持裝置主要參數 機械手夾持裝置是本次設計的關鍵部分，主要由手指動力鐵、條形連接

16、鐵、 手指、手指加大墊片和螺栓等部分零件組成。它們通過彼此間的相互協調作用來 完成對相關貨物的夾持釋放動作。 機械手夾持裝置（產品模型）的相關長度與寬度的設計參數如下： 1）根據模型內一條條形連接鐵設計長度約為 30m m，由設計的結構可計算 出機械手最大的夾持長度約為60mm；（具體加工尺寸可根據各自的需要進行適 當的加長）； 2）根據模型的設計要求，在誤差允許的范圍內可計算出機械手的最大張開 角度約為60 3）根據所選步進電機的相關技術參數，可算出機械手對貨物可施加的夾緊力 約為100N; 4）以上所列的數據都是基于本次所展示的模型而計算得出的，具體的加工和 實際的生產過程還可根據廠家各自

17、的需要自行生產設計。 3.3旋轉裝置的設計 旋轉裝置由小轉軸、大轉軸、滾動軸承、大齒輪和小齒輪等組成。旋轉機構 是采用大小齒輪間的相互嚙合傳動來實現對機械手360的旋轉動作。滾動軸承 是用以實現大轉軸在底座中的轉動要求， 并起到支承固定的作用，它保證了機械 手旋轉角度的可行性。而兩齒輪的正確嚙合保證了機械手旋轉角度的可靠性。步 進電機的穩定性為整個裝置提供了平穩的動力源。 3.4旋轉裝置主要參數 3.4.1大、小齒輪的主要參數 根據設計要求，結合實際的工況條件，由機械設計所學知識可知：大齒 輪選用45鋼調質，齒面硬度 240HBS,7級精度，oB=650MPa ,聲=360MPa。 小齒輪選用

18、40Cr調質處理，吃面硬度為280HBS。其主要參數如下 1. 模數 1mm： 2. 齒數 50： 3. 分度圓直徑 50mm： 4. 中心距 100mm： 5. 齒輪寬度 10mm： 3.4.2 大、小轉軸的主要參數 根據設計要求， 結合實際的工作條件， 大小轉軸都設計成階梯軸。 大轉軸的 長度為220mm,滾動軸承的內徑為 12 mm；小轉軸的長度為70mm,小齒輪內 徑為OSmm。具體詳細的設計尺寸如配套零件加工圖紙所示。 3.4.3 步進電機參數 1) 直徑： 28mm 2) 電壓： 5v 3) 步距角： 5.625X1/64 4) 減速比： 1/64 帶有 ULN2003 步進電機驅

19、動板； 5v 步進電機驅動器測試模塊板 ULN20035 號線 4 相 28BYJ-48， A,B,C,D 四相 LED 指示步進電機的工作狀態。 第四章基于Pro/E零件三維建模與 AVR編程 4.1 Pro/E 簡介 Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。Pro/E ngineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用 者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/E ngin eer作為當今世界 機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業界的認可和推廣，是現今主流的 CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是

20、在國內產品設計領域占據重要位置。 4.2 Pro/E零件三維建模 4.2.1機械手三維建模模型 夾持機械手是抓放貨物的裝置，優點是材料輕便、結構簡單和工作效率高等。 如圖4-1所示為其Pro/E的三維模型圖。 11 圖4-1機械手三維模型 4.2.2總裝配 將各個零件按設計尺寸要求進行三維建模，如圖4-2所示，將各個零件進行 裝配。 圖4-2自動升降臺總裝配圖 4.3 AVR的相關編程 4.3.1 AVR 簡介 AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發出的增強型內置 Flash的RISC (Reduced Instruction Set CPU精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以

21、廣泛應用于計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等 各個領域。 4.3.2步進電機 步進電機控制升降臺的絲桿電動機正反轉來控制升降臺的抬升和降低，另外 兩個齒輪之間嚙合傳動，利用電動機的正反轉來控制機械手的運動。如圖 4-3為 AVR單片機步進電機程序。 7 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 #includedianjihw #mclLidetl delay hw ucha r t eiip=Q ; uchr numl f b; void dangwei(); void tiinezO init ( ( EA-1; ET0-1; TMOIj

22、X22; THO-1； TLO-?； TR0=l; ET1=1； TMOD-5X21； TH1=O; TL1=1； TR1-1; ucliar key_contorn (uchar teirp) 21 22 23 2 25 2 21 28 29 30 31 32 33 3 35 36 37 38 39 TO 41 2 if(匸enp) vioid switch (terrp) case case case :i f i r/2ir. ,i :一二tt.= ; 1 se 1: if (nml) num*l；41se 2:DIR=DIR;fcr已mk; 3:EN=-EN;break; nuin+;

23、 break; num-; break; else delay rr.s (10)； ir.ain () (unsigned int i: dj_inic 0; t.imerO_init：(); P3-0 xff; while(1) 圖4-3步進電機單片機程序 4.3.3 AVR單片機程序啟用 利用單片機控制舵機的旋轉角度實現手腕的旋轉和手指的運動實現對貨物 的夾取或者放置。如圖4-4對程序進行使用。 A4 S3 90 91 52 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 1 105 106 107 10S 109 110 111 112 二 114 115 1

24、16 117 118 119 120 121 122 123 初始化中斷控制寄存器 /0,5MS,定0度位置 keyl-1; ; fe=100; fel=9D; delay(50000); 日 CD while(1 Af (key=3) delay(50); if (key=04feE9) El /fe=80; 壬暑一L； delay (3; /fe+; L k if (Jcey2=0 delay(50); 圖4-4舵機控制程序 第五章 作品設計的創新點 （1）機械手的設計使得倉庫工人不用站在升降臺上，有效的保證了工人的 勞動安全，同時在減輕了工人本身重量的情況下升降臺在同樣的耗能的情況下可 以抬升更多的貨物； （2）機械手伸縮桿的送貨設計是直線運動，在實現運動更加平穩的同時， 也使得機械手與市場上其他類型的機械手相比可以在更小的空間內作業； （3）升降同時帶有貨物的搬出功能，節約了勞動力，增加了效率； （4）利用步進電機以及絲桿帶動的運動，較傳統的液壓升降更加在價格上 更加實惠，使得產品可以在更多倉庫中得到推廣應用， 同時減輕了升降機的重量； （5）電子控制方面操作簡單無需人力，更人性化更