邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）緒論1.1本文研究背景及意義我國在各行各業(yè)生產(chǎn)中，所生產(chǎn)的物品多數(shù)采用箱子進行存儲與運輸。由于我國地域面積遼闊，貨物運輸過程可能分對此轉(zhuǎn)運，特別是現(xiàn)如今的物料行業(yè)。在貨物轉(zhuǎn)運過程中，需要將貨物裝卸，在箱式貨物裝車過程中大多數(shù)是依靠人工進行裝卸，僅有部分環(huán)節(jié)使用半自動化設(shè)備，人工裝卸不僅效率低、成本高，最終要的是在貨物裝卸過程中，存在傷害身體的風(fēng)險。因此，本課題針對現(xiàn)如今市場上對箱式貨物裝卸過程中存在的一系列問題，設(shè)計一種箱式貨物自動裝卸裝置，不僅能實現(xiàn)裝貨和卸貨功能，還能實現(xiàn)有序有規(guī)則的碼貨和取貨功能。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外專家學(xué)者，為實現(xiàn)物料自動裝卸，一直在進行著研究，主要研究內(nèi)容如下：我國由于地域遼闊，大面積地域?qū)儆趦?nèi)陸，在貨物運輸上主要依靠箱子運輸，最常用的是集裝箱。對于大型集裝箱的運輸，主要依靠鐵路運輸（如下圖）和汽車運輸。圖1.1鐵路運輸對于集裝箱的裝卸，主要依靠各類大型設(shè)備，如下圖所示。圖1.2集裝箱裝卸對于集裝箱轉(zhuǎn)運主要依靠引導(dǎo)車如下圖所示，以及雙牽引機器人運輸兔兔1.4所示，也有使用大型叉車轉(zhuǎn)運與碼垛貨箱，如圖1.5所示。圖1.3貨箱轉(zhuǎn)運圖1.4牽引機器人圖1.5貨箱碼垛對于小型貨箱，如紙箱或者木箱的裝卸及碼垛，國內(nèi)外對于小型貨物箱轉(zhuǎn)運設(shè)備也進行大量研究，現(xiàn)如今我國大多數(shù)采用叉車及人工配合實現(xiàn)對貨物轉(zhuǎn)運及碼垛，如圖1.6所示。圖1.6箱式貨物轉(zhuǎn)運國內(nèi)也有部分公司研制出依靠機械手及輸送機配合，實現(xiàn)貨物轉(zhuǎn)運及貨物的碼垛，工作流程如下圖所示。但是國內(nèi)研制的機械手存在性能不可靠、效率低、精度差等問題，故在國內(nèi)的推廣程度較差，國內(nèi)主要依靠進口。圖1.7貨物轉(zhuǎn)運與碼垛國外對貨物的主張轉(zhuǎn)運方式比較早，且國外研制的機械手性能可靠，定位精度高、效率高等一些列優(yōu)點，在國內(nèi)外廣受歡迎，其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖1.8機械手圖1.9碼垛機械手對于機械手的發(fā)展可以追溯到四五十年代的美國，作為最早研發(fā)和使用機械手的國家，美國的機器人技術(shù)發(fā)展很快，目前各大工廠普遍采用機械手。由于國外經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展較早，在上世紀(jì)七八十年代初，日本便開始對機器人進行研究，由于日本在機器人上研究較早，使得日本在機器人研究上具有重大成果。我國由于經(jīng)濟發(fā)展較慢，在科學(xué)技術(shù)上研究較慢，截至本世紀(jì)20年代初，我國在機器人的使用數(shù)量上卻占有最大的市場，可以說我國是機器人最大的使用場所，是全世界最大的機器人市場。同時，我國在對機器人的需求量上正在逐年增加，我國雖然也有大量專家學(xué)者進行著研究，但是研究技術(shù)成果始終無法追趕上國外研究技術(shù)。由此可知，我國增加對機器人技術(shù)的研究，將會給我國科學(xué)技術(shù)帶來重要意義。工業(yè)機器人的使用場所一般是用于焊接中、物料搬運中、零部件裝配中和噴漆等[3]，本文所設(shè)計的機器人屬于物料搬運機器人，是用于機床上下料用的機器手。使用機械手搬運物料雖然沒有人手的靈活反應(yīng)，但是機械手可以通過編程模仿人的動作，同時可以不間斷的工作，可以極大的提升工廠的作業(yè)效率。而且機械手可以在一些有毒有害氣體場景、高溫低溫場景、爆炸危險場景作業(yè)，保障了工人的生命安全。針對點焊機械手的研究，國內(nèi)外專家學(xué)者一直進行研究，以提高自動化點焊機的性能，特別是國內(nèi)學(xué)者，為實現(xiàn)自動點焊機國產(chǎn)化的目標(biāo)一直努力著。他們的主要研究內(nèi)容如下。國外經(jīng)濟發(fā)展較快，在工業(yè)機器人上的研究較早，國外對自動點焊機的研究主要內(nèi)容為：韓國KamBO[3]研制一種用于狹窄空間的自動點焊機，它能夠在狹窄空間里實現(xiàn)自主焊接，且在焊接過程中能夠自動尋找焊縫的起始點優(yōu)點。這種點焊機主要是利用艙體格子型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用格子框架為路徑，在格子框架的邊界處能夠自動轉(zhuǎn)換方向，且焊接速度與焊接位置能夠保持不變。日本Suga[4,5]研制一種用于平面薄板焊接的點焊機，這種點焊機具有較小的轉(zhuǎn)彎半徑，轉(zhuǎn)彎主要利用兩個輪的速度差實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，最大優(yōu)點是焊頭能夠伸縮，可以在施焊過程中根據(jù)實際的焊縫位置進行實時改變焊槍的位置。同時Suga[6]也研制了一種用于管道焊接的點焊機，該焊機主要是利用圖像識別功能，在實際施焊過程中，通過圖像識別，自動判斷焊縫位置保證在管道中焊接位置的準(zhǔn)確性。對于點焊機的機架結(jié)構(gòu)，在實際研究過程中也存在著大量問題，Benhabib利用連桿模塊和關(guān)節(jié)模塊研制一種點焊機機架結(jié)構(gòu)。DanielaRus研制了一種由晶體結(jié)構(gòu)“分子”式結(jié)構(gòu)的機架作為點焊機主體結(jié)構(gòu)。我國經(jīng)濟發(fā)展較慢，在工業(yè)機器人上的研究力度遠(yuǎn)不如國外，主要研究內(nèi)容如下所示：馮消冰為能夠讓大型鋼結(jié)構(gòu)件也達到自動焊接狀態(tài)，研發(fā)一種爬行焊接機器人，該機器人能夠在曲面上行走，且行走穩(wěn)定，能適用于多種工況，其工作流程圖如下所示。圖1.5結(jié)構(gòu)示意圖圖1.6焊接過程國外在機器人的發(fā)展比較早，技術(shù)也越來成熟。國外較早將機器人應(yīng)用于救援中的國家是美國，最早是將多足機器人應(yīng)用在救援消防中。對于機器人的移動形式比較多樣化，但是針對森林地形的復(fù)雜性，國外研究學(xué)者大都將救援機器人設(shè)計為履帶式或輪式結(jié)構(gòu)。美國在早些年間，研制一款輪式的救援機器人如圖1.1所示，它可以依靠紅外線進行遠(yuǎn)程控制[7]。同時，美國早些年也研發(fā)了一款探測車，它采用了履帶式結(jié)構(gòu)，并搭乘了攝像功能，如圖1.2所示[8]。圖1.7輪式機器人圖1.8履帶式機器人隨后，美國一家公司研發(fā)了一款新型用于探測的機器人，它具有結(jié)構(gòu)可靠、動作靈活、越障能力強等一系列優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。圖1.3澳大利亞在2003年研發(fā)了一款應(yīng)用礦下救援的機器人，它具有尺寸小、靈活性好、功能強大等優(yōu)點。加拿大某大學(xué)中研發(fā)了一款可變形式機器人，具有超強越障能力，由于其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，其發(fā)展受到了限制，其結(jié)構(gòu)如圖1.4所示[9]。圖1.4可變形式機器人雖然我國在機器人上的研究比較落后，但是國內(nèi)研究學(xué)者一直沒有放棄，一直在學(xué)習(xí)著國外先進技術(shù)。我國第一臺用于消防的機器人研發(fā)，它是由上海消科院在2000年研發(fā)成功的，其結(jié)構(gòu)如圖1.5所示[10-11]。圖1.5消防機器人2005年中科院與日本一研究院合作辦理機器人研究中心，有助于提高我國在機器人方面的技術(shù)。中國礦大在2006年，研發(fā)了一款用于礦井探索救援機器人，如圖1.5所示，它可以自動行走并自主躲避障礙物，初步實現(xiàn)了自動化。[12-13]圖1.5礦井探索機器人結(jié)合國內(nèi)外在機器人方向的研發(fā)情況，本文將根據(jù)我國森林地形，設(shè)計一款符合我國國情的火災(zāi)探測機器人來輔助消防救援。1.3本文主要研究內(nèi)容針對人工裝卸、碼垛貨物不僅效率低、成本高，存在傷害身體的風(fēng)險等問題。本課題針對箱式貨物裝卸過程存在的上述問題，設(shè)計一種箱式貨物自動裝卸裝置，它不僅實現(xiàn)貨物自動裝卸，還能解決貨物碼垛的難題，主要完成以下內(nèi)容：對箱式貨物自動裝卸裝置的整體結(jié)構(gòu)進行介紹，主要對機械手的各部分結(jié)構(gòu)進行介紹以及對輸送機主要結(jié)構(gòu)進行介紹，這對后續(xù)進行搬運機械手進行設(shè)計奠定基礎(chǔ)。在對箱式貨物自動裝卸裝置總體設(shè)計方案進行介紹后，分別對輸送帶結(jié)構(gòu)及機械手結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。對于輸送帶設(shè)計，主要對輸送機滾筒、驅(qū)動鏈輪、鏈條、驅(qū)動電機進行選型及計算。對于機械手的設(shè)計，主要是對機械手液壓驅(qū)動系統(tǒng)、驅(qū)動電機、機械爪等進行設(shè)計及說明，這對確保機械手結(jié)構(gòu)合理性提供理論基礎(chǔ)。

2箱式貨物自動裝卸裝置總體結(jié)構(gòu)介紹2.1總體方案設(shè)計本文所設(shè)計的箱式貨物自動裝卸裝置主要有機械手、抓取裝置、輸送裝置及機架組成，其總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。1-機械手2-抓取裝置3-輸送裝置4-支架圖2.1箱式貨物自動裝卸裝置總結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖2.2結(jié)構(gòu)介紹2.2.1機械手結(jié)構(gòu)介紹機械手主要由腰部機構(gòu)、手臂、腕部等結(jié)構(gòu)組成。2.2.1.1腰部結(jié)構(gòu)機械手腰部要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，其驅(qū)動方式分為液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動，由于前者要求具有足夠大空間，且控制精度還不高，但后者卻能夠克服前者的缺點。本文考慮到結(jié)構(gòu)及所要求的控制精度，最終確定采用電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)運動。對于旋轉(zhuǎn)運動的傳動方式，采用齒輪傳動實現(xiàn)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2腰座結(jié)構(gòu)示意圖2.2.1.2手臂結(jié)構(gòu)手臂是機器手中最重要的部件，手臂要承受所抓取貨物的所有重量，并且手臂還是實現(xiàn)機械手能在一定區(qū)域內(nèi)運動。本文所設(shè)計的手臂主要采用大、小臂配合，通過一系列配合實現(xiàn)一系列運動過程。手臂所實現(xiàn)的主要是繞著轉(zhuǎn)軸一定角度的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)這一運動過程的方式有很多形式，比如氣動、液壓、電機等。本文考慮到對手臂剛度、作業(yè)空間等影響，最終選用液壓驅(qū)動形式。通過液壓缸驅(qū)動驅(qū)動大、小臂旋轉(zhuǎn)，進而將液壓缸直線運動轉(zhuǎn)化成手臂旋轉(zhuǎn)運動，該驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。本文所設(shè)計的手臂結(jié)構(gòu)，綜合考慮各項因素并借鑒掘機結(jié)構(gòu)，最終確定手臂結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。圖2.3手臂結(jié)構(gòu)示意圖2.2.1.3腕部結(jié)構(gòu)機械手腕部屬于機械手最末端的機構(gòu)，它是與手臂、腰部等零部件配合實現(xiàn)末端裝置帶動抓取裝置進行一系列動作。通過分析機械手抓取箱式物料過程及狀態(tài)，最終確定腕部結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4腕部結(jié)構(gòu)2.2.2輸送裝置結(jié)構(gòu)介紹輸送裝置主要由驅(qū)動電機、驅(qū)動鏈輪、鏈條、驅(qū)動輥、軸承座、機架等零部件組成。圖2.5輸送裝置2.2.3抓取裝置結(jié)構(gòu)介紹抓取裝置主要由移動機構(gòu)、抓鉤、夾緊裝置等組成，其結(jié)構(gòu)圖圖2.6所示。其中移動機構(gòu)主要是驅(qū)動抓鉤部分移動以根據(jù)不同尺寸物料箱結(jié)構(gòu)調(diào)整抓鉤開口大小，抓鉤用來托起箱子起到支撐箱子作用，為了防止箱子掉落及偏移。圖2.6抓取裝置2.3機械手的組成機械手屬于機與電結(jié)合程度較高的裝置，它一般包括以下幾個部分：執(zhí)行機構(gòu)、檢測裝置、驅(qū)動器和控制器[4]，具體控制過程如下圖所示。圖1機械手的基本組成執(zhí)行機構(gòu)：機械手的執(zhí)行機構(gòu)也可以稱為機械手的本體，是機械手的主要部件，包含底座、臂部、手爪等，構(gòu)成了機械手的骨架。驅(qū)動器：它相當(dāng)于機器人的“心臟”，它就是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行工作的裝置，現(xiàn)如今驅(qū)動器一般分為：電氣型、液壓型、氣動型三種，每一種類型均有著各自的優(yōu)點，比如電氣型具有精度高、使用方便優(yōu)點，液壓型具有功率密度大等等。控制器：它屬于機器人的“大腦”，它是對接收到的指令進行分析、比較，最后將分析結(jié)果轉(zhuǎn)化成機器內(nèi)部可識別語言，傳送各各個執(zhí)行器，讓執(zhí)行器帶動執(zhí)行機構(gòu)進行動作。檢測裝置：它相當(dāng)于人類的“眼睛”，機器人依靠檢測裝置對作業(yè)周邊情況進行巡視，并將各種信號傳送給控制器，由控制器對各種檢測信號進行處理。帶有檢測裝置的機械手為一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，通過傳感器反饋回來的各種信息，精確控制機械手的各關(guān)節(jié)運動[5]。只有經(jīng)過上述各個裝置的密切配合，才能設(shè)計出一款性能佳的機器人，機械手才能精準(zhǔn)無誤的到達指定地點，完成搬運任務(wù)。2.4機械手的工作狀況分析機器手的工作流程一般為：第一步，需要由檢測裝置對工況進行分析，明確要執(zhí)行的動作；第二步，然后根據(jù)執(zhí)行動作情況，明確機械手自由度等情況；最后，機械手根據(jù)指令信號開始工作。本文所設(shè)計的機械手是物料搬運機械手，并且是用于機床加工現(xiàn)場的，其工作過程如下圖所示。圖2機械手生產(chǎn)流程圖2.5機械手自由度的選擇機械手的基本動作為旋轉(zhuǎn)底座，伸展手臂，取料到指定位置后回到初始位置，即完成一次任務(wù)動作。根據(jù)機械手動作情況，確定自由度數(shù)量，現(xiàn)如今使用最為廣泛的便是六自由度機械手。本文根據(jù)實際情況，決定選用四自由度機械手，四自由度相比六自由度不僅在結(jié)構(gòu)上簡單，在控制邏輯上也要簡單。本文所設(shè)計機械手的自由度分配簡圖如下圖所示，由圖中可得知，自有度分別分配在底座旋轉(zhuǎn)運動、大臂彎曲、小臂彎曲和手爪關(guān)節(jié)仰俯，加起來共有四個自由度。特別說明一點，機械爪并非屬于我們而言的機械手自由度之中，在自由度選取時需特別注意。圖3機械手自由度匹配2.6機械手驅(qū)動方式的選擇本論文設(shè)計時還需要確定機械手的關(guān)節(jié)配置方式，也就是說，機械手的各關(guān)節(jié)是用什么東西驅(qū)動的。前文已經(jīng)指出，機械手有電動、氣壓、液壓驅(qū)動，電動就是使用電機驅(qū)動，氣壓也就是使用氣壓缸來驅(qū)動，液壓是使用液壓馬達驅(qū)動關(guān)節(jié)。電機驅(qū)動的精確度比較高，而且調(diào)整速度也比較方便，但不適合用于夾持重量大的物品，否則負(fù)載過大，容易造成損傷。液壓驅(qū)動的話，它的推力比較大，而且調(diào)速也比較方便，速度的把控也比較方便，但是，美中不足的是，液壓驅(qū)動所需要的成本比較大，可靠性也不是那么的好，維修起來也不是很方便。而氣壓驅(qū)動比起液壓驅(qū)動，所需要的成本就比較低，可靠性也好，對于環(huán)境也比較友好，但是其精確度就不是很理想，不容易達到所需要的位置，通常只能達到兩個極限位置。考慮到本文所設(shè)計的機械手適用于搬運機床加工的小件物料，重量較輕，因此確定驅(qū)動裝置為電動機驅(qū)動。對于電動機形式，比較常用的便是步進和伺服，這兩種電機各有千秋，主要區(qū)別為：步進電機不適于低速運行，低速時會產(chǎn)生較大振動，不適于對精度要求較大場合，伺服電機則具有很好的低速運行穩(wěn)定性。步進電機控制容易，控制器成本低，反之伺服卻不容易控制成本也高。步進電機過載能力差，為了使電機具有大的過載能力一般選擇的電機功率比計算功率大很多。兩種電機控制方式不同，前者是通過控制脈沖時間的長，進而控制轉(zhuǎn)動角度，后者則是通過脈沖的個數(shù)，再來控制轉(zhuǎn)動角度。經(jīng)過對兩種電機進行對比，結(jié)合本文所設(shè)計機械手運行條件，及本文所設(shè)計機械手是用于自動化流水線，夾持物料重量輕，且需要機械手快速反應(yīng)，精確度比較高等要求，最終決定選用伺服電機。

3箱式貨物自動裝卸裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1輸送機設(shè)計3.1.1滾筒的設(shè)計3.1.1.1滾筒的長度設(shè)計滾筒長度的計算，一般按照下式進行計算：式中：——物體的寬度，mm，本文根據(jù)實際應(yīng)用情況，選定；——寬度余量，一般取。將已知數(shù)據(jù)代入上式，求得。3.1.1.2滾筒直徑計算滾筒直徑一般由下式求得：式中：——功率，Kw；——滾筒的轉(zhuǎn)速；——許用扭切應(yīng)力，本文取。對于功率可由下式求得，首先計摩擦力：式中：——物料重量，初選；——摩擦系數(shù)，本文取。功率計算公式為：式中：——運行速度，本文取。鏈輪轉(zhuǎn)速為：滾筒直徑可由下式公式求得：將上述數(shù)據(jù)圓整，最后取。3.1.1.3滾筒壁厚計算滾筒壁厚按下式計算：式中：——最大切應(yīng)力；——滾筒最大彎矩；——抗彎截面系數(shù)，；——許用應(yīng)力，。對于彎矩的數(shù)據(jù)可按下列求得。式中：——載荷系數(shù)；——物料箱邊長，取。將已知數(shù)據(jù)代入上式求得：。700700700700圖3-2滾筒載荷分布示意圖將已知數(shù)據(jù)代入求得：上式化簡可得：，本文，故壁厚為。3.1.2鏈傳動設(shè)計3.1.2.1鏈條選型式中：—面膠的動摩擦因數(shù)，；——箱子重力，本文取=750N。故有，通過查閱選型手冊，最終確定08A型鏈條滿足使用要求。3.1.2.2鏈輪選型考慮到相關(guān)參數(shù)，比如使用壽命、使用穩(wěn)定性等，本文選用節(jié)距為12.7mm的08A型鏈輪，齒數(shù)選用16齒，具體結(jié)構(gòu)見下圖。圖3.1鏈輪結(jié)構(gòu)示意圖3.1.3電動機及變頻器的選擇3.1.3.1電動機功率計算對于輸送機所需牽引力的計算，可由下式求得：式中：——摩擦系數(shù)，由表4.1中查得，本文取；——物料箱的重力，N，本文；——損耗系數(shù)，本文取；——輥子直徑，；——鏈輪節(jié)圓直徑，本文取。表3.1將已知數(shù)據(jù)代入，求得：電動機的功率計算，可由下式求得：式中：K——電機裕量系數(shù)，；——鏈條的牽引力，KN；——鏈傳動速度，；——總傳動的機械效率，本文。將上述已知數(shù)據(jù)代入上式，求得：。電動機的額定功率可由下式計算：=(+)=9.8(=9.8=/式中：——克服輥子摩阻所需功率；——克服慣性阻力所需功率；——軸承間阻力矩；——物箱與棍子產(chǎn)運行運動阻力矩；Z——輥子數(shù)量，本文取；q——輥子的重量，Kg；——摩擦系數(shù)，可由表3.2查得，本文取。表3.2——與軸承配合處軸徑；——滾動摩擦系數(shù)，可由下表查得，本文取；表3.3——電機啟動時間，本文取。將上述已知數(shù)據(jù)代入相應(yīng)式中，求得：。故求得電機功率為：通過查閱驅(qū)動電機選型手冊，最終選取電動機功率為.3.1.3.1電動機額定轉(zhuǎn)速的計算由于鏈傳動的傳動比為1：1，因此電機額定轉(zhuǎn)速與鏈輪轉(zhuǎn)速相同，故。3.1.3.2電動機選型通過上述計算得知所需電機的功率與轉(zhuǎn)速，查閱相關(guān)選型手冊，最終選擇電機為自帶減速機的電機，其型號為：，相關(guān)參數(shù)見下圖，輸出轉(zhuǎn)速為。表3.2電機參數(shù)3.2機械手設(shè)計3.2.1液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計3.2.1.1液壓系統(tǒng)基本方案對于液壓系統(tǒng)而言，使用液壓系統(tǒng)進行執(zhí)行動作的執(zhí)行元件由液壓缸和馬達，這兩種元件可分別驅(qū)動回轉(zhuǎn)運動和直線運動。結(jié)合上一章中對機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計，本文綜合考慮機械手結(jié)構(gòu)形式，最終確定大小臂的運動采用液壓缸驅(qū)動，腰部旋轉(zhuǎn)運動采用電機驅(qū)動。3.2.1.2液壓系統(tǒng)主要參數(shù)對于液壓系統(tǒng)而言，最終要的參數(shù)為壓力與流量，下面將對這兩個參數(shù)進行計算。（1）液壓缸負(fù)載計算液壓缸在工作時所要承受的負(fù)載可由下式求得：（3-1）式中：——外力，本文取=0；為活塞上所受的慣性力；為密封阻力；為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力；為回油被壓形成的阻力。上式中可由下式求得：（3-2）式中：——液壓缸所要移動的總重量，本文取；——重力加速度，；——為速度變化量；——液壓缸啟停時間，本文取。將上述已知數(shù)據(jù)代入上式，求得。式中的計算，可由下式求得：（3-3）式中：——液壓缸空載壓力，本文取；——進油工作腔有效面積。將已知數(shù)據(jù)代入上式，求得啟動時，運動時。式中的計算，可由下式求得：（3-4）式中：——機械手負(fù)載，本文取；——摩擦系數(shù)，取。將上述已知數(shù)據(jù)代入上式，求得：=98。式中回油路所受阻力的計算，可由下式求得：（3-5）式中：——回油路的壓力，取值范圍0.3~0.5，本文取；——液壓缸有桿腔活塞面積。將已知數(shù)據(jù)代入上式，求得：。綜上所述，求得液壓缸所受總負(fù)載為：。（2）液壓缸主要參數(shù)的確定本文所設(shè)計的液壓缸，要求具有足夠的穩(wěn)定性、剛性、精度性等要求，以滿足機械手的使用性能。對于液壓缸各個尺寸的設(shè)計計算將在后文進行涉及。本文考慮到實際應(yīng)用情況，對驅(qū)動機械臂各個位置的液壓缸相關(guān)參數(shù)進行了初步選值，其結(jié)果如下表所示。表3-3大臂液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑壁厚桿直徑行程工作壓力401025400 2表3-4小臂液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑壁厚桿直徑行程工作壓力401025100 1大臂液壓泵選用2個，小臂液壓泵選用2個。3.2.1.3計算和選擇液壓元件（1）液壓泵的選型計算對于液壓泵的實際工作壓力可由下式求得：（3-12）式中：——-工作壓力，本文取=；——液壓系統(tǒng)中各個控制元件的壓力損失，本文取1。將上述已知數(shù)據(jù)代入上式，求得：（3-13）對于液壓泵的流量計算，可由下式求得：（3-14）式中：——泄露因數(shù)，本文取1.1；——機械手工作時最大流量，其值由下式求得。（3-15）將前文已知數(shù)據(jù)代入上式，求得：。綜上可得：。對于液壓泵所需電機的功率的計算，可由下式求得：（3-16）式中：——流量，；——液壓泵實際工作壓力，5；——液壓泵總效率，本文取=0.8。將上述已知數(shù)據(jù)代入上式，求得：=。（2）控制元件的選擇對于控制元件的選擇，本文由于篇幅原因在此就不在講述，在選擇時主要考慮到所需控制系統(tǒng)的最大壓力，這是選擇控制元件最重要的參數(shù)。3.2.2電機選型計算3.2.2.1有關(guān)參數(shù)的計算本文所需電動機主要是驅(qū)動腰部作回轉(zhuǎn)運動。所需的負(fù)載額定功率，計算公式為：（3-17）所需的負(fù)載加速功率，計算公式為：（3-18）負(fù)載力矩（折算到電機軸）：（3-19）所需的負(fù)載GD（折算到電機軸），計算公式為：（3-20）電機的起動時間計算公式為：（3-21）電機的制動時間計算公式為：（3-22）式中：——額定功率，KW；——加速功率，KW；——負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；——電機軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；——負(fù)載的速度，m/min；——減速機效率；——摩擦系數(shù)；——負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），；——電機啟動最大轉(zhuǎn)矩，；——負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機軸上），；——負(fù)載；-——負(fù)載（折算到電機軸上），；——電機的。機械手作回轉(zhuǎn)運動時，所需要的轉(zhuǎn)矩為：（3-23）式中：——滾動軸承摩擦系數(shù)，本文取=0.005；——機械手本身與負(fù)載的重量之和，本文取；——驅(qū)動齒輪分度圓半徑，。將上述已知數(shù)據(jù)代入上式，求得。已知腰部轉(zhuǎn)速為：，主、從齒輪傳動比為。上式中，將已知數(shù)據(jù)代入，求得。將上述數(shù)據(jù)代入上述計算公式，求得：電機的起動時間為：；電機的制動時間為：；折算到電機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。3.2.2.2電動機選型計算（1）腰部電機選型通過上述選型計算，最終確定腰部驅(qū)動電機選用步進電機，電機選用型號為的電機，該電機的性能參數(shù)如下圖所示。圖3.4所選電機相關(guān)參數(shù)由上圖中，可得知電機的步距角為，該型號步進電機具有可控性好、振動小、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，因此符合本文所需。本步進電機步距角為，已知本文所設(shè)計腰部傳動比為，則機械手腰部實際得到的轉(zhuǎn)角為電機額定轉(zhuǎn)角的1/120。由于該步距角較小，雖然在實際應(yīng)用中會存在偏差，但不會影響使用精度。圖3.5矩頻特性曲線（2）臂部電機選型臂部所承受載荷較小，本文選用的電機為步進電機，其相關(guān)參數(shù)如下圖所示，具體詳細(xì)性能查閱相關(guān)選型手冊，本文將不再贅述。圖3.6電機相關(guān)參數(shù)

4本文總結(jié)與展望4.1本文總結(jié)針對人工裝卸、碼垛貨物不僅效率低、成本高，存在傷害身體的風(fēng)險等問題。本課題針對箱式貨物裝卸過程存在的上述問題，設(shè)計一種箱式貨物自動裝卸裝置，它不僅實現(xiàn)貨物自動裝卸，還能解決貨物碼垛的難題，主要完成以下內(nèi)容：對箱式貨物自動裝卸裝置的整體結(jié)構(gòu)進行介紹，主要對機械手的各部分結(jié)構(gòu)進行介紹以及對輸送機主要結(jié)構(gòu)進行介紹，這對后續(xù)進行搬運機械手進行設(shè)計奠定基礎(chǔ)。在對箱式貨物自動裝卸裝置總體設(shè)計方案進行介紹后，分別對輸送帶結(jié)構(gòu)及機械手結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。對于輸送帶設(shè)計，主要對輸送機滾筒、驅(qū)動鏈輪、鏈條、驅(qū)動電機進行選型及計算。對于機械手的設(shè)計，主要是對機械手液壓驅(qū)動系統(tǒng)、驅(qū)動電機、機械爪等進行設(shè)計及說明，這對確保機械手結(jié)構(gòu)合理性提供理論基礎(chǔ)。4.2本文展望本文雖然對箱式貨物自動裝卸裝置手進行了一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計并進行了運動分析，但是由于時間原因，本文還存在著很多問題：本文所設(shè)計的搬運機械手，并未對所有零部件進行設(shè)計計算，可能有零部件結(jié)構(gòu)不合理或者加工經(jīng)濟性差等問題，后續(xù)應(yīng)進行優(yōu)化分析。本文所設(shè)計的搬運機械手，各零部件結(jié)構(gòu)尺寸并不是最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，后續(xù)可利用MATLAB軟件的優(yōu)化設(shè)計工具箱對機械手結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。參考文獻[1]陳進強.一種貨運自動裝卸裝置[P].江蘇省：CN211945462U,2020-11-17.[2]楊艷,奚陶,王自啟,舒暢.一種帶有自動裝載裝置用于裝卸箱式貨物的貨車[P].重慶市：CN111688563A,2020-09-22.[3]邢斌,宋樂然,李錦照.自動裝卸車裝置[P].安徽省：CN106829550B,2020-09-04.[4]王德忠,顧衛(wèi)國,王鼎之,黃廣源,李先達,馬元巍.批量輸運和自動裝卸裝置[P].上海市：CN109368230B,2020-07-14.[5]唐金平,鄭旭平,石西增.自動裝卸裝置和微流控制設(shè)備[P].廣東省：CN210954045U,2020-07-07.[6]劉小青,潘仲鳴,李程宇,賈慧波,齊鄂卿.一種自動裝卸運輸一體化搬運裝置、系統(tǒng)及方法[P].廣東省：CN111320107A,2020-06-23.[7]不公告發(fā)明人.一種能夠自動裝卸的汽車零件運輸裝置[P].浙江省：CN108608924B,2020-06-23.[8]楊晨,周亦鵬.一種智能物流輸送用自動裝卸裝置[P].北京市：CN111301258A,2020-06-19.[9]于洋.一種智能物流輸送自動裝卸裝置[P].云南省：CN111284988A,2020-06-16.[10]陳進強.一種貨運自動裝卸裝置[P].江蘇省：CN111056336A,2020-04-24.[11]陳明夏.玻璃車載自動裝卸裝置[P].福建省：CN210310086U,2020-04-14.[12]任元才.一種物流運輸車智能自動裝卸裝置[P].四川省：CN110816382A,2020-02-21.[13]李從賓.一種自動裝卸式貨架倉儲裝置[P].山東省：CN110539996A,2019-12-06.[14]王惠泉,倪邦正.一種貨車自動裝卸貨裝置[P].福建省：CN209719377U,2019-12-03.[15]劉之乾,侯煥彬,李曉林.自動裝卸碼垛裝置[P].山東省：CN110498262A,2019-11-26.[16]徐西權(quán).一種小車自動裝卸裝置[P].上海市：CN110342278A,2019-10-18.[17]謝凱,王麗娜.物料自動裝卸載控制裝置[P].北京市：CN209417790U,2019-09-20.[18]高金龍.一種貨車的自動裝卸裝置[P].江蘇省：CN208452873U,2019-02-01.[19]陳永洪.一種貨物用自動裝卸裝置[P].福建省：CN208413765U,2019-01-22.[20]高文杰,高澤源.一種自動裝卸車系統(tǒng)裝置[P].天津市：CN109019078A,2018-12-18.[21]付永領(lǐng),王巖,裴忠才.基于CAN總線液壓噴漆機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[M].機床與液壓.2003,(6):90~92[22]丁又青,朱新才.一種新型型鋼翻面機液壓系統(tǒng)設(shè)計[P].機床與液.2003,(5):128~129[23]劉劍雄,韓建華.物流自動化搬運機械手機電系統(tǒng)研究[M].機床與液壓.2003,(1):126~128[24]徐軼,楊征瑞,朱敏華,溫齊全.PLC在電液比例與伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].機床與液壓.2003,(5):143~144[25]胡學(xué)林.可編程控制器(基礎(chǔ)篇)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.[26]胡學(xué)林.可編程控制器(實訓(xùn)篇)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.[27]孫兵,趙斌,施永康.基于PLC的機械手混合驅(qū)動控制[M].液壓與氣動.2005,(3):37~39[28]孫兵,趙斌,施永康.物料搬運機械手的研制[M].機電一體化.2005,(2):43~45[29]王田苗,丑武勝.機電控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.[30]李建勇.機電一體化技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.[31]王孫安,杜海峰,任華.機械電子工程[M].北京:科學(xué)出版社,2003.[32]張啟玲,何玉安.PLC在氣動控制稱量包裝裝置中的應(yīng)用[M].液壓與氣動.2005,(1):31~33[33]趙文.數(shù)字控制技術(shù)在龍門刨床電控系統(tǒng)中的應(yīng)用