自动存取升降台说明书综述

1、第七届全国机械创新设计大赛作品设计说明书作品名称：自动存取升降台设 计者：王友运、周道裕、覃建觉、蒙显伟、钟培峰指导老师：黄燕钧、郭慧参赛单位：梧州学院目录第一章 绪论 1.1.1 现代物流的定义 1.1.2 研究背景 1.1.3 国内外研究状态 1.1.4 研究意义 2.1.5 研究内容、拟解决的问题 2.第二章 总体设计方案分析 3.2.1 功能分解 3.2.2 整体设计方案 3.2.3 工作原理 4.2.4 工艺分析 5.第三章 执行系统方案设计 6.3.1 机械手夹持装置的设计 6.3.2 机械手夹持装置主要参数 7.3.3 旋转装置的设计 7.3.4 旋转装置主要参数 7.第四章 基

2、于 Pro/E 零件三维建模与AVR 编程 9.4.1 Pro/E 简介9.4.2 Pro/E零件三维建模9.4.3 AVR 的相关编程1.0第五章作品设计的创新点1.3第六章 设计总结1.4.参考文献1.5.第一章绪论1.1 现代物流的定义物流是指根据实际需要，将运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、 信息处理等基本功能实施有机结合，实现物品从供应地向接受地的实体流动过程。物流的概念主要有以下要点:( 1) 研究对象是贯穿流通领域和生产领域的一切物料流以及有关的信息流;而对其进行科学规划、管理与控制，使其高效率、高效益地完成预定的服务目标则是物流研究的主要目的; 物资由供给主体向需求

3、主体转移(包含物资的废弃与还原)，创造时间价值和空间价值，并且创造部分形质效果，这是物流的作用。(2)物流活动包括运输、仓储、装卸搬运、包装、流通加工、配送、以及有关的信息活动等;(3)作为供应链的一个组成部分，物流在供应链管理与整合中起着非常重要的作用。1.2 研究背景随着经济全球化和信息技术的迅猛发展，被誉为 “第三利润源泉”的现代物流业在世界范围内蓬勃兴起。我国物流业由于基础设施不完备，管理技术、水平、服务质量等方面比较落后，加上物流教育起步较晚，以及企业对物流认识不足等因素的限制，发展水平相对滞后。我国加人WTO 后，企业为了提高服务质量、降低运作成本、打造核心竞争力、在国际和国内两个

4、市场赢得竞争优势，对物流业的重视程度越来越高，物流外包需求亦口益增加。我国物流业迎来了前所未有的发展机遇，有着巨大的市场潜力和十分广阔的发展前景。据专家估计，在未来几年内，我国物流市场的发展空间至少在1 千亿元以上。现代物流在21 世纪的飞速发展，特别是网购等小部件的快递数量之多，对仓库的作业提出了新的要求。但是改造仓库为立体仓库花费的成本太高，从经济效益和解决问题的角度观察，应该改变仓库的存取工具。1.3 国内外研究状态目前， 全世界最先进的物流自动存取的技术与装备还主要集中在欧洲、日本和美国等发达国家或地区。自改革开放以来，我国在国际和国内市场的不断推动下， 虽然也引进和采用了一些新先进的

5、物流技术与设备，例如光机电信息一体化等新技术，在一定程度上提高了物流流通效益，但是， 随着信息革新的飞速发展和市场竞争的日益激烈，目前物流技术和设备正朝着大型化、节能化、标准化、系统化、 智能化和高效化等方向发展。今后， 对物流技术与装备的需求将更倾向于先进物流装备和物流技术集成化的物流系统。我国的在物流自动存取技术设备的创新和研发上面明显落后于西方发达国家，再加上我国对信息化和智能化机械设备的认知不足，自动化存取服务管理手段较为单一独立，缺乏一套完整的管理方法与之配套、行之有效的自动化存取管理系统；目前有的物流企业连基本的仓库自动化还没实现，可想而知更别说提供高级自动化操作系统。所以， 目前

6、在国内设计研发一台快捷、轻巧而又安全、可靠的自动化存取升降设备是十分有必要的，也具有极大的市场需求，更具有极高的经济和创新价值。1.4 研究意义物流是经济发展的命脉，象人体的血液一样，时刻支撑着人体的各种循环，维持着生命。工业企业的物流在物流学众多的研究领域中一直是被关注的焦点，这不仅是因为物流组织的好坏直接决定着企业生产过程是否能够顺利进行，并且决定着企业产品的价值和使用价值是否能够顺利实现，而且生产成本和流通成本最重要的一部分就是物流成本的费用。自动存取升降平台作为物流系统的一个枢纽和核心，是物流系统实现物流合理化、信息化、快捷化、智能化的关键所在，在国民经济中有着举足轻重的地位。研究设计

7、的自动存取升降机械设备，既减轻工人劳动程度，又提高了生产效率，具有重要的现实意义和广泛的市场前景。1.5 研究内容、拟解决的问题1、本课题的研究内容本论文研发的对象是自动存取升降平台的设计，通过结合工程材料、机械创新设计教材、机械原理以及机械制造工艺及设备等参考书以及AutoCAD 、 Pro/E等软件进行零件的二维、三维产品数字化建模，和进行功能的运动仿真。主要从以下几个方面入手1) .根据物流包装的不同规格，确定机械手夹持的尺寸，拟定动作路径图。2) .分别对升降机构、夹持机构和旋转机构进行结构设计。3) .按照选择的电机以及机构的设计参数制定传动方案。4) .画出自动存取升降台的工作流程

8、图。2、拟解决的主要问题1) 拟采用双丝杆传动、双导轨导向方式来解决升降台的可控升降定位问题；2)拟采用两个齿轮啮合传动来解决机械手的可控旋转角度问题；3)拟采用手腕和手指处的舵机运动来解决机械手的可控定位夹持功能；4) 软件辅助设计：采用 Pro/E 模拟机构运动的仿真和采用AutoCAD 对部分非标准零件图的二维图设计。第二章总体设计方案分析4.1 功能分解自动存取升降台主要由自动升降平台、火持机械手两大部分组成。(1)升降平台：自动升降平台是整个装置的一个重要组成部分，它的工作动力源主要由两个同步的步进电机来控制，能够有效、平稳、精确的实现对载物平台的步进升降功能，进而轻便快速的实现对不

9、同高度的储物柜中的货物进行存 取的要求。(2)机械手：机械手主要实现对货物的准确定位和夹持功能。它的主要动力源 来分别自于伺服电机和步进电机，并且通过末端的手腕和手指处的舵机运动来抓 取货物；再由两齿轮的啮合传动来实现机械手的旋转； 最后通过手臂处丝杆传动 将货物放入(取出)到指定的货架中。4.2 整体设计方案根据主要功能分析，本设计重要部件示意图如图 2-1所示。图2-1示意图4.3 工作原理本作品设计：(1)首先，通过控制两个同步并且功率适合的步进电机1和2的转动来带动两个植入式丝杆1和2的传动，使两丝杆能够实现协调同步的上升、 下降和停 止的功能，进而带动整个载物平台随其可控运动， 完成

10、对不同高度的存储物柜的 精准定位，也为下一步机械手对货物的夹持做好的准备；(2)其次，通过伺服电机的带动丝杆 3的传动，实现对机械手在水平方向 上直线往复运动；(3)再次，在经过步进电机3的转动带动手腕和手指处的舵机运动，既实 现了对货物的抓取和释放功能，也可以使机械手在竖直方向上实现90°的摆动旋转功能，增加了机械手的自由度；(4)接次，由步进电机4带动小齿轮的转动，经过与大齿轮的啮合传动, 适当的减缓速度后，通过固定连接轴实现对机械手 360。的全方位稳步转动；(5)最后，又经过丝杆3的转动，把夹持的货物放入指定的货架中；(6)如此往复动作，既可以减轻投递员的劳动强度，又能保障商

11、品安全、 文明的装卸、分发和投递。满足了环保、快捷和节约的生态文明理念。4.4 工艺分析根据设计思路，自动存取升降台的工艺流程图和运动循环图分别如图2-2、图2-3所示平台垂直上升 机械手旋转一二级杆伸出r抓取货物二级杆收回机械手旋转手腕下转卜f I放下货物手腕上扬平台下降图2-2升降台的取出货物流程图平台垂直上升手腕下转二级杆伸出放下货物二级杆收回/ 机械手旋转 平台下降图2-3升降台的存入货物流程图)抓取货物 -1手腕上扬，f 机械手旋转15第三章执行系统方案设计3.1 机械手夹持装置的设计3.1.1 方案的选用夹持的功能是把不同规格尺寸的货物夹紧夹牢，并通过齿轮旋转装置有序的 按指定位置

12、取放货物。万案一采用一边固定一边夹紧的方式夹紧货物，它的结构主要是由左固定夹板、丝 杆导轨、右移动夹手、测力传感器、步进电机等构成，不同规格的货物在左固定 夹板的初步定位之后，再经右移动夹手在通过电机带动，经丝杆导轨的缓慢而有 序的向左固定夹板移动，在经过测力传感器的测试控制，实现对货物的夹紧动作。优点：可将货物夹持得很紧，能实现较为精确定位、结构简单、稳定性好。缺点：由于右夹手的移动会带动货物与储物柜底板的不断摩擦，对货物造成 一定程度的损伤，而且耗时费能。万案一采用机械手双向移动夹持的方式夹紧货物。它由手腕、手指、舵机、步进电 机、测力传感器等部分构成。不同规格的货物在手腕和舵机的初步定位

13、以后，经 过手指的双向同时迅速的火紧，再由测力传感器的控制是啊在对货物的夹持。优点：具有环保、成本低、容易拆装、快速便捷、省时节能等优点。缺点：由于双向同时受力夹紧货物，降低了对货物的定位精准，存在一些不 稳定因数。综合比较，结合学校的具体实际生产条件和时间节能问题， 我们决定采用机 械手双向移动夹持的方案来实现对货物的夹紧功能。3.1.2 直线水平移动装置的概述机械手实现对纵深货物的抓取，主要是通过水平放置的丝杆导轨的运动来实 现。其结构简便功能齐全。主要机构部件参数的选择如下：1）因为机械手直线移动的有效行程范围设定在 140mm，考虑到丝杆也电机 的链接长度，故取丝杆3长度为165mm;

14、2）考虑到丝杆3所需传动的力不是很大，根据相关参考书的设计要求，取 丝杆3的直径为8mm；3）根据互换性与技术测量基础里面的有关配合公差的相关技术要求，H6为了保证装配的精确性，在丝杆 3与螺母滑块的配合中米用基孔制 68一2。js 54）考虑到设计中所需要的材料的刚度和强度的要求，结合机械设计一书中的相关技术要求，故丝杆 3选才¥ 45号钢来制作。5）步进电机：详见本章3.2主要设计参数电机的选用。6）电机底座：是用于安装步进电机，在安装电机之前必须要先检查台座是 否安装；牢固。3.1.3 工作原理本机构对机械手可以实现往复循环运动，首先由工人将货物推送到指定的位 置，然后通过控制

15、面板将平台抬升到指定高度，再由机械手手腕的下转使得手爪 能够抓取货物，然后然后上扬后机械手旋转到货架前， 通过伸缩杆的伸展将货物 放置在货架中，最后伸缩杆收缩，机械手旋转回到原点，抓取货物的过程则更好 相反。3.2 机械手夹持装置主要参数机械手夹持装置是本次设计的关键部分，主要由手指动力铁、条形连接铁、 手指、手指加大垫片和螺栓等部分零件组成。它们通过彼此间的相互协调作用来 完成对相关货物的夹持释放动作。机械手夹持装置（产品模型）的相关长度与宽度的设计参数如下：1）根据模型内一条条形连接铁设计长度约为 30mm,由设计的结构可计算 出机械手最大的夹持长度约为60mm；（具体加工尺寸可根据各自的

16、需要进行适 当的加长）；2）根据模型的设计要求，在误差允许的范围内可计算出机械手的最大张开 角度约为60°3）根据所选步进电机的相关技术参数，可算出机械手对货物可施加的夹紧力 约为100N;4）以上所列的数据都是基于本次所展示的模型而计算得出的，具体的加工和实际的生产过程还可根据厂家各自的需要自行生产设计。3.3 旋转装置的设计旋转装置由小转轴、大转轴、滚动轴承、大齿轮和小齿轮等组成。旋转机构 是采用大小齿轮间的相互啮合传动来实现对机械手360°的旋转动作。滚动轴承是用以实现大转轴在底座中的转动要求， 并起到支承固定的作用，它保证了机械 手旋转角度的可行性。而两齿轮的正确啮

17、合保证了机械手旋转角度的可靠性。步进电机的稳定性为整个装置提供了平稳的动力源。3.4 旋转装置主要参数3.4.1 大、小齿轮的主要参数根据设计要求，结合实际的工况条件，由机械设计所学知识可知：大齿 轮选用45钢调质，齿面硬度 240HBs,7级精度，oB=650MPa, o=360MPa。小齿轮选用40Cr调质处理，吃面硬度为280HBS。其主要参数如下1 .模数1mm：2 .齿数50：3 .分度圆直径50mm：4 .中心距100mm：5 .齿轮宽度10mm：3.4.2 大、小转轴的主要参数根据设计要求，结合实际的工作条件，大小转轴都设计成阶梯轴。大转轴的长度为220mm,滚动轴承的内径为 1

18、2 mm；小转轴的长度为70mm,小齿轮内径为(Wmm0具体详细的设计尺寸如配套零件加工图纸所示。3.4.3 步进电机参数1) 直径：28mm2) 电压：5v3) 步距角：5.625X1/644) 减速比：1/64带有ULN2003步进电机驱动板；5v步进电机驱动器测试模块板 ULN20035 号线 4 相 28BYJ-48， A,B,C,D 四相 LED 指示步进电机的工作状态。第四章基于Pro/E零件三维建模与 AVR编程4.1 Pro/E 简介Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著

19、称，是参数化技术的最早应用 者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的 CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。4.2 Pro/E零件三维建模4.2.1 机械手三维建模模型夹持机械手是抓放货物的装置，优点是材料轻便、结构简单和工作效率高等。 如图4-1所示为其Pro/E的三维模型图。图4-1机械手三维模型4.2.2 总装配将各个零件按设计尺寸要求进行三维建模，如图 4-2所示，将各个零件进行 装配。图4-2自动升降台总装配图4.3 AVR的相关编程4.

20、3.1 AVR 简介AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置 Flash的RISC (Reduced Instruction Set CPU精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以 广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等 各个领域。4.3.2 步进电机步进电机控制升降台的丝杆电动机正反转来控制升降台的抬升和降低， 另外 两个齿轮之间啮合传动，利用电动机的正反转来控制机械手的运动。如图 4-3为 AVR单片机步进电机程序。 78 gio 1112 13 IT 15 1617181920uciiar key contorn (uchar tei

21、rp)casecasecase0 ; if (hejii>5) num=5;el3e njn+ + ; break;1: ifnum-l；41se num-; break;2:DIR=DIR;break;3:EN=-EN;break;#include"dianj b" fmeludedftlay .h* uchar ren-p=l ； uchar numl,a,b; void dang_wei();void tirr.ezO init ( 一EA-1;ETO-1;TMOI>jX22;THO-1；TLOfTRO=1;ET1=1；TMOD-5X21；TH1=O;TL

22、1=1；TR1-1;21 EHif(tenp)switch (terrp)elsedelay rr.s (10)；voidir.ain () (unsigned int is dj_inic 0;timerO_init(); P3=0xff;while(1图4-3步进电机单片机程序4.3.3 AVR单片机程序启用利用单片机控制舵机的旋转角度实现手腕的旋转和手指的运动实现对货物 的夹取或者放置。如图4-4对程序进行使用。S3 90 91 我93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 103 105 106 107 10S 109 110 111 112 二二 3 1

23、14 115 116 117 118 119 120 121 122 123void main()R1lceyl-1;imr();初始化中断控制寄存器fe-100;/O,5MS.定0度位置fel=90;delay(50000) ;/，延时while(1>B (if (key=0 delay(50J;if (key=0t£fe<131) /fe=130;f e+；delay(30);r )if(kevl-= 1)E) delay(50);if (keyl=： £tfe>E9)E /fe=8O;fe-;delay(3 ?;/fe+;I )k )if (Jcey2=0> delay(50);图4-4舵机控制程序第五章作品设计的创新点（ 1）机械手的设计使得仓库工人不用站在升降台上，有效的保证了工人的劳动安全，同时在减轻了工人本身重量的情况下升降台在同样的耗能的情况下可以抬升更多的货物；（ 2）机械手伸缩杆的送货设计是直线运动，在实现运动更加平稳的同时，也使得机械手与市场上其他类型的机械手相比可以在更小的空间内作业；（ 3）升降同时带有货物的搬出功能，节约了劳动力，增加了效率；（ 4）利用步进电机以及丝杆带动的运动，较传统的液压升降更加在价格上更加实惠，使得产品可以在更多仓库中得到推广应用，同时减轻了升降机的重量；（