仿蝎形多功能球类回收发射机设计

编号仿蝎形多功能球类回收发射机设计TheDesignofAutomaticScorpionMachineforPickingupBalls 目录摘要 IAbstract II第一章 绪论 11.1研究目的和意义 11.2国内外研究现状与进展 11.3论文内容结构安排 2第二章方案设计 42.1回收方案初步选择 42.2投射方案初步选择 42.3整体方案拟定 4第三章原理结构设计 63.1回收部分设计 63.1.1回收夹取部分设计 63.1.2回收运输部分设计 83.1.3回收收集部分设计 103.2投射部分设计 123.3底盘结构设计 13第四章动力传动系统设计 144.1回收部分传动设计 144.1.1工作参数及传动比设定 144.1.2电动机参数的选择 144.1.3V带传动设计 144.1.4齿轮传动设计 164.2投射部分传动设计 184.3底座电动机选择 184.4控制部分 194.4.1控制部分器件选择 194.4.2输出模块 204.5传感器的选择 20第五章关键零件强度校核 21第六章经济性分析 226.1功能设计经济性 226.2结构设计经济性 226.3造型设计经济性 226.4成本设计经济性 22第七章主要创新点 23第八章应用前景 24第九章总结 25参考文献 26致谢 27绪论1.1研究目的和意义近年来，我国老龄化现象加剧，而人们越来越注重生活品质，网球作为大多数人热爱的一种体育运动出现在我们的生活中，以便强身健体，陶冶情操。但是，在打网球过程中，捡球却成为一项单调又枯燥的工作。随着人民生活形式的丰富化以及科技水平的不断提高，目前机器人在各个行业中发挥着越来越重要且不可替代的作用。现在，捡球的方式大多为人工操作，人工捡球耗时耗力，效率低，浪费人力资源，不能满足现代社会的快速发展需求。市场上也出现了一些半自动式捡球机器，此类机器为半自动式，需要人工辅助。这类半自动的捡球工具仍然具有不足之处，相比于智能化捡球机就浪费了时间与体力。其实，目前服务型机器人在医疗康复，养老助残，家庭服务等领域已经获得了一致认可，并且机器人研究水平已成为一个国家科技创新水平的重要衡量指标[1]。在发球方面，对于部分的网球初学者及专业运动人员，他们需要不同速度，角度以及频率的网球以达到训练的目的。因此出现了陪练人员和部分专业网球发球机。但是陪练人员长时间处于单一无聊的工作，容易导致一些身体疾病。此外，专业的网球发球机同样存在着一部分问题，这类发球机大多数为高科技化、智能化产品，生产成本较高，销售价格昂贵，不能普及适用于多数人。综上所述，研发出一款新型的结合捡球、发球功能于一体的智能机器的任务迫在眉睫。1.2国内外研究现状与进展目前服务类型机器人在市场上已经获得广泛应用，其主要发展技术趋势为更加智能化，网络化及模块化。近年来，部分发达国家已经将改善与提升服务机器人的结构与水平作为一项重要科技创新工作。邻国日本已经将推动家用服务型机器人这项工作作为一项国策，韩国详细制定了将本国发展成为世界三大机器人强国目标的具体方案，美国及部分欧洲国家也致力于改进机器人的智能性，实用性，并取得欧盟组织足够资金的支持[2]。对于我国来说，开始研究服务型机器人的时间相比于其他部分发达国家较晚，很多机械方面的相关技术不是足够成熟，但依靠资金充足，社会需求量大及政府相关积极政策的鼓励等有利条件，我国服务机器人产业已经形成一定的规模。同时，科研所以及一些高校已经深入开展了机器人开发工作，哈尔滨工业大学研制出一款家政服务型机器人，拥有自主看家及清理垃圾等功能[3]。上海交通大学机器人研究所研发的仿人假肢手基本上可以完成大多数人类的基本动作。这个机器人在实际应用性，解码准确率等方面现在已经达到了世界的领先水平，极大地提高了人们的生活质量。中国在服务型机器人的前沿技术领域已取得明显进步，部分到达国际领先水平。但是与发达国家相比，整体水平较为落后，仍然需要加大力度。从自主创新的角度来加快机器人的研发进程，特别是对服务型机器人的研发，必须要开发出具有世界高端水平的先进装备，使得服务机器人在创新和技术上有重大突破，真正实现国产机器人的产品创新，这样我国的机械制造技术才能紧跟时代顶尖水平。在捡球与发球这两项繁琐的工作上，人工操作存在耗费大量时间，效率低下，劳动成本高，浪费人力资源等诸多缺点与问题。因此，捡球，发球等相关机械产品应运而生。而目前市场上的大多数产品智能化程度不高或者成本较高，价格昂贵，不能适用于大多数消费者的水平，所以人们对于新型捡球、发球产品的要求越来越高。而国内外现有的产品仍然存在很多弊端，国外设计的产品相关技术固然较为先进，智能化程度高，但相应的成本较高，存在一定的局限性[4]。而国内相对成熟的产品较少，技术不是足够成熟，大多数处于初步理论设计阶段。现在市场上出现较多的是捡球篮与捡球筒。捡球篮问题在于容易卡球，捡球筒虽然很巧妙地利用弹簧进口阀确保球的单向通过，但缺点是容易损坏球的质量。另一种机器为手推式网球捡球车，需要人工将车推到球所在位置，捡球车将球拨入。这种捡球车在效率上相比于人工捡球有一定的提高，但仍需大量人力与时间，存在很大改进空间。大多数产品都是单独的网球捡球机或者网球发球机，实际工作中有很多不方便，实用性价比比较低。其他部分产品虽然结构设计完整，操作可行，但对于各项指标的提升上存在很大改进空间。典型产品如图所示（图1-1），东南大学研制的智能网球车，人在骑车时回收起散落的网球，将球放入后面的发球机，利用遥控器将球发射以供练习者[5]。这个产品将收球与发球相结合，提高了工作效率，但在操作过程中仍需人工辅助，无法节省人力成本，智能化程度低，人工成本影响着最终的总成本，相比于国外产品存在很大差距，有很大改善空间。针对目前我国产品的研究现状及主要的不足之处，本次毕业设计结合已有产品的优点，致力于设计出一款新型的结合捡球与发球功能于一体的小型机械，切实解决捡球与发球两项难题。图1-1智能网球车整体设计图1.3论文内容结构安排在本次设计中，首先对课题进行了调研，在中国知网上下载了相关文献，了解相类似产品的结构，确定本次的研究思路。在研究这项课题的时候，整体思路为首先弄清楚产品的功能，其次，设计可以实现此项功能相对应的结构，计算相对应的可以实际应用的参数，最后必不可少的一部分是进行校核和验算。本论文中第一章在调研后撰写，主要介绍目前存在的问题，研究目的和意义，国内外研究现状。第二章阐述在参考大量文献后，总结不同方案的优缺点，最终选择的最优方案。第三章中介绍实现功能需要的相对应的机构，细化机构需要的材料，尺寸。第四章中主要介绍传动方案，结合机械设计，合理的设计出带传动、链传动等具体参数。控制部分所需要的器件及基本原理。第五章利用ansys软件对关键零部件进行强度校核，计算寿命。第六章则是对实用性的考查，查找相关价格进行经济成本的计算，内容充实，思路严谨。第二章方案设计2.1回收方案初步选择回收部分是本设计中的重要功能部分，也是核心部分之一，回收部分设计的好坏直接影响着回收网球的效率。目前产品中相对常见的回收装置主要有以下两种方式：叶轮或夹轮方式[6]：此方式主要利用叶轮或夹轮将网球卷入，可以快速吸入散落各地的网球[7]，回收效率高，方法简单实用，诸多优点让这种方式在球类回收时应用广泛。但是，夹轮或叶轮方式仍然存在一定的不足，例如无法回收坑地里面的球，无法回收散落在场地角落的球等等。机械手夹取方式：此方式主要利用多自由度的机械手模拟人工夹取的方法回收网球，许多产品采用机械手和传感器相互配合的设计方法[8]，操作简单易懂，技术相对来说较为成熟。但机械手方式存在明显的不足之处，例如回收效率低，花费成本昂贵等。综合以上两种回收方式各自的优缺点，在本次设计过程中，采用叶轮与机械手臂相互结合的方式，取长补短，相互配合完成网球回收的工作。2.2投射方案初步选择投射部分是本设计中实现发射功能的重要结构，结构设计需要满足不同的发球速度，发球角度，发球频率。目前产品中发射方案在结构设计上主要有以下两种方式：对转双轮方式：此种方式是利用双轮摩擦力的原理将网球以一定的初速度发射出去。主要优点是如果采取上下双轮的方式，可以利用不同的旋转速度产生上旋或下旋的球。发射筒方式：此种方式是将球利用弹簧获得一定初速度沿着筒壁发射出去[9]。此种方式获取能量方式简单，可以减轻整体重量，但由于发射筒与筒壁之间的摩擦力会导致网球减少一定的能量。综合以上两种发球方式各自的优缺点，本次设计中选择对转双轮的方式作为发射装置的基本原理，对转双轮原理更加满足发球不同的频率，速度，角度的需求，实用性较强。2.3整体方案拟定仿生蝎子捡球机器人可以应用于球类回收以及球类专业训练时发球的相关行业，可以在保证不损害网球质量的前提下，快速，高效，准确地完成球类的回收，收集，投射工作。本作品采用蝎子的形状进行外观设计，首先由安装在蝎子两侧的机械手聚集散落在球场的网球，增大网球回收的面积，电机传送动力给橡胶滚轮，依靠捡球叶轮的转动完成网球的回收工作。经过运输装置将球输送到分装机构，利用分装机构将球送至落入收集箱的滑道上，将箱子一侧利用升降机构抬起，另一侧固定，收集箱倾斜，利用网球重力自行掉落。投射机构主要依靠橡胶发球轮发球。具体三维结构设计模型见下图2-1。图2-1设计模型图第三章原理结构设计在该仿生蝎子捡球机器人设计中，机械系统主要包括回收部分，运输部分，分装部分，收集箱，投射部分以及其他的原动机，传动部件等构成，各个部分紧密联系，相互配合共同完成网球回收及发射工作。3.1回收部分设计3.1.1回收夹取部分设计回收部分结构设计分为捡球叶轮与机械手两个部分。在工作过程中，首先由两侧的机械手聚集散落的网球，之后利用持续转动的捡球叶轮将网球卷入机器的内部。3.1.1.1捡球叶轮捡球叶轮回收机构是本仿生蝎子捡球机器人的一大亮点。在功能可以实现网球以及高尔夫球的回收，改变了传统观念上夹取球的做法，在效率上有明显提高。在材料选择上，初步选择金属材料与合成橡胶。金属材料有很多的良好性能，如：锻造性能、焊接性能、切削加工性能等等。而合成橡胶具有优良的弹性，有着很好的耐磨性，不透水性和绝缘性。考虑到工作环境比较复杂，应减少破坏网球外形等综合因素，最终选择合成橡胶作为捡球叶轮的材料。合成橡胶具体可分为通用合成橡胶与特种橡胶，特种橡胶通常具有某种特殊性能，可以在实际生活中有着特殊的应用[10]。考虑特种橡胶价格昂贵的因素，最终选择丁苯橡胶材料。它是目前合成橡胶中产量最大，应用最广的橡胶。价格便宜，具有较好的耐热性、耐磨性、耐老化性。捡球叶轮主要由1个中心轴，2个圆形盘和5个捡球拨片组成。圆形盘固定在中心轴的两侧，360°旋转的中心轴带动捡球拨片旋转，5个捡球拨片均匀分布在圆形盘内部，每个捡球拨片之间角度为72度。在工作过程中，网球被夹入两个拨片之间，随之被回收。如图3-1所示，假设捡球叶轮半径为R，被回收网球半径为r，三角形OAB为直角三角形，且∠AOB=36°。所以在三角形ABO中，sin36°=rOB=0.59图3-1捡球叶轮简要示意图网球半径的标准尺寸为33mm,经过计算捡球叶轮半径至少为2.69×33=88.77mm,最终取捡球叶轮半径为整数90mm。可以根据不同球类的尺寸，相应调整捡球叶轮半径参数。上述设计中是回收网球，如需回收高尔夫球可根据球类的不同尺寸相应调整捡球拨片的直径，下表为满足国际标准高尔夫球与网球的直径参数。表3-1球类尺寸明细表球类名称直径（毫米）高尔夫球43网球663.1.1.2机械手在仿生蝎子捡球机器人前方装有两个机械手臂，主要有两个功能：第一，两个机械手臂摆成倒三角形状，以聚集散落在训练场地的球到转动的滚轮前，增大网球回收面积，为收球提供便利，节省时间，提高回收效率。第二，当遇到特殊环境，如坑地等，机器人无法直接用捡球叶轮卷球，机械手可以先夹取球，然后放到滚轮前方，然后用拨片将网球卷入。另外在投射回收和跳跃障碍过程时，机械手臂可以将起到支撑稳固的作用，在一定程度上增加仿生蝎子捡球机器人的平衡能力。在结构设计上以舵机为原动件，舵机可以使机构自由旋转以实现机械手臂的多自由度灵活转动，实现对散落球的聚集。一对半齿的齿轮彼此啮合转动随之带动连杆移动，随之机械手臂外壳运动（运动简图如图3-2）[11]，完成坑地、水沟等特殊环境中的网球的夹取工作。图3-2机械手臂运动简图图3-3机械手臂内部结构图在材料选择上，机械手臂外壳初步采用塑料，可以增大与网球之间的摩擦力，同时确保不损害网球外观。根据在加热和冷却时树脂会表现出来两种性质，可以把塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。考虑工作环境等因素，综合考虑两种塑料的不同性质，最终选择热塑性塑料，加工成形简便，具有较好的综合力学性能。目前，机械手臂材料应用广泛的主要有镁铝合金和碳纤维两种材料。镁铝合金密度小，可以减轻整体重量。其强度高，且为环保型材料，其废料可以回收利用，不会造成污染。而考虑到碳纤维价格昂贵，成本较高，为镁铝合金价格的二十倍左右这一主要的缺点。因此，在机械手臂材料上最终选择镁铝合金作为机械手臂的材料。但在其中啮合传动的齿轮材料上选择45号钢，主要是为了在工作中能够保证硬度，刚度的需求。机械手臂的动力原件选用舵机。舵机是一种以位置或者角度为变量的驱动器，主要应用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统中，目前已在航空、船舶等重要领域得到了广泛的应用。舵机按照工作形式的不同可以分为往复式柱塞式舵机和转叶式舵机。舵机的参数主要包括扭力，速度，测试电压，外形尺寸及重量等。在选择舵机时主要参考扭力这一参数，扭力的单位为kg/cm，在1cm处可以吊起物体的重量。在此设计中，捡球阻力矩Tl初步估算为4.8kg/cm，因此选择SG5010型号舵机，扭力为8kg/cm，使用电压为4.8V，无负载速度为0.14秒/60度，尺寸为40mm*20mm*44mm，重量为39克。3.1.2回收运输部分设计3.1.2.1提升机构经过捡球叶轮与机械手臂的完美配合可以将网球回收到叶轮内部，提升机构的主要作用是将回收的网球运输到下一个机械结构，最终到达收集箱内。结构设计上由电机带动两组带传动传递能量，一共有10组梳齿，固定在两侧的传动带上，可沿着传送带运动以便运输网球。设计思想来自于农业中常用的玉米传送带输送机，输送机帮助农民节省大量人力。输送机主要依靠电机带动带轮运动，带轮运输玉米到达一定高度或位置。在选择梳齿的材料时，材料需要满足摩擦系数较大，密度较小，具有一定强度，刚度综合性能较好的要求。初步选择塑料和金属。在制造工艺方面，塑料通常是由模具制造一次成型，基本不需要后续工序，生产的效率较高。而金属材料通过机加工生产，同时需要抛光的步骤，工序复杂，成本较高，并且由于密度的影响，在重量上作比较会增加7-8倍，最终选择塑料作为梳齿的材料，密度小，摩擦系数大。在动力传动上利用电动机与两组带传动的方式，带传动可以缓冲吸振、有着传动比较平稳、使用维修简单、有着很好的挠性和弹性，价格低廉等一系列的优点[12]。在此设计中，利用梳齿运输网球，这里面的重要参数为带轮的倾斜角度，即梳齿的倾斜角度。具体计算过程如下：下图3-4中α为带轮的倾斜角度，即梳齿的倾斜角度。G为网球的重量，Fn为梳齿给网球的支撑力，Ff为梳齿给网球的摩擦力。为保证网球不从梳齿上滑落下来，需满足以下条件：Ff=0.6Fn=Gcosα,Fn=Gsinα其中0.6为塑料与网球之间的摩擦系数。计算出：tanα=1/0.6=1.667,所以α=59°。由于摩擦系数为初步估计，取α在50°到60°之间。图3-4角度计算示意图在此次提升机构设计中，仍然存在一定问题。在上述的计算过程中，抽取出一个网球作受力分析，简单地将周围网球对此网球的作用力抵消，初步计算出带轮的倾斜角度α。如果要求精准性，可能需要进一步的精细计算。提升结构的工作过程见下图3-5。图3-5提升机构工作过程图3.1.2.2序化转盘网球经过提升机构后，到达下一部分的序化转盘。序化转盘的主要功能就是将网球顺序化，送入下一个结构：分装部分。在结构上，序化转盘形状类似于圆盘，圆盘的中心轴旋转，固定在中心轴上的四个卷轮，卷轮旋转带动网球到达序化转盘的出口，即下一机构的入口处。在此机构中，由于从提升机构进入转盘的网球数量较多。因此，为保证其能够进行正常工作，不发生网球停滞堵塞的现象，机构的动力原件电动机传送到中心轴的转速要求较高。而在传动设计上，电动机安装为水平方向，而由于工作需要，此处，利用斜齿轮传动的方法，改变能量传递方向。随后，利用齿轮传动与带传动相结合的方式，稳定传递，减少振动，保证构件的安全性。其中的斜齿轮重合度高，接触面积大，可以减小应力，传动平稳。动力原理图如下图3-6所示。图3-6序化转盘动力原理图在结构中，序化转盘的外壳部分采用灰口铸铁，它的密度与其他钢类材料相对较小，可以减轻捡球机器人的整体重量。灰口铸铁的力学性能较低，但其耐磨性与消震性较好，可以提高使用寿命。而固定在中心轴的四个卷轮在材料上采用橡胶。它有着很好的弹性，并且回弹速度很快。在实际工作过程中，卷轮会经常与网球接触，为了保证网球的形状与表面质量不受到破坏，卷轮的材料必须弹性较好，否则会对网球造成伤害，并未能够达到保质保量的完成网球回收工作，而橡胶很好地满足要求，并且成本低廉，价格便宜。3.1.2.3分装结构分装结构是运输部分的最后一个部分。分装部分在结构上主要依靠疏齿实现网球的运输，多组梳齿竖直布置，将网球输送到顶端落入收集箱内。梳齿的旋转由电机直接经过带轮传送能量，带传动在传动过程中平稳性较好。结构示意图如下图3-7所示。图3-7分装结构模型示意图3.1.3回收收集部分设计收集部分用于存储在场地中回收的网球，同时是投射时网球的一个储备箱。采用一个普通的箱子，内部的底板装有倾斜的滑道，箱子后方设置有网球的出口，使得网球从后方滚出到达捡球机器人的尾巴部分，进而能够实现网球的投射。此箱子的大小约为360mm×490mm×185mm,国际标准网球直径为66mm,经过计算一个箱子大约能装200个网球。网球的标准重量在54.93—60.27克，误差值±1.77克。取一个网球的重量为57g，那么在装满的情况下，箱子的重量约为12kg。为了达到节省人力，更加人性化，在箱子左右两侧的下方装有连杆机构，利用液压缸驱动连杆机构带动箱子升高。在箱子倾斜的情况下，利用网球的重力自行掉落，减少人力成本。在此部分中，采用了液压元件液压缸，它可以说成是液压传动中应用最广的执行元件之一[13]，它将油液的压力能转化为机械能量，实现了往复的直线运动，在这里输出克服重力的支持力。在此处采用单杆式且是无杆腔进油形式的活塞液压缸。设计液压缸时，主要需要设计的尺寸有液压缸内径D和活塞杆直径d，主要根据最大总负载和设定的工作压力来设计。对于单杆式且无杆腔进油形式的活塞液压缸而言，液压缸内径D的计算公式如下：D=4一般情况下，设定回油背压p2=D=4工作压力是选取活塞杆直径d的主要依据，具体见下表。表3-2活塞杆直径参数表液压缸工作压力p（MPa）≤55-7＞7活塞杆直径（0.5-0.55）D（0.6-0.7）D0.7D在此处设计中，液压缸缸筒的材料采用Q345钢，Q345的抗拉强度最低值为490MPa，许用应力为210MPa。设定推力至少为F=G=mg=12×10=120N液压缸内径：D=参照液压工程手册[14]，见下表。最终取标准值8mm。表3-2液压缸缸筒内径（缸径）尺寸系列单位：mm810121620253240506380（90）100（110）125(140)160(180)200(220)250（280）320（360）400（450）500活塞杆直径：d=参照液压工程手册，见下表，最终取标准值4mm。表3-3液压缸活塞杆外径尺寸系列单位：mm416368018051840902006204510022082250110250102556125280122863140320143270160360液压缸壁厚计算：t=PD200其中：P为最大压力（kg/cm2），取S=δ5D为液压缸内径，取D=8mm。所以t=液压缸壁厚进行验算：δ当δDδ≥式中pmax为缸筒内最高工作压力，σ0.204mm＞0.18mm，满足条件。3.2投射部分设计在日常生活中，网球运动员为了训练，因此产生了陪练人员这一职业。陪练人员的存在造成人力资源浪费，成本较高的问题。目前市场上有一些发球机器的相关产品，工作原理主要分为以下两类：1.空气压缩原理。在文献中介绍一种网球自动发射器，主要包括动力部分，发射部分，装球盘，机箱以及其他附件。发射部分的机械结构主要由发射筒、击球杆、挡块以及蓄能弹簧组成。在积蓄能量后，达到一定能量之后，击球发射。2.对转双轮原理。主要是依靠两个快速旋转的轮子，利用摩擦力将球发出。轮子摆放方式有左右并排或上下并排两种。在此设计中，投射机构主要通过慢速带轮与网球之间的摩擦力实现输送，在上方加两个高速旋转的轮胎，利用弹力将球投射。在尾巴轨道处增加一舵机，用来实现投射角度的改变。在实际工作过程中，需要发射不同角度、频率和速度的网球以满足不同人员的要求。角度依靠安装在尾部的舵机实现改变，频率和速度利用调速电机来实现。结构图如下。图3-8投射机构模型图3.3底盘结构设计车底盘（如图3-9所示），主要包括以下部分：电动机，差速器，万向节，连杆转向机构，液压弹簧减震机构。如果要求机器人曲线行驶，左右两个车轮的速度要求不同，因此需要在中间加入差速器，以调整前后轮的转速差。差速器和万向节配合（如图3-10所示）实现后车轮的速度不同与转向灵活的要求，使得转向灵敏。在前方用舵机控制连杆转向机构（如图3-11所示），实现前轮的灵活转向，反应迅速。在车前后安装四个减震弹簧，适合高尔夫等多种地形场地，减少行驶过程中的振动，使得平稳运行。车总共六个车轮，中间的两个车轮用液压杆控制，可以脱离地面。根据实际行驶过程中路况以及速度的不同实现自我调节。图3-9底盘模型图图3-10差速器，万向节模型图图3-11连杆转向机构示意图第四章动力传动系统设计在此次仿生蝎子捡球机器人设计中，共用了四个电机作为动力源保证工作的正常进行。传动设计上主要选择带传动与齿轮传动。带传动具有缓冲吸振，传动平稳而且价格便宜等一系列优点，齿轮传动则具有工作可靠，寿命较高，传动比稳定等优点。这里具体介绍捡球叶轮处电动机和底座电动机参数选择，带传动、齿轮传动的计算和校核过程。4.1回收部分传动设计4.1.1工作参数及传动比设定捡球机器人设定条件为每分钟回收300个球，捡球叶轮由5个捡球拨片组成，初步设定拨片转速即中心轴转速为60r/min。传动方案上电动机经过V带减速与齿轮减速，达到平稳传动，稳定工作的效果。传动比的分配上，单级圆柱齿轮传动常用传动比不大于5，V带传动比不大于7[15]，综合考虑整体结构布局等因素，带传动传动比i1=3，齿轮传动比i2=5。4.1.2电动机参数的选择（1）确定电动机转速：n=计算后，选取电动机的转速为900r/min（2）确定电动机力矩：T=T初步估算捡球阻力矩T为5N·m,η为电动机的传递效率，n为电动机转速[16]，算得力矩T=0.48N·m=4.896kg·cm(3)确定电动机功率：P最终选择直流电机60型减速箱功率为30W，转速为600r/min，转矩为0.48N·m4.1.3V带传动设计在本设计中有多处采用V带传动，在此仅对电动机与齿轮传动之间的V带传动做详细说明，设计过程参照第九版机械设计教材，其他的计算及校核过程不再赘述。工作条件为电动机功率为30W,转速为600r/min,传动比为i1=5，每天工作8h。（1）确定计算功率Pca计算功率Pca取决于所传递的功率P以及带的工作条件等。P式中：PcaKA—工作情况系数，在下表4中查得工作情况系数KAP—所需传递的额定功率，单位为KW。表4-1工作情况系数KA工况KA载荷变动小带式输送机、通风机、旋转式水泵和压缩机、发电机、金属切削机床、印刷机、旋转筛、锯木机和土木机械空、轻载启动重载启动每天工作小时数/h＜1010-16＞16＜1010-16＞161.11.21.31.21.31.4（2）选择V带的带型根据计算功率Pca和小带轮转速n1，确定带轮的基准直径dd并验算带速v=1\*GB3①初选小带轮的基准直径dd1。根据V带的带型，确定小带轮的基准直径。查下表5中相关参数，取小带轮的基准直径dd1=112mm表4-2普通Z型V带轮的基准直径系列带型基准直径ddZ50,56,63,71,75,80,90,100,112,125,132,140,150,160,180,200,224,250,280,315,355,400,500,630=2\*GB3②根据下式验算带速v，带速应适中，一般带速v处于5~25m/s的区间内，带速v最高也不应超过30m/s。（4-2）m/s故带速合适。（3）计算大带轮的基准直径dd2=i（4）确定V带的中心距a，并选择V带的基准长度Ld一般初选带传动的中心距为0.7（初定中心距为400mm。计算带所需的基准长度：L选带的基准长度为Ld=1540mm计算实际中心距a：a≈（5）验算小带轮上的包角：为了避免打滑，提高带传动的工作能力，应使α（6）确定带的根数z：所选V带的单根基本额定功率0.24kW，额定功率的增量0.02，修正系数0.95，根数z的计算公式如下z=将z圆整，取z=1（7）确定带的初拉力：(Fd0式中q为V带单位长度的质量，q=0.10kg/m，将式（4-3）代入数值可得：(（8）计算带传动的压轴力：F4.1.4齿轮传动设计本设计中共有多处应用齿轮传动，在此仅对电动机与捡球叶轮之间的齿轮传动做详细，说明，设计过程参照第九版机械设计教材，其他的计算及校核过程不再赘述。设计参数：小齿轮转速为60r/min输入功率P=0.045×选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数本文中选用直齿圆柱齿轮传动，一般其压力角为20°。考虑机器类型，选取齿轮传动的精度等级为7级。在材料选择上，选择小齿轮的材料为40Cr，其齿轮硬度为280HBS，大齿轮的材料为45钢，其齿面硬度为240HBS选择小齿轮齿数为z1=18，大齿轮齿数z2=uz1=5×18=90。根据工作条件，按照齿根弯曲疲劳强度设计：计算模数：mt确定公式中的各参数值=1\*GB3①试选KFt=1.3=2\*GB3②计算重合度系数∝∝εY=3\*GB3③计算YFaYsa查图得YFa1=2.84YFa1=2.33试算模数m调整齿轮模数计算实际载荷系数前的数据准备圆周速度vdv齿宽bb宽高比b/hh=b计算实际载荷系数K=1.518m=m取标准模数m=1.25计算分度圆直径：dd计算中心距：a=计算齿轮宽度b一般将小齿轮略为加宽5-10mm,最终取齿宽b1=23mm。4.2投射部分传动设计投射部分参数初步设定为发射网球的速度为72r/min。此设计中采用链传动与齿轮传动相结合，链传动相比于齿轮传动，这里减少了重量，较为轻便。电机选用YDS56型号，转速为22.4r/min,0.09KW的低速电机，采用1：2的链传动实现稳定传输，齿轮为20:36的传动比实现升速。具体设计和回收部分设计方法相似，此处不再赘述。4.3底座电动机选择电动机输出力矩为T=9.55fVηn式中：f—摩擦阻力，估算摩擦阻力f为10N。η—传递效率，V—运行速度，设计机器人最高运行速度为1m/s。n—电动机转速，此处电动机的转速为110r/min。经过计算，电动机输出力矩T为12.2kg.cm,初步选择步进型电动机。步进型电动机具有良好的起停和反转效应，反应灵敏。参照下面表4-3，最终选择型号为F-86BYG1835的涡轮步进电机。表4-3步进电机参数表型号保持转矩（N.m）额定电流(A)相电阻（Ω）相电感(mH)引线数转动惯量(g.cm3)重量（kg）厚度（mm）F-86BYG18353.52.41.22.4413001.8667.5F-86BYG18454.54.01.02.418002.8380.23F-86BYG18656.54.20.82.425003.0096F-86BYG18858.55.00.762.537003.95119.5F-86BYG18909.06.00.81339004.18126F-86BYG1812012.06.00.953.756005.501564.4控制部分4.4.1控制部分器件选择控制部分器件选择单片机at89s51型。在考虑控制距离远近，控制方法后，我们决定运用单片机为主要控制元件，在单片机上加上通讯接口，外接手柄，提供给用户使用。特点:1.操作简单，容易上手。2.通过单片机和手柄实现了人机交互。3.控制稳定，可靠安全，并且成本相对较低。硬件原理图：图4-1AT89S51最小应用系统图4-2主程序4.4.2输出模块直流无刷驱动电路如图4-3所示，无刷直流电机程序图如图4-4所示。图4-3直流无刷驱动电路图4-4无刷直流电机程序图4.5传感器的选择要实现机器人完整的功能实现，不仅需要合理的机械结构，而且需要选择合理的传感器实现人机交互[17]。传感器是将被测的信息为了便于传递、变换处理和保存的信息，而且不能受外界因素影响的装置。传感器的参数主要包括灵敏度、响应特性、线性、稳定性、精确度、测量方式及其他因素。机器人最精密的部分就是定位传感器，查找大量资料，经过对比，在充分考虑到成本，精度，距离等问题后，我们最终选择热敏元件为热敏电阻式红外线传感器，热敏电阻感受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过电路转化成为电信号输出，达到精确定位的功能。它采用先进成熟的集成电路，耗电低，而且感应灵敏，在医学，军事等领域有着应用的广泛。第五章关键零件强度校核利用有限元分析的方法，校核部件的可靠性，在添加材料之后，在实际工作的条件下，是否满足实用性。在此设计中，天然橡胶发球轮的中心轴不断旋转，持续发球。因此有必要对中心轴进行校核，保证一定的寿命。采用的材料为高强度合金钢，在ansys软件中施加力矩为500N.mm的环境下进行应力分析，得到一下结果：图5-1轴变形图由于变形量的变化极小，故可以使用高强度合金钢，满足要求。第六章经济性分析6.1功能设计经济性产品的功能可以分为必要功能和多余功能。必要功能是产品不可缺少的功能，多余功能是用户用得较少或者根本不需要的功能。有时，增加设计的多余功能甚至会增加成本预算，需要慎重考虑。在本设计中，各种结构紧密围绕网球回收和投射两个功能展开设计，实现产品价值的最大化和成本合理性的要求。6.2结构设计经济性结构设计主要是零件与零件之间的连接或者部件与部件之间的连接。不同的结构会引起不同的工艺问题、成本预算、劳动成本、产品质量等因素。采用合理的结构如：材料时选用轻质、低廉材料；尽量采用标准件，保证产品的互换性；采用可拆卸结构以便安装，维修方便简单。在本设计中，主要使用带传动、链传动、齿轮传动、液压传动等简单方式，提高产品的结构工艺性。6.3造型设计经济性产品以外观造型展示给用户，如果一个产品在外观造型上缺乏美感，很难激发用户的购买欲望。在本设计中，巧妙模仿蝎子的外观形状，利用蝎子的各个肢体部分完成网球回收和发射的结构设计。在尽可能美观舒适的造型下，满足功能要求，降低生产成本。6.4成本设计经济性成本是衡量一个产品是否可行的关键因素。作为产品，用户是广大群体，必须考虑各个阶层消费水平的不同，下表是对本产品成本计算的初步估计，此产品成本约为1万元左右。表6-1成本明细表名称数量（个）费用（元）电动机4700齿轮1080传送带550车轮6420发球轮280固定轮4120差速器1200万向节224减震器4260钢材3000加工费用4000总计8934第七章主要创新点1.在外形上：蝎子外观，巧妙利用钳子与尾巴实现回收与投射功能2.在功能上：结合回收，收集及投射功能于一体。3.加装单片机，为用户提供了方便的控制方式，运用传感器技术，提高了本作品自动化的程度。4.机器人整体安全可靠，机构拆卸方便，方便维修。第八章应用前景根据日常生活实践经验，人工捡球速度为一分钟可以捡起20个球，而机器人回收装置的转速控制在60r/min,,估计一分钟可以回收300个球，机器人回收效率是人工捡球的15倍左右，明显提高了回收球的效率。根据零件材料费用和加工费用，初步估算蝎子机器人成本为一万元左右，具有低成本，高效率的优势。随着中国社会的快速发展，仿生机器人必然将成为新社会的一股新力量。机器人作为人类的一大帮手，已经出现在工业，医学，服务等各个领域。同时，机器人不仅是时代进步的象征，更是象征着一个国家的科技综合水平。因此，机器人具有可观的发展前景。在另一方面，人们更加注重健康生活，球类运动更是走进大多数人们的生活中。因此，回收球类机器人具有很大的需求量。本作品具有可回收，收集，投射功能于一体，操作安全简单等优点，在实现产业化生产后，可以将学校，大型体育训练场等作为主要市场，商机无限。第九章总结通过本次的设计培养了自己理论联系实际的设计能力。本次设计题目原是2018年全国机械产品数字化设计大赛的题目，在比赛过程中，我们完成的工作是建立模型，撰写说明书。在设计过程中，由于欠于