--目錄TOC\o"1-3"\h\u2994摘要 II3337Abstract III18373第1章緒論 6104791.1課題研究背景及意義 643681.1.1課題研究背景 6257751.1.2課題意義 7144911.2噴藥機器人國內外研究現狀分析 7321711.2.1國外研究現狀 793311.2.2國內研究現狀 8258331.3研究的主要內容 11268第2章基于噴藥機器人結構總體方案設計 12246432.1噴藥機器人送機工作原理簡介 128122.1.1電池組選取分析 1316512.1.2基于噴藥機器人電池方案對比 14285552.1.3噴藥泵選取 14303792.2噴藥機器人控制系統流程圖設計 1521772.3本章小結 1621005第3章噴藥機器人結構設計 17230833.1噴藥機器人行走驅動電機選型計算 17117123.2噴藥機器人絲杠提升機構選型計算 18247443.2.1噴藥機器人絲杠選型計算 19109223.2.2噴藥機器人電機選型計算 2185483.3噴藥機器人連軸器的選型 2320853.4噴藥機器人噴藥泵輸出鏈接管選型 24224073.5噴藥機器人提升機構導軌選型計算 25289623.6噴藥機器人絲杠核校 2653743.7噴藥機器人導軌滑塊壽命核校 27326613.8噴藥機器人聯軸器核校 2812143.9噴藥機器人底盤架體進行靜力分析 2841353.10本章小結 298240第4章噴藥機器人控制部分設計 3042154.1控制部分硬件設計 30309514.1.1PLC選用 3011464.1.2噴藥小車控制系統流程圖 312664.1.3噴藥小車系統主電路設計 3191394.1.4噴藥小車系統硬件清單 32205084.1.5I/0接口分配 32136624.2控制部分軟件設計 3338564.2.1噴藥小車系統順序功能圖 34191414.2.2噴藥小車系統主程序 34198984.2.3噴藥小車系統手動控制子程序 35126224.2.4噴藥小車系統自動控制子程序 36218004.2.5噴藥小車系統噴嘴往復控制子程序 405284.2.6噴藥小車初始化子程序 41259574.3控制部分仿真分析 4189394.3.1噴藥小車系統仿真接線圖 416944.3.2噴藥小車系統軟件仿真 43280204.3.3硬件仿真 46218374.4本章小結 494664結論 5030725致謝 5117186參考文獻 52緒論課題研究背景及意義課題研究背景在葡萄的生長過程中，很容易受到各種病害的侵襲，比如：普通的灰霉病，黑痘病，穗軸褐枯病；還有，在對金龜、綠盲蝽、薊馬等害蟲進行治理的時候，要及時噴灑藥劑進行防制，控制好；不然的話，不僅會影響到它的開花結果，還會導致它的產量下降。圖1-1葡萄展示圖發病特征：果實、枝條、葉片及卷須等均受黑粉菌侵染。感染部位出現棕色的小圓斑，并逐步增大和下垂，在病斑上形成近似環形的同心輪紋樣，并生出小黑點，呈平行排列；黑色斑點為分生孢子盤狀，在濕度較大的情況下，分生孢子盤狀滲漏出的粉色凝膠狀分生孢子球。病害會蔓延至果實的全表面，使病害果實變得干燥萎縮，形成僵果。發生規律：通常從六月開始即可進入病害，在七月至八月是病害高峰，在臨近成熟時病害一天比一天嚴重。經多年觀測，在果實凋落后的半個月內（六月10-15號），是一年中首個病害高峰期。到八月十日左右，因果實成熟率高，遇有酷暑、暴風雨等天氣，黑斑病將會出現嚴重的病害發生盛期；這是一年中危害最大的時刻。由于上述的葡萄作物具有較高的發病頻率，因此，其主要的防控方法就是在各個疾病的基礎上，對其進行噴藥。繁瑣人工的噴藥工作給農業生產帶來了很大的影響，因此，在這篇論文中，我們將使用機器人來取代傳統的噴霧工作，來進行農藥的噴霧工作。這樣可以避免人力的浪費，也可以避免過量噴灑不均勻的問題。圖1-2機械化農藥噴灑課題意義本次設計的一款新型噴藥機器人，降完善農業設施的噴藥步驟，因為藥物對人體有害，可使人脫離危險環境工作，這也是機器人的必然發展方向，其小型化解決了空間占有率以及成本問題，新型噴藥機器人的出現，可為機械農業、以及無人農業替代普通農業實現快速轉型的基石，多樣化的農業機械將成為未來農業發展的方向。噴藥機器人國內外研究現狀分析國外研究現狀目前，日本在農機領域的發展處于領先地位，日本已成為全球農機開發大國；也是第一批對農用機器人進行研發的國家。當前，世界上的機器人主要有兩大類型：一是工業型，二是特殊型。在這里，工業機器人是一種以工業為目的的多關節操作員或多自由度機器人，而特種機器人是一種除了工業機器人之外，還被用于非制造業和為人類提供服務的各類先進機器人。農業機器人是一種將四肢行動、信息感知能械技術等多種前沿科技結合在一起的新型機器人，它屬于特種機器人的范疇。于一九八四年，第一個被京都大學的近藤直教授引進到農藝中的機器人。隨著我國農業產業向工業化、規模化、精準化方向發展，我國的農業機器人研究與開發已在種苗、插秧、嫁接、農作物收割等環節取得了一定的成果。農業機器人在提高農業生產力，改變農業生產模式，解決勞動力短缺和農業生產規模等方面具有重要意義。由于受到技術水平、從農勞動力市場、經濟狀況等多種因素的限制，農業機器人在各個國家都沒有被普遍使用。圖1-2近藤直機械人引用農業報告會美國的機械工業，也是最發達的國家之一，他們開發出了很多全自動的機械，這讓美田的農場，得到了很大的發展。英國在農業機械方面的發展也很快，根據各種農作物品種，配備了各種類型的機械裝置，使其在農業機械方面的應用得到了很大程度的提升。57年以前，由科尼尼斯·西林開發出的農業機械被稱為“農業機械人”，這是全球首款通過裝在地溝里的觸須驅動的、完全自動化的、沒有人的農業機械。在班加羅爾，一家創建于2015年的新企業TartanSense近日獲得了2百萬美金的原始投資，該投資將為小型農場的農民提供一種能夠讓他們支付不起幾千美金的農業工具的服務。一家名為MetoMotion的以色列創業企業于2016年接受了270萬美金的投資，該投資將在全球1150,000公頃的大棚中從事高強度工作（人工費用在整個大棚中所需費用中所占比例為30-50%）。國內研究現狀機器人工業是一個新興的行業，在過去30多年里得到了迅速的發展。從“七●五”時期起，中國就在全國范圍內開展了一系列的工作，并于一九八七年被列入了“七個優先發展方向”的其中之一進行重點研究。通過十多年的努力，我國在水下、空間、核領域等專用機器人領域，已經獲得了令人振奮的成就，一大批的機器人產品和機器人的應用工程已經出現。截止到20世紀90年代末期，我們已經完成了100多個農業機器人應用項目，建立了20個機器人產業化基地，200多個從事機器人研究、開發和應用工程的企業，50多個專門從事機器人產業開發的企業，在全國范圍內，已經有將近800個農業機器人的用戶，已經擁有了大約4000臺農業機器人。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中，我國將“面向未來”的新技術領域列入了“面向未來的發展”戰略，并在此背景下，增加了對其的科研投資，建立了相應的科研基礎設施。但是，目前我國對該領域的投入仍以科研項目為主，缺乏對該領域的技術支撐；我們與國際先進水平的距離并未顯著縮短，尤其是在關鍵元件、產品產業化和基礎科研等領域。到了一九九八年，八六三項目帶動的一些工業型機械人，總價值僅僅一億多元而已。但是，隨著中國快速發展，許多大型的機器人企業也意識到了這一點，他們帶著自己的技術、資本等方面的優點，開始進軍中國。可以說，當前中國的機器人行業仍處于外資主導地位，而國內的機器人技術發展還沒有達到規模化應用與工業化的程度。圖1-3全國農業機器人國內增長率通過數十年的學習和引入，中國已經在機器人運動學仿真、動力學仿真和某些典型工業機器人機構分析軟件上獲得了一定的成就。但是，就整體而言，中國的機器人機械技術與國際上存在著很大的距離，在此之前，我們并沒有構建一種多用途的機器人系統，也沒有運用技術對許多專門問題進行深入的研究。我們所開發的工業機器人，大部分都是從90年代初期日本的原型機中復制出來的，部分核心部件都是從國外引進的，“七五”計劃中有一系列單獨的項目，但是這些項目都無法在短時間內應用到國內，所以我們還沒有形成一套完善的系統，無論是在理論上還是在實踐上，都遠遠落后于國際上。在我國，使用自主開發的機器人進行實際項目的研發工作才剛開始。在國內，最近幾年，關于行走機構的基本理論，取得了很多的進展，但是行走機構的實際模型和原型卻很少，而且和國際上的領先水平還有很大的距離。由于國家政策深入，以及市場前景的需求，國內涌現出大量機械人生產廠家，包括合資與獨資生產企業，注明的企業如下：1、富士康工業互聯網股份有限公司，通信網絡設備、云服務設備、精密工具及工業機器人專業設計制造服務商2、杭州國辰機器人科技有限公司，以智能機器人關鍵為核心技術，提供智能機器人、特種機器人、機器視覺檢測產品整體解決方案。3、沈陽新松機器人自動化股份有限公司，以機器人技術為核心，致力于全智能產品及服務的高科技企業。4、南京埃斯頓自動化股份有限公司，形成了“核心部件—工業機器人—機器人智能系統工程”的全產業鏈競爭力5、哈爾濱博實自動化股份有限公司，工業機器人、自動化成套裝備及系統解決方案，并提供相關的增值服務6、湖北三豐智能輸送裝備股份有限公司，以智能控制技術為核心，提供產品集成以及整體規劃方案7、廣東拓斯達科技股份有限公司，專注于工業機器人為代表的智能裝備的研發、制造、銷售8、武漢華中數控股份有限公司，工業機器人研發、生產與銷售，各行業自動化生產解決方案9、深圳市大疆創新科技有限公司，無人機系統、手持影像系統與機器人教育領域領先品牌10、北京臻迪科技股份有限公司，以人工智能科技為核心的機器人高科技企業與國際先進水平比較，國內在這一領域的研發工作還處在初級階段。到現在為止，我們已經研制成功的機器人有：耕作機器人，除草機器人，施肥機器人；噴藥機器人，嫁接機器人，收獲機器人，采摘機器人，等等。由中國農大開發的采瓜機器人采用了多個感知信息的信息融合技術，通過判斷被采瓜物體的成熟性，判斷出被采瓜物體的收獲點，從而指導機械臂去拿起被采瓜物體；北京農林科學院開發的草莓采收機器人能夠自主發現、識別并采摘到林木球果，不但減少了采摘的人力費用，而且還能減少勞動強度；東北林業大學開發的林木球果收集機器人能夠在林木球果快速成熟期內進行批量收集，這對于森林的生態保育、更新和可持續發展都有著十分重大的意義，很好的解決了當前我國仍然是以上樹采摘為主的林木球果收集方式為主的問題。伐木機器人是一種重要的林業生產設備，可廣泛地應用于林業生產中，為解決我國的林業問題提供了一種新的途徑。圖1-4噴藥機器人圖1-4采摘機器人在西方發達國家，農機在促進城市化和解放勞動力中起到了重要的作用。目前，我國在農用機器人方面的發展還處于起步階段，與國外相比還有較大的距離，因此，中央政府應該加強對農用機器人的支持，加大對農用機器人的投資；并通過推行農機高新技術補貼政策，指導農業機械向精準化、自動化及柔性化發展，則我國的農業機器人技術將迎來繁榮發展。研究的主要內容根據國內噴藥機械以及噴藥技術比較落后的現狀，設計一款符合國情的噴藥機器人服務于農業大眾，其要具有自走型，能源采用清潔能源電力，不易采用不可再生能源，因為隨著國家能源基礎的發展，國內電池行業已經經過一代一代的改革改良，可應用于汽車等大型用電設施，所以電池可完全應用于我們設計的噴藥機器人的電力供應系統，能源的可再生性，可降低使用者以及企業的成本，新款噴藥機器人還需要實現無人化，其采用電機提供動力，電動轉向橋提供轉向功能，電動轉向橋可通過PLC電控系統實現規定路徑規定點位的行走工作，噴藥機構采用可旋轉可升降，其結構簡單功能性強，基本替代了普通噴藥機結構的復雜性，其經濟性也不容置疑。研究對象：基于PLC控制的噴藥機器人設計研究的內容：研究噴藥機器人的使用環境。研究機器人的機械結構參數以及結構組成。研究噴藥機器人主要結構件選型計算。研究機器人的電控程序以及完成主要元器件選型、系統電器原理圖、外部接線圖設計、并實現程序仿真。研究機器人三維、仿真動畫完成噴藥機器人二維工程圖繪制（圖紙繪制量不少于1張A0）基于噴藥機器人結構總體方案設計噴藥機器人基于大棚內植物種植為研究內容，大棚可全年種植，生長周期短，果實成熟快，其噴藥工作強度大，相比室外種植，室內種植更加需要噴藥機器人，所以針對其結構進行相關設計。噴藥機器人結構設計噴藥機器人是代替人工作業的一種新型機器人，其結構組成為底盤、驅動輪、轉向輪、噴藥升降旋轉機構、變頻噴藥泵、鋰電池組、分格式藥箱等組件組成。其工作原理為：工作環境為室內種植，擬定種植作物為普通等作物，種植間距為橫向1m,縱向0.6米，路面為土路或者室內平坦路面，室內坡度不大于0.5°，有PLC控制系統，對小車進行控制，實現點位以及多種路徑選取行走，行走機構為電機帶動驅動輪實現行走，轉向為轉向輪進行轉完轉向，噴藥頭有絲杠絲母進行噴藥頭升降，實現重作物底部到作物頂部的全方面噴藥動作，噴藥機構可進行旋轉，切換左右側施工作業面，針對作物不同種類藥物，配置多種類儲存箱體，根據藥物噴灑霧化要求以及每平方米噴射濃度，配置變頻噴藥泵，可對不同藥物所需不同壓力進行壓力調試，其結構簡圖為下圖所示：圖2-1噴藥機器人結構簡圖電池組選取分析現階段市場上有鋰電池以及鉛酸電池兩種是最為普遍，也多作為能源供應選取的品類。鉛酸電池（VRLA）：這種特殊類型的電池使用硫酸作為電解液，電極主要由鉛及其氧化物組成。鉛酸電池的放電狀態在這種狀態下，二氧化鉛作為正極的主要成分，而鉛作為負極的主要成分。硫酸鉛在充電狀態下作為正負極的主要成分。單格鉛酸電池的額定電壓為2.0伏，能夠放電到1.5伏，充電到2.4伏；在應用中，經常用6個單格鉛酸電池串聯起來組成標稱是12V的鉛酸電池，還有24V、36V、48V等。圖2-2鉛酸電池結構原理（2）鋰電池鋰電池，又稱二次電池，是鋰金屬或鋰合金的化學制品。鋰電池的正極活性物質主要是碳、鋰和氧；負極活性物質主要是石墨、鈦酸酯類化合物和過渡金屬（如鈷、錳）等。圖2-3鋰電池結構原理基于噴藥機器人電池方案對比基于噴藥機器人電池方案對比：電池現有兩種結構方案分析，采用鉛酸電池與鋰電池進行選取，噴藥機器人電池要求，運行穩定，電流電壓輸出穩定，結構小巧，續航時間長等特點進行兩種電池方案對比，并卻終確定電池選取方案。圖2-4鋰電池結構原理鉛酸電池：鉛酸電池，一般續航時間長，很少有自燃性，鉛酸電池一般體積比較大，鉛酸電池工作溫度要求在20℃-25℃，低于15℃，其電容量下降，每降低1℃，其電池容量下降1%，而溫度過高大于30℃其壽命就會大大縮減。鋰電池：能量比較高，其高儲存能量密度，其最高值已經達到460-600Wh/kg,是鉛酸電池的6-7倍，其使用壽命也比較長，最高使用壽命可達6年以上，額定電壓高，單體工作電業可達3.2V-3.7V，約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓，重量輕體積是鉛酸電池的1/5-6，高低溫適應性能強，可在-20℃-60℃環境下使用，綠色環保，不論生產和使用、報廢其也不產生任何鉛、汞等有毒有害重金屬元素。總結以上兩種電池組對比，鋰電池具有體積小，續航時間長等優點，所以選取鋰電池作為噴藥機器人的能源供應原器件。噴藥泵選取現有噴藥泵有普通噴藥泵以及變頻噴藥泵兩種，普通噴藥泵無法控制系統壓力只能在一個壓力數值內工作，聲音比較大，變頻噴藥泵，可控制系統噴藥壓力，且工作噪音比較小，系統控制壓力可在一定數值內，可手動以及電動調節系統噴藥壓力符合，所以本次設計選取變頻噴藥泵作為噴藥機器人的噴藥原動力。噴藥機器人控制設計噴藥機器人控制系統設計，噴藥機器人行走運動動作都是由PLC控制系統來進行精準控制，已知作用環境參數：表2-1已知參數表名稱外形尺寸作業環境小車行走速度藥物種類點位停頓時間噴藥機器人1m*0.8m*1.5m室內與室外0.3m/s2種10s（1）作業環境：擬定作業環境為橫向寬10m,縱向10米為例，設計小車行進運行軌跡如下圖：圖2-5小車行進軌跡圖（2）小車由起始點出發到第一轉向點，左轉，到紅色種植點停頓，實施升降噴藥動作，依次行進至底部，然后退回第一轉向點，繼續前行到第二轉向點，重復動作采用旋轉方向切換至左邊，噴藥機構切換至右邊工作退回，依次完成左右轉向點位置，運行至最終點退回，回到小車歸零點。小車控制系統，有三大控制結構：控制系統由，啟動器、電池、主控制系統、行走系統、路徑規劃、升降系統、噴藥泵系統、升降暫停噴藥、工作面切換、行走倒退系統等組成。小車軌跡識別系統規定固定點位為基準，實施點位工作，路徑采用激光導向實現直線行走，轉向采用定點轉向原理，避讓采用安全光柵尺，暫停避免碰撞，以及配合超聲波。圖2-5小車系統流程圖結合機械結構與電控程序控制，完成噴藥小車結構與系統方案設計，使其捏合實現所介紹的整體功能。噴藥機器人整體設計噴藥機器人采用機械模塊化設計，每一部分功能機械結構都已模塊化進行設計組裝，其方便更換，其機械結構功能具有行走功能、轉向功能、噴頭升降功能、噴頭旋轉切換工作面功能等機械結構組成，其整體控制方案是以PLC進行點位置進行路徑行走以及工作面作業控制。2.3本章小結通過對噴藥小車的方案結構設計，擬定機械結構方案與控制系統完成，完成所需任務要求，完善總體思維邏輯能力，以及噴藥小車整體運行流程，對比結構選型采用最優化設計，完成小車直線行走導引，以及固定點轉完，還需對定點工作切換等內容進行研究，完善自己自身知識，豐富論文內容。噴藥機器人結構設計噴藥機器人科學化選型計算是機械設備設計的理論依據，是使噴藥機器人設計計算更加合理，以及少走彎路，完成其基礎設計的必備知識儲備，是一個合格機械設計工程師掌握的必備知識，所以機械設備的設計必須要重理論化設計結合實際設計經驗才能做出一款好的設備，下面針對噴藥機器人主要零部件進行選型計算。噴藥機器人行走驅動電機選型計算行走驅動電機是噴藥機器人的主要動力行走裝置，它是通過電機提供驅動力使噴藥小車實現行走功能，驅動電機選型計算需要通過負載以及小車行走速度來決定電機的參數選取，行走裝置電機選取的是直流大扭矩電機，其占用空間小，力矩輸出大，所以適合噴藥機器人的功能性使用。已知噴藥小車行走速度為0.3m/s，通過小車質量計算為700Kg,加速時間為2秒。1）計算小車負載，小車負載包括提升裝置負載，以及車體框架體，驅動橋，轉向橋，電池，藥箱，以及各類農藥的所有質量總和，為小車的總負載。（3-1）G-重力單位Nm-質量單位Kgg-常數單位Kg/N2）噴藥小車驅動輪轉速計算，已知小車車輪直徑為280mm（3-2）n-小車輪轉速單位r/minV-速度單位m/sD-車輪直徑單位mm3）噴藥小車加速度數值計算（3-3）V速度單位m/st-加速時間單位秒4）噴藥小車加速距離計算（3-4）V速度單位m/sa-加速度單位m/s2噴藥小車行駛阻力噴藥小車在行進運行過程中主要是克服滾動摩擦所以進行滾動摩擦力計算。（3-5）G-重力單位Nm-質量單位Kgf-滾動摩擦力系數由上訴公式計算小車再行進的過程中的滾動阻力為137.2N。加速阻力計算汽車再加速行駛時，需要客服其質量加速運動的慣性力，就是加速阻力。（3-6）m-質量單位Kga-加速度m/s27）由于路面非平整路面，所以噴藥小車以5°坡角進行坡度阻力計算（3-7）m-質量單位Kgg-常數單位Kg/Na-坡度角28）噴藥小車牽引力計算（3-8）9）行駛阻力距（3-9）R車輪直徑單位m10）求解減速裝置負載扭矩（3-10）噴藥小車驅動橋電機功率確定（3-11）T-扭矩單位N.mn-車輪轉速單位r/min噴藥小車驅動橋電機額定功率（3-12）13）噴藥小車驅動橋電機輸出扭矩（3-13）根據計算得出電機輸出功率為0.705Kw,電機輸出扭矩要197牛米，由于電機安裝再驅動橋上，所以電機要具有防水能力，防止水燒壞電機，所驅動橋電機選取型號為YSE802-0.75Kw符合設計要求。噴藥機器人絲杠提升機構選型計算絲杠提升機構主要是噴藥頭上下升降的作用，可以實現對農作圖重底部到頂部的升降，以及多次往返，可對農作物進行細致噴藥，所以升降機構非常重要，其升降原理是滾珠絲杠傳動副，由旋轉變換成直線運動的一種機構，通過電機正反轉來來切換升降方向。噴藥機器人絲杠選型計算（1）絲杠升降裝置基本參數確定工作臺以上質量：22Kg減速時間：t2=0.15工作臺質量：5Kg無效行程：0.15mm工作臺升降行程長度：600mm定位精度：±0.3mm/1000m最大速度：0.1m/s最小進給量：S=0.02mm/脈沖加速時間：t1=0.15s壽命時間：10000h導向面上的摩擦系數：u=0.1導向面阻力=3N（2）絲杠升降結構電機類型確定電機啟動時間：步進電機啟動時間為0.2-0.4S，伺服電機加速時間為0.15S，減速時間為0.15s本次計算為負載輕要求精度過高不共振現象，所以本文采用步進電動機。（3）絲杠選擇：要求定位精度為±0.3mm/1000m≈±0.09mm/300mm,選取THK滾動絲杠為例圖3-1絲杠精度選取圖所有滾珠絲杠的導程精度選擇：C7(±50um/300)符合本次設計要求行程為600mm，單邊預留5毫米總行程為610mm。（3-14）（4）升降機構絲杠導程的選擇（3-15）P:導程(mm)V：速度（mm/s）n:轉速（s/rad）（5）升降機構絲杠直徑計算導程為10mm絲杠如圖2.3所示THK提供的絲杠軸外直徑與導程的標準組合：圖3-1絲杠外直徑與導程選擇標準根據圖3-1選取符合絲杠導程為10的絲杠直徑，符合要求的有直徑為20/25/32的絲杠。表3-1導程10直徑對比表絲杠直徑202532導程10mm10mm10mm（6）升降機構絲杠容許軸向負荷計算：（3-16）Vmax-絲杠最大允許轉速t1為加速時間單位s（7）升降機構去路加速時軸向負荷為：（3-17）通過計算所得Fa1=44.5Nu-摩擦系數m1-負載質量單位Kgm2-滑塊質量單位Kgf-導向面阻力單位N（8）升降機構去路等速時：（3-18）通過計算所得Fa2=28N（9）升降機構去路減速時：（3-19）通過計算的Fa3=11.5N（10）綜上所述計算得作用在絲杠上最大的容許軸向負荷為44.5N圖3-2容許軸向負載線圖根據3-2圖所知，固定固定的安裝方法，660mm的安裝間距，直徑32的絲杠最大容許軸向負載為2KN左右，符合要求。噴藥機器人電機選型計算步進電機為開環控制裝置，將電流信號轉化為線性位移或角位移。在不加負載的情況下，電機轉速和停車位置與負載的關系不大，只與脈沖的頻率和個數相關。以某一角度以預先確定的方向轉動電機。這就是所謂的"步距角"，因為它的每個步驟都有一定的旋轉角度。通過這種方式，可以調整角位移量，從而準確地確定出被測物體的位置。噴藥機器人采用步進電機驅動，采用螺旋絲杠副傳動完成噴藥機器人的噴頭的往復升降。（1）升降絲杠質量計算（3-20）D-絲杠直徑單位mp-絲杠密度L-絲杠長度單位m（2）升降絲杠轉動慣量：（3-21）m-絲杠質量單位kgr-絲杠半徑單位mj絲杠-轉動慣量單位Kg.m2（3）聯軸器轉動慣量：（3-22）（4）總慣量（3-23）根據以上計算數據選取步進電機，選取符合噴藥小車的步進電機。表3-2預選電機主要參數表型號步進角電機長度保持轉矩轉動慣量kg*cm2ECMA-CX0807FS1.8°178mm10N*m1.47（5）勻速轉矩（3-24）F-負載單位Nph-導程單位mm（6）轉速（3-25）V-速度單位m/sph-導程單位mm（7）角速度（3-26）N-轉速單位r/min（8）角加速度（3-27）（9）負載轉矩（3-28）（10）T加速轉矩（3-29）（11）停止時轉矩結論電機合格（3-30）結論：步進電機型號ECMA-CX0807FS符合噴藥小車升降系統結構設計性能。噴藥機器人連軸器的選型根據噴藥機器人的工作狀況以及精度要求，分析其結構作用，選取適合噴藥小車升降絲杠傳動裝置的聯軸器，經過對連軸器的分析，選取梅花聯軸器作為絲杠傳動的鏈接傳遞部件也就是我們常說的聯軸器。梅花聯軸器是一種應用很普遍的聯軸器,也叫爪式聯軸器,是由兩個金屬爪盤和一個彈性體組成。兩個金屬爪盤一般是45號鋼，但是在要求載荷靈敏的情況下也有用鋁合金的。表3-3梅花聯軸器圖片示意聯軸器選取規則，步進電機最大輸出扭矩為10N，絲杠傳動需要扭矩為7.32N所以根據扭矩以及轉速要求選取符合傳動方式的梅花聯軸器，查詢手冊，聯軸器LYCA-55型號連軸器符合圖紙設計要求，額定扭矩為20N.m最大扭矩為32N.m，聯軸器極限轉速為8000r/min,符合要求。優點：梅花聯軸器結構簡單、無需潤滑、方便維修、便于檢查、免維護，可連續長期運行。高強度聚氨酯彈性元件耐磨耐油，承載能力大，使用壽命長，安全可靠。工作穩定可靠，具有良好的減振、緩沖和電氣絕緣性能。具有較大的軸向、徑向和角向補償能力。結構簡單，徑向尺寸小，重量輕，轉動慣量小，適用于中高速場合。噴藥機器人噴藥泵輸出鏈接管選型農業用農藥是化學品，其具有腐蝕性以及劇毒性，噴藥小車采用單種以及多種農藥混合使用，所以再噴藥泵工作后由鏈接軟管鏈接噴嘴進行噴灑，所以對軟管的要求極為嚴格，其要具有放腐蝕性以及不氧化性等做種耐用要求所以針對此要求進行市場上鏈接管的選取。鏈接管通常用橡膠以及不銹鋼金屬軟管居多：橡膠軟管，是鋼絲編織膠管。膠管由內膠層，-層鋼絲編織層和外膠層組成，適用于輸送液壓流體，如醇，燃油，閏骨油，乳化液等，其具有良好的耐腐蝕性、跟隨性、以及抗氧化性，但是橡膠耐熱性不好以及耐低溫性不好。金屬軟管材料是采用奧氏體不銹鋼，因而保證了軟管優良的耐溫性和耐蝕性，軟管的工作溫度范圍極廣，為-196-600℃，使用的軟管按管道所通介質的腐蝕性選擇適用的不銹鋼牌號，即可保證軟管的耐蝕性。經過對比金屬軟管比較適合噴藥機器人。表3-3金屬軟管圖片示意噴藥機器人提升機構導軌選型計算導軌:金屬或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導移動裝置或設備并減少其摩擦的一種裝置。導軌表面上的縱向槽或脊，用于導引、固定機器部件、專用設備、儀器等。導軌又稱滑軌、線性導軌、線性滑軌，用于直線往復運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載，同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現高精度的直線運動。導軌主要分為兩大類滾輪導軌和滾珠導軌。1.求額定動負載（3-31）因為是兩根導軌，所以單根所受F=75N2.求俯仰力矩（3-32）俯仰力矩（3-33）單根俯仰力矩（3-34）選出導軌型號根據俯仰力矩選取選出查詢產品樣冊選出MSA-20S滑軌作為絲杠的導軌完成導軌選型計算。噴藥機器人絲杠核校下面開始對直徑32mm,導程10的絲杠進行核校（1）絲杠升降系統絲杠容許轉速計算。（4-1）選取絲杠軸直徑32mm，導程10mm時進行絲杠容許轉速計算。（2）絲杠軸直徑與危險速度關系：（4-2）式中N為危險速度下的容許轉速，Lb為安裝間距，E為楊氏模數（2.06*105N/mm2），A為絲杠軸的端面面積，I為絲杠軸的最小端面二次矩。r為密度比重，0.8為安全系數。圖3-3安裝方法與相關系數絲杠軸直徑：32mm，鋼球中心直徑D=5mm下面是絲杠的滾珠與危險速度關系：（4-3）由計算結果所知，直徑32導程10的絲杠最大容許轉速為1400min-1許大于速度為0.1m每秒的容許轉速要求，所以選取直徑為32的絲杠，導程為10的絲杠滿足噴藥小車的性能要求。（3）運行距離計算：最大運行速度為0.1m/s,加速時間為t1=t3=0.15s1）加速時運行距離：（4-4）2）等速時運行距離（4-5）3）減速時運行距離（4-6）（4）工作壽命核算：1）每分鐘平均轉速：絲杠直徑為32，導程為10（4-7）3.工作時間壽命（4-8）絲杠完全符合設計要求。噴藥機器人導軌滑塊壽命核校導軌的主要核算手段，是針對于壽命進行驗算，其實際壽命要滿足設備設計的要求壽命，由于其是高速往返承載的主要零部件，針對其往返次數以及工作時長進行驗算導軌是否符合設計要求。（1）驗算壽命（4-9）故滿足壽命要求噴藥機器人聯軸器核校噴藥機器人連軸器選取梅花聯軸器，梅花聯軸器主要優點可以傳遞大轉速，大扭矩的優點，其可以進行少量徑向位移補償，也可進行軸向位移補償，所以其再精度要求高的傳動系統中經常被選用。下面針對梅花聯軸器的核校，看選取聯軸器的型號是否使用噴藥機器人的工作要求。絲杠傳遞最大扭矩為，絲杠旋轉轉速為600r/min.(1)聯軸器有最大容許轉速，只要實際轉速不大于聯軸器的轉速其就符合求，公式為：（4-10）（2）計算聯軸器的公稱轉矩，由《機械設計手冊》14-2頁表14-1，選取KA=2.3計算其公稱轉矩。（4-11）（3）查詢GB4323-84中查詢LYCA-55型號梅花聯軸器主要參數，其許用轉矩為，最高轉速為8000r/min,滿足機械性能要求。噴藥機器人底盤架體進行靜力分析底盤架體是承載噴藥小車整體載荷的主要支撐部件，由于現階段架體計算核銷不像以前需要大量公式進行計算，其時間長計算容易出錯，現階段有很多分析軟件，只需要制作三維模型調整好參數，對其施加載荷進行網格分析以及結果分析，就可以直接得出架體的主要承載力結果以及其結構強度能不能滿足噴藥小車載荷的要求，本節采用Solidworks插件中的靜力分析軟件對底盤架體進行承載力分析，并根據分析結果給出架體是否根據現有載荷設計的是否合理。3.10本章小結通過對噴藥小車主要零部件的選擇，經過計算選出噴藥小車行走電機設計，完成升降機構系統設計，完成絲杠的選型計算，完成聯軸器的選型計算，完成導軌的選型計算，完成噴藥管的選型計算，通過大量公式計算結果，結合實際情況科學化選取主要零部件，完成噴藥小車的計算工作。噴藥機器人控制部分設計控制部分硬件設計噴藥小車系統方案設計，采用西門子200smartPLC作為控制器，系統主要輸入器件有按鈕、限位開關、光電傳感器，主要執行器件有步進驅動器、直流驅動器、電磁閥。噴藥小車的噴嘴上下移動控制和轉動控制均使用步進電機，進退控制采用直流電機，轉向采用液壓缸控制。小車系統具有手動控制和自動控制功能，手動控制可調試個馬達，自動控制可實現自動按預定軌跡運行，并均勻噴灑藥液。PLC選用根據現有PLC可進行區分，分為晶體管類型與繼電器類型兩種，繼電器類型PLC具有帶負載能力強，可直接驅動220V低功率負載的優勢。晶體管類型PLC具有輸出響應速度快的優勢，屬于濕接點輸出，晶體管類型PLC還具有發送脈沖的功能。由于本次需要控制2個步進電機，1個直流電機，2個普通電機，以及幾個電磁閥，根據輸入輸出點數統計，故本次選用的PLC為ST40型PLC，電源為24V，自帶3路高速脈沖輸出，可實現步進電機的精確定位控制，及其它一般負載的控制。圖4-1ST40PLC控制模塊噴藥小車控制系統流程圖圖4-2控制系統流程圖噴藥小車系統主電路設計通過對控制系統的組成進行分析，本系統有2臺步進馬達，1臺驅動小車行走的直流馬達，2臺小型直流泵，以及幾個電磁閥。步進馬達采用步科3CM系列步進驅動器進行控制。噴藥小車系統硬件清單根據噴藥小車系統控制主電路功能所需求電氣元件硬件，進行整理輸出硬件清單：序號名稱型號數量備注1主斷路器iC65N-DC1P40A12斷路器iC65N-DC1P6A13斷路器iC65N-DC1P6A14斷路器iC65N-DC1P6A15斷路器iC65N-DC1P6A16斷路器iC65N-DC1P6A17斷路器iC65N-DC1P6A18步進驅動器3CM56029直流電機驅動器AQMD6030NS-A2110中繼RXM2LB2BD24VDC+底座711PLC200SMARTST40112啟動開關XB2BA31C1213停止開關XB2BA42C314手自動旋鈕XB2BD21C1圖4-4硬件清單I/0接口分配根據所選用的200SMART-SR20PLC基于噴藥小車系統控制系統所要求的I/O接口分配如表：輸入行走前進按鈕I0.0行走后退按鈕I0.1油泵啟動按鈕I0.2油泵停止按鈕I0.3左轉向按鈕I0.4右轉向按鈕I0.5噴頭正轉按鈕I0.6噴頭反轉按鈕I0.7噴頭上行按鈕I1.0噴頭下行按鈕I1.1水泵啟動按鈕I1.2水泵停止按鈕I1.3噴嘴打開按鈕I1.4手自動旋鈕I1.5自動啟動按鈕I1.6自動停止按鈕I1.7噴頭上限開關I2.0噴頭下限開關I2.1噴頭上下原點I2.2噴頭左轉限位I2.3噴頭右轉限位I2.4噴頭旋轉原點I2.5圖4-5PLC輸入點分配輸出噴頭上下步進脈沖Q0.0噴頭旋轉步進脈沖Q0.1噴頭上下步進方向Q0.2噴頭旋轉步進方向Q0.3小車前進Q0.4小車后退Q0.5油泵運行Q0.6水泵運行Q0.7左轉向電磁閥Q1.0右轉向電磁閥Q1.1噴嘴打開電磁閥Q1.2圖4-6PLC輸出點分配控制部分軟件設計噴藥小車系統順序功能圖圖4-8PLC順序功能圖噴藥小車系統主程序（1）調用手動子程序（2）調用自動子程序（3）調用初始化、軸控制、噴嘴往復運行子程序噴藥小車系統手動控制子程序手動控制程序是由人進行手動按鍵進行操作，手動程序包括噴藥小車前進后退，噴藥小車系統轉向，噴嘴上下往復運動以及選裝控制，還有油泵和水泵啟停控制。（1）噴藥小車系統行走及油泵控制（2）轉向、噴頭和水泵控制噴藥小車系統自動控制子程序噴藥小車系統自動控制子程序，由自動啟動按鈕I1.6觸發，之后M0.0自鎖，自動運行開始后開始一個時間累計，通過判斷時間進而控制小車個執行機構的動作。運行啟動時間累計各馬達運行 噴藥小車系統噴嘴往復控制子程序噴藥小車系統噴嘴控制子程序，利用噴嘴上下位置，循環給步進目標位置賦值，使步進實現往復運行。噴藥小車初始化子程序噴藥小車系統初始化程序主要針對兩個步進電機進行，手動將步進電機運行至原點位置，原點光電觸發。然后初始化即把0位置寫入軸控制功能塊。以便讓PLC中軸的0位置與實際的機械原點對應。控制部分仿真分析噴藥小車系統仿真接線圖根據噴藥小車系統硬件與軟件設計結構，采用宇龍機電控制仿真軟件，對噴藥小車系統控制系統進行仿真，完成仿真模型圖建立，并進行仿真模型連線設計。噴藥小車系統軟件仿真在宇龍仿真軟件內的PLC中編輯梯形圖程序，完成手動控制仿真、自動控制仿真。當控制系統切到手動控制時，I1.5為0，按下小車前進按鈕I0.0，輸小車前進運行，按下小車后退按鈕I0.1，小車后退運行，對應的軟件調試結果如圖5-1、5-2所示圖5-1小車前進圖5-2小車后退當控制系統切到手動控制時，I1.5為0，按下左轉按鈕，噴藥小車左轉電磁閥接通，按下右轉按鈕，噴藥小車右轉電磁閥接通，對應的軟件調試結果如圖5-3、5-4所示。圖5-3噴藥小車系統左轉圖5-4噴藥小車系統右轉其它手動控制功能同理，這里不再贅述，當控制系統切到自動控制時，I1.5為1，按下自動啟動按鈕I1.6，噴藥小車系統裝置運行，對應的軟件調試結果如圖5-5所示。圖5-5噴藥小車系統運行PLC根據程序在運行，對應的軟件調試結果如圖5-7所示。圖5-7噴藥小車系統PLC運行畫面當按下自動停止按鈕時，噴藥小車系統停止工作，對應的軟件調試結果如圖5-8所示。圖5-8噴藥小車系統停止工作硬件仿真根據建立的噴藥小車系統控制系統的仿真模型通過宇龍機電控制仿真軟件V5.0-1進行仿真分析，通過仿真結果可以看出噴藥小車系統控制系統的工作狀態。1.仿真系統建立完成后，將所有空開合閘，點擊仿真系統的啟動鍵，按下相應按鈕，可以觀察到系統開始工作。2.運行完一個完整周期后停止工作。本章小結本章通過對PLC噴藥機器人控制部分進行書寫，完成PLC控制方案設計、PLC選型、完成控制系統流程圖、完成主電路設計、完成IO口分配表、完成PLC外部接線圖、完成噴藥機器人裝控制仿真等工作內容。結論本次設計課題是一個基于PLC的噴藥機器人機構設計。工業機器人在工業生產中起到極其重要的作用，今天的機器人已經廣泛應用于工業生產上。機器人的廣泛應用，工業中機器人的應用極大提高了勞動生產率，提高了產品質量，降低了成本，還極大的減輕了人的勞動強度，改善了勞動條