油茶采摘機械手的機構(gòu)設(shè)計

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油茶采摘機械手的機構(gòu)設(shè)計 學(xué)校代碼：10410 序 號：20050386 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目： 油茶采摘機械手的機構(gòu)設(shè)計 學(xué) 院： 工學(xué)院 姓 名： 繆偉 學(xué) 號： 20050386 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 年 級： 機制051 指導(dǎo)教師： 饒洪輝 二00九 年 五 月 油茶采摘機械手的機構(gòu)設(shè)計 摘 要 本課題運用制圖軟件對機械手采摘油茶進(jìn)行機構(gòu)設(shè)計。包括：旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，蝸輪蝸桿減速裝置，直齒減速裝置；升降機構(gòu)，氣壓缸升降裝置；擺臂機構(gòu)，氣壓裝置和四桿裝置；手抓機構(gòu)，滑動螺旋傳動裝置，手抓抓緊放開裝置，手抓自轉(zhuǎn)裝置；PLC程控系統(tǒng)，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，主電路，PLC外部接線，梯形圖，指令語句表。用AutoCAD繪制機構(gòu)的二維圖形，用Pro/E繪制機構(gòu)的三維造型。熟練掌握AutoCAD和Pro/E繪圖，對機械原理、機械設(shè)計及機電一體化有較深入的理解和認(rèn)識。 關(guān)鍵詞：油茶采摘、機械手、PLC程序控制系統(tǒng) Abstract This subject uses the software of making maps to pluck the tea-oil camellia and design the organization to the manipulator. Including the rotate organization, the worm gear worm decelerating device,the spur gear decelerating device;the hoist or lower organization, the barometric pressure cylinder hoists or lower device; the wave arm organization, atmospheric pressure device and four device ,the skids screw gearing,the hold organization , the slip spiral transmission device, the holding and unlock device, hold the rotation device ; PLC programme-controlled system, the relay - contact device control system.Main circuit, PLC exterior wiring, trapezoidal chart, instruction sentence table.Draw the two-dimentional figures of the organization with AutoCAD, draw the three-dimensional model of the organization with Pro/E. Grasp AutoCAD and Pro/E drawing skillfully, integrate deeper understanding and know to mechanism, machine design and integration of machinery. Key words:The tea-oil tree picks, the manipulator, the PLC procedure control system 目 錄 摘 要 Abstract 一、前 言 １ 二、油茶采摘機械手原理圖 ２ 三、油茶采摘機械手的設(shè)計與選型 ４ 3.1、電動機的選型 ４ 3.2、旋 轉(zhuǎn) 減 速 機 構(gòu) ５ 3.2.1、第一級蝸輪蝸桿減速裝置 ５ 3.2.2、第二級蝸輪蝸桿減速裝置 ７ 3.2.3、直齒減速裝置 ８ 3.2.4、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)速 ９ 3.3、氣 壓 升 降、擺 臂 機 構(gòu) ９ 3.3.1氣壓升降裝置 １０ 3.3.2氣壓擺臂裝置 １０ 3.4、手 抓 機 構(gòu) １０ 3.4.1、滑動螺旋傳動裝置 １０ 3.4.2、手抓工作裝置 １１ 四、油茶采摘機械手的PLC程序控制系統(tǒng) １２ 4.1、主電路 １２ 4.2、PLC外部接線 １３ 4.3、梯形圖 １４ 4.4、指令語句表 １５ 參 考 文 獻(xiàn) １６ 致 謝 １７ 一、前 言 1.1、油茶采摘機械手的作用 采用人工油茶采摘，消耗的人力、時間比較大，采摘效率低，并且某些油茶難以采摘或采摘不到，對人體安全具有一定的威脅。采用油茶采摘機械手，可通過智能移動平臺，通過攝像頭、傳感器捕捉油茶，可實現(xiàn)持續(xù)的、高效率的、安全的作業(yè)。 1.2、機器人技術(shù) 機器人技術(shù)是集計算機科學(xué)、控制工程、人工智能、傳感器技術(shù)、機構(gòu)學(xué)、機械工程學(xué)等學(xué)科為一體的一門綜合技術(shù)。機器人是一種知識密集、技術(shù)密集的機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。機器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用，對提高勞動生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件、提高企業(yè)的應(yīng)變能力、促進(jìn)新產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展、改變勞動結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步，均發(fā)揮了重大的社會效益和經(jīng)濟效益。因此世界各國都很重視機器人技術(shù)的發(fā)展和機器人在生產(chǎn)中的運用。 1.3、機械手的廣泛應(yīng)用 機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍；在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件；可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動；可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等；宇宙及海洋的開發(fā)，軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗。 二、油茶采摘機械手原理圖 本機械手工作原理：底盤通過蝸輪蝸桿二級減速、圓柱直齒減速獲得轉(zhuǎn)速為4.35o/s，運用兩個行程開關(guān)控制機械手左右擺動120o的扇形區(qū)域內(nèi)；手臂升降通過氣缸行程為374mm，經(jīng)滑塊導(dǎo)軌實現(xiàn)上下運動；擺臂通過氣缸行程為128mm，經(jīng)過四桿裝置實現(xiàn)沿水平上下擺幅為30o的運動；手抓抓緊、放開通過步進(jìn)電動機時間為t=4s，經(jīng)滑動螺母實現(xiàn)對目標(biāo)的夾緊、放松，并通過伺服電動機帶動內(nèi)手抓自轉(zhuǎn)達(dá)到脫落目標(biāo)的目的。 機械手總裝 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用于進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器種類很多，以適應(yīng)機器人的不同作業(yè)及操作要求。 機器人可通過PLC可編程的控制去完成某些操作和移動作業(yè)的機器人。人們力圖把這種機器人設(shè)計成具有仿人或動物的某些局部功能，并使這些功能擴大和延伸以代替人去工作。 本手抓機構(gòu)采用概念設(shè)計方式，其經(jīng)濟性、實用性、可行性有待進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計。手抓夾緊裝置可運用現(xiàn)在傳感器技術(shù)，對目標(biāo)實施的夾緊力控制在一個合理的范圍內(nèi)，使夾緊力既不過小而不能起到夾緊的作用，也不過大而破壞目標(biāo)的不良結(jié)果。 三、油茶采摘機械手的設(shè)計與選型 3.1、電動機的選型 SL系列交流伺服電動機型號和主要技術(shù)數(shù)據(jù) 型號 勵磁電壓V 控制電壓V 頻率 Hz 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩N·m 空載轉(zhuǎn)速r/min 輸出功率W 機電時間常數(shù)m·s 外形尺寸 mm 總長 機殼外徑 軸徑 36SL5E2 36 36/18 50 110 2700 1 8 62 36 4 90SL55 220 220 50 3000 2700 25 30 140 90 14 3.1.1、36SL5E2伺服電動機 3.1.2、90SL55伺服電動機 交流伺服電動機的機械特性是非線性的；不需要電刷和換向器，因此結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、沒有無線電干擾等優(yōu)點。 SL系列交流伺服電動機是由籠子轉(zhuǎn)子和隱極式定子兩部分組成。定子槽內(nèi)嵌以二相繞組，一相為勵磁繞組，一相為控制繞組，控制繞組分為兩半，分別引出四根線，可接成串聯(lián)或并聯(lián)，以適用于兩種電壓。 BF系列反應(yīng)式步進(jìn)電動機型號和主要技術(shù)數(shù)據(jù) 型號 相數(shù) 步距 （o） 電壓 V 靜態(tài) 電流 A 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩μN·m 靜態(tài)力矩μN·m 空載起動頻率步/s 額定負(fù)載起動頻率 步/s 外形尺寸 mm 總長 機殼外徑 軸徑 70BF1-3 3 3/1.5 27 3 1000 --- --- 1000 112 70 8 3.1.3、70BF1-3步進(jìn)電動機 BF系列步進(jìn)電動機系反應(yīng)式步進(jìn)電動機，它是將脈沖指令轉(zhuǎn)換為角位移或轉(zhuǎn)速的控制電動機，其角位移與脈沖數(shù)量嚴(yán)格成正比，改變脈沖頻率實現(xiàn)調(diào)速。它具有定位精度高，同步運行特性好，調(diào)速范圍寬、能快速起動、反轉(zhuǎn)和制動等特點。廣泛用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)作執(zhí)行元件和驅(qū)動元件。 3.2、旋 轉(zhuǎn) 減 速 機 構(gòu) 蝸桿傳動用于交錯軸間傳動運動及動力。通常，交錯角Σ=90o.它的主要優(yōu)點：傳動比大，工作較平穩(wěn)，噪音低，結(jié)構(gòu)緊湊，可以自鎖。主要缺點：少頭數(shù)的蝸桿傳動效率較低，常需要貴重的減摩性有色金屬。 根據(jù)課題需要選擇傳動比較大的蝸輪蝸桿機構(gòu)。傳動比大時及要求自鎖的傳動，取z=1。蝸輪的齒數(shù)z一般取z=27～80。過少的z蝸輪齒將產(chǎn)生根切；z>80時，會導(dǎo)致模數(shù)過小而削弱輪齒的彎曲強度或使蝸桿軸剛度降低。 阿基米德圓柱蝸桿加工方便，應(yīng)用較廣泛，但導(dǎo)程角γ大時加工困難。傳動效率較低（η=0.5～0.8），齒面磨損較快。因此，一般用于頭數(shù)較少，載荷較小，低速或不太重要的傳動。 3.2.1、第一級蝸輪蝸桿減速裝置： 表—普通圓柱蝸桿傳動的參數(shù)匹配 公稱傳動比 參數(shù) 中心距 a mm 40 40 z/z 38/1 m 1.6 d 20 x -0.25 50 z/z 49/1 m 1.25 d 20 x -0.5 第一級蝸輪蝸桿公稱傳動比取40，蝸桿頭數(shù)取z=1,中心距a取a=40mm。由表—普通圓柱蝸桿傳動的參數(shù)匹配，有z/z=38/1,蝸輪齒數(shù)z=38,模數(shù)m=1.6,蝸桿分度圓直徑d=20mm,蝸輪變位系數(shù)x=-0.25 在蝸桿的軸平面內(nèi)基準(zhǔn)齒廓、齒形角的尺寸參數(shù)為： 齒頂高 h=m=1.6mm, 工作齒高 h=2m=2×1.6=3.2mm, 軸向齒距 p=πm=3.14×1.6=5.024mm, 頂隙 c=0.2m=0.2×1.6=0.32mm, 齒根圓角 p=0.3m=0.3×1.6=0.48mm, 阿基米德蝸桿，軸向齒形角a=20o， 傳動系統(tǒng)中，取γ=25o， 蝸桿齒頂圓直徑 d=d+2hm=20+2×1×1.6=23.2mm, 蝸桿齒根圓直徑 d=d－2m(h+c)=20－2×1.6×(1+0.2)=16.16mm, 蝸桿寬度 b(11+0.06z)m=(11+0.06×38)×1.6=21.248mm,取b=22mm, 蝸輪分度圓直徑 d=mz=1.6×38=60.8mm, 蝸輪喉圓直徑 d=d+2h=d+2m(h+x)=60.8+2×1.6×(1－0.25)=63.2mm, 蝸輪齒根圓直徑 d=d－2h=d－2m(h－x+c) =60.8－2×1.6×(1+0.25+0.2)=56.16mm, 蝸輪外圓直徑 dd+2m=63.2+2×1.6=66.4mm,取d=66mm, 蝸輪寬度 b0.75d=0.75×23.2=17.4mm,取b=17mm, 蝸輪齒頂圓弧半徑 R=0.5d－m=0.5×20－1.6=8.4mm, 蝸輪齒根圓弧半徑 R=0.5d+cm=0.5×23.2+0.2×1.6=11.92mm。 3.2.1、第一級蝸輪蝸桿減速裝置 3.2.2、第二級蝸輪蝸桿減速裝置 3.2.2、第二級蝸輪蝸桿減速裝置 第二級蝸輪蝸桿公稱傳動比取50，蝸桿頭數(shù)取z=1,中心距a取a=40mm。由表—普通圓柱蝸桿傳動的參數(shù)匹配，有z/z=49/1,蝸輪齒數(shù)z=49,模數(shù)m=1.25,蝸桿分度圓直徑d=20mm,蝸輪變位系數(shù)x=-0.5 在蝸桿的軸平面內(nèi)基準(zhǔn)齒廓、齒形角的尺寸參數(shù)為： 齒頂高 h=m=1.25mm, 工作齒高 h=2m=2×1.25=2.5mm, 軸向齒距 p=πm=3.14×1.25=3.925mm, 頂隙 c=0.2m=0.2×1.25=0.25mm, 齒根圓角 p=0.3m=0.3×1.25=0.375mm, 阿基米德蝸桿，軸向齒形角a=20o， 傳動系統(tǒng)中，取γ=25o， 蝸桿齒頂圓直徑 d=d+2hm=20+2×1×1.25=22.5mm, 蝸桿齒根圓直徑 d=d－2m(h+c)=20－2×1.25×(1+0.2)=17mm, 蝸桿寬度 b(8+0.06z)m=(8+0.06×49)×1.25=13.675mm,取b=14mm, 蝸輪分度圓直徑 d=mz=1.25×49=61.25mm, 蝸輪喉圓直徑 d=d+2h=d+2m(h+x)=61.25+2×1.25×(1－0.5)=62.5mm, 蝸輪齒根圓直徑 d=d－2h=d－2m(h－x+c) =61.25－2×1.25×(1+0.5+0.2)=57mm, 蝸輪外圓直徑 dd+2m=62.5+2×1.25=65mm,取d=65mm, 蝸輪寬度 b0.75d=0.75×22.5=16.875mm,取b=16.5mm, 蝸輪齒頂圓弧半徑 R=0.5d－m=0.5×20－1.25=8.75mm, 蝸輪齒根圓弧半徑 R=0.5d+cm=0.5×22.5+0.2×1.25=11.5mm。 3.2.3、直齒減速裝置 3.2.3、直齒減速裝置 主動直齒輪寬度 b=16mm, 從動直齒輪寬度 b=16mm, 主動直齒輪齒數(shù) z=36, 從動直齒輪齒數(shù) z=72, 主動直齒輪分度圓直徑 d=20mm, 從動直齒輪分度圓直徑 d=40mm. 3.2.4、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)速n=n·λ·λ·λ=n··· =2700××360×××=4.35o/s 3.2.4、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)部裝 3.3、氣 壓 升 降、擺 臂 機 構(gòu) 氣動系統(tǒng)由氣壓發(fā)生裝置、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件四部分組成。 氣壓傳動的優(yōu)點：以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便；便于集中供氣、遠(yuǎn)距離輸送；動作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡單、工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)等問題；工作環(huán)境適應(yīng)性好；成本低、過載能自動保護(hù)。 氣缸是執(zhí)行元件之一。氣缸是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換成直線往返運動形式機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。 3.3、氣缸裝置 3.3.1氣壓升降裝置 氣壓升降裝置氣缸的行程s=374mm,通過滑塊固定導(dǎo)軌實現(xiàn)機械手的升降運動3.3.2氣壓擺臂裝置 氣壓擺臂裝置通過氣缸行程為s=128mm,實現(xiàn)手臂沿水平線上下擺動30o的運動。 3.4、手 抓 機 構(gòu) 3.4.1、滑動螺旋傳動裝置 3.4.1、滑動螺旋傳動裝置 螺旋傳動主要是將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，同時進(jìn)行能量和力的傳遞，或者調(diào)整零件的相互位置。也有將直線運動變成旋轉(zhuǎn)運動的。 根據(jù)手抓機構(gòu)要求，運用傳力螺旋和傳動螺旋的梯形螺紋。梯形螺紋牙形角a=30o,螺紋副的大經(jīng)和小徑處有相等的徑向間隙。牙根強度高，螺紋的工藝性好（可以用高生產(chǎn)率的方法制造）；內(nèi)外螺紋以錐面貼合，對中性好，不易松動；采用剖分式螺母，可以調(diào)整和消除間隙；但其效率較低。 螺紋中經(jīng) d=14.4mm, 螺紋外徑 d=16mm, 牙形角 a=30o, 螺距 p=3.2mm, 螺紋的工作高度 h=0.5p=0.5×3.2=1.6mm, 螺紋牙低寬度 b=0.65p=0.65×3.2=2.08mm, 整體式螺母的高度 H=ψ·d=2.5×14.4=36mm, 由驗算 z===11.2510～12 符合要求。 選取步進(jìn)電機70BF1-3步距為1.5o， 初選螺母滑塊移動距離 s=54mm,則手抓鎖緊、放開時間 t=××=4.05s 最后選取手抓鎖緊、放開時間t=4s,則螺母滑塊移動距離s=53.3mm. 3.4.2、手抓工作裝置 手抓工作原理步驟：起動70BF1-3步進(jìn)電動機，帶動絲桿轉(zhuǎn)動，滑塊在絲桿經(jīng)導(dǎo)桿自由滑動；內(nèi)手抓鈑金片通過滑塊圓柱臺階推動快速夾緊油茶，隨后外手抓鈑金片通過滑塊錐形軌跡夾緊油茶枝條，通過時間繼電器經(jīng)過t=4s步進(jìn)電動機停止；夾緊后內(nèi)手抓裝置通過36SL5E2伺服電動機自轉(zhuǎn)，實現(xiàn)在油茶枝條固定的同時油茶自轉(zhuǎn)脫落的功能。 3.4.2、手抓結(jié)構(gòu)裝置 四、油茶采摘機械手的PLC程序控制系統(tǒng) 可編程序控制器PC（Programmable Controller）又稱可編程邏輯控制器。 PLC（Programmable Logical Controller),是微機技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微機處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機。 4.1、主電路 PLC現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT)之一，以其可靠性高、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計算機接口、能對模擬量進(jìn)行控制、具備高速計數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，日益取代由大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電-接觸控制系統(tǒng)，在機械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、紡織、食品、交通等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。PLC的應(yīng)用深度和廣度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。 4.2、PLC外部接線 4.3、梯形圖 4.4、指令語句表 參 考 文 獻(xiàn) 【1】、徐灝主編，機械設(shè)計手冊，北京：機械工業(yè)出版社，1992 【2】、楊明忠、朱家誠主編，機械設(shè)計，武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001 【3】、曾志新、呂明主編，機械制造技術(shù)基礎(chǔ)，武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004 【4】、陳奎生主編，液壓與氣壓傳動，武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001 【5】、鄭文緯、吳克堅主編，機械原理，北京：高等教育出版社，1997 【6】、劉鴻文主編，材料力學(xué)，北京：高等教育出版社，2004 【7】、哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編，理論力學(xué)，北京：高等教育出版社，2008 【8】、秦曾煌主編，電工學(xué)，北京，高等教育出版社，2004 【9】、曾光奇、胡均安主編，工程測試技術(shù)基礎(chǔ)，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002 【10】、楊叔子、楊克沖等編著，機械工程控制基礎(chǔ)，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002 【11】、鄧星鐘主編，機電傳動控制，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000 【12】、丁玉蘭主編，人機工程學(xué)，北京：北京理工大學(xué)出版社，2007 【13】、陳立德主編，機械專業(yè)英語，上海：上海交通大學(xué)出版社，2001 【14】、于永泗、齊民主編，機械工程材料，大連：大連理工大學(xué)出版社，2007 【15】、余桂英、郭紀(jì)林主編，AutoCAD2006中文版實用教程，大連：大連理工大學(xué)出版社，2006 【16】、邵立新、夏素民、孫江宏等編著，Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版標(biāo)準(zhǔn)教程，北京：清華大學(xué)出版社，2007 致 謝 　 轉(zhuǎn)眼間，我已經(jīng)在美麗的江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院度過了四個年頭。四年，這是我人生中非常重要的四年。給我留下了大學(xué)生活的美好回憶，留下了一筆無形的巨大的知識財富。這必將對我今后的學(xué)習(xí)、工作、生活產(chǎn)生積極、長足的幫助。感謝江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院四年來的培養(yǎng)，在此，我真誠地向我尊敬的老師們和母校表達(dá)我深深的謝意！ 畢業(yè)設(shè)計是在我的導(dǎo)師饒洪輝老師的多次指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計的選題、構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計到論文寫作的過程中，饒洪輝老師多次與我深入細(xì)致地探討，并給我提出切實可行的指導(dǎo)性建議。饒老師的高深精湛的造詣與嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)精神將永遠(yuǎn)激勵著我。在此，請允許我向尊敬的饒洪輝老師表示真摯的謝意！ 在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，也得到了許多同學(xué)的寶貴建議，同時還得到許多社會人士的支持和幫助，在此一并致以誠摯的謝意。 最后，向在百忙中抽出時間對此畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地感謝！ 衷心祝愿母校江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院的明天更加美好！自 畢業(yè)論文 １８