油茶采摘機械手的機構設計

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油茶采摘機械手的機構設計 學校代碼：10410 序 號：20050386 本 科 畢 業(yè) 設 計 題目： 油茶采摘機械手的機構設計 學 院： 工學院 姓 名： 繆偉 學 號： 20050386 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 年 級： 機制051 指導教師： 饒洪輝 二00九 年 五 月 油茶采摘機械手的機構設計 摘 要 本課題運用制圖軟件對機械手采摘油茶進行機構設計。包括：旋轉機構，蝸輪蝸桿減速裝置，直齒減速裝置；升降機構，氣壓缸升降裝置；擺臂機構，氣壓裝置和四桿裝置；手抓機構，滑動螺旋傳動裝置，手抓抓緊放開裝置，手抓自轉裝置；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繪制機構的二維圖形，用Pro/E繪制機構的三維造型。熟練掌握AutoCAD和Pro/E繪圖，對機械原理、機械設計及機電一體化有較深入的理解和認識。 關鍵詞：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計與選型 ４ 3.1、電動機的選型 ４ 3.2、旋 轉 減 速 機 構 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、旋轉機構轉速 ９ 3.3、氣 壓 升 降、擺 臂 機 構 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 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 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，可實現持續(xù)的、高效率的、安全的作業(yè)。 1.2、機器人技術 機器人技術是集計算機科學、控制工程、人工智能、傳感器技術、機構學、機械工程學等學科為一體的一門綜合技術。機器人是一種知識密集、技術密集的機電一體化的高技術產品。機器人在生產中的應用，對提高勞動生產率、提高產品質量、改善勞動條件、提高企業(yè)的應變能力、促進新產業(yè)的建立和發(fā)展、改變勞動結構以及促進相關學科的技術進步，均發(fā)揮了重大的社會效益和經濟效益。因此世界各國都很重視機器人技術的發(fā)展和機器人在生產中的運用。 1.3、機械手的廣泛應用 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，單調重復易子疲勞的工作環(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速為4.35o/s，運用兩個行程開關控制機械手左右擺動120o的扇形區(qū)域內；手臂升降通過氣缸行程為374mm，經滑塊導軌實現上下運動；擺臂通過氣缸行程為128mm，經過四桿裝置實現沿水平上下擺幅為30o的運動；手抓抓緊、放開通過步進電動機時間為t=4s，經滑動螺母實現對目標的夾緊、放松，并通過伺服電動機帶動內手抓自轉達到脫落目標的目的。 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。 本手抓機構采用概念設計方式，其經濟性、實用性、可行性有待進一步優(yōu)化、改進設計。手抓夾緊裝置可運用現在傳感器技術，對目標實施的夾緊力控制在一個合理的范圍內，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的不良結果。 三、油茶采摘機械手的設計與選型 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數據 型號 勵磁電壓V 控制電壓V 頻率 Hz 堵轉轉矩N·m 空載轉速r/min 輸出功率W 機電時間常數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，因此結構簡單、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子和隱極式定子兩部分組成。定子槽內嵌以二相繞組，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，可接成串聯或并聯，以適用于兩種電壓。 BF系列反應式步進電動機型號和主要技術數據 型號 相數 步距 （o） 電壓 V 靜態(tài) 電流 A 額定負載轉矩μN·m 靜態(tài)力矩μN·m 空載起動頻率步/s 額定負載起動頻率 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步進電動機 BF系列步進電動機系反應式步進電動機，它是將脈沖指令轉換為角位移或轉速的控制電動機，其角位移與脈沖數量嚴格成正比，改變脈沖頻率實現調速。它具有定位精度高，同步運行特性好，調速范圍寬、能快速起動、反轉和制動等特點。廣泛用于開環(huán)數控系統(tǒng)作執(zhí)行元件和驅動元件。 3.2、旋 轉 減 速 機 構 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，結構緊湊，可以自鎖。主要缺點：少頭數的蝸桿傳動效率較低，常需要貴重的減摩性有色金屬。 根據課題需要選擇傳動比較大的蝸輪蝸桿機構。傳動比大時及要求自鎖的傳動，取z=1。蝸輪的齒數z一般取z=27～80。過少的z蝸輪齒將產生根切；z>80時，會導致模數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，應用較廣泛，但導程角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匹配 公稱傳動比 參數 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，蝸桿頭數取z=1,中心距a取a=40mm。由表—普通圓柱蝸桿傳動的參數匹配，有z/z=38/1,蝸輪齒數z=38,模數m=1.6,蝸桿分度圓直徑d=20mm,蝸輪變位系數x=-0.25 在蝸桿的軸平面內基準齒廓、齒形角的尺寸參數為： 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，蝸桿頭數取z=1,中心距a取a=40mm。由表—普通圓柱蝸桿傳動的參數匹配，有z/z=49/1,蝸輪齒數z=49,模數m=1.25,蝸桿分度圓直徑d=20mm,蝸輪變位系數x=-0.5 在蝸桿的軸平面內基準齒廓、齒形角的尺寸參數為： 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 z=36, 從動直齒輪齒數 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、旋轉機構轉速 旋轉機構轉速n=n·λ·λ·λ=n··· =2700××360×××=4.35o/s 3.2.4、旋轉機構部裝 3.3、氣 壓 升 降、擺 臂 機 構 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，工作介質獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便；便于集中供氣、遠距離輸送；動作迅速、反應快、維護簡單、工作介質清潔，不存在介質變質等問題；工作環(huán)境適應性好；成本低、過載能自動保護。 氣缸是執(zhí)行元件之一。氣缸是將壓縮空氣的能量轉換成直線往返運動形式機械能的能量轉換裝置。 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,通過滑塊固定導軌實現機械手的升降運動3.3.2氣壓擺臂裝置 氣壓擺臂裝置通過氣缸行程為s=128mm,實現手臂沿水平線上下擺動30o的運動。 3.4、手 抓 機 構 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運動變成直線運動，同時進行能量和力的傳遞，或者調整零件的相互位置。也有將直線運動變成旋轉運動的。 根據手抓機構要求，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（可以用高生產率的方法制造）；內外螺紋以錐面貼合，對中性好，不易松動；采用剖分式螺母，可以調整和消除間隙；但其效率較低。 螺紋中經 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步進電動機，帶動絲桿轉動，滑塊在絲桿經導桿自由滑動；內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，通過時間繼電器經過t=4s步進電動機停止；夾緊后內手抓裝置通過36SL5E2伺服電動機自轉，實現在油茶枝條固定的同時油茶自轉脫落的功能。 3.4.2、手抓結構裝置 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),是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(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字控制的專用計算機。 4.1、主電路 PLC現已成為現代工業(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、具有遠程通信聯網功能、易于與計算機接口、能對模擬量進行控制、具備高速計數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)得到廣泛應用。PLC的應用深度和廣度已經成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。 4.2、PLC外部接線 4.3、梯形圖 4.4、指令語句表 參 考 文 獻 【1】、徐灝主編，機械設計手冊，北京：機械工業(yè)出版社，1992 【2】、楊明忠、朱家誠主編，機械設計，武漢：武漢理工大學出版社，2001 【3】、曾志新、呂明主編，機械制造技術基礎，武漢：武漢理工大學出版社，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，北京：高等教育出版社，2004 【7】、哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編，理論力學，北京：高等教育出版社，2008 【8】、秦曾煌主編，電工學，北京，高等教育出版社，2004 【9】、曾光奇、胡均安主編，工程測試技術基礎，武漢：華中科技大學出版社，2002 【10】、楊叔子、楊克沖等編著，機械工程控制基礎，武漢：華中科技大學出版社，2002 【11】、鄧星鐘主編，機電傳動控制，武漢：華中科技大學出版社，2000 【12】、丁玉蘭主編，人機工程學，北京：北京理工大學出版社，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：大連理工大學出版社，2007 【15】、余桂英、郭紀林主編，AutoCAD2006中文版實用教程，大連：大連理工大學出版社，2006 【16】、邵立新、夏素民、孫江宏等編著，Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版標準教程，北京：清華大學出版社，2007 致 謝 　 轉眼間，我已經在美麗的江西農業(yè)大學工學院度過了四個年頭。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習、工作、生活產生積極、長足的幫助。感謝江西農業(yè)大學工學院四年來的培養(yǎng)，在此，我真誠地向我尊敬的老師們和母校表達我深深的謝意！ 畢業(yè)設計是在我的導師饒洪輝老師的多次指導下完成的。從畢業(yè)設計的選題、構思、結構設計到論文寫作的過程中，饒洪輝老師多次與我深入細致地探討，并給我提出切實可行的指導性建議。饒老師的高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學精神將永遠激勵著我。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)設計的過程中，也得到了許多同學的寶貴建議，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)設計進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業(yè)大學工學院的明天更加美好！自 畢業(yè)論文 １８