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ZS型校园垃圾拾捡机械手设计说明书.doc

ZS型校园垃圾拾捡机械手设计【6张CAD图纸和毕业论文】

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关键词：: 全套CAD图纸和毕业论文 zs 校园垃圾拾捡机械手设计全套 cad 图纸以及毕业论文

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摘要

机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序吸取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

本课题要求设计一款小型机械手，可以灵活深入校园树丛中拾捡垃圾，以减少保洁人员的劳动强度，垃圾重量不超过200g。

本文首先向分析了垃圾拾捡机械手的研究现状提出符合本次设计要求的方案，接着针对机械手臂各个部分进行详细的设计与校核并且对PLC控制系统进行了设计，最后用CAD软件绘制了垃圾拾捡机械手的装配图和主要零件图。

关键字：垃圾拾捡，机械手，设计校核

Abstract

The manipulator is also known as the automatic hand can imitate the human hand and arm of some of the action function, in order to grasp the fixed program, handling objects or operating tools automatic operation device. It can replace human labor to realize the mechanization and automation of production, can operate in order to protect the personal safety in harmful environment, so it is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy and other departments.

This paper first analyzes the current situation to study the four degrees of freedom cylindrical coordinate manipulator is proposed in accordance with the design requirements of the program, and then for each part of the mechanical arm was designed and checked in detail and PLC control system are analyzed in detail and design, finally using CAD software to draw the assembly drawing of cylinder with four degrees of freedom coordinate type mechanical arm and the main parts of the map.

Keywords: Four degrees of freedom, Cylindrical coordinates, Manipulator, Arm

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外机械手的研究及发展现状 1

1.3主要内容 2

第2章总体方案设计 3

2.1设计要求 3

2.2结构及原理分析 3

2.3总体方案设计 3

2.3.1驱动方案选择 3

2.3.2移动形式的确定 3

2.3.3捡拾机构设计 3

2.3.4机械臂、机身、机座方案 4

第3章动力及驱动机构设计 6

3.1电动机的选择 6

3.1.1 扭矩的计算 6

3.1.2 启动矩频特性校核 7

3.2回转减速器的选择 7

3.3回转主轴及轴上零件的设计与校核 8

3.3.1尺寸与结构设计计算 8

3.3.2强度校核计算 8

3.3.3轴上零件的选择与校核 10

3.4气缸的选择 12

3.4.1安装方式 12

3.4.2作用力大小 12

3.4.3活塞行程 12

3.4.4汽缸型号选择 13

第4章执行机构的设计 14

4.1大臂、小臂的设计 14

4.1.1受力分析 14

4.1.2内力图的绘制 21

4.1.3宽度、钢板厚度的选取 22

4.1.4危险截面处高度计算 22

4.2连接销轴的校核 23

4.3抓爪的设计 24

4.4移动小车的设计 25

4.5回转底座的设计 26

第5章控制系统设计 27

5.1 PLC控制简介 27

5.2机械手的控制 27

总结 30

参考文献 31

致谢 32

第1章绪论

1.1研究背景及意义

随着经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，垃圾排放量与日俱增，对环境的压力越来越大，特别是校园这种人口密集的地方，每天都在制造大量的垃圾，如废纸、瓜皮、餐盒包装等，使得校园垃圾特别地多，为了保持校园的干净整洁，需要花费大量的人力物力和财力。如果设计一个校园垃圾拾捡手，就可以解决这些问题。

这次的毕业设计，是对我大学4年所学的知识进行一次系统的应用和巩固，对课本知识的重新梳理和完善，将4年所学知识整合起来，融汇贯通，以达到经过四年的量的积累后通过毕业设计得到质的提升的目的。这次的毕业设计，是我大学里最具挑战性的项目，完成这次毕业设计，能使我的综合能力有很大的提升，使我以后的工作提供一个可靠的经验和基础。

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内容简介：: 毕业设计（论文）课题： ZS 型校园垃圾拾捡机械手设计所在学院：专业：班级：姓名：学号：指导教师： 2018 年 3 月 25 日 I 摘要机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序吸取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本课题要求设计一款小型机械手，可以灵活深入校园树丛中拾捡垃圾，以减少保洁人员的劳动强度，垃圾重量不超过 200g。本文首先向分析了垃圾拾捡机械手的研究现状提出符合本次设计要求的方案，接着针对机械手臂各个部分进行详细的设计与校核并且对 PLC 控制系统进行了设计，最后用 CAD 软件绘制了垃圾拾捡机械手的装配图和主要零件图。关键字：垃圾拾捡，机械手，设计校核 II Abstract The manipulator is also known as the automatic hand can imitate the human hand and arm of some of the action function, in order to grasp the fixed program, handling objects or operating tools automatic operation device. It can replace human labor to realize the mechanization and automation of production, can operate in order to protect the personal safety in harmful environment, so it is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy and other departments. This paper first analyzes the current situation to study the four degrees of freedom cylindrical coordinate manipulator is proposed in accordance with the design requirements of the program, and then for each part of the mechanical arm was designed and checked in detail and PLC control system are analyzed in detail and design, finally using CAD software to draw the assembly drawing of cylinder with four degrees of freedom coordinate type mechanical arm and the main parts of the map. Keywords: Four degrees of freedom, Cylindrical coordinates, Manipulator, Arm III 目录摘要 I ABSTRACT.II 第 1 章绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外机械手的研究及发展现状 1 1.3 主要内容 2 第 2 章总体方案设计 3 2.1 设计要求 3 2.2 结构及原理分析 3 2.3 总体方案设计 3 2.3.1 驱动方案选择 3 2.3.2 移动形式的确定 3 2.3.3 捡拾机构设计 3 2.3.4 机械臂、机身、机座方案 4 第 3 章动力及驱动机构设计 6 3.1 电动机的选择 6 3.1.1 扭矩的计算 .6 3.1.2 启动矩频特性校核 .7 3.2 回转减速器的选择 7 3.3 回转主轴及轴上零件的设计与校核 8 3.3.1 尺寸与结构设计计算 8 3.3.2 强度校核计算 8 3.3.3 轴上零件的选择与校核 10 3.4 气缸的选择 12 3.4.1 安装方式 12 3.4.2 作用力大小 12 3.4.3 活塞行程 12 3.4.4 汽缸型号选择 13 第 4 章执行机构的设计 14 4.1 大臂、小臂的设计 14 4.1.1 受力分析 14 4.1.2 内力图的绘制 21 4.1.3 宽度、钢板厚度的选取 22 IV 4.1.4 危险截面处高度计算 22 4.2 连接销轴的校核 23 4.3 抓爪的设计 24 4.4 移动小车的设计 25 4.5 回转底座的设计 26 第 5 章控制系统设计 27 5.1 PLC 控制简介 27 5.2 机械手的控制 27 总结 30 参考文献 31 致谢 32 1 第 1 章绪论 1.1 研究背景及意义随着经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，垃圾排放量与日俱增，对环境的压力越来越大，特别是校园这种人口密集的地方，每天都在制造大量的垃圾，如废纸、瓜皮、餐盒包装等，使得校园垃圾特别地多，为了保持校园的干净整洁，需要花费大量的人力物力和财力。如果设计一个校园垃圾拾捡手，就可以解决这些问题。这次的毕业设计，是对我大学 4 年所学的知识进行一次系统的应用和巩固，对课本知识的重新梳理和完善，将 4 年所学知识整合起来，融汇贯通，以达到经过四年的量的积累后通过毕业设计得到质的提升的目的。这次的毕业设计，是我大学里最具挑战性的项目，完成这次毕业设计，能使我的综合能力有很大的提升，使我以后的工作提供一个可靠的经验和基础。 1.2 国内外机械手的研究及发展现状目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步促进了与其相关的技术的发展和进步。近几年来，随着自动化工业的不断发展，机械手也将随之壮大起来，在未来几年里，机械手会得到越来越广泛的应用。机械手的主要发展方向如如下：1、机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；2、机械手控制系统向基于 PC 机 2 的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化：器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 3 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。 1.3 主要内容首先要仔细阅读任务书所指出的功能要求，确定 ZS 型拾捡机械手的设计方案，根据所需的功能初步选定合适的手臂结构、末端执行器结构的方案，确定整体结构，对机械系统运动方案及执行机构进行合理的设计；独立完成产品的机械结构设计、元件选型、关键零件受力分析和强度校核；接着画出垃圾拾捡机械手的零件图和装配图；最后写出设计说明书并整理资料。 3 第 2 章总体方案设计 2.1 设计要求本课题要求设计一款小型机械手，可以灵活深入校园树丛中拾捡垃圾，以减少保洁人员的劳动强度，垃圾重量不超过 200g。 2.2 结构及原理分析拾捡机械手也被称作自动手，能够模仿人手臂的抓取、搬运、操作等动作，具有延伸人躯体功能的作用。机械手在自动化生产线上有着广泛的应用上，如物料搬运、焊接、加工中心等。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。执行部分通常由连杆机构、齿轮机构等构成。由抓取部分(手部)、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。机械手的驱动系统，按动力源的不同可以分为：液压、气动和电动三大类，根据需要也可以有三种基本系统组成复合式的驱动系统。搬运机械手的运动控制是整个控制系统的核心，首先启动系统，并进行系统初始化和设置相应的运行参数。根据位置传感器传送的信号由上位机经过判断和运算，发出指令给运动控制卡。最后由运动控制卡发送出脉冲信号给步进电机细分驱动器继而控制步进电机转动，从而实现电机的运动控制。 2.3 总体方案设计 2.3.1 驱动方案选择驱动系统分为气动、液动、电动和机械式，本次考了为户外作业，且要求灵活轻便，因此选用由蓄电池提供电源的直流电机及直流电机带动的压缩机组合的方式，及气动、电动组合的方式。 2.3.2 移动形式的确定机器人的移动方式存在有轮式、履带式及仿足式等，我们在考虑到机器人的工作环境并不会出现路面状态特别差的情况，所以在这里我们可以直接选择使用轮式结构来作为机器人的移动方式。 2.3.3 捡拾机构设计（1）方案一：铲斗车型结构现实生活中铲斗车的使用非常的频繁，这使这种结构的实际已经趋于完善，人们对于它的适用范围与特点基本已经了解清楚。这种方案设计的主要优点是它的结构较为简单，易于制造和维护；操作简便，可以节约过多的操作带来的浪费。并且使用铲斗车型结构会使整体结构更 4 加的紧凑，减小设计出来的机器人的体积。则铲斗车的与铲斗的示意图如图 2.1,2.2 所示：图 2.1 铲车示意图图 2.2 铲斗示意图然而这种结构在捡拾垃圾的过程中却存在着致命的缺点，它在工作的过程中存在着较大的不稳定性，极有可能不能很好的处理某些垃圾（如易拉罐、纸片之类），而且由于它的一次拾取的范围有点大会对周围的环境产生破坏。所以这种结构只能作为备用选项来进行考虑。（2）方案二：机械手抓取型结构采用机械手结构来进行垃圾的捡拾，对比铲斗车结构可以发现机械手机构具有许多铲斗车结构所不具备的优点。机械手的抓取机构针对性强不容易产生抓取错误的情况，不会对周围的环境产生不良的影响。但是它在具有诸多优越性的同时也因为为了达到这些优点导致机械手机构存在着结构复杂的缺点和因此引发的制造与维修的困难，而且要达到精确的操控机械手的移动与抓取则需要灵敏的感应系统以及良好的控制系统。（3）方案三：旋转毛刷收集机构现在市面上已经有了多种的家用清洁机器人，其中尤以智能型机器人应用前景最为高，且已经在一定范围中被广泛的使用。这种结构在收集垃圾的过程中可以把它碰到的，只要是能够被毛刷带动的垃圾几乎都可以被清理干净。这种结构在处理小型垃圾及尘埃等垃圾是有很好的效果，非常适合应用于家庭卫生的处理。然而在公共场合中会有部分的垃圾是只依靠毛刷的旋转所不能够收集到的。在对上述三个方案进行比较，并对铲斗车、机械手和旋转毛刷的现状进行了了解后，最终决定了使用方案二即机械手抓取机构作为本次研究的垃圾捡拾机器人的捡拾机构。 2.3.4 机械臂、机身、机座方案（1）机械臂选用滑块连杆机构的关节型机械手臂结构，关节驱动选用气压传动的方式，靠连杆的伸缩来实现手臂的弯曲功能，具体可以参考小型机械手结构设计与研究文献中所说的设计。（2）机座和机身 5 可以选用固定式机座类型，腰部回转传动机构，机身可做 360 度回转运动提供空间上的旋转自由度，其动力靠步进电机供给，并通过机座内部的蜗轮蜗杆减速器提供减速传动比。（3）执行器结构这次设计需要设计一款小型机械手，可以灵活深入校园树丛中拾捡垃圾，以减少保洁人员的劳动强度，垃圾重量不超过 200g。可以采用结构和弹性心轴类似的滑块涨紧装置，用气压推动活塞杆涨紧楔形块，来达到和工件内孔紧密接触的目的，从而拾捡夹持的功能。结构简图如下图 2.3 所示：图 2.3 机械手结构简图由图 2.3 可以看出通过电机驱动涡轮减速器 4 的顺时针转动或者逆时针转动来带动上面的整个回转台进行转动从而带动整个机械手转动，气缸 1 的收缩与推出带动大手臂在上下方位上进行摆动，气缸 2 的收缩与推出将会带动小手臂在前后方位上的摆动，而气缸 3 的收缩与推出则会带动机械手手爪的闭合与张开。这样的工作过程是为了能够更好的对机械手进行准确的控制，来完成垃圾的捡拾任务。 6 第 3 章动力及驱动机构设计 3.1 电动机的选择 3.1.1 扭矩的计算伺服电机最大静转矩是指电机的定位转矩。伺服电机的名义启动转maxjM 矩与最大静转矩的关系是；mpMj maxjp 伺服电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。伺服电机所需空载启动力矩按下式计算： 0Mkfakq 式中：空载启动力矩；kqM 空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机a 轴上的加速力矩；空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；kf 由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；0M 而且初选电机型号时，应满足伺服电动机所需空载启动力矩小于伺服电动机名义启动转矩，即： maxjpkqM 计算的各项力矩如下：kqM 加速力矩 =J2521 /08.iR =1.810 51 = 2.0mKg 7 m rvnpb40360514836maxax 2112max 10642)080(160 tnJMkq =0.519N/m 空载摩擦力矩 =0.648.02 796.130 iLGfkf mN 附加摩擦力矩 )1(2200iFMYJ = = )9.(48.2mN.1 0kfakq =0.519+0.6+1.222=2.341 =0.95125=23.775maxjqMmN 3.1.2 启动矩频特性校核伺服电机有三种工况：启动、快速进给运动、工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转maxjqk 矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。伺服电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少见。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载力矩中的加速力kqM 矩不会很大。一般不会发生丢步现象。kaM 3.2 回转减速器的选择 8 臂部回转的速度和加速度都不应过大,所以减速环节就要有较大的传动比, 这里采用蜗轮、蜗杆一级减速,没有采用多级齿轮减速(其一级减速齿轮太大), 其基本参数如下: 传动比:i=41 中心距;a=100mm 蜗杆头数 Z2=1,蜗轮齿数 Z2=Iz1=41 齿形角 =20 模数 m=4 蜗轮变位系数 X2=-0.5 蜗杆轴向齿距 Px=m 蜗杆分度圆直径 d1=mz1/tan=40(标准值) 蜗轮分度圆直径:d2=m Z2=2a1-d1-2 X2m=80-18=160 3.3 回转主轴及轴上零件的设计与校核 3.3.1 尺寸与结构设计计算（1）传动轴上的功率 P1,转速 n1 和转矩 T1 ，，kwP5.0min/10rnmNT3.10 （2）初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料 45 钢，调质处理。 3PdCn 根据机械设计表 11.3，取，于是得：12md5.410.231 该处开有键槽故轴径加大 510，且传动轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径，为了与减速器输出轴直径保持一致。取；1 md341 。mL51 （3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度为了满足大带轮的轴向定位的要求 2 轴段左端需制出轴肩，轴肩高度轴肩高度，取故取 2 段的直径，长度。dh07.mh3d39L472 初步选择滚动轴承。因轴承只受径向力的作用，故选用深沟球轴承。根据，查机械设计手册选取 0 基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承d392 6208，故，，轴承采用轴肩进行轴向定位，轴肩47l73 高度轴肩高度，取，因此，取。dh0.h5.2md4564 齿轮处由于齿轮分度圆直径，故采用齿轮轴形式，齿轮宽度md91 B=95mm，齿故取。另考虑到齿轮端面与箱体间距 10mm 以及两级齿轮间9l 位置配比，取，。m74l6 （4）轴上零件的周向定位 9 查机械设计表，联接大带轮的平键截面。mlhb45810 3.3.2 强度校核计算（1）求作用在轴上的力根据机械设计（轴的设计计算部分未作说明皆查此书）式(10-14)，则 NtgFdTntrt 75.68207.184a.90.23Np5. （2）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取 a 值。对于 6208 型深沟球轴承，由手册中查得 a=18mm。因此，轴的支撑跨距为 L1=90mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面 C 是轴的危险截面。先计算出截面 C 处的 MH、MV 及 M 的值列于下表。载荷水平面 H 垂直面 V 支反力 F ，NNH143NF126 ，NFNV237156 C 截面弯矩 M mLNH8532 m MLaNV1432 总弯矩 MV 6858222max 扭矩 T490 10 （3）按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，6.0 轴的计算应力： MpaWTMca 61.28351.024980684)( 2222 已选定轴的材料为 45Cr，调质处理。由表 15-1 查得。因此70P- ，故安全。1-ca （4）键的选择采用圆头普通平键 A 型（GB/T 10961979）连接，联接大带轮的平键截面，。齿轮与轴的配合为，滚mlhb45810Mpap10 76Hr 动轴承与轴的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为。m 3.3.3 轴上零件的选择与校核（1）轴承 11 根据前述计算选用的轴承为 6203 型深沟球轴承。由滚动轴承样本可查得,轴承背对背或面对面成对安装在轴上时,当量载荷可以按下式计算： 22213418097351.0ANHV NRF0a222231094519.37BNHV378aaFN 计算动量载荷在设计时选用 6208 深沟球轴承,查手册知079.2,65.8CkNk 根据 ,查得 143.7iA0.27e80.92251.3BR 查得所以,XY.7519.37PAN 校核轴承的当量动载荷已知 ,所以280hL336 602.74807. 7.5911nCP kC 故选用该轴承合适。（2）联轴器根据联轴器的计算转矩选择联轴器的类型；联轴器的计算转矩： 950wwczt ztnPTKKTn 式中理论转矩，N.m 驱动功率， kW 工作转速， r/minn 动力机系数；电动机取 1.0w 工况系数，查表可得取 1.25K 启动频率，查表可得启动频率 120 时，可取 1.0z 12 温度系数，查表可得，取 1.0tK 公称转矩，N.m，见各联轴器参数表。nT 代入各数据可得： 95013.wwczt ztPKNmn 考虑到电动机输出轴的直径是 42mm，主轴端部轴径为 40mm，两端的轴径不同，且必须满足，最终确定联轴器型号为型无沉孔基本型cT4JM 联轴器。（3）键选择键联接的类型和尺寸联轴器处选用单圆头平键，尺寸为 mlhb3678 校核键联接的强度键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为 MPaP120 键的工作长度 mbl328621 ，合适 PP MadlkT5.485.0.92131 3.4 气缸的选择本设计中用到的气缸是根据德国 Festo 公司提供的型号选用的。2 3.4.1 安装方式根据工作要求和条件，选择双作用双耳环气缸。 3.4.2 作用力大小负载力 F，负载率 =70%，气缸输出力 F 拉=F，F 推=F，气体压力 P=0.6MPa，由公式 F 拉 = 2d DP （3.6）和 F 推 = （3.7）2d -DP 由于 F 拉F 推，T=FR（其中 R 为力臂），在气缸输出力计算时，选择 F 拉为代表计算即可。 3.4.3 活塞行程 13 气缸的行程由 3.2 节各个关节运动学分析和气缸的行程要小于它的最大行程决定。 3.4.4 汽缸型号选择（1）大臂驱动气缸的选择关节力矩最大值为 Tmax=40 N m，取 d=0.3D，可得气缸缸径为 D=36mm，行程为 160 mm，气缸型号为 DNG-36-160-PPV-A，气缸如图 3.11 所示。（2）小臂驱动气缸的选择关节力矩最大值为 Tmax=30 N m，取 d=0.3D，可得气缸缸径为 D=36 mm，行程为 160 mm，气缸型号为 DNG-36-160-PPV-A，气缸如图 3.11 所示。（3）抓爪驱动气缸的选择关节力矩最大值为 Tmax=20 N m，取 d=0.3D，可得气缸缸径为 D=32mm，行程为 80 mm，气缸型号为 DNG-32-80-PPV-A，气缸如图 3.11 所示。图 3.11 DNG-32-80-PPV-A 气缸 14 第 4 章执行机构的设计 4.1 大臂、小臂的设计本次设计计算以小臂为例，大臂设计计算方式类似不一一叙述。 4.1.1 受力分析取小臂及抓爪为研究对象，如图 4.1 所示，在该工况下存在的力有：小臂及抓爪各部件所受到的重力；作用在抓爪上的抓取力，包括切向阻力，法iG1W 向阻力，侧向阻力。2W3 HK-连杆 HN-摆杆 C-大臂下铰点 A-大臂气缸下铰点 B-大臂与大臂气缸的交点 F-大臂上铰点 D-小臂气缸上铰点 E-小臂气缸下铰点 G-抓爪气缸下铰点 Q-抓爪下铰点 K-抓爪上铰点 V-抓爪抓爪当处于以上位置时，由图 4.1 知以下的角度关系。 201min2 根据前面的已知的角度可求得： = ，由图 4.1 所示可知，向量 CF 可216 以表示为：向量 389cos()in(62)CF = 5162i 15 图 4.1 F 点坐标计算简图由前面的计算结果可知，，26.9ZFC8231DFlm 在中 =DE90 7.cos0.79E 通过上式可解得 =71.5 同样在前面我已经确定了在四边形 CDEF 中FQ =EFC26.90.8.4 由以上的角度关系可表达出向量 FV,设向量 FV 与 X 轴的夹角为，则可知：180(36018.450)62 则取正值就是39. 向量 FV= 23()cos1.4in0.l =3580.86 s14 连杆机构的总传动比为 r，抓爪气缸对 N 点的作用力臂为；连杆 HK 对r N 点的作用力臂为；连杆对 Q 点的作用力臂为；抓爪对 Q 点的作用力臂2r 3r ；4r 132243sin5si160823n735.8rl mNHKlrm13248.0.66.51ri 则可得此时抓爪的理论抓取力： 34810ODFi N 切向阻力：1W 抓爪的重心到 Q 点的水平距离为 2r 16 =2r 3cos140.57.82lm 取抓爪为研究对象，如图 4.3 所示，并对 Q 点取矩，则有： 132 0()QODMFWlGr 代入数值可得： 51(0.468).4860.5780 51.2N 法向阻力的求解：2W 小臂及抓爪所受重力对 C 点的力矩有： 12523462()()0.7Ci FMGXGXX4 41 1.730.9.6.)(coscs39.)062cos62i ll l 42 12coscs.o2l l 把，，的值代入上式得：1l35()0.81CiMGN 到 C 点的距离为：1W0r 23coslCFV =148.6839.15cos(6018.450) =2808.89 mm 到 C 点的距离为：2W1r1sin389.5sin01.637.4rFVm 法向阻力决定于大臂气缸闭锁力，2 F 72651.4()102.3N 取整个小臂及抓爪为研究对象，则有： 0CM 17 即 11021()CiFeMGWr 把以上求得的数值全部该式可求得：2 N 52. 小臂气缸作用力的求解：gP 向量 FQ 在 X 轴上的模量： cos(104.)FNQ = 23.86 = .m 如图 4.1 所示，取小臂（带斗和连杆机构）为研究对象，则有： 0CM21323221()0g FNFNPEFWlGXrX 将已知量代入数值可得： 3 4 42 10.76.480.6.48.(.63.578)0.621.30g 解得： =2.3 NP51 而些时的小臂闭锁力为：，略大于说明闭锁力中够 726523.40(640)12.30N2gP 横向抓取力的求解：kW 横向抓取力由回转机构制动器所承受，即的最大值决定于回转平台kW 的制动力矩，故先要计算出制动力矩。地面附着力矩： M 4350(0.5)G其中 = .2 = 51.3Nm 由经验公式求得回转机构的最制动力矩：BM 50.6.820BM 18 550.821.7043BKVMWNmX Q 点作用力与作用力矩，，，的求解：QxRyQxMy 取连杆机构为研究对象，如图 4.2 所示，则有： NH-摇臂 HK-连杆 G3-铲斗油缸推力RK-连杆的作用力 RN-摇臂的作用力 RN G3X YYZ N Q K H RK NH-摇臂 HK-连杆 G3-抓爪气缸推力 RK-连杆的作用力 RN-摇臂的作用力图 4.2 连杆机构的计算简图20X 即 3222coscoscos0NKPGHRXRHX 0Y 即 3222sinsinsinNKX 其中 765.4101.781PN 2.5GH2.X1.5HX 将这些数值代入到上式中就可以得到： 51.708cos4.cos57.cos.0NKR ininin15 解上两式得： 5.31NR51.90K 如图 4.2 所示，取整个抓爪为研究对象，以 V 点为新坐标的原点，VQ 为轴，过 V 点与 VQ 垂直的直线为，建立坐标，则有：3X3Y3XOY30 19 即 2cos1.50QxkWR 代入数值得： 5091cos.0QxR 解得： 56QxN 30Y 即 1sin.5QykRW 代入数值得： 5504128.91sin.0Qy 解得： .3yN 30YM 即 32 1YkMWlb 代入数值得： 5530.71.480.21.0Y 解得： .9Nm 3X 即 31 02XbMW 代入数值得： 53.41280.1X 解得： 50.Nm N 点的作用力与力矩，及的求解：xRyNM 取曲柄和连杆为研究对象，如图 4.3 所示：则有： 20 3 K HF NH-摇臂 HK-连杆 F3-铲斗油缸推力 NRNyRNx RK-连杆沿 HK方向的作用力 RNy-摇臂没 HK方向的作用力 RK NH-摇臂 HK-连杆 F3-抓爪气缸推力 RK-连杆沿 HK 方向的作用力 RNy-摇臂没 HK 方向的作用力图 4.3 曲柄和连杆的受力图 20X 即 3cos1.5NxkRP 代入数值得： 5559cos1.7081.0Nx N 如图可知： tantan241yFH 同样根据图可知： 3()NkMRPK 代入数值得： 551.9708.0.Nm F 点作用力与作用力矩的求解：以小臂为研究对家，进行受力分析计算，以 F 为原点，FN 为 X 轴，以垂直 FN 的 FY 为 Y 轴进行分析： 40X 即 2cosFxNxRPER 4Y 即 2sin0FyNyX 另外 25363.81P 代入数值得： 555.40cos4.012.3810FxR N 21 5553.8410sin4.0213.70FyR N 同样由图可知： 292cos.YNxMPlR = 53.8410.07.15023 = 292sin5.ZNyPlR = 3.8410i.70.2413 = 576 则总力矩 M： 2XY = 5252(1.0)(1.3) = N 4.1.2 内力图的绘制根据最大弯矩工况所求出的小臂所受到的力和力矩，可以分别绘制出在最大弯矩工况下内力图。对于最大弯矩工况，小臂的内力图包括横向力，小臂平面内外的弯矩和剪力；最大弯矩工况下小臂的轴向力 N 图，如图 4.4（单位： N）图 4.4 最大弯矩工况下小臂 N 图最大弯矩工况小臂的图，如图 4.5（单位：N）yQ 22 图 4.5 最大弯矩工况下小臂图yQ 最大弯矩工况下小臂的图，如图 4.6（单位：）yMNm 图 4.6 最大弯矩工况下小臂的 yM 由前面的受力分析知，在通过 F 点且与小臂下底板垂直的截面所受到的应力最大，是危险截面，故首先要对该截面进行计算，然后以此为基础再求解其它尺寸。 4.1.3 宽度、钢板厚度的选取由经验统计和其它同斗容机型的测绘，取小臂宽度 280am 厚度一般为 815 mm，初选底板厚度，侧板厚度11n 在拾捡机选用的结构钢材一般选 16Mn，其有足够的屈服极限和良好的机械性能，其屈服极限，在小臂中安全系数，则小臂的许用应350sMPa2.8n 力为： 23501.8sPan 4.1.4 危险截面处高度计算危险截面的有效面积为：2S 23 210(2)(0Shh = 9 = （4.1）62(38)m 该截面对 Z 轴的惯性矩 ZI （4.2） 32010(2)hIhydA = 3220()1h 该截面对 Y 轴的惯性矩：.yI 10532910(2)yIhzdA （4.3） = 1053291()2zh 横截面的总面积：1S （4.4）10h 该横截面受到的最大正应力：N 5612.3810()FSh （4.5）该截面受到最大的弯曲正应力，。yz 532.10yyMhhII （4.6） 53 32.75.102.7zz zII （4.7）则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有： 24 Nyz （4.8）由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要上得多，为简化计算，在计算中简应力忽略不计，仅在校核中用，则有：（4.9）由式 4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9 可解得： 197hm 有了危险截面的结构尺寸，再结合前面的基本心尺寸，就可以利用软件小臂绘制出。这样小臂的所有尺寸就已经基本确定。 4.2 连接销轴的校核销轴在工作过程中主要受挤压应力的作用，如图 4.7 所示，在此主要进行挤压应力的校核。销轴的直径为 d=20mm，受到的横向力为 F=600N，计算销轴受到的挤压应力。图 4.7 销轴示意图由公式 jyjPA 在销轴中， =4 ， =1090N 代入公 331020dhiy 42maxjyP 式得： = =2.5MPajy410 9 查表的材料的许用挤压应力为 30MPa。jy 挤压应力远小于许用挤压应力，销轴的强度满足要求。jy 4.3 抓爪的设计机械手的精度设计要求工件定位准确，吸取精度高，重复定位精度和运动 25 稳定性好，并有足够的吸取能。机械手能否准确吸附工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手吸附误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的吸附误差分析。图 4.8 抓爪误差分析示意图吸附误差不超过3mm，分析如下：工件的平均半径： = =45mmCPR2603 吸盘长 L=120mm，取 V 型夹角 01 偏转角： = = =64.341cosLincpos6in245 按最佳偏转角确定： =64.34 计算理论平均半径 120sin60cos64.34=45mmcsiR0 因为 min0max 22ax221 asinLcosi)si(L L 22222 40.36sin014.360sin1)06in( 1.484 22min2min2 asinLacos)s(L RL 22222 40.36sin014.360si1)06i3(1 0.166 所以 =1.4843 26 吸附误差满足设计要求。 4.4 移动小车的设计考虑到本次设计的垃圾拾捡机械手要求操作灵活方便，利于清洁工作业，本次选用手推式平台四轮小车作为承载平台，结构如下图示：图 4.9 移动小车结构图 4.5 回转底座的设计进行底座结构形式的选择是一个较复杂的过程，对结构形式、构件截面和结点构造等均需要结合具体的情况进行仔细的分析。对结构方案要进行技术经济比较。由于各种设备有不同的规范和要求，制定统一的底座结构选择方法较困难。但是，可以利用结构力学的知识提出下列一般的规则。这些规则是为了节约材料在选择形式时应遵守的一般规律。（1）结构的内力分布情况要与材料的性能相适应，以便发挥材料的优点。轴力较弯矩能更充分地利用材料。杆件受轴力作用时，截面上的材料分布是均匀的，所有材料都能得到充分利用。但在弯矩作用下截面的应力分布是不均匀的，所以材料的应力分布不够经济。（2）结构的作用在于把载荷由施力点传到基础。载荷传递的路程愈短，结构使用的材料愈省。（3）结构的连续性可以降低内力，节省材料。综合考虑机器的工作时所受的力，我选用机体材料 HT150 铸造底座，力学性能： =200MPa, =340MPa.适于制造箱体、底座类零件。bs 27 第 5 章控制系统设计 5.1 PLC 控制简介最早的 PLC 是由美国的数字设备公司研发出来的，尽管它的设计思想沿袭了计算机的设计思路，但是因为它的结构较为简单，所以它只能够做到计算机功能的一部分。它仅仅完成了对顺序结构控制的设计，具备了逻辑运算和计数等控制功能。后来这种可编程序控制器受到了更多的关注，世界各大公司都加入了对 PLC 的开发的大浪潮中来。随着我们科技的不断发展，PLC 的功能也在不断加强与增多，而在微处理技术逐渐完善之后，它的体积在功能增加的同时反而变得更加小巧玲珑。 PLC 之所以会受到如此的关注并不断发展的原因是因为 PLC 系统具有许多优秀的特质，而这些特质有：体积不大，使用起来灵活方便，通用性强，大大的提高了生产作业的效率；所需要的程序比较简单，不想计算机系统那样复杂，容易学习并掌握，这对 PLC 系统的推广与应用有很大的帮助；在使用过程中安全性高，能够多种环境下正常工作。 PLC 在以后的主要发展方向有着三个方面的选择：第一，面向中低端的自动化领域，向着微型化和低价格的方向发展并且保证 PLC 的性能的完整性与高效性；第二，向着更加复杂化，体型更加的大，功能更加的多，并且进入网络化的进程，形成一个多功能综合系统；第三，和智能系统系统进行结合，拓宽 PLC 的应用范围。 PLC 的最基本的工作方式是通过循环扫描的形式来完成的，所以 PLC 的工作过程就是扫描的过程。具体为：首先 PLC 系统通过自诊断对自身是否存在故障进行必要的诊断，确认没有故障后开始与外部设备进行信号的交互，然后将各个输入点的信息进行采样储存，再通过具体程序的运行，并在程序结束后将结果传送到输出环节上。 5.2 机械手的控制气压系统直接的控制机械手的运动，而气压系统的控制则需要依靠 PLC 来进行控制。气压系统可以通过各个气压缸的运动，还有气压缸与机械手各部分的连接来操纵机械手的运动。在自动化的过程中机械手可以依靠各种程序，使 28 机械手在不借助人工的情况下能够通过气压缸运动来自主的执行已经安排好的任务。其中如何使用 PLC 来控制机械手的气压系统的运动则是本次研究的重点。通过 PLC 来控制机械手可以做到机械手的远程自动控制，而控制的关键性因素则是 PLC 的输入与输出情况的考量，在对气压系统的控制过程进行分析后，我们确定了关于 PLC 的 I/O 口的分配情况。如下表 5-1 所示：表 5-1 控制机械手的 PLC 的 I/O 口分配情况输入输出 X0 垃圾位置信号 Y0 手臂 1 向下移动 X1 手臂 1 到达指定位置 Y1 手臂 2 向前或向后摆动 X2 手臂 2 到达指定位置 Y2 手爪开始进行抓取 X3 手爪已经抓紧 Y3 手臂 1 向上摆动 X4 手臂 1 到达位置 Y4 摆动缸逆时针摆动 X5 摆动缸旋转到位 Y5 手爪放松 X6 手爪完全放松 Y6 摆动顺时针摆动到位通过上面的表格进行分析后，我们可以知道机械手的 PLC 程序梯形图可以采用较为简单的顺序结构，就可以完成对垃圾的捡拾工作，梯形图如下图 5.1 所示： 29 图 5.1 机械手的 PLC 梯形图将它的梯形图转换为指令表形式，并记录下来就是下面的表 5-2 所示的。表 5.2 梯形图转换的指令表指令地址 LD X000 OUT Y000 LD X001 OUT Y001 LD X002 OUT Y002 LD X003 OUT Y003 LD X004 OUT Y004 30 LD X005 OUT T0 K100 LD

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