硕士学位论文-穴盘苗移栽机械手的结构设计与仿真研究.pdf

沈阳农业大学 硕士学位论文 穴盘苗移栽机械手的结构设计与仿真研究 姓名：张诗 申请学位级别：硕士 专业：农业机械化工程 指导教师：邱立春 20070508 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 弛寺 帆川年f 月，炉 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名。耳 纭；孑 锈 时间：卿年多月7 卯 时间：7 力7 年 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，温室蔬菜和花卉生产成为现代化农业的重要标志和主要内 容。穴盘苗移栽是温室蔬菜和花卉生产中的重要环节，是实现温室生产工厂化、自动化 和集约化的基础。机械手是穴盘苗自动移栽机的核心部件和执行机构，机械手的结构设 计与仿真研究是穴盘苗自动移栽机的设计基础。 本论文是在参阅了国内外穴盘苗移栽机械相关研究资料的基础上，应用机械设计理 论、三维造型软件、仿真及P L C 技术，针对穴盘苗移栽机械手进行了系统分析、结构设 计和仿真研究。为穴盘苗移栽机械产品开发和性能评价，实现穴盘茁移栽自动化生产提 供了参考和理论依据。论文研究取得的主要成果： ( 1 ) 通过对穴盘苗移栽的工作过程的分析以及对钵体的初步实验，选取机械手的 坐标形式和自由度，结合对各个部分的要求及机械设计理论基础，对穴盘苗移栽机械手 进行两种不同结构的设计。 ( 2 ) 对穴盘苗移栽机械手工作过程及虚拟样机技术理论进行深入研究，在此基础 上利用S O L I D W O R K S 三维实体设计软件完成穴盘苗移栽机械手各零件建模，并进行机械 手的虚拟装配，形成穴盘苗移栽机械手的虚拟装配模型。 ( 3 ) 把在S O L I D W O R K S 中建立的穴盘苗移栽机械手的虚拟装配模型文件，导入到 A D A M S 软件中，施加约束、作用力、运动激励，并对机构性能进行虚拟检测，在试验中 检验计算机模型，同时互相修正，最终形成机械手的虚拟样机。 ( 4 ) 使用A D A M S 软件对两种结构的穴盘苗移栽机械手虚拟样机进行动态仿真和运 动学、动力学分析，得出手指运动轨迹图和位移、速度、力曲线图，并将结果进行对比 分析和研究，分析两种结构的优缺点。本研究得到的机构运动仿真分析方法和过程，适 用于其他常见机构的新产品开发。 ( 5 ) 本课题除了对结构设计和仿真的研究还在机械手汽缸的选择、气压传动系统的 设计、气动元件的选取以及在编制P L C 程序方面进行了计算和研究，并加工出试验样机。 关键词：虚拟样机技术机械手A D A M S ，S O L I D W O R K S 穴盘苗 茎茎塑茎 一 A b s t r a c t A l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , p r o d u c t i o no fv e g e t a b l ea n d f l o w e ri nt h eg r e e n h o u s ei sm a i nc o n t e n ta n di m p o r t a n ts y m b o lo fm o d e r na g r i c u l t u r e T r a n s p l a n t i n gp o ts e e d l i n g si s t h ei m p o r t a n ts t e p ，a n di st h eb a s i ci na c h i e v i n gf a c t o r y , a u t o m a t i o n , c e n t r a l i z a t i o no fp r o d u c eg r e e n h o u s e M a n i p u l a t o ri s c o r ep a r t sa n de x e c u t i n g o r g a n i z a t i o n i na u t o m a t i ct r a n s p l a n t i n gp o ts e e d l i n g sm a c h i n e S t r u c t u r ed e s i g na n d s i m u l a t i o nr e s e a r c ho f m a n i p u l a t o ri st h eb a s i cd e s i g ni na u t o m a t i ct r a n s p l a n t i n gp o ts e e d l i n g s m a c h i n e n l ea r t i c l eb a s eo nr e f e r r i n gt oi n t e r r e l a t e dd o m e s t i ca n df o r e i g ni n v e s t i g a t i v e i n f o r m a t i o nc o m b i n e dw i t hm e c h a n i c a ld e s i g n , t h r e e d i m e n s i o n a ls c u l p ts o f t w a r e S i m u l a t i o n , P L Cs y s t e m i ca n a l y s i s ，s t r u c t u r ed e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ht ot r a n s p l a n tp o ts e e d l i n g s m a n i p u l a t o r 1 1 1 ea r t i c l ep r o v i d er e f e ：r e n c ea n da c a d e m i cb a s et ot r a n s p l a n tp o ts e e d l i n g s m a c h i n ee x p l o i t a t i o n , p 耐o l m a n c ee v a l u a t i o na n dr e a l i z ea u t o m a t i ct r a n s p l a n t i n gp o t s e 列l i n g s n em a i nf r u i to f t h i st h e s i si n c l u d e s ： ( 1 ) T h r o u g ha n a l y s i so ft h em o v e m e n to ft r a n s p l a n t i n gp o ts e e d l i n g sm a n i p u l a t o ra n d p r i m ee x p e r i m e n t , c o n f i r mt h ec o o r d i n a t ea n dd e g r e e I ti sd e s i g n e dt w od i f f e r e n ts t r u c t u r e so f t r a n s p l a n t i n gp o ts e e d l i n g sm a n i p u l a t o rc o m b i n ew i t hm e c h a n i c a ld e s i g na n de v e r yp a r t so f m a n i p u l a t o rr e q u i r e m e n t s 陀) T h r o u g hr e s e a r c ho fw o r kp r o c e s so fm a n i p u l a t o r , c o m p l e t et h et h r e ed i m e n s i o n a l d i g i t i z e dm o d e l i n go ft r a n s p l a n t i n gp o ts e e d l i n g sm a n i p u l a t o rn s e sS O L I D W O R K Ss o f t w a r e a n da s s e m b l e st h em o d e lv i r t u a l l y A tl a s t , t r a n s p l a n t i n gp o ts e e d l i n g sm a n i p u l a t o r sv i l t u a l a s s e m b l ym o d e li se s t a b l i s h e d ( 3 ) T r a n s p l a n t i n g p o ts e e d l i n g sm a n i p u l a t o r s v i r t u a l a s s e m b l i n gm o d e l i n S O L I D W o R K Si ss u c c e s s f u l l yo p e n e di nA D A M S A p p l y i n gc o n s t r a i n t s ，f o r c e s ，k i n e t i c sa n d d o i n gav i r t u a lt e s t t h e ne x a m i n i n gt h et h e o r i e sm o d e la n dc o m p u t e rm o d e li nae x p e r i m e n t , r e v i s i n ge a c ho t h e r a tt h es a m et i m e ，a tl a s tav i r t u a lp r o t o t y p i n gi sf o r m e d ( 4 ) 1 1 “ a p p l i c a t i o no fA D A M S t os i m u l a t et W Os t r u c t u r e so ft h em a n i p u l a t o r , a n a l y s i so f t h eh a c k , v e l o c i t ya n df o r c e e d u c ed i s a d v a n t a g ea n da d v a n t a g eo ft W os t r u c t u r e s n 圮s t u d y o b t a i n st h em e t h o da n dp r o c e s si nm e c h a n i s ms i m u l a t i o na n a l y s i s ，w h i c hc a l l a p p l yi n e x p l o i t i n gi no t h e rc o m m o nm e c h a n i c a lp r o d u c t ( 5 ) T h ea r t i c l er e s e a r c hs e l e c t i o no fm a n i p u l a t o rc y l i n d e r s ，d e s i g no fa i rp r e s s u r e t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，s e l e c t i o no fa i rp r e s s u r et r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t w o r k o u tp r o c e s so f P L C ，e x c e p td e s i g nt h es t r u c t u r eo ft r a n s p l a n t i n gp o ts e e d l i n g sm a n i p u l a t o ra n ds i m u l a t i o n M a n u f a c t u r et h ep r o t o t y p e K e yw o r d s ： V i r t u a l p r o t o t y 7 p i n gt e c h n o l o g y ，M a n i p u l a t o r ， A D A M S ， S O L I D W O R K S ，P o t s e e d l i n g 2 沈阳农业大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 设施农业生产自动化是现代化农业发展的必然趋势，温室蔬菜和花卉生产工厂化 和自动化已成为现代化农业的重要标志和主要内容。随着社会进步和人民生活水平的 提高，设施农业已成为国民经济中的支柱产业，温室蔬菜及花卉生产对发展农村经济， 增加农民收入，丰富人民的菜篮子，改善人民生活具有举足轻重的作用。 穴盘苗自动移栽技术是温室蔬菜或花卉生产实现工厂化和自动化而采用的一种 重要的种植方式。自上个世纪2 0 年代始，许多国家和地区先后开展了作物钵苗移栽 技术研究工作。到目前为止，这项技术已广泛地应用于多种蔬菜和花卉及少量经济作 物的生产上。在国外，日本开发了育苗移栽机器人，可在设施内完成育苗移栽作业。 荷兰和美国9 0 的温室用于生产鲜花和观赏植物，生产过程向机械化，自动化方向发 展。温室中育苗移栽机器人己研制成功并在生产中应用极大地提高劳动生产率，改善 农业的生产环境，提高了作业质量。在国内，农业设施内的穴盘苗移栽生产机械化和 自动化研究工作尚处于实验室试验研究阶段，国内使用的穴盘苗移栽机械多数依赖进 口，严重地制约着温室生产向工厂化和集约化发展。 随着国内外市场需求，温室蔬菜和花卉生产规模在迅速发展，传统的温室农艺生 产技术和生产方法已逐渐不能满足生产需求，实现温室生产技术机械化、自动化和工 厂化的要求越来越迫切。与穴盘育苗生产机械化相比，穴盘苗移栽生产自动化水平还 很低，大多数生产环节和作业工序还需要人工完成，劳动强度大，生产成本高、效率 低。移栽机械手的研究工作是解决温室穴盘苗移栽自动化的关键，穴盘苗移栽机械手 的研究对实现温室蔬菜和花卉生产，实现温室穴盘苗移栽生产过程自动化、减轻穴盘 茁移栽作业的劳动强度、提高作物移栽质量，推进我国温室作物生产机械化和自动化 进程，特别是我国“十一五”农业发展规划的顺利实施具有重大意义。 第一章绪论 1 2 农业机械人的发展现状 1 2 1 国外农业机器人发展现状 国外农业机器人发展比较快，以日本为主。另外英国，韩国，法国等国家也先后研 制出了各种类型的机器人。 在1 9 9 3 1 9 9 7 年，日本生物系特定产业技术研究推进机构的机电技术研究室开发一 围1 - 1 卵s 控制下插秧机器人 F 嘻1 - 1 T r a n l t i n g r i c es e e d l i n g s 耕作机器人，该机器人在耕作场内可进行包括能 辨别、判断自身位置和前进方向的无人操作。日 本研制的在G P S 控制下的无人驾驶插秧机能自动 准确得转向、定位，其耕作效率与有人操作时相 同。( 图卜1 为该插秧机正在作业) 。法国研制出用 微机控制的拖拉机，工人只要与计算机对话，按 动键盘发出指令，就可以完成各种操作。另外在 车辆的定位和引导研究上也有一系列的发展： 1 9 9 4 年芬兰开发出利用G P S 和左右两轮的转速差进行导航的小型履带式车辆。 图1 2 水稻施肥机器人 F i g 1 - 2F e r t i l i z i n gr i c er o b o t 日本农林水产省农业研究中心开发的机器人 式水田管理作业机能对水稻进行施肥等作业。该 机器人的自主行走系统采用类似猫的胡须的接触 传感器，沿着列行走，到地头时自动停止，并转 一个作业宽度至返回方向，再由操作者确认是否 进入正确稻列进行作业，这是半自动作业方式。 在1 9 9 6 年英国开发的园艺机器人，利用C C D 摄像机 和左右两轮的转速差进行导航定位，从而在无作 物处喷洒除草剂，在有作物处喷洒农药和施肥等精确农业作业。图卜2 是能在土质松软 的水田中自动行走，进行深层作业的水稻施肥机器人。其行走部分是能在狭窄的稻秧间 行走的窄型橡皮车轮，四个轮子均可横向转动9 0 0 。施肥装置是把糊状肥料经过肥料泵加 压，由喷嘴向土中施肥，喷嘴是两个一组共有四组，利用喷嘴柄把喷嘴插人_ t q a l5 e r a , 进行点注深层施肥。机器人能沿着水稻垄自动行走，能自动保持作业部分的深度，自动 4 沈阳农业大学硕士学位论文 控制施肥量，机器人工作时无人操纵。通过前方传感器自动检测地头情况。英国研究出 用计算机、全球卫星定位系统和智能拖拉机组成的除草系统：农民带着全球卫星定位系 统接收机在田地中行走，若有野草时就会向计算机输入信号，存入野草所在的位置。回 到农场后再把数据输入到拖拉机的计算机中，开动拖拉机，全球卫星定位系统发出信号， 指挥拖拉机在有野草的地方喷洒农药除草。这样可减少除草剂用量，减轻农作物的污染。 日本1 9 8 9 年成立了T G R 技术嫁接研究所。该研究所 研制出了一种嫁接机器人，如图卜3 所示，其嫁接过程 分切断、合位和接苗三个环节。它为全自动式，若本 苗或嫁苗有缺苗时能自动判别，并跳过缺苗盆。该机 器人的嫁接成功率达9 7 ，同时也大大提高了作业速度。 图1 - 3 嫁接机器人 日本一些实力雄厚的厂家如Y A N M A 、M I T S U B I S H I 等 9 培卜3 G r a f t i n gr o b o t 也研究开发自己的嫁接机器人技术和产品，嫁接对象涉 及西瓜、黄瓜、西红柿等。总体来讲，日本研制开发的嫁接机器人有较高的自动化水平， 但是，机器体积庞大，结构复杂，价格昂贵。9 0 年代初，韩国也开始了对自动化嫁接技 术的研究，但其研究开发的技术，只是完成部分嫁接作业的机械操作，自动化水平较低， 速度慢，而且对砧、穗木苗的粗细程度有较严格的要求。在蔬菜嫁接育苗配套技术方面， 日本、韩国已生产出专门用于嫁接苗的育苗营养钵盘。在欧洲农业发达国家如意大利、 法国等，蔬菜的嫁接育苗相当普遍，大规模的工厂化育苗中心全年向用户提供嫁接苗。 田1 - 4 剪羊毛机器人 F 蓦I - 4 T r i m m i n g w o o lr o b o t 日本开发了利用棒状传感器检测稻株，靠离合 器闸的接通与断开实现转向的方向自动控制的联 合收割机。美国新荷兰农业机械公司研制多用途 的自动化联合收割机器人，它很适合在美国的一 些专属农垦区大片整齐规划的农田中收割庄稼。 由法国开发的水果采摘机器入，其机械手是3 自由度圆柱坐标型，可以收获苹果或柑桔，利用 C C D 摄像机和光电传感器识别果实，识别苹果时从 树冠外部的识别率可以达到8 5 ，速度达到2 4 s 个，采摘的同时还可以对苹果进行包装。 第一章绪论 韩国研制的苹果采摘机器人，其机械手工作空间可以达到3 m ，具有4 个自由度，包 括3 个旋转关节和1 个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行器，内有压力传感器避免 损伤苹果。利用C C D 摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部识别苹果时的识别率达 8 5 ，速度达5 个s 。该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋，缩短了从摘取到放置 的时间，提高了采摘速度。但是，该机器人只有4 个自由度，无法绕过障碍物摘取苹果： 对于叶茎完全遮盖的苹果，也没有给出识别和采摘的解决方法。 英国S i l s o e 研究院研制的蘑菇采摘机器人可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择 性地采摘和修剪。它的机械手包括2 个气动移动关节和一个步迸电机驱动的旋转关节组 成，末端执行器是带有软衬垫的吸引器，视觉传感器采用T V 摄像头，安装在顶部用来确 定蘑菇的位置和大小。采摘成功率平均在7 5 左右，采摘速度为G 7 个s 。另一种类型的 机器人用C C D 黑白摄像机识别作业对象，识别率达8 4 ，使用直角坐标机械手进行采摘， 为了防止损伤蘑菇，执行器部分装有衬垫，吸附后用捻的动作进行收获，收获率达G 0 ， 完整率达5 7 。 澳大利亚成功研制了剪羊毛机器人。首先将羊固定在可作三个轴心转动的平台上， 然后将有关羊的参数输入计算机，据此算出剪刀在剪羊毛时的最佳运动轨迹，然后用液 压传动式剪刀剪下羊毛。由试验结果表明，枧器人要比熟练的剪毛工剪得快。 1 2 2 国内农业机器人的发展现状 在农业和林业中，由于容易对植被造成损害、易污染环境等原因。传统的机械通常 存在这样或那样的缺点。为了解决这个问题，国内外都在进行农业机器人的研究。特别 是一些发达国家，农业人口较少，劳动力问题突出，对农业机器人的需求更为迫切。同 时，农业机器人相对于传统农业机械能更好地适应生物技术的新发展。就我国而言，由 于机械化、自动化程度比较落后，“面朝黄土背朝天，一年四季不得闲”曾是我国农民 的象征。农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式。改善农民的生活劳动状态。 本溪市农业工程技术推广中心的科研人员历时3 年研制出的I D Y - I 型多功能遥控整 地机，该样机高1 m ，长1 5 m 、宽0 5 m ，它可带动水田的旋耕、耙地等农具，人可在水 田埂上自动有序地操纵它在水泡池里作业。当到旱田换上新的一套作业农具时，人站在 几百米处摇控操作，整地机就可以自己碎茬、起垄，即省工又省力，这是目前国内首创 的小型自动化农具机，可批量生产，希望早日转化为生产力和农机商品。它替代了传统 6 沈阳农业大学硕士学位论文 的水田犁翻垄、耙地，改善了人的劳动条件，提高了劳动效率，对今后水田耕作有普遍 的使用和推广价值。 我国的嫁接机器人也取得了巨大的进步，中国农业大学率先在我国开展了自动化嫁 接技术的研究工作，先后研制成功了自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，填补了我 国自动化嫁接技术的空白，形成了具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术，解决了蔬 菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长的不一致性等难题，实现了蔬菜幼苗嫁接的精确定位、 快速抓取、良好切削。嫁接机器人能完成砧木、穗木的取苗、切苗、接合、固定、排茁 等嫁接过程的自动化作业。操作者只需把砧木和穗木放到相应的供苗台上，其余嫁接作 业均由机器人自动完成，嫁接速度达到6 0 0 棵时，成功率为9 5 以上，可大大促进果蔬 生产规模化、产业化。以上，可大大促进果蔬生产规模化、产业化( 张立彬，2 0 0 2 ) 。 东北林业大学研制出的林木球果采集机器人。机器人可以在较短的林木球果成熟期 大量采摘种子，对森林的生态保护、森林的更新以及森林的可持续发展等方面都有重要 的意义，很好地解决了目前在林区仍主要采用人工上树手持专用工具来采摘林木球果的 做法工人劳动强度大，作业安全性差，生产率低，而且对母树损坏较大的问题。 围1 _ 5 西红柿采摘机器人 F i g I - 5P j c l ( i n gt o m a l or o b o t 采摘西红柿机器人。它带有彩色摄像头， 能够判断果实的生熟。由于位置误差，它采摘 的成功率约为7 5 。对于实际需要，这个数字是 可以接受的。 伐根机器入主要用于收集森林采伐剩余物 和培育优质工业用材林。它的应用有望克服我 国的森林资源危机，改进我国的森林资源利用。 在我国农业机器人具有它的特殊性，如使用 环境狭窄颠簸，且在户外需受气候影响：用户 多为个体经营，价格不宜过高：用户一般缺乏机械电子知识，要求机器人有较高的可靠 性并且操作简单，等等。由于上述这些原因，农业机器人目前尚未普及。 目前已开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机 器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。 7 第一章绪论 1 3 本论文研究的主要内容 本论文是以国内外大量的文章资料为基础，结合机械设计基础，三维造型软件，仿 真技术及P L C 等技术针对穴盘苗移栽机械手进行设计及研究。解决现在的工厂化生产穴 盘苗但是还保持人工移栽的问题。由于作业对象的娇嫩性，作业动作的复杂性。本论文 研究的重点是对机械手的结构设计，通过仿真分析来验证结构的合理性。具体研究内容： ( 1 ) 通过对穴盘苗移栽的工作过程的分析以及对钵体的初步实验，选取机械手的 坐标形式和自由度，结合对各个部分的要求及机械设计理论基础，对穴盘苗移栽机械手 进行两种不同结构的设计。 ( 2 ) 对穴盘苗移栽机械手工作过程及虚拟样机技术理论进行深入研究，在此基础 上利用S O L I D W O R K S 三维实体设计软件完成穴盘苗移栽机械手各零件建模，并进行机械 手的虚拟装配，形成穴盘苗移栽机械手的虚拟装配模型。 ( 3 ) 把在S O L I D W O R K S 中建立的穴盘苗移栽机械手的虚拟装配模型文件，导入到 A D A M S 软件中，施加约束、作用力和运动激励，并对机构性能进行虚拟检测，在试验中 检验计算机模型，同时互相修正，最终形成机械手的虚拟样机。 ( 4 ) 使用A D A M S 软件对两种结构的穴盘苗移栽机械手虚拟样机进行动态仿真和运 动学、动力学分析，得出手指运动轨迹图和位移、速度、力曲线图，并将结果结合实验 的结果进行对比分析和研究，分析两种结构的优缺点。本研究得到的机构运动仿真分析 方法和过程，适用于其他常见机构的新产品开发。 ( 5 ) 本课题除了对结构设计和仿真的研究还在机械手汽缸的选择、气压传动系统 的设计、气动元件的选取以及在编制P L C 程序方面进行了计算和研究。 8 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章穴盘苗移栽机械手的设计方案 2 。1 机械手的组成和分类 2 1 1 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。 1 ) 执行机构 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 ( 1 ) 机械手部手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹 持式和吸附式手部。夹持式手部由手指( 或手爪) 和传力机构所构成。手指是与物件直接 接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易， 故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件 时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 ( 2 ) 机械手腕手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位( 即姿 势) 。 ( 3 ) 机械手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手 指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置机械手的手臂通常由驱动手臂运 动的部件( 如油缸、气缸、齿轮齿条机构连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等) 与驱动源( 如 液压、气压或电机等) 相配合，以实现手臂的各种运动。 ( 4 ) 立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动 和升降( 或俯仰) 运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工 作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 ( 5 ) 行走机构当机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座 上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为 有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 ( 6 ) 机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装 于机座上，故起支撑和连接的作用。 9 第一二章穴盘卣移栽机械手的设计方案 2 ) 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装 置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械转动等四 种形式。其中以液压、气动用的最多，占9 0 以上。电动、机械驱动用的较少。 ( 1 ) 液压驱动主要通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、油马达 加齿轮、齿条实现直线运动：利用摆动油缸、油马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链 条、链轮等实现回转运动。 液压传动的优点：压力高，可实现较大的驱动力，机构可做得较小、紧凑：无级变速、 定位精度高，可实现任意中间位置的停止：系统的固有频率高，压力，容量调节容易。 重量小、惯性小，可做到经常快速且无冲击的变速和换向，容易控制，动作平稳，迟滞 小：有良好润滑性能、寿命长。 可采用伺服型定位控制方式达到连续轨迹控制：可把直线油缸和回转油缸直接做成手臂 的一部分，结构简单， 刚性好。 液压传动的缺点：需配备压力源，管路系统复杂，成本高：油温变化影响液压系统性 能，不适于高温或低温的环境：对中型高速动作的机械手，如需实现联动，则油泵、电 机和油箱都较大，增加系统压力，密封困难。 ( 2 ) 气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。 气压传动的优点：不用增速机构就能获得较高的运动速度，这正是简易型机械手的 一项主要性能， 使其可以适应各种快速自动搬运的工作：气源方便，一般工厂都有压 缩空气站：空气泄漏无害，因此对管路要求低：适应易爆、易燃等恶劣环境：结构保养都 简单，成本低：可将直线气缸和摆动气缸做成手臂的一部分，结构简单，刚性好。 气压传动的缺点：压力低、出力小，体积大：空气可压缩性大，粘滞性比油低，阻尼 效果差，对定位控制和低速运动不利，很难实现中间位置的停止：而且要付出很高代价 才能在一个循环中得到不同的速度，因此不能用以控制连续轨迹，只适用于点位控制。 采用简易型“开一关”式控制：润滑性差，气压系统易生锈( 毛卫平2 0 0 4 ) 。 ( 3 ) 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电机作为动力，用人减速比减速来驱 动执行机构：直线运动则用电机带动丝杠螺母机构：有一的采用直线电动机。通用机械手 则考虑采用步迸电机、直流或交流伺服电机、变速箱等。 ( 4 ) 机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低：缺点是不易于调整。 3 ) 控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系 统一般由程序控制系统和电气定位( 或机械挡块定位) 系统组成。控制系统有电气控制和 射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 ( 如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间) ，同时按其控制系统的信息对执行机构发出 指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号 ( 刘明保2 0 0 4 ) 。 4 ) 位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统， 并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度 达到设定位置。 2 1 2 机械手的分类 机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按 使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1 ) 按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种： ( 1 ) 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有 动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化 生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心附属的自动换刀机械手。 ( 2 ) 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能 范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独 立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的 中小批量自动化的生产。 2 ) 按驱动方式分 ( 1 ) 液压传动机械手 第_ 二章穴盘苜移栽机械手的设计方案 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓 重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然 油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宣在高温、低温下工作。若机械手采 用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀 的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 ( 2 ) 气压传动机械手 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是： 介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具 有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在3 0 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温 和粉尘大的环境中进行工作。 ( 3 ) 机械传动机械手 机械传动机械手即由机械传动机构( 如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等) 驱动 的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的 主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工 作主机的上、下料。 ( 4 ) 电力传动机械手 电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执 行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机 械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 3 ) 按控制方式分 ( 1 ) 点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制 其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用 和通用工业机械手均属于此类。 ( 2 ) 连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处 于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这 类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 沈阳农业大学硕士学位论文 2 。2 穴盘苗移栽机械手的总体设计方案 2 2 1 穴盘苗移栽机械手的工作原理 本次设计的机械手是有一定通用性的移栽机械手，是一种适合于成批或中、小批生 产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动强度大和操作单调频繁的生产场合。 机械手移栽的过程共包括：穴盘进给，夹持装置右进插入并夹紧穴盘苗，夹持装置 上升拔穴盘苗，夹持装置水平左移送穴盘苗，夹持装置垂直下降同时夹持装置打开，使 穴盘苗下5 个动作。 系统工作原理是：穴盘由电机通过皮带输送进给，当传感器检测到穴盘中穴盘苗到 达苗位置时，电机停，垂直运动机构上升，拔起穴盘苗后电机停，水平运动机构左移到 放置花盆的传送带正上方，垂直运动机构下移过程中夹持装置打开，穴盘苗落入花盆中。 如此，循环往复上述动作。水平、垂直运动机构到位均由位置传感器检测控制电机停。 为提高生产效率，将机械手垂直下降和放苗两互不干扰的执行机构又相互关联的动作同 时进行，这样节省了动作时间，缩短周期，而前几个动作，必须一个执行完才能执行另 一个，要求次序进行。 1 机槭手2 穴盘苗输送带3 花盆或其他容器输送带 图2 - 1 穴盘苗移栽机械手总体结构 F 蜃2 - IC o l l e t i v i t ys l r u c t u r oo f 咖l a m i n g p o ts e e d l i n g sm a n i p u l a t o r 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱 坐标式、球坐标式和关节式。实现穴盘苗移栽机械手的移栽功能，即“定位抓取 一定位投放”这一系列连续动作，即机械手在移栽时手指和手臂都只有直线运动， 第二章穴盘苗移栽机械手的设计方案 而无回转运动，因此，采用直角坐标型式。根据功能要求，该机械手应具有三自由度， 即为三自由度直角坐标机械手。图2 - 2 为机械手的结构示意图。 2 。2 2 机械手的驱动方式的选择 圈2 - 2 机械手的运动示意围 F i g 2 - 2M o v i n gm a n i p u l a t o r 按照移栽穴盘苗的要求，本机械手的手臂有两个自由度，即手臂的横向移动和升降 运动。手臂的升降运动是通过竖直的气缸运动来实现，横向机构的横向移动即为手臂的 横移，其运动也由气缸来实现。 由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，因此 本机械手采用气压驱动方式。对气动机械手的基本要求是能快速、准确地抓放和搬运物 件，具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间、灵活的自由度以及在 任意位置自动定位等特性。设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象( 工件) 的作业 技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件 的结构形状和材料特性和定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等， 从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求：尽量选用定型的标准组件，简化设计 制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。 2 2 3 输送系统的设计 1 4 本次设计的穴盘苗输送系统可实现下述功能：将穴盘苗依次输送到指定位置后停止运转。 由于输送穴盘茁时要求比较高的传动精度和较高的传动效率，因此穴盘苗输送可以 沈阳农业大学硕士学位论文 采用同步带输送，驱动电机选用直流伺服电机。整个装置由两个电机控制穴盘两个方向 的运动，机械结构参见图2 3 。另外，需要在机械手夹持装置送苗的位置附近安装一个 检测传感器。该装置的工作过程：穴盘被依次放置于皮带上，电机转动，穴盘苗随皮带 运动，检测传感器同时进行检测；当传感器检测到穴盘苗时，电机停止，此时穴盘苗恰 好位于指定位置，等待机械手夹持装置送苗；穴盘苗落入穴盘苗后，电机继续转动，输 送下一个穴盘苗至指定位置。 圉2 - 3 穴盘苗输送系统示意图 F i g 2 - 3S y s t e mo f t r a a s p o r t i n gp o ts e e x l l i n g 本次设计的花盆输送系统可实现下述功能：将花盆依次输送到指定位置后停止运转。 由于输送花盆时不要求精确的传动比较高的传动效率，因此花盆输送可以采用普通 平带输送，驱动电机选用直流伺服电机。整个装置的机械结构参见图2 - 4 。 圈2 - 4 花盆输送系统示意图 F i g 2 - 4S y s t e mo f t r a n s p o r t i n gf l o w e r p o t 1 电机 2 法兰盘 3 电机连接板 4 轴承套( 轴承) 5 主动轴 6 托板支架 7 皮带 8 托板 9 轴承支架 l O 被动轴 1 l 底板 其中托板8 是保证穴盘在皮带7 上平为可靠地输送；法兰盘2 的作用是轴向连接皮 带主动轴5 与电机1 ，即使设计或安装时二者轴向不同心，皮带轴也能平稳转动；底板 第一二章穴盘笛移栽机械手的设计方案 1 1 的作用是使整个装置独立、紧凑，便于安装、调整。另外，需要在机械手夹持装置送 苗的位置附近安装一个检测传感器。该装置的工作过程：花盆被依次放置于皮带上，电 机转动，花盆随皮带运动，检测传感器同时进行检测；当传感器检测到花盆时，电机停 止，此时花盆恰好位于指定位置，等待机械手夹持装置送苗；穴盘苗落入花盆后，电机 继续转动，输送下一个花盆至指定位置。 2 3 机械手的参数设计 1 、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，根据初步机械性能实验所得数 据，本机械手所要移栽的穴盘苗的最大重量为2 1 9 ，高速运动时减半，故设计的最大抓 重应不小于2 1 9 的2 倍，取值为5 0 9 。 2 、基本参数运动速度是机械手工作时的基本参数，设计速度过高容易使穴盘苗 振碎，设计速度过低生产效率达不到预定要求，限制了机械手的应用。而影响机械手动 作快慢的主要因素是手臂伸缩速度。 该机械手手指指尖最大移动速度设计为5 0 0 m m s ，平均速度为3 0 0 m m s ；横向最大 移动速度设计为5 0 0 m m s ，平均速度为2 0 0 m m s ；升降最大移动速度设计为5 0 0 m m s ， 平均速度为2 0 0 m m s 。 机械手动作时有启动、停止过程的加速、减速存在，用速度一行程曲线来说明速度 特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故平均速度的快慢更为符合速度特性。定位 精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为1 5 咖。 衰2 1 机械手结构参数 T a b 2 IC o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e r o f t r a n s p l a n t m g p o ts e e d l i n g s m a n i p u l a t o r 1 6 性能指标 参数 抓重 自由度数 坐标型式 手臂运动参数 手指运动参数： 定位方式 定位精度 缓冲方式 驱动方式 控制方式 5 0 9 三个自由度 直角坐标 横向行程2 0 0 m ，横向速度2 0 0 m I s ，升 降行程i 0 0 m ，升降速度：1 0 0 m m s 抓取行程1 1 4 5 r a m ，抓取速度2 0m s 行程开关 士1 5 m 液压缓冲罂 气动传动 点位程序控制( 采用P L C 控制) 沈阳农业大学硕士学位论文 第三章基于P L C 穴盘苗移栽机械手控制系统设计 3 。1 可编程控制器的编程原理 3 I 1 可编程控制器的工作原理 P L C 采用循环扫描工作方式，而中大型P L C 还增加了中断工作方式。循环扫描既可 按固定顺序，也可按用户程序所规定二级顺序( 高级和低级顺序) 或可变顺序等进行。因 为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的I O 点数 较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描 周期和控制的实时性。用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入P L C 的存贮器中， 并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输