油茶采摘机械手的机构设计

学校代码 10410 序 号 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 题目 题目 油茶采摘机械手的机构设计 学学 院 院 工学院 姓姓 名 名 缪伟 学学 号 号 专专 业 业 机械设计制造及其自动化 年年 级 级 机制 051 指导教师 指导教师 饶洪辉 二二 00 九九 年年 五五 月月 油茶采摘机械手的机构设计 油茶采摘机械手的机构设计油茶采摘机械手的机构设计 摘摘 要要 本课题运用制图软件对机械手采摘油茶进行机构设计 包括 旋转机构 蜗轮蜗 杆减速装置 直齿减速装置 升降机构 气压缸升降装置 摆臂机构 气压装置和四 杆装置 手抓机构 滑动螺旋传动装置 手抓抓紧放开装置 手抓自转装置 PLC 程控 系统 继电器 接触器控制系统 主电路 PLC 外部接线 梯形图 指令语句表 用 AutoCAD 绘制机构的二维图形 用 Pro E 绘制机构的三维造型 熟练掌握 AutoCAD 和 Pro E 绘图 对机械原理 机械设计及机电一体化有较深入的理解和认识 关键词 关键词 油茶采摘 机械手 PLC 程序控制系统 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 油茶采摘机械手的机构设计 目目 录录 摘 要 Abstract 一 前 言 二 油茶采摘机械手原理图 三 油茶采摘机械手的设计与选型 3 1 电动机的选型 3 2 旋 转 减 速 机 构 3 2 1 第一级蜗轮蜗杆减速装置 3 2 2 第二级蜗轮蜗杆减速装置 3 2 3 直齿减速装置 3 2 4 旋转机构转速 3 3 气 压 升 降 摆 臂 机 构 3 3 1 气压升降装置 3 3 2 气压摆臂装置 3 4 手 抓 机 构 3 4 1 滑动螺旋传动装置 3 4 2 手抓工作装置 四 油茶采摘机械手的 PLC 程序控制系统 4 1 主电路 4 2 PLC 外部接线 4 3 梯形图 4 4 指令语句表 参 考 文 献 致 谢 油茶采摘机械手的机构设计 一 前前 言言 1 1 油茶采摘机械手的作用 采用人工油茶采摘 消耗的人力 时间比较大 采摘效率低 并且某些油茶 难以采摘或采摘不到 对人体安全具有一定的威胁 采用油茶采摘机械手 可通过智 能移动平台 通过摄像头 传感器捕捉油茶 可实现持续的 高效率的 安全的作业 1 2 机器人技术 机器人技术是集计算机科学 控制工程 人工智能 传感器技术 机构学 机械 工程学等学科为一体的一门综合技术 机器人是一种知识密集 技术密集的机电一体 化的高技术产品 机器人在生产中的应用 对提高劳动生产率 提高产品质量 改善 劳动条件 提高企业的应变能力 促进新产业的建立和发展 改变劳动结构以及促进 相关学科的技术进步 均发挥了重大的社会效益和经济效益 因此世界各国都很重视 机器人技术的发展和机器人在生产中的运用 1 3 机械手的广泛应用 机床加工工件的装卸 特别是在自动化车床 组合机床上使用较为普遍 在装配 作业中应用广泛 在电子行业中它可以用来装配印制电路板 在机械行业中它可以用 来组装零部件 可在劳动条件差 单调重复易子疲劳的工作环境工作 以代替人的劳 动 可在危险场合下工作 如军工品的装卸 危险品及有害物的搬运等 宇宙及海洋 的开发 军事工程及生物医学方面的研究和试验 油茶采摘机械手的机构设计 二 油茶采摘机械手原理图二 油茶采摘机械手原理图 本机械手工作原理 底盘通过蜗轮蜗杆二级减速 圆柱直齿减速获得转速为 4 35 s 运用两个行程开关控制机械手左右摆动 120 的扇形区域内 手臂升降通过 气缸行程为 374mm 经滑块导轨实现上下运动 摆臂通过气缸行程为 128mm 经过四杆 装置实现沿水平上下摆幅为 30 的运动 手抓抓紧 放开通过步进电动机时间为 t 4s 经滑动螺母实现对目标的夹紧 放松 并通过伺服电动机带动内手抓自转达到 脱落目标的目的 机械手总装 油茶采摘机械手的机构设计 机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用于进行某种操作或作业的附加装置 机器人末端执行器种类很多 以适应机器人的不同作业及操作要求 机器人可通过 PLC 可编程的控制去完成某些操作和移动作业的机器人 人们力图 把这种机器人设计成具有仿人或动物的某些局部功能 并使这些功能扩大和延伸以代 替人去工作 本手抓机构采用概念设计方式 其经济性 实用性 可行性有待进一步优化 改 进设计 手抓夹紧装置可运用现在传感器技术 对目标实施的夹紧力控制在一个合理 的范围内 使夹紧力既不过小而不能起到夹紧的作用 也不过大而破坏目标的不良结 油茶采摘机械手的机构设计 果 三 油茶采摘机械手的设计与选型三 油茶采摘机械手的设计与选型 3 1 电动机的选型 SL 系列交流伺服电动机型号和主要技术数据 外形尺寸 mm 型号 励磁 电压 V 控制 电压 V 频率 Hz 堵转 转矩 N m 空载 转速 r min 输出 功率 W 机电时 间常数 m s 总长 机壳 外径 轴径 36SL5E23636 185011027001862364 90SL55220220503000270025301409014 油茶采摘机械手的机构设计 3 1 1 36SL5E2 伺服电动机3 1 2 90SL55 伺服电动机 交流伺服电动机的机械特性是非线性的 不需要电刷和换向器 因此结构简单 运行可靠 没有无线电干扰等优点 SL 系列交流伺服电动机是由笼子转子和隐极式定子两部分组成 定子槽内嵌以二 相绕组 一相为励磁绕组 一相为控制绕组 控制绕组分为两半 分别引出四根线 可接成串联或并联 以适用于两种电压 BF 系列反应式步进电动机型号和主要技术数据 外形尺寸 mm 型号相数 步距 电压 V 静态 电流 A 额定 负载 转矩 N m 静态 力矩 N m 空载 起动 频率 步 s 额定负 载起动 频率 步 s 总长 机壳 外径 轴径 70BF1 333 1 52731000 1000112708 3 1 3 70BF1 3 步进电动机 油茶采摘机械手的机构设计 BF 系列步进电动机系反应式步进电 动机 它是将脉冲指令转换为角位移或 转速的控制电动机 其角位移与脉冲数 量严格成正比 改变脉冲频率实现调速 它具有定位精度高 同步运行特性好 调速范围宽 能快速起动 反转和制动 等特点 广泛用于开环数控系统作执行 元件和驱动元件 3 2 旋 转 减 速 机 构 蜗杆传动用于交错轴间传动运动及动力 通常 交错角 90 它的主要优点 传 动比大 工作较平稳 噪音低 结构紧凑 可以自锁 主要缺点 少头数的蜗杆传动 效率较低 常需要贵重的减摩性有色金属 根据课题需要选择传动比较大的蜗轮蜗杆机构 传动比大时及要求自锁的传动 取 z 1 蜗轮的齿数 z 一般取 z 27 80 过少的 z 蜗轮齿将产生根切 z 80 时 12222 会导致模数过小而削弱轮齿的弯曲强度或使蜗杆轴刚度降低 阿基米德圆柱蜗杆加工方便 应用较广泛 但导程角 大时加工困难 传动效率 较低 0 5 0 8 齿面磨损较快 因此 一般用于头数较少 载荷较小 低速或 不太重要的传动 3 2 1 第一级蜗轮蜗杆减速装置 表 普通圆柱蜗杆传动的参数匹 配 中心距 a mm 公称 传动 比 参数 40 z z 21 38 1 油茶采摘机械手的机构设计 第一级蜗轮蜗杆公称传动比取 40 蜗杆头数取 z 1 中 1 心距 a 取 a 40mm 由表 普通圆柱蜗杆传动的参数匹配 有 z z 38 1 蜗轮齿数 z 38 模数 m 1 6 蜗杆分度圆 212 直径 d 20mm 蜗轮变位系数 x 0 25 12 在蜗杆的轴平面内基准齿廓 齿形角的尺寸参数为 齿顶高 h m 1 6mm a 工作齿高 h 2m 2 1 6 3 2mm 轴向齿距 p m 3 14 1 6 5 024mm x 顶隙 c 0 2m 0 2 1 6 0 32mm 齿根圆角 p 0 3m 0 3 1 6 0 48mm f 阿基米德蜗杆 轴向齿形角 a 20 x 传动系统中 取 25 蜗杆齿顶圆直径 d d 2h m 20 2 1 1 6 23 2mm 1a1 a 蜗杆齿根圆直径 d d 2m h c 20 2 1 6 1 0 2 16 16mm 1f1 a 蜗杆宽度 b 11 0 06z m 11 0 06 38 1 6 21 248mm 取 b 22mm 1 21 蜗轮分度圆直径 d mz 1 6 38 60 8mm 22 蜗轮喉圆直径 d d 2h d 2m h x 60 8 2 1 6 1 0 25 63 2mm 2a22a2 a2 蜗轮齿根圆直径 d d 2h d 2m h x c 2f22f2 a2 60 8 2 1 6 1 0 25 0 2 56 16mm 蜗轮外圆直径 dd 2m 63 2 2 1 6 66 4mm 取 d 66mm 2e 2a2e 蜗轮宽度 b0 75d 0 75 23 2 17 4mm 取 b 17mm 2 1a2 蜗轮齿顶圆弧半径 R 0 5d m 0 5 20 1 6 8 4mm 2a1 蜗轮齿根圆弧半径 R 0 5d c m 0 5 23 2 0 2 1 6 11 92mm 2f1a m1 6 d1 20 x2 0 25 z z 21 49 1 m1 25 d1 20 50 x2 0 5 油茶采摘机械手的机构设计 3 2 1 第一级蜗轮蜗杆减速装置3 2 2 第二级蜗轮蜗杆减速装置 3 2 2 第二级蜗轮蜗杆减速装置 第二级蜗轮蜗杆公称传动比取 50 蜗杆头数取 z 1 中心距 a 取 a 40mm 由表 1 普通圆柱蜗杆传动的参数匹配 有 z z 49 1 蜗轮齿数 z 49 模数 m 1 25 蜗杆分 212 度圆直径 d 20mm 蜗轮变位系数 x 0 5 12 在蜗杆的轴平面内基准齿廓 齿形角的尺寸参数为 齿顶高 h m 1 25mm a 工作齿高 h 2m 2 1 25 2 5mm 轴向齿距 p m 3 14 1 25 3 925mm x 顶隙 c 0 2m 0 2 1 25 0 25mm 齿根圆角 p 0 3m 0 3 1 25 0 375mm f 阿基米德蜗杆 轴向齿形角 a 20 x 传动系统中 取 25 蜗杆齿顶圆直径 d d 2h m 20 2 1 1 25 22 5mm 1a1 a 蜗杆齿根圆直径 d d 2m h c 20 2 1 25 1 0 2 17mm 1f1 a 油茶采摘机械手的机构设计 蜗杆宽度 b 8 0 06z m 8 0 06 49 1 25 13 675mm 取 b 14mm 1 21 蜗轮分度圆直径 d mz 1 25 49 61 25mm 22 蜗轮喉圆直径 d d 2h d 2m h x 61 25 2 1 25 1 0 5 62 5mm 2a22a2 a2 蜗轮齿根圆直径 d d 2h d 2m h x c 2f22f2 a2 61 25 2 1 25 1 0 5 0 2 57mm 蜗轮外圆直径 dd 2m 62 5 2 1 25 65mm 取 d 65mm 2e 2a2e 蜗轮宽度 b0 75d 0 75 22 5 16 875mm 取 b 16 5mm 2 1a2 蜗轮齿顶圆弧半径 R 0 5d m 0 5 20 1 25 8 75mm 2a1 蜗轮齿根圆弧半径 R 0 5d c m 0 5 22 5 0 2 1 25 11 5mm 2f1a 3 2 3 直齿减速装置 主动直齿轮宽度 b 16mm 2 从动直齿轮宽度 b 16mm 1 主动直齿轮齿数 z 36 2 从动直齿轮齿数 z 72 1 主动直齿轮分度圆直径 d 20mm 2 从动直齿轮分度圆直径 d 40mm 1 3 2 3 直齿减速装置 油茶采摘机械手的机构设计 3 2 4 旋转机构转速 旋转机构转速 n n n 01230 2 1 z z 2 1 z z 1 2 z z 2700 360 4 35 s 60 1 38 1 49 1 72 36 3 2 4 旋转机构部装 3 3 气 压 升 降 摆 臂 机 构 气动系统由气压发生装置 执行元件 控制元件 辅助元件四部分组成 气压传动的优点 以空气为工作介质 工作介质获得比较容易 用后的空气排到 大气中 处理方便 便于集中供气 远距离输送 动作迅速 反应快 维护简单 工 作介质清洁 不存在介质变质等问题 工作环境适应性好 成本低 过载能自动保护 气缸是执行元件之一 气缸是将压缩空气的能量转换成直线往返运动形式机械能 的能量转换装置 油茶采摘机械手的机构设计 3 3 气缸装置 3 3 1 气压升降装置 气压升降装置气缸的行程 s 374mm 通过滑块固定导轨实现机械手的升降运动 3 3 2 1 气压摆臂装置 气压摆臂装置通过气缸行程为 s 128mm 实现手臂沿水平线上下摆动 30 的运动 2 3 4 手 抓 机 构 3 4 1 滑动螺旋传动装置 螺旋传动主要是将旋转运动变成直线运动 同时进行能量和力的传递 或者调整 零件的相互位置 也有将直线运动变成旋转运动的 根据手抓机构要求 运用传 力螺旋和传动螺旋的梯形螺 纹 梯形螺纹牙形角 a 30 螺纹副的大经和小径处有相 等的径向间隙 牙根强度高 螺纹的工艺性好 可以用高 生产率的方法制造 内外 螺纹以锥面贴合 对中性好 不易松动 采用剖分式螺母 可以调整和消除间隙 但 其效率较低 螺纹中经 d 14 4mm 螺纹外径 d 16mm 2 3 4 1 滑动螺旋传动装置 油茶采摘机械手的机构设计 牙形角 a 30 螺距 p 3 2mm 螺纹的工作高度 h 0 5p 0 5 3 2 1 6mm 螺纹牙低宽度 b 0 65p 0 65 3 2 2 08mm 整体式螺母的高度 H d 2 5 14 4 36mm 2 由验算 z 11 2510 12 符合要求 p H 2 3 36 选取步进电机 70BF1 3 步距为 1 5 初选螺母滑块移动距离 s 54mm 则手抓锁紧 放开时间 t 4 05s 5 1 360 2 3 54 1000 1 最后选取手抓锁紧 放开时间 t 4s 则螺母滑块移动距离 s 53 3mm 3 4 2 手抓工作装置 手抓工作原理步骤 起动 70BF1 3 步进电动机 带动丝杆转动 滑块在丝杆经导 杆自由滑动 内手抓钣金片通过滑块圆柱台阶推动快速夹紧油茶 随后外手抓钣金片 通过滑块锥形轨迹夹紧油茶枝条 通过时间继电器经过 t 4s 步进电动机停止 夹紧后 内手抓装置通过 36SL5E2 伺服电动机自转 实现在油茶枝条固定的同时油茶自转脱落 的功能 3 4 2 手抓结构装置 油茶采摘机械手的机构设计 四 油茶采摘机械手的四 油茶采摘机械手的 PLCPLC 程序控制系统程序控制系统 可编程序控制器 PC Programmable Controller 又称可编程逻辑控制器 PLC Programmable Logical Controller 是微机技术与继电器常规控制技术相结合 的产物 是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器 是一种以微 机处理器为核心用作数字控制的专用计算机 4 1 主电路 36SL5E270BF1 390SL55 3M 3 2M 3 1M 3 3QG2QG FUFU 3KM 2RKM FRFRFR 2FKM 1RKM1FKM FU 1QG 油茶采摘机械手的机构设计 PLC 现已成为现代工业控制三大支柱 PLC CAD CAM ROBOT 之一 以其可靠性高 逻辑功能强 体积小 可在线修改控制程序 具有远程通信联网功能 易于与计算机 接口 能对模拟量进行控制 具备高速计数与位控等高性能模块等优异性能 日益取 代由大量中间继电器 时间继电器 计数继电器等组成的传统继电 接触控制系统 在 机械 化工 石油 冶金 电力 轻工 电子 纺织 食品 交通等行业得到广泛应 用 PLC 的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一 4 2 PLC 外部接线 460 3SB2 437 438 436 431 430 3KM 2RKM 2FKM 1RKM 1FKM 源 402 402 408 407 400 405 404 FR 电 FU COMCOMPLC 3SB1 2SB3 2SB2 2SB1 1SB3 1SB2 1SB1 油茶采摘机械手的机构设计 4 3 梯形图 438 408454 408 454 MCR 101 438 K4 K40 OUT 460 RST K4 452 K2 437 451 K2 K2 100MCR 453 436 431 103 430 450 102 101 100 451 103 407 460 452407101 71 436 10472 453460 437 433432 435434430406404 103 405 450 102 102 431406405404100 403 402 401400 油茶采摘机械手的机构设计 4 4 指令语句表 底盘地位 底盘定位 行程极限开关 行程开关 ANI 407 END 主控复位指令MCR 101 电机2M反转 延时 K 4 OUT 454 LD 451 K 2 电机启动延时OUT 451 LD 103 64 63 62 61 32 31 30 29 OUT 460 计数器延时器AND 104 LD 72 RST 460 LD 71 电机正转延时K 4 OUT 452 OUT 104 电机2M正转 机械手抓紧 ANI 452 OUT 437 电机3M自转ANI 453 OR 437 LD 460 K 40 ANI 460 OUT 453 电机3M自转 延时 K 2 LD 408 OR 438 电机2M反转 机械手松开 ANI 454 OUT 438 ANI 408 OR 104 LD 407 主控指令MC 101 主控复位指令MCR 100 OUT 431 OUT 103 行程极限开关ANI 435 行程开关ANI 434 ANI 430 ANI 406 电机1M反转ANI 404 OR 103 LD 405 OUT 430 LD 450 K 2 电机启动延时OUT 450 LD 102 OUT 102 ANI 433 ANI 432 ANI 431 电机1M正转ANI 406 ANI 405 OR 102 LD 404 主控指令MC 100 OUT 101 OR 403 LD 402 OUT 100 AND 401 合电源LD 406 54 53 52 51 57 56 55 58 59 60 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 步序说 明指 令说 明指 令步序 油茶采摘机械手的机构设计 参参 考考 文文 献献 1 徐灏主编 机械设计手册 北京 机械工业出版社 1992 2 杨明忠 朱家诚主编 机械设计 武汉 武汉理