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自动取料机械手的设计含9张CAD图,自动,机械手,设计,CAD
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自动取料机械手的设计Design of Automatic Picking Rob摘 要: 本文重点介绍节省材料，安全，简单和高效的原则。该设计基于自动拣选操纵器的设计。基本任务如下：设计操纵器的各种执行器，包括：手，腕，臂和其他组件。它的用途更加广泛。机械臂设计为可替换的结构。它不仅可以用来抓手指来抓取工件。机械手使用可编程逻辑控制器（PLC）来控制机械手。在本设计中，根据机器人的工作流程编写PLC程序，并绘制梯形图。关键词：机械手 执行器 控制器Abstract:This paper focuses on the principles of saving materials, safety, simplicity, and high efficiency. The design is based on the design of an automatic picking manipulator. The basic tasks are as follows: designing various actuators of the manipulator, including: hand, wrist, arm and other components It is more versatile. The robot arm is designed as a replaceable structure. It can not only be used to grip fingers to grasp the workpiece. The robot arm uses a programmable logic controller (PLC) to control the robot arm. In this design, a PLC program is written according to the workflow of the robot, and a ladder diagram is drawn.Keywords:Manipulator Actuator ControllerII目录1 绪论11.1研究背景11.2 研究内容11.3 研究步骤11.4 研究主要方法12 整体方案设计32.1 方案设计32.2装置末端执行器的设计32.3 末端执行器的设计42.4末端执行器气动回路的设计62.4.1 气动回路图62.4.2 末端执行器气动原理说明63 取料机械臂的设计83.1 机械臂构建方案83.2 机械臂结构设计83.2.1 驱动方式及传动机构的选择83.2.2 机械臂本体材料的选择93.2.3 腕部设计93.2.4 关节结构设计114 电器控制系统的设计154.1电器控制系统154.2 电器控制系统的主要步骤15结论18参考文献19致 谢20ii青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）1绪论1.1 研究背景随着现代科技的进步和农业的不断发展，以及大量农业设施的推广，对工业机械的自动化和智能化提出了新的更高要求。自动取料机械臂作为影响现代乃至未来至关重要的装备之一，它将引领未来农业智能装备的前进方向，也影响着未来工业和人们的效益和增收。在人口老龄化和农业劳动力不断减少的今天，对自动取料机械臂的研究显得尤为重要。1.2 研究内容（1）自动取料机械手的设计方案：控制系统：（2）对比其他自动取料机械手的设计，找出自动取料机械手的优势与劣势，进行应用可行性分析；（3）用AutoCAD绘制工程图，并对自动取料机械手各参数进行验证，查阅各类相关设计手册，通过理论和实际研究确定方案是否可行。1.3 研究步骤对国内外自动取料机械手的设计进行对比，通过阅读大量相关书籍、查阅(CNKI)论文、期刊等资料，深入研究国外助力机械手臂的设计的发展、前沿观点及研究成果，进行提炼、总结，为论文写作提供思路和资料。在查阅了一系列有关自动取料机械手的设计理论及相关知识的资料和相关文献的基础上，综合其结构特点，设计的主要步骤如下：（1）通过查阅相关资料了解各种机械装置的工作原理，结合所学专业课程，产生自动取料机械手的基本思路为后面的设计、选择打下基础。 （2）初步拟定自动取料机械手的研究的方法与具体的研究方向，尽量避免过程中发生的问题。 （3）依据发现的问题，确定整个设计的方案大纲，要求结构简单、造型美观。 （4）选定基本的方案，对机构整体、使用场合，适配性等进行分析。（5）确定最终方案，完成对装配图的绘制和制作。1.4 研究主要方法（1）文献法：查询与该主题研究有关的一定数量的中文和英文资料，就需要现代文献检索系统和能够检索互联网文献的能力，认识到取料机械臂工作原理和运动原理，以及玉米播种机机械传动关键部件的参数选择和设计；（2）调查法：调查国内外现有取料机械臂的结构设计实例，了解国内外行业的发展状况，为接下来具体机械结构的设计做铺垫。（3）模拟法：通过使用3D建模平台组装零件，创建出具体取料机械臂的模型，然后用于研究机械模型的一些基本特征。2 整体方案设计2.1 方案设计其机械结构包括机械臂、气动末端执行器等，机械臂为自主设计的灵巧机械臂，末端执行器则选用气动机械手指，整机采用PLC控制，运行稳定，抗干扰能力强。气动手指采用气动驱动，响应速度快，体积小、结构简单，维修和使用方便，可通过夹持的方式实现取料，因此通用性良好，但其夹持力度难以实现精确控制，使用时可能会产生一定噪音。图2.1 机械手的整体机械结构2.2装置末端执行器的设计另外，为了增大摩擦，减小夹持所需的力，课题研究设计的末端执行器夹持部分增加了一块柔性材料的缓冲垫，根据实践经验和相关实验，确定选用橡胶材料作为缓冲垫，橡胶材料本身具有弹性，且质量轻，其与底料之间的摩擦系数也比较大，在取料过程中可以用最小的夹持力夹住底料。参考文献的相关实验数据，最终将底料与橡胶之间的最小摩擦系数设定为0.5。在对底料夹持时要可靠，既不能夹持力过小，使底料滑落，又不能夹持力过大，夹坏底料，因此，当手指水平夹持底料时，对底料进行受力分析由图2.2可得式（2.1）。 （2.1）式中：F底料受到的加持力，N；f底料与夹持手指之间的摩擦力，N；夹持手指与底料之间的摩擦因数；m底料本身的质量，kg。根据不同的重量，课题研究取底料最大质量m=400g，代入公式（2.1）求得最小夹持力，取整：所需最小夹持力F=4N。2.3 末端执行器的设计在取料过程中，除了要研究底料及底料的特性外，还需对取料动作进行分解研究，另外取料方式的不同也直接影响着底料的储存和运输，采用夹持底料、刚性分离的方式，完成取料动作。即先夹持住底料，然后通过刀片，将底料切断，末端执行器夹持着底料，将底料放到指定位置。根据取料动作的实际要求，夹持部分选择标准复动型平行开闭式气动手指，其结构如图2.2所示。当A口排气，B口进气时，气缸的活塞杆6在压力的作用下伸出，通过杠杆3绕轴5做回转运动，带动两手指1，通过一组钢珠4在轨道2上做向外的直线运动，两手指张开，反之，两手指靠拢。通过手指的张开和靠拢来实现对底料的切断和夹持功能。图2.2 平行开闭型气动手指结构原理图1-手指；2-轨道；3-杠杆；4-钢珠；5-杠杆轴；6-活塞杆课题设计的最大持重m=0.4kg，夹持力最小值F=4N，根据以上参数对产品进行选型，由图2.3的受力分析可知，不掉落的条件是两手指产生的总夹持力2F所产生的摩擦力2f必须大于底料的重力G，还应考虑在取料过程中所产生的加速度和冲击力等，需设定一个安全系数，故应满足式（2.2）。（2.2 即 （2.3 取安全系数=4，将各参数代入式（2.3），得夹持力F15.68N，从表3.1中选取合适的气动手爪型号：HFZ16。表2.1标准型气动手爪的夹持力与行程参数表动作方式型号单个气动手指夹持力有效值/N开闭行程（两侧）/mm重量/g闭合夹持力张开夹持力复动型HFZ63.36.1425HFZ101117456HFZ1634456124HFZ20456810236HFZ256910214428HFZ3216019522729HFZ40255320321268如图2.4所示为末端执行器夹持装置的三维模型，在两个气动手指内侧各装有一个夹持板，在夹持板上还装有橡胶垫片，用来增大摩擦，更好的夹持底料。图2.2 末端执行器夹持装置的三维模型剪切装置由气爪和两个刀片组成，大多数底料所需要的夹持力在1330N之间，因此气爪同样选择HFZ16型，如图2.4所示为末端执行器的整体三维模型，其中上半部分为剪切装置，下半部分为夹持装置。图2.4 末端执行器整体三维模型2.4末端执行器气动回路的设计2.4.1 气动回路图气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，设计的气动回路图如图2.6所示。图2.5 末端执行器气动原理图1-气源；2-调压过滤器；3、9-单电控两位五通换向阀；4、6、10、12-单向节流阀；5-夹持气爪气缸；6-剪断气爪气缸；7、8、13、14-消音器2.4.2 末端执行器气动原理说明根据取料机器人的工作原理，可将末端执行器的工作分为三个动作，即夹持、释放。课题研究设计采用PLC进行控制，在未通电时，两电磁换向阀均工作在右位，两气爪均为常开。（1） 夹持当系统确定好底料位置，机械臂将末端执行器移动到相应位置时，电磁铁1YA得电，电磁换向阀3的阀芯右移，换向阀工作在左位，气缸杆收缩，气爪5闭合，实现底料的夹持。进气路：气源1气体调压过滤器2换向阀3左位单向节流阀6进气节流气缸5左腔；排气路：气缸5右腔单向节流阀4排气导通消声器8。底料夹持动作完成后，电磁铁2YA得电，电磁换向阀9的阀芯右移，换向阀工作在左位，气缸杆收缩，气爪11闭合，实现底料的剪切。进气路：气源1气体调压过滤器2换向阀9左位单向节流阀12进气导通气缸11左腔；排气路：气缸11右腔单向节流阀10排气消声器14。当底料与底物固定装置分离后，由机械臂将末端执行器移动到底料收集箱相应位置，此时电磁铁1YA和2YA同时失电，换向阀3和9阀芯均左移，两换向阀工作在右位，气缸杆伸出，两气爪同时张开，完成底料释放。进气路：气源1气体调压过滤器2换向阀3、9右位单向节流阀4、10进气气缸5、11右腔；排气路：气缸5、11左腔单向节流阀6、12排气消声器7、13。3 取料机械臂的设计3.1 机械臂构型方案选择取料机械臂设计技术指标和机械臂的构型都需要根据取料作业的实际情况和要求来决定，关节坐标型机器人主要由立柱、前臂和后臂三个转动关节组成，如图3.1所示，这三个关节分别被称作腰关节、肩关节和肘关节，三个关节相互配合将末端执行器移动到指定位置，再由腕部控制末端执行器的姿态，可通过腕部动作完成对作物进行分离。因其转动关节较多，故负载能力较弱，不过对于取料来说，并不需要太强的负载能力，定位精度要求也不是太高，所以此类机械臂在取料机器人中应用比较广泛。 图3.1 关节坐标型机械臂3.2 机械臂结构设计3.2.1 驱动方式及传动机构的选择目前应用最广泛的驱动方式为电动驱动，速度和位置精度很高，伺服特性好，输出功率较大，难以直接驱动，多配合减速装置使用，适用于中小负载，要求精度较高的机器人，配备液压或气压系统有一定困难，且在取料时要求定位精度较高，故选用电动驱动方式。由于课题研究的机器人的动力源为蓄电池，因此课题研究除腕部和基座外，均采用直流力矩电机进行驱动。对于取料机器人的关节，需要低转速、大转矩的动力，必须配合减速器使用，综合比较各类减速器的特点，研究中除基座外各关节均采用直流力矩电机串接谐波减速器的传动方式，如图3.2所示。图3.2 谐波减速器结构3.2.2 机械臂本体材料的选择机械臂的材料首先要满足设计要求，要有足够的强度，应选用密度小、强度大，转动惯量小的材料，提高力学性能。在保证其强度和刚度的前提下，基座和各关节均采用硬质铝材，机械臂杆采用质量轻强度高的碳纤维材料。强度是普通钢材的5倍以上，比重不到钢的1/4，目前在医疗器械、航空航天领域广泛使用。3.2.3 腕部设计根据取料作业特点，设计采用二自由度的腕部结构，控制简单，灵活。腕部的回转运动由轴向电机轴直接带动末端执行器做轴向转动，腕部的俯仰运动则由腕关节电机实现，由于腕部在工作时，同时承受末端的轴向载荷和径向载荷，因此选用角接触球轴承作为支撑，其结构如图3.3所示。图3.3 腕部结构图1-电机固定螺钉；2-电机；3-腕部外壳；4-减速器固定螺钉；5-行星减速器；6-联轴器；7-紧钉螺钉；8-弹性挡圈；9-端盖固定螺母；10-端盖固定螺栓；11-腕部端盖；12-角接触球轴承目前比较常用的电动机是三相异步电动机，但由于设计要求，电机质量不宜过大，转速不宜过高，且需实现对转动角度的精确控制，对转矩没有过多要求。步进电机控制性能好，性价比要高于伺服电动机，不受干扰影响，精度高，故选用步进电动机。图3.4 气爪理想工作模型示意图在实际工作中，腕部电机的启停比较频繁，电机主要承受惯性力矩，故可根据负载惯量来选择电机。根据气爪的形状和质量，可将其近似等效为一个质量为300g的实心长方体，则气爪的惯量近似为该实心长方体绕一中心轴转动所产生的转动惯量，如图3.4所示，h=45mm，d=31mm，w=47mm，根据公式（3.1）求得长方体绕轴Ih转动所产生的转动惯量J=792.5gcm2，即气爪所产生的负载惯量约为793gcm2。 （3.1）对于转矩不大的负载，一般选择42系列两项混合式步进电机和42-2系列加强传动型减速机，具体参数如表3.1和表3.2所示。表3.1 42系列步进电动机规格参数型号额定电流/A保持转矩/mNm转动惯量/gcm2重量/g机身长度/mm42HS28-12A50.75220201702842HS34-12A51.2310332303442HS40-17A51.74205629040表3.2 42-2系列加强传动型减速机规格参数技术数据减速比减速机长度/mm额定负载/Nm最大负载/Nm效率/%重量/kg1级3.71,5.18311.85.3900.22级14,19,2738.538.9810.25电机转速初定为150rpm，设计转速为30rpm，减速比为5，故选择表3.2中的1级减速器，减速比i=5.18，根据公式（3.2）求得转换到电机轴上的转动惯量为J1=29.5gcm2，根据表3.2中各电机的转动惯量，选择电机型号为42HS34-12A5。 （3.2）3.2.4 关节结构设计取料机械臂的腕关节、肘关节和肩关节均为谐波齿轮传动，其结构基本相同，故以肩关节为例进行介绍，图3.5和图3.6分别为肩关节结构图和三维建模装配图。1-端盖；2-端盖轴承；3-轴套；4-端盖固定螺栓；5-深沟球轴承；6-支架固定圈；7-电机；8-关节外壳；9-电机轴；10-刚轮电机固定螺栓；11-刚轮；12-波发生器；13-电机紧固轴端挡圈；14-柔轮；15-柔轮固定螺栓；16-输出端盖固定螺栓；17-输出轴挡片；18-滚针轴承；19输出端盖；20-输出轴；21-支架固定螺栓；22-关节支架图3.5 肩关节结构图图3.6 肩关节三维建模装配图肩关节主要由直流力矩电机、关节外壳、谐波减速器、输出轴、关节支架等几部分组成，谐波减速器采用刚轮固定、柔轮输出的方式传动，为增加关节刚度，减小摩擦，在电机轴与电机端盖、输出轴与输出端盖分别装有径向尺寸较小的深沟球轴承和滚针轴承。关节外壳的法兰面与大臂法兰相连接，带动大臂实现转动。与以肩关节为例，进行关节电机与谐波减速器型号的选择。当机械臂处于如图3.7所示的位置时，各部分对回转中心的转矩最大。图3.7肩部受力示意图负载质量取最大值mL=0.5kg，因碳纤维的重量很小，在计算时可忽略各臂杆的重力矩，根据图3.7求得肩关节谐波减速器轴上的总转矩为：参考文献Error! Reference source not found.，选择谐波减速器工况系数K=1.1，则谐波减速器所需的额定输出转矩为：设计选择XB1-60型谐波减速器，减速比为100；输入转速为1500rpm时，输出转矩为55.0Nm；质量为0.7kg。取谐波减速器的传动效率为： = 0.85，则电机的输出力矩为：型号和参数如表3.3和表3.4所示：表3.3 取料机器人各关节电机参数关节型号峰值堵转最大空载转速/rpm连续堵转质量/kg转矩/Nm功率/W转矩/Nm功率/W腰关节70LYX041.2148.811000.5022.80.92肩关节70LYX041.2148.811000.5022.80.92肘关节55LYX030.84132.015000.2814.80.75腕关节45LYX030.44151.227000.1310.10.45表3.4 取料机器人各关节谐波减速器参数关节型号速比输入转速1500rpm转动惯量/kgm2输出扭矩/Nm输出转速/rpm输入功率/W腰关节XB1-6010055.015104.00.4210-4肩关节XB1-6010055.015104.00.4210-4肘关节XB1-5010033.01562.01.7710-5腕关节XB1-4010016.51531.00.5910-54 电器控制系统的设计4.1电器控制系统PLC控制系统是由PLC、输入/输出（I/O）电路及外围设备等零部件组成。系统的规模是根据实际的需要而定，可大可小。图4.1为PLC终端整体示意图，运用在板栗剥壳装置中能够大大缩减由于时间上控制不精确而造成的工作时间浪费，PLC电器控制系统较计算机控制系统的最大的好处在于实时性和高可靠性，由于控制器是采用自动控制串接为基础，信号处理的时间间隔非常短暂，速度较快，正常处理时间可以精确到10ms到20ms之间；同时PLC系统采用独有的抗干扰技术，具有很强的抗干扰能力，使用起来方便快捷，相比较电源控制下的机械系统，可编程逻辑控制系统（PLC）14有比较大的优势性可言，具有以下几个显著特点；（1） 可靠性强，抗干扰能力强，接口模块功能强、品种多； （2） 硬件配套较为齐全，使用方便快捷，适应性强； （3） 编程方法简单、直观； （4） 系统的设计/安装、调试工作量少； （5） 维修工作量小、维护方便，体积小、耗能低、重量轻；图4.1 PLC终端整体示意图4.2 电器控制系统的主要步骤电器控制系统的主要分为以下几个步骤，其中图4.2为PLC控制器总梯形图，当设定控制的时间时，以下两组辅助继电器：（M35、M21、M16、M1）,（M27、M15、M1）的常开触点中有一组闭合，辅助继电器M54线圈得电闭合，其串接在输出继电器Y21上的常开触点闭合，使输出继电器Y31得电并自锁，打开电灯开关。当需要手动控制时，只要按下按钮SB9，则X10闭合，使输出继电器Y21得电并自锁，打开开关。当到控制的时间时，以下两组辅助继电器：（M35、M22、M16、M1），（M27、M17、M1）的常开触点中有一组闭合，继电器M55线圈得电闭合以后并产生一个扫描周期的脉冲信号，使其串接在输出继电器Y21线圈上的常开触点迅速断开，输出继电器Y21断开，电灯熄灭。当需要手动关灯时，只需按下按钮SB10，则X11闭合，辅助继电器M203得电，串接在输出继电器Y21上的常开触点迅速断开，使输出继电器Y21断电。图4.2 PLC控制器总梯形图如图4.3为 PLC终端示意图，首先制定被控对象的的分析和描述，得到系统方案论证，根据电器元件和机械设备的总体分布情况，制定系统的总体设计方案如下所示。(1) 设计硬件设计和软件设计，根据元件的布置图和电气原理绘制接线图，然后检查和测试相关系统是否正确。(2) 根据机械装置的自身相关情况，绘制电气原理的相关组线图，适当根据各线路图的反馈情况予以记载和改善，进一步细致化，使整个系统更加完善化。(3) 现场安装并测试电器设备是否符合相关标准，通过一定的测试和分析，达到目标要求，从而对设计编写说明书等相关说明。相关步骤图如图4.13所示，从图中我们可以清晰的看出设计的关键步骤情况，设计时根据先关的步骤一步一步的进行调试，最终能够达到预期的效果。图4.3 PLC终端示意图图4.4 设计主要步骤结论本文重点介绍节省材料，安全，简单和高效的原则。该设计基于自动拣选操纵器的设计。基本任务如下：设计操纵器的各种执行器，包括：手，腕，臂和其他组件。它的用途更加广泛。机械臂设计为可替换的结构。它不仅可以用来抓手指来抓取工件。机械手使用可编程逻辑控制器（PLC）来控制机械手。在本设计中，根据机器人的工作流程编写PLC程序，并绘制梯形图。鉴于本人研究能力有限，自动取料机械手机械机构优化和等一些关键性因素还有待进一步提升。未来希望可以更好的学习有关的知识，将自动取料机械手机械机构与智能化控制方向结合，使其朝着更好的方向迈进一步。参考文献1机械工业部.机械设计手册（新版）S.北京：机械工业出版社，2005.2濮良贵,纪名刚.机械设计M. 北京：高等教育出版社，2004.3华楚生.机械制造技术装备M.重庆：重庆大学出版社，2004.4刘朝儒.机械制图M. 北京：高等教育出版社，2002.5范钦珊.材料力学（上、下）M.北京：高等教育出版社，2003.6史美堂.金属材料及热处理M. 上海：上海科学技术出版社，2003.7范钦珊.理论力学M.北京：高等教育出版社，2003.8汪信远.机械设计课程设计M.北京：高等教育出版社，1999.9郑文纬,吴克坚.机械原理M.北京：高等教育出版社，2003.10王世刚,张春宜,徐起贺.机械设计实践M. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000.11王昆,何小柏.机械设计基础M.北京：高等教育出版社，1999.12机械工程手册编委会.机械工程手册（第二版）S.北京：机械工业出版社，2005.13范宏才.现代锻压机械M.北京：机械工业出版社，1994.14苏联莫施宁.卷板机（第一版）M.北京：机械工业出版社，1970.15王三民，诸文俊.机械原理
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