油茶采摘机械手的机构设计

学校代码：10410序号：20050386本科毕业设计题目：油茶采摘机械手的机构设计学院：工学院姓名：缪伟学号：20050386专业：机械设计制造及其自动化年级：机制051指导教师：饶洪辉二00九年五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摘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：油茶采摘、机械手、PLC程序控制系统AbstractThissubjectusesthesoftwareofmakingmapstopluckthetea-oilcamelliaanddesigntheorganizationtothemanipulator.Includingtherotateorganization,thewormgearwormdeceleratingdevice,thespurgeardeceleratingdevice;thehoistorlowerorganization,thebarometricpressurecylinderhoistsorlowerdevice;thewavearmorganization,atmosphericpressuredeviceandfourdevice,theskidsscrewgearing,theholdorganization,theslipspiraltransmissiondevice,theholdingandunlockdevice,holdtherotationdevice;PLCprogramme-controlledsystem,therelay-contactdevicecontrolsystem.Maincircuit,PLCexteriorwiring,trapezoidalchart,instructionsentencetable.Drawthetwo-dimentionalfiguresoftheorganizationwithAutoCAD,drawthethree-dimensionalmodeloftheorganizationwithPro/E.GraspAutoCADandPro/Edrawingskillfully,integratedeeperunderstandingandknowtomechanism,machinedesignandintegrationofmachinery.Keywords:Thetea-oiltreepicks,themanipulator,thePLCprocedurecontrolsystem油茶采摘机械手的机构设计目录摘要Abstract一、前言...............................................................１二、油茶采摘机械手原理图................................................２三、油茶采摘机械手的设计与选型..........................................４3.1、电动机的选型....................................................４3.2、旋转减速机构...............................................５3.2.1、第一级蜗轮蜗杆减速装置....................................５3.2.2、第二级蜗轮蜗杆减速装置....................................７3.2.3、直齿减速装置..............................................８3.2.4、旋转机构转速..............................................９3.3、气压升降、摆臂机构........................................９3.3.1气压升降装置..............................................１０3.3.2气压摆臂装置..............................................１０3.4、手抓机构...................................................１０3.4.1、滑动螺旋传动装置........................................１０3.4.2、手抓工作装置............................................１１四、油茶采摘机械手的PLC程序控制系统..................................１２4.1、主电路........................................................１２4.2、PLC外部接线..................................................１３4.3、梯形图........................................................１４4.4、指令语句表....................................................１５参考文献...........................................................１６致谢.............................................................１７油茶采摘机械手的机构设计１一、前言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２二、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4.35º/s，运用两个行程开关控制机械手左右摆动120º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30º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３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果。油茶采摘机械手的机构设计４三、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外形尺寸mm总长机壳外径轴径36SL5E23636/18501102700186236490SL552202205030002700253014090143.1.1、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油茶采摘机械手的机构设计５型号相数步距（º）电压V静态电流A额定负载转矩μN·m静态力矩μN·m空载起动频率步/s额定负载起动频率步/s外形尺寸mm总长机壳外径轴径70BF1-333/1.52731000------1000112708BF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Σ=90º.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z1=1。蜗轮的齿数z2一般取z2=27～80。过少的z2蜗轮齿将产生根切；z280时，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γ大时加工困难。传动效率较低（η=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3.1.3、70BF1-3步进电动机油茶采摘机械手的机构设计６第一级蜗轮蜗杆公称传动比取40，蜗杆头数取z1=1,中心距a取a=40mm。由表—普通圆柱蜗杆传动的参数匹配，有z2/z1=38/1,蜗轮齿数z2=38,模数m=1.6,蜗杆分度圆直径d1=20mm,蜗轮变位系数x2=-0.25在蜗杆的轴平面内基准齿廓、齿形角的尺寸参数为：齿顶高ha=m=1.6mm,工作齿高h'=2m=2×1.6=3.2mm,轴向齿距px=πm=3.14×1.6=5.024mm,顶隙c=0.2m=0.2×1.6=0.32mm,齿根圆角pf=0.3m=0.3×1.6=0.48mm,阿基米德蜗杆，轴向齿形角ax=20º，传动系统中，取γ=25º，蜗杆齿顶圆直径d1a=d1+2h*am=20+2×1×1.6=23.2mm,蜗杆齿根圆直径d1f=d1－2m(h*a+c*)=20