自動取料機械手的設計含9張CAD圖,自動,機械手,設計,cad 自動取料機械手的設計 Design of Automatic Picking Rob 摘 要: 本文重點介紹節(jié)省材料，安全，簡單和高效的原則。該設計基于自動揀選操縱器的設計。基本任務如下：設計操縱器的各種執(zhí)行器，包括：手，腕，臂和其他組件。它的用途更加廣泛。機械臂設計為可替換的結構。它不僅可以用來抓手指來抓取工件。機械手使用可編程邏輯控制器（PLC）來控制機械手。在本設計中，根據(jù)機器人的工作流程編寫PLC程序，并繪制梯形圖。 關鍵詞：機械手 執(zhí)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 Controller II 目錄 1 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2 研究內容 1 1.3 研究步驟 1 1.4 研究主要方法 1 2 整體方案設計 3 2.1 方案設計 3 2.2裝置末端執(zhí)行器的設計 3 2.3 末端執(zhí)行器的設計 4 2.4末端執(zhí)行器氣動回路的設計 6 2.4.1 氣動回路圖 6 2.4.2 末端執(zhí)行器氣動原理說明 6 3 取料機械臂的設計 8 3.1 機械臂構建方案 8 3.2 機械臂結構設計 8 3.2.1 驅動方式及傳動機構的選擇 8 3.2.2 機械臂本體材料的選擇 9 3.2.3 腕部設計 9 3.2.4 關節(jié)結構設計 11 4 電器控制系統(tǒng)的設計 15 4.1電器控制系統(tǒng) 15 4.2 電器控制系統(tǒng)的主要步驟 15 結論 18 參考文獻 19 致 謝 20 ii 青島濱海學院機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 1緒論 1.1 研究背景 隨著現(xiàn)代科技的進步和農業(yè)的不斷發(fā)展，以及大量農業(yè)設施的推廣，對工業(yè)機械的自動化和智能化提出了新的更高要求。自動取料機械臂作為影響現(xiàn)代乃至未來至關重要的裝備之一，它將引領未來農業(yè)智能裝備的前進方向，也影響著未來工業(yè)和人們的效益和增收。在人口老齡化和農業(yè)勞動力不斷減少的今天，對自動取料機械臂的研究顯得尤為重要。 1.2 研究內容 （1）自動取料機械手的設計方案：控制系統(tǒng)： （2）對比其他自動取料機械手的設計，找出自動取料機械手的優(yōu)勢與劣勢，進行應用可行性分析； （3）用AutoCAD繪制工程圖，并對自動取料機械手各參數(shù)進行驗證，查閱各類相關設計手冊，通過理論和實際研究確定方案是否可行。 1.3 研究步驟 對國內外自動取料機械手的設計進行對比，通過閱讀大量相關書籍、查閱(CNKI)論文、期刊等資料，深入研究國外助力機械手臂的設計的發(fā)展、前沿觀點及研究成果，進行提煉、總結，為論文寫作提供思路和資料。 在查閱了一系列有關自動取料機械手的設計理論及相關知識的資料和相關文獻的基礎上，綜合其結構特點，設計的主要步驟如下： （1）通過查閱相關資料了解各種機械裝置的工作原理，結合所學專業(yè)課程，產生自動取料機械手的基本思路為后面的設計、選擇打下基礎。 （2）初步擬定自動取料機械手的研究的方法與具體的研究方向，盡量避免過程中發(fā)生的問題。 （3）依據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題，確定整個設計的方案大綱，要求結構簡單、造型美觀。 （4）選定基本的方案，對機構整體、使用場合，適配性等進行分析。 （5）確定最終方案，完成對裝配圖的繪制和制作。 1.4 研究主要方法 （1）文獻法：查詢與該主題研究有關的一定數(shù)量的中文和英文資料，就需要現(xiàn)代文獻檢索系統(tǒng)和能夠檢索互聯(lián)網文獻的能力，認識到取料機械臂工作原理和運動原理，以及玉米播種機機械傳動關鍵部件的參數(shù)選擇和設計； （2）調查法：調查國內外現(xiàn)有取料機械臂的結構設計實例，了解國內外行業(yè)的發(fā)展狀況，為接下來具體機械結構的設計做鋪墊。 （3）模擬法：通過使用3D建模平臺組裝零件，創(chuàng)建出具體取料機械臂的模型，然后用于研究機械模型的一些基本特征。 2 整體方案設計 2.1 方案設計 其機械結構包括機械臂、氣動末端執(zhí)行器等，機械臂為自主設計的靈巧機械臂，末端執(zhí)行器則選用氣動機械手指，整機采用PLC控制，運行穩(wěn)定，抗干擾能力強。氣動手指采用氣動驅動，響應速度快，體積小、結構簡單，維修和使用方便，可通過夾持的方式實現(xiàn)取料，因此通用性良好，但其夾持力度難以實現(xiàn)精確控制，使用時可能會產生一定噪音。 圖2.1 機械手的整體機械結構 2.2裝置末端執(zhí)行器的設計 另外，為了增大摩擦，減小夾持所需的力，課題研究設計的末端執(zhí)行器夾持部分增加了一塊柔性材料的緩沖墊，根據(jù)實踐經驗和相關實驗，確定選用橡膠材料作為緩沖墊，橡膠材料本身具有彈性，且質量輕，其與底料之間的摩擦系數(shù)也比較大，在取料過程中可以用最小的夾持力夾住底料。參考文獻的相關實驗數(shù)據(jù)，最終將底料與橡膠之間的最小摩擦系數(shù)μ設定為0.5。 在對底料夾持時要可靠，既不能夾持力過小，使底料滑落，又不能夾持力過大，夾壞底料，因此，當手指水平夾持底料時，對底料進行受力分析由圖2.2可得式（2.1）。 （2.1） 式中：F—底料受到的加持力，N； f—底料與夾持手指之間的摩擦力，N； μ—夾持手指與底料之間的摩擦因數(shù)； m—底料本身的質量，kg。 根據(jù)不同的重量，課題研究取底料最大質量m=400g，代入公式（2.1）求得最小夾持力，取整：所需最小夾持力F=4N。 2.3 末端執(zhí)行器的設計 在取料過程中，除了要研究底料及底料的特性外，還需對取料動作進行分解研究，另外取料方式的不同也直接影響著底料的儲存和運輸，采用夾持底料、剛性分離的方式，完成取料動作。即先夾持住底料，然后通過刀片，將底料切斷，末端執(zhí)行器夾持著底料，將底料放到指定位置。根據(jù)取料動作的實際要求，夾持部分選擇標準復動型平行開閉式氣動手指，其結構如圖2.2所示。當A口排氣，B口進氣時，氣缸的活塞桿6在壓力的作用下伸出，通過杠桿3繞軸5做回轉運動，帶動兩手指1，通過一組鋼珠4在軌道2上做向外的直線運動，兩手指張開，反之，兩手指靠攏。通過手指的張開和靠攏來實現(xiàn)對底料的切斷和夾持功能。 圖2.2 平行開閉型氣動手指結構原理圖 1-手指；2-軌道；3-杠桿；4-鋼珠；5-杠桿軸；6-活塞桿 課題設計的最大持重m=0.4kg，夾持力最小值F=4N，根據(jù)以上參數(shù)對產品進行選型，由圖2.3的受力分析可知，不掉落的條件是兩手指產生的總夾持力2F所產生的摩擦力2f必須大于底料的重力G，還應考慮在取料過程中所產生的加速度和沖擊力等，需設定一個安全系數(shù)α，故應滿足式（2.2）。 （2.2 即 （2.3 取安全系數(shù)α=4，將各參數(shù)代入式（2.3），得夾持力F>15.68N，從表3.1中選取合適的氣動手爪型號：HFZ16。 表2.1標準型氣動手爪的夾持力與行程參數(shù)表 動作方式 型號 單個氣動手指夾持力有效值/N 開閉行程 （兩側）/mm 重量/g 閉合夾持力 張開夾持力 復動型 HFZ6 3.3 6.1 4 25 HFZ10 11 17 4 56 HFZ16 34 45 6 124 HFZ20 45 68 10 236 HFZ25 69 102 14 428 HFZ32 160 195 22 729 HFZ40 255 320 32 1268 如圖2.4所示為末端執(zhí)行器夾持裝置的三維模型，在兩個氣動手指內側各裝有一個夾持板，在夾持板上還裝有橡膠墊片，用來增大摩擦，更好的夾持底料。 圖2.2 末端執(zhí)行器夾持裝置的三維模型 剪切裝置由氣爪和兩個刀片組成，大多數(shù)底料所需要的夾持力在13~30N之間，因此氣爪同樣選擇HFZ16型，如圖2.4所示為末端執(zhí)行器的整體三維模型，其中上半部分為剪切裝置，下半部分為夾持裝置。 圖2.4 末端執(zhí)行器整體三維模型 2.4末端執(zhí)行器氣動回路的設計 2.4.1 氣動回路圖 氣動回路的設計主要是選用合適的控制閥，設計的氣動回路圖如圖2.6所示。 圖2.5 末端執(zhí)行器氣動原理圖 1-氣源；2-調壓過濾器；3、9-單電控兩位五通換向閥；4、6、10、12-單向節(jié)流閥；5-夾持氣爪氣缸；6-剪斷氣爪氣缸；7、8、13、14-消音器 2.4.2 末端執(zhí)行器氣動原理說明 根據(jù)取料機器人的工作原理，可將末端執(zhí)行器的工作分為三個動作，即夾持、釋放。課題研究設計采用PLC進行控制，在未通電時，兩電磁換向閥均工作在右位，兩氣爪均為常開。 （1） 夾持 當系統(tǒng)確定好底料位置，機械臂將末端執(zhí)行器移動到相應位置時，電磁鐵1YA得電，電磁換向閥3的閥芯右移，換向閥工作在左位，氣缸桿收縮，氣爪5閉合，實現(xiàn)底料的夾持。 進氣路：氣源1→氣體調壓過濾器2→換向閥3左位→單向節(jié)流閥6進氣節(jié)流→氣缸5左腔； 排氣路：氣缸5右腔→單向節(jié)流閥4排氣導通→消聲器8。 底料夾持動作完成后，電磁鐵2YA得電，電磁換向閥9的閥芯右移，換向閥工作在左位，氣缸桿收縮，氣爪11閉合，實現(xiàn)底料的剪切。 進氣路：氣源1→氣體調壓過濾器2→換向閥9左位→單向節(jié)流閥12進氣導通→氣缸11左腔； 排氣路：氣缸11右腔→單向節(jié)流閥10排氣→消聲器14。 當?shù)琢吓c底物固定裝置分離后，由機械臂將末端執(zhí)行器移動到底料收集箱相應位置，此時電磁鐵1YA和2YA同時失電，換向閥3和9閥芯均左移，兩換向閥工作在右位，氣缸桿伸出，兩氣爪同時張開，完成底料釋放。 進氣路：氣源1→氣體調壓過濾器2→換向閥3、9右位→單向節(jié)流閥4、10進氣→氣缸5、11右腔； 排氣路：氣缸5、11左腔→單向節(jié)流閥6、12排氣→消聲器7、13。 3 取料機械臂的設計 3.1 機械臂構型方案 選擇取料機械臂設計技術指標和機械臂的構型都需要根據(jù)取料作業(yè)的實際情況和要求來決定，關節(jié)坐標型機器人主要由立柱、前臂和后臂三個轉動關節(jié)組成，如圖3.1所示，這三個關節(jié)分別被稱作腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)，三個關節(jié)相互配合將末端執(zhí)行器移動到指定位置，再由腕部控制末端執(zhí)行器的姿態(tài)，可通過腕部動作完成對作物進行分離。因其轉動關節(jié)較多，故負載能力較弱，不過對于取料來說，并不需要太強的負載能力，定位精度要求也不是太高，所以此類機械臂在取料機器人中應用比較廣泛。 圖3.1 關節(jié)坐標型機械臂 3.2 機械臂結構設計 3.2.1 驅動方式及傳動機構的選擇 目前應用最廣泛的驅動方式為電動驅動，速度和位置精度很高，伺服特性好，輸出功率較大，難以直接驅動，多配合減速裝置使用，適用于中小負載，要求精度較高的機器人，配備液壓或氣壓系統(tǒng)有一定困難，且在取料時要求定位精度較高，故選用電動驅動方式。由于課題研究的機器人的動力源為蓄電池，因此課題研究除腕部和基座外，均采用直流力矩電機進行驅動。對于取料機器人的關節(jié)，需要低轉速、大轉矩的動力，必須配合減速器使用，綜合比較各類減速器的特點，研究中除基座外各關節(jié)均采用直流力矩電機串接諧波減速器的傳動方式，如圖3.2所示。 圖3.2 諧波減速器結構 3.2.2 機械臂本體材料的選擇 機械臂的材料首先要滿足設計要求，要有足夠的強度，應選用密度小、強度大，轉動慣量小的材料，提高力學性能。在保證其強度和剛度的前提下，基座和各關節(jié)均采用硬質鋁材，機械臂桿采用質量輕強度高的碳纖維材料。強度是普通鋼材的5倍以上，比重不到鋼的1/4，目前在醫(yī)療器械、航空航天領域廣泛使用。 3.2.3 腕部設計 根據(jù)取料作業(yè)特點，設計采用二自由度的腕部結構，控制簡單，靈活。腕部的回轉運動由軸向電機軸直接帶動末端執(zhí)行器做軸向轉動，腕部的俯仰運動則由腕關節(jié)電機實現(xiàn)，由于腕部在工作時，同時承受末端的軸向載荷和徑向載荷，因此選用角接觸球軸承作為支撐，其結構如圖3.3所示。 圖3.3 腕部結構圖 1-電機固定螺釘；2-電機；3-腕部外殼；4-減速器固定螺釘；5-行星減速器；6-聯(lián)軸器；7-緊釘螺釘； 8-彈性擋圈；9-端蓋固定螺母；10-端蓋固定螺栓；11-腕部端蓋；12-角接觸球軸承 目前比較常用的電動機是三相異步電動機，但由于設計要求，電機質量不宜過大，轉速不宜過高，且需實現(xiàn)對轉動角度的精確控制，對轉矩沒有過多要求。步進電機控制性能好，性價比要高于伺服電動機，不受干擾影響，精度高，故選用步進電動機。 圖3.4 氣爪理想工作模型示意圖 在實際工作中，腕部電機的啟停比較頻繁，電機主要承受慣性力矩，故可根據(jù)負載慣量來選擇電機。根據(jù)氣爪的形狀和質量，可將其近似等效為一個質量為300g的實心長方體，則氣爪的慣量近似為該實心長方體繞一中心軸轉動所產生的轉動慣量，如圖3.4所示，h=45mm，d=31mm，w=47mm，根據(jù)公式（3.1）求得長方體繞軸Ih轉動所產生的轉動慣量J=792.5gcm2，即氣爪所產生的負載慣量約為793gcm2。 （3.1） 對于轉矩不大的負載，一般選擇42系列兩項混合式步進電機和42-2系列加強傳動型減速機，具體參數(shù)如表3.1和表3.2所示。 表3.1 42系列步進電動機規(guī)格參數(shù) 型號 額定電流/A 保持轉矩 /mN·m 轉動慣量 /gcm2 重量/g 機身長度/mm 42HS28-12A5 0.75 220 20 170 28 42HS34-12A5 1.2 310 33 230 34 42HS40-17A5 1.7 420 56 290 40 表3.2 42-2系列加強傳動型減速機規(guī)格參數(shù) 技術數(shù)據(jù) 減速比 減速機長度/mm 額定負載/Nm 最大負載/Nm 效率/% 重量/kg 1級 3.71,5.18 31 1.8 5.3 90 0.2 2級 14,19,27 38.5 3 8.9 81 0.25 電機轉速初定為150rpm，設計轉速為30rpm，減速比為5，故選擇表3.2中的1級減速器，減速比i=5.18，根據(jù)公式（3.2）求得轉換到電機軸上的轉動慣量為J1=29.5gcm2，根據(jù)表3.2中各電機的轉動慣量，選擇電機型號為42HS34-12A5。 （3.2） 3.2.4 關節(jié)結構設計 取料機械臂的腕關節(jié)、肘關節(jié)和肩關節(jié)均為諧波齒輪傳動，其結構基本相同，故以肩關節(jié)為例進行介紹，圖3.5和圖3.6分別為肩關節(jié)結構圖和三維建模裝配圖。 1-端蓋；2-端蓋軸承；3-軸套；4-端蓋固定螺栓；5-深溝球軸承；6-支架固定圈；7-電機；8-關節(jié)外殼；9-電機軸；10-剛輪電機固定螺栓；11-剛輪；12-波發(fā)生器；13-電機緊固軸端擋圈；14-柔輪； 15-柔輪固定螺栓；16-輸出端蓋固定螺栓；17-輸出軸擋片；18-滾針軸承；19輸出端蓋；20-輸出軸； 21-支架固定螺栓；22-關節(jié)支架 圖3.5 肩關節(jié)結構圖 圖3.6 肩關節(jié)三維建模裝配圖 肩關節(jié)主要由直流力矩電機、關節(jié)外殼、諧波減速器、輸出軸、關節(jié)支架等幾部分組成，諧波減速器采用剛輪固定、柔輪輸出的方式傳動，為增加關節(jié)剛度，減小摩擦，在電機軸與電機端蓋、輸出軸與輸出端蓋分別裝有徑向尺寸較小的深溝球軸承和滾針軸承。關節(jié)外殼的法蘭面與大臂法蘭相連接，帶動大臂實現(xiàn)轉動。 與以肩關節(jié)為例，進行關節(jié)電機與諧波減速器型號的選擇。當機械臂處于如圖3.7所示的位置時，各部分對回轉中心的轉矩最大。 圖3.7肩部受力示意圖 負載質量取最大值mL=0.5kg，因碳纖維的重量很小，在計算時可忽略各臂桿的重力矩，根據(jù)圖3.7求得肩關節(jié)諧波減速器軸上的總轉矩為： 參考文獻Error! Reference source not found.，選擇諧波減速器工況系數(shù)K=1.1，則諧波減速器所需的額定輸出轉矩為： 設計選擇XB1-60型諧波減速器，減速比為100；輸入轉速為1500rpm時，輸出轉矩為55.0N·m；質量為0.7kg。 取諧波減速器的傳動效率為：η = 0.85，則電機的輸出力矩為： 型號和參數(shù)如表3.3和表3.4所示： 表3.3 取料機器人各關節(jié)電機參數(shù) 關節(jié) 型號 峰值堵轉 最大空載轉速/rpm 連續(xù)堵轉 質量/kg 轉矩/N?m 功率/W 轉矩/N?m 功率/W 腰關節(jié) 70LYX04 1.2 148.8 1100 0.50 22.8 0.92 肩關節(jié) 70LYX04 1.2 148.8 1100 0.50 22.8 0.92 肘關節(jié) 55LYX03 0.84 132.0 1500 0.28 14.8 0.75 腕關節(jié) 45LYX03 0.44 151.2 2700 0.13 10.1 0.45 表3.4 取料機器人各關節(jié)諧波減速器參數(shù) 關節(jié) 型號 速比 輸入轉速1500rpm 轉動慣量/kg?m2 輸出扭矩/N?m 輸出轉速/rpm 輸入功率/W 腰關節(jié) XB1-60 100 55.0 15 104.0 0.42×10-4 肩關節(jié) XB1-60 100 55.0 15 104.0 0.42×10-4 肘關節(jié) XB1-50 100 33.0 15 62.0 1.77×10-5 腕關節(jié) XB1-40 100 16.5 15 31.0 0.59×10-5 4 電器控制系統(tǒng)的設計 4.1電器控制系統(tǒng) PLC控制系統(tǒng)是由PLC、輸入/輸出（I/O）電路及外圍設備等零部件組成。系統(tǒng)的規(guī)模是根據(jù)實際的需要而定，可大可小。圖4.1為PLC終端整體示意圖，運用在板栗剝殼裝置中能夠大大縮減由于時間上控制不精確而造成的工作時間浪費，PLC電器控制系統(tǒng)較計算機控制系統(tǒng)的最大的好處在于實時性和高可靠性，由于控制器是采用自動控制串接為基礎，信號處理的時間間隔非常短暫，速度較快，正常處理時間可以精確到10ms到20ms之間；同時PLC系統(tǒng)采用獨有的抗干擾技術，具有很強的抗干擾能力，使用起來方便快捷，相比較電源控制下的機械系統(tǒng)，可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC）[14]有比較大的優(yōu)勢性可言，具有以下幾個顯著特點； （1） 可靠性強，抗干擾能力強，接口模塊功能強、品種多； （2） 硬件配套較為齊全，使用方便快捷，適應性強； （3） 編程方法簡單、直觀； （4） 系統(tǒng)的設計/安裝、調試工作量少； （5） 維修工作量小、維護方便，體積小、耗能低、重量輕； 圖4.1 PLC終端整體示意圖 4.2 電器控制系統(tǒng)的主要步驟 電器控制系統(tǒng)的主要分為以下幾個步驟，其中圖4.2為PLC控制器總梯形圖，當設定控制的時間時，以下兩組輔助繼電器：（M35、M21、M16、M1）,（M27、M15、M1）的常開觸點中有一組閉合，輔助繼電器M54線圈得電閉合，其串接在輸出繼電器Y21上的常開觸點閉合，使輸出繼電器Y31得電并自鎖，打開電燈開關。當需要手動控制時，只要按下按鈕SB9，則X10閉合，使輸出繼電器Y21得電并自鎖，打開開關。當?shù)娇刂频臅r間時，以下兩組輔助繼電器：（M35、M22、M16、M1），（M27、M17、M1）的常開觸點中有一組閉合，繼電器M55線圈得電閉合以后并產生一個掃描周期的脈沖信號，使其串接在輸出繼電器Y21線圈上的常開觸點迅速斷開，輸出繼電器Y21斷開，電燈熄滅。當需要手動關燈時，只需按下按鈕SB10，則X11閉合，輔助繼電器M203得電，串接在輸出繼電器Y21上的常開觸點迅速斷開，使輸出繼電器Y21斷電。 圖4.2 PLC控制器總梯形圖 如圖4.3為 PLC終端示意圖，首先制定被控對象的的分析和描述，得到系統(tǒng)方案論證，根據(jù)電器元件和機械設備的總體分布情況，制定系統(tǒng)的總體設計方案如下所示。 (1) 設計硬件設計和軟件設計，根據(jù)元件的布置圖和電氣原理繪制接線圖，然后檢查和測試相關系統(tǒng)是否正確。 (2) 根據(jù)機械裝置的自身相關情況，繪制電氣原理的相關組線圖，適當根據(jù)各線路圖的反饋情況予以記載和改善，進一步細致化，使整個系統(tǒng)更加完善化。 (3) 現(xiàn)場安裝并測試電器設備是否符合相關標準，通過一定的測試和分析，達到目標要求，從而對設計編寫說明書等相關說明。 相關步驟圖如圖4.13所示，從圖中我們可以清晰的看出設計的關鍵步驟情況，設計時根據(jù)先關的步驟一步一步的進行調試，最終能夠達到預期的效果。 圖4.3 PLC終端示意圖 圖4.4 設計主要步驟 結論 本文重點介紹節(jié)省材料，安全，簡單和高效的原則。該設計基于自動揀選操縱器的設計?；救蝿杖缦拢涸O計操縱器的各種執(zhí)行器，包括：手，腕，臂和其他組件。它的用途更加廣泛。機械臂設計為可替換的結構。它不僅可以用來抓手指來抓取工件。機械手使用可編程邏輯控制器（PLC）來控制機械手。在本設計中，根據(jù)機器人的工作流程編寫PLC程序，并繪制梯形圖。 鑒于本人研究能力有限，自動取料機械手機械機構優(yōu)化和等一些關鍵性因素還有待進一步提升。未來希望可以更好的學習有關的知識，將自動取料機械手機械機構與智能化控制方向結合，使其朝著更好的方向邁進一步。 參考文獻 [1]機械工業(yè)部.機械設計手冊（新版）[S].北京：機械工業(yè)出版社，2005. 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