自動(dòng)取料機(jī)械手的設(shè)計(jì)含9張CAD圖,自動(dòng),機(jī)械手,設(shè)計(jì),cad 自動(dòng)取料機(jī)械手的設(shè)計(jì) Design of Automatic Picking Rob 摘 要: 本文重點(diǎn)介紹節(jié)省材料，安全，簡(jiǎn)單和高效的原則。該設(shè)計(jì)基于自動(dòng)揀選操縱器的設(shè)計(jì)?；救蝿?wù)如下：設(shè)計(jì)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(jī)械臂設(shè)計(jì)為可替換的結(jié)構(gòu)。它不僅可以用來(lái)抓手指來(lái)抓取工件。機(jī)械手使用可編程邏輯控制器（PLC）來(lái)控制機(jī)械手。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)機(jī)器人的工作流程編寫(xiě)PLC程序，并繪制梯形圖。 關(guān)鍵詞：機(jī)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?jī)?nèi)容 1 1.3 研究步驟 1 1.4 研究主要方法 1 2 整體方案設(shè)計(jì) 3 2.1 方案設(shè)計(jì) 3 2.2裝置末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 3 2.3 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 4 2.4末端執(zhí)行器氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì) 6 2.4.1 氣動(dòng)回路圖 6 2.4.2 末端執(zhí)行器氣動(dòng)原理說(shuō)明 6 3 取料機(jī)械臂的設(shè)計(jì) 8 3.1 機(jī)械臂構(gòu)建方案 8 3.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.2.1 驅(qū)動(dòng)方式及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 8 3.2.2 機(jī)械臂本體材料的選擇 9 3.2.3 腕部設(shè)計(jì) 9 3.2.4 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 4 電器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(jié)論 18 參考文獻(xiàn) 19 致 謝 20 ii 青島濱海學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1緒論 1.1 研究背景 隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，以及大量農(nóng)業(yè)設(shè)施的推廣，對(duì)工業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化和智能化提出了新的更高要求。自動(dòng)取料機(jī)械臂作為影響現(xiàn)代乃至未來(lái)至關(guān)重要的裝備之一，它將引領(lǐng)未來(lái)農(nóng)業(yè)智能裝備的前進(jìn)方向，也影響著未來(lái)工業(yè)和人們的效益和增收。在人口老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不斷減少的今天，對(duì)自動(dòng)取料機(jī)械臂的研究顯得尤為重要。 1.2 研究?jī)?nèi)容 （1）自動(dòng)取料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案：控制系統(tǒng)： （2）對(duì)比其他自動(dòng)取料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，找出自動(dòng)取料機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，進(jìn)行應(yīng)用可行性分析； （3）用AutoCAD繪制工程圖，并對(duì)自動(dòng)取料機(jī)械手各參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，查閱各類(lèi)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，通過(guò)理論和實(shí)際研究確定方案是否可行。 1.3 研究步驟 對(duì)國(guó)內(nèi)外自動(dòng)取料機(jī)械手的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)閱讀大量相關(guān)書(shū)籍、查閱(CNKI)論文、期刊等資料，深入研究國(guó)外助力機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)的發(fā)展、前沿觀點(diǎn)及研究成果，進(jìn)行提煉、總結(jié)，為論文寫(xiě)作提供思路和資料。 在查閱了一系列有關(guān)自動(dòng)取料機(jī)械手的設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料和相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的主要步驟如下： （1）通過(guò)查閱相關(guān)資料了解各種機(jī)械裝置的工作原理，結(jié)合所學(xué)專(zhuān)業(yè)課程，產(chǎn)生自動(dòng)取料機(jī)械手的基本思路為后面的設(shè)計(jì)、選擇打下基礎(chǔ)。 （2）初步擬定自動(dòng)取料機(jī)械手的研究的方法與具體的研究方向，盡量避免過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題。 （3）依據(jù)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，確定整個(gè)設(shè)計(jì)的方案大綱，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造型美觀。 （4）選定基本的方案，對(duì)機(jī)構(gòu)整體、使用場(chǎng)合，適配性等進(jìn)行分析。 （5）確定最終方案，完成對(duì)裝配圖的繪制和制作。 1.4 研究主要方法 （1）文獻(xiàn)法：查詢(xún)與該主題研究有關(guān)的一定數(shù)量的中文和英文資料，就需要現(xiàn)代文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)和能夠檢索互聯(lián)網(wǎng)文獻(xiàn)的能力，認(rèn)識(shí)到取料機(jī)械臂工作原理和運(yùn)動(dòng)原理，以及玉米播種機(jī)機(jī)械傳動(dòng)關(guān)鍵部件的參數(shù)選擇和設(shè)計(jì)； （2）調(diào)查法：調(diào)查國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有取料機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例，了解國(guó)內(nèi)外行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，為接下來(lái)具體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做鋪墊。 （3）模擬法：通過(guò)使用3D建模平臺(tái)組裝零件，創(chuàng)建出具體取料機(jī)械臂的模型，然后用于研究機(jī)械模型的一些基本特征。 2 整體方案設(shè)計(jì) 2.1 方案設(shè)計(jì) 其機(jī)械結(jié)構(gòu)包括機(jī)械臂、氣動(dòng)末端執(zhí)行器等，機(jī)械臂為自主設(shè)計(jì)的靈巧機(jī)械臂，末端執(zhí)行器則選用氣動(dòng)機(jī)械手指，整機(jī)采用PLC控制，運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。氣動(dòng)手指采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)速度快，體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修和使用方便，可通過(guò)夾持的方式實(shí)現(xiàn)取料，因此通用性良好，但其夾持力度難以實(shí)現(xiàn)精確控制，使用時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一定噪音。 圖2.1 機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu) 2.2裝置末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 另外，為了增大摩擦，減小夾持所需的力，課題研究設(shè)計(jì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，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(zhì)量輕，其與底料之間的摩擦系數(shù)也比較大，在取料過(guò)程中可以用最小的夾持力夾住底料。參考文獻(xiàn)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終將底料與橡膠之間的最小摩擦系數(shù)μ設(shè)定為0.5。 在對(duì)底料夾持時(shí)要可靠，既不能夾持力過(guò)小，使底料滑落，又不能夾持力過(guò)大，夾壞底料，因此，當(dāng)手指水平夾持底料時(shí)，對(duì)底料進(jìn)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(zhì)量，kg。 根據(jù)不同的重量，課題研究取底料最大質(zhì)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(shè)計(jì) 在取料過(guò)程中，除了要研究底料及底料的特性外，還需對(duì)取料動(dòng)作進(jìn)行分解研究，另外取料方式的不同也直接影響著底料的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，采用夾持底料、剛性分離的方式，完成取料動(dòng)作。即先夾持住底料，然后通過(guò)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(dòng)作的實(shí)際要求，夾持部分選擇標(biāo)準(zhǔn)復(fù)動(dòng)型平行開(kāi)閉式氣動(dòng)手指，其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。當(dāng)A口排氣，B口進(jìn)氣時(shí)，氣缸的活塞桿6在壓力的作用下伸出，通過(guò)杠桿3繞軸5做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)兩手指1，通過(guò)一組鋼珠4在軌道2上做向外的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，兩手指張開(kāi)，反之，兩手指靠攏。通過(guò)手指的張開(kāi)和靠攏來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)底料的切斷和夾持功能。 圖2.2 平行開(kāi)閉型氣動(dòng)手指結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)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(chǎn)生的總夾持力2F所產(chǎn)生的摩擦力2f必須大于底料的重力G，還應(yīng)考慮在取料過(guò)程中所產(chǎn)生的加速度和沖擊力等，需設(shè)定一個(gè)安全系數(shù)α，故應(yīng)滿(mǎn)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(dòng)手爪型號(hào)：HFZ16。 表2.1標(biāo)準(zhǔn)型氣動(dòng)手爪的夾持力與行程參數(shù)表 動(dòng)作方式 型號(hào) 單個(gè)氣動(dòng)手指夾持力有效值/N 開(kāi)閉行程 （兩側(cè)）/mm 重量/g 閉合夾持力 張開(kāi)夾持力 復(fù)動(dòng)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(gè)氣動(dòng)手指內(nèi)側(cè)各裝有一個(gè)夾持板，在夾持板上還裝有橡膠墊片，用來(lái)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(gè)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(dòng)回路的設(shè)計(jì) 2.4.1 氣動(dòng)回路圖 氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)主要是選用合適的控制閥，設(shè)計(jì)的氣動(dòng)回路圖如圖2.6所示。 圖2.5 末端執(zhí)行器氣動(dòng)原理圖 1-氣源；2-調(diào)壓過(guò)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(dòng)原理說(shuō)明 根據(jù)取料機(jī)器人的工作原理，可將末端執(zhí)行器的工作分為三個(gè)動(dòng)作，即夾持、釋放。課題研究設(shè)計(jì)采用PLC進(jìn)行控制，在未通電時(shí)，兩電磁換向閥均工作在右位，兩氣爪均為常開(kāi)。 （1） 夾持 當(dāng)系統(tǒng)確定好底料位置，機(jī)械臂將末端執(zhí)行器移動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)，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(shí)現(xiàn)底料的夾持。 進(jìn)氣路：氣源1→氣體調(diào)壓過(guò)濾器2→換向閥3左位→單向節(jié)流閥6進(jìn)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(dǎo)通→消聲器8。 底料夾持動(dòng)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(shí)現(xiàn)底料的剪切。 進(jìn)氣路：氣源1→氣體調(diào)壓過(guò)濾器2→換向閥9左位→單向節(jié)流閥12進(jìn)氣導(dǎo)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(dāng)?shù)琢吓c底物固定裝置分離后，由機(jī)械臂將末端執(zhí)行器移動(dòng)到底料收集箱相應(yīng)位置，此時(shí)電磁鐵1YA和2YA同時(shí)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(shí)張開(kāi)，完成底料釋放。 進(jìn)氣路：氣源1→氣體調(diào)壓過(guò)濾器2→換向閥3、9右位→單向節(jié)流閥4、10進(jìn)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(jī)械臂的設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械臂構(gòu)型方案 選擇取料機(jī)械臂設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和機(jī)械臂的構(gòu)型都需要根據(jù)取料作業(yè)的實(shí)際情況和要求來(lái)決定，關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人主要由立柱、前臂和后臂三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成，如圖3.1所示，這三個(gè)關(guān)節(jié)分別被稱(chēng)作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，三個(gè)關(guān)節(jié)相互配合將末端執(zhí)行器移動(dòng)到指定位置，再由腕部控制末端執(zhí)行器的姿態(tài)，可通過(guò)腕部動(dòng)作完成對(duì)作物進(jìn)行分離。因其轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)較多，故負(fù)載能力較弱，不過(guò)對(duì)于取料來(lái)說(shuō)，并不需要太強(qiáng)的負(fù)載能力，定位精度要求也不是太高，所以此類(lèi)機(jī)械臂在取料機(jī)器人中應(yīng)用比較廣泛。 圖3.1 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械臂 3.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1 驅(qū)動(dòng)方式及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 目前應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動(dòng)方式為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，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(qū)動(dòng)，多配合減速裝置使用，適用于中小負(fù)載，要求精度較高的機(jī)器人，配備液壓或氣壓系統(tǒng)有一定困難，且在取料時(shí)要求定位精度較高，故選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。由于課題研究的機(jī)器人的動(dòng)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(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)于取料機(jī)器人的關(guān)節(jié)，需要低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力，必須配合減速器使用，綜合比較各類(lèi)減速器的特點(diǎn)，研究中除基座外各關(guān)節(jié)均采用直流力矩電機(jī)串接諧波減速器的傳動(dòng)方式，如圖3.2所示。 圖3.2 諧波減速器結(jié)構(gòu) 3.2.2 機(jī)械臂本體材料的選擇 機(jī)械臂的材料首先要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，要有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)選用密度小、強(qiáng)度大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的材料，提高力學(xué)性能。在保證其強(qiáng)度和剛度的前提下，基座和各關(guān)節(jié)均采用硬質(zhì)鋁材，機(jī)械臂桿采用質(zhì)量輕強(qiáng)度高的碳纖維材料。強(qiáng)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(lǐng)域廣泛使用。 3.2.3 腕部設(shè)計(jì) 根據(jù)取料作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用二自由度的腕部結(jié)構(gòu)，控制簡(jiǎn)單，靈活。腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由軸向電機(jī)軸直接帶動(dòng)末端執(zhí)行器做軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，腕部的俯仰運(yùn)動(dòng)則由腕關(guān)節(jié)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，由于腕部在工作時(shí)，同時(shí)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(jié)構(gòu)如圖3.3所示。 圖3.3 腕部結(jié)構(gòu)圖 1-電機(jī)固定螺釘；2-電機(jī)；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(dòng)機(jī)是三相異步電動(dòng)機(jī)，但由于設(shè)計(jì)要求，電機(jī)質(zhì)量不宜過(guò)大，轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，且需實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確控制，對(duì)轉(zhuǎn)矩沒(méi)有過(guò)多要求。步進(jìn)電機(jī)控制性能好，性?xún)r(jià)比要高于伺服電動(dòng)機(jī)，不受干擾影響，精度高，故選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 圖3.4 氣爪理想工作模型示意圖 在實(shí)際工作中，腕部電機(jī)的啟停比較頻繁，電機(jī)主要承受慣性力矩，故可根據(jù)負(fù)載慣量來(lái)選擇電機(jī)。根據(jù)氣爪的形狀和質(zhì)量，可將其近似等效為一個(gè)質(zhì)量為300g的實(shí)心長(zhǎng)方體，則氣爪的慣量近似為該實(shí)心長(zhǎng)方體繞一中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，如圖3.4所示，h=45mm，d=31mm，w=47mm，根據(jù)公式（3.1）求得長(zhǎng)方體繞軸Ih轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=792.5gcm2，即氣爪所產(chǎn)生的負(fù)載慣量約為793gcm2。 （3.1） 對(duì)于轉(zhuǎn)矩不大的負(fù)載，一般選擇42系列兩項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)和42-2系列加強(qiáng)傳動(dòng)型減速機(jī)，具體參數(shù)如表3.1和表3.2所示。 表3.1 42系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)規(guī)格參數(shù) 型號(hào) 額定電流/A 保持轉(zhuǎn)矩 /mN·m 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 /gcm2 重量/g 機(jī)身長(zhǎng)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(qiáng)傳動(dòng)型減速機(jī)規(guī)格參數(shù) 技術(shù)數(shù)據(jù) 減速比 減速機(jī)長(zhǎng)度/mm 額定負(fù)載/Nm 最大負(fù)載/Nm 效率/% 重量/kg 1級(jí) 3.71,5.18 31 1.8 5.3 90 0.2 2級(jí) 14,19,27 38.5 3 8.9 81 0.25 電機(jī)轉(zhuǎn)速初定為150rpm，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為30rpm，減速比為5，故選擇表3.2中的1級(jí)減速器，減速比i=5.18，根據(jù)公式（3.2）求得轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J1=29.5gcm2，根據(jù)表3.2中各電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為42HS34-12A5。 （3.2） 3.2.4 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 取料機(jī)械臂的腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)均為諧波齒輪傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)基本相同，故以肩關(guān)節(jié)為例進(jìn)行介紹，圖3.5和圖3.6分別為肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)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(jī)；8-關(guān)節(jié)外殼；9-電機(jī)軸；10-剛輪電機(jī)固定螺栓；11-剛輪；12-波發(fā)生器；13-電機(jī)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(guān)節(jié)支架 圖3.5 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 圖3.6 肩關(guān)節(jié)三維建模裝配圖 肩關(guān)節(jié)主要由直流力矩電機(jī)、關(guān)節(jié)外殼、諧波減速器、輸出軸、關(guān)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(dòng)，為增加關(guān)節(jié)剛度，減小摩擦，在電機(jī)軸與電機(jī)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(guān)節(jié)外殼的法蘭面與大臂法蘭相連接，帶動(dòng)大臂實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 與以肩關(guān)節(jié)為例，進(jìn)行關(guān)節(jié)電機(jī)與諧波減速器型號(hào)的選擇。當(dāng)機(jī)械臂處于如圖3.7所示的位置時(shí)，各部分對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)矩最大。 圖3.7肩部受力示意圖 負(fù)載質(zhì)量取最大值mL=0.5kg，因碳纖維的重量很小，在計(jì)算時(shí)可忽略各臂桿的重力矩，根據(jù)圖3.7求得肩關(guān)節(jié)諧波減速器軸上的總轉(zhuǎn)矩為： 參考文獻(xiàn)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(zhuǎn)矩為： 設(shè)計(jì)選擇XB1-60型諧波減速器，減速比為100；輸入轉(zhuǎn)速為1500rpm時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩為55.0N·m；質(zhì)量為0.7kg。 取諧波減速器的傳動(dòng)效率為：η = 0.85，則電機(jī)的輸出力矩為： 型號(hào)和參數(shù)如表3.3和表3.4所示： 表3.3 取料機(jī)器人各關(guān)節(jié)電機(jī)參數(shù) 關(guān)節(jié) 型號(hào) 峰值堵轉(zhuǎn) 最大空載轉(zhuǎn)速/rpm 連續(xù)堵轉(zhuǎn) 質(zhì)量/kg 轉(zhuǎn)矩/N?m 功率/W 轉(zhuǎn)矩/N?m 功率/W 腰關(guān)節(jié) 70LYX04 1.2 148.8 1100 0.50 22.8 0.92 肩關(guān)節(jié) 70LYX04 1.2 148.8 1100 0.50 22.8 0.92 肘關(guān)節(jié) 55LYX03 0.84 132.0 1500 0.28 14.8 0.75 腕關(guān)節(jié) 45LYX03 0.44 151.2 2700 0.13 10.1 0.45 表3.4 取料機(jī)器人各關(guān)節(jié)諧波減速器參數(shù) 關(guān)節(jié) 型號(hào) 速比 輸入轉(zhuǎn)速1500rpm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg?m2 輸出扭矩/N?m 輸出轉(zhuǎn)速/rpm 輸入功率/W 腰關(guān)節(jié) XB1-60 100 55.0 15 104.0 0.42×10-4 肩關(guān)節(jié) XB1-60 100 55.0 15 104.0 0.42×10-4 肘關(guān)節(jié) XB1-50 100 33.0 15 62.0 1.77×10-5 腕關(guān)節(jié) XB1-40 100 16.5 15 31.0 0.59×10-5 4 電器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(shè)備等零部件組成。系統(tǒng)的規(guī)模是根據(jù)實(shí)際的需要而定，可大可小。圖4.1為PLC終端整體示意圖，運(yùn)用在板栗剝殼裝置中能夠大大縮減由于時(shí)間上控制不精確而造成的工作時(shí)間浪費(fèi)，PLC電器控制系統(tǒng)較計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的最大的好處在于實(shí)時(shí)性和高可靠性，由于控制器是采用自動(dòng)控制串接為基礎(chǔ)，信號(hào)處理的時(shí)間間隔非常短暫，速度較快，正常處理時(shí)間可以精確到10ms到20ms之間；同時(shí)PLC系統(tǒng)采用獨(dú)有的抗干擾技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，使用起來(lái)方便快捷，相比較電源控制下的機(jī)械系統(tǒng)，可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC）[14]有比較大的優(yōu)勢(shì)性可言，具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)； （1） 可靠性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，接口模塊功能強(qiáng)、品種多； （2） 硬件配套較為齊全，使用方便快捷，適應(yīng)性強(qiáng)； （3） 編程方法簡(jiǎn)單、直觀； （4） 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)/安裝、調(diào)試工作量少； （5） 維修工作量小、維護(hù)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(gè)步驟，其中圖4.2為PLC控制器總梯形圖，當(dāng)設(shè)定控制的時(shí)間時(shí)，以下兩組輔助繼電器：（M35、M21、M16、M1）,（M27、M15、M1）的常開(kāi)觸點(diǎn)中有一組閉合，輔助繼電器M54線(xiàn)圈得電閉合，其串接在輸出繼電器Y21上的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使輸出繼電器Y31得電并自鎖，打開(kāi)電燈開(kāi)關(guān)。當(dāng)需要手動(dòng)控制時(shí)，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(kāi)開(kāi)關(guān)。當(dāng)?shù)娇刂频臅r(shí)間時(shí)，以下兩組輔助繼電器：（M35、M22、M16、M1），（M27、M17、M1）的常開(kāi)觸點(diǎn)中有一組閉合，繼電器M55線(xiàn)圈得電閉合以后并產(chǎn)生一個(gè)掃描周期的脈沖信號(hào)，使其串接在輸出繼電器Y21線(xiàn)圈上的常開(kāi)觸點(diǎn)迅速斷開(kāi)，輸出繼電器Y21斷開(kāi)，電燈熄滅。當(dāng)需要手動(dòng)關(guān)燈時(shí)，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(kāi)觸點(diǎn)迅速斷開(kāi)，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(duì)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(jī)械設(shè)備的總體分布情況，制定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如下所示。 (1) 設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)元件的布置圖和電氣原理繪制接線(xiàn)圖，然后檢查和測(cè)試相關(guān)系統(tǒng)是否正確。 (2) 根據(jù)機(jī)械裝置的自身相關(guān)情況，繪制電氣原理的相關(guān)組線(xiàn)圖，適當(dāng)根據(jù)各線(xiàn)路圖的反饋情況予以記載和改善，進(jìn)一步細(xì)致化，使整個(gè)系統(tǒng)更加完善化。 (3) 現(xiàn)場(chǎng)安裝并測(cè)試電器設(shè)備是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)一定的測(cè)試和分析，達(dá)到目標(biāo)要求，從而對(duì)設(shè)計(jì)編寫(xiě)說(shuō)明書(shū)等相關(guān)說(shuō)明。 相關(guān)步驟圖如圖4.13所示，從圖中我們可以清晰的看出設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟情況，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)先關(guān)的步驟一步一步的進(jìn)行調(diào)試，最終能夠達(dá)到預(yù)期的效果。 圖4.3 PLC終端示意圖 圖4.4 設(shè)計(jì)主要步驟 結(jié)論 本文重點(diǎn)介紹節(jié)省材料，安全，簡(jiǎn)單和高效的原則。該設(shè)計(jì)基于自動(dòng)揀選操縱器的設(shè)計(jì)。基本任務(wù)如下：設(shè)計(jì)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(jī)械臂設(shè)計(jì)為可替換的結(jié)構(gòu)。它不僅可以用來(lái)抓手指來(lái)抓取工件。機(jī)械手使用可編程邏輯控制器（PLC）來(lái)控制機(jī)械手。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)機(jī)器人的工作流程編寫(xiě)PLC程序，并繪制梯形圖。 鑒于本人研究能力有限，自動(dòng)取料機(jī)械手機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化和等一些關(guān)鍵性因素還有待進(jìn)一步提升。未來(lái)希望可以更好的學(xué)習(xí)有關(guān)的知識(shí)，將自動(dòng)取料機(jī)械手機(jī)械機(jī)構(gòu)與智能化控制方向結(jié)合，使其朝著更好的方向邁進(jìn)一步。 參考文獻(xiàn) [1]機(jī)械工業(yè)部.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005. 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