油茶采摘机械手的机构设计.doc

学校代码：10410
序 号：20050386

本 科 毕 业 设 计

题目： 油茶采摘机械手机构设计

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绘制机构二维图形，用Pro/E绘制机构三维造型。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理解和认识。

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

目 录
摘 要
Abstract
一、前 言 １
二、油茶采摘机械手原理图 ２
三、油茶采摘机械手设计及选型 ４
3.1、电动机选型 ４
3.2、旋 转 减 速 机 构 ５
3.2.1、第一级蜗轮蜗杆减速装置 ５
3.2.2、第二级蜗轮蜗杆减速装置 ７
3.2.3、直齿减速装置 ８
3.2.4、旋转机构转速 ９
3.3、气 压 升 降、摆 臂 机 构 ９
3.3.1气压升降装置 １０
3.3.2气压摆臂装置 １０
3.4、手 抓 机 构 １０
3.4.1、滑动螺旋传动装置 １０
3.4.2、手抓工作装置 １１
四、油茶采摘机械手PLC程序控制系统 １２
4.1、主电路 １２
4.2、PLC外部接线 １３
4.3、梯形图 １４
4.4、指令语句表 １５
参 考 文 献 １６
致 谢 １７

２１ / 25

一、前 言
1.1、油茶采摘机械手作用
采用人工油茶采摘，消耗人力、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、高效率、安全作业。

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一门综合技术。机器人是一种知识密集、技术密集机电一体化高技术产品。机器人在生产中应用，对提高劳动生产率、提高产品质量、改善劳动条件、提高企业应变能力、促进新产业建立和发展、改变劳动结构以及促进相关学科技术进步，均发挥了重大社会效益和经济效益。因此世界各国都很重视机器人技术发展和机器人在生产中运用。

1.3、机械手广泛应用
机床加工工件装卸，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，单调重复易子疲劳工作环境工作，以代替人劳动；可在危险场合下工作，如军工品装卸、危险品及有害物搬运等；宇宙及海洋开发，军事工程及生物医学方面研究和试验。

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目。

机械手总装

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附加装置。机器人末端执行器种类很多，以适应机器人不同作业及操作要求。
机器人可通过PLC可编程控制去完成某些操作和移动作业机器人。人们力图把这种机器人设计成具有仿人或动物某些局部功能，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，对目标实施夹紧力控制在一个合理范围内，使夹紧力既不过小而不能起到夹紧作用，也不过大而破坏目标不良结果。

三、油茶采摘机械手设计及选型
3.1、电动机选型
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
36SL5E2
36
36/18
50
110
2700
1
8
62
36
4
90SL55
220
220
50
3000
2700
25
30
140
90
14

3.1.1、36SL5E2伺服电动机
3.1.2、90SL55伺服电动机

交流伺服电动机机械特性是非线性；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
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
70BF1-3
3
3/1.5
27
3
1000
---
---
1000
112
70
8

3.1.3、70BF1-3步进电动机

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控制电动机，其角位移及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：少头数蜗杆传动效率较低，常需要贵重减摩性有色金属。
根据课题需要选择传动比较大蜗轮蜗杆机构。传动比大时及要求自锁传动，取z=1。蜗轮齿数z一般取z=27～80。过少z蜗轮齿将产生根切；z>80时，会导致模数过小而削弱轮齿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—普通圆柱蜗杆传动参数匹配
公称传动比
参数
中心距 a mm
40
40
z/z
38/1
m
1.6
d
20
x
-0.25
50
z/z
49/1
m
1.25
d
20
x
-0.5
第一级蜗轮蜗杆公称传动比取40，蜗杆头数取z=1,中心距a取a=40mm。由表—普通圆柱蜗杆传动参数匹配，有z/z=38/1,蜗轮齿数z=38,模数m=1.6,蜗杆分度圆直径d=20mm,蜗轮变位系数x=-0.25
在蜗杆轴平面内基准齿廓、齿形角尺寸参数为：
齿顶高 h=m=1.6mm,
工作齿高 h=2m=2×1.6=3.2mm,
轴向齿距 p=πm=3.14×1.6=5.024mm,
顶隙 c=0.2m=0.2×1.6=0.32mm,
齿根圆角 p=0.3m=0.3×1.6=0.48mm,
阿基米德蜗杆，轴向齿形角a=20º，
传动系统中，取γ=25º，
蜗杆齿顶圆直径 d=d+2hm=20+2×1×1.6=23.2mm,
蜗杆齿根圆直径 d=d－2m(h+c)=20－2×1.6×(1+0.2)=16.16mm,
蜗杆宽度 b(11+0.06z)m=(11+0.06×38)×1.6=21.248mm,取b=22mm,
蜗轮分度圆直径 d=mz=1.6×38=60.8mm,
蜗轮喉圆直径 d=d+2h=d+2m(h+x)=60.8+2×1.6×(1－0.25)=63.2mm,
蜗轮齿根圆直径 d=d－2h=d－2m(h－x+c)
=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,
蜗轮宽度 b0.75d=0.75×23.2=17.4mm,取b=17mm,
蜗轮齿顶圆弧半径 R=0.5d－m=0.5×20－1.6=8.4mm,
蜗轮齿根圆弧半径 R=0.5d+cm=0.5×23.2+0.2×1.6=11.92mm。

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—普通圆柱蜗杆传动参数匹配，有z/z=49/1,蜗轮齿数z=49,模数m=1.25,蜗杆分度圆直径d=20mm,蜗轮变位系数x=-0.5
在蜗杆轴平面内基准齿廓、齿形角尺寸参数为：
齿顶高 h=m=1.25mm,
工作齿高 h=2m=2×1.25=2.5mm,
轴向齿距 p=πm=3.14×1.25=3.925mm,
顶隙 c=0.2m=0.2×1.25=0.25mm,
齿根圆角 p=0.3m=0.3×1.25=0.375mm,
阿基米德蜗杆，轴向齿形角a=20º，
传动系统中，取γ=25º，
蜗杆齿顶圆直径 d=d+2hm=20+2×1×1.25=22.5mm,
蜗杆齿根圆直径 d=d－2m(h+c)=20－2×1.25×(1+0.2)=17mm,
蜗杆宽度 b(8+0.06z)m=(8+0.06×49)×1.25=13.675mm,取b=14mm,
蜗轮分度圆直径 d=mz=1.25×49=61.25mm,
蜗轮喉圆直径 d=d+2h=d+2m(h+x)=61.25+2×1.25×(1－0.5)=62.5mm,
蜗轮齿根圆直径 d=d－2h=d－2m(h－x+c)
=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,
蜗轮宽度 b0.75d=0.75×22.5=16.875mm,取b=16.5mm,
蜗轮齿顶圆弧半径 R=0.5d－m=0.5×20－1.25=8.75mm,
蜗轮齿根圆弧半径 R=0.5d+cm=0.5×22.5+0.2×1.25=11.5mm。
3.2.3、直齿减速装置

3.2.3、直齿减速装置
主动直齿轮宽度 b=16mm,
从动直齿轮宽度 b=16mm,
主动直齿轮齿数 z=36,
从动直齿轮齿数 z=72,
主动直齿轮分度圆直径 d=20mm,
从动直齿轮分度圆直径 d=40mm.

3.2.4、旋转机构转速
旋转机构转速n=n·λ·λ·λ=n···
=2700××360×××=4.35º/s
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。
气压传动优点：以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后空气排到大气中，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。气缸是将压缩空气能量转换成直线往返运动形式机械能能量转换装置。

3.3、气缸装置

3.3.1气压升降装置
气压升降装置气缸行程s=374mm,通过滑块固定导轨实现机械手升降运动3.3.2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30º运动。
3.4、手 抓 机 构
3.4.1、滑动螺旋传动装置
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，同时进行能量和力传递，或者调整零件相互位置。也有将直线运动变成旋转运动。
根据手抓机构要求，运用传力螺旋和传动螺旋梯形螺纹。梯形螺纹牙形角a=30º,螺纹副大经和小径处有相等径向间隙。牙根强度高，螺纹工艺性好（可以用高生产率方法制造）；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,
牙形角 a=30º, 螺距 p=3.2mm,
螺纹工作高度 h=0.5p=0.5×3.2=1.6mm,
螺纹牙低宽度 b=0.65p=0.65×3.2=2.08mm,
整体式螺母高度 H=ψ·d=2.5×14.4=36mm,
由验算 z===11.2510～12 符合要求。
选取步进电机70BF1-3步距为1.5º，
初选螺母滑块移动距离 s=54mm,则手抓锁紧、放开时间 t=××=4.05s
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同时油茶自转脱落功能。
3.4.2、手抓结构装置

四、油茶采摘机械手PLC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),是微机技术及继电器常规控制技术相结合产物，是在顺序控制器和微机控制器基础上发展起来新型控制器，是一种以微机处理器为核心用作数字控制专用计算机。

4.1、主电路

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、易于及计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速计数及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应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平重要标志之一。

4.2、PLC外部接线

4.3、梯形图

4.4、指令语句表

参 考 文 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：武汉理工大学出版社，2001
【3】、曾志新、吕明主编，机械制造技术基础，武汉：武汉理工大学出版社，2004
【4】、陈奎生主编，液压及气压传动，武汉：武汉理工大学出版社，2001
【5】、郑文纬、吴克坚主编，机械原理，北京：高等教育出版社，1997
【6】、刘鸿文主编，材料力学，北京：高等教育出版社，2004
【7】、哈尔滨工业大学理论力学教研室编，理论力学，北京：高等教育出版社，2008
【8】、秦曾煌主编，电工学，北京，高等教育出版社，2004
【9】、曾光奇、胡均安主编，工程测试技术基础，武汉：华中科技大学出版社，2002
【10】、杨叔子、杨克冲等编著，机械工程控制基础，武汉：华中科技大学出版社，2002
【11】、邓星钟主编，机电传动控制，武汉：华中科技大学出版社，2000
【12】、丁玉兰主编，人机工程学，北京：北京理工大学出版社，2007
【13】、陈立德主编，机械专业英语，上海：上海交通大学出版社，2001
【14】、于永泗、齐民主编，机械工程材料，大连：大连理工大学出版社，2007
【15】、余桂英、郭纪林主编，AutoCAD2006中文版实用教程，大连：大连理工大学出版社，2006
【16】、邵立新、夏素民、孙江宏等编著，Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版标准教程，北京：清华大学出版社，2007

致 谢
　 转眼间，我已经在美丽江西农业大学工学院度过了四个年头。四年，这是我人生中非常重要四年。给我留下了大学生活美好回忆，留下了一笔无形巨大知识财富。这必将对我今后学习、工作、生活产生积极、长足帮助。感谢江西农业大学工学院四年来培养，在此，我真诚地向我尊敬老师们和母校表达我深深谢意！
毕业设计是在我导师饶洪辉老师多次指导下完成。从毕业设计选题、构思、结构设计到论文写作过程中，饶洪辉老师多次及我深入细致地探讨，并给我提出切实可行指导性建议。饶老师高深精湛造诣及严谨求实治学精神将永远激励着我。在此，请允许我向尊敬饶洪辉老师表示真挚谢意！
在做毕业设计过程中，也得到了许多同学宝贵建议，同时还得到许多社会人士支持和帮助，在此一并致以诚挚谢意。
最后，向在百忙中抽出时间对此毕业设计进行评审并提出宝贵意见各位老师表示衷心地感谢！
衷心祝愿母校江西农业大学工学院明天更加美好！