蘋果裝箱機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】

蘋果裝箱機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,蘋果,裝箱,機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad,圖紙,文檔 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(論文) 作 者: 學(xué) 號(hào)： 學(xué)院(系): 專 業(yè): 題 目: 蘋果裝箱機(jī)械手設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 評(píng)閱者： 2016 年 6 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）中文摘要 本課題最終目的在于研制一套自動(dòng)裝箱機(jī)械手用于蘋果自動(dòng)生產(chǎn)線取代人工裝箱工作，以實(shí)現(xiàn)成型工序參數(shù)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)了一種蘋果自動(dòng)裝箱機(jī)械手，利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)手臂進(jìn)行上下移動(dòng)和水平垂直旋轉(zhuǎn)，通過(guò)氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓取和松放，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)裝箱放各種型式和材料的蘋果。本次設(shè)計(jì)的蘋果自動(dòng)裝箱機(jī)械手由底座、傳送機(jī)構(gòu)、臂部升降機(jī)構(gòu)、臂部擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、吸盤等構(gòu)成。 本次設(shè)計(jì)首先，通過(guò)對(duì)蘋果自動(dòng)裝箱機(jī)械手結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算選擇；然后，對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后，通過(guò)AutoCAD制圖軟件繪制了蘋果自動(dòng)裝箱機(jī)械手裝配圖及主要零部件圖。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對(duì)今后的工作于生活具有極大意義。 關(guān)鍵詞：蘋果，裝箱機(jī)械手，滾珠絲杠，齒輪，軸 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）外文摘要 Title Apple packing manipulator design Abstract The ultimate goal of this project is to develop a set of automatic packing machine for automatic production line of apple to replace the manual packing, in order to achieve the stability of the forming process parameters. An apple automatic packing manipulator is designed, using step motor drive the arm of under movement and vertical rotation, through the air pressure drive manipulator and release, can realize the automatic packing for various types and materials of apple. The design of Apple's automatic packing machine hand by the base, the transmission mechanism, the arm of the lifting mechanism, the arm swing mechanism, sucker, etc.. This design first, through apple automatic packing machine for the structure principle and analysis, this analysis is proposed based on the overall structure of the program; then, the main technical parameters were calculated to select; then, of the main parts were designed and checked. Finally, through the AutoCAD drawing software drawn apple automatic packing machine for assembly and major parts of the map. Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance. Key words: apple, packing machine, ball screw, gear, shaft 目 錄 1 緒論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2 機(jī)械手簡(jiǎn)介 1 1.3 機(jī)械手國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4 機(jī)械手發(fā)展趨勢(shì) 3 2 方案設(shè)計(jì) 4 2.1 設(shè)計(jì)要求 4 2.1.1 功能要求 4 2.1.2 參數(shù)要求 4 2.2 機(jī)械手的構(gòu)成 4 2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 4 2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 5 2.2.3 控制系統(tǒng) 5 2.3 總體方案設(shè)計(jì) 5 2.3.1 總體方案擬定 5 2.3.2 升降機(jī)構(gòu)方案 6 2.3.3 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)方案 7 3 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 8 3.1.1 根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào) 8 3.1.2 啟動(dòng)矩頻特性校核 9 3.2 滾珠絲桿副的選型與校核 9 3.2.1 型號(hào)選擇 10 3.2.2 校核計(jì)算 11 3.3 導(dǎo)軌的選型與校核 11 3.3.1 導(dǎo)軌的選型 11 3.3.2 滑動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 12 3.4 軸承及鍵的校核與壽命計(jì)算 14 4 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16 4.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 16 4.1.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 16 4.1.2 電機(jī)扭矩計(jì)算 17 4.2 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 18 4.2.1 選精度等級(jí)、材料和齒數(shù) 18 4.2.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 18 4.2.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 20 4.2.4 幾何尺寸計(jì)算 21 4.3 旋轉(zhuǎn)軸及軸上零件的設(shè)計(jì)與校核 22 4.3.1 尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 22 4.3.2 強(qiáng)度校核計(jì)算 23 4.3.3 鍵的校核與壽命計(jì)算 25 4.4 擺臂設(shè)計(jì) 25 4.5 吸盤的選擇 25 5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 5.1 CPU與存儲(chǔ)器 28 5.2 中斷處理電路 33 5.3 8279鍵盤、顯示 37 總 結(jié) 44 參考文獻(xiàn) 45 致 謝 46 附 錄 47 附錄1 47 附錄2 56 II 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第63頁(yè) 共 60 頁(yè) 1 緒論 1.1 研究背景及意義 蘋果在運(yùn)輸過(guò)程中容易磕碰、擠壓等導(dǎo)致破損后腐爛，因此蘋果必須裝箱運(yùn)輸，我國(guó)蘋果產(chǎn)量巨大，每年到豐收季節(jié)均會(huì)有大量蘋果等待裝箱，如果均靠人力會(huì)耗費(fèi)大量人力及時(shí)間，不僅容易使工人作業(yè)疲勞而且容易錯(cuò)過(guò)最佳上市時(shí)間，因此希望設(shè)計(jì)出蘋果裝箱機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)蘋果自動(dòng)裝箱。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： （1）以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度：應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 （2）以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故：在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)：應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。 1.2 機(jī)械手簡(jiǎn)介 到目前為止，世界各國(guó)對(duì)“機(jī)械手機(jī)械手”還沒(méi)有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說(shuō)的“機(jī)械手機(jī)械手”是一種能模擬人的手、臂的部分動(dòng)作，按照予定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)或操縱工具的自動(dòng)化裝置。而“機(jī)械手”一般具有固定的手部、固定的動(dòng)作程序（或簡(jiǎn)單可變程序）、一般用于固定工位的自動(dòng)化裝置。因?yàn)閲?guó)內(nèi)外稱作“機(jī)械手機(jī)械手”、“機(jī)械手”、“操作機(jī)”的這三種自動(dòng)化和半自動(dòng)化裝置，在技術(shù)上有某些相通之處，所以有時(shí)不易明確區(qū)分，就它們的技術(shù)特征來(lái)看，其大致區(qū)別如下。 “機(jī)械手”（Mechanical Hand）：多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動(dòng)抓取、操作裝置（國(guó)內(nèi)一般稱作機(jī)械手或?qū)Ｓ脵C(jī)械手）。如自動(dòng)線、自動(dòng)線的上、下料，加工中心的自動(dòng)換刀的自動(dòng)化裝置。 1.3 機(jī)械手國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)械手機(jī)械手（Industral Robot ,簡(jiǎn)稱IR）是1960年由《美國(guó)金屬市場(chǎng)》報(bào)首先使用的，但這個(gè)概念是由美國(guó)George·C·Pevol在1954年申請(qǐng)的專利“程序控制物料傳送裝置“時(shí)提出來(lái)的。在這專利中所記述的機(jī)械手機(jī)械手，以現(xiàn)在的眼光來(lái)看，就是示教再現(xiàn)機(jī)械手。 隨后，美國(guó)的Unimation公司和美國(guó)的機(jī)械鑄造(AMF)公司于1962年分別制造了實(shí)用的一號(hào)機(jī)，并分別取名為Unimate和Ver·satran。Unimate機(jī)械手外形類似坦克炮塔，采用極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，而Versatran機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。 上述兩種機(jī)械手成為機(jī)械手結(jié)構(gòu)的主流，美國(guó)通用汽車公司和福特汽車公司在其金屬冷熱加工中，采用這類機(jī)械手進(jìn)行壓、鑄、沖壓等上、下料，收到了良好的效果。 美國(guó)的機(jī)械手機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： 1963~1967年為實(shí)驗(yàn)定型階段。1963~1967年，萬(wàn)能自動(dòng)公司制造的機(jī)械手機(jī)械手供用戶做工藝實(shí)驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的機(jī)械手機(jī)械手定型為1900臺(tái)。 1968~1970年為實(shí)驗(yàn)應(yīng)用階段。這一時(shí)期，機(jī)械手機(jī)械手在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段。例如美國(guó)通用汽車公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)機(jī)械手機(jī)械手；1969年又自行研制出SAM型機(jī)械手機(jī)械手，并用21臺(tái)組成了點(diǎn)焊小汽車車身的焊接自動(dòng)線。 1970年至今一直出于技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用階段。1970~1972年，機(jī)械手機(jī)械手處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國(guó)機(jī)械手機(jī)械手會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)已采用了大約200臺(tái)機(jī)械手機(jī)械手，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上。與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂高級(jí)機(jī)械手，例如森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)械手機(jī)械手的系統(tǒng)。 在歐洲第一臺(tái)機(jī)械手機(jī)械手是1963年瑞典Kavieldt公司發(fā)表的第一臺(tái)操作機(jī)。 日本在六十年代初期就開始研制固定程序控制的機(jī)器手，并從其他各國(guó)引進(jìn)了用于不同生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械手，并獲得迅速，很快研制出日本國(guó)產(chǎn)華的機(jī)械手機(jī)械手，技術(shù)水平很快趕上了美國(guó)并超過(guò)了其它國(guó)家，目前機(jī)械手機(jī)械手在日本已得到迅速發(fā)展并很快得到普及。 我國(guó)雖然開始研制機(jī)械手機(jī)械手僅比日本晚5~6年，但由于種種原因，機(jī)械手機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展比較慢。但目前已引起了有關(guān)方面的極大關(guān)注。除了引進(jìn)、消化、仿制外，已經(jīng)具備了一定的獨(dú)立設(shè)計(jì)和研制能力。在1958年維吾爾自治區(qū)成立30年大慶站展覽館展出了由機(jī)械局研制的跳舞機(jī)械手《阿依古麗》。在1986年地十六屆廣交會(huì)上，成都電訊工程學(xué)院研制的第三代仿人機(jī)械手《成蓉小姐》已經(jīng)用漢語(yǔ)或英語(yǔ)向來(lái)賓問(wèn)好，并能簡(jiǎn)要的介紹的展覽產(chǎn)品及回答簡(jiǎn)單問(wèn)話。西北電訊工程學(xué)院研制的微機(jī)控制示教再現(xiàn)式機(jī)械手《西電I號(hào)》，也于1985年9月在陜西省科技貿(mào)易大會(huì)上進(jìn)行了表演。此外，清華大學(xué)自動(dòng)化系研制的具有視覺(jué)手眼系統(tǒng)，北京鋼鐵學(xué)院研制的焊接機(jī)械手，均已達(dá)到了較高的水平。同時(shí)，在機(jī)械手學(xué)科中的視覺(jué)、聽覺(jué)、語(yǔ)音合成、觸覺(jué)、計(jì)算控制以及人工智能諸領(lǐng)域研究，也取得了一定的進(jìn)展。 近幾年來(lái)的成就表明，我國(guó)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)邁出了可喜的一步。相信在不久的將來(lái)，我們一定回趕上世界各國(guó)前進(jìn)的步伐。 1.4 機(jī)械手發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)械手是一種模擬人手操作的自動(dòng)機(jī)械。它可按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操持工具完成某些特定操作。應(yīng)用機(jī)械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動(dòng)條件，保證人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。20世紀(jì)40年代后期，美國(guó)在原子能實(shí)驗(yàn)中，首先采用機(jī)械手搬運(yùn)放射性材料，人在安全間操縱機(jī)械手進(jìn)行各種操作和實(shí)驗(yàn)。50年代以后，機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機(jī)床的輔助裝置在自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫(kù)中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)起步較晚，比歐美要晚 30 年左右，起步于上世紀(jì) 70 年代，1972 年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手 在上海開發(fā)成功，隨之全國(guó)各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（1986～1990 年）開始，我國(guó)政府大大加 大了對(duì)工業(yè)機(jī)械手的重視程度，并且為此項(xiàng)目投入大量的資 金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)械手，與此同時(shí)，一系列的機(jī)械手關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來(lái)，如機(jī)械手專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器等等。 國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高，更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 2 方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 2.1.1 功能要求 設(shè)計(jì)裝箱機(jī)械手，替代人工，實(shí)現(xiàn)蘋果裝箱的機(jī)械化。 2.1.2 參數(shù)要求 原始數(shù)據(jù)： （1）蘋果為近似球型，直徑50~100mm，重100~500g。 （2）手爪夾持力（最大）不超過(guò)10N。 （3）箱體長(zhǎng)方形，內(nèi)腔長(zhǎng)寬高最大尺寸分別不超過(guò)1000mm. 技術(shù)要求： （1） 工作行程,水平方向:50~160cm，豎直方向:40cm。. （2） 自由度數(shù)目不超過(guò)3個(gè)，選取機(jī)械手的坐標(biāo)形式。 （3） 安全型驅(qū)動(dòng)方式，不得有沖擊和震動(dòng)。 2.2 機(jī)械手的構(gòu)成 機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關(guān)系如圖2.1所示。 圖2-1 機(jī)械手的構(gòu)成 2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型(為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （2）腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動(dòng)，左右擺動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)。如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有一個(gè)小距離的橫移。也有的機(jī)械手沒(méi)有腕部自由度。 （3）臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是帶動(dòng)手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。手臂有三個(gè)自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。 直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高，在自由度較少時(shí)使用。圓柱坐標(biāo)占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)式占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動(dòng)力小，能抓取底面物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以也不常用。 2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。液動(dòng)式的出力大，臂力可達(dá) 1000N 以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的是氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)式用于小型，機(jī)械式只用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。 2.2.3 控制系統(tǒng) 有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。 2.3 總體方案設(shè)計(jì) 2.3.1 總體方案擬定 根據(jù)以上工作要求，綜合考慮機(jī)械手的功能實(shí)現(xiàn)和通用性，確定采用兩自由度關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。整體方案初步確定自動(dòng)裝箱機(jī)械手通過(guò)方形底座固定，接著利用齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械手做90°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手臂由一個(gè)關(guān)節(jié)相連，通過(guò)兩個(gè)單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)手臂上下移動(dòng)及回轉(zhuǎn)。手臂末端連接著兩個(gè)吸盤，通過(guò)這個(gè)吸盤的動(dòng)作，將蘋果利用氣缸吸附在機(jī)械手上，然后將其移動(dòng)到輸送帶上，如此往復(fù)的循環(huán)。 圖2-2 裝箱機(jī)械手初步機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.3.2 升降機(jī)構(gòu)方案 升降機(jī)構(gòu)通常有采用液壓缸的液壓式、采用氣缸的氣動(dòng)式，也有采用絲杠/螺紋傳動(dòng)的機(jī)械式。但是通常液壓式、和氣動(dòng)式需要比較龐大的液壓/氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)提供動(dòng)力源，并且液壓式對(duì)工作環(huán)境污染較嚴(yán)重，而氣動(dòng)式則沖擊較大，均不適合用于本次擺蘋果機(jī)的臂部升降機(jī)構(gòu)。 因此本次采用絲杠/螺紋傳動(dòng)的機(jī)械式降機(jī)構(gòu)，為了提高工作效率本次采用滾珠絲杠副作為升降機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下圖示： 圖2-3升降機(jī)構(gòu)方案 2.3.3 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)方案 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，通?？梢酝ㄟ^(guò)齒輪傳動(dòng)、四桿機(jī)構(gòu)（曲柄搖桿機(jī)構(gòu)）等實(shí)現(xiàn)，但是為了保證擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性以及減小機(jī)構(gòu)尺寸確保機(jī)構(gòu)的緊湊性，本次采用齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)如下圖示： 圖2-4擺動(dòng)機(jī)構(gòu)方案 3 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運(yùn)行特性好。 擺蘋果機(jī)臂部升降機(jī)構(gòu)要求電動(dòng)機(jī)電位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用了型號(hào)90BF004的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，該機(jī)功率為0.42KW。選用時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟： 3.1.1 根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào) (1)步距角 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從手冊(cè)中查到步距角,由于 綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。 (2)距頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是： Mmq= 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算： 式中：Mkq為空載啟動(dòng)力矩；Mka為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。 而且初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即： MkqMmq=λMjmax 計(jì)算Mkq的各項(xiàng)力矩如下： ①加速力矩 ②空載摩擦力矩 ③附加摩擦力矩 3.1.2 啟動(dòng)矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。 前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。 突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動(dòng)過(guò)程中只要升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩不會(huì)很大。一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象。 3.2 滾珠絲桿副的選型與校核 滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計(jì)制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號(hào)并向有關(guān)廠家訂購(gòu)。此次設(shè)計(jì)中滾珠絲桿被三次選用，故本人只選取其中最重要的主軸傳動(dòng)中的滾珠絲桿加于設(shè)計(jì)和校核。其步驟如下： 首先對(duì)于一些參數(shù)說(shuō)明如下： 軸向變載荷，其中i表示第i個(gè)工作載荷，i=1、2、3…n ； 第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速(r/min); 第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間 (h) ; 絲桿副最大移動(dòng)速度(mm/min); 絲桿預(yù)期壽命。 3.2.1 型號(hào)選擇 （1）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求 選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式； （2）計(jì)算滾珠絲桿副的主要參數(shù) ①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5； ②計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 ③計(jì)算當(dāng)量載荷 ④初步確定導(dǎo)程 取4mm ⑤計(jì)算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速 ⑥計(jì)算絲桿所需的額定載荷 （3）選擇絲桿型號(hào) 根據(jù)初定的和計(jì)算的，選取導(dǎo)程為4mm，額定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號(hào)為CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列滾珠絲桿。 3.2.2 校核計(jì)算 （1）臨界轉(zhuǎn)速校核 校核合格。 （2）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒(méi)必要校核。 （3）滾珠絲桿的預(yù)緊 預(yù)緊力一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動(dòng)載荷的十分之一。即： 其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 3.3 導(dǎo)軌的選型與校核 3.3.1 導(dǎo)軌的選型 導(dǎo)軌主要分為滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌兩種， 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)普通機(jī)床所用的滑動(dòng)導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)： ①定位精度高 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/50。由于動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運(yùn)動(dòng)靈活，可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少90%，因此，可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級(jí)。 ②降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動(dòng)、停止的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，減輕了重量，使機(jī)床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。 ③可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)床的工作效率20～30%。 ④可長(zhǎng)期維持機(jī)床的高精度 對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤(rùn)滑，由于油膜的浮動(dòng)，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)精度的誤差是無(wú)法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤(rùn)滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無(wú)法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費(fèi)掉了。與之相反，滾動(dòng)接觸由于摩擦耗能?。疂L動(dòng)面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高精度狀態(tài)。同時(shí)，由于使用潤(rùn)滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤(rùn)滑就足夠了，這使得在機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用：開式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。 3.3.2 滑動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌: 選擇漢江機(jī)床廠BGX系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為: BGXH25BE 基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下: 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N 依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln： 額定行程長(zhǎng)度壽命: 導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: 導(dǎo)軌的工作壽命足夠. 導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)： ：靜安全系數(shù)；：基本靜額定負(fù)載；：工作載荷 導(dǎo)軌壽命計(jì)算： 3.4 軸承及鍵的校核與壽命計(jì)算 （1）軸承 1）.按承載較大的滾動(dòng)軸承選擇其型號(hào)，因支承跨距不大，故采用兩端固定式軸承組合方式。軸承類型選為深溝球軸承，軸承的預(yù)期壽命取為：L'h＝29200h 由上面的計(jì)算結(jié)果有軸承受的徑向力為Fr1=340.43N， 軸向力為Fa1=159.90N， 2）．初步選擇深溝球軸承6202，其基本額定動(dòng)載荷為Cr=51.8KN，基本額定靜載荷為C0r=63.8KN。 3）．徑向當(dāng)量動(dòng)載荷 動(dòng)載荷為，查得，則有 由式13-5得 滿足要求。 （2）鍵 1）選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 小帶輪處選用單圓頭平鍵，尺寸為 2)校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度 鍵、軸材料都是鋼，由機(jī)械設(shè)計(jì)查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 鍵的工作長(zhǎng)度 ，合適 4 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無(wú)累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。 4.1.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 a、旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 上式中：d—直徑,旋轉(zhuǎn)外徑d=8mm L—長(zhǎng)度=30mm P—鋼的密度=7800 經(jīng)計(jì)算得 b、齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量 上式中：d—直徑,齒輪外徑d=30mm L—長(zhǎng)度=14mm P—鋼的密度=7800 經(jīng)計(jì)算得 c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 查表得 因此 4.1.2 電機(jī)扭矩計(jì)算 a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s 經(jīng)計(jì)算得 b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動(dòng)效率，η=0.90 I—傳動(dòng)比，I=1 經(jīng)計(jì)算得 c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9 經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7N.m。 4.2 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 前述算得，步進(jìn)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速能在較大范圍變化本次計(jì)算取，傳動(dòng)比 4.2.1 選精度等級(jí)、材料和齒數(shù) 采用7級(jí)精度由表6.1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。 選小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù)取 4.2.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 1） 確定公式各計(jì)算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù) （2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 （3）小齒輪相對(duì)兩支承非對(duì)稱分布，選取齒寬系數(shù) （4）由表6.3查得材料的彈性影響系數(shù) （5）由圖6.14按齒面硬度查得 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 （6）由式6.11計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （7）由圖6.16查得接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) （8）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得 （9）計(jì)算 試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值 計(jì)算圓周速度v 計(jì)算齒寬b 計(jì)算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) 齒高 計(jì)算載荷系數(shù)K 根據(jù)，7級(jí)精度，查得動(dòng)載荷系數(shù) 假設(shè)，由表查得 由于載荷中等振動(dòng)，由表5.2查得使用系數(shù) 由表查得 查得 故載荷系數(shù) （10）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得 （11）計(jì)算模數(shù)ｍ 4.2.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 （1）確定公式內(nèi)的計(jì)算數(shù)值 由圖6.15查得 小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 　 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1.3，得 計(jì)算載荷系數(shù) （2）查取齒形系數(shù) 由表6.4查得　 （3）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表6.4查得 　 （4）計(jì)算大小齒輪的，并比較 大齒輪的數(shù)據(jù)大 （5）設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，可取有彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.32mm，并圓整取第一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)值m=1.5mm，并按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 算出小齒輪齒數(shù)　取 大齒輪齒數(shù)取 4.2.4 幾何尺寸計(jì)算 （1）計(jì)算分度圓直徑 （2）計(jì)算中心距 （3）計(jì)算齒寬寬度取 綜合整理兩級(jí)齒輪參數(shù)如下表： 序號(hào) 名稱 符號(hào) 參數(shù)選擇 小齒輪 大齒輪 1 齒數(shù) Z 20 40 2 模數(shù) m 1.5mm 3 分度圓直徑 4 齒頂高 5 齒根高 6 全齒高 7 頂隙 8 齒頂圓直徑 9 齒根圓直徑 10 齒寬 11 中心距 4.3 旋轉(zhuǎn)軸及軸上零件的設(shè)計(jì)與校核 4.3.1 尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 1）傳動(dòng)軸上的功率P1,轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1 ，， 2）初步確定軸的最小直徑 先按式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表11.3，取，于是得： 該處開有鍵槽故軸徑加大5％～10％，且傳動(dòng)軸的最小直徑顯然是安裝齒輪輪處的直徑。??；。 3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 （a）為了滿足車輪的軸向定位的要求2軸段左端需制出軸肩，軸肩高度軸肩高度，取故取2段的直徑，長(zhǎng)度。 （b）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的深溝球軸承6203，故，軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位，軸肩高度軸肩高度，取，因此，取。 （c）齒輪處由于齒輪分度圓直徑，故采用齒輪軸形式，齒輪寬度B=18mm。另考慮到齒輪端面與箱體間距1mm以及兩級(jí)齒輪間位置配比，取，。 4）軸上零件的周向定位 查機(jī)械設(shè)計(jì)表，聯(lián)接車輪的平鍵截面。 4.3.2 強(qiáng)度校核計(jì)算 1）求作用在軸上的力 已知齒輪的分度圓直徑為，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》（軸的設(shè)計(jì)計(jì)算部分未作說(shuō)明皆查此書）式(10-14)，則 2）求軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承支點(diǎn)位置時(shí)，從手冊(cè)中查取a值。對(duì)于6203型深溝球軸承，由手冊(cè)中查得a=14mm。因此，軸的支撐跨距為L(zhǎng)1=72mm。 根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出截面C是軸的危險(xiǎn)截面。先計(jì)算出截面C處的MH、MV及M的值列于下表。 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F ， ， C截面彎矩M 總彎矩 扭矩 圖4-1 彎矩圖和扭矩圖 3）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 根據(jù)式(15-5)及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取，軸的計(jì)算應(yīng)力 已選定軸的材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查得。因此，故安全。 4）鍵的選擇 采用圓頭普通平鍵A型（GB/T 1096—1979）連接，聯(lián)接車輪的平鍵截面，。齒輪與軸的配合為，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是過(guò)渡配合保證的，此外選軸的直徑尺寸公差為。 4.3.3 鍵的校核與壽命計(jì)算 （1）選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 小帶輪處選用單圓頭平鍵，尺寸為 （2）校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度 鍵、軸材料都是鋼，由機(jī)械設(shè)計(jì)查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 鍵的工作長(zhǎng)度 ，合適 4.4 擺臂設(shè)計(jì) 由于蘋果重量較輕，約為M=0.1kg，所以擺臂不需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，擺臂尺寸只需根據(jù)需要采用CAD作圖法進(jìn)行匹配，結(jié)果如下圖示： 圖4-2 擺臂 4.5 吸盤的選擇 考慮到蘋果表面比較平整光滑，選用硅橡膠吸盤，其具有良好的耐熱性、耐寒性和極低毒性，是食品行業(yè)通常采用的真空吸盤。 以普通陶瓷蘋果為例，口徑大約為190mm，高約為20mm，厚度約為5mm，質(zhì)量約為M=0.5kg，則提起該蘋果吸盤需要的提升力為F=Mg=4.9N。 這里選取型號(hào)為ZP10DS 的SMC 深形硅橡膠材料的真空吸盤，查該型號(hào)真空吸盤的水平提升升力表可知，在真空壓力值為-300mmHg 時(shí)，準(zhǔn)10 真空吸盤的水平提升力為3.2N。 T＝sF 式中， T-吸盤水平提升力； F-所需提升力； s-安全系數(shù)，取4。 故T＝sF=4×4.9N=19.6N 則至少需要7 個(gè)此種型號(hào)的吸盤工作，才能達(dá)到使用要求，本設(shè)計(jì)采用12 個(gè)吸盤兩排軸向均勻分布（如圖4 所示），以適應(yīng)提升其它類別蘋果的需要。 圖4-3 吸盤 5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于微型計(jì)算機(jī)具有體積小，可靠性高，靈活性強(qiáng)，易于配置，功能豐富及價(jià)格便宜等特點(diǎn)，采用微型計(jì)算機(jī)對(duì)工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行控制，已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)械手控制技術(shù)研究和發(fā)展的主流。 機(jī)械手的控制系統(tǒng)，原則上可分為點(diǎn)位控制與連續(xù)軌跡控制兩大類。點(diǎn)位控制只要求按規(guī)定精度從起始點(diǎn)到達(dá)預(yù)定點(diǎn)，而對(duì)移動(dòng)路徑不做要求。連續(xù)軌跡不僅與運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)與終點(diǎn)有關(guān)，還必須保證運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡一致。因此，在連續(xù)軌跡控制中要進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)，并對(duì)任意運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行補(bǔ)插（補(bǔ)間）運(yùn)算。為了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，就必須保證機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度、加速度連續(xù)，這無(wú)疑也需要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。 微型計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械手的控制，一般采用分層控制的方法。第一層為最高層，其任務(wù)是識(shí)別工作空間，并據(jù)此決定如何完成給定的任務(wù)；第二層是決策層，其任務(wù)是將給定的操作分成基本的運(yùn)動(dòng)；第三層是策略層，其工能是將基本的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成各自由度的運(yùn)動(dòng)；第四層是執(zhí)行層，它將控制機(jī)械手完成各自由度的運(yùn)動(dòng)。其中第一層及第二層屬于人工智能的范疇，機(jī)械手的控制主要是研究第三、第四層。 微型計(jì)算機(jī)種類很多，一般均由以下三部分組成。 A. 中央處理器CPU，或稱微處理器MPU。 B. 內(nèi)存儲(chǔ)器，即主記憶裝置ROM及RAM 。 C. 輸入輸出裝置I/O，或稱接口裝置，聯(lián)系這些裝置的為三條總線，即數(shù)據(jù)總線DB，地址總線AB及控制總線CB。 不同型號(hào)的微型計(jì)算機(jī)主要是中央處理器CPU的內(nèi)容的功能不同，因而有不同的指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言。由于外部設(shè)備之不同以及是否用于實(shí)時(shí)控制，其I/O接口裝置因而很大差異。RAM和ROM 的存儲(chǔ)量大小直接影響計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。但一般微型計(jì)算機(jī)都可以在原有存儲(chǔ)量的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)充。 本機(jī)械手的控制系統(tǒng)它由主CPU板、I/O板、控制面板、示教盒、伺服板、和穩(wěn)壓電源板等組成。 主CPU板是本控制器的核心，其上有CPU、存儲(chǔ)器、多級(jí)中斷控制電路、脈沖分配電路、讀位置電路以及串行通訊電路等，完成系統(tǒng)的管理、控制運(yùn)算、伺服系統(tǒng)控制和仿置檢測(cè)等控制功能以及與示教盒、控制板的通訊。 I/O接口板主要負(fù)責(zé)輸入輸出和監(jiān)測(cè)各種故障報(bào)警的輸入信號(hào)。伺服板共8塊，負(fù)責(zé)完成四個(gè)軸的位置環(huán)速度環(huán)和電流環(huán)的伺服控制。 本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)CPU、ROM和RAM中斷處理電路示教盒以及串行通訊電路鍵盤顯示電路這幾個(gè)部分。 5.1 CPU與存儲(chǔ)器 CPU采用8031微處理器地址譯碼器內(nèi)存RAM和EPROM以及鎖存器組成。 5.1.1 8031的結(jié)構(gòu) 1）寄存器堆 8031中有12個(gè)通用寄存器，6個(gè)專用寄存器，兩個(gè)累加器和兩個(gè)標(biāo)志寄存器。由于寄存器很多，故稱其為堆。它們各個(gè)單元不是以序號(hào)作為地址號(hào)，而是以其名稱作為地址號(hào)。它們?nèi)庆o態(tài)RAM實(shí)現(xiàn)。 各寄存器的功能如下： 堆棧指示器 SP：它是一個(gè)8位的專用寄存器。用以指示堆棧區(qū)的最上面的存儲(chǔ)單元的地址，即棧頂?shù)刂贰６褩Ｖ甘酒魇窃谟?jì)算機(jī)中接受中斷要求而去處理某些外部設(shè)備提出的請(qǐng)求時(shí)需要用到的寄存器。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為07H，使得堆棧事實(shí)由08H單元開始?？紤]到08H~1FH單元分屬與工作寄存器區(qū)1~3，若程序設(shè)計(jì)中要用到這些區(qū)，則最好把SP值改置為1FH或更大值。 由于棧指針是一個(gè)8位的專用寄存器，其值可由軟件改變，因此在內(nèi)部RAM中的位置比較靈活。響應(yīng)中斷或子程序調(diào)用時(shí)，發(fā)生入棧操作，入棧的是16位PC值，PSW并不自動(dòng)入棧。在指令系統(tǒng)中有棧操作指令PUSH（壓入）和POP（彈出），如有必要，中斷時(shí)可用把PSW的內(nèi)容壓入堆棧，加以保護(hù)，返回前用POP指令恢復(fù)。 除用軟件直接改變SP值外，在執(zhí)行PUSH、POP、各種程序調(diào)用、中斷響應(yīng)、子程序返回RETI等指令時(shí)，SP值將自動(dòng)增量或減量。 變址寄存器IX及IY：它們能將其內(nèi)容加減一個(gè)稱作偏移量的數(shù)，以達(dá)到一個(gè)新的地址。 中斷向量地址寄存器IV：這個(gè)寄存器用以存放中斷服務(wù)子程序的入口地址。 存儲(chǔ)器刷新寄存器R：8031可以使用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。刷新存儲(chǔ)器是再生時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)用的。 特殊功能寄存器SFR：8031單片機(jī)片內(nèi)的SFR與存儲(chǔ)器是獨(dú)立的，但它能像訪問(wèn)內(nèi)部RAM一樣被訪問(wèn)。8031單片機(jī)具有21個(gè)特殊功能寄存器，可分為3個(gè)16位寄存器和15個(gè)8位寄存器。這些寄存器分散地分布在片內(nèi)RAM的高128字節(jié)地址80H~FFH，訪問(wèn)這些專用寄存器僅允許使用直接尋址的方式。寄存器并未占滿80H~FFH整個(gè)地址空間，對(duì)空閑地址的操作是無(wú)意義的。片內(nèi)的SFR能綜合的實(shí)時(shí)反映整個(gè)單片機(jī)基本系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)及工作方式。因此，它是非常重要的。對(duì)單片機(jī)應(yīng)用者來(lái)說(shuō)，掌握個(gè)各SFR的工作狀態(tài)，工作方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的控制具有重要的意義。表3-1列出了個(gè)SFR的名稱幾地址。 ·ACC 累加器 0E0H ·B B寄存器 0F0H ·PSW 程序狀態(tài)字堆棧指針 0D0H SP 堆棧指針 81H DPTR 數(shù)據(jù)指針（包括DPH和（DPL）口0 83H和82H ·P0 口0 80H ·P1 口1 90H ·P2 口2 0A0H ·P3 口3 0B0H ·IP 中斷優(yōu)先級(jí)控制 0B8H ·IE 允許中斷控制 0A8H TMOD 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制 89H ·TCON 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 88H +·T2CON 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2控制 0C8H TH0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制0（高位字節(jié)） 8CH TL0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制0（低位字節(jié)） 8AH TH1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制1（高位字節(jié)） 8DH TL1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制1（低位字節(jié)） 8BH +TH2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制2（高位字節(jié)） 0CDH +TL2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制2（低位字節(jié)） 0CCH +RLDH 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制2自動(dòng)再裝載（高位字節(jié)） 0CBH +RLDL 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制2自動(dòng)再裝載（低位字節(jié)） 0CAH ·SCON 串行控制 98H SBUF 串行數(shù)據(jù)緩沖器 99H PCON 電源控制 97H 數(shù)據(jù)指針DPTR（83H，82H）：數(shù)據(jù)指針DPTR是一個(gè)16位專用寄存器，其高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。即可以作為16位寄存器DPTR來(lái)處理，也可以作為2個(gè)獨(dú)立的8位寄存器DPH和DPL來(lái)處理 。DPTR主要用來(lái)保持16位地址，當(dāng)64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間尋址時(shí)，可作為間接寄存器用。這時(shí)有兩條傳送指令MOVX A，@DPTR和MOVX @DPTR, A。在訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器時(shí)，DPTR可用作基址寄存器，這時(shí)采用一條基址+變址尋址方式的指令MOVC A，@+DPTR,常用于讀取存放在程序存儲(chǔ)器內(nèi)的表格數(shù)據(jù)。 2）8031的引腳功能 8031為40引腳芯片如圖3-4，按其功能可分為三個(gè)部分： I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個(gè)8位口。 P0（雙向I/O）口（39~32腳）：P0口既可作地址/ 數(shù)據(jù)總線使用，又可作通用I/O口用。 P1（準(zhǔn)雙向I/O）口（1~8腳）：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。 P2（準(zhǔn)雙向I/O）口（21~28腳）：在結(jié)構(gòu)上，P2口比P1口多了一個(gè)輸出轉(zhuǎn)換控制部分。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)倒向左面時(shí)，P2口作通用的I/O端口用，是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。 P3（雙功能）（10~17腳）：P3口是一個(gè)多用途的端口。 b.控制信號(hào)引腳：PSEN（片外取指控制），ALE（地地鎖存控制），EA（片外存儲(chǔ)器選擇），RESET（復(fù)位控制）。 c.電源及時(shí)鐘：Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2。 其應(yīng)用特性：a. I/O口線不能都用作用戶I/O口線。 b. I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電 路，P1、P2、P3則只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門。 　　　　　　c. P3口是雙重功能口，其功能如圖3-5所示。 P3.0:RXD(串行輸入口); P3.1:TXD(串行輸出口); P3.2:INT0(外部中斷0輸入線); P3.3:INT1(外部中斷1輸入線); P3.4:T0(T0外部記數(shù)脈沖輸入線); P3.5:T1(T1外部記數(shù)脈沖輸入線); P3.6:WR(外部RAM寫選通脈沖輸出線); P3.7:RD(外部RAM讀選通脈沖輸出線)。 譯碼器采用74LS138（8205），它具有以下特性：能作為I/O口或存儲(chǔ)器地址選擇器，擴(kuò)充簡(jiǎn)便，有輸入選擇端，采用了遵肖特基雙極型工藝，最大延遲為18ns，連接與TTL邏輯電路兼容，低電平輸入負(fù)載電流最大為0.25A,是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸入負(fù)載的1/6。 INTEL8205譯碼器可以擴(kuò)充那些輸入口、輸出口和帶有低電平有效的片選輸入存儲(chǔ)器件的系統(tǒng)。當(dāng)8205被片選時(shí)，它的八個(gè)輸出端之一變“低”，于是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的一行被選中。對(duì)于擴(kuò)大的系統(tǒng)，可把8205級(jí)聯(lián)系起來(lái)，使得每一譯碼器能驅(qū)動(dòng)8個(gè)譯碼器 ，可任意擴(kuò)充存儲(chǔ)器。 8205的邏輯符號(hào)、引腳排列，選通和譯碼真值表如下： 引腳說(shuō)明：A0~A2為選址輸入，E1~E3為選通允許輸入（既片選），O0~O7為譯碼輸出。 8205譯碼真值表如下： 地址 選通允許 輸出 A0 A1 A2 E1 E2 E3 0 1 2 3 4 5 6 7 － － － － － ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ － － － ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ － ＋ ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 地址 選通允許 輸出 A0 A1 A2 E0 E1 E2 0 1 2 3 4 5 6 7 × × × － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × － ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 鎖存器采用74LS373：它的作用是把輸入信號(hào)鎖存起來(lái)，一直保持到選通信號(hào)來(lái)取出信息。其工作原理：當(dāng)鎖存允許端為高電平時(shí)，Q端跟隨D端變化；當(dāng)鎖存允許由高變低時(shí)，將此變化前一瞬時(shí)輸入鎖存，此后輸入（D）不會(huì)影響輸出（Q）直至鎖存允許為高電平，E是讀選通脈沖。應(yīng)當(dāng)注意在讀期間鎖存允許不能變化。鎖存允許信號(hào)通常取自譯碼器和R/W線，地址譯碼有時(shí)需3到15級(jí)門延遲，來(lái)防止讀鎖存。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用6264（8K×8），一共采用3塊6264，故RAM為24K，除了作為系統(tǒng)參數(shù)工作區(qū)，標(biāo)志單元外，主要用作用戶程序存儲(chǔ)區(qū)，為了保存RAM的內(nèi)容，一旦斷電，保證RAM中的用戶程序不會(huì)丟失，故采用電池利用CE2引腳的掉電保護(hù)裝置在此也得到了應(yīng)用，具體內(nèi)容在后詳講，這里不再敘述。 6264靜態(tài)RAM的技術(shù)性能為：一組三態(tài)輸出引腳作為輸入/輸出公共引腳，輸入/輸出與TTL電路兼容，A0~A12為地址總線，I/O0~I/O7為數(shù)據(jù)輸入/輸出，CE1為片選1，CE2為片選2，WE為寫選通，OE為讀選通。 WE CE1 CE2 OE 方式 D0~D7 × 高 × × 未選中 高阻 × × 低 × 未選中 高阻 高 低 高 高 禁止輸出 高阻 高 低 高 低 讀 D輸出 低 低 高 高 寫 D輸入 低 低 高 低 寫 D輸入 6264引腳排列如下： EPROM讀存儲(chǔ)器采用2764（8K×8），一共3塊，達(dá)到24字節(jié)，它的技術(shù)性能。存取速度快，功耗低，編程簡(jiǎn)單，采用雙線控制，全靜態(tài)方式，采用單一+5V電源。EPROM一個(gè)很好的特點(diǎn)就是把輸出元件控制（OE）和片選控制（CE）分開，保證了其良