裝谷物機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

1、裝谷物機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真裝谷物機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真摘 要本論文在綜述機械手的研究和發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展趨勢，全面分析了裝谷物機械手功能進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及動態(tài)仿真分析。本論文所設(shè)計的機械手臂采用圓柱坐標(biāo)系的機械結(jié)構(gòu)形式，主要分為以下五大的設(shè)計：1） 底座和立柱的設(shè)計； 2） 豎直臂升降的設(shè)計；3） 水平臂伸縮的設(shè)計；4） 機械臂的旋轉(zhuǎn)的設(shè)計；5） 抓取機構(gòu)的設(shè)計。同時對機械手臂的執(zhí)行機構(gòu)進行設(shè)計，對各個驅(qū)動元件的行程，定位等進行篩選，選出最適合的型號，以滿足機械手臂在運行中的定位精度以及運動速度等方面的要求。然后根據(jù)各個模塊之間的連接關(guān)系設(shè)計連接件的結(jié)構(gòu)，最后對機械手臂

2、進行三維建模與動態(tài)仿真。關(guān)鍵詞：機械手臂，結(jié)構(gòu)設(shè)計，仿真分析Structure DesignAnd Simulation Of Grain Loading ManipulatorAbstractOn the basis of summarizing the research and development of the manipulator, combining the development trend of the modern agricultural robot, the paper analyzes the structure design and dynamic simulati

3、on of the grain-loading manipulator.In this paper, the design of the mechanical arm using the mechanical structure of the Cylindrical coordinate system, mainly divided into the following five modules: 1) design of Base and Column Module; 2) design of vertical arm lifting module; 3) design of horizon

4、tal arm expansion module; 4) design of rotating module of mechanical arm; 5）design of Mechanical Claw Module.At the same time, the actuator of the manipulator is designed, the stroke and location of each driving element are screened, and the most suitable model is selected to meet the requirements o

5、f the manipulator in positioning accuracy and moving speed. Then, according to the connection relationship between each module, the structure of the connector is designed. Finally, the 3D modeling and dynamic simulation of the manipulator are carried out.Keywords: Mechanical arm, structural design,

6、simulation analysis目 錄1 前言.11.1 本研究目的、意義.11.2 .1本設(shè)計在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.1-2 1.2.2存在的問題.21.3 本設(shè)計應(yīng)解決的主要問題.2-32裝谷物機械臂調(diào)研分析.42.1市場調(diào)研.42.2設(shè)計原理.5 2.3機械手的坐標(biāo)形式和自由度及基本參數(shù)的確定.5-73機械臂的模塊化設(shè)計.83.1 抓取機構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計.8-93.1.1抓取機構(gòu)的設(shè)計.9-143.2底座與立柱模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計.14-183.3水平伸縮臂模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計.,.183.3.1水平伸縮臂的零件設(shè)計.18-233.4豎直升降臂模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計.243.4.1豎直臂的零件設(shè)計與選用.2

7、4-253.5機械臂旋轉(zhuǎn)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計.25-264機械臂的動態(tài)仿真.274.1抓取機構(gòu)模塊的動態(tài)仿真分析.274.2底座與立柱模塊的動態(tài)仿真分析.284.3水平伸縮臂模塊的動態(tài)仿真分析.28-294.4豎直臂伸縮模塊的動態(tài)仿真分析.294.5機械臂旋轉(zhuǎn)模塊的動態(tài)仿真分析.30 4.6仿真小結(jié).30參考文獻.31致謝.321 前言 隨著人類經(jīng)濟水平的不斷升高，人類的科學(xué)技術(shù)水平也得到了相應(yīng)的提高，機械手臂的應(yīng)用領(lǐng)域可不斷擴大。毫不夸張的說，只要有人類生存的區(qū)域，基本上都可以看見機械手臂或類機械手的存在。近年來，農(nóng)業(yè)機械臂的有著很重要的意義。市面上也出現(xiàn)了不少的農(nóng)業(yè)機械，例如：水稻收割機，西紅柿采

8、摘機器人，插秧機等等，但是這些農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的開放度都不高，而且價格昂貴，不是一般的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門可以買得起的。因此，用戶只能應(yīng)用這些農(nóng)業(yè)機械，并不能對其進行跟深層次的研制與開發(fā)，所以研制低成本的，具有開發(fā)性的農(nóng)業(yè)機械手才是農(nóng)業(yè)機械市場所需要的。目前，我國的市面上并沒有多少裝谷物的農(nóng)業(yè)機械，更不用說用來裝谷物的機械手臂了。技術(shù)角度上來說,工業(yè)機械手臂的研制能夠緊跟著機械手這一發(fā)展趨勢。應(yīng)用角度上來說,本設(shè)計的裝谷物機械臂的研發(fā)能夠填補我國機械手臂在農(nóng)業(yè)機械手領(lǐng)域上的空白。因此，本論文選取了“裝谷物機械臂”作為設(shè)計對象。本論文先對要設(shè)計的裝谷物機械手臂所要完成的動作及完成動作的時間進行確定，再在這個基礎(chǔ)

9、上對其其他的模塊的各個零件進行進一步的設(shè)計，設(shè)計完成后對部分零件進行強度硬度的校核，再組裝成完整的一部機械臂，最后完成本設(shè)計機械臂的動態(tài)仿真分析。1.1本設(shè)計的目的、意義裝谷物機械手臂設(shè)計過程中存在的普遍性問題包括：結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及動態(tài)仿真分析，設(shè)計出一種在滿足谷物搬運這一基本功能的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化、通用化的裝谷物機械手臂是本設(shè)計的主要目的。本論文設(shè)計的裝谷物機械臂主要動力以電機驅(qū)動，部分機構(gòu)使用氣缸或液壓缸驅(qū)動。 本設(shè)計應(yīng)達到的技術(shù)要求包括:(1) 設(shè)計出來的機械臂的各個模塊連接良好，能夠動起來。(2) 能夠通過指令抓取對應(yīng)的重量裝進指定位置的容器中。(3) 各個模塊的部件能夠滿足校核后的

10、強度硬度要求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題1.2.1本設(shè)計在國內(nèi)，國外研究的現(xiàn)狀我國機械手的發(fā)展是從 20 世紀(jì) 50年代的固定動作機械手開始的，然后經(jīng)歷了 60 年代的數(shù)控機械手，在 1978 年時機械手才真正開始得到研究和應(yīng)用，到現(xiàn)在工機械手與智能機器人愈來愈受到各屆的的關(guān)注， 并已經(jīng)納入了我國高科技規(guī)劃及科技發(fā)展計劃之中。近年來，我國科技水平得到了進一步發(fā)展，就在珠海本地也出現(xiàn)了格力的專門的機器人公司，可見機器人正在得到我們部分龍頭企業(yè)的重視，這對其發(fā)展起到了推動作用。而對于目前在國外的情況來說，不同的地區(qū)，機器人的發(fā)展領(lǐng)域優(yōu)勢也是不一樣的，例如日本在工業(yè)機器人、家用機器人方面優(yōu)勢明

11、顯，歐洲在工業(yè)機器人和醫(yī)療機器人領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位，美國主要優(yōu)勢在系統(tǒng)集成領(lǐng)域，醫(yī)療機器人和國防軍工機器人。少有國家在農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域發(fā)展的很好。1.2.2 存在的問題 機械手臂會存在那些細節(jié)上的問題，可分為一下幾個部分:-1）機械手臂的串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式使其整體剛性存在不足。2）機械臂的能耗與其選用的驅(qū)動的機械關(guān)系很大，必須選好驅(qū)動元件。上面提到的細節(jié)，我們還要對機器手臂整體剛度進行一次計算，看看該機械手臂的剛度是否能夠滿足裝谷物時要求的負載極限，從而可以篩選出更加適合的機械手臂型號，達到裝備的適合化，以及機械手臂成本的最低化。畢竟成本也是要考慮的細節(jié)之一，成本太高就很難普及化，大眾化和生產(chǎn)的批量化。

12、注意的細節(jié)問題就是要注意機械手臂于工作機械結(jié)構(gòu)連接出的強度，剛度也是要符合要求的?？梢韵扔靡环N材料進行設(shè)計在計算看看結(jié)果，如果材料強度，剛度不符合，就換另外一種待選材料再計算，如此類推得出最優(yōu)解。還應(yīng)該考慮整機重量。目前農(nóng)業(yè)機器人未得到應(yīng)用的原因主要有以下幾點:(1) 機器人難以識別所要收集的農(nóng)作物，在收集過程中掉耕地里，收集的農(nóng)作物被損傷過大。(2) 谷物的裝起的質(zhì)量較大，一般小型機械手臂負責(zé)不足;(3) 農(nóng)業(yè)機器人的制造成本較高；1.3本設(shè)計應(yīng)解決的主要問題初步確定機械手臂的型號的選擇以及基礎(chǔ)參數(shù)。1）設(shè)計出什么樣的機械結(jié)構(gòu)來與選定的機械手臂搭配一起。包括機械結(jié)構(gòu)與下一個機械結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系

13、，聯(lián)動。2）機械結(jié)構(gòu)的承受能力，強度以及應(yīng)對不同環(huán)境的應(yīng)變作業(yè)能力。3）使用三維軟件畫圖是要考慮設(shè)計的零件尺寸，確定公差配合等問題。4）仿真時應(yīng)該采取怎么樣的動作要求比較合理和更加直觀的體現(xiàn)出裝谷物的功能和優(yōu)點。2裝谷物機械臂的調(diào)研分析 在了解和掌握一般機械臂的結(jié)構(gòu)特點和工作原理的基礎(chǔ)上，再結(jié)合所學(xué)過有關(guān)機械制造與及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的知識，對所要設(shè)計的裝谷物機械臂進行較為詳細的模塊化的設(shè)計與分析。前提是先確定劃分好的各個模塊，再逐一設(shè)計。這里選用Pro/E軟件對裝谷物機械臂的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，同時用AUTO CAD 軟件對機械臂的主要零件進行零件圖的繪制。通過對各個模塊零件的設(shè)計，再進行組裝，最后組裝

14、成裝谷物機械臂的完整裝配體，通過導(dǎo)出裝配圖和主要零件的零件圖，最終完成機械臂的整個結(jié)構(gòu)設(shè)計過程。2.1 市場調(diào)研為了更好的設(shè)計本設(shè)計的機械臂，本人特意去珠海格力機器人有限公司進行現(xiàn)場的考察和調(diào)研。該公司主要生產(chǎn)軸和六軸的工業(yè)機器人，這也是目前市面上比較流行使用的多軸機器人，通過的現(xiàn)場的考察了解到了各種工業(yè)機器人的主要功能和其型號的意義。如GR406意思是該機器人是四軸機器人，最大負載是6kg。這也是本設(shè)計選用四軸機械臂的靈感條件同時也為機械臂的工作范圍定于1.5米以下作基礎(chǔ)，至于機械爪部分在參觀過程中都只是一個小爪結(jié)構(gòu)，達不到設(shè)計要求的，因此只能通過設(shè)計校核才有符合的方案。另外現(xiàn)在市面上并沒有

15、什么裝谷物的機械臂，有的也只是臺式的大型機器，這為本設(shè)計提供了廣大的市場舞臺，證明本設(shè)計是具有巨大經(jīng)濟效益的。 圖2.1格力機器人2.2設(shè)計原理 本設(shè)計是對裝谷物機械臂整體進行的是結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用模塊化設(shè)計的方法來實現(xiàn)。本設(shè)計將裝谷物機械臂整體劃分為以下模塊：底座與立柱模塊，機械臂的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)模塊，水平臂伸縮模塊，垂直升降臂模塊，抓取機構(gòu)模塊。本設(shè)計就在以上的模塊中進行分別設(shè)計，最后完成總裝，檢查，校核通過了，就完成總設(shè)計。2.3機械臂的坐標(biāo)形式和自由度及基本參數(shù)的確定 本設(shè)計在對裝谷物機械臂進行設(shè)計時，必須先根據(jù)機械臂所要完成的動作， 選擇合適的機械臂結(jié)構(gòu)，確定各動作的時間分配及動作順序，確定機

16、械臂的工作順序，同時也要明確所要裝載谷物重量和尺寸以及要求滿足的精度。1）機械手臂的坐標(biāo)形式和自由度的確定：圓柱坐標(biāo)型機械手臂盡管其存在著移動關(guān)節(jié)保護起來不方便的問題，但是其相對于其他機械手具有在空間中定位較直觀，動作的范圍大，機體占地面積小等優(yōu)點，這非常符合本設(shè)計要求，因此本設(shè)計就選用圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)作為裝谷物機械臂的坐標(biāo)形式。針對本設(shè)計機械臂，機械手臂在做谷物搬運時機械手臂具有上升、下降、伸出和縮回以及旋轉(zhuǎn)的運動形式，為了滿足功能要求，本論文的裝谷物機械臂設(shè)計為四個自由度。并且將機械臂的運動形式拆分為方向移動和工作執(zhí)行兩部分。其中方向移動部分占有兩個自由度,包括水平臂的伸縮和機械臂的來回旋轉(zhuǎn)

17、,工作執(zhí)行部分也是有兩個自由度，包括豎直臂上升下降以及抓取機構(gòu)的打開與閉合，如圖2.3 所示。圖2.3 機械臂結(jié)構(gòu)簡圖2）機械臂完成裝谷物動作順序的確定；機械臂完成裝谷物等動作順序可細分為以下的步驟：（1）水平臂伸出，使得機械抓取機構(gòu)到達谷物正上方；（2）豎直臂下降，使得抓取機構(gòu)到達與谷物所在的位置（3）抓取機構(gòu)夾緊谷物；（4）豎直臂上升到一定高度；（5）水平臂收縮；（6）機械臂旋轉(zhuǎn)模塊逆時針轉(zhuǎn)動90;（,使得機械手臂位置正處于谷物放置點的正上方);（7）豎直臂下降 ,將谷物平穩(wěn)放入到谷物的放置容器；（8）抓取機構(gòu)松開谷物；（9）豎直臂上升使抓取機構(gòu)位于最高點；（10）機械臂旋轉(zhuǎn)模塊順時針轉(zhuǎn)動

18、90使機械臂回到初始位置；上述步驟即為機械臂完成一次谷物裝入容器的全部步驟的順序。3）機械臂完成動作用時的分配：根據(jù)機械臂所要完成的動作以及工作效率的問題，在此對機械臂的各個動作進行時間上的確定，各動作詳細用時為;水平臂的伸出和水平臂收縮各2秒,豎直臂的上升和和豎直臂的下降各2秒，抓取機構(gòu)的夾緊和抓取機構(gòu)松開各1秒，機械臂的順時針轉(zhuǎn)動和機械臂的逆時針自動各1秒，共12秒。另外這里可以把空載的抓取機構(gòu)的夾緊和松開煜豎直臂的上升和下降的動作同時進行，這樣就可以節(jié)省2秒。用時變成10秒。4）裝谷物機械臂基本參數(shù)的確定。（1）機械臂的最大裝谷物重量是它的主參數(shù)。根據(jù)調(diào)研，本設(shè)計要求裝谷物總重量要到達5

19、0kg,但目前設(shè)計的機械臂無法一次性完成50kg谷物的抓取，應(yīng)選取合適重量分多次抓取，所以選定抓去重量為10kg，分五次抓取。（2）機械臂的運動速度會影響其工作效率和其穩(wěn)定性，所以運動速度也是是裝谷物機械臂的一個主要的基本參數(shù)之一。根據(jù)本機械臂的動作方式及工作性能，設(shè)計該機械手的最大平移速度為 1m每秒，最大轉(zhuǎn)動速度為 90每秒。（3）機械臂的伸縮范圍和工作半徑是決定機械臂工作范圍及整各機械臂尺寸的關(guān)鍵，也是機械手設(shè)計的基本參數(shù)之一。本設(shè)計的裝谷物機械臂的水平臂伸縮范圍為800mm,水平方向的最大工作半徑為1800mm,旋轉(zhuǎn)角度范圍為0-90，機械手臂的豎直升降距離為0到1000mm。.（4）

20、機械臂的定位精度也是機械臂的主要基本參數(shù)之一。定位精度不到位，則機械臂完成不了工作任務(wù)，定位精度太高，大大增加機械臂的制造成本。另外本設(shè)計的機械臂，為較大型機械臂對工作時的定位精度不用太高，綜合考慮，本設(shè)計機械手的定位精度設(shè)定為5mm 到10mm 之間。綜上所述，本研究預(yù)設(shè)計的裝谷物機械手臂的各個關(guān)節(jié)的基本參數(shù)見表2.3.1。表 2.3.1裝谷物機械手臂的各個關(guān)節(jié)基本參數(shù)水平機構(gòu)伸出范圍：0-800mm豎直機構(gòu)升降范圍：0-1000mm伸出速度:400mm/s上升速度：500mm/s收縮速度:400mm/s下降速度：500mm/s定位精度：10mm定位精度：10mm擺動機構(gòu)擺動角度:0-90手

21、部單次抓取最大重量：10kg擺動速度：90/s定位精度：33 機械臂的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械臂的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計分為下列五大模塊分別進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，其包括：抓取機構(gòu)模塊，底座與立柱模塊，水平伸縮臂模塊，豎直升降臂模塊和機械臂旋轉(zhuǎn)，下面即為每個模塊的詳細設(shè)計過程。3.1 抓取機構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計 抓取機構(gòu)的規(guī)格主要是根據(jù)抓取機構(gòu)的位置空間大小以及所要搬運的谷物重量來進行選定的。本設(shè)計之初提供兩個方案進行選擇：鏟式傾倒入袋機構(gòu)和開合式抓取機構(gòu)。鏟式傾倒入袋結(jié)構(gòu)：顧名思義就是在鏟子的基礎(chǔ)上添加一個連桿機構(gòu)，使得整個機構(gòu)具備了可以傾倒谷物的功能。而連桿開合式抓取機構(gòu)實質(zhì)上就是一個可以開合抓取谷物的機械爪，只不

22、過里面可以裝谷物，方便了谷物的抓取。由于要求機械結(jié)構(gòu)的簡化問題，本設(shè)計選取了連桿開合式抓取機構(gòu)。 圖3.2 鏟式傾倒模型與連桿式開合模型 上圖為兩個機構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)的三維模型，對比之下，連桿式開合抓取機構(gòu)的抓取容量比較符合本設(shè)計的要求，故用此來進行相關(guān)計算。本設(shè)計的連桿抓取機構(gòu)內(nèi)容積計算公式為： V= （3.1.1）其中取3.14，R根據(jù)調(diào)研，設(shè)計尺寸為250mm,經(jīng)計算得V0.2另外查資料得谷物的密度為：550kg/,則本論文的連桿抓取機構(gòu)滿載抓取谷物重量可達11kg,另外該機構(gòu)有部分凸臺，所以重量大于11kg，可以滿足設(shè)計抓取10kg的要求。 機械手臂抓取機構(gòu)的夾持力的計算可以用： (3.1

23、.2),其中安全系數(shù)，通常取1.2-2.0，取=1.5；工作情況系數(shù)，近似按計算，其中a為抓取時工件運動最大加速度，計算公式為，系統(tǒng)達到最高速度所需要的響應(yīng)時間，一般選取范圍為0.03s-0.5s，g為重力加速度（g=9.8m/s），所以；取1.2。方位系數(shù)，根據(jù)手爪抓取工件時的位置的不同進行選擇，；G所抓取工件重力（N）。所以G=mg=109.8=98。因此 =1.51.20.598=88.2N。3.1.1抓取機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計本機械臂的抓取機構(gòu)中要設(shè)計的零件分別為直角連接桿，長連桿，短連桿，氣桿，橫桿，連接塊，豎直支撐板。1）連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計：各零件選材均為45號鋼，根據(jù)所查閱資料45鋼的抗拉強

24、度為600MPa,屈服強度為355MPa。其中根據(jù)上述抓取機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻及現(xiàn)場的調(diào)研，設(shè)計中初步擬給出連桿數(shù)據(jù)有：鈍角連桿厚5mm,寬20mm，倆鈍角邊上的圓心距離為150mm,長連桿厚5mm,寬20mm，倆圓心距離為260mm，短連桿厚5mm，寬20mm,倆圓心距離為75mm 。由于長連桿受到的負載最大，且都只發(fā)生拉伸形變故只需要對長連桿進行強度校核即可，則有= 公式（3.1.3） 其中P是受到的負載，A為受力面積，由上述數(shù)據(jù)可得=98/0.000006=163MPa,遠小于【】=600MPa,則設(shè)計符合要求，可以使用。具體圖如圖所視： 直角連桿 短連桿圖3.1.1 各連桿三維模型長連

25、桿零件圖如下：圖3.1.2 長連桿零件圖由于這里孔直徑為10mm,螺釘則選用M10*10以及M0*15作為連桿之間的連接固定。.2）橫桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計：橫桿零件圖如圖所3.1.3示： 圖3.1.3 橫桿零件圖 橫桿用于連接和固定豎直支撐板的，起到了機械爪打開與夾緊的幾何中心點的作用。故選用圓柱外形，以便開合機構(gòu)的打開與閉合，另外橫桿的起到的支撐力分別為中間向上連端向下，設(shè)機構(gòu)滿負載時，受到10kg向下的重力，和10kg向上的拉力，根據(jù)文獻及現(xiàn)場的調(diào)研預(yù)設(shè)用直徑為20mm，其屈服強度為355MPa,橫桿受到剪切應(yīng)力為：=W/A=10（3.141010）0.00000131.8MPa,遠小于其屈服強度

26、，故選材符合要求。3）連接塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計：連接塊連接長連桿與直角連桿，起到支撐機械爪打開與夾緊作用。其結(jié)構(gòu)模型圖和零件圖如圖3.1.4和圖3.1.5所示： 圖3.1.4連接塊結(jié)構(gòu)模型圖 圖3.1.5 連接塊零件圖4）豎直支撐板的結(jié)構(gòu)設(shè)計：支撐板倆圓孔由橫桿穿過連接，穿槽兩個面都與長連桿通過螺釘連接。其結(jié)構(gòu)模型圖和零件圖如圖3.1.6和圖3.1.7所示： 圖3.1.6 豎直支撐板模型 圖3.1.7，支撐板零件圖5）氣缸選用：抓取機構(gòu)的驅(qū)動選用氣缸驅(qū)動，根據(jù)所設(shè)計的抓取機構(gòu)的數(shù)據(jù)選氣缸的型號為 CDJ2B30-250A-M9B，該型號氣缸外徑為30mm,內(nèi)徑為20mm，行程為250mm，為雙作用氣缸

27、。氣缸可以為抓取機構(gòu)提供約186N的夾持力，而上述計算，抓取機構(gòu)只要88.2N夾持力即可，所以氣缸選用合適。6）氣缸固定塊：氣缸的固定則需要設(shè)計特定的固定塊，其結(jié)構(gòu)如圖3.1.8所示： 圖3.1.8氣缸固定塊氣缸的固定塊將氣缸提供螺釘固定在豎直支持板上。螺釘選用M10*20。3.2 底座與立柱模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本模塊包括了底座的設(shè)計和立柱的設(shè)計。底座作為機械臂的基座機構(gòu)，主要起到支撐和固定機械臂其他模塊以及與外界機構(gòu)連接的作用。在本論文中的裝谷物機械臂底座起著定位的作用，要求其有一定的剛性。1）底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計：本設(shè)計的底座的選材考慮成本及穩(wěn)定性選用鑄鐵。底座外形選用梯形結(jié)構(gòu)，這樣可以更好的在機械

28、臂工作過程中穩(wěn)定機械臂，不讓其因為負載而傾倒側(cè)翻。其結(jié)構(gòu)如圖3.2.1所示： 圖3.2.1底座結(jié)構(gòu)建模 2）立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計：立柱通常起著連接底座和機械手功能部分的作用，因要考慮機械臂整體重量的問題，這里選用鋁合金作為立柱材料，立柱結(jié)構(gòu)如圖3.2.2所示： 圖3.2.2立柱結(jié)構(gòu)示意圖本結(jié)構(gòu)設(shè)計選用M10*30的螺釘進行底座與立柱的連接固定，另外立柱上的有一處特征是立柱與水平臂的支撐桿的連接固定位置，采用M10*50螺釘螺母進行連接固定，以防水平臂工作時屈服應(yīng)力過大導(dǎo)致水平臂彎曲變形。3）電機的選用：底座圓柱槽為伺服電機放置位置，本設(shè)計選用型號為YE2-100L2-8的電機，而且是立式/B5，電機

29、的部分數(shù)據(jù)如圖3.2.3所示：圖3.2.3 電機數(shù)據(jù)表格 該電機機身長200mm,輸出軸長40mm,總長253mm。電機與回轉(zhuǎn)機構(gòu)通過轉(zhuǎn)軸連接4)轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：轉(zhuǎn)軸與輸出軸通過螺釘M10*30連接固定。此轉(zhuǎn)軸材料為45號鋼，長為700mm,一端與電機輸出軸連接，另一端則與回轉(zhuǎn)機構(gòu)契合到一起。轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)如圖3.2.4零件圖如3.2.5所示：圖3.2.4 轉(zhuǎn)軸圖3.2.5 轉(zhuǎn)軸零件圖轉(zhuǎn)軸強度校核：根據(jù)GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45鋼的抗拉強度為600MPa,屈服強度為355MPa。此處有 = 公式（3.2.1） 其中T為力矩之和，為抗扭截面系數(shù)，它與材料的截面尺寸有關(guān)，此處應(yīng)為：= 公式（3

30、.2.2），由上述公式得：107.6MPa,小于355MPa，所以轉(zhuǎn)軸強度符合要求。3.3 水平伸縮臂模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計機械臂的水平臂是通過安裝在轉(zhuǎn)臺上而轉(zhuǎn)臺則通過軸承套在立柱上立柱上的，機械臂工作時，水平臂上則由滑塊做水平方向的直線運動。而水平臂主要由轉(zhuǎn)臺，四條光滑的金屬導(dǎo)軌，導(dǎo)軌固定塊，滑塊，長螺桿，等一部分零件組成。下面一一列出所設(shè)計的零件。3.3.1水平伸縮臂的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計1）轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計：因立柱采取的是開心圓柱結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)臺設(shè)計成目前所見的模型，是因為，立柱上端還需要套入一個外徑220mm，內(nèi)徑180mm的軸承，才可以套上轉(zhuǎn)臺，使得轉(zhuǎn)臺可以正常運轉(zhuǎn)。故把轉(zhuǎn)臺設(shè)計為凸臺結(jié)構(gòu)。起到旋

31、轉(zhuǎn)水平臂的作用，轉(zhuǎn)臺上可安裝電機，金屬導(dǎo)軌的固定塊，以及水平臂的提升肩。其結(jié)構(gòu)如3.3.1所示： 圖3.3.1 轉(zhuǎn)臺2）導(dǎo)軌固定塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計：安裝在轉(zhuǎn)臺上，固定于電機輸出軸相近的導(dǎo)軌的一端，起到支撐導(dǎo)軌的作用。其結(jié)構(gòu)如圖3.3.2，零件圖3.3.3如圖所示： 圖3.3.2 導(dǎo)桿固定塊圖3.3.3導(dǎo)桿固定塊零件圖3）導(dǎo)軌:使滑塊在其表面做往復(fù)運動，具體尺寸為長1000mm,直徑10mm，材料45號鋼。如圖3.3.3所示： 圖3.3.4導(dǎo)軌在本設(shè)計中，該導(dǎo)軌還起到承重作用，故對導(dǎo)軌繼續(xù)強度上的校核：由公式3.3.1和公式3.3.2，結(jié)合材料屈服強度為355MPa，豎直臂和機械爪的重量約為20kg,

32、則4根導(dǎo)桿中各導(dǎo)桿所受到最大的有彎曲應(yīng)力為 =20.4Mpa，遠小于導(dǎo)桿的屈服強度。故導(dǎo)桿可以使用。 4)螺桿的設(shè)計：一端于電機輸出軸連接固定，一端與水平臂端板上的軸承套在一起，中間套入滑塊。而電機輸出軸的直徑為20mm,故螺桿直徑設(shè)計成20mm，根據(jù)文獻及現(xiàn)場的調(diào)研設(shè)計預(yù)設(shè)機械臂水平工作行程800mm.即為螺桿有效工作長度，倆端預(yù)留100mm的長度，為組裝固定塊末端板提供空間。工作時可以使滑塊在導(dǎo)軌上在直線運動。所以螺桿總長1000mm，有效工作長度800mm，直徑20mm，節(jié)距8mm其結(jié)構(gòu)如圖3.3.5所示： 圖3.3.5 螺桿由于電機選用的是與上面底座設(shè)計模塊的電機一樣型號的臥式電機，電

33、機額定轉(zhuǎn)矩1.8，最大轉(zhuǎn)矩2.0.此處螺桿受到承重力的作用，設(shè)螺桿工作時，受到向下的重力20kg（包括抓取機構(gòu)和谷物重量）,則其受到最大彎曲應(yīng)力為=57.2MPa，小于其屈服強度355Mpa，螺桿可以使用。運動時也受到滑塊與導(dǎo)桿之間摩擦力的阻撓，而導(dǎo)桿與滑塊之間因為有油的基礎(chǔ)上摩檫系數(shù)很小一般取0.003。螺桿導(dǎo)程為;（350601）700=30，螺桿最大拉伸壓縮負荷為：P=11617.6219000447.1MPa小于拉伸強度600MPa,所以螺桿設(shè)計符合要求。5）肩板的結(jié)構(gòu)設(shè)計：安裝在轉(zhuǎn)臺上，通過長桿與水平臂端板連接固定在一起，起到提升水平臂的作用，分擔(dān)一部分承重。肩板厚10mm，高400

34、mm。其結(jié)構(gòu)如圖3.3.6，零件圖如圖3.3.7所示: 圖3.3.6 肩板圖3.3.7肩板零件圖 6）滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計：在導(dǎo)軌上做直線運動，附帶安裝豎直升降臂和抓取機構(gòu)。滑塊厚20mm，有四個導(dǎo)軌連接孔，一個螺桿孔，兩個豎直升降臂連接固定孔，其結(jié)構(gòu)如圖3.3.8，零件圖3.3.9所示： 圖3.3.8 滑塊圖3.3.9滑塊零件圖7） 提升長連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計：固定在肩板和水平臂端板連接，起到提升水平臂的作用，分擔(dān)水平臂的負荷，使水平臂導(dǎo)軌可以正常的工作。其長度計算因要與兩零件配合得出，已知導(dǎo)軌長1000mm，肩板高400mm,導(dǎo)軌與肩板位置是水平距離143mm,則根據(jù)勾股定理計算得出提升連桿長L=12

35、10mm。8）端板的結(jié)構(gòu)設(shè)計：安裝在水平臂末端，起到固定導(dǎo)軌的作用，同時也起到支撐螺桿的作用，大孔套進軸承。倆旁盲孔固定提升桿，其結(jié)構(gòu)如圖3.3.10： 圖3.3.10 端板圖3.3.11端板零件圖9）水平臂標(biāo)準(zhǔn)件的選用： 水平臂的設(shè)計中基本上都是M10的螺紋孔（通孔和盲孔）故選用M10*15和M10*20，M10*30這三類螺釘根據(jù)零件厚度進行選擇性連接固定，另外水平臂端板軸承則選用6904號軸承（內(nèi)徑20mm,外徑37mm）。3.4豎直升降臂的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 豎直升降臂，顧名思義就是在工作時可以使抓取機構(gòu)在豎直方向上做上升或下降運動，使得抓取到的谷物可以離開堆放點，被送到指定的放置點內(nèi)。本

36、設(shè)計的豎直升降臂由所選用與設(shè)計的液壓缸和液壓缸固定塊組成。3.4.豎直臂的零件設(shè)計與選用：1）液壓缸選用：液壓缸的選用參考了市面上生產(chǎn)液壓缸產(chǎn)家的一部分參數(shù)，如下表3.5.1所示：表3.4.1液壓缸部分參數(shù)表在上表的部分參數(shù)基礎(chǔ)上，本設(shè)計中所選用的液壓缸內(nèi)徑為40mm，外徑為50mm，行程為500mm,液壓桿桿徑為25mm，缸體長670mm,兩個油口距為530mm,其結(jié)構(gòu)如圖3.4.2所示；圖3.4.2 液壓缸液壓缸的強度校核：液壓缸可提供16MPa的壓力，設(shè)機械爪滿負荷時總重量為15Kg，其作用力全部作用在液壓桿上，則根據(jù)公式（3.2.3）液壓桿受到的應(yīng)力為=0.24MPa,遠小于液壓缸提供

37、的壓力，所以液壓缸可以使用。2）液壓缸固定塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計：液壓缸的固定塊，固定塊分為兩部分組成一部分是與滑塊連接固定在一起，另外一部分則是通過螺釘固定在配對的另外一部分上，兩者結(jié)構(gòu)如圖3.4.3所示： 固定塊1 固定塊2圖3.4.3固定塊 固定塊1零件圖 固定塊2零件圖圖3.4.4固定塊零件圖3）豎直臂標(biāo)準(zhǔn)零件的選用： 本設(shè)計的液壓缸是通過兩個固定塊夾緊并固定在滑塊上的，固定塊的螺紋孔選用了M10的螺紋孔，而打螺紋通孔的固定塊厚度為10mm，故應(yīng)選用的螺釘規(guī)格應(yīng)為M10*25。3.5機械臂旋轉(zhuǎn)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械臂的回旋結(jié)構(gòu)多種多樣，有齒輪傳動，鏈輪傳動，連桿傳動等，本設(shè)計中考慮到節(jié)省空間的原因

38、，把回旋機構(gòu)傳動選為最直接的電機轉(zhuǎn)軸傳動。1）回旋結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)臺組成。兩者結(jié)構(gòu)特性均在上面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中體現(xiàn)出來。在此再次給出兩個結(jié)構(gòu)的示意圖：（圖3.5.1為轉(zhuǎn)軸，圖3.5.2為轉(zhuǎn)臺。）3.5.1 轉(zhuǎn)軸圖3.5.2 轉(zhuǎn)臺2）回旋模塊中標(biāo)準(zhǔn)件的選用： 在本設(shè)計中轉(zhuǎn)軸與電機的輸出軸通過螺釘連接固定在一起，根據(jù)轉(zhuǎn)軸尺寸，螺釘選用M10*30,而轉(zhuǎn)臺上的螺紋孔配選螺釘規(guī)格應(yīng)選M10*20。 3.5.3 機械臂裝配圖4 機械臂的動態(tài)仿真分析 本設(shè)計動態(tài)仿真采取proer軟件的動畫調(diào)貞模式來進行，先把所設(shè)計的整個機械臂組裝完成。 首先打開軟件并加載已經(jīng)組裝好的模型。打開已經(jīng)組裝好的裝配體后開后，進

39、入到應(yīng)用程序菜單中選擇動畫命令。在這命令界面完成各個模塊的仿真分析，設(shè)置機構(gòu)運動時間。最后觀察動畫是否符合要求，然后便捕獲動畫，輸出視頻，完成機械臂的動態(tài)仿真設(shè)計。4.1抓取機構(gòu)模塊的動態(tài)仿真分析 在proe中把抓取機構(gòu)各個零件組裝起來，打開動畫界面，約束好其他零件的位置，使得氣桿上下運動，帶動連桿，使得抓取機構(gòu)可以打開與閉合。從而實現(xiàn)了抓取機構(gòu)的的運動過程，其中打開與閉合時間各一秒。 圖4.1 抓取機構(gòu)組合模型4.2底座與立柱模塊的動態(tài)仿真分析 把底座與立柱組合起來，因機械臂工作時，底座與立柱不需要運動，故只需要約束好這個模塊的位置即可。 圖4.2底座與立柱模塊組合模型4.3水平伸縮臂模塊的動態(tài)仿真分析 把本模塊的各個零件組合完成，打開動畫命令，約束好其他零件，