全自动多功能去皮机械

温州职业技术学院毕业综合实践课题名称：全自动多功能去皮机械作者：卢成钱学号：09014320系 另U： 机械工程系专 业：数控加工技术指导老师：张亮 专业技术职务2012年 03月浙江温州百度文库-让每个人平等地提升自我课题摘要一、目的：（1）通过本次毕业设计，综合运用机械和其它先修课程的理论和实际知识，及2个月的 实践所学，系统掌握产品的设计规律，能独立完成产品的设计。（2）学会从产品功能和要求出发，合理的进行力学计算和材料、标准件的运用，正确计 算零件的工作能力，确定其尺寸，形状及结构。并综合考虑制造工艺、使用、维修经济和安 全问题，培养产品的设计能力。（3）通过本设计，学习正确运用标准、规范手册和查阅科技文献资料以及计算机应用 及专业课软件的应用，培养自身的设计能力。（4）要求采用计算机输入本次设计结果（图纸、设计计算说明书）。二、内容：题目为一套全自动多功能去皮机械设计，包括设备外开执行机构，要求独立完成以下 内容：（1）施工图一套（含总装图、零部件图、图纸目录及相关技术文件）；（2 ）设计计算说明书一份；一、步骤及要求：1、设计准备：阅读设计任务书，明确设计要求和工作条件，通过查看实物，相关资 料了解产品及技术资料。2、以容器数据表作为设计条件，确定设计思路，对执行机构作运动学和动力学分析。3、施工图的绘制要求（CAD辅助绘图）。4、机构动力计算。5、编写说明书（用计算机输入）。6、设计总结。结构特点及应用范围：1、由主构架（手臂）、刀具、驱动系统、测量系统、控制器、及传感器组成，机械主 体采用铝合金制作，具有以下特点：自动化程度高，使用寿命长，耐腐蚀，操作便捷，稳 定可靠；2、采用高分辨率摄像机扫描菠萝表面计算刀具去皮轨迹，使用单片机软件完成去皮机 控制部分。关键词： 机器人 摄像识别 伺服 单片机目次 第一章 引言 第二章 课题的来源2.1 课题的提出 2.2 课题的内容、要求及影响第三章设计方案的确定3.1 全自动多功能去皮机的总设计要求3.2 全自动多功能去皮机的总设计方案3.2.1全自动多功能去皮机的总设计 3.2.2全自动多功能去皮机的控制原理 第四章 去皮机各标准件的选择4.1 去皮机支撑架的选择4.2 去皮机驱动方式的选择4.3 去皮机传动方式的选择4.4 去皮机识别系统的选择4.5 去皮机的其它零部件的选择第五章去皮机非标准件的加工5.1 小臂的加工5.1.1零件分析5.1.2零件计算5.1.3零件的工艺分析5.1.4确定生产类型5.1.5 确定毛胚种类 5.1.6确定加工零件图5.1.7工艺规程设计5.2 大臂的加工5.3 其它零部件的加工 第六章 控制系统软件6.1 预期的功能 6.2 实现的方法 结论 致谢 参考文献 附录A XXXXC必要时）图1 XXXXX（必要时）第一章 引 言感谢您翻阅本设计计算说明书，本书仅作为温州职业技术学院毕业设计颗题理论与实 践考核综合作业课题的设计计算说明。随着我国社会主义市场经济的逐步建立，科学技术的飞速进步和教育体制改革的不断 深化，对于我们机械制造与自动化专业的学生来说，更需要通过理论联系实际，提高设计 能力，掌握正确的设计思想和工作方法，并能不断更新自己的知识面，引入新的设计思路 和现代化的设计方法。本次设计课题为：全自动多功能去皮机械的设计。由温州职业技术学院机械工程系的 张亮老师负责对本次综合作业的指导，在这里表示诚挚感谢。在全自动多功能去皮机械的设计中，对其进行设计主要有两方面，机械部分的设计计 算和机构设计。而设计计算内容包括：设定设计参数，设计确定基座，选定电机，再设计 计算下夹具，设计校核基座及机械手臂，最后是绘制机械部分装配图和零部件图。根据设计任务书提出的要求，本次设计重点在于去皮机械手外形的设计与计算。作为 综合设计作业，本次设计的涉及面也是相当广的，由主要部件（如：基座、摆线针轮减速 器）计算与选型到机械结构设计，对于结构的优化，便于制造、加工；并能正确的选材， 确定热处理方式；所以设计时必须认真，深入，尽量使之具有良好的加工工艺性能和较高 的使用寿命及综合的经济性。对于本课题的的分析理解：对于就全自动多功能去皮机械，应确定其数据表，即设计 压力、温度、工作压力、介质等等，在设计过程中画出简图，对其受力分析，便于设计分 析和理解，提高工作效率。由于编者水平所限，书中难免存在错误和缺点希望指导老师能给予提出，以进一步提 高编者的理论和设计水平。卢成钱2012 年 4 月第二章 课题的来源21课题的提出机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器人的一个 重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和 机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。在现代生产过程中，机械手被广泛的运 用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳 动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多 部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。水果是大众生活必需品之一，水果去皮不仅是一种习惯，也是防止果皮中残留农药等 有害物伤害人体的一种有效办法。然而，传统的一手握刀一手持果的去皮方式不仅费时、 费力又容易伤手、不卫生。于是，根据机械手的原理我们经过适当的创新改造，将机械手 末端装上刀具，就可以进行切削使用，家用简易式的全自动多功能去皮机械就应运而生了。众所周知，传统的去皮机，它的去皮原理都是将水果固定在水果叉上，刀片贴在水果 的表面，靠手摇动将皮削下。这类小型去皮机解决的仅仅是手持水果刀削皮的麻烦，而且 在去皮中也存在种种缺陷，比如水果去皮后要手动取下，同时水果会被戳孔等。深入研究 已有的水果削皮机，对其在去皮过程中出现的缺点和不足进行技术改进，设计出一种既符 合食品消毒、卫生条件又能满足现代化家居生活需要的高生产率、低劳动强度、低成本、 高制成率的全自动多功能去皮机械非常必要。22 课题的内容、要求及影响生活中有许多水果蔬菜类需要去皮后才能再加工食用，每天繁忙的工作后很多人不愿 意多一道去皮的工作，所以开发一个能全自动多功能去皮机械就显得有必要了，能为我们 生活、工业、服务带来诸多的方便。对于去皮机械的主要性能能自动抓取物品和简单的 大小分析计算,并根据事先编写好的运行程序进行切割操作。去皮机的稳定性、可靠性、 实用的性能以及组合性、多用性、重复性等特殊要求。本课题就是依托我校现有的工艺装 备，为其设计一套有较高通用性的家庭用实用去皮机械。所设计的机器人要有新颖性、先 进性、实用性，并尽可能在设计周期内制作成形，得以应用。第三章设计方案的确定3.1全自动多功能去皮机的总设计要求本课题要求设计一个去皮机械手，使人们每天繁忙的工作后，回到家里都能少去一道 手动去皮的工作，就能吃上新鲜的水果，免去手动去皮的麻烦，享受生活。此装备以机械 手的机械结构为模板，以摆线针轮减速器为传递动力，以电机为引擎，实现水果的去皮功 能。全自动多功能去皮机应满足自动化程度高、去皮效率高、系统稳定、安全性能高等为 前提，做到技术先进，结构巧妙、经济合理等。一、全自动多功能去皮机应具有的性能要求：(1) 方便的操作使用性能；(2) 系统的稳定性即运动平稳准确，能保证规定的运动精度；(3) 工作的可靠性即能根据功能要求完成既定的动作，且各动作应协调稳定；(4) 结构简单，制造容易，成本低；(5) 去皮效率高，能耗少；(6) 减轻劳动强度，不污染环境；二、去皮机械的具体目标及技术参数：(1) 设计全自动的水果夹具系统，完成水果的夹紧与松开。(2) 设计全自动的智能仿形刀架驱动装置，完成去皮的水平进给、垂直进给运动，并使 削皮的厚度尽可能的均匀。技术指标：去皮厚度：0.6mm(3) 设计Wifi远程控制软件，完成去皮机控制部份PC至单片机软件编写，摄像头、传百度文库让每个人平等地提升自我 感器等装备的应用。（4）去皮机应能自动识别物体的大小等能力。3.2 全自动多功能去皮机的总设计方案2.2.1 全自动多功能去皮机的总设计如图所示：该设计的目的是为了设计一台切屑水果皮的机器手人，利用高分辨率的摄像头识别水 果表面，本文中的结构设计主要偏向于对机械手的设计。去皮机械平台主要由以下几部分组成：（1）手部（或称抓取机构） 包括手指、传力机构等，主要其抓取和放置物件的作用。（2）传送机构（或称臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。（3）驱动部分 它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压气压电力和机四 2525种驱动方式。（4）控制部分 他是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和 速度（甚至是速度和加速度）等。（5）其它部分 如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。对于本设计而言，还具有智能系统，主要视觉装置，主要是在赋予机器人“眼睛”， 运用一个摄像头，使它能识别物体，机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并 不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器 人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。2.2.2全自动多功能去皮机的控制原理如图所示：键盘反馈L ., I .客户端PC单片机一45 .l器电机L反馈I摄彳电源通过键盘控制客户端PC,把信号传递给单片机，当单片机接收到信号时做出反应，把 信号继续传递给控制器，进而控制器通过电源的供电发出信号给电机，当电机接收到信号 时，通过反馈给单片机，单片机再把信号反馈给客户端PC,通过摄像头识别水果，最后电 机转动起来，实现水果的去皮动作。每个人第四章 去皮机各标准件的选择4.1去皮机支撑架的选择基座是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳定性，采用两块“工”字形空心铝材作支撑。（如下图所示）铝合金的特点：1、采用加厚铝材和方型的结构，负重能力强。2、铝合金不会生锈、变色、氧化，可以长久如新。基座需要承受很大的负载强度能力，对其的设计分析要综合考虑其材料性能，制造工 艺。采用铝合金制造支撑架，铝合金是利用各种合金之添加和轧延、锻压及不同等级之热 处理制程，可产生之强度达HB250 - HB1670之间。铝合金参数:名称：4040L铝型材材质：铝（6063-T5）单位质量：1.42kg/m供货长度：1006000mm集合惯性：lx:9.25cm4ly:9.25cm4截面惯性：lx:4.86cm3ly:4.86cm34.2去皮机驱动方式的选择该机器人一共具有六个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要七个动力 源。液压驱动：控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控 制，气动驱动：阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制。电 机驱动：能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控 制系统复杂。机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动， 正、反转切换；3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4）安全可靠；5）操作和维护方便；6）对环境无污染，噪声要小；7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动 的方式对机器人进行驱动。（如下图所示）直流伺服电机特点1体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽。2低速力矩大，波动小，运行平稳。3低噪音，高效率。4.后端编码器反馈（选配）构成直流伺服等优点。5变压范围大，频率可调。4.3去皮机传动方式的选择由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小, 这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长、价格低；本文所选用的电机都采用了电机和摆线针轮减速器一体化的设计，结构紧凑，但是不 能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控 制精度，采用了摆线针轮减速器传动。摆线针轮减速器原理：在输入轴上装有一个错位 180 度的双偏心套，在偏心套上装有 两个滚柱轴承，形成H机构，两个摆线轮的中心孔即为信心套上转臂轴承的滚道，并由摆 线轮与针齿壳上一组环行排列的针齿销相啮哈，以组成少齿差内啮合减速机构，（为了减 少摩擦，在速比小的减速机中，针齿销上带有针齿套）。当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廊曲线的特点及其受针齿壳上针齿销限制之故， 摆线轮的运动成为即 有公转又有自转的平面运动，在输入轴正转一周时，偏心套亦转动一周，摆线轮于相 反方向转过一个齿差从而得到减速， 再借助 W 输出机构，将摆线轮的低速自转动通过 销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。摆线针轮减速器传动原理如图 2-2本设计采用的是关节机械手臂，属于常用的一种工业机器人之一。具有一下特点：（1）有很高的自由度，56轴，适合于几乎任何轨迹 或角度的工作（2）活动灵敏，操作简单（3）通过摆线针轮减速器起到了连接两连杆机构的 作用4.4 去皮机识别系统的选择为了解决机器人如何采集物体信息，采用摄像头采集物体表面图像,传输给客户端PC,经过客户端 PC 的处理传输给单片机，计算出机器手运动轨迹，控制器控制各个电机的动作从而使机械手末端的刀具沿一定的轨迹切削。（其原理图如下图所示）1 1 客尸辽樹珥-一7单1机rliiJ器 2TL210(mm)5.1.3 零件的工艺分析零件的材料为铝材，切削加工性能优良，可以先加工小臂外轮廓，然后加工中心通孔 以此作为基准采用专用夹具进行加工，并且保证位置精度要求。再根据各加工方法的经济 精度及机床所能达到的位置精度，并且此零件没有复杂的加工曲面，所以根据上述技术要 求采用常规的加工工艺均可保证。5.1.4 确定生产类型已知此零件生产类型是单一生产，所以初步确定工艺安排为：加工过程划分阶段；工 序要分类；加工设备需要多种设备，5.1.5 确定毛胚种类 零件材料为铝材。考虑零件在机床运行过程中所受冲击不大，零件结构较为复杂，生 产类型为单一生产，铝材切削性能良好，故选择铝材毛坯。5.1.6 确定加工零件图yL|jj5.1.7工艺规程设计一、选择定位基准粗基准的选择以零件的下端为主要的定位基准， 精基准的选择考虑要保证零件的加工精度和装夹准确方便，依据“基准重合”原则和“基准统一” 原则，以加工后的通孔为主要的定位精基准，以下端孔为辅助的定位精基准。 二、制定工艺路线根据零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求，以及加工方法所能达到的经 济精度，在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用各种机床配以专用夹具,并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。选择零件的加工方法及工艺路线方案如下：表 3.4 工艺路线方案工序号工序内容工序一车外轮廓49的圆工序二切割末端两侧面和槽工序三钻孔38、42.5钻通孔33工序四铣侧孔28工序五铣下端圆孔3.5X16工序六钻2X16的孔工序七攻M2X1.5的螺纹工序八钳工打毛刺工序十检验三、选择加工设备机床的选择工序1、3采用CA6140型卧式普通车床工序2采用线切割机工序4、5、6采用数控铳床 选择夹具该小臂的生产纲领为单一生产，所以采用专用夹具（三爪卡盘等）。 选择刀具在铳床上加工的各工序，采用硬质合金铳刀即可保证加工质量。 选择量具加工的孔均采用极限量规。 其他对长度误差采用千分表进行检测，对角度尺寸利用专用夹具保证，其他尺寸采用通用量具即可。机械加工工艺卡片产品名称及型号全自动去皮机械零件名称小臂零件图号1-5材料名称铝合金毛坯种类零件重量/kg毛重kg牌号尺寸513净重kg性能强度咼、切削性能好每坯料件数1每台件数1每批件数1工序号名称工步号工序内容设备工艺装备名称及编号时间定额加工单位夹具刀具量具车间工段1车削车49外圆、下端面，42外圆，30外圆、CA6140 普通车床三爪卡盘机夹车刀1h40min机加车工2线切割切宽37的侧面电火花线切割机电走丝1h30min数控车工3线切割切长37宽23的槽电火花线切割机电走丝1h20min数控车工4钻孔钻38深2.5,42.5的孔、钻33的通孔CA6140 普通车床三爪卡盘钻头1h5min机加车工5铣削铣侧孔28数控铣床三爪卡盘硬质合金铣刀lh20min数控铣工6铣削铣下端圆孔3.5X16数控铣床专用卡盘硬质合金铣刀数控铣工7钻孔钻2X16的孔数控铣床专用卡盘硬质合金铣刀50min数控铣工8攻丝攻M2X1.5螺纹丝锥钳工9检验5.2大臂的加工大臂长度405mm，具体尺寸如图2.1所示:罰.2.大臂的加工类似小臂，与小臂的加工基本一致，就不展开说明了。5.3 其它零部件的加工除了上述的小臂、大臂外，还有夹具、连接机构等零部件的加工，在此就不进行详细的展开说明。第六章 控制系统软件以上完成了机器人的本体设计和控制系统硬件的搭建，下面将通过设计控制软件，使 计算机通过数据采集卡有条不紊地向外部发送指挥信号，最终驱动机器人各个关节的运 动，使之按照人的意愿“工作”。6.1 预期的功能（1）. 实时显示各个关节角，并且可以防止各个关节的运动角度超出预定的关节角范围内；（2）.实现直流电机的伺服控制；（3）.实现电机的自锁；（4）.实现示教编程及在线修改程序；（5）.可以设置参考点，使机器人在空间有一个固定的参考位置，可以回参考点。6.2实现方法以模块化程序设计思想为指导，以预期要实现的功能作为各个模块，设计控制软件。 从图3.1可以看出，工控机通过数据采集控制。编程的任务其实就是用计算机控制数据采 集卡使之发出或获取一系列数字量、模拟量。数据采集卡驱动程序中，附带许多与板卡相关的函数和数据结构以供使用，极大的方 便了程序编写。本文PC端采用了 Visual C+作为编程工具。客户端采用Q作为编程工具。结论1、本次设计是多功能全自动去皮机械，采用摆线针轮减速器传动，动作迅速，反应 灵敏，工作环境适应性好。不会因为环境变化影响传动及控制性能。阻力损失小，成本低 廉。2、机器人采用 PLC 控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控 制还是行程控制或混合控制，都可通过设定 PLC 程序来实现。可以根据机械人动作顺序而 修改程序，使机械手的通用性更强。致谢为期两个月的毕业设计即将结束，回顾整个过程，我深有感受。老师认真地给我们讲 解了其工作原理，分析了各部件的功能特性和构造，避免了我在毕业设计过程中的盲目性。 在设计过程中，我翻阅了大量的相关资料，同时将大一至大三上学期所学的相关专业课本 认真的温习了一边，增加了很多理论知识。以前我对机器人的工作原理、和机器人的构造， 没什么认识，但通过这次设计，我了解了，也感受到了。总之，这次设计，使我将三年中 所学到的基础知识得到了一次综合应用，使学过的知识结构得到科学组合，同时也从理论 到实践发生了一次质的飞跃，可以说这次设计是理论知识与实践运用之间互相过渡的桥 梁。知识的巩固固然重要，但能力的培养同样不可忽略。我觉得这次设计的完成，不仅锻 炼了我搞设计的工作能力，培养了我独立思考的能力，解决困难的方法，并且也培养了我 独立、创新、力求先进的思想。同时我认识到：无论做什么事，只要你深入的去做，难事 不难，但如果你不去用心的做，易事不易。机不可失，我在这次的设计中倾注了大量的心 血，尽一切力量争取将设计做到在最好。我认为我在这段时间内所有的收获，对我今后的 学习和工作会是一笔难得的财富。张老师总是耐心地给我们讲解有关方面的知识，及时了解我设计中遇到的难题，使我 得以在短时间内完成设计工作，同时教导我们不管是在以后的工作还是学习中，都要保持 治学严谨的态度。在本次毕业设计中，张老师以及其他指导老师付出了辛勤的劳动，在此 向他们表示衷心的感谢。此次设计的圆满完成与同组其他人员的通力合作也是分不开的， 他们给了我许多帮助和指点，在此一并表示感谢！由于自己能力所限，时间仓促,设计中还存在许多不足之处，恳请各位老师同学给予 批评指正。2012年4月卢 成 钱参考文献1 Craig, John J. 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