基于PLC控制直角坐标机械手设计【含CAD机械图、电路接线图纸、说明书】
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含CAD机械图、电路接线图纸、说明书
直角坐标机械手
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基于PLC控制
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机械手设计【含CAD图纸】
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机械手设计【
CAD图纸】
CAD图纸】机械
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PLC控制直角坐标机械手设计 I 摘 要 工业机械手有能模仿人手和手臂的某些动作功能，用固定程序搬运，抓取物体或 操作工具的自动操作装置，机械手主要由手部和运动机构组成。按照搬运或者抓去的 物件形状、尺寸、重量、材料和作业环境等的要求的不同，手结构形式有吸附型和夹 持型等。运动机构的功能是使手部完成各种动作：移动、转动等运动来实现规定的动 作。机构的伸缩、升降和旋转等运动方式，称为机械手的自由度。本设计选用三自由 度直角坐标型工业机器人，其自由度为X轴，Y轴和Z轴方向，是通过滚珠丝杠来实现 小臂与大臂的伸缩，升降。而这些动作都是通过在步进电机的带动下进行。在控制器 的作用下，它将执行将工件从一条流水线抓取并运送到另一条流水线这一简单的动作。 本篇论文主要对机械手的传动部分滚珠丝杠与步进电机进行了计算，计算内容主要包 括工业机器人的传动机构的设计，以及其机械传动装置的选择。另外对控制部分的描 述主要有PLC的控制方案，接线原理图以及程序流程图等。 关键词：三自由度，直角坐标，PLC，机械手 PLC控制直角坐标机械手设计 II ABSTRACT Industrial robot arm able to mimic some of the manpower and motor function, with a fixed program handling, grab objects automatically operated device or operating tools, robots mainly by hand and sports institutions. According to different requirements for handling objects or arrested shape, size , weight, material and operating environment and the like , in the form of the hand gripping structure and an adsorption -type. Functional movement mechanism is to complete a variety of hand actions: move, rotate and other sports to achieve the required action. Retractable mechanism, lifting and rotation movement pattern, called degrees of freedom manipulator.The design uses three degrees of freedom Cartesian industrial robots, its degrees of freedom for the X -axis, Y -axis and Z -axis direction is achieved by ball screw telescopic arm with the big arm movements. These actions are carried driven by a stepping motor. In the role of the controller, it performs the work piece crawl and transported to another pipeline from the simple act of a pipeline.This thesis is part of the robot drive a ball screw and stepper motor, calculated mainly include industrial robots choose to design transmission mechanism, as well as its mechanical transmission devices. In addition to the control part of the description of the main control scheme PLC, wiring schematics and process flow chart. Key words: three degrees of freedom, Cartesian coordinates, PLC, manipulator PLC控制直角坐标机械手设计 III 目 录 1 绪论.1 1.1 课题来源 .1 1.2 课题目的、意义.1 1.3 国内外发展基本情况.1 2 工业机械手的总体设计.3 2.1 机械手的组成.3 2.2 工业机械手的设计分析.4 2.3 总体设计方案.4 3.机械手的机械系统设计.8 3.1 机械手手爪设计.8 3.2 机械手传动部分设计.15 3.3 机械手基座部分设计.21 3.4 轴承的选取.28 4 PLC控制系统设计.29 4.1可编程序控制器的选择及工作过程29 4.2 PLC控制系统30 5 结论.36 参考文献.37 致谢.38 PLC控制直角坐标机械手设计 1 1 绪论 1.1 课题来源 本课题来自于企业项目。 1.2 课题目的、意义 随着加工行业在我国的迅速发展，各行各业的自动化装备水平越来越高，现代化 加工车间，常常配有机械手，以提高生产效率，代替工人完成恶劣环境下危险、繁重 的劳动。目前，机械手常用于完成的工作有：汽车制造领域的零件装配及焊接；注塑 工业中用于从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工具；机械加工行业中 用于取料，送料；浇铸行业中用于提取高温溶液等等。 在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个 重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装 配。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手 臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。课题的目 的是构思、设计一种结构相对简单，功能完备，具有较好的经济性和性能/价格比的机 械手。 1.3 国内外发展基本情况 在机械工业中，机械手的应用具有以下意义。 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配 等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械 化和自动化的步伐。 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染 以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械 手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在 一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操 作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机 械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工 自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于 有节奏地进行生产。 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术也越来越高，工人工作环境和工作内 容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常 PLC控制直角坐标机械手设计 2 重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、 航空航天等。对于机械手的研究国内外的水平不一，但代表当今最先进的技术在日本， 他的自动化，人性化令人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融 合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制 造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高，只相当于世界先进技术在八 十年代的水平。随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作 强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能， 使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。 目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方 面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发 展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手 的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械 手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手 的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械 手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻 压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定 的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的 传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更 正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定 位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量产产品达到6轴，负 载2Kg的产品系统总重已突破100Kg。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造 单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的 小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、 生命科学及航空航天等高端行业发展。 本设计是PLC控制直角坐标机械手设计，直角坐标机械手的功能很多，诸如：工 业取料、货物搬运、机械绘图、数控加工等等，我们经常可以在绘图仪、数控雕刻机、 数控加工中心。甚至立体车库中看到直角坐标机械手的身影。 PLC控制直角坐标机械手设计 3 2 工业机械手的总体设计 2.1 机械手的组成 图图 2-12-1 机械手组成图机械手组成图 机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测 装置等所组成。 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部 件，它包括手部、腕部、机身等。 （1）手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。 （2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工 作方位。 （3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位 置。 （4）机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、 液压传动、气压传动和电传动。 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发 生错误或故障时发出报警。 PLC控制直角坐标机械手设计 4 检测系统：作用是通过各种检测装置、检测执行机构的整体运动情况，根据需要 给控制系统以反馈，与规定要求进行比较，以保证运动符合要求。 2.2 工业机械手的设计分析 设计要求： 本设计机械手的形式为直角坐标形式，具有3个自由度，由手部、手臂、机身等主 要部件组成。 各设计参数如下： Y轴大臂上下移动距离为：20cm（最大速度10cm/s） Y轴小臂上下移动距离为：10cm（最大速度10cm/s） X轴小臂伸缩距离：10cm（最大速度10cm/s） Z轴平移距离：10cm（最大速度10cm/s） 手指开合角度为：60度（最大速度60度每秒） 机械手最大抓重：2.5kg 工件尺寸：直径约2-3cm，圆柱形，材料是铁质 机械手（重复）定位精度：1mm 机械手驱动方式：步进电机，由PLC进行控制 （1） 选取机械手的坐标型式和自由度。 （2） 设计出机械手的各执行机构，包括手部、手臂等部件的设计。为了使通用 性更强，手部设计成可更换结构，可以应用夹持式手指来抓取棒料工件。 （3） 滚珠丝杠的传动系统的设计。本课题将设计出机械手的滚珠丝杠传动系统， 包括器件的选取，受力的校核等。 （4） 机械手的控制系统的设计。本机械手拟采用PLC对机械手进行控制，选取 相应的PLC型号，根据机械手的工作流程绘制PLC控制原理图，编制出PLC程序，并画 出梯形图等。 2.3 总体设计方案 2.3.1 机械部分 本设计机械手的形式为直角坐标形式，具有3个自由度，由手部、手臂、机身等主 要部件组成。 PLC控制直角坐标机械手设计 5 图图2-22-2 机械手示意图机械手示意图 手爪是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材 料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多样的，大部分的手部结 构是根据特定的工作要求而设计的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理， 大致可分成夹持和吸附两大类。由于本次设计的是流水线间工件自动搬运工业机械手， 因此使用夹持式手部。 手爪部分设计包括： 1) 受力分析 2) 夹紧力计算 3) 驱动力计算 4) 实际驱动力计算 图图2-32-3 机械手爪示意图机械手爪示意图 PLC控制直角坐标机械手设计 6 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工 具），并带动它们作空间运动。因此，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用滚珠丝杠 副，来实现X轴、Y轴、Z轴方向的直线往复运动。 手臂部分设计包括： 1) 电机选型 2) 滚珠丝杠选择 3) 计算额定负载 4) 校核驱动电机 机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装 置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运 动愈多，机身的结构和受力情况愈复杂。由于本次设计的流水线间工件搬运工业机械 手进行的是自动定点搬运工件。所以机械手设计成固定的。 机身基座设计包括： 1) 滚珠丝杠的选型与校核 2) 校核驱动电机 2.3.2 驱动系统 机械手电机驱动的优势是在于节能，因为气动和液压驱动的能量是二次转化，能 量消耗大约在35%左右。所以节能是今后机械手，机械自动化发展的一项重要的技术 内容。因此本课题选用步进电机驱动，手爪部分驱动使用气压缸。 气压缸选型计算包括： 1) 气压缸工作压力与气缸内径与活塞杆直径的确定 2) 壁厚与外径的设计 3) 活塞杆稳定性验算 4) 气缸推力、耗气量计算 5) 气压缸进排口的计算 2.3.3 控制系统 工业机械手的控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与 生产系统之间的关系。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂上下移动、伸缩、 回转及摆动、手指的开闭动作，以及各个动作的时间、速度等，都是在控制系统的指 挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的运动按照预先整定好的程序来实现的。 控制4根轴的移动距离和速度，同时还控制手爪开阖以及各个动作的时间、速度等。 因此本课题选用PLC来实现机械手的控制，选取FX系列PLC，画出接线图。并且根据 机械手的动作流程，编制出PLC程序，达到搬运工件的目的。 PLC控制直角坐标机械手设计 7 图图2-42-4 PLCPLC控制总体框图控制总体框图 PLC控制直角坐标机械手设计 8 3.3.机械手的机械系统设计机械手的机械系统设计 3.1 机械手手爪设计 3.1.1 手爪的总体概述 本设计直角坐标机械手的末端执行器（手爪）设计是用来抓持工件或工具的部件。 手爪抓持工件的准确、迅速和稳定程度都将直接影响到直角坐标机械手的工作性能， 它是本次设计的关键部件之一。 本次设计采用的是齿轮齿条式的手部机构，如图3-1，齿轮齿条式手爪工作原理是 驱动杆1末端制成双面齿条，与扇齿轮3相啮合，而扇齿轮3与手指5固连在一起，可绕 指点回转。当气压缸工作，驱动力向上时，推动推杆向上运动，齿条向上，齿轮转动， 两钳爪向内收拢，手爪闭合。反之，驱动力向下，齿条向下，齿轮转动，手爪打开。 此种类型的夹持器多用于实心圆柱零件的夹持。 图图 3-13-1 齿轮齿条式手爪齿轮齿条式手爪 手爪技术要求： 手指开合角度为： 60 度（最大速度60 度每秒） 机械手最大抓重： kg5 . 2 工件尺寸： 直径约，圆柱形，材料是铁质cm32 PLC控制直角坐标机械手设计 9 3.1.2 夹紧力计算 图图 3-23-2 手爪受力分析图手爪受力分析图 根据手爪类别，如图 3-1 所示，受力方式为摩擦锁紧，故受力分析得： 牛顿第二定律： maF (3-1)Gfma 4 (3-2)SinNFG 2 (3-3)Nf 推得： (3-4)( 2 )( NSSin agm FG 式中， 工件质量， ；mkg 重力加速度， ；g 2 /sm 动态运动时产生的加速度，取被抓取工件的为匀速；a 2 /0sma 安全系数；S V 型手爪张开的角度，； 气爪夹头与工件的摩擦力，；fN 反作用力，；NN 气爪夹头与工件的摩擦因素；因为手爪与工件的材料都采用 45 钢，查表得 25 . 0 所以： PLC控制直角坐标机械手设计 10 )(106 5 . 260 25 . 0 2 8 . 95 . 2 2 )( N Sin SSin agm FG （2）根据手部结构的传动示意图 3-1， 力矩平衡： 0 M 其驱动力为: (3-5) G FbRF2 式中： 齿的轮半径，取半径为；Rcm8 齿轮中心到工件中心的距离，取值为bcm10 )(265106 8 1022 NF R b F G （3）实际驱动力： (3-6) 21K K FF 实际 因为手爪的传动机构为齿轮齿条传动，根据机械传动效率表中圆柱齿轮传动 栏传动效率为 0.940.96，故取传动效率94 . 0 为安全系数，通常取 1.2-2.0，此取。 1 K5 . 1 1 K 为工作情况系数，可近似按如下公式计算： 2 K g a K1 2 若被抓取工件的速度为匀速时，则 0a11 2 g a K )(42669.425 94 . 0 151 . 1 265NF 实际 所以当手爪夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。N426 3.1.3气压缸的选型与计算 （1）气缸工作压力的确定 PLC控制直角坐标机械手设计 11 由液压传动与气压传动中，如表 3-1 所示，取气缸工作压力。Mpap4 . 0 表表3-13-1 气压负载常用的工作压力气压负载常用的工作压力 负载NF /50000 工作压力 Mpa 57 （2）气缸内径和活塞杆直径的确定Dd 本次设计的气缸属于双向作用气缸。 单活塞杆双作用气缸目前使用广泛。因为气缸的只在活塞一侧有活塞杆，所以气 缸活塞运动时，活塞两侧的有效面积不同导致压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不 同，推力也不同。活塞左行时产生推力，活塞右行时活塞杆产生拉力。 1 F 2 F (3-7) z F pD F 4 2 1 (3-8) z F pdD F 4 )( 22 2 式中， 活塞杆上的推力，； 1 FN 活塞杆的拉力，； 2 FN 气缸工作时的总阻力，； Z FN 气缸工作压力，；PPa 活塞直径，；Dm 活塞杆直径，。 dm 气缸工作时的总阻力与众多因素有关，如运动部件的惯性力、密封处的摩擦等。 Z F 以上几个因素都可以载荷率的形式计入公式，如要求气缸的静推力和静拉力， 1 F 2 F 则在计入载荷率后： (3-9) 4 2 1 pD F PLC控制直角坐标机械手设计 12 (3-10) 4 )( 22 2 pdD F 计入载荷率就能保证气缸工作时的特性。若气缸动态所达到精度要求较高；且工 作 频率高，其载荷率一般取，频率越快时取，频率越慢时取。若5 . 03 . 03 . 05 . 0 气缸动态参数要求一般，且工作频率不高，基本是匀速运动，其载荷率可取 ，取。85 . 0 7 . 085 . 0 由以上分析得双向作用气缸的直径： (3-11) P F D 1 4 代入有关数据，可得: )( 9 . 39 85 . 0 104 . 014 . 3 42644 6 1 mm P F D 由，可得活塞杆直径：。3 . 02 . 0/DdmmDd128)3 . 02 . 0( 查机械手册，气缸直径和活塞直径标准系列：Dd 、 、mm8mm10mm12mm16mm20mm25mm32mm40mm50mm63 等等。mm80 所以圆整得，活塞杆直径)(40 mmD )(12 mmd （3）缸筒壁厚和外径的设计 因缸筒需要直接承受在压缩空气时产生的压力，所以必须有一定的厚度才能达到 要求。一般气缸缸筒壁厚与内径之比，其壁厚可按薄壁筒公式计算：10/1/D (3-12) 2 p DP 式中， - 缸筒壁厚，；mm - 气缸内径，；Dmm - 气缸试验压力，一般取； p P)(5 . 1PapPp -气缸工作压力 ；P)(Pa PLC控制直角坐标机械手设计 13 -缸筒材料许用应力，本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为：铝合金 ZL106 。Mpa3 则壁厚为： )(4 1032 104 . 05 . 140 2 6 6 mm DPp ，则缸筒外径为：mm4 )(482440 1 mmD （4）手部活塞杆行程长计算L 活塞杆的位移量= (3-13)(28 . 6 2 360 30 mmR 气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用 满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计 算行程多加的行程余量。mm2010 )(28.262028 . 6 mmL 圆整为。)(27 mmL （5）活塞杆稳定性的验算： 当活塞杆的长度较小时（） ，可以只按强度条件校核计算活塞杆直径。LdL10d 则： (3-14) 5 . 0 1 )/4(Fd 其中，NF426 1 MPa120 则： 1255 . 2 )120 426 4( 5 . 0 d 所以满足设计要求。 （6）气缸推力验算： (3-15) 4 2 1 pd F PLC控制直角坐标机械手设计 14 )(426)(427 85 . 0 4 104 . 004 . 0 14 . 3 62 NN 由以上计算可知气缸可能产生的推力大于夹紧工件所需的推力)(427 1 NF ，所以该气缸满足要求。)(426 NF 实际 （7）消耗气量的计算 气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容 积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量为：Q (3-16)min)/)(2( 4 322 mdDn s Q 式中： 气缸直径，；Dm 活塞杆直径，；dm 活塞行程，；sm 气缸活塞每分钟往返次数，因手爪最大速度为每秒 60 度，一分钟手爪开闭n 30 次，取。30n 此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情 况加以修正。 min)/(1021094 . 1 )012 . 0 04 . 0 2(30 4 027 . 0 14 . 3 33322 mQ （8）气压缸进排口的计算 气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关，除特殊情况外，一般气缸 的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径用下式计算： 0 d (3-17)(2 0 m v Q d 式中： 工作压力下气缸的耗气量，；QSm / 3 空气流经进排气口的速度，一般； VsmV/1510 把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照 GB/T14038-93 气缸气 口螺纹选择合适的气口螺纹。故： )(03 . 0 md （9）手爪部分总质量估算 PLC控制直角坐标机械手设计 15 (3-18) 气缸零件手爪 mmmm 其中：手爪部分和活塞杆材料采用45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金 ZL106。查机械设计手册手册，45号钢密度为，ZL106的密度为 33 /1085 . 7 mkg 。 33 /1073 . 2 mkg 手爪部分总质量约为 )(8682 . 3 5 . 21191 . 1 2491 . 0 kgm 3.2 机械手传动部分设计 3.2.1 Y轴小臂手臂的结构设计 （1）初选电机为 90BYG250C，如表 3-2 所示电机特性 表表 3-23-2 90BYG250C90BYG250C 的特性表的特性表 相电 流 步距 角 保持 转矩 空载启动 频率 空载运行 频率 转动惯 量 重 量 型号相数 A度mN HzHz 2 cmKg Kg 90BYG250 C 24.00.96.3250040003.64.8 （2）滚珠丝杠的选择 根据电机以及末端执行机构 拟使用条件 负载重量KGW5 最大行程mmS110 快速进给速度smV/100 加减速时间常数st15 . 0 预期寿命hL30000 直线运动导程摩擦系数02 . 0 电机转矩min/600 max rN 1）设定螺距 根据电机最大的转速与快速进给速度 (3-19)(10 60 max max mm N V L PLC控制直角坐标机械手设计 16 2）计算基本动态额定负载 各动作模式下的轴向负载的计算 a)加速时 加速度 (3-20)/(67 . 0 10 23max sm t V a 轴向负载 (3-21)(33 . 4 )(NWWP gaA b)匀速时 轴向负载 (3-22)(98. 0NWP gB c)减速时 轴向负载 (3-23)(37 . 2 )(NWWP gC 根据表格 3-3 和 3-4 两表格所示条件，计算轴向均负载与平均转速 m P m N 表表 3-33-3 各动作模式各动作模式 1 1 次循环所需的时间次循环所需的时间(s)(s) 动作模式ABC共需时间 所需时间0.31.40.32 表表 3-43-4 螺距为螺距为 1010 的负载条件下负载情况的负载条件下负载情况 动作模式ABC 轴向负载P(N)4.330.982.37 转速N300600300 所需时间比例 t 15%70%15% (3-24)(68 . 3 3 2 N PP P CA m (3-25)min)/(510 r ttt tNtNtN N CBA CCBBAA m 根据预期寿命，扣除停止时间后的净运行使用寿命)( 0h L (3-26)(7500) 521 2 (30000 0 hLh 将运行系数代入公式中，求得轴承基本额定动载荷2 . 1 w fC （额定动载荷：假使轴承的基本额定寿命恰好为一百万转时，轴承所能承受的载 荷值，称为轴承的基本额定动载荷，用表示。对向心轴承，指的是纯径向载荷，用C 表示；对推力轴承，指的是纯轴向载荷，用表示。 ）CrCa PLC控制直角坐标机械手设计 17 (3-27)(04.27) 10 60 ( 3 1 6 0 NfP NL C wm mh 因此选择 BSBR2510 滚珠丝杠。 （2）容许屈曲载荷危险速度计算 研讨丝杠轴全长与危险速度屈曲载荷L c N k P (3-28)末端尺寸余量螺母长度最大行程L )(3251152080110mm 下面就屈曲载荷进行讨论，设负载作用点间距)(225 1 mml (3-29)(45.1019 2 1 2 N l EIn Pk 式中: ：开始引起压曲的负载 k P ：负载作用点距离 1 l ：杨氏模量E ：丝杠轴最小惯性矩 I (3-30)(15.4197 64 44 mmdI :丝杠底径为dmm 1 . 17 :由丝杠的支撑方式决定系数n 单推-单推：=1n 双推-简支：=2（选用）n 双推-双推：=4n 双推-自由：=0.25n 滚动轴承若同时承受径向和轴向联合载荷，为了计算轴承寿命时在相同条件下比 较，在进行寿命计算时，必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相 一致的当量动载荷，用表示。P 求出当量动载荷： (3-31)(509 NPP K 式中 ：屈曲载荷 K P PLC控制直角坐标机械手设计 18 ：安全系数(0.5) )(04.27)(509NCNP 说明容许轴向负载充分满足使用条件，由于电机速度比较慢，肯定安全，无需校 核危险速度。 （2）最终选型结果 滚珠丝杠的形式为 BSBR2510-315 3.2.2 校核驱动电机 （1）传统系统等效转动惯量计算 1）电机转子转动惯量 D J (3-32)(6 . 3 2 cmKJ gD 2）滚珠丝杆的转动惯量的折算 S J (3-33)(93 . 0 32 24 cmKglD p J sS 3）手臂上下移动惯量的折算 G J 工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠上下移动的惯量 可按下式进行计 算： (3-34)(5 . 05) 14 . 3 2 1 () 2 ( 222 cmKgM L JG 式中，是丝杆导程；为工作台质量L)(cmM)(kg 4）联轴器转动惯量 (3-35)(4 8 2 2 1 1 cmKg DM J 5）系统等效转动惯量 (3-36)(03.13245 . 093 . 0 6 . 3 2 1 cmKgJJJJJ GSD （2）验算矩频特性 步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，从附件中查得 maxj MmNM j 3 . 6 max 步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为。查得 mq M maxj M maxjmq MM 。所以707 . 0 (3-37)(45. 43 . 6707 . 0 mNMmq PLC控制直角坐标机械手设计 19 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启 动力矩可按下式计算： (3-38) 0 MMMM kfkakq 式中：为空载启动力矩； kq M 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速 ka M 力矩； 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩。 kf M （3）有关的各项力矩值计算如下： kq M 1）加速力矩 (3-39) 2max 10 60 2 t n JJMka (3-40) 360 max max p b v n 式中：为传动系统的等效传动惯量； J 为电机的最大角加速度； 为与运动部件最大快速进度对应的电机最大速度； max n 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间；t 为运动部件最大快进速度； max v 为初选步进电机的步距角； b 为脉冲当量； p min)/(600) 2 (10 360025. 0 9 . 0100 360 max max r rv n p b (3-41) 2max 10 60 2 t n JJMka )(47.85 10 15 . 0 60 60014 . 3 2 03.13 2 cmN PLC控制直角坐标机械手设计 20 2）空载摩擦力矩 (3-42) 2 LM Mkf 式中：为运动部件的总重量；M 为导轨摩擦系数； 为传动系统总效率；)9 . 0( 为滚珠丝杠的最大行程；L (3-43)(34.17 9 . 014 . 3 2 1002 . 0 8 . 95 2 2 cmN LM Mkf 3）附加摩擦力矩 (3-44) 2 0 IF M YJ 式中：为滚珠丝杠预紧力；（为最大轴向负载的） YJ F 3 1 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取 0 9 . 0 0 )(48.41)9 . 01 ( 19 . 014 . 3 2 11375 2 2 0 cmN IF M YJ 所以，步进电机所需空载启动力矩： (3-45) 0 MMMM kfkakq )(29.144 48.4134.1747.85 cmN 初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即 ，从上式可知电机初步满足要求。 kqkq MM (3)启动矩频特性校核 步进电机启动有升速启动和突跳启动。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐 升速，在零时刻，启动频率为零。突跳启动很少使用。在一段时间内，按一定的升速 规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度，从下图 3-4 中，可查得 PLC控制直角坐标机械手设计 21 图图3-43-4 90BYG250C90BYG250C矩频特性图矩频特性图 纵向：空载启动力矩。对应的允许启动频率。步cmNMkq29.144HZfyq6000 进电机 90BYG250C 启动频率，所以步进电机不会丢步。 yqq fHZf 2500 （4）运行矩频特性校核 1）步进电机的最高快进运行频率可按下式计算 kz f (3-46) p kz V f max )(4000 025 . 0 100 H 式中：为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩，为附加摩擦力矩。 KF M 0 M 从 90BYG250C 运行矩频特性图中，可知对应的mNcmNMKJ5882 . 0 82.58 允许快进频率；所以所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。 KJyKJ ff 综上所述，所选用的步进电机 90BYG250C 符合要求，可以使用。 3.3 机械手基座部分设计 3.3.1 滚珠丝杠的选型与校核 （1）初选电机为 90BYG250C,如表 3-2 所示电机特性 （2）滚珠丝杠的选择 根据电机以及末端执行机构 拟使用条件 负载重量 KGW50 最大行程mmS100 PLC控制直角坐标机械手设计 22 快速进给速度 smmV/100 加减速时间常数 st15 . 0 预期寿命 hL30000 直线运动导程摩擦系数 02 . 0 电机转速 min/600rN 表表3-23-2 90BYG250C90BYG250C 的特性表的特性表 相电 流 步距 角 保持 转矩 空载启动 频率 空载运行 频率 转动惯 量 重 量 型号相数 A度mN HzHz 2 cmKg Kg 90BYG250 C 24.00.96.3250040003.64.8 1) 设定螺距 根据电机最大的转速与快速进给速度 (3-47)(10 60 max max mm N V L 计算基本动态额定负载 各动作模式下的轴向负载的计算 a） 加速时 加速度(3-48)/(67 . 0 10 23max sm t V a 轴向负载(3-49)( 3 . 43)(NWWP gaA b） 匀速时 轴向负载(3-50)(8 . 9NWP gB c） 减速时 轴向负载(3-51)( 7 . 23)(NWWP gC 根据表格 3-3 和 3-4 两表格所示条件，计算轴向均负载与平均转速 m P m N 表表3-33-3 各动作模式各动作模式1 1 次循环所需的时间（次循环所需的时间（s s） 动作模式ABC共需时间 所需时间0.31.40.32 PLC控制直角坐标机械手设计 23 表表3-43-4 螺距为螺距为1010 的负载条件下负载情况的负载条件下负载情况 动作模式ABC 轴向负载P(N)4.330.982.37 转速N300600300 所需时间比例 t 15%70%15% 根据上述两表所示条件计算轴向均负载与平均转速 m P m N (3-52)( 7 . 36 3 2 N PP P CA m (3-53)min)/(510 r ttt tNtNtN N CBA CCBBAA m 根据预期寿命，扣除停止时间后的净运行使用寿命)( 0h L (3-54)(7500) 521 2 (30000 0 hLh 将运行系数带入公式中2 . 1 W f (3-55)( 2 . 1251) 10 60 ( 3 1 6 0 NfP NL C wm mh 因此选择 BSBR2510 滚珠丝杠。 （1）容许屈曲载荷危险速度计算 研讨丝杠轴全场 L 与危险速度 屈曲载荷 NP (3-56)末端尺寸余量螺母长度最大行程L )(3151152080100mm 下面就屈曲载荷进行讨论，设负载作用点间距)(225 1 mml (3-57)(45.1019 2 1 2 N l EIn Pk 式中： ：开始引起压曲的负载 K P ：负载作用点距离 1 l ：杨氏模量E PLC控制直角坐标机械手设计 24 ：丝杠轴最小惯性矩I (3-58)(15.4197 64 44 mmdI :由丝杠的支撑方式决定系数n 单推-单推：1n 双推-简支：（选用）2n 双推-双推：4n 双推-自由：25 . 0 n (3-59)(509 NPP K 式中 ：屈曲载荷 K P ：安全系数)5 . 0( 说明容许轴向负载充分满足使用条件，由于电机速度比较慢，肯定安全，无需校 核危险速度。 (4) 最终选型结果：滚珠丝杠的形式为 BSBR2510-315。 3.3.2 校核驱动电机 （1）传动系统等效转动惯量计算 1）电机转子转动惯量 D J (3-60)(6 . 3 2 cmKJ gD 2）滚珠丝杆的转动惯量的折算 S J (3-61)(93 . 0 32 24 cmKglD p J sS 3）手臂上下移动惯量的折算 G J 工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上下移动的惯量 可按下式进行 计算： (3-62)(550) 14 . 3 2 1 () 2 ( 222 cmKgM L JG 式中，是丝杆导程；为工作台质量。L)(cmM)(kg 4）联轴器转动惯量 PLC控制直角坐标机械手设计 25 (3-63)(4 8 2 2 1 1 cmKg DM J 5）系统等效转动惯量 (3-64)(53.1724593 . 0 4 2 1 cmKgJJJJJ GSD （2）验算矩频特性 步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，从附件中查得 maxj MmNM j 3 . 6 max 步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为查得 mq M maxj M maxjmq MM 。所以707 . 0 (3-65)(45 . 4 3 . 6707. 0mNMmq 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启 动力矩可按下式计算： (3-66) 0 MMMM kfkakq 式中：为空载启动力矩； kq M 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速 ka M 力矩； 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩。 kf M 有关的各项力矩值计算如下： ka M 1）加速力矩 (3-67) 2max 10 60 2 t n JJMka 360 max max p b v n 式中： 为传动系统的等效转动惯量；J 为电机的最大角加速度； 为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速； max n 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间；t 为运动部件最大快进速度； max v PLC控制直角坐标机械手设计 26 为初选步进电机的步距角； b 为脉冲当量； p (3-68)min)/(600) 2 (10 360025 . 0 9 . 0100 360 max max r rv n p b (3-69)
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