毕业设计（论文）-上下料冲压机械手的设计（全套图纸三维）

毕 业 设 计学生姓名： 学 号： 201101 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 上下料冲压机械手的设计 指导教师： （副教授） 评阅教师： 2015年6月河北科技大学毕业设计成绩评定表姓 名学 号20110成 绩专 业机械设计制造及其自动化题 目上下料冲压机械手的设计指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。毕 业 设 计 中 文 摘 要 上下料冲压机械手是根据实际冲压生产过程中的特点，专门为提高生产效率，解放人力等而研制的一种自动化机械设备。本文在搜阅了有关机械手方面的资料之后，简单介绍了其作用、组成和分类。根据课题要求对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式、运动自由度以及机械手的技术参数。根据对机械手手部、腕部、手臂以及机身等结构的设计计算得出数据，并且通过三维软件solidworks绘制出产品模型，最后对机械手的结构进行完善。同时，绘制了机械手气压系统工作原理图，选取了合适的零部件；利用PLC对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号；根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了的机械手的操作流程图。关键词 机械手 参数设计 软件模拟 PLC方案控制全套图纸，加153893706毕 业 设 计 外 文 摘 要Title The design of the up-down material stamping manipulator AbstractUp-down material characteristics in the process of stamping manipulator is based on the actual production, specially in order to improve the production efficiency, human liberation and so on and developed an automated machinery and equipment. Based on the search after reading information about manipulator, simply introduces the function, composition and classification. Overall design of manipulator in accordance with the requirements of project, to determine the coordinates of the manipulator, degrees of freedom of movement and technical parameters of the manipulator. According to the manipulator hand, wrist, arm, and the fuselage structure design and calculation of the obtained data, and through 3D software solidworks to map the product model, and finally to improve the structure of the manipulator. At the same time, draw the manipulator working principle of the pneumatic system diagram, select the appropriate components. Using PLC to control the manipulator, selected the suitable PLC model; According to the working process of the manipulator made the control scheme of programmable controller, draw the operation flow chart of the manipulator.Key Words manipulator Parameter design Software simulation PLC program control第 II 页 共 页本 科 毕 业 设 计目 录1 绪论11.1 机械手概述11.2 机械手的组成和分类11.3 国内外发展概况51.4 本章小结62 机械手总体设计方案62.1 执行部分的选择62.2 驱动部分的选择72.3 控制方案的确定82.4 机械手的基本形式选择82.5 机械手主要部件及运动92.6 机械手的技术参数92.7 本章小结103 手腕部分的设计103.1 手腕处轴承的选择103.2 手腕驱动伺服电机与减速器的选择113.3 传动同步带的选择与相应带轮的设计123.4 本章小结134 手臂伸缩部分的设计134.1 直线导轨与滑块的选择134.2 传动同步带选择与相应带轮的设计174.3 伺服电机的选择与传动带轮的设计174.4 本章小结185 手臂升降部分的设计195.1 滚珠丝杠的选择195.2 伺服电机的选择215.3 光轴与直线轴承的选择225.4 本章小结236 手臂旋转部分的设计236.1 转盘轴承的选择236.2 伺服电机的选择以及减速比的确定246.3 本章小结247 气动系统的设计247.1 气压系统的工作原理图257.2 气动系统相关部件的选择258 机械手控制系统设计258.1 机械手的工艺过程258.2 机械手控制系统主要硬件的选择268.3 PLC控制伺服电机范例278.4 机械手操作过程简述338.5 本章小结34结论35致谢36参考文献37附表A39第 35 页 共 40 页本 科 毕 业 设 计1 绪论机械手是一种在自动化生产过程中使用的具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置1。机械手可以用来代替工人进行危险、枯燥的工作，在减轻工人的劳动强度的同时提高工厂生产力。随着机械工业的发展，机械手的应用范围越来越大，不仅可以进行工件的搬运、装卸，甚至可以用于复杂机械的零部件装配。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强2。目前我国的工业机器人技术与其工程应用的水平同国外比还有一定的差距，应用规模小，产业化水平低，机械手的研究和开发能力直接影响到我国自动化生产水平。因此，从经济和技术等方面考虑，研究应用机械手都是十分必要的。11 机械手概述机械手是一种按照给定的控制程序，实现自动抓放、搬运或者动作的自动化机械装置。机械手在工业生产中通常被叫做“工业机械手”或“工业机器人”。在生产中应用机械手不但可以提高劳动生产率，而且可以减少劳动出错率。从而达到保质保量，减工减压，安全生产的目的。尤其在恶劣的生产环境（如高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等）中，用它完成人类难以适应的工作，具有更为深远的意义。早期的机械手主要附属于某一台或者一类机床，用来完成相应的上下料工作，其构造相对简单，专用性比较强。随着自动化技术的发展，出现了可编程序控制的机械手，由于其可以根据程序的改变而改变动作的流程，通用性比较强，因此也被成为通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用3。机械手集现代各种高新技术（计算机知识、控制理论、机构原理、信息和传感技术、人工智能、仿生学等）于一身，加以其较高的适应、通用性，被广泛的研究制造，形成了一个信息水平高、市场活跃、应用广泛的领域。机械手创新应用程度，标志着一个国家工业自动化水平。12 机械手的组成和分类（一）机械手的组成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组成。各个系统之间的相互关系如方框图1.1所示。图1.1 机械手的组成方框图控制系统驱动系统执行机构被抓取工件位置检测装置1) 执行机构主要由手部 、手腕、手臂和立柱等部件构成，有的还增设行走机构。(a) 手部所谓手部，就是与物件相接触的部分。根据其与物件接触的不同形式，可以分成夹持式手部和吸附式手部两类。夹持式手部由手指和动力传动机构所构成。手指是指与物件直接接触的部分，常用的手指运动形式有回转型和平移型两种。回转型手指结构简单，制造容易，故应用比较广泛。平移型手指由于其结构比较复杂，故应用较少，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不会影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围较大的工件4。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如空气吸盘内形成负压或电磁吸盘产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压式吸盘和电磁式吸盘两类。对于质量较小面积较大的板料类零件，通常采用负压式吸盘来吸取物料。造成负压的方式主要有气流负压式和真空泵式两种。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压式吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，需要根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。(b) 手腕是连接手部和手臂的部件，通过手腕的旋转动作，可以调整被抓取物件的位置，从而适应不同的工作需要。(c) 手臂手臂是支承手部及被抓物件的重要部件。手臂的作用是带动手部抓取物件，并且按照编定的程序将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂一般通过动力源(如液压、气压或电机等)由手臂运动的驱动部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)的驱动下，实现手臂的各种运动。手臂在伸缩或升降运动过程中，为了防止其绕轴线产生转动，都需要加装导向装置，以保证手臂按正确方向运动。此外，导向装置还能承受手臂所受的各种力矩，使运动部件保持良好的受力状态。常见的导向装置结构形式有：单圆柱、双圆柱、四圆柱和燕尾槽、V形槽等。(d) 立柱立柱是支承手臂的部件，立柱既可以独立分开，也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。(e) 行走机构实际使用中，当工业机械手需要进行较远距离的操作，或扩大机械手使用的范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则需要另外增设机械传动装置。(f) 机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均需要安装在机座上，主要起支撑和连接的作用。2) 驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压驱动、气压驱动、电力驱动和机械驱动等。3) 控制系统工业机械手在控制系统支配下按照设定的要求动作。目前工业机械手的控制系统一般主要由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号5。4) 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置6。（二）机械手的分类目前工业机械手的种类繁多，但是在国内还没有较为统一的分类标准。因此，我们暂且按照使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。1) 按使用范围分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种。(a) 专用机械手专用机械手附属于主机一般具有固定程序但无独立的控制系统。其具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低的特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手等7。(b) 通用机械手通用机械手拥有独立的控制系统、程序可变，并且动作灵活多样。它的驱动系统与控制系统一般是独立的，在产品功能允许的范围内，通过改变其控制程序可以适应不同的工作场合。因此，它适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产中。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种：简易型以“开关”式控制定位，只能是点位控制；伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制。2) 按驱动方式分(a) 液压传动机械手液压传动机械手靠液压来驱动执行机构运动。它的主要特点是:抓持力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。由于其介质特殊性，不适合在高温、低温下工作，而且对密封质量要求严格，否则将会大大影响其工作性能。如果机械手采用电液伺服驱动系统，可以实现轨迹的连续控制，从而提高机械手的通用性，但是目前电液伺服阀的制造精度较高，油液过滤要求严格，成本较高。(b) 气压传动机械手气压传动机械手以压缩空气来驱动执行机构运动。它的主要特点是：空气获取方便，输出力较小，动作迅速，结构紧凑，成本较低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大。(c) 机械传动机械手机械传动机械手由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动。它一般是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动位置准确可靠，动作频率大；但缺点是结构较大，动作形式不可变。(d) 电力传动机械手电力传动机械手由特殊结构的感应电动机、直线电机、步进电机或伺服电机直接驱动执行机构运动，由于不需要中间的转换机构，因此机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度较快并且行程较长，维护和使用也较为方便。3) 按控制方式分(a) 点位控制它的运动为空间上点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。如果想要增加控制的点数，则必须增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用机械手和通用机械手均属于此类。(b) 连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂8。这类机械手一般通过采用小型计算机进行控制。13 国内外发展概况由于工业自动化生产概念的兴起，机械手已经成为研究的热点，其现状与趋势大致归类如下：a.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机9。b.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性10。c.机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术11。d.关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发12。 e.焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。宏观来看，主要是两大方向：其一是研制具有多传感器、多控制器、具有复杂机电系统与先进控制算法的智能机器人；其二是与生产实际相结合，采用工业控制器和市场化、模块化的元件，在满足工作要求的基础上追求经济、简洁与可靠，用来完成具体任务的工业机器13。14 本章小结本章主要介绍了机械手的概念，在工业生产中的应用，以及它的基本组成结构，即由执行机构、驱动系统、控制系统和位置检测装置四部分构成，同时又分别对这四部分进行详细介绍。最后讲述了机械手的发展概况。2 机械手总体设计方案对机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们必须具有较高的反复定位精度、较快的反应响应能力、足够的承载能力、足够的自由度以及占用较小的空间。设计机械手的基本原则是：分析作业对象的技术要求，在满足系统功能要求和环境条件下拟定最合理的作业工序和工艺；明确工件的结构形状和材料特性等相关参数，从而进一步确定对机械手结构与运行过程的要求；尽量选用市场现有的组件、模块，从而简化设计制造过程，节省费用。21 执行部分的选择执行部分的选择由以下结构分别选定:（一）手部手部是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要是针对于一些表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料14。本设计中，由于大部分冲压件为铁板或者铝板，冲压表面基本平整，因此我们选择吸附型手部，而吸附型手部又可以分成空气吸盘（主要采用负压或者真空）和电磁吸盘两种，由于空气吸盘可以与工件柔性接触，防止表面擦伤，因此在这里我们优先考虑使用负压式空气吸盘。（二）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，起到支撑和改变手部位置的作用，可以扩大机械手的动作范围，使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕具有独立的自由度。通常具有回转运动、左右摆动、上下摆动等几种形式。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的机械手，为了简化结构，也可以不加设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件15。本设计中，为了使机械手手部较为灵活，可以适应不同零件位置，因此我们使其具有回转运动。（三）臂部臂部是机械手的重要支持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工装或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的作用：把手部送到空间运动范围内的任意一点。一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本的要求，即手臂的伸缩、左右摆臂、升降运动。手臂的运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中常常受到腕部、手部以及工件的静、动载荷的作用，而且由于手臂运动较多，故其受力复杂16。本设计中，我们需要使手臂具有伸缩、左右摆臂和升降的功能。22 驱动部分的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 可分为以下四类：（一）气压传动机械手气压机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、易于保养、动作迅速、结构简单成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。（二）液压传动机械手是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。但是这种机械手对密封性要求很高、不易于机械手的保养与维护、受到液体本身的属性影响，不适合在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。（三）机械驱动机械手它是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。其主要特点为：运动精确，动作频率大，定位精度高。但是结构较大，保养需求高。（四）电气驱动机械手是指由电机直接驱动执行机构运动的机械手。特点是：响应速度快，运动行程长，定位精度高，并且维护、使用方便，节能无污染。但是其结构较复杂、成本也较高。工业机械手的性价比一般取决于驱动方案及相应零部件的配置。按照各驱动特点以及机械手的工作环境拟除机械手手部利用气源空气吸盘外，其余运动动力来源均选用伺服电机。23 控制方案的确定考虑到机械手的通用性，我们采用PLC对机械手进行控制。当机械手的动作流程发生变化时，只需改变相应PLC程序即可实现，非常方便快捷17。24 机械手的基本形式选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: a.直角坐标型机械手；b.圆柱坐标型机械手；c.球坐标(极坐标)型机械手；d.多关节型机械手（见图2.1）。直角坐标型机械手：主要特点每个自由度之间的空间夹角为直角，占用空间较大，工作范围较小，结构简单。圆柱坐标型机械手：占用空间较小，工作范围较大，结构简单紧凑，定位精度较高。球坐标型机械手：占用空间较小，自由度较多，但是结构较为复杂。多关节型机械手：与球坐标特点相似，自由度更高，结构更为复杂。图2.1 机械手基本形式由于冲压机械手作用是实现冲压机床与冲压机床之间加工工件的传递，工作空间较小且需要实现的功能要求自由度比较低，因此结合以上各种机械手工作特点，考虑造价及实现难易程度，选定机械手为圆柱坐标型机械手。图2.2 机械手机构简图25 机械手主要部件及运动在选定机械手为圆柱坐标型的基本方案后，由于空间限制，机械手安放于两冲床之间须左右摆臂，同时能上下升降，前后伸缩，以及使吸附的工件旋转，故机械手应具有4个自由度即：手腕回转、手臂伸缩、手臂升降和手臂左右摆臂4个主要运动。其机构简图如右图2.2所示。基于机械手的4个主要运动，我们经过定位精度、可编程性、通用性、经济性等各方面考虑，初步确定：a.机械手手腕回转采用伺服电机通过同步带传动带动手腕旋转；b.手臂伸缩采用伺服电机通过同步带带动滑块沿直线导轨实现伸缩；c.手臂升降采用伺服电机带动滚珠丝杠，使丝杠螺母带动滑块沿直线导轨上下运动；d.手臂左右摆臂采用伺服电机带动转盘轴承实现手臂左右旋转。26 机械手的技术参数（一）机械手用途：冲压机床自动上下料（二）设计技术参数1) 抓重：最大4KG2) 自由度数：4个自由度3) 坐标型式：圆柱坐标型4) 最大工作半径：1250mm5) 手腕运动参数：回转范围: 3606) 手臂伸缩参数：伸缩行程:600mm；伸缩速度:1000mm/s7) 手臂升降参数：升降行程：350mm；升降速度：200mm/s8) 手臂旋转参数：旋转范围：120；旋转速度：360/s27 本章小结本章从宏观角度对机械手进行了总体方案的设计与分析，经过各方面对比考虑确定了机械手的基本形式以及自由度，初步确定采用伺服电机提供动力，并列出了机械手在设计中的一些必要的技术参数。下面的设计计算将以此进行。3 手腕部分的设计手腕位于第二章图2.2上所示位置，其位于手臂之上，具体结构为伺服电机通过减速器带动同步带传递动力给手腕处。3.1 手腕处轴承的选择计算条件:根据实际设计需要拟选用内径为d=25mm的深沟球轴承，转速约30r/min，其径向载荷约Fr=100N，轴向载荷约（包括额定抓重与其手部重量等），工作寿命（为机器总设计寿命，系数0.5为在工作时间内手腕工作的时间所占比例）。设计计算：查机械设计手册（成大先第五版）轴承选型表，试选取轴承代号61805，d=25mm，基本额定动载荷，滚珠直径为，滚珠数量为，基本额定静载荷。, 查表得：轴径载荷比，X=0.56，Y=2.022，径向当量动载荷：查表得：冲击载荷因数为，温度因数为，速度因数为，寿命因数为，力矩载荷因数为轴承61805的动载荷，故选取合适。校核轴承的额定静载荷：，取，取，故轴承61805满足要求。3.2 手腕驱动伺服电机与减速器的选择由于结构的限制拟采用伺服电机带动减速器，减速器通过安装的同步带轮传动至手腕处。计算条件：手腕处加以抓重预估计重量为，估计工件直径，手腕处转速最高。设计计算：计算工件转动惯量：假设减速器连同同步带轮总共减速比为,则折算到伺服电机上的转动惯量为。按照负载惯量3倍电机转子惯量的原则：查相关产品手册，选用电机，则, , ，取校核输出转速：，满足要求。因为使用条件扭矩很小，故忽略扭矩计算。考虑尽可能选取级数较低的减速器，以便减少重量以及空间占用量，同时保证较高的精度，根据结构选择一级减速器直角型，查相关手册，一级减速器最高减速比为，故应设计同步带轮减速比为。3.3 传动同步带的选择与相应带轮的设计计算条件：由上一节知，同步带轮减速比为2，工件由静止加速至转速30r/min即其角速度为时，大约需要时间为，则所需要做的功为平均功率，最大功率约为。设计计算：计算设计功率(为工况系数）拟选用圆弧型同步带，查机械设计手册，由及,选择带节距为的同步带。确定小带轮齿数：，查相关图表，最少齿数为，根据相关结构选择小带轮齿数为。小带轮节圆直径带速：（为允许最大转速），故带速齿数合适。由传动比，得大带轮齿数大轮节圆直径根据结构需要初定中心距约为，则初定带节线长度查设计手册，得同步带节圆长，齿数。为使得同步带可以良好配合于带轮，故将其设计为中心距可调的结构，则实际中心距小带轮啮合齿数，故选择合适。查表得基准额定功率，查表得圆弧齿带长系数,小齿轮啮合系数。查机械设计手册得基准带宽，故带宽查相应表格，选定带宽为15mm。相应同步带轮根据结构等参数可见附图。3.4 本章小结本章对机械手手腕部分进行了设计。通过计算选择了手腕处轴承，同步带，电机，减速机以及完成了同步带轮的设计，同时用SolidWorks绘制了其相应三维图如图3.1，并画出了部分二维图纸（见附图）。图3.1 机械手手腕处结构4 手臂伸缩部分的设计图4.1 速度时间关系图4.1 直线导轨与滑块的选择计算条件：由上一章计算选型结果可知工件连同手腕组件质量为，伺服电机与减速机质量，滑块上固定板质量约。按设计要求，滑块的最大速度，滑块运动时由静止至最大速度时间，匀速时间，减速时间，运动行程，加速度，；距离，。速度时间关系图如图4.1所示，基本结构图如图4.2所示。图4.2 手臂伸缩结构示意图设计计算：由已知条件可计算出，。（一）每个滑块负荷的大小计算1) 等速时，径向负荷大小2) 左行加速时，径向负荷大小3) 左行减速时，径向负荷大小4) 右行加速时，径向负荷大小5) 右行减速时，径向负荷大小（二）等效负荷的计算1) 等速时2) 左行加速时3) 左行减速时4) 右行加速时5) 右行减速时（三）拟选用导轨滑块型号为H20FN（TBI直线导轨手册） 基本额定动负荷:,基本额定静负荷：。（四）静安全系数计算由以上计算可以得知，最大等效负载为,故安全系数应为：（五）每个滑块的平均负荷计算（六）额定寿命的计算表4.1 负载系数振动冲击速度（V）振动（G）微 小 大 查负载系数表4.1，取负载系数 。根据直线导轨的额定寿命计算公式，分别计算各导轨滑块的寿命如下：故直线导轨的寿命为：。按每分钟往复次数，折算成寿命时间为：满足需求。4.2 传动同步带选择与相应带轮的设计传动同步带的选择根据实际结构情况选为：周节制带L型，带宽为19.1mm。相应带轮根据实际结构需要的设计见附图。图4.3 伸缩轴传动结构图4.3 伺服电机的选择与传动带轮的设计计算条件：由上几节计算，导轨滑块上移动单位质量共约，运输同步带轮直径为，负载与滑台摩擦系数，电机处带轮齿数比为，负载最高速度，加速度。传动结构图如图4.3所示：设计计算：（一）计算折算到电机轴上的转动惯量按照负载惯量3倍电机转子惯量的原则，则（二）计算电机驱动负载所需要的扭矩克服摩擦力所需要转矩加速时所需转矩伺服电机额定转矩,最大扭矩。（三）计算电机所需转速根据以上计算分析，结合结构实际选择ECMA-C0807.电机处传动同步带型号为：圆弧型5M,带宽20mm。相应带轮结构见附图。4.4 本章小结图4.4 机械手手臂伸缩部分本章对机械手手臂的伸缩部分进行了设计。结合计算对同步带，电机等进行了选型，以及结合实际对带轮进行了设计。然后用Solidworks画出三维图见图4.4,用AutoCAD画出二维图（见附图）。5 手臂升降部分的设计5.1 滚珠丝杠的选择图5.2 运转速度时间图图5.1 垂直结构图设计条件：移动物重量约，最大运动行程为，最大移动速度为，要求寿命，摩擦系数，加速时间，匀速时间，减速时间结构简图，运转条件分别如上图5.1和图5.2所示。设计计算：(一）容许轴向负荷计算设向上为正1) 等加速度下降时2) 等速下降时3) 等减速下降时4) 等加速上升时5) 等速上升时6) 等减速上升时最大轴向负荷发生于等加速上升的区段（二）基本动额定负荷计算表5.1 运转过程明细表运转条件轴向负荷（N）平均转速（rpm)使用时间（s）加速下降12000.1等速下降24001.65减速下降12000.1加速上升12000.1等速上升24001.65减速上升12000.1平均负荷平均转速由设计条件：疲劳寿命要求为20000小时此为普通运转机构，故动额定负荷（三）基本静额定负荷计算（其中）考虑设计条件和经济性等选择滚珠丝杠型式：SFI02505-4，轴颈25mm，导程5mm。5.2 伺服电机的选择（一）惯性矩1) 丝杆轴：2) 可动部：3) 传动件惯性矩总和：（二）驱动扭矩的计算1) 外部负荷造成的摩擦扭矩(a) 等加速下降时(b) 等速度下降时(c) 等减速度下降时(d) 等加速度上升(e) 等速度上升(f) 等减速度上升时2) 角加速度造成的惯性扭矩拟选用型号ECMA-C0807伺服电机，其。3) 总扭矩(a) 等加速下降时：(b) 等速下降时：(c) 等减速下降时：(d) 等加速上升时：(e) 等速上升时：(f) 等减速上升时：最大扭矩发生在等加速上升时故选型合适。5.3 光轴与直线轴承的选择在本机械手结构中，由于光轴主要起导向和抑制偏载作用，提升重量取决于丝杠负载，与轴无关。且负载重心与丝杠中心基本重叠的；行程相对较小；丝杠和轴两端固定安装的；丝杠与轴平行性较好。故光轴的选择根据经验选定为20mm至30mm，考虑到支撑轴中间可以穿入电线或其他线缆，同时可以减轻机械重量，经反复讨论，选定为下部支撑光轴采用直径30mm，内径20mm的空心光轴，长度为500mm；上部支撑光轴采用直径25mm，内径15mm的空心光轴，长度为500mm。相应直线轴承根据结构确定为LM30与LM25。5.4 本章小结本章主要通过计算，经验等形式对机械手的手臂升降部分进行了设计，主要包括滚珠丝杠的选型，伺服电机的选型，以及直线光轴的确定等。然后用Solidworks画出三维图见图5.3，用AutoCAD画出部分零件二维图（见附图）。图5.3 机械手手臂升降部分6 手臂旋转部分的设计图6.1 整体结构图6.1 转盘轴承的选择计算条件：由以上计算有，,，.其结构简图如图6.1所示：设计计算：计算机械手转盘轴承处需要静负荷与倾覆力矩（安全系数）静负荷：倾覆力矩：由于其转速不高，而且考虑机械结构，经讨论选用四点接触球转盘轴承，内径135mm，外径234mm，高38mm。6.2 伺服电机的选择以及减速比的确定根据实际结构结合三维软件辅助设计，确定为转盘轴承上安装齿轮的形式驱动，通过多次绘图模拟确定，转盘轴承上齿轮模数为2，齿数为120个；驱动齿轮模数为2，齿数为20个。为降低整机零件的多重性，故拟选择伺服电机为750W,与上一样，此时假设伺服电机减速器的减速比为R。计算折算到电机轴上的转动惯量：按照负载惯量3倍电机转子惯量的原则，则故选择减速比为7的伺服减速机。6.3 本章小结本章结合设计软件，计算确定了手臂旋转所使用的转盘轴承，齿轮传动结构，伺服电机，以及相应减速器。然后用Solidworks画出三维图见图6.2,用AutoCAD画出部分二维图（见附图）。图6.2 机械手手臂旋转部分7 气动系统的设计7.1 气压系统的工作原理图 图7.1 气压系统工作原理图机械手的气压系统工作原理由上图7.1所示，压缩空气通过快速接头接入机械手内的气动三联件（空气过滤器、减压阀和油雾器），而气体的通断靠常闭电磁阀控制，当电磁阀通电时，气阀接通，压缩气体经真空发生器通过消声器向外排出，而此时真空发生器的另一端产生负压，促使空气由真空吸盘吸入，从而将工件吸住，达到取料的目的。而图中的压力传感器则用于检测真空吸盘处的压力值，及时反馈给PLC，以便确定是否吸料成功，从而达到不丢件的目的。7.2 气动系统相关部件的选择在满足材料使用质量功能的基础上，应尽可能选择性价比较高的产品。对此，我们经过市场调查选定：气动三联件品牌为YOLON/元隆，型号为AC4000-04；电磁阀OLK，型号为3V410-15；真空发生器规格为CV-20LS；压力传感器品牌SUNX松下神视，规格为DP-101；真空吸盘规格PFYK-30-S。8 机械手控制系统设计8.1 机械手的工艺过程机械手的工作除吸料外均由伺服电机驱动，分析工艺过程，一般将机械手放于两冲压机床之间，机械手的初始位置停在原点（原点应在两机床之间以防止回零时发生碰撞），按下启动后按扭后，机械手将原点上升左（右）摆下降吸料上升右（左）摆下降放料上升左摆到原点,动作完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右摆、左摆等动作转换以及吸放料，都是由PLC来控制的。为了确保安全，机械手吸料到位后，必须在冲压机床冲压完上一工件时才能继续实现放料，若上次搬到冲床上的工件尚未冲压完毕，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个感应开关，以检测“冲床待工”信号。为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。a.手动工作方式：利用按钮对机械手相应动作进行控制。例如，按下“左摆” 按钮，机械手向左摆臂；按下“右摆”按钮，机械手向右摆臂。手动操作主要用于调整机械手的工作位置以及紧急停车后控制机械手使其返回原点。b.单步运行方式：从原点开始，按照程序的顺序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作，直至完成所有动作。c.单周期运行方式：按下启动按钮，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。d.连续运行方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连 续工作方式下设置两种停车状态：.正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成当前工作周期的工作后，自动返回原点并停车；.紧急停车：在发生事故或出现紧急状况时停车。当按下紧急停车按钮，机械手随即停止于当前状态。当故障排除以后，需要手动操作机械手回到原点。8.2 机械手控制系统主要硬件的选择（一）根据输入/输出点数选择 PLC 型号1) 输入信号位置检测信号：1.上下轴有下限、原点、上限三个接近开关；2.摆臂轴有左限位、原点、右限位三个接近开关；3.伸缩轴有原点一个接近开关；4.旋转轴有原点一个接近开关。故共需要8个输入端子。“冲床待工”信号：用接近开关作检测元件，需要1个端子。“工作方式”选择开关：有手动、单步、单周期和连续 4 种工作方式，需要4个输入端子（如果采用人机界面，则此端子可忽略）。手动操作：需要有下降、上升、右摆、左摆、伸出、收缩、吸料、放料8个按钮，由于吸料、放料只需通断电，故其只需一个端子，所以共需要7个输入端子（如果采用人机界面，则此端子可忽略）。自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车3个按钮，由于紧急停车的特殊性，必须引出端子，也需要3个输入端子（如果采用人机界面，则此端子可忽略，则只需1个端子）。以上共需要23个输入端子（或者10个输入端子）。另外，由于采用伺服电机，必须有伺服反馈，如伺服启动完毕，零速度检出，远点回归完成，目标位置到达，异常报警等信号，共4组，需要端子20个。2) 输出信号PLC 的输出用于控制机械手的下降、上升、右摆、左摆、伸出、收缩、吸料、放料以及四个伺服电机转速的控制等，共需要20个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个原点指示灯，也需要1个输出点，共需要4个输出点（如果采用人机界面，则此端子可忽略）。机械手报警需要一个指示灯，需要1个端子。共需要25个（或者21个）。由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上要求可以驱动伺服电机。因此选择台达品牌PLC以跟伺服电机跟好匹配,根据所需的 I/O 总点数并留有一定的备用量，可选用型号为DVP64EH00T，其输入和输出各32点，晶体管输出型。（二）伺服电机驱动器的选择根据前几章设计选择的伺服电机，选择与之匹配的伺服驱动器。即型号为ECMA-C20602的400W伺服电机配以型号为ASD-B2-0221-B的伺服驱动器；型号为ECMA-C0807的750W伺服电机配以型号为ASD-B2-0721-B的伺服驱动器。其中，400W伺服一台需要ASD-B2-0221-B的伺服驱动器一台；750W伺服电机三台需要ASD-B2-0721-B的伺服驱动器三台。（三）人机界面的选择考虑市场采购环境，从同一经销商处购买商品比较受优惠，选用台达人机触摸屏界面型号为DOP-B05S111的5.7寸触摸屏。8.3 PLC控制伺服电机范例下面以台达ASDA伺服简单定位演示系统为例，简单说明一下PLC如何控制台达伺服电机。（一）控制要求1) 由台达PLC和伺服电机组成一个简单的定位控制演示系统。通过PLC发送脉冲控制伺服，实现原点回归、相对定位和绝对定位功能的演示。图8.1 定位示系统2) 监控画面：原点回归、相对定位、绝对定位。演示系统结构图如上图8.1所示。（二）元件说明表8.1 PLC软元件说明表PLC软元件说明M0原点回归开关M1正转10圈开关M2反转10圈开关M3坐标400000开关M4坐标-50000开关M10伺服启动开关M11伺服异常复位开关M12暂停输出开关（PLC脉冲暂停输出）M13伺服紧急停止开关X0正转极限传感器X1反转极限传感器X2DOG（近点）信号传感器X3来自伺服的启动准备完毕信号（对应M20）X4来自伺服的零速度检出信号（对应M21）X5来自伺服的原点回归完成信号（对应M22）X6来自伺服的目标位置到达信号（对应M23）X7来自伺服的异常报警信号（对应M24）Y0脉冲信号输出Y1伺服电机旋转方向信号输出Y4清除伺服脉冲计数寄存器信号Y6伺服启动信号Y7伺服异常复位信号Y10伺服电机正方向运转禁止信号Y11伺服电机反方向运转禁止信号Y12伺服紧急停止信号M20伺服启动完毕状态M21伺服零速度状态M22伺服原点回归完成状态M23伺服目标位置到达状态M24伺服异常报警状态（三）台达伺服驱动器参数必要设置表8.2 台达伺服驱动参数设置表参数设置值说明P0-022伺服面板显示脉冲指令脉冲计数P1-002外部脉冲输入形式设置为脉冲+方向P1-010位置控制模式（命令由外部端子输入）P2-10101当DI1=On时，伺服启动P2-11104当DI2=On时，清除脉冲计数寄存器P2-12102当DI3=On时，对伺服进行异常重置P2-13122当DI4=On时，禁止伺服电机