PLC控制机械手机身回转蜗轮蜗杆重载传动总体方案设计.doc

目 录第1章 PLC控制机械手机身回转蜗轮蜗杆重载传动总体方案设计11.1结构及原理分析11.2总体结构图1第2章 机械手机身回转蜗轮蜗杆重载传动部分计算与设计22.1电机的选择22.1.1步进电机速度的计算22.1.2步进电机功率的计算22.2 蜗轮蜗杆的计算32.2.1选择齿轮材料及传动类型32.2.2 接触疲劳强度计算32.2.3弯曲疲劳强度校核52.2.4刚度的校核52.3 主轴的计算与校核72.3.1选择轴的材料72.3.2估算轴的直径72.4蜗杆轴的计算82.4.1选择轴的材料82.4.2 估算轴的直径82.5轴承的选择与寿命计算92.5.1滚动轴承的选择92.6 键连接的选择和验算92.6.1键连接的类型和尺寸选择92.6.2对轴上键联接的强度校核92.7连轴器的选择2第3章 电路系统的设计23.2控制系统的组成结构113.2控制系统的性能要求113.3传感器的选择123.31位置检测装置123.4控制系统PLC的选型及控制原理133.4.1 PLC控制系统设计的基本原则133.4.2 PLC种类及型号选择173.4.3 机械手控制原理173.4.4 I/O分配表183.4.5 I/O硬件连接图183.4.6 程序流程图19第4章 设计体会20参考文献2第1章 PLC控制机械手机身回转蜗轮蜗杆重载传动总体方案设计1.1结构及原理分析PLC控制机械手机身回转是由PLC、传感器、电动机、支座、机械传动系统等组成。当接通电源后， PLC得到行程开关发来的信号，控制电动机的启停、正反转，电动机通过联轴器带动机械传动部分，传动部分由蜗轮蜗杆组成，蜗轮带动主轴旋转进而带动整个机身回转，实现了机械手的回转运动。1.2机械手机身传动的总体结构图 图1.1第2章 机械手机身回转蜗轮蜗杆重载传动部分计算与设计2.1电机的选择2.1.1步进电机速度的计算选用步进电动机,因为可控制步进电动的转速,进而控制机身回转的速度.步进电机的运行频率跟转速成正比，可以通过计算公式，计算出步进电机的转速。 步进电机转速 = 频率*60/200*x （2-1）其中：步进电机的转速单位是：分/转 频率单位是：赫兹x实指细分倍数。步进电机采用整步，即1细分；运行频率20KHZ,套用公式：20000*60/200=6000转/分2.1.2步进电机功率的计算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P=M (2-2)=2n/60 (2-3)P=2nM/60 (2-4) 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米。P=2nM/60=260004.2/60=2.637KW本设计要用到的有1个步进电机，按工作要求及工作条件选择，可选择步进电机型号是90BYG250B。技术参数如下表： 表1 2.2蜗轮蜗杆的计算2.2.1材料选择及传动类型蜗杆采用45刚,表面硬度45HRC:蜗轮材料选用ZUuSu10Pb1,砂磨铸造选用阿基米德螺杆传动。2.2.2 接触疲劳强度计算（1）齿数：取=2，=220=40（2）许用接触应力 应力循环次数J 为蜗轮每转一圈每个齿轮的啮合数 蜗轮的转速 工作寿命 N (2-6) 基本许用应力查表得：=200MPa 许用接触应力：=MPa （2-7）（3）计算蜗轮转矩 =9549=9549200.8=67.2N.m （2-8）载荷系数 K= （2-9）查得 蜗杆传动的载荷平稳 =1.0,假设蜗轮的速度小于3m/s，则=1.04,则 K=1.01.01.04=1.04.弹性系数 .计算 当=2时，9470cos9296，故： 9470cosK 92601.0467.2 =367.5 （2-10）根据367.5 查得=446.5时的和m因、都未定，故为初步设计 m=3.15mm， =45mm（4）传动基本尺寸蜗轮分度圆直径传动中心距a =403.15=126mm （2-11） a= （2-12）取中心距离a=100mm（5）蜗杆导程角 =7.97 （2-13） 蜗杆齿宽（11+0.06）m =（11+0.0640）3.15=42.21mm （2-14） 蜗轮齿宽 =+2ha*m =45+213.15 =51.3mm （2-15） 查得：0.75=0.7551.3=38.5mm，故取38mm（6）确定精度等级 蜗轮圆周速度 =1.98m/s (2-16) 所以选择7级精度。2.2.3弯曲疲劳强度校核（1）许用弯曲应力 基本许用应力：=64MPa 许用弯曲应力=MPa (2-17)（2）弯曲应力计算当量齿数 =41.2 (2-18) 查表得齿形系数YF=1.72 螺旋角系数：=1-=0.94 (2-19) 负荷系数：查得 由于=1.98m/s，查表得=1.1，=1 K=11.11=1.1 (2-20) 弯曲应力 (2-21) =12.8 故安全。2.2.4 刚度的校核（1） 蜗杆的刚度校核： （2-22） 蜗杆轴惯性矩： （2-23）蜗杆的切向力 ： （2-24） 法向力： （2-25）径向力 ： =81.3N （2-26）取 0.0041=即蜗杆的刚度要求满足。2.3 主轴的计算与校核2.3.1选择轴的材料轴的材料为45号钢，调质处理。2.3.2估算轴直径根据蜗轮直径可知=30mmd=（110160）=19.528.3 （2-27） 取d= d= 25 C 取1.6= d+(34)C=25+(34) 1.6=24.635.2 查表取=30 =26mm= +(34)C=26+(34) 1.6=24.652.2 查表取=50mm查标准值得=36mm根据轴承选择=40mm=35mm根据轴承选择=40mm=35mm1.已知：n1=6000r/min，T1=36.3Nm，Ft=2 T1/d1=（236.3）/5=14.1N （2-28）Fr=（Ft/cos）tann=（14.1/cos11.48）tg20=8.6N （2-29）Fa=Fttan=14.1tg11.48=12.2N （2-30）2弯矩计算水平面支承反力面： Rv1=72Ft/214 =7214.1/214=7.1NRv2=142Ft/214 =14214.1/214=13.98 N （2-31）垂直面支承反力：Rh1=(-d2Fa/2)+ 72Fr/214=5.6 N （2-32）Rh2=(d2Fa/2)+ 142Fr/214=6.4 N （2-33）水平弯矩： MH =72Rv2 =7213.98=940.26 Nmm （2-34）垂直弯矩： Mv1=72Rh2=726.4=452.8 Nmm Mv2=142Rh1=1425.6=720.2 Nmm合成弯矩： M1=（MH2 +Mv12）0.5 =1010.235 Nmm （2-35） M2=（MH2 +Mv22）0.5 =1203.652 Nmm转矩按脉动循环变化处理 即=0.6 按表得b-1=54N/mm2 Mca1= M1=1010.235 Nmm Mca3=T=0.62253=1202.8 Nmm Mca2= M22+（T）2 0.5 =（1010.2352+1202.82）0.5=1432.14 Nmm（2-36）ca2=Mca2/W=1432.14/0.1463=6.9N/mmb-1=54N/mm 2 （2-37）ca3=Mca3/W=1202.8/0.1283=3.2N/mmb-1=54N/mm 2 安全2.4蜗杆轴的计算2.4.1选择轴的材料 轴的材料选45钢，调质处理2.4.2估算轴直径P=P= 2.6370.861=2.271KW i= = =300r/min d=（110160）=21.531.4 取d= d= 25 C 取1.6= d+(34)C=25+(34) 1.6=24.635.2 查表取=30 =+(13) = 3133 圆整取=35mm=30mm根据轴承选定=25mm2.5 轴承的选择与寿命验算2.5.1滚动轴承的选择蜗轮轴选用圆锥滚子轴承圆柱齿轮轴选用深沟球轴承对于蜗杆:根据=35查得选30207 D=72,B=17对于主轴：根据=25查得选6205 D=52,B=15根据=40查得选6208 D=80,B=18根据=35查得选6207 D=72,B=172.6键联接的选择和验算2.6.1.键联接的类型和尺寸选择由于齿轮为8级精度要求，有较高的对中性要求，故选用平键联接查手册得：当时，键的剖面参考轮毂长度选键长，键的材料选45号钢2.6.2.对轴上键联接的强度校核键联接的失效形式是轴、轮毂和键三个零件中较弱零件的压溃。故应进行挤压强度校核。键工作长度：L=L-b=28-8=20mm 由表查得：p=50N/mm2 p=4T/dhL=440260/20820=30.5N/mm2 p，安全2.7连轴器的选择根据公称转距选择联轴器根据Tc=KT =1.352.6=68.68N.m，选公称转距Tc=125 Nm的联轴器确定轴的直径为d1=8mm，D=15，质量=2kg。为防止联轴器串动，所以选择TL4连轴器。第3章 电路系统的设计机械手控制系统的设计是整个机械手设计的关键和核心。它在结构和功能上的合理划分与巧妙实现，对提高机械手整体可靠性、实用性具有重要的意义，同时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。为此本章在分析了当前机械手广泛采用的控制器结构及PLC的发展之后，提出了采用PLC的控制方法。3.1 控制系统的组成结构机械手的控制系统一般是使机械手运动协调为目的，包括高性能的计算机及相应的系统硬件和控制软件。机械手的控制部分可分为4个部分：机械手及其感知器、环境、任务、控制器。机械手是由各种机构组成的装置，它通过感知器的内部传感器实现本体和环境状态的检测和信息交互；环境即指机械手所处的周围环境；任务是指机械手要完成的操作，它需要适当的程序语言描述，并把它们存入控制机中，随着系统的不同，任务的输入可能是程序方式，或文字、图形或声音方式；控制器包括软件和硬件两大部分，相当于机械手的大脑，它以计算机或专用控制器运行程序的方式来完成给定的任务。控制系统的硬件一般包括3个部分：(1) 感知部分 用来收集机械手的内部和外部的信息，如位置、速度、加速度传感器可接受机械手的本体状态，而视觉、触觉、力觉等传感器可感受机械手的工作环境的外部状态。(2) 控制装置 用来处理各种信息，完成控制过程，产生必要的控制指令，它包括计算机相应的接口等。(3) 驱动部分 为了使机械手完成操作功能，机械手各关节可选用气动、液动、电气等方式驱动。3.2 控制系统的性能要求对于一般的控制系统有以下控制的要求：(1) 稳定性 稳定性是系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏离平衡点恢复到原平衡点状态的能力。稳定性是一般自动控制必须满足的基本要求，对稳定性的研究是自动化控制系统中的一个基本问题。 (2) 过渡过程性能 描述过渡过程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系统由初始状态运动到新的平衡状态时具有较小的超调和震荡性；系统由初始状态运动到新的平衡状态经历的时间表示系统过渡过程的快速程度。(3) 稳态误差 稳态误差是在过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。控制系统的稳态误差越小，说明控制精度越高。因此，稳态误差是衡量控制系统性能好坏的一项重要指标，控制系统设计的任务之一就是在兼顾其他性能指标的情况下，使稳态误差尽可能小或者小于某个允许的限制值。3.3 传感器的选择传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。根据本设计的要求需要对位置检测装置传感器进行选用。位置检测装置检测机械手动作是否到位。3.3.1 位置检测装置在本设计中，当机械手执行左旋/右旋动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。本设计中采用直线接触式行程开关检测机械手动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。3.4 控制系统PLC的选型及控制原理3.4.1 PLC控制系统设计的基本原则一、 PLC机型的选择 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： (1) 确定合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。考虑此系统控制比较简单，应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适。(2) 确定合理的安装方式 PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。 （3)满足相应的功能要求 一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。 对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。此系统只需用开关量控制，选用一般小型PLC即可。(4)满足响应速度要求 PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。 本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速IO处理功能的PLC。 (5)满足系统可靠性要求 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。本系统选用一般系统PLC能够满足要求，不需要考虑太多此方面的问题。 二、 确定PLC的容量PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面。1）确定系统的实际输入点数系统由启动按钮SB1、停止按钮SB2、急停按钮SB3、超左旋限位传感器ST1、超右旋限位传感器ST2，共有5个输入点。2）确定系统的实际输出点数系统有手臂左旋、右旋2个输出点。(1) 系统存储容量的选择 PLC的IO点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20到30的裕量。 存储容量（字节）开关量IO点数10 模拟量IO通道数100A=7*10+0*100 =70（字节） 另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。但是，本课题要求的存储容量很低，一般的PLC能够满足，所以我们不需要考虑存储容量。三、 确定PLC的IO模块 一般IO模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的IO模块有开关量IO模块、模拟量IO模块及各种特殊功能模块等。不同的IO模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。根据本课题要求，不需要用到模拟量IO模块及各种特殊功能模块，所以只需要对开关量IO模块选择即可。 （1）开关量输入模块的选择 开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面： 1）输入信号的类型及电压等级 开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。 开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5、12、24、48、60等；交流110、220等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5、12、24用于传输距离较近场合，如5输入模块最远不得超过十米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。本系统传输距离较近可选择24直流输入。 2）输入接线方式 开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。 汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。所以本系统考虑价格便宜问题，且输入信号之间不需要分隔，选用汇点式较合适。 3）输入门槛电平 为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。（2）开关量输出模块的选择 开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面： 1）输出方式 开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。 继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。 对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。 本系统为中小型生产线自动控制系统，需要考虑价格相对要便宜，而本系统对动作速度要求不高，所以选择继电器输出作为输出方式。 2）输出接线方式 开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。 分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。本系统选择分组式输出。 3）驱动能力 开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。 4) 输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。3.4.2 PLC种类及型号选择PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据前面确定的PLC点数：实际输入点5点，实际输出点2点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为48点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面。本系统可选择PLC型号为：FX2N64MR001，合计总数64点32点输入，DC24V，32点继电器输出；尺寸（mm）：2208790，其性能、价格都优于其他PLC。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，它能最