悬挂式液压搬运机械手.doc

目录目录 摘要摘要 3 前言前言 4 第第 1 1 章章 概论概论 6 1 11 1 毕业设计的课题题目名称毕业设计的课题题目名称 6 1 21 2 机械手的工作过程及要求机械手的工作过程及要求 6 1 31 3 机械手设计的内容机械手设计的内容 6 1 41 4 机械手设计的意义和目的机械手设计的意义和目的 7 第第 2 2 章章 文献综述文献综述 8 2 12 1 工业机械手的应用工业机械手的应用 8 2 32 3 工业机械手发展趋势工业机械手发展趋势 10 第第 3 3 章章 总体方案设计总体方案设计 11 3 13 1 机械的功能分析机械的功能分析 11 3 23 2 机构设计机构设计 12 3 33 3 电控系统设计电控系统设计 15 3 43 4 调速方案的设计调速方案的设计 16 第第 4 4 章章 机械系统设计机械系统设计 18 4 14 1 总体介绍总体介绍 18 4 24 2 各部分的结构设计 特点 功用及有关计算各部分的结构设计 特点 功用及有关计算 19 第第 5 5 章章 电控系统设计电控系统设计 32 5 15 1 硬件电路设计硬件电路设计 32 5 25 2 软件电路设计软件电路设计 36 第第 6 6 章章 机械手的使用和维护机械手的使用和维护 40 6 16 1 机械手的性能介绍机械手的性能介绍 40 6 26 2 机械手的使用和维护机械手的使用和维护 40 第第 7 7 章章 总结和体会总结和体会 42 第第 8 8 章章 谢辞谢辞 44 参考文献参考文献 45 2 第 2 页 摘要摘要 随着自动化技术的发展 工业机械手也得到了迅速的发展和更为广泛的应用 本文研究的是其中的一种 悬挂式液压搬运机械手 通过可编程控制器 PLC 进 行控制 方便快捷的实现了作业的任务要求 同时 机械手以悬挂的方式操作 体 积较小 不占用太大的空间 有利于生产车间的布置 采用液压传动 可以使传动 平稳 保证较准确的工作要求 关键词 悬挂式关键词 悬挂式 液压传动液压传动 PLCPLC 机械手机械手 3 第 3 页 前言前言 从世界上第一台遥控机械手于上世纪 60 年代诞生以来 到现在有近 50 年的历 史了 在这近 50 年里 伴随着计算机技术 自动控制理论以及相关技术的发展 为 了适应工业自动化生产的要求 工业机器人得到了迅速的发展 如今已经历了三代 的发展历程 可编程的示教再现机器人 基于传感器具有一定自主能力的机器人 智能机器人 机器人技术是综合了计算机技术 控制理论 机构学 传感技术 信息技术 人工智能和仿生技术的一种高新技术 不仅能简单的代替人工劳动 而且综合了人 的特长和机器特长 可以长时间持续工作 精度较高 能对环境状态进行快速的反 应和分析能力 具有抗恶劣环境能力 工业机器人作为机电一体化的自动化生产设 备 特别适合于多品种 变批量的柔性生产 对稳定 提高产品质量 提高生产效 率 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用 现在工业机械手得 到了广泛的应用 主要有机床加工工件的装卸 电子行业中装配印制电路板 机械 行业中组装零部件 危险场合下危险品及有害物的搬运 宇宙及海洋的开发 军事 工程及生物医学方面的研究和试验等领域 液压传动有许多突出的优点 如具有传动平稳 易于实现无级调速和自动控制 等优点 在机床 锻压机 塑料机械 钢铁工业用的冶金机械 提升装置 轧辊调 整装置等 土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置 河床升降装置 桥梁操纵机构 等 发电厂涡轮机调速装置 核发电厂等国 船舶用的甲板起重机械 绞车 船头 门 舱壁阀 船尾推进器等 特殊技术用的巨型天线控制装置 测量浮标 升降旋 转舞台等 军事工业用的火炮操纵装置 船舶减摇装置 飞行器仿真 飞机起落架 的收放装置和方向舵控制装置等领域得到了广泛的应用 极大的提高了生产率 在 社会的发展的过程中起到了很大的推动作用 在这样的大的背景下 本文提出了悬挂式液压搬运机械手的设计 通过设计 综合运用已经学过的力学 机械设计 机械制图的有关知识 电工技术 电子技术 电气控制技术 检测技术 液压传动技术 计算机技术等方面的知识 设计一个悬 挂式液压搬运机械手 机械手在悬挂在空中的单根工字梁上运动 将一放在某一固定位置的工件搬运 到了另外一处的传送带上 机械手返回原来的固定出 重复上述操作 在机械手的 4 第 4 页 工作过程中 工作部分采用液压驱动 行走部分采用电动机驱动 而抓取部分 采 用电磁吸盘的工作方式 其控制部分采用 PLC 控制 设计主要包括三大部分 系统 的总体设计 机械设计 电控设计 通过这一设计过程 加深对所学知识的了解和运用能力 并加深对机电系统的 了解 并接受基本的机械设计训练和电气控制系统设计的训练 了解和学会一些新 型电控装置的使用 5 第 5 页 第第 1 1 章章 概论概论 1 11 1 毕业设计的课题题目名称毕业设计的课题题目名称 毕业设计的名称是悬挂式液压搬运机械手 1 21 2 机械手的工作过程及要求机械手的工作过程及要求 机械手的工作过程 A 处固定位置由其他的装置供应如图 1 1 所示 在 B 处有 专用的传送带把工件送到其他地方 机械手在悬挂在空中的单根工字钢轨上运动 工字钢的型号是 20b 机械手 AB 图 1 1 机械手运动简图 具体的要求 1 机械手从 A 处取一工件 然后沿轨道运动 把工件搬运到 B 处的专用传送带上 2 机械手返回 A 处 3 机械手重复第 1 步和第 2 步 当 A 处固定位置没有 工件时 机械手不工作 处与空闲等待状态 1 31 3 机械手设计的内容机械手设计的内容 设计的内容由三大部分组成 系统的总体设计 机械系统设计和电控系统设计 在系统的总体设计阶段 要完成整个系统的运动设计和机构设计 包括用什么 相对运动来完成机械手的工作过程以及如何协调这些运动 要完成系统的功能分配 系统的那些功能有机械部分完成 那些功能有电控部分完成 要完成电控系统总 体方案的设计 是以 PLC 为核心构造电控系统 还是以单片机为核心构造电控系统 如何调速 在机械设计部分 完成机械部分的机构设计 结构设计和零件设计 6 第 6 页 在最后完成的电控系统设计部分 画出电控系统的原理图 1 41 4 机械手设计的意义和目的机械手设计的意义和目的 在设计的过程中 要用到学过的力学 机械设计 机械制图 电工技术 电子 技术 电气控制技术 液压传动技术 计算机技术等方面的知识 通过设计工作 将加深对这些知识的理解 并提高综合运用这些知识的能力 通过设计工作 将加 深对机电系统的了解 并受到基本的机械设计的训练和电气控制系统设计的训练 还将了解和学会一些新型电控装置的使用 如 PLC 和变频器等 同时也将增强与同 行协作的能力 1 5 本课题的内容和要求本课题的内容和要求 1 原始数据 1 生产纲领 100000 件 两班制生产 2 自由度 两个自由度 臂上下运动 收缩 500mm 机械手左右移动 2000mm 2 设计要求 1 机械手结构设计图 装配图 各主要零件图 2 液压原理图 3 机械手三维造型 4 设计计算说明书一份 3 技术要求 主要参数的确定 1 坐标形式 直角坐标系 2 臂的运动行程 伸缩运动 500mm 3 运动速度 使生产率满足生产纲领的要求即可 4 控制方式 起止设定位置 5 定位精度 0 5mm 6 吸盘最大吸重 300kg 7 驱动方式 液压驱动 8 电控方式 PLC 控制 7 第 7 页 第第 2 2 章章 文献综述文献综述 2 12 1 工业机械手的应用工业机械手的应用 工业机械手应用概述工业机械手应用概述 工业机械手是近几十年来出现的一种技术装备 随着工业自动化的发展 随着电 子技术特别是电子计算机的广泛应用 机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速 发展起来的一门新兴技术 它更加促进了机械手的发展 使得机械手能更好地实现与 机械化和自动化的有机结合 机械手逐渐成为一门新兴的学科 并得到了更快的发展 工业机械手是一种模仿人手动作 在生产过程中代替人来进行繁重 危险 重复等作 业 并按设定的程序 轨迹和要求代替人手抓取 搬运工件或操持工具进行操作的机 电一体化自动化装置 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大等特点 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 例如 1 机床加工工件的装卸 特别 是在自动化车床 组合机床上使用较为普遍 2 在装配作业中应用广泛 在电子行 业中它可以用来装配印制电路板 在机械行业中它可以用来组装零部件 3 可在劳 动条件差 单调重复易子疲劳的工作环境工作 以代替人的劳动 4 可在危险场 合下工作 如军工品的装卸 危险品及有害物的搬运等 5 宇宙及海洋的开发 6 军 事工程及生物医学方面的研究和试验 7 特别是在笨重 高温 有毒 危险 放 射性 多粉尘等恶劣的劳动环境中 机械手由于其显著的优点而受到特别重视 广泛 地应用于锻压 冲压 铸造 焊接 装配 机加 喷漆 热处理 物流自动化 物料 装卸 塑料业 交通运输业等各个行业 生产中应用机械手可以大大提高生产的自动 化水平和劳动生产率 2 22 2 工业机械手的组成 工业机械手的组成 工业机械手的组成工业机械手的组成 机械手主要由执行机构 控制系统 驱动系统以及位置检测装置等组成 其相互 之间的关系方框图如下图 2 4 所示 8 第 8 页 图 2 1 a 执行机构包括 手部 手腕 手臂 行走机构 回转机构 机座等 手部 即与工件接触的部件 主要有夹持式和吸附式两种 如图 2 2 圆形电磁吸 盘 图 2 2 手腕 连接手部和手臂的部件 起调整或改变工件方位的作用 手臂 支撑手部和手腕 以改变工件的空间位置 行走机构 主要是为了完成较大距离的操作和使用范围 机座 机械手的基础部分 机械手的执行机构和各部件均安装与此 起支撑的 作用 回转机构 为了完成空间不同方位的任务 b 驱动系统 即驱动执行机构运动的传动装置 常用的有 液压传动 气压传 动 电力传动 机械传动等四种形式 c 控制系统 主要是电气控制和射流控制两种 但一般常见的是电气控制 电 气控制还主要有以 PLC 和单片机为核心构造电控系统为主 控制系统支配机械手按特 定的程序运动 并记忆人们给与机械手的指令信息 同时按其控制系统的信息对机构 发出指令 必要时可对机械手的动作进行监控 当动作有错误或发生故障时即发出警 控制系统驱动系统执行机构被抓取工件 位置检测装置 9 第 9 页 报信号 d 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 2 32 3 工业机械手发展趋势工业机械手发展趋势 目前工业机械手的应用不断扩大 技术性能也在不断提高 其发展的趋势是 一 扩大机械手在热加工行业中的应用 二 提高工业机械手的工作性能 三 发 展组合式机械手 四 研制具有视觉和触觉的智能机器人 国外机器人领域发展近 几年有如下几个趋势 1 工业机器人性能不断提高 高速度 高精度 高可靠性 便于操作和维修 2 机械结构向模块化 可重构化发展 3 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 4 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环境建模及决策控制 多传感 器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用 5 虚拟现实技术在机器人中的作用 已从仿真 预演发展到用于过程控制 如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业 环境中的感觉来操纵机器人 6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系 统 而是致力于操作者与机器人的人机交互控制 即遥控加局部自主系统构成完整 的监控遥控操作系统 使智能机器人走出实验室进入实用化阶段 7 机器人化机械 开始兴起 从 94 年美国开发出 虚拟轴机床 以来 这种新型装置已成为国际研究 的热点之一 纷纷探索开拓其实际应用的领域 10 第 10 页 第第 3 3 章章 总体方案设计总体方案设计 3 13 1 机械的功能分析机械的功能分析 3 1 13 1 1 功能实现功能实现 在本次的设计中 悬挂在空中单根工字梁上运动的机械手 要实现的功能是 将固定在 A 处的工件搬运到有专门传输带的 B 处 在整个工作过程中 机械有上 升运动 下降运动 水平运动 机械手抓取部分的抓紧和放松运动等几部分组成 要 实现上述工作过程 机械手必须能够具有准确的控制要求 才能够精确的实现工 作要求 达到每一步的工作目标 完成所预定的工作任务 在这一过程中 根据工作的任务和过程要求可以分析出 机械手的整个工作 过程中 只需要完成几个直线运动 而不需要旋转运动或曲线运动来完成作业的 要求 运动过程中 机械手一般须经历加速运动 减速运动 停止 然后进行下 一个工步的作业 其工作的过程也就是机械手最初在初始位置 检测到 A 处有工 件 夹轨器工作 机械手下降 移动到下极限位置 接触到下极限开关 SQ2 时 停止下降 电磁吸盘开始工作 吸取工件 为了吸盘能够稳定的吸取工件 延时 2 秒 之后机械手上升 在到达上极限位置 即接触到上极限位置开关 SQ1 时 机械手停止上升 同时夹轨器放松 驱动电机正转 机械手左行 到达做极限位 置 接触到左极限开关 SQ4 时停止左行 同时夹轨器工作夹紧导轨 机械手停止 2 秒之后 机械手开始下降 同样在到达下极限位置时 接触到下极限位置开关 SQ2 停止下降 电磁吸盘放松工件 滞留 2 秒之后 机械手上升 在到达上极限 位置 并接触到上极限位置开关 SQ1 之后停止上升 接着机械手右行 在到达右 极限位置并接触到右极限位置开关 SQ3 时使之接通之后 机械手停止右行 然后 机械手下行 重复上述工作过程 3 1 23 1 2 机械手功能流程图与工步实现机械手功能流程图与工步实现 根据上述的功能要求 实现和工作过程的分析 确定其功能流程图如下所示 11 第 11 页 图 3 1 机械手功能流程图 YA1 电磁阀下降 YA2 上升控制电磁阀 YA3 电磁吸盘控制 YAJ 夹轨器 KA1 驱动电机正转 KA2 驱动 电机反转 启动按钮 SB0 正转按钮 SB1 反转按钮 SB2 复位按钮 SB3 上限位开关 SQ1 下限位开关 SQ2 右行 程开关 SQ3 左行程开关 SQ4 检测开关 TD 由于机械手不需要旋转和曲线运动 所以机械手在下降和上升阶段只需要完 成沿竖直方向的运动即可 而在右行和左行的阶段只需要完成沿导轨的水平运动 即可 3 23 2 机构设计机构设计 在本此设计中 机械手所要抓取的工件重量在 300 公斤之内 属于较轻的工 件 也因此所设计的机械手的体积不能够太大 要考虑它的使用性能和安装要求 以及经济性 3 2 13 2 1 结构方案比较结构方案比较 最初的方案结构为图 3 2 所示改进后的方案如图 3 3 和 3 4 所示 12 第 12 页 图 3 2 原始方案图 图 3 3 改进后的方案图 1 13 第 13 页 图 3 4 改进后的方案图 2 根据设计的需要 在原始方案的基础上 改进了方案 如上图所示 在设计的 过程中还将作适当的调整 通常机械系统的传动形式有气压传动 液压传动 机械传动 电动传动等多种 形式 而在实际的应用当中 应用较为广泛的和常见的是液压传动和气压传动 它 们各有自己的传动特点和优势 3 2 23 2 2 液压传动系统液压传动系统 液压传动系统的主要优缺点是 1 功率密度较大 能够输出较大的力和力矩 执行机构在相同的条件下 重量远比电气元件轻 运动惯性小 响应速度快 2 易于实现大范围的无级调速 3 易于实现过载保护 4 容易和电气控制相结合 实现自动控制 5 标准化程度高 执行元件布置灵活 易于设计和制造 液压传动系统其主要的缺点 1 由于液压装置工作的时泄漏很难避免和油液的可压缩性 液压传动不 适宜要求严格的定比传动中 2 由于油液流动时的损失较大 系统容易发热 产生振动和温升 3 液压传动系统要求细心维护 而且出现故障不易检查 要求维修人员 有较高的技术水平 3 2 33 2 3 气压传动系统气压传动系统 14 第 14 页 气压传动系统的主要优点 1 传动介质取之不尽 对环境无污染 2 空气的黏度小 便于集中供气和远距离传送 3 气动元件结构简单价格较低 使用安全 没有防爆问题 适宜石油 矿山等领域 气压传动系统的主要缺点 1 空气的压缩性大 气动系统的稳定性差 效率低 2 排气噪声大 3 输出功率小 综上所述 液压与气压传动各有自己的优点和缺点 结合本次设计的要求 我 们采用液压传动系统 3 33 3 电控系统设计电控系统设计 本次设计中 所要控制的对象是一个液压搬运机械手 要实现较为准确的定位 控制要求 液压工业机械手的控制系统一般是通过控制液压缸电磁换向阀来实现不 同的动作的 有采用单片机控制的 也有采用可编程控制器来控制的 它们各有自 己的控制特点 3 3 13 3 1 单片机的应用特点单片机的应用特点 若采用单片机控制 由于电磁阀的工作电压高于单片机电源的5伏 所需驱动电 流较大 因而需设计功率接口电路 还要进行抗干扰及其可靠性的设计 采用PLC控 制 则无需考虑上述题 PLC以其高可靠性 灵活性 丰富的I O接口等优点而被广 泛应用于各种自动化生产没备和生产线上 3 3 23 3 2 PLCPLC控制应用的特点控制应用的特点 可编程控制器可以实现开关量的逻辑控制 运动控制 闭环控制和过程控制 可以进行数据处理 可以组成网络控制 是具有完善控制功能和数据处理功能的工 业控制计算机 是一种全能型的控制器 可编程控制器是一种好用 易用 应用广 泛的控制装置 是自动控制的核心设备 利用可编程控制器可以快速 可靠 经济 地构建控制系统 它具有以下特点 1 以可编程控制器为核心构造控制系统所需的周期短 15 第 15 页 2 可编程控制器易学易用 使用可编程控制器 只是根据实际需要 选用 合适的可编程控制器及其外围设备 编制好程序 连接好外部接线 3 可编程控制器通用性和适应性强 可编程控制器是主流的控制设备 在旧 机器的自动化改造中 在新机器上 在新的生产线上 机械行业 轻工行业 电力 行业等各行各业 可编程控制器得到了大量而广泛的应用 4 可编程控制器的可靠性高 抗干扰能力强 5 可编程控制器的维护性好 由于其成熟的技术和完善的质量保证体系 可 编程控制器故障发生率小 其硬件部分基本不需要维护 并且具有完善的自诊断和 显示功能 6 可编程控制器的体积小 能耗低 其内部的核心电路都是集成的电子电路 工作电压为几伏或几十伏 因此功耗很低 3 3 33 3 3 可编程控制器与其他控制系统的比较可编程控制器与其他控制系统的比较 使用单片机控制系统 可以针对特定的需要配置出一个最优的控制系统 可以 编写效率较高的控制软件 但这不仅需要配置 制造 测试计算机软件系统 接口 电路 驱动电路 还要开发系统软件 系统软件和用户软件用汇编语言或高级的语 言编写是一个很费事费力的事 需要很长的周期 而且对开发者的要求也高 可编程控制器是专门为工业控制现场应用而设计的控制器 硬件结构结实可靠 硬件部分已经系列化 有各种各样的实现特定功能的模块 从简单控制到复杂控制 都有合适的产品 可根据不同的需要灵活配置 输入和输出直接连接到其 I O 接口 上 不需要编写系统软件 用户程序使用梯形图语言编写 直观易懂 综上所述的各种控制器的特点 结合已经学过的有关知识 考虑当前的实际要 求 时间较为紧张 为了更好的运用和巩固所学知识 固选用 PLC 可编程控制器控 制 3 43 4 调速方案的设计调速方案的设计 在常用的工业生产和实际的生活运用中 应用较多的驱动方式是直流电机驱动 交流电机驱动 但由于它们的速度较高 而我们实际所需要的速度较低 这就需要 进行调速处理 通常 直流电机用调压调速的方式获取我们需要的速度 交流电机 用变频调速以获取我们需要的速度 液气压传动采用节流调速来改变所需要的速度 16 第 16 页 它们各有自己的优缺点 调压调速的特点 调压调速能够无级调速 但当电压降低时 转矩也按电压的 平方比例减小 所以调速范围不大 节流调速的特点 节流调速回路有定量泵 流量控制阀 溢流阀 液气压执行 元件组成 并用改变流量阀开口大小的方法来遏制流过阀的流量 以调节执行机构 的运行速度 其优点是调节范围较大 能获得低速的运动 而且结构简单 成本低 使用维护方便 但这种调速方法能量损失大 效率低温升高 所以一般多用于功率 不大的系统 如各类机床的传动装置中 在所设计的工业机械手中 主要的运动是行走机构的水平运动和液压缸的竖直 运动 行走机构应用交流电机驱动 宜采用变频调速 液压缸的上升和下降运动 可以采用节流调速的方式 17 第 17 页 第第 4 4 章章 机械系统设计机械系统设计 4 14 1 总体介绍总体介绍 本次设计的机械手整体其组成共有三大部分 分别为行走机构 液压缸部件 和电磁吸盘三大部分 根据设计的需要 综合考虑设计 制造等因素 最终确定如下图的方案 其装 配的主视图 俯视图 左视图 轴测图分别如图 4 1 图 4 2 图 4 3 图 4 4 所示 图 4 1 主视图 18 第 18 页 图 4 2 俯视图 图 4 3 左视图 图 4 4 轴测图 4 24 2 各部分的结构设计 特点 功用及有关计算各部分的结构设计 特点 功用及有关计算 4 2 14 2 1 行走机构行走机构 19 第 19 页 行走机构是整个机械手工作的基础部分 整个机械手的运动 工作过程都要借 助于行走机构来实现 在电动机的带动下 通过安装在支架上的轴承和传动轴 由 同步皮带轮 传递到车轮轴上的带轮上 从而带动机构沿工字钢导轨运动 进而实 现机械手的搬运功能 行走机构的支架主要靠焊接而成 如下图 4 6 所示 这主要是由于制造和安装 的需要 同时也由于焊接结构有其特有的优点 节省材料和工时 能化大为小 拼 小成大 易于实现制造 这样整个结构制造起来就简单容易 图 4 5 行走机构图 同步齿形带传动综合了带传动和链传动的特点 它允许有较大的中心距 结构 简单 制造按装和维护方便 成本底廉 同步带的强力层为多股绕制的钢丝绳或玻璃纤维绳 基本为氯丁橡胶和聚氨脂 橡胶 带内表面为离形 工作时 带内环表面上的齿和带轮外缘上的齿相啮合而进 20 第 20 页 行传动 带的强力层承载后变形小 其周节保持不变 故带和带轮之间没有相对滑动 保证同步传动 图 4 6 行走机构轴测图 底座上有四个安装孔 其中的两个采用螺栓连接 另外两个采用螺栓与螺母连 接的方式 用于连接与液压系统的上端盖 使之成为一个有机的整体 由于在支架两个立板之间的距离是有限的 同时安装轴承的孔的空间也是有限 的 小于车轮的挡圈 为了便于安装 采用了类似减速箱的安装方法 这样就可以 方便的将车轮安装在支架上 而上下两部分之间的连接采用了六个 M16X100 的螺栓 既使结构紧凑又可以满足强度的要求 4 2 24 2 2 驱动电机的选择驱动电机的选择 通过 SolidEdge 三维设计软件 可以估算整个结构的重量在 420kg 左右 加上 工件的重量 M v M 7 8 0 4 0 18 282kg 4 1 我们取为 300kg 这样整个机械手工作时的总重量约为 720kg 根据工字钢的结构整个 机构的总压力 F m m0 g 7000N 4 2 21 第 21 页 从上图可以计算出作用在钢轨上的压力 F0 1 2F 6 3453N 4 3 37 钢与钢之间的滚动摩擦系数为 f 0 08 则它们之间的滑动摩擦力 F1 Ff0 276N 4 4 则所需的转矩为 M0 RF1 1 42N 机械手所允许的最大行进速度为 则所需的功率 P 为sm 2 P 276 2 552W 4 5 根据上述计算我们选用 YS 8022 型号的电动机 其主要的参数如下表 4 1 所示 型号电 压 V 频率 Hz 输出功率 W 转速 r min 效率 功率因数 cos 电流 A 启动 转矩 最大 转矩 启动电 流 YS 8022380501100280080 50 862 552 22 46 0 表 4 1 YS 8022 电机主要参数 其主要的安装尺寸如表 4 2 所示 结合工作的实际 设计成两端传动的结构形式 图 4 8 电机安装图 安装尺寸外形尺寸不大于机 座 号 ABC D j6 EF N9 GHKABACAEHDL 45715628 007 0 002 0 9 20 004 0 029 0 3 7 2 0 5 0 45 4 890100115150 22 第 22 页 表 4 2 YS 8022 电机安装尺寸 4 2 34 2 3 同步齿型带的设计同步齿型带的设计 已知该设备的电机额定功率已知该设备的电机额定功率 P P 1 1kw1 1kw 转速 转速 n1n1 2800r min2800r min 的的 YS8002YS8002 变频电机 变频电机 大带轮转速大带轮转速 1000r min1000r min 中心距 中心距 a a 为为 140mm140mm 左右 每日三班制工作 左右 每日三班制工作 解解 1 1 确定计算功率确定计算功率 PcPc 根据已知工作条件查表根据已知工作条件查表 8 278 27 取 取 KAKA 1 81 8 则 则 PcPc KA PKA P PcPc 1 8 1 11 8 1 1 1 98KW1 98KW 2 2 选定带型和节距 选定带型和节距 PbPb 根据根据 PcPc 1 98KW1 98KW 和和 n1n1 2800r min2800r min 由图 由图 8 198 19 查出带型为查出带型为 L L 型 对应的节距型 对应的节距 PbPb 9 525mm9 525mm 3 3 选定小带轮齿数 选定小带轮齿数 Z1Z1 和带轮直径和带轮直径 d1d1 d2d2 由表由表 8 288 28 查得小带轮齿数查得小带轮齿数 ZminZmin 1616 取小带轮齿数 取小带轮齿数 Z1Z1 1616 小带轮节圆直径小带轮节圆直径 d1d1 Z1Pb Z1Pb 16 9 525 16 9 525 48 535mm48 535mm 大带轮齿数大带轮齿数 Z2Z2 n1 n2 z1n1 n2 z1 2800 1000 162800 1000 16 44 8mm44 8mm 4 4 校核带速校核带速 v v V V d1n1 60000 d1n1 60000 48 535 2800 60000 48 535 2800 60000 7 11m s Vmax7 11m s Vmax 50m s50m s 23 第 23 页 带速符合要求 带速符合要求 5 5 确定中心距确定中心距 a a 及带长及带长 LpLp 初定中心距初定中心距 a0a0 0 7 d10 7 d1 d2 a0 2 d1d2 a0 2 d1 d2 d2 0 7 d10 7 d1 d2 d2 0 7 48 5350 7 48 535 145 145 135mm135mm 2 2 d1 d1 d2 d2 2 48 5352 48 535 145 145 387 07387 07 根距机器的结构要求 取根距机器的结构要求 取 a0a0 140mm140mm 带长带长 L0L0 为为 L0L0 2a02a0 2 d1 2 d1 d2 d2 d2 d2 d1 d1 2 2 4a0 4a0 2 140 2 140 2 48 535 2 48 535 145 145 145 145 48 535 48 535 2 2 4 500 mm 4 500 mm 582mm582mm 由表由表 8 238 23 取标准节线长取标准节线长 LpLp 582mm582mm 带的齿数 带的齿数 Z Z 6060 带的长度代号为 带的长度代号为 230230 因为轴间距可调整 则实际中心距因为轴间距可调整 则实际中心距 a a 为为 a a a0a0 Lp Lp L0 2L0 2 140 140 584 584 582 2 582 2 141mm141mm 6 6 计算小带轮的齿合数计算小带轮的齿合数 ZmZm ZmZm ent Z1 2ent Z1 2 PbZ1 2 PbZ1 2 2 2a Z2a Z2 Z1 Z1 ent 16 2ent 16 2 9 525 16 2 9 525 16 2 2 2141 48141 48 16 16 6 6 7 7 计算基本额定功率 计算基本额定功率 P0P0 由表由表 8 138 13 查得查得 L L 型带的基准宽度型带的基准宽度 bs0bs0 25 4mm25 4mm 基准宽度基准宽度 bs0bs0 的带的许用工作的带的许用工作 拉力拉力 TaTa 244N244N 带的单位长度质量 带的单位长度质量 m m 0 095kg m0 095kg m 则 则 P0P0 Ta Ta m m 2 2 v 1000 v 1000 244 244 0 095 7 110 095 7 112 2 7 11 1000 7 11 1000 24 第 24 页 1 31kw1 31kw 8 8 确定带宽确定带宽 bsbs 由于由于 Zm 6Zm 6 取 取 KzKz 1 1 bsbs bs0bs0 25 4 41 1 0 KzPPc 41 1 31 1 98 1 10 3mm 由表查得带宽代号为 050 的 L 型带的 bs 12 7mm 9 计算轴上的压力 F F 1000Pc v 1000 1 98 7 11 278N 10 设计结果 同步带规格为 230L050 GB11616 89 小带轮齿数 Z1 16 大带轮齿数 Z2 60 中心距 a 141mm 轴上压力 F 278N 4 2 44 2 4 轴的设计轴的设计 通常现场对于一般轴的设计方法有类比法和设计计算法两种 1 类比法 此方法是根据轴的工作条件 选择与其相似的轴进行类比及结构设计 画处轴的 零件图 用类比法设计轴一般不进行强度计算 由于完全依靠现有资料及设计者 的经验进行轴的设计 设计结果比较可靠 稳妥 同时又加快设计进程 因此类 比法比较常用 但此方法有时带有一定的盲目性 2 设计计算法 用设计计算法设计轴的一般步骤为 1 根据轴的工作条件选择材料 确定许用应力 2 按扭转强度估算出轴的最小直径 25 第 25 页 3 设计轴的结构 绘制出轴的结构草图 4 按弯扭合成进行轴的强度校核 一般在轴上选取 2 3 个危险截面进行强度校 核 如果危险截面强度不够太大 则必须重新修改轴的结构 5 修改结构后在进行校核计算 6 绘制轴的零件图 本次设计机构可知传递功率属于小功率 对材料无特殊要求 故选用 45 钢 并 调置处理由表 13 2 查锝 1 b 60MPa 确定主动轴的轴径 按扭转强度计算轴径 根据表 13 1 锝 C 118 107 又由式 13 2 得 D C 107 118 18 1 22 3mm 3 nP 3 1000 98 1 考虑到轴的最小直径处要安装连联轴器 会有键槽存在 故将估算直径加大 3 5 取为 19 28 24 2mm 由设计手册取标准直径 d1 20mm 确定轴上零件的位置和固定方式 选用齿轮从轴的右端转配齿轮的左端用轴环定位 右端用套筒定位 齿轮的周向 固定采用平键联接 轴承安装两侧定位其轴向用轴肩定位 径向用过盈配合固定 4 2 54 2 5 液压系统设计液压系统设计 在机械手的工作过程中 电磁吸盘的上下运动 主要通过机械手的上升和下降运 动实现的 而机械手的上升和下降运动是由液压驱动系统控制的 在机械手的下降 运动阶段 油从上油口进入 而下面的油箱有一定的背压 这样机械手在上下油压 的作用下 加上活塞以及活塞杆和电磁吸盘的自身重力 平稳的往下运动 而在上 升阶段 液压油从下面的进油口进油 有上下油腔的压力差 使机械手上升 26 第 26 页 图 4 9 液压子部件轴测图 我们设计的液压缸 活塞及活塞杆的结构如下图所示 其中我们将活塞及活塞 杆作为一个整体进行设计 图 4 10 液压部件 图 4 11 液压缸 27 第 27 页 图 4 12 活塞及活塞杆 通过 SolidEdge 三维设计软件的工具 物理属性功能估算机械手在工作时液 压缸活塞所承受的重量为 480 千克 由此进行以下的计算 选定工作压力 3MPa 建立如图 4 14 的力学方程 图 4 14 液压缸计算简图 P1A2 P2A1 F 4 6 其中 P1 为进油腔的压力 A2 为进油腔的有效面积 P2 为出油腔的压力 背 压 A1 为出油腔的有效面积 F 为工作时的载荷 当活塞杆受拉时 选定活塞杆与液压缸内径的比值 V d D 0 5 4 7 根据系统特点及调速性能的要求 选定背压 P2 为 0 2MPa 则有 D 4F P1 P2 1 v2 85mm 4 8 根据设计的需要和有关液压缸内径的有关标准 选定液压缸的内径为 100mm 则活塞杆的内径 d 为 50mm 设定液压缸的移动速度最大为 0 02m s 最小为 0 01m s 则在上升的阶段有 v q A 得 q D2 d2 v 4 7 065L min 4 9 由于此系统是低压系统 所以不需要进行校核计算 根据上述设计画出液压系统的原理图如图 4 15 所示 28 第 28 页 图 4 15 液动系统原理图 4 2 64 2 6 电磁吸盘的设计电磁吸盘的设计 由于圆形电磁吸盘的整个磁路结构像一个圆盘 磁通经过一个几乎密封的气隙 能产生很大的吸力 结构简单 动作快 控制功率小 鉴于上述优点我们选用电磁 式吸盘 由上述计算可以知道 工件的重量的是 300kg 由此可以确定电磁吸盘的吸力是 300kg 由此进行以下计算 设定圆形吸盘的外轮廓尺寸为 900mm 其结构如图所示 1 计算磁感应强度 B B 5000 5800Wb 4 10 S F 2 cm 其中 F 为工件的重量 S 是空气隙的横截面积 单位是 2 cm 修正后 Bcm B 11600 高斯 其中 2 2 初算总的安匝数 IW IW 2B 0 1 10 6 5800 安匝 4 11 其中 1 2 2 0 5 2 5mm 取为 0 2 3 确定线圈尺寸 选定电压 24V 外壳的厚度取为 10mm 取 DH 120 bk IW 2 20 f 2 27 5mm 4 12 29 第 29 页 其中 电阻系数 0 01754 线圈的温升取为 80 填空系数 fk 0 45 线圈的高度与宽度的比值 取为 3 散热系数 m 0 0011 k l 线圈的有关尺寸如图 4 13 所示 其中 Dcp D1 D2为线圈的平均直径 为 1 D 线圈的内径 为线圈的宽度 其单位都为米 则 k b d 4 DcpIW U 1 4 4 13 取导线直径 d 2mm 图 4 16 线圈尺寸图 4 线圈匝数 W IW I IW jq 1933 匝 4 1 4 其中 q1 4 d2为导线的横截面积 j 3A 圆整线圈匝数 W 为 1940 修 2 mm 正 bk Wd220 24 8 4 15 取为 20mm 则有 k bk6 73mm k b 5 核算线圈的温升 U2 R mS1 4 16 R Dcp q W 4 17 R 为线圈的电阻 q 为导线的横截面积 为线圈的平均直径 m 2 mm CP D 1 S 为散热的表面积 U 为线圈的电压 V S1 Dh mD1 k 1403 2 4 18 2 cm 30 第 30 页 为一系数 取为 2 4 m 则有 R 9 46 符合要求 根据上述计算 设计的吸盘的结构为 图 4 17 电磁吸盘剖面图 图 4 18 电磁吸盘轴测图 31 第 31 页 第第 5 5 章章 电控系统设计电控系统设计 5 15 1 硬件电路设计硬件电路设计 5 1 15 1 1 PLCPLC 的选择的选择 机械手的功能工作是顺序工作过程 因此机械手可以用可编程控制器的 S 电 器来设计 根据设计的要求和工作过程 结合上面确定的功能流程图 其转移 条件如图 5 1 所示 图 5 1 机械手功能流程图 YA1 电磁阀下降 YA2 上升控制电磁阀 YA3 电磁吸盘控制 YAJ 夹轨器 KA1 驱动电机正转 KA2 驱动 电机反转 启动按钮 SB0 正转按钮 SB1 反转按钮 SB2 复位按钮 SB3 上限位开关 SQ1 下限位开关 SQ2 右行 程开关 SQ3 左行程开关 SQ4 检测开关 TD 机械手的工作阶段及负载如表 5 1 所示 序号顺序工作阶段选定的状态继电器负载 1 机械手在初始位置 S0 YAJ 通电 2 机械手下降 S10 YA1 通电 32 第 32 页 3 机械手抓紧工件 S11 YA3 通电 4 机械手上升 S12 YA2 通电 5 机械手左行 S13 KA1 通电 6 机械手停止左行 S14 YAJ 通电 7 机械手下降 S15 YA1 通电 8 机械手放松工件 S16 YAJ 通电 9 机械手上升 S17 YA2 通电 10 机械手右行 S18 KA2 通电 表 5 1 机械手的工作阶段及负载 根据上述的输入输出分析 选用型可编程控制器 MRFX N 48 2 5 1 25 1 2 I OI O 端子分配及电路图端子分配及电路图 输入信号输入端子控制对象输出端子 SB0X000 YA1 电磁阀 Y000 SB1X001 YA2 电磁阀 Y001 SB2X002 YA3 电磁吸盘 Y002 SB3X003 YAJ 夹轨器 Y004 SB4X004 KA1 电机正转 Y005 SQ1X005 KA2 电机反转 Y006 SQ2X006 SQ3X010 SQ4X011 TD0X012 表 5 2 I O 端子分配 I O 连接图主电路图如下 33 第 33 页 图 5 2 变频器与电机的连接 34 第 34 页 图 5 3 可编程控制器的连接图 35 第 35 页 图 5 4 液压泵的系统图 其中 SB5 为液压泵停止按钮 SB6 为液压泵启动按钮 KM0 为接触器有它 们单独控制液压电机的运转 5 25 2 软件电路设计软件电路设计 5 2 15 2 1 状态转移图状态转移图 状态转移图如下所示 36 第 36 页 图 5 5 状态转移图 5 2 25 2 2 梯形图梯形图 根据图 5 5 的状态转移图 并考虑启动 停止 复位 电机的正反转等操 作 画出步进梯形图 如图 5 6 所示 37 第 37 页 图 5 6 梯形图 5 2 35 2 3 程序程序 0 LD X003 1 OR M0 2 ANI M2 3 ANI X005 4 OUT M0 5 LD X000 6 ANI M0 7 OR M1 8 ANI M2 38 第 38 页 9 OUT M1 10 LD X004 11 OR M3 12 ANI X003 13 OUT M2 14 LD X001 15 OR M3 16 ANI X002 17 ANI X004 18 ANI X003 19 OUT M3 20 LD X002 21 OR M4 22 ANI X001 23 ANI X003 24 ANI X004 25 OUT M4 26 LD M8002 27 SET S0 28 STL S0 29 SET M100 30 LD M1 31 ANI X012 32 SET S10 33 STL S10 34 OUT M101 35 LD X006 36 OR M2 37 AND M1 38 SET S11 39 STL S11 40 OUT T0 41 SET M102 42 LD T0 43 K 2 44 OR M2 45 SET S12 46 STL S12 47 OUT M103 48 LD X005 49 OR M2 50 SET S13 51 STL S13 52 OUT M104 53 RST M100 54 LD X011 55 OR M2 56 SET S14 57 STL S14 58 OUT T1 59 K 2 60 SET M105 61 LD T1 62 OR M2 63 SET S16 64 STL S16 65 OUT T2 66 K 2 67 RST M102 68 LD T2 69 OR M2 70 SET S17 71 STL S17 72 OUT M107 73 LD X005 74 OR M2 75 SET S18 76 STL S18 77 OUT M108 78 RST M105 79 LD X010 80 OR M2 81 OUT S0 82 RET 83 LD M100 84 OR M105 85 OUT Y004 86 LD M101 87 OR M106 88 OUT Y000 89 LD M102 90 OUT Y002 91 LD M103 92 OR M107 93 OR M0 94 OUT Y001 95 LD M104 96 OR M3 97 OUT Y005 98 LD M108 99 OR M4 100 OUT Y006 101 END 39 第 39 页 第第 6 6 章章 机械手的使用和维护机械手的使用和维护 6 16 1 机械手的性能介绍机械手的性能介绍 本次设计所设计的机械手所要搬运的工件如图 6 1 所示 其长度为 500mm 宽 度为 400mm 高度为 180mm 体积可以表示为 500 400 180 3重量由前所述可得 为 282kg 图 6 1 工件 所设计的机械手的总重量有 SolidEdge 三维软件可以估算 约为 420kg 其运 行的最大速度设定为 2m s 在水平方向的速度为 2m s 液压缸运行的最大速度设定 为 0 02m s 最小速度设定为 0 01m s 机械手不能够做回转运动 由于液压缸的工作压力为 3 所以液压系统所能够提升的重量为 a MP G PS g 30g 3 502 4 10 30 10 322kg 6 1 所以所设计的机械手所能提起的重量最大为 300kg 6 26 2 机械手的使用和维护机械手的使用和维护 在机械手的使用过程中 要严格按照有关的操作规程操作 注意不要超过机械 手的最大行程和最大速度 在机械手的使用期间 要定期的检查液压系统是否漏油 检查轴承是否磨损 检查轴承的润滑好不好 是不是能够正常地工作 要定期的进行润滑 润滑油可选 用 L AN 系列的 液压设备检修的安全要求 40 第 40 页 1 设备应停于检修位置 或处于检修状态 有保险装置的设备 必须落实保险 不能停于检修位置 或处于检修状态时 必须采用支承物将其固定 防止设备误动 作发生 2 液压设备检修时 必须做到系统卸压 并采取相应的安全技术措施 然后作 业人员方可检修 3 液压设备系统安全卸