PLC控制工业机械手加工自动线设计.doc

（论 文）设计(论文)题目：PLC控制工业机械手加工自动线设计目 录摘 要1ABSTRACT2第一章 PLC 的 概 述31.1 PLC的定义及特点31.2 PLC的应用及发展方向41.3 PLC的主要技术指标及组成6第二章 应用系统总体方案设计82.1 PLC控制系统原理82.2 系统的运行方式8第三章 系统硬件设计103.1 工艺要求103.2 设备状况103.3 控制功能103.4 齿轮的设计113.5 步进电机的计算和选用153.6 螺栓的选择183.7 液压缸的组成以及设计步骤20第四章 系统软件设计234.1 I/O点数和种类234.2 根据I/0点数、能力和响应速度选择PLC型号234.3 现场器件与PLC内部等效继电器地址编号的对照表284.4 PLC与现场器件的实际安装接线图314.5 完整顺序控制程序结构安排314.6 各模块程序设计314.7 生产线控制总程序37致谢39参 考 文 献40摘 要 本文主要介绍以模拟生产实际的自动线为对象，通过齿轮的设计、螺栓的选择、步进电机的选择、利用电子、机械、检测技术融为一体的PLC控制技术，实现自动线的上料、输送、夹紧加工、转位、夹紧加工、松卸多种动作的加工自动线设计。实现PLC控制的多样性和柔性化控制要求，其中包括PLC的选型、通过齿轮的设计、螺栓的选择、步进电机得选择、系统的运行方式、步进电动机的PLC控制、工业机械手的PLC控制。关键词： PLC 步进电动机 工业机械手ABSTRACT The main introduction of this text regards producing the real transfer machine in simulation as the target , Through the design of gear bolts selection，utilize control technology of PLC that the electron, machinery, detection technique combine together, realize variety and flexibility that PLC controls control and require，Including the selecting type of PLC, Gear Design，Bolt selection，systematic operation way, PLC which walks into the motor controls, PLC of the industry manipulator controlsKey words ：PLC walks into the motor industry manipulato第一章 PLC 的 概 述1.1 PLC的定义及特点可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。由此可见，PLC实质上是一种面向用户的工业控制专用计算机，它与通用计算机相比尤其自身的特点。(1) 可靠性高，抗干扰能力强 PLC采用了LSI芯片，组成LSI的电子组件都是由半导体电路组成的。硬件方面首先对元器件进行了严格的筛选和老化。 在软件方面采取数字滤波、故障检测与诊断程序，能自动扫描PLC的状态和用户程序，一旦发现出错后，立即自动做出相应的处理，如报警、保护数据封锁输出等。 (2) 编程软件简单易学 PLC有中编程语言可供选选用，最大的特点是采用从清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图作为编程语言，梯形图是面向控制过程，面向操作人员的语言。(3) 适应性好，具有柔性 正是PLC编程简单易学、控制程序可变，使其具有较好的柔性。当生产工艺改变、生产设备更新时，不必改变PLC的硬设备，只需改变相应的软件，就可满足新的控制要求了。（4） 功能完善，接口多样 PLC除基本单元外，还可以配上多种特殊的适配器，不仅具有数字量和模拟量的输入输出、顺序控制、定时计数等功能，还具有模/数(A/D)、数/模（D/A）转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等功能。 （5） 易于操作、维护方便 PLC安装方便、具有DIN标准导轨安装用卡口。PLC连接方面具有输入/输出端子排，连线不用焊接，只要用螺丝刀就可以将PLC与不同的控制设备连接。（6） 体积小、重量轻、功耗低 PLC采用LSI或VLSI芯片，其产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低。1.2 PLC的应用及发展方向（1） PLC的应用1) 开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2）模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。4）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。5）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。6）数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。7）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。（2） PLC发展趋势应用领域向高速度、大容量方向发展（1） 为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。 在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。 1）向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。 小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司系列PLC。 2）PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力 为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。 加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。 3）增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。4）编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。1.3 PLC的主要技术指标及组成PLC的性能指标：（1） 存储容量存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。(2) I/O点数输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。(3) 扫描速度扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。(4) 指令的功能与数量指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。 (5) 内部元件的种类与数量在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。（6） 特殊功能单元特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大(7) 可扩展能力PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。PLC的基本组成 ： PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。 1 中央处理器 中央处理器(CPU)由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。 2 存储器 PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。 1) 系统程序存储器 PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。 2) 用户程序存储器 用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。 3) 数据存储器 PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据和组态数据，这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。 3 接口 输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。 1) 输入接口 输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。 2) 输出接口 输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)、指示灯、数字显示装置和报警装置等。 4 编程器 编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等 5 电源 PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。 第二章 应用系统总体方案设计2.1 PLC控制系统原理 2.2 系统的运行方式用PLC构成的控制系统有三种运行方式,即自动、半自动和手动。1.自动运行方式。自动运行方式是控制系统的主要运行方式。这种运行方式的主要特点是在系统工作过程中，系统按给定的程序自动完成被控对象的动作，不需要人工干预。系统的启动可由本身的启动系统进行也可由发动启动预告，由操作人员确认并按下启动响应启动响应按钮后，自动启动系统。2.半自动运行方式。这种运行方式的特点是系统在启动和运行过程中的某些步骤需要人工干预才能进行下去。半自动方式多用于检测手段不完善，需要人工判断或某些设备不具备自控条件需要人工干涉的场合。3.手动运行方式。手动运行方式不是控制系统的主要运行方式，而是用于设备调试、系统调整和特殊情况下的运行方式，因此它是自动运行方式的辅助方式。与系统运行的方式的设计相对应。第三章 系统硬件设计3.1 工艺要求加工自动生产线的工艺要求是以机械加工自动线为对象，实现自动线的上料、输送、夹紧加工、转位、夹紧加工、松开、卸料多种动作的模拟加工自动线设计。采用小型压缩机组（功率为0,气源压力为0.41.6Mpa，负载力80、运动速度03m/min、控制精度在2mm以内、输送采用步伐式间歇方式，工作节拍在1分30秒2分30秒内可调。）为动力,用小型气动元件、行程开关、接近开关、光电开关、可编程控制器（）来实现动作要求。3.2 设备状况自动线的上料采用气缸的动作又由相应的电磁阀来控制。自动线的输送动作由步进电动机带动实现间隔输送，实现设计要求的输送状况。从输送带到夹紧加工过程是利用简单机械手（）控制对象实现工件的加工，再利用机械手送回由步进电机控制的传送带上，继续下一个工位的操作。用简单机械手（）实现工件的转位加工，用机械手（）实现卸料的动手，至此完成整个生产线的动作过程。其中机械手（）、机械手（）、机械手（）的全部动作都由气缸驱动，其中上升、下降动作由上升下降气缸完成;夹紧、放松动作由夹紧放松气缸完成；右转、左转由右转左转气缸完成。所有气缸的动作又由相应的电磁阀来控制。其中上升下降气缸和左转右转气缸分别由双线圈两位电磁阀控制。上升下降、左转右转分别上升下降电磁阀、左转右转电磁阀控制。机械手的放松夹紧气缸由一个单线圈两位置电磁阀控制，当该线圈通电时，机械手夹紧，该线圈断电时，机械手放松。为了使机械手在工作过程中实现自动或半自动运行，选用限位行程开关（上升、下降、左转、右转位置控制）和光电开关（有工件检测）给相应电磁阀传递启动信号。3.3 控制功能由工艺要求和设备状况设计系统的类型、规模、机型、模块、软件等内容。生产线控制系统应有如下功能要求：（）自动操作。系统自动操作启动，自动生产线按要求自动运行。（） 手动操作。就是用按钮操作对机械手和其他动作的每一种运动单独进行控制。（） 复位操作。根据上述功能要求，控制系统需要设计成单级控制系统，以实现对系统各驱动器件的控制。运行方式需要选用自动运行方式和手动运行方式以实现不同情况的动作要求。3.4 齿轮的设计齿轮的设计参数电动机的驱动传递功率P=10KW小齿轮转速n1=955r/min传动比i=4 载荷平稳 使用寿命10年单班制工作（） 选择齿轮材料及精度等级左齿轮选择45钢调质，硬度为220250HBS;右齿轮选用精度用45钢正火，硬度为170210HBS。因为起重机，由表一选八级精度，要求齿面粗糙度Ra3.26.3um. 表一 常见机器中齿轮的精度等级 机器名称 精度等级 机器名称精度等级 七轮等级 金属切削机床 轻型汽车 载重汽车 拖拉机 3-6 3-8 5-8 7-9 6-8 通用减速器 锻压机床 起重机 矿山用卷扬机 农业机械 6-8 6-9 7-10 8-10 8-11 （2） 按齿面接触疲劳强度设计 因两齿轮均为钢质齿轮，可以应用d176.43求出d1的值 1） 转矩T1 T1 =9.55106Pn1=9.55106N.mm=105 N.mm表二 载荷系数查表2取K=1.1工 作 机 械载荷特性 电 动 机电动机多缸内燃机单杠内燃机 均匀加料的运输机和加料机、轻型卷扬机、发电机、机床辅助传动均匀、轻微、冲击11.21.21.61.61.8不均匀加料的运输机和加料机。重型卷扬机、球磨机、机床主传动中等冲击1.21.61.61.81.82.0冲床、钻床、轧机、破碎机、挖掘机大的冲击1.61.81.92.12.22.4 3） 齿数Z1和齿宽系数d 左齿轮的齿数Z1取为25，则右齿轮齿数Z2=100.因齿轮为对称布置而齿轮齿面为软齿面，有表三选取d=1.表三 齿宽系数d齿轮相对于轴承的位置齿 面 硬 度软齿面（350HBS）硬齿面(350HBS)对称布置0.81.40.40.9不对称布置0.61.20.30.6悬臂布置0.30.40.20.254） 许用接触应力H 查机械设计基础第二版得Hliml=560Mpa Hlim2=530Mpa由表四查得SH=1表四安全系数SH和SF安全系数软齿面（350HBS）硬齿面(350HBS)重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮SH1.01.11.11.21.3SF1.3 1.41.41.61.62.2 N1=60njlh=609551(105240)=1.21109 N2=N1 /i=1.21109/4=3.03108 查机械设计基础第二版资料得 ZNT1=1 ZNT2=1.06 由式H=HlimZNT/ SH得H1=Hlim1ZNT1/ SH =1560/1MPa=560MPa H2 = Hlim2ZNT2/ SH=1.06530/1MPa562MPa故d1= 76.43 =76.43 =58.3m= d1/z1=58.3/25=2.33由表五取标准模数m=2.5表五 渐开线齿轮的模数第一系列 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 第二系列1.57 2.25 2.75 3.25 3.5 3.75 4.5 5.5 6.5 7 9 11 14 18 22 28 30 36 45（3）主要尺寸得计算d1=mz1=2.525=62.5d2=mz2=2.5100=250b=d d1=162.5=62.5经圆整后取b2=65 b1 =b2+5 a=m（z1+ z2）/2=2.5（25+100）=156.25（4）按齿根弯曲疲劳强度校核 由式F=2KT1YFYS/bmd1=2KT1YFYS/bm2z1F得出F如果FF则校核合格。确定有关系数与参数：1）齿形系数YF查表六得YF1=2.65 YF2=2.18表六 标准外齿轮得齿形系数Z 12 14 16 17 18 19 20 22 25 28 30 35 40 45 50 60 80 100 200YF 3.43.22 3.03 2.97 2.91 2.85 2.81 2.75 2.65 2.5 2.5 2.4 2.4 2.30 2.22.18 2.14 2）应力修正系数Ys查表七得Ys1=1.59 Ys2=1.80表七 标准外齿轮得应力修正系数YsZ 12 14 16 17 18 19 20 22 25 28 30 35 40 45 50 60 80 100 200Ys1.441.4 1.511.531.541.5 1.561.581.5 1.61 1.65 1.67 1.6 1.71 1.73 1.771.801.883）许用弯曲应力F 查机械设计基础第二版资料得Hlim1=210MPa Hlim2=190MPa查表八得SF=1.3查机械设计基础第二版资料得YNT1= YNT2=1可得F1=Hlim1YNT1/ SF=210/1.3 MPa=162 MPaF2=Hlim2YNT2/SF=190/1.3 MPa=146 MPa故F1=2KT1YFYS/bmd1=2KT1YFYS/bm2z1=21.11052.651.59/65252.52=91 MPaF1 =163 MPaF2=F1 YF2YS2/ YF21YS1=912.181.8/2.651.59 MPa=85 MPaF2=146 MPa齿根弯曲强度校核合格。表八 安全系数SH和SF安全系数软齿面（350HBS）硬齿面（350HBS）重要传动、铸造齿轮SH1.01.11.11.21.3SF1.31.41.41.61.62.2（5）验算齿轮得圆周速度VV=d1n1/601000=62.5955/601000m/s=3.13由表九可知，选八级精度式合适得。表九 常用精度等级齿轮得加工方法齿轮的精度等级6级（高精度）7级（较高精度）8级（普通）9级（低精度）加工方法用展成法在精密机床上精磨或精剃用展成法在精密机床上精插或精滚，对淬火齿轮需磨齿或研齿等用展成法插齿或滚齿用展成法或仿形法粗滚或型铣削齿面粗糙度Ra/um0.80-1.601.60-3.23.2-6.36.3用 途用于分度机构或高速重载的齿轮，如机床、精密仪器、汽车、船舶、飞机中的重要齿轮用于高、中速重载齿轮，如机床、汽车、内燃机中的较重要齿轮，标准系列减速器中的齿轮一般机械中齿轮，不属于分度系统的机床齿轮，飞机、拖拉机中不重要的齿轮，纺织机械，农业机械中的重要齿轮轻载传动的不重要齿轮，低速传动、对精度要求低的齿轮圆周速度V/（m/s）圆柱齿轮直齿151053斜齿2517103.5锥齿轮直齿9632.53.5 步进电机的计算和选用初选步进电机1 . 计算步进电机负载转矩Tm Tm=(360pFm)/(2b) =(3600.0052816)/(23.140.750.980.98)Nmm=111.18Ncm式中: p脉冲当量 (mm/step); Fm进给牵引力 (N); b步距角,初选双拍制为0.75; 电机-丝杠的传动效率为齿轮效率之积，分别为0.98, 0.98。2 ） 估算步进电机起动转矩Tq Tq=Tm/(0.40.5) =111.18/0.4Ncm=277.95Ncm3 ） 计算最大静转矩Tjmax 查表 步 进电 机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866如取4相8拍,则 Tjmax=Tq/0.707=277.95/0.707Ncm=393.14Ncm4 ) 计算步进电机运行频率和最高启动频率最大移动速度（m/min）；最大快移速度（m/min）；脉冲当量；5)初选步进电机型号根据估算出的最大静转矩Tjmax资料中查出110BF003最大静转矩为784NcmTjmax可以满足要求.考虑到此机械手有可能使用较大的启动重量,应该选稍大转矩的步进电机以留有一定的余量,决定采用130BF001步进电机.2.根据草图校核步进电机转矩前面所述初选步进电机的转矩计算,均为估算;初选之后应该进行校核计算.1) 等效转动惯量计算根据简图 经二对齿轮降速时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量J可由下式计算: J=J1+(Z1/Z2)2 (J2+J3)+ G(Lo/2)2/g式中 J1,J2, J3, J4齿轮Z1,Z2, Z3, Z4的转动惯量 (kgcm2) Js滚珠丝杠转动惯量 (kgcm2)L0丝杠导程G工件重量J1=0.7810-3d14L1=(0.7810-34.842)kgcm2=0.83kgcm2J2=0.7810-3d24L2=(0.7810-38.042)kgcm2=6.39kgcm2J3=0.7810-3d34L2=(0.7810-34.042)kgcm2=0.40kgcm2J4=0.7810-3d44L2=(0.7810-35.042)kgcm2=0.98kgcm2Js=(0.7810-32.5435)kgcm2=1.066kgcm2 G=784N齿轮惯量计算对于刚材:J=0.78D4L10-3 刚材的密度为7.810-3kg/ cm3式中 D圆柱体直径(cm); L圆柱体长度 (cm); 刚材的密度为7.810-3kg/ cm3代入上式: J=J1+(Z1/Z2)2 (J2+J3)+ G(Lo/2)2/g =3.93kgcm2 J电机=(14)J N取1.5电机惯量: J电机=1.5J=1.53.93=5.895kgcm2总惯量: J=J电机+J=5.895+3.93=9.825kgcm22 ）电机转矩计算机械手在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:1) 快速空载起动惯性矩 T惯=J=J(2nmax10-2)/(60ta) nmax=(max/p)(b/360)将前面数据代入,式中各符号意义同上 nmax=(max/p)(b/360) =(1200/0.005)(0.75/360)=500r/min起动加速时间ta=150ms T惯=J(2nmax10-2)/(60ta) =88.8(250010-2)/(600.15)Ncm=30.12Ncm2) 快速空载起动 T负1=Tf+To+T惯折算到电机轴上的摩擦转矩TfTf=FoLo/2i=f(FY+G)Lo/2(Z2/Z1) (Z4/Z3) =0.04(3745.5+784)0.5/20.82.08Ncm =8.66Ncm附加摩擦转矩ToTo=FpoLo(1-o2)i/(2)=(1/3)FmLo(1-o2)i/(2) =(1/3)28160.5(1-0.92)0.48/(20.8)Ncm =8.52Ncm 传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8; i传动比; Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N); o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9; T负1 =8.66+8.52+30.12=47.29Ncm3) 快速移动时所需转矩 T负2 T负2=T摩=Tf+To=8.66+8.52Ncm=17.18Ncm4) 最大(直线,匀速)移动负载时所需转矩T负3 T切=(FZLoi)/(2) =(936.40.50.48)/(20.8)=44.732Ncm T负3=T切+T摩=44.732+17.18Ncm=61.912Ncm5) 加速移动 T负4=T切+T摩+T惯 =44.73+17.18+30.12Ncm=92.03Ncm从上面计算可以看出T负1 ,T负2,T负3和T负4四种工况下,以加速移动所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据. T电机静转矩=(25)T负4取2倍 则:T电机静转矩=292.03Ncm=184.06Ncm从资料查出110BF003型步进电机最大转矩为784Ncm,大于所需最大静转矩,以满足此项要求.6)校核步进电机启动矩频特性和运行矩频特性前面计算从图5中查出步进电机允许的最高空载启动频率为 运行频率为 再从资料查出110BF003步进电机启动矩频特性和运行矩频特性可知，当电机启动时，能够满足启动转矩47.29N.cm当快速运动和时完全可以满足要求。3.6 螺栓的选择（1）提高螺栓连接强度措施 螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度。影响螺栓强度的因素很多，主要有螺纹牙间的载荷分配、应力集中和附和应力等。 1）改善螺纹牙间的载荷分配 普通螺栓和螺母的刚度不同、变形不一样，因此各牙受力不均，螺母支撑面上第一圈所受的力为总载荷的1/3以上。 2） 减少螺栓的应力变化幅度 对于受轴向变载荷的紧螺栓的连接，应力变化幅度是影响其疲劳强度的重要因素，应力变化幅度越小，疲劳强度越高。 减小螺栓刚度的办法有：适当增加螺栓长度、减小螺栓光杆直径。 要增大被连接件的刚度，可以从被连接件的结构和尺寸考虑外，还可以采用刚度较大的金属垫或不设垫片。如果同时采用上述两种方法则应力变化幅度的效果会很好。3）减小应力集中 适当加大牙根圆角半径、在螺纹收尾处加工出退刀槽等、都能减少应力集中、提高螺栓的疲劳强度。4） 避免附加应力 由于各种原因使螺母与支撑面的接触点偏离螺栓轴线、使螺栓承受偏心载荷、从而是螺栓杆中产生很大的附加弯曲应力。螺栓设计参数：汽缸内径D=200mm p=1.2Mpa缸盖与缸体之间采用橡胶垫圈密封。螺栓数z=10螺栓分布圆直径 D0=260mm, 确定螺栓直径并检查螺栓间距t及扳手空间是否符合要求。 1 确定螺栓所受的轴向工作载荷F F=N=3770N2计算每个螺栓的总拉力F根据气缸盖螺栓连接的紧密性要求，取残余预紧力F,0=1.8F,由计算螺栓的总拉力的 F=F+ F,0=F+1.8F=2.8F=2.83770=10556 N3确定螺栓的公称直径d(1) 螺栓材料选用35钢有表1查得=315MPa,若装配时不控制预紧力，则螺栓的许用应力与其直径有关，故因采用试算法。假定螺栓直径d=16mm有表2查得S=3则，许用应力【】=MPa=105MPa表1螺纹连接件常用材料的力学性能（摘自GB700-88、GB699-88、GB3007-88） MPa钢号Q215(A2)Q235(A3)354540Gr强度极限335410375460530600980屈服极限（d16100mm）185215205235315355785注：螺栓直径d小时，取偏高值。表2紧螺栓连接的安全系数S（不控制预紧力时）材料静载荷变载荷M6M16M16M30M30M60M6M16M16M30碳素钢合金钢43543242.521.32.5106.57.556.55 （2） 计算螺栓的的小径d1=mm=12.90mm 根据d1的计算值。查手册得螺纹的的外径d=16mm，为标准值，且与假定值相符，故能使用。其标记方法为：螺栓GB/T5780 M16L. (4) 检查螺栓的间距t 螺栓间距 t=mm=81.68mm因表，当p1.6MPa时，压力容器螺栓的间距tA，能满足扳手空间要求。 若螺栓间距t或扳手空间不符合要求，则应重新选择螺栓数目z,再按上述步骤重新计算，直到满足要求为之。3.7 液压缸的组成以及设计步骤 1 液压缸得组成：（1）缸筒和缸盖 一般说，缸筒和缸盖得结构形式和其使用得材料有关。工作压力10MPa是使用铸铁，p20MPa时使用铸铁或锻钢。（2）活塞和活塞杆 活塞和活塞杆得结构形式很多，常见得有锥销式连接外，还有螺纹式连接和半环式连接等。(3) 密封装置 液压缸的密封装置常用得有间隙密封、摩擦环密封、O形圈密封、V形圈密封。（4）缓冲装置 液压缸中缓冲装置的工作原理式利用活塞或缸筒载其走向行程端时在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大得阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞或缸盖相互撞击的目的。 液压缸设计中应注意得问题 液压缸的设计和使用正确与否，直接影响到它的性能和易否发生故障。在这方面，经常碰见的是液压缸安置不当、活塞杆承受偏载、液压缸和活塞下垂以及活塞杆得压杆失稳等问题。所以在设计活塞时，必须注意以下几点：（1）尽量在活塞杆受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的纵向稳定性。（2）考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。缸内如无缓冲装置和排气装置，系统中需有相应的措施。但是并非所有的液压缸都要考虑这些问题。（3）正确确定液压缸的安装、固定方式。如承受弯曲的活塞杆不能用螺纹连接，要用止口连接。液压缸不能在两端用键或销定位，为的是不致阻碍它在受热时的膨胀。如冲击载荷使活塞杆压缩，定位件须设置在活塞杆端，如为拉伸则设置在缸盖端。（4）液压缸的各部分结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑，加工、装配和维修方便。液压缸的设计步骤1) 液压缸主要尺寸的确定 液压缸的缸筒内径D，是根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入的流量来确定。液压缸活塞杆的直径d按工作时的受力情况来决定。液压缸的缸筒长度由最大工作行程决定，缸筒的长度一般最好不超过其内径的20倍。2) 强度校核 液压缸的缸筒壁厚、活塞杆直径d和缸盖处固定螺栓的直径，在高压系统中必须进行强度校核。 缸筒壁厚校核时分薄壁和厚壁两种情况。当D/10时为薄壁，壁厚按下式进行校核pyD/2当D/10时，壁厚按下式进行校核3) 稳定性校核 活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力不能超过它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。活塞杆的临街负载值与活塞杆材料性质、载面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。4)缓冲计算 液压缸的缓冲计算主要是估计缓冲时缸内出现的最大冲击压力，以便用来校核缸筒强度、制动距离是否符合要求。缓冲计算中如发现工作腔中的液压能和工作部件的动能不能全部被缓冲腔所吸收时，制动中就可能产生活塞和缸盖相碰现象。5) 拉杆的计算 有些液压缸的缸筒和两端缸盖是用四根或多根拉杆组装成一体的。拉杆端部由螺纹，用螺帽固紧到给拉杆造成一定的应力，以使缸盖和缸筒不会在工作压力下松开，产生泄露。拉杆计算的目的就是要针对某一规定的分压力值估出拉杆的预加载荷量。第四章 系统软件设计4.1 I/O点数和种类根据工艺要求、设备状况和控制功能，统计系统I/0点数。手一的输入点数：上下限位行程开关，个；左右限位行程开关，个；右下限位行程开关（装料），个。输出点：五个电磁阀线圈。同理：机械手二有五个输入点，五个输出点。机械手三有五个输入点。五个输出点1)推工件缸有一个行程开关，一个接近传感器，二个电磁阀线圈。 二个输入，二个输出。加各种光电开关和手动按钮和转换开关，共有：个输入点，个输出点。4.2 根据I/0点数、能力和响应速度选择PLC型号品牌：三菱型号：FX2N-80MR特性：超高速的运算速度(0.08s/step)，50%小型化设计，程序容量:内置8KSTEPRAM，最大可扩充至16KSTEP，可使用FX系列模块，可做8台主机连线,，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展. (FX2N-80MR结构)开始推缸返回接近传感推工件缸步进电机停指示灯显示正常空气压缩机启动光电开关三光电开关二光电开关一机械手一上料加工机械手三卸料机械手二上料加工原位原位原位T时间到步进电机转一定脉冲时间到 夹紧YA5JNDU 上升YA3 SQ1 SQ4右转YA1松开下降YA4 SQ0 SQ3 左转YA2 SQ5右下限位 （机械手结构示意图） 机械手通常位于原点。图中 SQ1为