基于PLC控制直角坐标机械手设计【含CAD高清图纸+文档资料】
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PLC控制直角坐标机械手设计 IPLC控制直角坐标机械手设计 IIPLC控制直角坐标机械手设计 IIIPLC控制直角坐标机械手设计 IVPLC控制直角坐标机械手设计 V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。按照搬运或者抓取的物件形状、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 VIABSTRACTIndustrial manipulator can imitate some action feature of manpower and arms, with a fixed program handling, automatic operation device for grabbing objects or tools, robotics mainly by hand, and sports organizations. By handling or grabbing the object shape, size, weight, materials and environment requirements are different. The hand structure has absorbed and clamp type. Features of motion mechanism are to complete a variety of movements of hands: mobile, turning movements to implement the provisions of the action. Institutions such as stretch lift and rotate the movement, known as freedom of manipulator. The design selection of three - degree-of-freedom Cartesian - industrial robot, its degrees of freedom for the X axis, Y axis and Z axis direction is achieved by ball screw arm and boom extension lift. These actions are driven by stepping motor. Under the action of the Controller, it will perform the work from one line to grab and shipped to another line of this simple action. This paper mainly on robotic stepping motor drive ball screws and calculation, the calculation includes design of transmission mechanism of industrial robots, as well as its selection of mechanical transmission device. In addition to the Control section describes the main PLC Control Program, wiring schematics, and programs such as flowchart.Key words: three degrees of freedom, Cartesian coordinates, PLC, manipulatorPLC控制直角坐标机械手设计 VII目 录1 绪论.11.1 课题来源 .11.2 课题目的、意义.11.3 国内外发展基本情况.12 工业机械手的总体设计.32.1 机械手的组成.32.2 工业机械手的设计分析.42.3 总体设计方案.43.机械手的机械系统设计.83.1 机械手手爪设计.83.2 机械手传动部分设计.153.3 机械手基座部分设计.213.4 轴承的选取.284 PLC控制系统设计.294.1可编程序控制器的选择及工作过程.294.2 PLC控制系统.305 结论.36参考文献.37致谢.38PLC控制直角坐标机械手设计 11 绪论1.1 课题来源本课题来自于企业项目。1.2 课题目的、意义伴随加工业的快速发展，在中国，所有行业中设备的自动化水平越来越高，现代化加工厂房与车间，通常带有机械臂来提高生产效率，取代工人恶劣条件下完成危险和艰苦的工作。目前，机械手用来完成工作：汽车零部件制造装配和焊接，用于从模具注塑行业迅速抓住产品和产品转移到下一个生产设备；用于机械加工行业获得材料、饲料；铸造行业高温溶液提取等。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行业中，机械手的应用具有以下含义。应用程序的操纵，将有助改善材料转送、加载工件和工件的装卸、刀具更换和机器装配度自动化，使你能够提高生产率、降低生产成本，加快了机械化的步伐和工业生产的自动化。在高温、高压、低温、低压力、灰尘、噪音、气味，或放射性或其他有毒物质的污染，和在工作空间拥挤环境中，用工作人员直接操作是危险或不可能的。应用机械手可以替代部分或完全而不是由人类来安全完成的工作，已大大改善工人的工作条件。同一时间，在一些重复性的任务，而且简单的操作中，在工作时候用机器人替换，可以避免因疲劳或因疏忽而导致的人身伤害。用机器人取代手动工作，这是直接减少人力的一方面，并且因为机器人可以连续工作，这是减少人力的另一方面。因此，自动化的机器工具和加工生产线上目前几乎有机器手设备，以减少人力和更精确地控制生产节拍，有节奏地生产产品。随着工业技术的现代发展，工业自动化技术变得更为成熟，工人的工作环境和内容也变得理想化和简化，由机械手遥控或自动往复式所完成的工作变得非常重要。这可以防止一些人暴露在对人的身体有伤害的物质，如冶金、化工、医药、航空航天等PLC控制直角坐标机械手设计 2物质。机器手的研究在国内外有不同层次，但代表当今最先进的技术在日本，他的自动、个性化的技术让人惊艳，这些技术依赖于控制理论、新材料学，现代机器是尖端技术的整合。在工业自动化中的应用也已更广泛地应用于柔性制造系统，在我们国家，自动化水平需要改进，相当于在80年代世界先进技术水平。随着工业现代化的发展和提高机器人技术，发展趋势是高强度、灵活、准确、可靠的并可以自动检测到它和下达命令。采取命令，集成先进的人工智能，所以人们通常只要简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。国内机器人目前主要用于机械加工、铸造、锻造、热处理和其他方面，数量、品种、性能目前都不能满足工业生产的需要。所以，国内主要是应用的逐渐扩大范围，重点放在发展可以铸造、热处理的机械手，降低劳动强度，改善工作条件，同时与机械手、通用机械手发展相应地相结合、有条件的将制定教学机器手技术、计算机控制的机器手和组合式机械手。在同一时间以提高速度和减少冲击的影响，正确定位，机械手以便更好地发挥的作用。此外应大力研究伺服型，具有触觉、视觉、性能的机械手，和考虑到使用计算机，逐渐成为了作为一个整体的机械制造系统中的重要组成部分。机械手在机械制造行业中快速发展，使其广泛的应用于国外。机械手目前主要用于机床、锻压加载和卸载，以及点焊、喷漆和其他的工作，它可根据提前指定要完成的操作要求来操作程序。国外发展的趋势是研究某种智能的机械手的发展。使它能够具备相应地传感能力，可以反馈变化的外部条件，作出相应的改变。轻微的位置偏差发生时候，能自行更正并检查，重点研究测试视觉和触觉功能等。目前已经取得了一些成果。世界的高端工业机械手有高精度、高速度、多轴化、轻量化的趋势。可满足微米和亚微米级的定位精度，运行时候速度可以达到3M/S，大批量生产产品可以达到6 轴，加载2公斤产品系统总重量超过100公斤。甚至更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元组合，从根本上改变当前机械制造系统的手动操作。与此同时，机械手的小型化还有微型化，他们的应用领域将打破传统的机械领域，转向电子信息、生物技术、生命科学、航空航天和其他高端产业发展。本设计是PLC控制直角坐标机械手设计，直角坐标坐标机械手功能有很多：工业装卸、货物装卸、数控加工、机械制图等等，我们往往可以在绘图仪、数控雕刻机、数控加工中心，甚至在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 32 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持和驱动，手臂的部分。手臂部分的升降，实现旋转或倾斜式传动等的驱动装置或传动部件安装在机身上， 构成身体的躯干或直接连接到该基座。因此手臂运动 越多， 机身结构和受力情况更加复杂。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控制系统对应于人类的大脑，它指示机器手臂的运动和协调机械手和生产系统之间的协调关系。机械手工作顺序还有要求达到的位置，例如机械手的移动、缩放、旋转和来回摆动、手指打开和关闭的运动，以及个各操作的时间、速度等， 都是指挥控制系统通过每个运动组件沿着坐标轴的运动，按照预先计划并且调整好的程序来实现。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 83.3.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cm32PLC控制直角坐标机械手设计 93.1.2 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)(NSSinagmFG式中，工件质量， ；mkg重力加速度， ；g2/sm动态运动时产生的加速度，取被抓取工件的为匀速；a2/0sma 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)(1065 . 26025. 028 . 95 . 22)(NSinSSinagmFG（2）根据手部结构的传动示意图 3-1，力矩平衡： 0M其驱动力为: (3-5)GFbRF2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)(26510681022NFRbFG（3）实际驱动力： (3-6)21KKFF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。1K5 . 11K为工作情况系数，可近似按如下公式计算：2KgaK12若被抓取工件的速度为匀速时，则 0a112gaK)(42669.42594. 0151. 1265NF实际所以当手爪夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。N4263.1.3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Mpa57（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。1F2F (3-7)zFpDF421 (3-8)zFpdDF4)(222式中，活塞杆上的推力，；1FN活塞杆的拉力，；2FN气缸工作时的总阻力，；ZFN 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。ZF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，1F2F则在计入载荷率后： (3-9)421pDFPLC控制直角坐标机械手设计 12 (3-10)4)(222pdDF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. 07 . 085. 0由以上分析得双向作用气缸的直径： (3-11)PFD14代入有关数据，可得:)(9 .3985. 0104 . 014. 34264461mmPFD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) 2pDP式中，- 缸筒壁厚，；mm- 气缸内径，；Dmm- 气缸试验压力，一般取； pP)(5 . 1PapPp-气缸工作压力 ；P)(PaPLC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：)(41032104 . 05 . 140 266mmDPp，则缸筒外径为：mm4)(4824401mmD（4）手部活塞杆行程长计算L活塞杆的位移量= (3-13)(28. 6236030mmR 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. 6mmL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 . 01)/4(Fd 其中，NF4261MPa120则：1255. 2)1204264(5 . 0d所以满足设计要求。（6）气缸推力验算： (3-15)421pdFPLC控制直角坐标机械手设计 14)(426)(42785. 04104 . 004. 014. 362NN 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)(4271NF ，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(4322mdDnsQ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n30 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. 004. 02(304027. 014. 333322mQ（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：0d(3-17)(20mvQd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. 0md （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. 7mkg。33/1073. 2mkg手爪部分总质量约为)(8682. 35 . 21191. 12491. 0kgm3.2 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 HzHz2cmKg Kg90BYG250C24.00.96.3250040003.64.8（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/600maxrN1）设定螺距根据电机最大的转速与快速进给速度 (3-19)(1060maxmaxmmNVLPLC控制直角坐标机械手设计 162）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. 01023maxsmtVa轴向负载 (3-21)(33. 4)(NWWPgaAb)匀速时轴向负载 (3-22)(98. 0NWPgBc)减速时轴向负载 (3-23)(37. 2)(NWWPgC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mPmN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2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t15%70%15% (3-24)(68. 332NPPPCAm (3-25)min)/(510 rttttNtNtNNCBACCBBAAm根据预期寿命，扣除停止时间后的净运行使用寿命)(0hL (3-26)(7500)5212(300000hLh将运行系数代入公式中，求得轴承基本额定动载荷2 . 1wfC（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。 ）CrCaPLC控制直角坐标机械手设计 17 (3-27)(04.27)1060(3160NfPNLCwmmh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LcNkP (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)(2251mml (3-29)(45.1019212NlEInPk式中:：开始引起压曲的负载kP：负载作用点距离1l：杨氏模量E：丝杠轴最小惯性矩I (3-30)(15.41976444mmdI:丝杠底径为dmm1 .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 NPPK式中：屈曲载荷KPPLC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 BSBR2510-3153.2.2 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DJ (3-32)(6 . 32cmKJgD2）滚珠丝杆的转动惯量的折算SJ (3-33)(93. 03224cmKglDpJsS3）手臂上下移动惯量的折算GJ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. 321()2(222cmKgMLJG式中，是丝杆导程；为工作台质量L)(cmM)(kg4）联轴器转动惯量 (3-35)(482211cmKgDMJ5）系统等效转动惯量 (3-36)(03.13245 . 093. 06 . 321cmKgJJJJJGSD（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maxjMmNMj3 . 6max步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为。查得mqMmaxjMmaxjmqMM。所以707. 0(3-37)(45. 43 . 6707. 0mNMmqPLC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)0MMMMkfkakq式中：为空载启动力矩；kqM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kaM力矩；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩。kfM（3）有关的各项力矩值计算如下：kqM1）加速力矩(3-39)2max10602tnJJMka(3-40)360maxmaxpbvn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；maxn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；maxv为初选步进电机的步距角；b为脉冲当量；pmin)/(600)2(10360025. 09 . 0100360maxmaxrrvnpb (3-41)2max10602tnJJMka)(47.851015. 06060014. 3203.132cmN PLC控制直角坐标机械手设计 202）空载摩擦力矩(3-42)2LMMkf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)(34.179 . 014. 321002. 08 . 9522cmNLMMkf3）附加摩擦力矩(3-44)20IFMYJ式中：为滚珠丝杠预紧力；（为最大轴向负载的）YJF31为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取09 . 00)(48.41)9 . 01 (19 . 014. 3211375220cmNIFMYJ所以，步进电机所需空载启动力矩：(3-45)0MMMMkfkakq)(29.14448.4134.1747.85cmN 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。kqkqMM(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。yqqfHZf 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kzf(3-46)pkzVfmax)(4000025. 0100H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。KFM0M从 90BYG250C 运行矩频特性图中，可知对应的mNcmNMKJ5882. 082.58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。KJyKJff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mmS100PLC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 HzHz2cmKg Kg90BYG250C24.00.96.3250040003.64.81) 设定螺距根据电机最大的转速与快速进给速度(3-47)(1060maxmaxmmNVL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. 01023maxsmtVa轴向负载(3-49)(3 .43)(NWWPgaAb） 匀速时轴向负载(3-50)(8 . 9NWPgBc） 减速时轴向负载(3-51)(7 .23)(NWWPgC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mPmN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2PLC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t15%70%15%根据上述两表所示条件计算轴向均负载与平均转速mPmN(3-52)(7 .3632NPPPCAm(3-53)min)/(510 rttttNtNtNNCBACCBBAAm根据预期寿命，扣除停止时间后的净运行使用寿命)(0hL(3-54)(7500)5212(300000hLh将运行系数带入公式中2 . 1Wf(3-55)(2 .1251)1060(3160NfPNLCwmmh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)(2251mml (3-57)(45.1019212NlEInPk式中：开始引起压曲的负载KP：负载作用点距离1l：杨氏模量EPLC控制直角坐标机械手设计 24：丝杠轴最小惯性矩I(3-58)(15.41976444mmdI: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. 0n(3-59)(509 NPPK式中：屈曲载荷KP：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DJ(3-60)(6 . 32cmKJgD2）滚珠丝杆的转动惯量的折算SJ(3-61)(93. 03224cmKglDpJsS3）手臂上下移动惯量的折算GJ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. 321()2(222cmKgMLJG式中，是丝杆导程；为工作台质量。L)(cmM)(kg4）联轴器转动惯量PLC控制直角坐标机械手设计 25(3-63)(482211cmKgDMJ5）系统等效转动惯量(3-64)(53.1724593. 0421cmKgJJJJJGSD（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maxjMmNMj3 . 6max步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为查得mqMmaxjMmaxjmqMM。所以707. 0(3-65)(45. 43 . 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)0MMMMkfkakq式中：为空载启动力矩；kqM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kaM力矩；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩。kfM有关的各项力矩值计算如下：kaM1）加速力矩(3-67)2max10602tnJJMka360maxmaxpbvn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；maxn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；maxvPLC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(10360025. 09 . 0100360maxmaxrrvnpb(3-69)2max10602tnJJMka)(99.1141015. 06060014. 3253.172cmN 2）空摩擦力矩(3-70)2LMMkf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(3-71)(4 .1739 . 014. 321002. 08 . 95022cmNLMMkf3）附加摩擦力矩(3-72)20IFMYJ式中：为滚珠丝杠预紧力；（为最大轴向负载的）YJF31为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取09 . 00)(48.41)9 . 01 (19 . 014. 3211375220cmNIFMYJ所以，步进电机所需空载启动力矩：)(87.32948.414 .17399.1140cmNMMMMkfkakqPLC控制直角坐标机械手设计 27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。kqkaMM（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 3-5 中，可查得：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cmNMkq87.329HZfyq4000进电机 90BYG250C 启动频率，所以步进电机不会丢步。yqqfHZf2500（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kzf(3-73)pkzVfmax)(400025. 0100H式中:为部件最大快进速度；maxV为脉冲当量；p1） 快进力矩的计算KJM)(88.2148 .414 .1730cmNMMMKFKJ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。KFM0MPLC控制直角坐标机械手设计 28从 90BYG250C 运行矩频特性图中，可知对应的mNcmNMKJ1488. 288.214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。KJyKJff综上所述，所选用的步进电机 90BYG250C 符合要求，可以使用。因 X 轴 Y 轴 Z 轴的电机选用相同，且 X 轴承受力最大，即 X 轴校核正确，同理 Y 轴和 Z 轴手臂。3.4 轴承的选取（1）本设计中，机械手手臂部分的丝杠是由滚珠丝杠 BSBR2510 型号组成。其中丝杠的支撑方式是由固定-简支形式（适用于中等转速，高精度的丝杠）。因此丝杠上的轴承是一端安装双向推力轴承与深沟球轴承的组合，另一端安装深沟球轴承。（2）本设计中，机械手基座的丝杠也是由滚珠丝杠 BSBR2510 型号组成。其中丝杠的支撑方式是由固定-简支形式（适用于中等转速，高精度的丝杠）。因此丝杠上的轴承一端安装双向推力轴承与深沟球轴承的组合，另一端安装深沟球轴承。PLC控制直角坐标机械手设计 294 PLC控制系统设计直角坐标机械手要求稳定可靠等，因此采用PLC作为其控制器，PLC可以很好的去满足这些要求，并对机械手的精确控制提供可靠的保证。PLC通过电机驱动器进行控制，从而达到控制电机的转速以及转向，进而机械手的工作轨迹的目的。4.1可编程序控制器的选择及工作过程4.1.1 可编程序控制器的选择目前，国际厂商的可编程逻辑控制器的生产商很多，如日本三菱公司的F系列PLC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PLC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PLC等。考虑到机械手的输入输出点不是很多，工作流程相对简单，还有考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了三菱公司的FX 3U-32MT ES/A作为PLC。4.1.2 机械手的工作过程机械手的结构示意图，如下图所示。图图4-2 机械手结构示意图机械手结构示意图机械手的工作均由电机驱动，它的三自由度XYZ轴的上升，下降，左移，右移由滚珠丝杠传动。机械手的初始位置处于原点，当按下启动按钮后，机械手将执行X轴座进Z轴PLC控制直角坐标机械手设计 30座进Y大轴座进Y小轴座进气动手指夹紧Y小轴座回Y大轴座回Z轴座退X轴座退气动手指放开机械手返回原点，完成一个动作周期。PLC控制流程图如下图所示。图图4-2 工作流程图工作流程图4.2 PLC控制系统4.2.1 确定控制系统的工作原理及控制要求（1）控制对象为直角坐标机械手它具有三个自由度，即X轴，Y轴，Z轴方向移动。（2）控制要求为了满足生产需要，设备应设置手动工作方式、单周期自动工作方式。（3）手动工作方式便于对设备进行调整和检修，设置手动工作方式。用按钮对每一动作单独进行控制。（4）单周期自动工作方式按下启动按钮，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。PLC控制直角坐标机械手设计 314.2.2 输入/输出元件及控制功能表输入/输出元件及控制功能表4-1所示。表表4-1 输入元件及控制功能表输入元件及控制功能表PLC软元件文件名称控制功能X0启动启动信号X1停止停止信号X2复位复位信号X3X轴座进限位定位信号X4X轴座退限位定位信号X5Z轴座进限位定位信号X6Z轴座退限位定位信号X7Y大轴座进限位定位信号X10Y大轴座退限位定位信号X11Y小轴座进限位定位信号X12Y小轴座退限位定位信号X13气动手指夹关信号X14气动手指松开信号表表4-2 输出元件及控制功能表输出元件及控制功能表PLC软元件文件名称控制功能Y0-Y2XZY行程脉冲信号Y3-Y5XZY方向方向信号Y6气动手指气缸执行开关4.2.3 PLC控制系统程序设计PLC控制系统的按钮与接口分配如下图。图图4-3 输入输出分配接线图输入输出分配接线图（1）启动停止与复位切换的程序如图。X000为启动按钮，X001为停止按钮，X002为复位按钮。X000接通后辅助继电器M0接通，并保持程序运转（此为起保停电路）。ZRST为区间复位指令，将机械手都复位。PLC控制直角坐标机械手设计 32图图4-4 梯形图梯形图1（2）SET指令将系统初始步与自动返回原点M0上升沿时，SET指令保持操作ON，程序不停止。因为是步进电机驱动机械手，STL指令执行步进开始。图图4-5 梯形图梯形图2（3）SET S20设定程序开始运行，STL S20保持程序运行，M1为辅助继电器，Y003给X轴方向信号， X轴准备移动。PLC控制直角坐标机械手设计 33图图4-6 梯形图梯形图3（4）X003为X轴进限位，运行后，SET S21设定程序开始运行，STL S21保持程序运行。M2为辅助继电器，Y004给Z轴方向信号， Z轴准备移动。图图4-7 梯形图梯形图4（5）X005为Z轴进限位，运行后，SET S22设定程序开始运行，STL S22保持程序运行。M3为辅助继电器，Y005给Y轴方向信号，Y轴准备移动。PLC控制直角坐标机械手设计 34图图4-8 梯形图梯形图5（6）X007为Y轴进限位，运行后，SET S23设定程序开始运行，STL S23保持程序运行。图图4-9 梯形图梯形图6（6）X004为X轴退限位，Y006信号操纵气动手爪，最后Y轴退位。PLC控制直角坐标机械手设计 35图图4-10 梯形图梯形图7（7）4个电机加减速时间的脉冲输出指令。控制4电机运行终止。图图4-11 梯形图梯形图8PLC控制直角坐标机械手设计 365 结论为期半年的毕业设计到这里终于就要结束了，忙碌的设计过程中让
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