基于步进电机的三自由度机械手设计与控制毕业设计

基于步进电机的三自由度机械手设计与控制 - 49 -摘 要在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人AbstractIndustrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.Key words ：three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot目 录1.绪论 - 32.工业机器人的总体设计 - 42.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 -42.2 工业机器人的设计分析 -52.2.1 设计要求 - -52.2.2 总体方案拟定 - -52.2.3 工业机器人的主要技术参数 - 72.3控制系统的设计分析 -8 3.工业机器人的机械系统设计 - -113.1 工业机器人的运动系统分析 - 113.1.1 机器人的运动概述 -123.1.2 机器人的运动过程分析 -133.2 工业机器人的执行机构设计 -133.2.1 末端执行机构设计 -133.2.2 手臂机构设计 - 163.2.3 腰部和基座设计 -253.3 工业机器人的机械传动装置设计 -33 3.3.1 联轴器的选择 -333.3.3 滚珠丝杠的选择-334. 工业机器人的计算机控制系统概述 -344.1控制系统的基本组成 - -344.2 计算机控制系统的设计方案 -355. 工业机器人运行时应采取的安全措施 - 45 5.1 安全要求 -45 5.2 实施方法 - 456.总结-46参考文献 - 47鸣谢-481 绪论机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我 国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。2 工业机器人的总体设计2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 图2-1 工业机器人的组成图 它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。A、 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。B、 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。C、 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信号。D、 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。图2-2 各部分关系图对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。2.2工业机器人的设计分析2.2.1 设计要求综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。零件尺寸：直径 45mm，高 50mm零件材料：45钢。2.2.2 总体方案拟定 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用大扭矩电机控制旋转运动；利用两台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下及其前后运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。图2-3 机器人外形图2.2.3工业机器人主要技术性能参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：A、 抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。B、 抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。C、 坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。D、 运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。E、 运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200400mm/s；回转速度最大为180/s，一般为50/s。F、 定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。G、 编程方式和存储容量。 本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表1-1。表1-1机械手类型三自由度圆柱坐标型抓取重量2.48Kg自由度3个（1个回转2个移动）机座长120mm，回转运动，回转角90，步进电机驱动 PLC控制腰部机构长680mm，伸缩运动，升降范围350mm，步进电机驱动 PLC控制手臂机构长826mm，伸缩运动，伸缩范围100mm，步进电机驱动 PLC控制末端执行器液压缸驱动 PLC控制2.3控制系统的设计分析 本课题采用PLC对机械手进行控制，初定三菱系列，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出流程图。预定工作流程如下图（可能根据实际设计过程改动）以下为初步绘制的流程开始机械手在初始位置启动按钮Y逆时针旋转并螺母副下运动运动到下限位限位?NY夹紧工件N延时1s顺时针旋转并螺母副上运动Y运动到上限位置N螺母副左移动N运动到达左限位Y松开工件N是否松开Y螺母副向右运动N运动到右位限位?Y逆时针旋转并螺母副向下运动N运动到起点N按下停止按钮YY结束第3章 工业机器人的机械系统设计3.1 工业机器人的运动系统分析3.1.1 机器人的运动概述 工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。 如图2-1所示，为工业机器人机构的简图。图3-1 机构简图a工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。 本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。 b机器人的工作空间和机械结构类型 （1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图3-2。 图3-2 工作空间图（2）机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。3.1.2 机器人的运动过程分析 工业机器人的运动过程中各动作如图3-3和表3-1。 图3-3 表3-1机器人开机，处于A位工步一手臂上升工步二，工步七，工步十三旋转至B位工步三手臂伸出工步四, 工步十手臂下降工步五，工步十一夹紧工件工步六手臂收缩工步八，工步十四旋转至A位工步九放松工件工步十二实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。3.2工业机器人的执行机构设计3.2.1 末端执行机构设计 工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。3.2.1.1 设计时要注意的问题：a. 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。b. 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。c. 应能保证工件在末端执行机构内准确定位。d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。e. 根据应用条件考虑通用性。3.2.1.2 总体结构设计采用连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图2-4。连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸1工作时，推动推杆2向上运动，使两钳爪3向内收拢，从而带动弹性爪4夹紧工件。该种夹持器多用于实心圆柱零件的夹持。图3-4 末端执行器3.2.1.3 液压油缸的选择和夹紧力的校验a 初选油缸型号 考虑到所要夹持的是很小的零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为HVBS04B3HG，它的主要技术参数如表3-2。表3-2 冶金设备标准液压油技术规格缸 径 /mm活塞杆直径 /mm油口直径速度比通径/mm联接螺纹1.462 40222810M18x1.5b 夹紧力校验1）零件的计算其中g取10 取G=27（N）2） 紧力的计算： 要夹持住零件必须满足条件： f为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为45号钢，手指为钢材，查机械零件手册 表2-5 f=0.15，N为作用在零件外壁上压紧力，G为零件重力。所以 取N=100（N）由机械制造装备式4-60可知驱动力的计算公式为： 为斜面倾角，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查机械零件手册表2-2 这里取 0.85, b=77.5mm,c=29mm。取p=500(N).按液压传动与气压传动公式 4-15 D为汽缸的内径(m)，P为工作压力（Pa）,由液压传动与气压传动表9-1负载F/N 50000工作压力p/MPa57取p=0.5MPa。由液压系统设计可查得：=0.90.95, 所以由以上计算可知液压缸能产生的推力F=565N大于夹紧工件所需的推力P=500N。所以该液压缸能够满足要求。3.2.1.4 弹性爪的强度校验 弹性爪的结构形式如图3-7： 图3-7 弹性爪结构图 这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹簧板两端固定。当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。工件与弹簧片间的力：由上节可知F=100N。 则弹簧爪截面上的剪应力为=30MPa，=Q/A= 故弹性爪满足强度要求。3.2.2 手臂机构的设计 3.2.2.1 手臂的设计要求a、 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求b、 根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。c、 尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。d、 要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。 本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动以及手抓前后运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。图3-8 手臂结构图3.2.2.2 设计计算 工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。 表3-4 各种驱动方式比较比较内 容驱动方式机械传动电机 驱动气压传动液压传动异步电机，直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对步进电机的型号进行选取。 通过安装在末端上的步进电机以及连接轴带动滚珠丝杠，从而实现末端执行机构的前后运动。1. 初选电机为90BYG250C型号相数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A度N.mHzHzKg.cm2Kg90BYG250C24.00.96.3250040003.64.82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 W=4KG最大行程 Smax=120mm快速进给速度Vmax=100mm/s加减速时间常数t=0.15s预期寿命Lh=30000h直线运动导程摩擦系数 =0.02电机转速 Nmax=600r/min1） 设定螺距 根据电机的最大转速与快速进给速度2） 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 加速时加速度轴向负载 =3.5NB 匀速时轴向负载C 减速时轴向负载各动作模式1次循环所需的时间（s）动作模式ABC共需时间所需时间0.31.40.32螺距为10的负载条件动作模式ABC轴向负载（N）3.50.81.9转 速300600300所需时间比例15%70%15%根据负载条件计算轴向品均负载Pm与平均转速Nm计算所需基本动态额定负载C根据预期寿命，扣除停止时间后的净运行使用寿命（Lh。） （预计夹紧 1s 上下运动5s） 将运行系数带入公式中得因此选择BSBR2510丝杠3） 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Nc 屈曲载荷 PkL=最大行程+螺母长度+余量+末端尺寸 =100+94+118+20=330mm下面就屈曲载荷进行讨论，设负载作用点间距 式中：开始引起压曲的负载：负载作用点间距E：杨氏模量I：丝杠轴最小惯性矩 n：由丝杠的支撑方法决定的系数 铰支铰支 n=1 固定铰支 n=2 固定铰支 n=4 固定自由 n=0.25(选用)式中Pk 屈曲载荷： 安全系数（0.5）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） 最终选型结果适合的滚珠丝杠的形式为BSBR2510-330支座型号为BRW104校核驱动电机A、传动系统等效转动惯量计算（1） 电机转子转动惯量 =3.6kg.cm2（2） 滚珠丝杠转动惯量的折算（3） 手臂转动惯量的折算工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进行计算： 式中，为丝杠导程（cm）；为工作台质量（kg）。所以：（4） 中间轴转动惯量的折算（5） 联轴器转动惯量（6）系统等效转动惯量计算B、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。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为： 查得0.707。所以，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： 式中：为空载启动力矩（Ncm）；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力矩（Ncm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（Ncm）； 有关的各项力矩值计算如下：（1）加速力矩 式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量。（2）、空载摩擦力矩 见机电综合设计指导公式（2-34）P35式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；为传动系数总效率，取0.9；为滚珠丝杠的基本导程。（3）、附加摩擦力矩 式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取0.9。所以，步进电机所需空载启动力矩：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。C、启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。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。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。90BYG250C矩特性图中，可查得：纵向：空载启动力矩对应的允许启动频率。步进电机90BYG250C启动频率，所以所选电机不会丢步。D、运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率可按下式计算：式中：为运动部件最大快进速度。算得。快进力矩的计算公式： 见机电综合设计指导公式（2-37）P37式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得：。从90BYG250C运行矩频特性图中，可知：快进力矩对应的允许快进频率；所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。综上所述，所选用的步进电机90BYG250C符合要求，可以使用。3.2.3 腰部和基座设计3.2.3.1 结构设计 通过安装在支座上的电机和减速机接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用冷拔钢管，以减轻重量和节省材料，它的结构如图3-10。1支座，2电机，3减速箱，4转动机座5支承冷拔管，6滚珠丝杠，7导向柱，8锥环无键联轴器 图3-10 基座结构图45231 1支座，2电机，3轴承，4连接法兰，5壳体 图3-11 环形轴承的机器人机座 1. 初选电机为90BYG250C型号相数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A度N.mHzHzKg.cm2Kg90BYG250C24.00.96.3250040003.64.82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 W=50KG最大行程 Smax=450mm快速进给速度Vmax=100mm/s加减速时间常数t=0.15s预期寿命Lh=30000h直线运动导程摩擦系数 =0.02电机转速 Nmax=600r/min5） 设定螺距 根据电机的最大转速与快速进给速度6） 计算基本动态额定负载各动作模式下的轴向负载的计算D 加速时加速度轴向负载 =43.5NE 匀速时轴向负载F 减速时轴向负载各动作模式1次循环所需的时间（s）动作模式ABC共需时间所需时间0.380.38.6螺距为10的负载条件动作模式ABC轴向负载（N）43.51023.5转 速300600300所需时间比例3.5%93%3.5%根据负载条件计算轴向品均负载Pm与平均转速Nm计算所需基本动态额定负载C根据预期寿命，扣除停止时间后的净运行使用寿命（Lh。） （预计夹紧 1s 前后运动2s） 将运行系数带入公式中得因此选择BSSR2510丝杠7） 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Nc 屈曲载荷 PkL=最大行程+螺母长度+余量+末端尺寸 =350+182+118+40=690mm下面就屈曲载荷进行讨论，设负载作用点间距 式中：开始引起压曲的负载：负载作用点间距E：杨氏模量I：丝杠轴最小惯性矩 n：由丝杠的支撑方法决定的系数 铰支铰支 n=1 固定铰支 n=2(选用) 固定铰支 n=4 固定自由 n=0.25式中Pk 屈曲载荷： 安全系数（0.5）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8） 最终选型结果适合的滚珠丝杠的形式为BSSR2510-600支座型号为BRW104校核驱动电机A、传动系统等效转动惯量计算（3） 电机转子转动惯量 =3.6kg.cm2（4） 滚珠丝杠转动惯量的折算（3） 手臂转动惯量的折算工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进行计算： 式中，为丝杠导程（cm）；为工作台质量（kg）。所以：（4） 联轴器转动惯量的折算（5）系统等效转动惯量计算B、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。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为： 查得0.707。所以，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： 式中：为空载启动力矩（Ncm）；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力矩（Ncm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（Ncm）； 有关的各项力矩值计算如下：（1）加速力矩 式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量。（2）、空载摩擦力矩 见机电综合设计指导公式（2-34）P35式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；为传动系数总效率，取0.9；为滚珠丝杠的基本导程。（3）、附加摩擦力矩 式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取0.9。所以，步进电机所需空载启动力矩：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。C、启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。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。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。90BYG250B矩特性图中，可查得：纵向：空载启动力矩对应的允许启动频率。步进电机90BYG250C启动频率，所以所选电机不会丢步。D、运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率可按下式计算：式中：为运动部件最大快进速度。算得。快进力矩的计算公式： 见机电综合设计指导公式（2-37）P37式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得：。从90BYG250C运行矩频特性图中，可知：快进力矩对应的允许快进频率；所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。综上所述，所选用的步进电机90BYG250C符合要求，可以使用。3.2.3.3 轴承的选取 a、环形轴承3作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩）、装置方便等特点价格高。 b、丝杠下部装有圆锥滚子轴承，型号为30204， 它的有关参数如下：轴承代号 基本额定 极限转速 r/min动载荷Ca /KN静载荷C0a /KN 脂润滑油润滑 3020428.230.5800010000 C、其余轴承均为配套丝杠支座轴承，因此都满足丝杠本身要求3.3 工业机器人的机械传动装置的选择3.3.1联轴器的选择该机构利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩，且可任意调节两面联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。图2-12所示为采用锥环（锥环夹紧环）无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉5通过压圈3施加轴向力时，由于锥环之间的楔紧作用，内外环2分别产生径向弹性变形，消除轴4与套筒1之间的配合间隙，并产生接触压力，通过磨擦传递转矩，而且套筒1与轴4之间的角度位置可以任意调节。 这种联轴器定心性好，承载能力高，传递功率大、转速高、使用寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣环境下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小、噪声低。1套筒，2内外环，3压圈，4轴，5螺栓 图 3-12 消隙联轴器 3.3.2 滚珠丝杠的选择根据上述3.2计算的出最终选择的滚珠丝杠为 控制上下运动的为 BSST 2510-690 控制左右（前后）运动的为 BSBR 2510-330配套支座均为 BRW 204 工业机器人的PLC控制系统概述4.1控制系统的基本组成一个完整的计算机控制系统应该包括被控对象、执行机构、检测装置、模数(A/D)转换器和数模(D/A)转换器、数字计算机系统(包括硬件和软件)。图6所示是其基本框图。在本系统中各个部分的组成如下: 4.1.1机械手移动工件的工作流程开始机械手移动到工件处夹紧工件将工件移动到指定位置放下工件结束4.1.2控对象和执行机构本系统的被控对象是机械手臂。两个滚珠丝杠用于手臂的上下移动以及前后运动 ，这样机械手可以在垂直平面内的一个矩形区域内运动，从而实现工件在区域内的移动。4.1.3检测装置位置检测装置是计算机控制系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，该位移量与给定值进行比较，得到误差信号，控制器根据误差信号进行控制调节，使系统趋向减小误差，最终使误差为零。4.1.4数据采集卡和数模(D/A)转换器本系统中位置检测用了光电编码器，光电编码器的输出为脉冲信号，只击对输出脉冲进行计数即可得到相关的数字量信号，系统采用了PCI一7296数字I/O卡作为数字信息与计算机之间的数据传递接口。D/A转换器是计算机控制系统的重要部件之一，担任着将控制输出量数字量转换为模拟量去驱动执行机构的重要作用。D/A转换采用了Pcl一6024E数据采集卡，可将计算机输出的转换为模拟信号。两块卡都是PCI插槽，控制程序通过虚拟驱动程序读写PCI卡的端口地址来实现数据传送。4.1.5数字计算机系统本系统采用普通的兼容PC作为控制计算机。4.2 计算机控制系统的设计方案4.2.1系统工作的主要流程机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。4.2.2机械手传送工件系统示意图，如图1所示。 图1 机械手传送示意及操作面板图4.2.3.输入和输出点分配表及原理接线图表1 机械手传送系统输入和输出点分配表名 称代号输入名 称代号输入名 称代号输出启动SB1X0夹紧SB5X10电机正转YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11电磁阀夹紧YV2Y1上限行程SQ2X2单步上升SB7X12电机反转YV3Y2右限行程SQ3X3单步下降SB8X13电机正转YV4Y3左限行程SQ4X4单步左移SB9X14电机反转YV5Y4停止SB2X5单步右移SB10X15原点指示ELY5手动操作SB3X6回原点SB11X16连续操作SB4X7工件检测SQ5X17 4.2.4操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。其原理是：把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。4.2.5回原位程序回原位程序如图4所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。4.2.6手动单步操作程序如图5所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。4.2.7自动操作程序 自动操作状态转移见图6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始