工业机械手毕业设计.doc

工业机械手毕业设计机械工业是国民的装备部是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业不论是传统产业还是新兴产业都离不开各种各样的机械装备机械工业所提供装备的性能、质量和成本对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志因此世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备工业机械手的是工业机器人的一个重要分支它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务在构造和性能上兼有人和机器各自的优点尤其体现了人的智能和适应性机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力在国民经济各领域有着广阔的发展前景机械手是在机械化自动化生产过程中发展起来的一种新型装置在现代生产过程中机械手被广泛的运用于自动生产线中机械人的研制和生产已成为高技术邻域内迅速发殿起来的一门新兴的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力大的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机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域是一门跨学科综合技术机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器它有多个自由度可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作1.1 机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手它是一种独立的不附属于某一主机的装置它可以根据任务的需要编制程序以完成各项规定的操作它的特点是具备普通机械的性能之外还具备通用机械、记忆智能的三元机械第二类是需要人工才做的称为操作机它起源于原子、军事工业先是通过操作机来完成特定的作业后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴第三类是用专用机械手主要附属于自动机床或自动线上用以解决机床上下料和工件送这种机械手在国外称为Mechanical Hand它是为主机服务的由主机驱动；除少数以外工作程序一般是固定的因此是专用的在国外目前主要是搞第一类通用机械手国外称为机器人本课题所做的机械手是属于第三类机械手1、简史机械手首先是从美国开始研制的1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手它的结构是：机体上安装一个回转长臂顶部装有电磁块的工件抓放机构控制系统是示教形的1962年美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手商名为Unimate（即万能自动）运动系统仿照坦克炮塔臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司专门生产工业机械手1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型虽然这两种机械手出现在六十年代初但都是国外工业机械手发展的基础1978年美国Unimate公司和斯坦福大学麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手装有小型电子计算机进行控制用于装配作业定位误差小于1毫米联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手采用关节式结构和程序控制日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究前苏联自六十年代开始发展应用机械手至1977年底其中一半是国产一半是进口目前工业机械手大部分还属于第一代主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度第二代机械手正在加紧研制它设有微型电子计算控制系统具有视觉、触觉能力甚至听、想的能力研究安装各种传感器把感觉到的信息反馈是机械手具有感觉机能第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务它与电子计算机和电视设备保持联系并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环2、 应用简况现代工业中生产过程的机械化自动化已成为突出的主题化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决但在机械工业中加工、装配等生产是不连续的因此装卸、搬运等工序机械化的迫切性工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的有资料统计：美国偏重于毛坯生产日本偏重于机械加工随着机械手技术的发展应用的对象还会有所改变机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力改善热、累等劳动条件国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料减轻工人的劳动强度国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件并和机床共同组成一个综合的数控加工系统采用机械手进行装配更始目前研究的重点国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起能确定零件的方位达到镶装的目的3、 发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要在国内主要是逐步扩大应用范围重点发展铸造、热处理方面的机械手以减轻劳动强度改善作业条件在应用专用机械手的同时相应的发展通用机械手有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等将机械手各运动构件如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构设计成典型的通用机构所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构即可组成不同用途的机械手既便于设计制造有便于更换工件扩大应用范围同时要提高速度减少冲击正确定位以便更好的发挥机械手的作用此外还应大力研究伺服型、记忆再现型以及具有触觉、视觉等性能的机械手并考虑与计算机连用逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元在国外机械制造业中工业机械手应用较多发展较快目前主要用于机床、横锻压力机的上下料以及点焊、喷漆等作业它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作此外国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手使它具有一定的传感能力能反馈外界条件的变化作相应的变更如位置发生稍许偏差时即能更正并自行检测重点是研究视觉功能和触觉功能目前已经取得一定成绩视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机工作是电视照相机将物体形象变成视频信号然后送给计算机以便分析物体的种类、大小、颜色和位置并发出指令控制机械手进行工作触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置工作时机械手首先伸出手指寻找工作通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用然后伸向前方抓住工件手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制达到自动调整握力的大小总之随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态1.2 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成其组成及相互关系如下图：1、执行机构( 如图1.2-1所示 )图1.2-1（1） 手部手部安装在手臂的前端手臂的内孔装有转动轴可把动作传给手腕以转动、伸屈手腕开闭手指本课所指的机械手仅需开闭手指机械手手部的机构系模仿人的手指分为无关节固定关节和自由关节三种手指的数量又可以分为二指、三指和四指等其中以二指用的最多可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头以适应操作需要本课所做的机械手采用二指形状（2） 手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本课所做的机械手的手臂采用无关节臂手臂的作用是引导手指准确的抓住工件并运送到所需要的位置上为了使机械手能够正确的工作手臂的三个自由度都需要精确的定位本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制以保证定位的精度总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种因此它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架2、 驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动其中以液压气动用的最多占90%以上电动、机械驱动用的较少液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓可无级变速自锁方便并能在中间位置停止缺点是需要配备压力源系统复杂成本较高气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等一般采用4-6个大气压个别的达到8-10个大气压它的优点是气源方便维护简单成本低缺点是出力小体积大由于空气的可压缩性大很难实现中间位置的停止只能用于点位控制而且润滑性较差气压系统容易生锈为了减少停机时产生的冲击气压系统装有速度控制机构或缓冲机构电气驱动采用的不多现在都用三相感应电动机作为动力用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等电气驱动的优点是动力源简单维护使用方便驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢机械驱动只用于固定的场合一般用凸轮连杆机构实现规定的动作它的优点是动作确实可靠速度高成本低；缺点是不易调整本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面3、 控制系统机械手控制系统的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等控制系统可根据动作的要求设计采用数字顺序控制它首先要编制程序加以存储然后再根据规定的程序控制机械手进行工作1.3 应用机械手的意义随着科学技术的发展机械手也越来越多的地被应用在机械工业中铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理其他部门如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用在机械工业中应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度从而可以提高劳动生产率和降低生产成本二、以改善劳动条件避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中用人手直接操作是有危险或根本不可能的而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业使劳动条件得以改善在一些简单、重复特别是较笨重的操作中以机械手代替人进行工作可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故三、可以减轻人力并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作这是直接减少人力的一个侧面同时由于应用机械手可以连续的工作这是减少人力的另一个侧面因此在自动化机床的综合加工自动线上目前几乎都没有机械手以减少人力和更准确的控制生产的节拍便于有节奏的进行工作生产综上所述有效的应用机械手是发展机械工业的必然趋势第二章 总体技术方案及系统组成2.1 原始数据负载重量：10kg重复定位精度：1mm自由度：3（Z的移动R轴的平动轴的转动） Z：大臂的升降 R：大臂的伸缩 ：腰轴各轴最大运动速度： Z轴上下：200mm/s 轴回转：30/s R轴伸缩：200mm/s各轴最大运动范围： Z轴上下：550mm 轴回转：90 R轴伸缩：400mm2.2工作要求：机械手的工艺流程：机械手原位机械手前伸机械手上升机械手抓取并夹紧机械手后退机械手前进（小车）小车停止机械手左转90机械手前伸机械手松开机械手后退（小车）机械手下降机械手右转90小车后退退至原位机构简图2.3 系统组成本基械手系统由机体传送机构动力源和控制装置四部分组成其中机体由小车及本体等部分组成；传送机构主要由伸缩臂及抓紧机构所组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成2.4 总体技术方案毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来并进行灵活运用现在的发展趋势是机电一体化因此我们的毕业设计是要我们将机、电、液三者合并起来机即是指机械机械手的动作过程可以分五部分即机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的加紧放松、机械手的左转右转、小车的前进后退这五部分中我们靠机械完成机械手的上升下降动作即本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠使螺纹间产生滚动摩擦丝杆传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比有以下特点：1） 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达85%-98%为滑动丝杠副的3-4倍2） 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数启动与工作摩擦力矩差别很小启动时无冲击低速时无爬行3） 能源预紧 预紧后可消除间隙产生过盈提高接触刚度和传动精度同时增加的摩擦力矩相对不大4） 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度具有较长的工作寿命和精度保持性寿命约为滑动丝杠副的4-10倍以上.5） 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀因此可以达到较高的定位精度和重复定位精度6） 同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件可以得到较好的同步运动7） 可靠性高 润滑密封装置结构简单维修方便8） 不自锁 用于垂直运动必须在系统中附加自锁或制动装置9） 经济性差成本高 由于结构工艺复杂故制造成本高价格往往以 mm计经过计算选择如下：电动机型号： Y802-2功率： 1.1W丝杠型号： Tr4072.4.1 动作分析工业机械手的机械机构是指它的执行系统是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件机械部件主要包括手部手臂前后伸缩部分手臂上下升降部分腰转部分以及机座和行走机构2.4.2 手部手部：包括杠杆手指单向作用式握紧油缸等其工作原理：物体进入手指后拉杆手油缸作用通过拉杆带动杠杆手指回转实现握紧或松开动作1) 手臂的前后伸缩部分手臂的前后伸缩部分由直线油缸带动实现当直线油缸工作时通过活塞杆行程的变化完成手臂的伸缩运动2) 手臂的上下升降部分手臂的上下升降部分是由电动机、丝杆传动副、立柱等部分组成当电动机工作时通过联轴器转动丝杆由于丝杆螺母周受到立柱的径向转动限制使得螺母及手臂架只能作上下运动3) 腰转部分腰转部分主要由转盘和回转油缸组成当压力油进入回转油缸时回转油缸的回转轴回转通过活塞杆的伸缩带动转盘的转动从而实现机械手的左右转动4) 行走机构行走机构主要是由电动机、齿轮、带轮等组成当电动机工作时通过齿轮、带轮的传动带动小车的轮子转动从而实现行走第三章 机械手的液压部分机、电、液中的液即指液压系统液压系统相对于机械传动来说是一门新兴的技术人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪特别是第二次世界大战以来的事由于液压传动具有许多突出的优点因而目前已广泛的应用在工、农业机械、机床、交通运输、路地行走设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面3.1 液压系统的工作原理所谓液压系统就是以液体为介质依靠运动者的液体的压力能来传递力的液压系统工作是液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开液压系统必须满足起执行元件在力和速度方面的要求3.2 液压传动的工作特性液压系统工作是外界负载越大（在有效承压面积一定的前提下）所需要的压力也越大反之亦然因此液压系统的由压力（简称系统的压力下同）大小取决于外界负载负载大系统压力大；负载小系统压力小；负载为零系统压力为零另外活塞或工作台的运动速度（简称系统的速度下同）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量流量越大（在有效承压面积一定的前提下）系统的速度越快反之亦然流量为零系统的速度亦为零液压系统的压力和外在负载速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性3.3 液压系统的组成液压系统由以下五个部分组成：1）动力元件 它是将原动机输入的机械能转换为液压能的装置液压泵即为动力元件2）执行元件 它是将液体的压力能转换为机械能的装置以驱动部件液压缸和液压马达即为执行元件3）控制调节元件 控制调节元件是指各种阀类元件它们的作用是控制液压系统中油液的压力、流量和方向以保证执行元件完成预期的工作运动4） 辅助元件 辅助元件是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量表等5）工作介质 在液压系统中使用液压油（通常为矿物油）3.4 液压系统的优、缺点液压系统与机械、电力等传动相比有以下特点：1） 能方便的进行无级调速调速范围大2） 体积小、重量轻、功率大一方面在相同输出功率的前提下其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏这对于液压自动控制系统有重要的意义另一方面在体积或重量相近的情况下其输出功率大能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）3） 控制和调节简单、方便、省力易实现自动化控制和过载保护4） 可实现无间隙传动运动平稳5） 因为传动介质为油液故液体元件有自我润滑作用使用寿命长6） 液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用7）可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载从而失去了中间的减速装置使传动简化液压传动的主要缺点：1） 漏 由于作为传动介质的液体是在一定的压力下有时是在较高的压力下工作的因此在有相对运动的表面间不可避免要产生泄漏同时由于油液并不是不可以压缩的油管等也回产生弹性变形所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合2） 震 液压传动中的液压冲击和空穴现象会产生很大的震动和噪声3） 热 在能量转换和传递过程中由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失因而易使油液发热总效率降低故液压传动不宜远距离转动4） 液压传动性能对温度比较敏感故不宜在高温及低温下工作液压传动装置对油液的污染也较敏感故要求有良好的过滤设施5） 液压元件加工要求高一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站）这些可能使产品成本提高6） 液压系统出现鼓故障时不宜追查原因不宜迅速排除综上所述液压传动由于其优点比较突出故在工、农业各个部门获得广泛的应用它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高正在逐步得到克服由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松着三部分动作用液压传动来实现第四章 回转装置的总体组成及结构设计4.1回转装置的组成回转装置主要由执行件、传递件、驱动件及控制系统四大部分组成4.1.1 执行件本设计选用的是回转台与传递件-链轮共用的一个长平键的心轴驱动件驱动传递件-链轮传动链轮通过共用件将回转运动直接传递给与心轴件联接的回转台并使之旋转4.1.2 传递件本课题中机械手要求作间歇往复回转运动因此考虑采用回转曲线传动回转传动可分为齿轮传动、带传动和链传动齿轮传动虽然效率高工作可靠寿命长结构紧凑圆周速度及功率范围广但制造和安装精度要求较高不能缓冲无过载保护低精度时噪声大由于本课题中机械手回转精度要求不高因此不予考虑链传动无弹性滑动和打滑现象工作可靠具有准确的平均传动比传动效率较高在传动相同功率的情况下结构较为紧凑链条张紧力小作用于链轮轴的力也较小故链传动能够在低速重载的条件下使用与齿轮传动相比链传动制造和安装精度要求较低链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比传动平稳性较差工作时有冲击和噪声磨损后易发生跳齿传动中有周期性的重载荷和啮合冲击不适合载荷变化很大和急速反向转动的场合带传动是一种应用很广的机械传动虽然结构简单制作成本低传动平稳无需润滑制造和安装精度要求不高噪声小能缓冲吸震有过载保护作用同步带传动是一种啮合型带传动它具有齿轮传动和摩擦带传动的特点还具有传递功率大传动比准确等特点故多用于要求传动平稳传动精度较高的场合因此回转装置中的运动传递本设计使用同步带传动 4.1.3 驱动件驱动件主要有四种：气动驱动、电气驱动、机械驱动和液压驱动其中以液压、气动用的最多占90%以上；电动、机械驱动用的较少气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等一般采用4-6个大气压个别的达到8-10个大气压它的优点是气源方便维护简单成本低缺点是出力小体积大由于空气的可压缩性大很难实现中间位置的停止只能用于点位控制而且润滑性较差气压系统容易生锈为了减少停机时产生的冲击气压系统装有速度控制机构或缓冲机构气驱动采用的不多现在都用三相感应电动机作为动力用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机通用机械手则考虑采用同一种形式的动力出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢机械驱动只用于固定的场合一般用凸轮连杆机构实现规定的动作它的优点是动作确实可靠速度高成本低；缺点是不易调整液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓可无级变速自锁方便并能在中间位置停止缺点是需要配备压力源系统复杂成本较高本课题设计采用液压驱动利用液压缸带动带动链轮、链条实现回转运动设计配有液压总站与回转装置并排置于小车之上4.1.4 控制系统机械手控制系统的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等控制系统可根据动作的要求设计采用数字顺序控制它首先要编制程序加以存储然后再根据规定的程序控制机械手进行工作本课题采用电机驱动利用电动机带动带轮、带轮传动通过齿轮和轴的公用件实现小车的行走运动第五章 机械传动方案的设计与计算5.1 小车的主要组成部分1、 驱动系统采用步进电动机带动同步带与带轮驱动小车沿导轨作径向往复运动2、 执行机构交换工作台的送出采用液压送出方式交换工作台应沿相应的轨道送出3、 控制部分采用PLC可编程控制器来实现小车各个运动状态的控制其小车示意图如图5.1-1所示图5.1-15.2 同步带传动方式优缺点（一）优点1、 传动比准确同步带是啮合传动工作时无滑动2、 传动效率高效率可达96%与V带相比可节能10%以上3、 传动平稳能吸收振动噪声小4、 使用范围广传动比可达10且带轮直径比V带小得多也不需要大的张紧力结构系统高速大50m/s 传递功率300KW5、 传动比准确对轴及轴承的压力小耐油耐磨性好允许采用较小的带轮直径较短的中心距和较大是速比6、 维护保养方便能在高温灰尘、水及、腐蚀介质的恶劣环境中工作不需润滑（二）缺点：1、 安装要求高要求二带轮轴线平行同步在与二带轮轴线垂直的平面内运行带轮中心距要求较严格安装不当易发生干涉爬齿跳齿等现象2、 带与带轮的制造工艺比较复杂成本受批量影响5.3 驱动动力源步进电动机是一种把脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件也可以说是一种机械式的数模转换器每输入一个脉冲步进电动机就前进一步因此称作脉冲电动机步进电动机的种类繁多主要分三大类：反应式步进电动机、机床磁式步进电动机以及永磁感应式步进电动机本是合计采用反应式步进电动机因为其结构简单是应用最广泛的一种步进电动机能成为现代数字控制系统重要的执行元件是因为步进电动机本身也在不断发展性能也在不断完善其优点如下：1、 可直接实现数字控制2、 控制性能好3、 无接触式元件没有电刷和转换器运行平稳可靠在步进电动机的负载范围内步距值不受电源电压的大小负载大小波形及周围环境温度变换的影响抗干扰能力强能保持运行转速4、 误差不长期积累5、 反应式步进电动机在一相绕组通电的情况下具有自锁能力永磁式步进电动机在不通电的情况下也能保持转矩5.4 机械传动方案的设计计算本设计采用一级传动传动比为1.5本设计计算参照(下册机械工业出版社出版)中的第十章链传动和带传动中第五节多楔带和同步带传动中的同步带传动章节5.4.1设计数据确定因为设计车速为3km/h考虑到实际车速有50%的误差所以实际最高车速应为4.5km/h折算成米/秒 应为1.25m/s V车=1.25m/s据实际工作要求取车轮直径为130mm 因为车速为1.25m/s所以车速也应等于轮子的切向速度因为 V=dn/601000V-车轮切向速度 V=1.25m/sd-车轮直径 d=130mmn-车轮转速所以经计算得n=601000V/d =6010001.25/3.14130=184rpm因为车轮转速也等于驱动轴转速所以n转驱=n=184rpm n转驱=184rpm因为T=9.55P驱/n T-驱动转矩 T=9NM P驱-驱动轴功率 n-驱动轴转速 n=184rpm所以经计算得9=9.55P驱/184 P驱=0.2KM因为 =n电/n驱 n驱-驱动轴转速 n驱=184rpm n电-电机轴转速 -传动比所以计算得n电=.n电驱n电=1.5184=276rpm 记n电=276rpm因为驱动轴转驱为9N.m 所以据实际工作要求选用型号为130BF001相数为5相步距角为0.75电压为12/80V相电流为10A最大转距为9.31N.m空载起动频率为3000步/S空载运行频率为16000步/S的反应式步进电动机因为 T电=9.55P电/n电 T电-电机轴转矩 T电=9.31n.m n电-电机轴转速 n电=276rpm P电-电机功率所以计算得P电=T电n电/9.55=9.31276/9.55=0.26km P电=0.26km因为 总=带联滚总-总的传动效率带-同步带的传动效率 带=0.98联-联轴器的传动效率 联=0.99滚-滚动轴承的传动效率 滚=0.99所以总=0.980.990.99=0.99 总=0.99因为P驱=P实电总P驱-驱动轴功率 P驱=0.2Kw总-总机械传动功率 总=0.99 P实电-电动机实际功率 所以计算得 P实电=P驱/总=0.2/0.99=0.21kw P实电=0.21kw因为P实电 P电 所以符合工作要求5.4.2 同步带结构的设计计算1）求出设计功率 因为Pd=PmK Pd-设计功率 Pm-名义传递功率也就是电动机功率P P=0.26kw K-载荷修正系数 实用机械设计手册（下）表10.5-9载荷修正系数K取1.8又因为传动装置未及张紧装置和系统为减速运动 所以其附加修正系数为零所以Pd=1.80.26=0.5kw2）、选择带的节距因为Pd=0.5kw n电=276rpm=n1-小带轮转速 查实用机械设计手册（下）图10.5-4查得同步带的节距代号为H对应的节距Pd=12.7mm3）、确定带轮直径和带节线长查实用机械设计手册表10.5-8 得H 型带小带轮转速n1=276rpm小于900rpm所以小带轮最少齿数Z1应为14Z1取22 因为 =Z2/Z1 -传动比 =1.5 Z2-大带轮齿数 Z1-小带轮齿数 Z1=22所以 =Z1=1.522=33查机电一体化机械系统设计表3-11大带轮齿数Z2取标准值32 Z2=32 小带轮节圆直径因为1=PbZ1/ Pb-同步带节距 Pb=12.7mm Z1-小带轮齿数 Z1=22 所以计算得 d1=12.722/3.14=88.94mm d1=88.94mm同理可得 大带轮节圆直径 d2=129.36mm d2=129.36mm选择带长 LP初定中心距a 因为 0.7(d2d1)a2(d2d1) d2-大带轮节圆直径 d2=129.36mm d1-小带轮节圆直径 d1=88.94mm所以152.81a436.6 a取 420mm a=420mm因为 Lp=2aCOS(d2d1)/2(d2d1)/180 定角因为=arcsin(d2d1/2a)所以=arcsin(129.3688.94/2420)=3所以a=420mm =3所以Lp=2420COS3(129.3688.94)/23（129.36-88.94）/180 =8393432 =1184mm节线长 Lp=1184mm查实用机械设计手册（下）表10.5-5 取整后选用长度代号为510 Lp=1295.4mm 齿数Zb=102的同步带4)、传动中心距a的确定 因为M=Pb/8(2Zb-Z1-Z2) M-修正系数 Pb-同步带节距 Pb=12.7mm Zb-同步带齿数 Zb=102 Z1-大带轮齿数 Z1=22 Z2-小带轮齿数 Z2=32所以计算得M=12.7/8(21102-22-32)=238.125 M=238.125mm因为 a=M+ 238.125=476mm a=476mm所以节线长Lp=1295.4mm 传动中心距a=476mm5)、选择标准带宽确定小带轮齿数Z1=22 小带轮转速n1=184rpm查实用机械设计手册(下)表10.5-17用差值法计算得H型带的基准额定功率P=2.7Kw确定实际带宽bs因为 bsbs（Pd/k2P） bs-标准带宽 查实用机械设计手册(下)表10.5-4 bs=76.2mm Pd-设计功率 Pd=0.5kw K2-啮合齿数系数K2 据实际工作要求 K2=1所以bs76.2(0.5/12.7)=17.4查实用机械设计手册表10.5-4 bs取标准为25.4mm其标准宽度代号为100宽度极限偏差为 bs=25.4mm确定带宽系数Kw因为Kw=(bs/bs) 所以Kw=（25.4/76.2）=0.29 Kw=0.29确定额定功率P因为P=K2KwP K2-啮合齿数系数 k2=1 Kw-带宽系数 kw=0.29 P-基准额定功率 P=2.7kw所以计算得P=0.292.7=0.77kw因为 PPd 所以满足设计要求带的圆周速度V的确定因为V= PbZ1n1/601000Pb-带的节距Pb=12.7mmZ1-小带轮齿数Z1=22n1小带轮转速n1=276r/mm所以计算得V=12.722276/601000=1.3m/s工作能力验算因为P=(K2kwTa-bsmv/bs)V10 K2-啮合齿数系数 K2=1 Kw-带宽系数 Kw=0.29 Ta-许用工作拉力 查实用机械设计手册表10.5-9Ta=2100.85Nm-单位长度质量查实用机械设计手册表10.5-9 m=0.448/m所以P=1(25.4/76.2)2100.85-25.40.4481.3/76.21.3/1000=0.78因为PPd所以额定功率大于设计功率故带的传动能力足够最小轴径的确定因为dminAA- 修正系数查简用机械设计手册表14-13轴的材料为45钢 A为118 P-传递功率为0.26kwn-驱动轴转速为184r/mm所以dminA=118=13mm d取30mm6)结果整理 选用H型同步带 Pb=12.7mm Lp=1295.4mmBs=25.4mm小带轮Z=22 d=88.94mm大带轮Z=32 d=129.36mm传动的中心距 a=476mm带的长度带号为510 宽度带号为100其余查实用机械设计手册表10.5-20 表10.5-10最小轴径为30mm第六章 零件加工编程61数控车床加工程序编制基础数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件通过数控加工程序的运行可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成型表面、螺纹和端面等工序的切削加工并能进行车槽、钻孔、扩孔以及铰孔等工作车削中心可在一次装夹中完成更多的加工程序提高加工精度和生产效率特别适合于复杂形状回转类零件的加工由于数控车床的加工对象多为回转体一般使用通用三爪卡盘夹具数控车床的编程特点：加工坐标系 加工坐标系应于机床坐标系的坐标方向一致X轴对应径向Z轴对应轴向C轴（主轴）的运动方向则以从机床尾架向主轴看逆时针为+C向顺时针为-C向直径编程方式 采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误给编程带来很大方便进刀和退刀方式 切削起点的确定与工件毛坯余量大小有关应以刀具快速走到该点时刀尖不与工件发生碰撞为原则S 功能 （1）恒线速切削 G96 S 其中S后面的数字表示的是恒定的线速度单位为m/min. (2)恒线速取消 G97 S 其中S后面的数字表示恒线速度控制取消后的主轴转速如S未指定将保留G96的最终值T 功能 编程格式 T 其中T后面通常有两位数表示所选择的刀具号码但也有T后面用四位数字前两位是刀具号后两位是刀具长度补偿号又是刀尖圆弧半径补偿号M 功能 M00：程序暂停；M3：主轴顺时针旋转；M04：主轴逆时针旋转；M05：主轴旋转停止；M08：冷却液开；M09：冷却液关；M30：程序停止程序复位到起始位置G 功能 G00 快速点定位；G01 直线插补指令；G02 为按指定进给速度的顺时针圆弧插补；G03 为按指定进给速度的逆时针圆弧插补；G04暂停；G90 外圆切削循环；G94端面切削循环；G96 恒线速切削；G97恒线速切削；G76 为螺纹切削循环刀具半径补偿指令 在零件轮廓铣削加工时由于刀具半径尺寸影响刀具的中心轨迹与零件轮廓往往不一致为了避免计算刀具中心轨迹直接按零件图样上的轮廓尺寸编程数控系统提供了刀具半径补偿功能其中G41为左偏刀具半径补偿G42为右偏刀具半径补偿G40是撤消刀具半径补偿指令子程序的调用：M01 表示段落结束选择停止；M02 段落结束不回程序开头；M03主轴顺时针旋转；M04主轴逆时针旋转；M05主轴停止；M07 切削液打开成雾状；M08切削液打开成水柱状；M09 切削液关闭；M30 锻炼结束回程序开头；M98 P 其中：P表示子程序调用情况P后共有8位数字前四位为调用次数省略时为调用一次；后四位为所调用的子程序号M99表示子程序结束并返回到调用子程序的主程序中确定走刀路线和安排加工顺序应注意以下几点：1、寻求最短加工路线；2、最终轮廓一次走刀完成；3、选择合理的切入切出方向62程序编制图见附表二1）加工时所用刀具一号车刀：端面车刀二号车刀：外圆车刀（刀尖圆弧R0.2）三号车刀：割刀（刀宽5）四号车刀：镗刀五号车刀：中心钻（直径6）六号车刀：麻花钻（直径28）七号车刀：外圆车刀（反刀）八号车刀：30度螺纹车刀2）程序O0046G