直进回转式机械手设计【含CAD图纸、说明书】
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45直进回转式机械手设计 摘 要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手在工业上的应用也逐渐普及，主要在汽车、电子、机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本直进回转式搬运机械手的机械结构主要包括水平移动、机身回转运动和手臂摆动，末端执行器为抓取物料的机械爪，完成三个自由度的动作。由一个电磁阀控制的气压缸，来实现机械手的伸缩杆移动及机械抓夹紧工件的动作，三个步进电机带水平导轨移动、机身旋转和手臂摆，从而实现搬运工作。其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关、接近开关(SQ1-SQ11)产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制步进电机的正反转，实现导轨的水平移动、机身回转和手臂摆动，或电磁阀产生不同的工作位，实现气缸上下伸出、缩进，可实现机械手的精确定位，来满足生产中的操作要求。关键词：搬运机械手，可编程控制器（PLC），气压，步进电机，电磁阀ABSTRACTWith the popularization and development of industrial automation, the demand for the controller has been increasing year by year, carrying manipulator in industrial application also gradually universal, mainly in cars, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of production line or cargo handling scheduling,we can be more good to save energy and improve transport efficiency equipment or products, to reduce restrictions on the mode of transportation and inadequate to meet requirements of modern economic development. This straight into rotary carrying manipulator mechanical structure includes the main including horizontal migration, the rotary motion and swinging arm, end actuators for grab materials mechanical claw, completed three degrees of freedom of action. By a solenoid control the pressure in the cylinder, to finished the telescopic rod manipulator mobile and mechanical grip the action of clamping workpiece, three step motor guide moving, the fuselage with level rotation and arm is placed, so as to realize the movement. The conversion by setting its action in various different parts of the trip switch (SQ1-SQ9) generated on-off signal transmission to the PLC controller, through the PLC internal different output signal, which drives the external coil to control the motor normal-reverse transfer to realize The horizontal movement of the lead rail, the rotary and arms move swinging; solenoid valves have a different action, the robot can achieve precise position; to meet the production requirements of various operations and maintenance .Key words: carrying manipulator, the programmable controller (PLC), air pressure, step motor, solenoid valves.目 录1 绪论11.1 工业机械手应用简况及意义11.2 气动机械手的简介12 直进回转式机械手的整体设计42.1 设计内容及要求42.2 机械手的设计思路及方案42.3 电气设计思路及方案53 设计各机构、零件及校核计算63.1气缸的选型与计算63.2 轴的选择及校核计算83.3选蜗杆蜗轮减速器103.4步进电机的选取和校核123.5 滚珠丝杠螺母副的计算和选型223.6 轴承的选择及校核253.7 齿轮的设计及校核273.8 螺纹连接件的校核314 机械手控制部分的设计、选型及程序内容334.1 总述334.2 总体方案的设计334.3机械手控制系统硬件组成334.4 电气控制系统分析364.5小结385 结论39参考文献40致 谢41附 录 1 绪论1.1 工业机械手应用简况及意义 在工业上，工业机器人有着广泛的应用，机械手而是相较新的机械电子设备，它正开始改变现代和未来化工业的面貌。通过自动化的机械手能提高工作效率，加强产品质量，改善劳动条件和劳动强度起着十分重要的作用。大量运用在装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。在现代生产加工过程中，机械手被广泛运用于自动生产线中，虽然机械手目前还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲惫，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到更多部门的重视， 并越来越广泛地得到了应用， 机械手的意义如下：（1）可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。（2）可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、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人直接操作是有危险或根本不可能的情况。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。（3）可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手工作，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地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。综上所述，机械手在工业上的应用是发展机械工业的必然趋势。1.2 气动机械手的简介这次课题的机械手选用气动传动，这里介绍一下气动机械手的发展、现状和未来。随着工业机械化和自动化的发展，以及气动技术本身的一些优点和特点，气动机械手已经被广泛应用在自动化生产的各个行业。1.2.1气动技术及气动机械手的发展过程 气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。大约开始于1776年，Johnwilkimson发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。1880年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。20世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至50年代初，大多数气压元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。60年代，开始构成产业控制系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在70年代，由于气动技术与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。80年代进进气动集成化、微型化的时代。90年代至今，气动技术突破了传统的死区，经历着奔腾性的发展，人们克服了阀的物理尺寸局限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问世，智能气动这一概念产生，气动伺服定位技术负气缸高速下实现任意点自动定位，智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制题目3。1.2.2 气动机械手的应用现状 由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、轻易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事产业等。1.2.3 发展远景及方向（1）重复高精度 精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指假如动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核产业和军事产业等。（2）模块化 模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。（3）无给油化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、本钱低、寿命长。（4）机电气一体化 由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，负气动技术从“开关控制”进进到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大进步了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手4。2 直进回转式机械手的整体设计2.1 设计内容及要求本课题内容要求是：码垛距离为5m，物料重量50kg。要求机械手抓住物料提升一定高度后，本机械手设计的是手臂向上摆动，摆角为45。手臂旋转要求180，机械手抓住物料前进5m距离，下降一定距离，本机械手设计完成向下摆动45，到达水平位置放开物料。2.2 机械手的设计思路及方案根据任务书的要求，该机械手设计为圆柱坐标机械手。其基本的设计内容：搬运物体设计机械手抓设计控制机械手抓的气压缸设计手臂计算并设计摆动的电机设计水平回转部件和电机选型设计导轨、滚珠丝杠选型和导轨部件的校核完成。整体设计思路及传动方案为：水平直进部分：水平直进移动部分，水平移动因为承重最重，又要有一定的定位精度，并且要传动灵活。所以选择滚珠丝杠螺母副传动，因为承重较大，所以选择滑动导轨来承受主要的负重和机身重量，这样可以减轻滚珠丝杠的受力，降低丝杠的疲劳，有利于提高丝杠的寿命。竖直旋转部分：竖直旋转部分是整个机械手最重要的部分，它是机械手的主体部分，它的设计要求可以灵活回转任意角度，是整个机械手的定位精度主要由机身的旋转角度来控制。所以在竖直机身大的设计上采用步进电机驱动，其定位精度较高，通过一级圆柱齿轮减速器传递动力，带动竖轴完成整个竖直回转，完成整个机身回转运动。机械手肩部摆动部分：肩部摆动部分主要完成手臂的摆动，设计这个自由度的主要考虑是机械手的回转空间不大的情况下，将物料提升一定高度，可以缩小回转半径，使机械手的搬运能力和运用范围更加广泛。肩部驱动仍旧采用步进电机驱动，因为步进电机有较好的控制精度。因为手臂摆动角度相对不是很大，故需要传动比比较大的减速器，又因为肩部设计尺寸不能太大，所以选择一级蜗轮蜗杆减速器，因为其能一级减速就能达到很大的传动比，相对于两级减速器的尺寸比较小，故采用蜗杆涡轮减速器。涡轮轴与手臂键连接带动手臂旋转。机械手部分：机械手抓取物料，选择机械手的形式为夹钳式，由气缸驱动，因为夹钳式机械手是杠杆原理，伸缩距离比较小，获得较大的行程，所以气缸的输出力比较大，故选择气缸的内径较大。手的抓取动作是由气缸活塞杆带动水平拉杆，水平拉杆再带动竖直拉杆，竖直拉杆带动手指绕销轴旋转，实现手的张开和闭合。2.3 电气设计思路及方案电气部分设计的总体思路是采用PLC控制整个机械手，采用三菱F2U系列的PLC控制，因为三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出1625 点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。 特点 系统配置即固定又灵活；-编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。其控制设计内容：PLC驱动电路M1、M2、M3和气缸传动部分末端执行器接近开关、限位开关反馈信号PLC5。设计思路：PLC发出指令控制驱动器，驱动器控制电机，电机运转经传动装置带动执行器，当执行器到达指定位置时，通过传感器（限位开关或接近开关）检测，将反馈信号传递给PLC,经PLC内部程序运算，给出下一步指令。3 设计各机构、零件及校核计算3.1气缸的选型与计算物料为边长20cm的立方体，重50kg。夹持手指为直角型，手指由1根长22.5cm的直角方形钢条组成，手指的转轴在距手指末端18cm处，手指立体合拢后如图： 图3-1手爪外形图当手臂向上摆起时，物料重量完全由手指的夹紧力于物料的摩擦力，取摩擦系数为，工作压力为p=0.4MPa则： 计算得N=2000N。 图3-2手爪受力分析受力分析并由手指的几何关系得每对手指受力=1680N有气缸拉杆与手抓的几何关系得：F为气缸活塞杆输出力为3000N。气缸选型由机械设计手册（第五版）计算公式选型，由双作用气缸公式： （3-1）故选取双作用气缸缸径为90mm一般气缸筒壁厚于内径比气缸缸筒承受压缩空气的压力，其壁厚可按薄壁筒计算公式计算 式中 缸筒壁厚，m 试验耐压力，Pa，取 缸筒材料许用应力，Pa，其计算公式为 式中 缸筒材料抗拉强度，Pa n安全系数，一般取n=68按公式计算出的壁厚为5.4mm，比较薄，加工比较困难，实际设计过程中一般都需要按照加工工艺要求，适当增加壁厚，由机械设计手册查得实际壁厚可选8mm或更大。活塞杆直径选取，由机械设计手册查得可初选为30mm。手爪销轴的强度校核手爪的设计销轴比较细，承受力很大，需要强度校核。最危险处是手臂摆物料后，重物的重量都靠四只手指上产生的摩擦力，由图3-2所示，销轴受力为： 则手爪销轴共受力为 则每只手指上销轴受力。有机械设计轴的剪切校核为： （3-2） （3-3）其中查机械手册有11 。3.2 轴的选择及校核计算3.2.1手臂杆设计校核手爪共重5kg，气缸及安装法兰盘共重6.17kg，物料为50kg，总计共重61.2kg。手臂采用1根45钢棒料构成，设计长度为60cm。计算棒料直径如下： 由第三强度理论有： （3-4） （3-5）将公式（3-5）带入公式（3-4）得：其中弯曲许用应力，查机械手册得取d=40mm。 则轴重5.92kg。从新校核该轴 总转矩为再由第三理论校核= （3-6）故选取轴的尺寸满足工作要求6。 3.2.2竖轴、轴的设计计算 竖轴：竖轴是主要承重的轴，主要承受肩部及手臂饿全部重量，受轴向力比较大，其中竖轴的最大角速度为，所以角加速度，加速时间t=0.5s，所以角加速度为。 根据理论力学计算公式： （3-7）所以其中是折算到竖轴的转动惯量根据公式 （3-8） （3-9）其中：查机械手册得11，把公式（3-9）带入公式（3-8） 得：选取竖轴两级减速传动，第一级传动比。所以轴的受到的扭矩为根据公式（3-8）、（3-9）得： 3.3选蜗杆蜗轮减速器3.3.1蜗轮接触疲劳强度： （3-10） 则由公式（3-10）得：其中 由机械设计查表得，所以由机械设计查表得： 得 查机械设计得：取 取 取蜗杆的导程为:3.3.2计算蜗轮蜗杆的效率闭式蜗杆传动的功率损耗，蜗杆蜗轮传动的效率一般包括三部分，即啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗及浸油中搅油时的溅油损耗7。因此总效率为：式中，、分别为单独考虑啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗及溅油损耗时的效率。而蜗杆传动的总效率，主要取决于啮合摩擦损耗。当蜗杆主动时，则 （3-11）式中：普通圆柱蜗杆分度圆柱上的导程角； 当量摩擦角， ，其值可根据滑动速度由机械设计表11-18或11-9选取，滑动速度（单位为）为：= （3-12）式中：蜗杆分度圆的圆周速度，0.5m/s； 蜗杆分度园直径，mm； 蜗杆的转速，经计算， 则 由于轴承摩擦及溅油这两项功率损耗不大，一般取0.95，则总效率 3.3.3蜗轮轴设计由于蜗轮轴主要承受扭转，故安扭转来设计涡轮轴，蜗轮承受的扭矩为8： 由公式（3-8）、（3-9）得： 得 ： 所以选取蜗轮轴直径为45mm。由传动比为1:62，所以蜗杆承受的转矩为 再由公式 （3-8）、（3-9）得：得选蜗杆直径最细处为15mm。3.4步进电机的选取和校核3.4.1肩部电机计算先初选电动机型号反应式步进电机130BYG3502 ，最大静转矩为37，单拍驱动时步距角为1.24。（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量机械手臂的转动惯量为： 其中m=89.16kg l=60cm 得蜗轮的转动惯量为： 其中m=5.5kg D=19.53cm 得轴的转动惯量为： 其中m=2.8kg D=4.5cm 得蜗杆的转动惯量为： 其中m=1.3kg D=1.5cm 得由此得折算到电机轴上的转动惯量为： 计算得： 1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩、移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为手臂摆动没有移动部件，故摩擦转矩取，又因此传动没有滚珠丝杠，故附加摩擦转矩取。则有根据式 考虑蜗杆涡轮的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （3-13）对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速。步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间。 （3-14）其中：W 空载最快转动速度，为10.5rad/s； 步进电动机步矩角，为1.2； 脉冲当量，/脉冲。将以上各式带入式 算得。 设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.5s蜗轮蜗杆效率=0.5；则由式（3-13） 求得，故。2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、一部分是移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为摩擦转矩及附加摩擦转矩都没有，故只需计算最大工作负载转矩。由此计算： （3-15）其中： 所以计算得：故最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩得：经过上述计算，得到加载步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：（2）步进电动机最大静转矩的选定10考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：对于前面预选的行步进电动机130BYG3502，由表可知，其最大静转矩，可见完全满足式的要求。（3）步进电动机的性能校核 1）最快工进速度时电动机输出转矩校核竖直向最快工进速度，脉冲当量脉冲，由式 （3-16）求出电动机对应的运行频率。从130BYG3502的运行矩频特性可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，大于最大工作负载转矩，满足要求。 2）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度，对应的电动机运行频率。查表的130BYG3502的极限运行频率为15000Hz，可见没有超出范围。 3）启动频率的计算 已知电动机转轴上的总惯量，电动机转子自身的转动惯量，查表4-3可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率。则由式 （3-17） 可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为：得1000Hz。上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1000Hz。实际上，在采用软件摆动时，启动频率选得很低，通常只有500Hz（即500脉冲/s）。综上所述，这里纵向进给系统选用130BYG3502步进电动机，可以满足设计要求。3.4.2机身旋转步进电机的选择及校核计算4先初选电动机型号反应式步进电机110BYG2502 ，最大静转矩为20，单拍驱动时步距角为1.2，转动惯量为15。（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量竖轴的转动惯量折算为其中m=327kg D=20cm轴的转动惯量折算其中 轴的转动惯量折算其中 由此得折算到电机轴上的转动惯量为：计算得：1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩、移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为手臂摆动没有移动部件，故摩擦转矩取=0，又因此传动没有滚珠丝杠，故附加摩擦转矩取=0。则有根据式 考虑蜗杆涡轮的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （3-13）对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速。 步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间。 （3-14） 其中：W 空载最快旋转速度，为1.57rad/s； 步进电动机步矩角，为1.5； 脉冲当量，=0.25mm/脉冲。将以上各式带入式 ，算得。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.5s，齿轮减速器效率=0.96； 求得故2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt、一部分是移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为摩擦转矩及附加摩擦转矩都没有，故只需计算最大工作负载转矩。最大工作负载转矩即为竖轴旋转转矩，F= 其中m为竖轴及所承受的重量m=257kg，为角加速度，转矩为经过上述计算，得到加载步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： （2）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=3，则步进电动机的最大静转矩应满足： （3）步进电机的校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核向最快工进速度，脉冲当量=0.25mm/脉冲，由式求出电动机对应的运行频率。从110BYG2502的运行矩频特性可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，满足要求。2）最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度，对应的电动机运行频率。查表的110BYG2502的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出范围。3）启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量，电动机转子自身的转动惯量，查表4-3可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为：得632Hz。上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于632Hz。实际上，在采用软件摆动时，启动频率选得很低，通常只有500Hz（即500脉冲/s）。综上所述，这里纵向进给系统选用110BYG2502步进电动机，可以满足设计要求。3.4.3水平电机的计算与选型 先初选电动机型号反应式步进电机130BYG2502 ，最大静转矩为40，单拍驱动时步距角为1.8，转动惯量为48。 (1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量滚珠丝杠的转动惯量已知机身前进的脉冲当量=0.25mm/脉冲，滚珠丝杠的导程=5mm，出选择步进电机的步距角=1.2，根据公式计算得：由公式= 1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩、移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。根据式 考虑蜗杆涡轮的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （3-13）对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速。 步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间。 其中：V 空载最快移动速度，为5cm/s； 步进电动机步矩角，为1.8； 脉冲当量，=0.25mm/脉冲。将以上各式带入式 ，算得。 设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.5s，圆柱齿轮减速器效率=0.96；则由式（3-13） 得： 求得=0.053部件移动时折算到电机轴上的摩擦转矩为：=8.06 （3-18）导轨的摩擦因数，滑动导轨取0.16； 垂直方向的力，空载时取0；总的传动效率。由于附加摩擦转矩，因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式 （3-19）可知，相对于和很小，可以忽略不计。2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、一部分是移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。由于附加摩擦转矩，因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式 （3-19）可知，相对于和很小，可以忽略不计。此时最大转矩主要取决摩擦转矩,部件移动时折算到电机轴上的摩擦转矩为：导轨的摩擦因数，滑动导轨取0.16； 垂直方向的力，空载时取0；总的传动效率。经过上述计算，得到加载步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：（2）步进电动机最大静转矩的选定12考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：对于前面预选的行步进电动机130BYG2502，由表可知，其最大静转矩，可见完全满足式的要求。（3）步进电动机的性能校核 1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 前进方向最快工进速度，脉冲当量，由式 （3-16）求出电动机对应的运行频率。从130BYG2502的运行矩频特性可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，大于最大工作负载转矩，满足要求。2）最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度，对应的电动机运行频率。查表的130BYG2502的极限运行频率为15000Hz，可见没有超出范围。3）启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量，电动机转子自身的转动惯量，查表4-3可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率。则由式 （3-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为：得750Hz。上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于750Hz。实际上，在采用软件摆动时，启动频率选得很低，通常只有500Hz（即500脉冲/s）。综上所述，这里纵向进给系统选用130BYG2502步进电动机，可以满足设计要求。3.5 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 根据设计的分析和计算要求，水平方向（左右）的脉冲当量为=0.25mm/脉冲13。（1） 工作载荷的计算 为工作最大载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力。它包括滚珠丝杠副的进给力，移动部件的重力，以及作用在导轨上的切削分力所产生的摩擦分力。根据最大轴向力公式: （3-20） 因为滚珠丝杠副的进给力较小，忽略不计。所以工作最大载荷 u =0.16;G为移动部件总重，移动部件质量G约为3970N。所以（2）最大动载荷的计算 设水平方向下最快的进给速度，初选丝杠基本导程 ,则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命T=8000h(一般机电设备取T=10000h；n为丝杠每分钟转速)，代入，得丝杠寿命系数（单位为r）。查表3-30，取载荷系数，再取硬度系数，代入公式： （3-21） 得最大动载荷初选型号 根据计算出的最大动载荷，选用CM、CDM系列滚珠丝杠，其代号为：2005-2.5，其公称直径为,20mm，基本导程为5mm，循环滚珠为3圈X1列，精度等级取5级，额定动载荷为7988N，大于，满足要求。（3）传动效率的计算 将公称直径，基本导程，代入 （3-22） 得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入，得传动效率。（一般在0.80.9之间，摩擦角一般取10）（4）刚度的验算14 1）滚珠丝杠副的支撑采用“单推-单推”的方式，丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，左、右支承中心距离约a为5000mm；钢的弹性模量=；查表滚珠丝杠数据，得滚珠直径，算得丝杠底径=公称直径-滚珠直径=16.825mm，则丝杠截面积 得，所以算的丝杠在工作载荷作用下拉压变形量如下：丝杠的拉伸或压缩变形量 （3-23） -为丝杠底径确定的截面惯性矩-丝杠的最大工作载荷，单位N；a-丝杠两端支撑间的距离，单位为mm；-丝杠的弹性模量，钢的=;-丝杠按底径确定的截面积，单位为；-转矩，单位。（其中“+”号用于拉伸，“-”用于压缩。由于转矩M一般较小，式中第二项在计算是可酌情忽略）。所以， （3-24） 综上求得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量 。 2）根据公式无预紧时 （3-25） 为有预紧时 （3-26） 滚珠直径，单位为mm; 单圈滚珠数，（外圈环），-3（内圈环）；滚珠总数量， ；预紧力，单位为N.（当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达到轴向工作载荷的1/3时，值减小一半左右。）单圈滚珠数目Z=17；总滚珠总数量。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力。则。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的三分之一，所以实际变形量可减小一半，取。3）将以上算出的、代入 得变形总量。由表3-27形成偏差和变动量知，5级精度滚珠丝杠任意5000mm6300mm轴向行程内行程的变动量允许100，而对于此滚珠丝杠，总的变形量只有3.46 ，可见丝杠刚度足够。（5）压杆稳定性校核滚珠丝杠属于细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷应满足： （3-27） 临界载荷，单位为N丝杠支承系数压杆稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm 。 查表3-34由于课题要求为单推单推则丝杠支承系数=1有丝杠底径，求得界面惯性矩；压杆稳定安全系数K取3；滚动螺母至轴向固定处的距离5000mm取最大值 。代入上式，得临界载荷528N，远小于工作载荷Fm=800N，故丝杠会失稳。所以另选择CM、CDM系列滚珠丝杠，其代号为4005-2.5，=36.825mm，所以计算得：，远大于工作载荷，故丝杠会不失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠螺母副满足使用要求。3.6 轴承的选择及校核3.6.1肩部蜗轮轴轴承选择及校核15该轴承为深沟球轴承，型号为6209，基本额定动载荷=3.5kN,基本额定动载荷，径向力,轴向力，载荷系数。 图3-3 涡轮轴受力图（1）、轴承的径向力 解得 取 （3-28） （3-29） 轴承1受载荷大，故按计算。径向当量动载荷 大于两轴承的径向当量静载荷 （3-30）算得工作时间远大于机器额定寿命，故轴承满足要求。3.6.2竖轴轴承校核该轴承为圆锥滚子球轴承，型号为30206，e=0.38，Y=1.6，基本额定动载荷,载荷系数。, 。（1）、轴承的径向力 （3-31）解得 （2）、计算派生轴向力 （3-32） 轴承1被压紧，轴承2被放松。 （3-33） （3-34） 轴承1受载荷大，故按计算。算得工作时间大于机器额定寿命，故轴承满足要求。3.7 齿轮的设计及校核 已知小齿轮传递的转矩=21971.2，小齿轮的转数，齿数比，由电机驱动，工作寿命10年（每天工作10小时，设每年工作300天）20。1、 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1） 选直齿圆柱齿轮传动。2） 搬运机械手为一般工作机器，速度不高，故选择7级精度。3） 材料选择。由机械设计表10-1选择小齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，大齿轮的材料为45钢，硬度为200HBS，二者材料硬度差为40HBS。4） 选小齿轮齿数为=20，大齿轮齿数。2、 按齿面接触强度设计15由计算公式进行计算 （3-35） （1）、计算公式内各计算数值1） 、由机械设计表10-7选取齿宽系数。2） 、由机械设计表10-6查得材料弹性影响系数。3） 、由机械设计表10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限；4） 、试选载荷系数。5） 、由式 计算应力循环次数 （3-36） 6） 、由机械设计表10-19取疲劳寿命系数 。7） 、计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为1%，安全系数S=1，由公式 （3-37） =1600MPa=600MPa =1.12550MPa=616MPa（2）计算1） 、试计算小齿轮分度园直径，代入中较小的值。 （3-38） 2) 、计算圆周速度v。 （3-39） 3) 、计算齿宽 （3-40） 4） 、计算齿宽于齿高比。 （3-41） 5） 计算载荷系数。根据速度V=0.143m/s，7级精度，由机械设计查表10-8得动载系数；直齿轮，；由机械设计查表10-2查得使用系数；由机械设计查表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支撑装置非对称布置时，。由，查图表10-13得：故载荷系数 （3-42）6） 、按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由公式 （3-43） 7） 计算模数m。 （3-44） 3、 按齿根弯曲强度设计（1）由弯曲强度的设计公式为 （3-45） 1）、由机械设计查图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳极限；大齿轮的弯曲疲劳极限；2）、由机械设计查图10-18取弯曲疲劳寿命系数 ；3）、计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由公式 得 （3-46） 4） 计算载荷系数K。5） 、查取齿形系数由机械设计查图10-5 6） 、查取应力校核系数。由机械设计查图10-5 7） 计算大小齿轮的并加以比较 （3-47） 大轮的数值大，所以代入大齿轮数值计算。（2）、设计计算 （3-48） 对于此计算结果，由于齿面接触疲劳强度计算的模数m小于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由齿轮模数m的大小取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载力，仅于齿轮直径有关，而满足齿面接触疲劳强度时已经满足齿面弯曲强度，故取模数为4，按接触疲劳强度算得分度园直径为36.6mm,算出小齿轮齿数： 取大齿轮齿数 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑。4、 几何尺寸计算（1）、计算分度圆直径 （2）、计算中心距 （3-49） （3）、计算齿轮齿宽 取,。3.8 螺纹连接件的校核3.8.1竖轴连接螺钉校核此螺纹连接为竖直旋转的转矩为则由机械设计公式 （3-50）可求得受力最大的螺栓的工作剪力为： （3-51）求得 其中螺栓的剪切强度条件为 （3-52）故强度满足要求16。3.8.2水平导轨出的螺纹连接此处螺纹连接为铰制孔连接，主要受倾覆力矩。外加倾覆力矩为：，由公式： （3-53）因 （3-54） 则 （3-55）于是螺栓所受的最大工作载荷为： （3-56）其中：。螺栓危险截面的拉伸强度条件根据 （3-57）故强度满足要求。4 机械手控制部分的设计、选型及程序内容4.1 总述由于搬运机械手要求运转灵活，需要控制的输入量比较多，并且有手动和自动两个部分，在工厂工业生产现场的环境恶劣、干扰源众多，如大功率用电设备的起动或停止引起的电网电压的波动形成低频干扰电焊机、电火花加工机床的电刷等通过电磁耦合产生的工频干扰等，所以选择PLC控制。选择PLC控制可靠性高，抗干扰能力强，控制程序可变，具有很好的柔性，编程简单使用方便。搬运机械手可以根据不同的工作环境，来编写不同的程序，来达到灵活控制的要求，操作人员可以通过阅读PLC的用户手册和短期培训，很快就能学会用梯形图编程控制程序17。4.2 总体方案的设计搬运机械手是顺序控制，即控制机械手按一定顺序动作，需要控制的器件多，而且要达到灵活控制，反映速度快。所以选择PLC控制，其反应速度快，控制准确。PLC发出指令控制驱动器，驱动器控制水平电机，电机运转经传动装置带机身水平移动，到达指定位置通过传感器（限位开关或接近开关）检测，将反馈信号传递给PLC,经PLC内部程序运算，给出下一步指令，水平移动停止，进行手臂下降。手臂下降抓取物料，当手爪达到预定位置时，通过传感器检测，手臂停止运动，进行抓取动作。手开始抓取物料，当手夹紧后，手停止合拢，进行手臂向上摆动。手臂摆动到预定位置，手臂停止摆动，进行机身回转运动。机身回转到预定位置，机身停止转动。水平电机驱动，机身水平移动，到达预设位置，机身停止移动。手臂向下摆动，到达预设位置，手臂停止摆动。手放松，手张开达到预设的角度，手停止张开。手臂向上摆动，到达预定位置，手臂停止摆动。机身回转，到达预设位置，机身停止回转。机身水平移动，进行循环搬运工作。4.3机械手控制系统硬件组成搬运机械手的控制组成主要由：PLC、步进驱动器、电磁阀、行程开关或接近开关组成根据自动化机组的控制要求，所需PLC的输入点数为23个，输出点数为8个。所以选取FX3U系列的PLC。4.3.1PLC简介FX3U-48MT基本单元，带24点输入24点晶体管输出 。FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点18。 1. FX系列小型三菱PLC的轻巧与高品质，而且进一步丰富了扩展性，扩充了许多崭新的功能。2.FX3U系列三菱PLC基本指令处理速度达0065s，功能指令达209种，新增了块数据的加减计算、比较指令，表格设定定位指令等，基本单元、扩展设备的IO点数可达384点，系统构成更大；基本单元和输入输出单元系列化；3.模拟量处理能力大大提高，模拟量模块多为12位分辨率，通过扩展板和特殊适配器，处理模拟量能力可达16个；4.高速计数功能范围扩大，内置6点100kHz的32位高速计数功能的计数器，计数频率是FX2N系列PLC的2倍；通信能力加强，新开发了众多通信板和通信适配器及计算机连接用的专用模块，可方便连接各种智能设备。 三菱PLC- FX3U图4-1三菱PLC-FX3U系列外形图4.3.2步进驱动器简介根据设计要求选择杭州日升电气设备有限公司驱动。相混合式步进电机正弦波细分驱动器，其外形图如下： 图4-2HB308SN步进驱动器特点AC110220V电源供电(40110V可定制）最大8A相电流输出采用交流伺服电机的电流控制方式，精确正弦电流输出，使步进电机各项运行性能指标接近交流伺服电机驱动器性能对电机的依赖性极小，不同参数电机均可获得优异性能采用原装进口三菱智能功率模块（IPM），适应各种恶劣工作环境具备多种细分模式，特殊细分要求可定制具备脱机（FREE）控制信号静止时自动半电流锁定输入输出信号光电隔离。适配电机。110、130、150BYG系列三相混合式步进电机三、输入输出端子端子标记功能说明CP 步进脉冲/正向脉冲正输入端脉冲 方向模式下：1） 脉冲光耦开通沿有效，最小脉宽2us2） 方向光耦关断时正转，开通时反转其端口功能如下：4-1其输入输出端子：CP+步进脉冲/正向脉冲正输入端脉冲+方向模式下：脉冲光耦开通沿有效，最小脉宽2us正/反脉冲模式见“信号设置”CP-步进脉冲/正向脉冲负输入端CW+方向信号/反向脉冲正输入端CW-方向信号/反向脉冲负输入端其端口接线如图：图4-3 HB308SN步进驱动器接线图4.3.3行程开关简介行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护19。图4-4 C-1231行程开关外观图4.4 电气控制系统分析机械手控制分为23点输入，8点输出，其PLC各接线端口分配如表15：表4-2 输入端（X）端口分配情况：名称代号输入名称代号输入启动SB1X0末端手爪抓紧SQ10X15急停止SB2X1末端手爪放松SQ11X16手动SB3X2手动机身正转SB5X17自动SB4X3手动机身反转SB6X20机身正转限位SQ1X4手动手臂向上转SB7X21机身反转限位SQ2X5手动手臂向下转SB8X22手臂上限位SQ3X6手动丝杠前进SB9X23手臂下限位SQ4X7手动丝杠后退SB10X24手臂原位SQ5X10手动手爪抓紧SB11X25丝杠原位SQ6X11手动手爪放松SB12X26丝杠工作前限位SQ7X12丝杠工作后限位SQ8X13丝杠限位SQ9X14PLC各输出端口分配如表：表4-3 输出端（Y）端口分配情况：名称代号输出名称代号输出机身脉冲输出YV1Y0丝杠脉冲方向YV5Y6机身脉冲方向YV2Y4手爪抓紧YV6Y10手臂脉冲输出YV3Y1手抓放松YV7Y11丝杠脉冲输出Y
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