无锡职业基于钢材仓库搬运机械手的设计带机械图
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学XX学院毕业设计(论文)钢材仓库搬运机械手所在学院机械与电气工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级xx机自x班姓 名学 号指导老师 2017 年 4 月 31 日29摘 要本课题研究的内容是基于钢材仓库搬运机械手设计，机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证生产质量。随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。采用plc对机械手进行控制。机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手能部分地代替人工操作，能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成钢材的传送和装卸。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用与工业生产和其他领域内。应用plc控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境减轻劳动强度，提高劳动生产率，有着十分重要的意义。关键词：机械手，结构设计，钢材仓库搬运机械手设计，电机，PLCAbstractThe content of this research is the design of hand steel warehouse handling machinery based on the mechanical hand to extend and expand human limbs and brain function, it can replace human to complete heavy and repetitive labor, improve labor productivity, ensure the quality of production. With the continuous deepening of robot technology and the rapid development of robot applications, not only the control reliability, flexibility and high operation flexibility, and low cost, and strong economic development. Manipulator control using plc.Manipulator refers to the ability to imitate some of the action of the hand and arm, in order to grab a fixed program, handling objects or operating tools automatic operation device. It is mainly composed of three parts: actuator, drive mechanism and control system. It can replace human labor to realize the mechanization and automation of production, can operate in order to protect the personal safety in harmful environment, so it is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy and other departments.The manipulator can partly replace the manual operation, according to the requirements of the production process, according to certain procedures, time and position to complete the delivery and handling of steel. The utility model has the advantages that the utility model can be used for grasping, placing and conveying objects in space, and the utility model has the advantages of flexible and various movements and wide application in the fields of industrial production and other fields. Application of PLC control manipulator can realize the various provisions of the process moves can not only improve the quality and output of products, and to protect the personal safety, improve the working environment and reduce labor intensity and improve labor productivity, has a very important significance.Key words: manipulator, structural design, steel warehouse handling manipulator design, motor, PLC目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 机械手的背景11.2 课题研究的现实意义和社会意义1第2章 总体方案设计32.1 技术参考数据32.2机械传动原理32.3总体方案设计42.4 本章小结5第3章 手爪夹持器结构设计与计算63.1夹持器设计计算63.2 夹持装置液压缸设计计算73.2.1 初步确系统压力73.2.2液压缸计算73.2.3 活塞杆的计算校核9第4章 大臂部结构设计及计算104.1 大臂部结构设计的基本要求104.2 大臂部结构设计114.3 大臂电机及减速器选型114.4 减速器参数的计算12第5章 小臂结构设计及计算135.1 吸盘设计要求及选型135.2 腕部设计135.2.1 手腕偏转驱动计算145.2.2 手腕俯仰驱动计算175.2.3 电动机的选择185.3 小臂部结构设计205.4小臂电机及减速器选型205.4.1.传动结构形式的选择215.4.2.几何参数的计算215.5 轴承的寿命校核225.6 轴的强度校核23第6章 PLC控制系统设计246.1 动作说明246.2 I/0分配256.3 梯形图的设计27总结30致 谢31参 考 文 献32附录1 梯形图33第1章 绪论1.1 机械手的背景机械手是七十年代发展起来的自动化机械，它可以模仿人手的动作区完成作业，程序可按需要变动，所以适合多品种小批量生产。机械手能够突破人体生理条件极限，代替人们去从事高温、放射性、喷雾、沙尘等危险、繁重而又单调的工作。机械手在国外已经广泛应用，而我国主要采用进口的机械手。工业机械手主要承担着焊接、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。目前我国行业比较缺乏机械手，因此，该产品在我国有较好的发展前景。机械手由横向手臂、直立手臂、支撑杆、摆动液压缸、支承工作台、气缸、喷枪等部分组成，它的主要功能是配合液压控制系统完成产品表面的工作。1.2 课题研究的现实意义和社会意义机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手能部分地代替人工操作，能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成钢材的传送和装卸。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用与工业生产和其他领域内。应用plc控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境减轻劳动强度，提高劳动生产率，有着十分重要的意义。本课题研究的内容是基于钢材仓库搬运机械手设计，机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证生产质量。随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。主要完成的任务如下，选取合适的曲轴，并确定其特征参数；选取机械手的坐标形式和自由度，设计出机械手的各执行机构，包括手臂、手腕、手臂等部件的设计；机械手的控制系统的设计，采用plc对机械手进行控制。收集相关资料，并对现有的资料进行研究，进而分析自己完成本课题还存那方面的困难，除了现有的知识外还应该具备哪些新的知识。选定自己适合和熟悉的制图软件，对选定的工具进行深入学习以及具体的实践。机械结构的分析，根据要求设计出合理轻便的机械手。在相关的软件中模拟机械手的工作状态，在模拟调试后对整个机械手进行完善。搬运机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定的要求输送工件或者握持工具进行操作的自动化技术设备，它的结构简单，可以代替人的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。机械手效率高，噪声低，安全可靠、操作以及维护比较方便，因而有着广阔的前途。本课题通过对于机械手进行结构的设计计算，实现自动搬运钢材等运动。第2章 总体方案设计2.1 技术参考数据根据机床操作和工艺流程，分析和设计能满足的钢材仓库搬运机械手结构设计设计。主要完成如下设计任务： 设计一款用于生产线上摆臂式装配机械手，完成装配线上抓取工件，进行工件组装。 （1）完成机械手自由度的确定 （2）完成机械手的各执行机构设计，包括:手部、手腕、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，既可以用夹持式手指来抓取棒料工件，又可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。2.2机械传动原理该方案结构设计与分析：该钢材仓库搬运机械手结构设计设计的本体结构组成如图：钢材仓库搬运机械手结构设计设计本体组成各部件组成和功能描述如下： 底座部件： 底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进电机等。机座作用是支撑部件，支承和转动大臂部件,承受钢材仓库搬运机械手结构设计设计的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证钢材仓库搬运机械手结构设计设计工作时的稳定运行。 钢材仓库搬运机械手结构设计设计的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。小臂部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。2.3总体方案设计工业钢材仓库搬运机械手装置设计的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下3。(1) 直角坐标钢材仓库搬运机械手装置设计结构 直角坐标钢材仓库搬运机械手装置设计的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标钢材仓库搬运机械手装置设计有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标钢材仓库搬运机械手装置设计的运动空间相对钢材仓库搬运机械手装置设计的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标钢材仓库搬运机械手装置设计的结构尺寸要比其他类型的钢材仓库搬运机械手装置设计的结构尺寸大得多。直角坐标钢材仓库搬运机械手装置设计的工作空间为一空间长方体。直角坐标钢材仓库搬运机械手装置设计主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标钢材仓库搬运机械手装置设计有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。(2) 圆柱坐标钢材仓库搬运机械手装置设计结构圆柱坐标钢材仓库搬运机械手装置设计的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。这种钢材仓库搬运机械手装置设计构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3) 球坐标钢材仓库搬运机械手装置设计结构球坐标钢材仓库搬运机械手装置设计的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1(c)。这种钢材仓库搬运机械手装置设计结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4) 关节型钢材仓库搬运机械手装置设计结构关节型钢材仓库搬运机械手装置设计的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。关节型钢材仓库搬运机械手装置设计动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对钢材仓库搬运机械手装置设计本体尺寸，其工作空间比较大。此种钢材仓库搬运机械手装置设计在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的钢材仓库搬运机械手装置设计。钢材仓库搬运机械手装置设计结构，有水平关节型和垂直关节型两种。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-1 四种钢材仓库搬运机械手装置设计坐标形式根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。2.4 本章小结本章主要完成对钢材仓库搬运机械手装置设计系统设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了钢材仓库搬运机械手装置设计的总体设计方案后，就要针对钢材仓库搬运机械手装置设计的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。第3章 手爪夹持器结构设计与计算3.1夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足： （3-1）式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为钢材仓库搬运机械手装置设计在工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 20；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： （3-2）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-3）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1； 而气压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 （3-4）式中，-为柱塞缸工作油压；-为柱塞截面积；选取缸内径为40mm3.2 夹持装置液压缸设计计算3.2.1 初步确系统压力表3.1 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455由表1.2，初选液压缸的设计压力P1=1MPa3.2.2液压缸计算估算要驱动的负载大小为300N，考虑到液压缸未加载时实际所能输出的力，受液压缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前液压缸之间的摩擦力的影响，并考虑到机械爪的质量。在研究液压缸的性能和确定液压缸的缸径时，常用到负载率：由液压与气压传动技术表3.2：表3.2 液压缸的运动状态与负载率阻性负载（静负载）惯性负载的运动速度v运动的速度v=50mm/s，取=0.60，所以实际的液压缸缸负载的大小为：F=F0/=500N（2） 液压缸内径的确定表3.3 液压缸内径确定公式项目计算公式缸径双作用液压缸推力拉力表3-4 液压缸内径系列GB/T2348-1980mm810121620253240506380100125160200250320400500按GB/T2348-1980，取标准值D=40mm；本来可以取32的，考虑不可预测的超载等因素，故在这取的略微大一些。查气传动与控制手册根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。活塞杆直径d=0.45D=18mm 取d=18（标准直径）表3-5 活塞杆直径系列4568101214161820222528323640455056637080901001101251401601802002202502803203604003） 液压缸缸体厚度计算 缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时，必须进行强度校核。缸体的常用材料为20、25、35、45号钢的无缝钢管。在这几种材料中45号钢的性能最为优良，所以这里选用45号钢作为缸体的材料。式中，实验压力，MPa。当液压缸额定压力Pn5.1 MPa时，Py=1.5Pn，当Pn16MPa时，Py=1.25Pn。缸筒材料许用应力，N/mm。=，为材料的抗拉强度。注：1.额定压力Pn额定压力又称公称压力即系统压力，Pn=1MPa2.最高允许压力PmaxPmax1.5Pn=1.251=1.25MPa液压缸缸筒材料采用45钢，则抗拉强度：b=600MPa安全系数n按气传动与控制手册P243表210，取n=5。则许用应力=120MPa = =0.2083mm则液压缸缸体外径为50mm。3.缸筒结构设计缸筒两端分别与缸盖和缸底接，构成密封的压力腔，因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关6。因此，在设计缸筒结构时，应根据实际情况，选用结构便于装配、拆卸和维修的接形式，缸筒内外径应根据标准进行圆整。3.2.3 活塞杆的计算校核 90mm （3-6）式中 许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取5，即活塞杆的强度适中）第4章 大臂部结构设计及计算4.1 大臂部结构设计的基本要求臂部部件是钢材仓库搬运机械手结构设计设计的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)关节，则臂部自由度加以实现。因此，一般来说臂部设计基本要求: （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，钢材仓库搬运机械手结构设计设计常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢（如图4.1和4.2所示）或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。（2)臂部运动速度要高，惯性要小在一般情况下，手臂的要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。 为减少转动惯量，应采取以下措施: (a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料; (b) 减少手臂运动件的轮廓尺寸 (c) 减少回转半径 (d) 驱动系统中设有缓冲装置(3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。(4)位置精度要高。一般来说，直角和圆柱坐标系钢材仓库搬运机械手结构设计设计位置精度高;关节式钢材仓库搬运机械手结构设计设计的位置最难控制，故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。4.2 大臂部结构设计大臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。4.3 大臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2大臂速度为10r/min ，则旋转开始时的转矩可表示如下：式中：T - 旋转开始时转矩 N.mJ 转动惯量 kg.m2- 角加速度rad/s2使钢材仓库搬运机械手装置设计大臂从到所需的时间为：则： (4-1)若考虑绕钢材仓库搬运机械手装置设计手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为： (34-2)选择谐波减速器：型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (4-3)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.54.4 减速器参数的计算刚轮、柔轮均为锻钢，小齿轮材料为45钢（调质），硬度为250HBS 刚轮材料为45钢（调质），硬度为220HBS。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取第5章 小臂结构设计及计算5.1 吸盘设计要求及选型（1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。（2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器1 吸盘是直接吸吊物体的元件，一般用橡胶做成。真空吸盘之所以能吸附在工件上的原因是由于环境压力（大气压力）大于吸盘与工件之间的压力。将吸盘与真空发生装置连接，吸盘内部空间的空气被抽去，当吸盘接触到工件时，大气和吸盘之间形成了密封，就会吸住物料，吸气大小与大气压和吸盘内部空间的压力差成正比。图5.1 吸盘选择65CW36吸盘。5.2 腕部设计腕部能够连接机器人的臂部和手部，支撑并且改变手部的姿态。腕部设计的要求有：结构紧凑、质量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；所用材料强度、刚度高；与臂部及手部的连接部位的结构合理，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。5.2.1 手腕偏转驱动计算手腕的偏转是通过后置于大臂底部一侧的步进电机驱动，两级带轮传动，再经过锥齿轮啮合传动改变方向来实现偏置的。手腕的驱动力来自步进电机，首先要计算手腕偏转所需要的转矩，再计算电机的输出转矩，确定步进电机的型号，从而计算设计传动以及锥齿轮传动的传动参数及相关尺寸。（1）选择步进电机手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和腕部启动时的惯性力矩。根据转矩的计算公式15： （5-1） （5-2） （5-3） （5-4） （5-5） （5-6） （5-7） （5-8）式中： 手腕偏转所需力矩（Nm）；摩擦阻力矩（Nm）；负载阻力矩（Nm）；手腕偏转启动时惯性阻力矩（Nm）；工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）；手腕部分对回转轴线的转动惯量（kgm2）；手腕偏转角速度（rad/s）；手腕质量（kg）；负载质量（kg）；启动时间（s）；手腕部分材料密度（kg/m3）；手腕部分外径和内径（m）；手腕的长度（m）；手腕偏转末端的线速度（m/s）。根据已知条件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以查取手册15得：弹性联轴器传动效率；滚子传动效率；滚动轴承传动效率（一对）；锥齿轮传动效率；计算得传动的装置的总效率。电机在工作中实际要求转矩 Nm （5-9）根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图3.3和图3.4所示,选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。图5-1 90BYG步进电机技术数据图5-2 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线（2）设计传动（a） 计算、分配传动比根据步进电机型号及其对应的矩频特性曲线，所选步进电机工作转矩为4.5 Nm，对应的转速为r/min。由于腕部偏转的角速度r/s，已经通过计算得出，所以腕部末端偏转转速r/min，由此推出总的传动比。已确定的手腕偏转传动方式是通过两级带轮传动和一级锥齿轮传动，需将总传动比进行分配。综合考虑带轮的尺寸和手臂内部结构空间，取小臂传动比，大臂传动比，锥齿轮传动比，。（b） 计算小臂传动功率 kW （5-10） 5.2.2 手腕俯仰驱动计算手腕的俯仰是通过后置于大臂底部另一侧的步进电机驱动，两级带轮传动来实现的。与手腕偏转驱动的计算方法一样，先进行步进电机的选型，再确定传动的传动参数和相关尺寸。经过设计计算，手腕俯仰驱动选择与手腕偏转驱动相同的步进电机型号90BYG5200B-SAKRML-0301。传动参数与相关尺寸计算结果如下：带轮参数：，mm，mm，mm。带轮尺寸：mm mm mm mm mm mm mm mm mm5.2.3 电动机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: （5-11） 、分别为10kg(包括负载2kg)、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： （5-12） = =同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: = =式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离 。 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。则旋转开始时的转矩可表示如下 （5-13）式中：旋转开始的转矩 角加速度 使机器人主轴从到/s所需时间为:则： 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为 电动机的功率可按下式估算 （5-14）式中： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，初步估算取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 （5-15）选择QZD-08串励直流电动机表3-1 QZD-08串励直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）8002446.21750串励B605.3 小臂部结构设计小臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。5.4小臂电机及减速器选型本钢材仓库搬运机械手结构设计设计小臂部两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （5-16）其中：M1，M2，M3分别为负载2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分别其长度。JG1M1L12、JG2M2L22、JG3M3L32，故可忽略不计，以绕第一关节轴的转动惯量为：J1= M1L12+M2L22+M3L32 (5-17)=40.1432+10.4452+40.5422=1.46kg.m2同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52 (5-18)=10.0972+40.1942=0.16kg.m2设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，则同步带应输出转矩为： (5-19) 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为： (5-20)选择谐波减速器：型号：XB3-50-100额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=100 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (5-21)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.55.4.1.传动结构形式的选择该减速器是电传动减速的谐波齿轮装置。要求其传动比较大结构简单紧凑效率较高承载力较高通用性良好。因此本设计方案所选的结构形式为刚轮固定波发生器主动和柔轮从动比较合适。为了便于采用标准刀具来加工柔轮和刚轮，特选取压力角的渐开线齿廓。 5.4.2.几何参数的计算齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取5.5 轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表5-1 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6014A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值Fa/FrFaA /FrA e确定X、Y值XA=1 YA =0 查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24 PB=6759.14计算轴承寿命763399h大于12480h由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。5.6 轴的强度校核经分析知C、D两处为可能的危险截面， 现来校核这两处的强度：（1）、合成弯矩（2）、扭矩T图（3）、当量弯矩（4）、校核由手册查材料45的强度参数C截面当量弯曲应力：由计算结果可见C截面安全。第6章 PLC控制系统设计6.1 动作说明分析过程机器人停止在第一个位置的起源，按下开机键后，机器人将从原点下降夹紧（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原点，动作完成的工作。降机器人，高达，检查左，右等动作相关的限位开关的转换和加强放松转换动作是检查的时间。为了确保安全性，操控机器人后，正确的地方，可对工件进行时，有右表没有下降，去当最后一个银行的文物未移动的权利，机器人将自动停牌，以待。 1）手动模式：使用按钮用于机器人控制的操作的各步骤的处理。2）单步工作：起源，根据工作循环中自动为您每次按下启动按钮的时间顺序，机器人完成操作步骤后自动停止。3）单曲循环模式，按下启动按钮，自动机器人一步完成自动运动的周期因为，回国后停止。4）连续模式：按下按钮，移动机器人的起源，按步骤顺序自动不断重复，设置两个停在连续工作：正常停机：停止正常情况下。按下复位reset键，完成一个周期后，机器人，自动返回到原点了。紧急停车：在发生事故或紧急情况下停车。6.2 I/0分配1.某些输入/输出点，并选择PLC型号1）输入信号定位信号：上，下，左，右缘一共有四个行程限位开关显示，我们有四个出入口。“任何部分检验”信号：用于检测元件光电开关需要一个终端。 “模式”选择：手动，单步，单周期和四个连续模式的要求四个输入。手动控制：需要下跌，上升，右，左，分期，放松六个按键也需要六个输入。自动更新：尚未开始，正常停车，快停车3还需要三个输入。此外，一共有18个输入信号。2）输出采用PLC控制输出下降机器人，上，右，左，加固，使三款发动机转速控制放松了共11个输出。机器人开始在家里工作，你需要一个源指示也需要一个起点。所以，至少六个输出。2.分配PLC的输入/输出端子PLC的输入，输出端子任务连线图，见图6-1。 图6-1 I/0分配接线图所需元器件明细表6.3 梯形图的设计为了便于编程，可以编译手动和自动程序相对独立的模块，与如图5-3所示的分支指令选择，过程控制系统框图。（1），不需要手动操作来手动程序一步序列，可以设计成普通中继方案。梯子用手，在图6-3中，控制手动按钮X20-X25显示：图 6-3 总程序结构框图 图6-4手工工艺下，上，右，左，加紧放松每一个动作。为了保证系统的安全性和被提供有一些必要的链。 X11的溶液中加入作为在左侧链和电路的右侧移动，这仅仅是因为在上限位置的机器人只允许向左边和右边。（2）自动程序自动模式。1）连续和单周期操作。机器人在起源时，这个计划是放置在初始状态，S0，动作。当限位开关X10和建立下一个状态，S21，然后下一步。这在左左限位开关的操作压力的起源中的最后一步，X13印制的，当一个操作周期粉碎，M0，回到原来的状态，如果连续运行，包括转移到S20和M0，开始下一周期。在正常的操作，包括停止按钮后的话，X1，M0复位继续机器人移动的完整周期的行返回到初始状态。因为所有的紧急按钮，X2，复位状态S0 - S33，机器人停止工作。当你重新启动，先手动机器人再次转向回家和自动操作。2）单步操作。自动运行程序时，他用一步一步表明，达到了“禁止运行程序M8040状态转移”标志，如图1所示。6-5。当继电器线圈被接通，切割在过渡状态，当线圈电流、传输这一状态。在使用过程中一步一步的控制信号，启动按钮x0，x 4的联系。而不是当你按下启动按钮，M8040 x0断开，常闭触点开闭，当转换禁止。图 6-5 用“禁止状态转移”设计的单步操作梯形图在完成阶段操作完成后，单击“运行”按钮，x0，M8040最初的状态，常闭触点断开，下一步。一些在楼梯上的脚步声，图56 5 5所示的是程序自动显示的上端连接，以及一个周期的一步，整个楼梯，自动操作，包括连续运行。到目前为止，加工的零件设计的机器人控制程序已经完成。序列图中的6-3的总程序流程图，手动和自动楼梯梯嵌入式程序的程序，你会得到整个程序的梯形图。见附录。总结总结本文对钢材仓库搬运机械手装置设计的机械臂结构系统进行了设计，并对机械臂进行了性能分析。由于作者的水平有限，而且对有些相关学科，如传感器技术、控制技术等并不是很了解，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更加深入的研究与展望： (1)机械结构优化问题在钢材仓库搬运机械手装置设计设计过程中，包
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