机械手设计说明书

机械手说明书 机 械 专 业 课 程 设 计 指导老师: 设 计 者: 学号: 专业班级:设计题目:搬运机械手 完成时间:2011年07月02日 目录 一、 设计任务 ..................................................................................... 1 1.1 设计任务介绍.................................................................................................................... 1 1.1.1 课程设计的目的 ..................................................................................................... 1 1.1.2 课程设计的内容 ................................................................................................... 1 1.1.3 课程设计的要求 ................................................................................................... 1 1.1.4 课程设计的具体任务 ........................................................................................... 2 1.1.5 研究机械手的意义 ................................................................................................. 2 1.2 设计任务明细.................................................................................................................... 3 1.2.1 总体的设计 ..................................................................................................... 3 1.2.2机械系统的设计 ...................................................................................................... 3 二、总体方案设计 ................................................................................. 3 2.1 驱动系统............................................................................................................................ 3 2.2 执行机构............................................................................................................................ 4 2.3 控制系统............................................................................................................................ 4 3.1 机械传动装置的组成及原理............................................................................................ 5 机械手的机械传动装置示意图如下 ....................................................................................... 5 3.2 滚珠丝杠简介与特点....................................................................................................... 6 3.3 滚珠丝杠的设计及选型.................................................................................................... 6 3.3.1 螺旋类型及种类 ..................................................................................................... 6 3.3.2初始条件 .................................................................................................................. 7 3.3.3.滚珠丝杠副的组成及主要尺寸 .............................................................................. 7 3.3.4计算过程 .................................................................................................................. 7 3.3.5 滚珠丝杠最小轴经校核 ......................................................................................... 9 3.4电机选型及联轴器选型..................................................................................................... 9 3.4.1电机选型 .................................................................................................................. 9 3.4.2 联轴器的选择 ......................................................................................................... 9 3.5键的选择与校核............................................................................................................... 10 3.5轴承的选型与校核.......................................................................................................... 10 3.5.1 轴承的选型 ........................................................................................................... 10 3.5.2 轴承的校核 ........................................................................................................... 10 3.6主要联接部位螺栓的校核............................................................................................... 12 3.7轴承座、机架、导向柱、底座等基本构件的结构设计 ............................................... 13 四、电气控制系统设计 ....................................................................... 13 4.1控制系统的基本组成....................................................................................................... 13 4.2 电气元件的选型.............................................................................................................. 14 4.2.1可编程序控制器的选择 ........................................................................................ 14 4.2.2步进电机驱动器的选择 ........................................................................................ 14 4.2.3步进电机选择与控制 ............................................................................................ 15 4.3电气控制电路的设计....................................................................................................... 16 4.4控制程序的设计............................................................................................................... 17 4.4.1机械手搬运流程图 ................................................................................................ 17 4.4.2输入/输出地址分配 ............................................................................................... 17 4.4.3机械手位移控制程序 ............................................................................................ 18 4.4.4 搬运机械手搬运程序设计 ................................................................................... 21 五、课程设计总结 ............................................................................... 28 六、参考文献 ....................................................................................... 29 一、 设计任务 1.1 设计任务介绍 1.1.1 课程设计的目的 通过课程设计培养学生综合运用所学知识和能力、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计时建立的专业基础课程和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于: 1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统 产品的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。 2、培养学生搜索、阅读和综合分析参考资料，运用各种和工具书籍一集编写技术文件的能力、提高计算、绘图等基本能力。 3、培养学生掌握机电产品设计的一半程序和，进行工程师基本素质的训练。 、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。 4 1.1.2 课程设计的内容 专业课程设计内容为机电控制系统(典型机电产品)设计，其内容包括机械传动机构和其电气控制系统设计，基本内容如下: 1、总体方案设计:根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析材料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案。针对具体的原理方案进行总体设计，给出机电系统的工作示意图一张。 2、机械传动系统的设计:通过对动力和传动参数的选择计算，设计机械传动系统，完成机械传动系统装配图一张。 3、电气控制系统设计:根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图一张。 1.1.3 课程设计的要求 课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘的设计图纸上，量化要求如下: 1、每位同学采用不同方案独立完成; 2、每位同学独立完成课程设计说明书一份，A4纸30页左右，计算机打印并提交电子稿; 3、 每位同学应完成设计图纸不少于三张，计算机绘图并提交电子稿。 1 1.1.4 课程设计的具体任务 1、题目:直角坐标系搬运机械手 2、方案选择: , 电机驱动方式:步进电机 , 机械传动方式:螺旋丝杠 , 电气控制方式:PLC控制 , 功能控制要求:位置控制，速度控制 3、主要设计参数: , 移动负载质量:100kg , 工作行程:第一段行程400mm，第二段行程100mm , 移动速度控制:第一段行程速度为0.2m/s,第二段行程速度为0.1m/s 1.1.5 研究机械手的意义 随着现代工业技术的不断发展，工业自动化技术也越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化和简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。 在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。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。 借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。 综上所述，本次专业课程设计本人选择了设计直角坐标系搬运机械手，为明年的毕业设计打下基础。由于时间仓促，本人仅设计了机械手的立柱、手臂，和控制部分。 2 1.2 设计任务明细 1.2.1 总体方案的设计 通过比较气压、液压、以及机械传动机械手的优缺点，根据课程设计 题目要求，最终选择PLC控制两台步进电机，步进电机带动滚珠丝杠，将圆周运动转换成沿X-Y轴的直线运动。 1.2.2机械系统的设计 1)传动机构的设计与选型 2)联轴器选型，键的校核 3)轴承的选型与校核 4)主要连接部位螺栓的受力分析与校核 5)轴承座，机架，导向柱，底座等基本构件的结构设计 3、电气控制系统的设计 1)电机的选型 2)步进电机驱动模块的选型 3)PLC接线原理图设计 二、总体方案设计 一台完整的机电设备主要包括动力源、传动装置、执行机构和控制系统。因此，在设计机械手时应分部分别设计。 机械手主要由驱动机构(动力源和传动装置)、执行机构和控制系统构成。 各部分的关系如下图所示 图1、工业机械手组成框图 2.1 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。 结合专业课程设计的要求，为实现位置和速度控制，气压传动很难实现速度控制，液压传动系统比较复杂，在短时间内不可能取得成果，因此本人选择电力 3 传动和机械传动相结合。 2.2 执行机构 机械手的执行机构包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件。 1)手部 即直接与工件接触的部分。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。 夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 2)手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。如图1-3。它可以有上下摆动，左右摆动和绕自身轴线的回转三个动作。如果有特殊要求(将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等)，手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部的自由度。 3)手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。 4)立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 6)机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 本次专业课程设计，由于时间仓促，在机械手的执行机构方面，本人只设计了机械手的立柱、手臂和机座。 2.3 控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前控制系统可大体分为三类，工控机控制系统、单片机搭建的控制系统以及PLC控制系统。 课程设计中本人采用PLC控制系统，因为与其它工控产品相比，有以下优点: 4 1)PLC控制器适应恶劣环境，抗电磁干扰能力强，能够较好适应井下环境，系统稳定。 2)编程简单、安装简便、调试方便，响应速度快结果简单、组态方便。 3)造价比较便宜，系统扩展方便。 4)维修工作量小、维护方便，且体积小、能耗低。 课程设计中的控制要求---位置控制、速度控制。本人采用步进电机进行开环控制。因为步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号就能够进行精确的位置控制和速度控制。这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器件，和速度传感器。只需对输入指令脉冲信号计数、控制脉冲信号的频率，就能进行电机的位置控制和速度控制。 综上所述，本次课程设计动力源选择电机，传动装置选择滚珠丝杠，执行原件选择夹手，控制系统选择PLC控制系统。机械手控制系统原理图如下所示: 步进X轴滚驱动器电机珠丝杆程脉冲数序PLC计算机脉冲 频率步进Y轴滚驱动器电机珠丝杆 图2、机械手控制系统原理图 三、机械传动系统设计 3.1 机械传动装置的组成及原理 机械手的机械传动装置示意图如下 圆直转步进周线化联轴器滚珠丝杆运运电机 动动 图3、机械手传动装置示意图 5 3.2 滚珠丝杠简介与特点 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 2)高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度?湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3)微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4)无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5)高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。 3.3 滚珠丝杠的设计及选型 3.3.1 螺旋类型及种类 螺旋传动类型:滚动螺旋传动 滚动螺旋副接触形式:内循环 6 3.3.2初始条件 精密螺杆，材料42CrMo 热处理:高、中频加热,表面淬火 螺母材料:ZCuSn10Zn2热处理:渗氮、淬火 返向器材料:60Mn 热处理:高、中频加热,表面淬火 螺纹滚道法向截面形状:半圆弧 轴向载荷与运动方向反 3.3.3.滚珠丝杠副的组成及主要尺寸 图4、滚珠丝杠的组成和主要尺寸 3.3.4计算过程 序号 计算项目 计算依据 计算结果 丝杠载荷: 220.5NFumm,，，，()=0.159.8(50+100)F导向柱摩擦力 uu货物手臂 1 F工作载荷 amax2020N FKFmmg=()，，aXmax货物手臂 (50+100)9.8=1.1500+，， v，，，，6010000.5601000 n电机转速 n,,max ,500/minr,,D，202 初步设电机与丝杠之间没有减速器，转速不 丝杠最大转速n 变 500/minr 工作台最大速度: Vmmm,,，,3/min310003000/min6mm max P丝杠导程 3 hPvn,,/3000/500hmax 7 nnn, 当量转速mm 500N 4 当量负荷 FF, mmaxa2020N 初选滚珠丝杠 按照机械设计手册公式，求得滚珠丝杠动负 荷 1 C(1)计算动负荷 3aKL,,hk11300N CKKKFK,,aFHLh,,500K,,n 1 33.33,,'2020N CKKFK,,oaFHn,,C(2)计算静载荷 oan,, 5 查表2.8-65，得机械手的滚珠丝杠的推荐寿命 L(3)要求寿命 h为8000h 8000 (4)滚珠丝杠副型号 在企业网站查的，选用CBM2505-5，额定动 载荷为 CBM2505-5 ' CNC,,15000aa (5)滚珠丝杠副的 11FCNF,,,,，0.2537505510maxa主要尺寸 33 ,N 183.7 采用CBM2505-5型外循环滚珠丝杠副。 符合要求 dmm,25公称直径 0 pmm,5基本导程 h Dmm,3.175钢球直径 w 丝杠大径 dmm,24.5 dmm,21.1丝杠小径 1 由企业产品参数可知 丝杠螺纹部分长度 lmm,1170 u6 1170mml u l应大于 支撑跨距l7 支撑距离 l1250mmu 8 22 fd4.730.0272，22n,,，99009900n 临界转速校核cc22L1.45438 c ff,4.73由查表2.8-66查得支撑方式系数22支撑方式系数 4.73 8 (两端固定) 19070.14Nmmd计算所得驱动力矩 '0 TTTTTF,，，,，,tan(),,12312 一端固定支撑，一端铰接，丝杠不受压缩，9 压杆稳定校核 不必校核稳定性 同理，选择手臂(X轴)滚珠丝杠型号为CBM2505-5，工作行程选,900mm采取一端固定支撑，一端铰接的安装方式，经机械设计2008软件校核通过。 3.3.5 滚珠丝杠最小轴经校核 由于选择的是企业系列产品，为了使用安全。选用者对滚珠丝杠与电机连接轴段进行校核。 P1.03633dA,,，,11014 n500 最细轴段直径为16，校核通过。 3.4电机选型及联轴器选型 传动装置各传动零件的机械传动效率查(东南大学出版社《机械设计课程上机与设计》)表9-1取得: ,,0.99,,0.09滚动轴承 联轴器: 15 ,,,,，,，,0.970.990.96总传动效率: 12总 'PTnkw,，，,/95595500.961.0036,,19070.14500/ 3.4.1电机选型 ,T,KT步进电机选型根据保持转矩，步进电机保持转矩 ，转矩储备系数K=1.1~1.5，取K=1.1 , T,，,,KT=1.151907022Nm 在全球电机网上查得:山东开元电机厂生产的磁阻式三相六拍步进电机，型号为160BC380 该电机主要参数:相数3;步距角0.75/1.5;电压80-300V;电流13A;保持22N/m;最高空载启动频率1000，运行频率12000。 3.4.2 联轴器的选择 联轴器选择原则: 1)根据被联接轴两端轴经(联接两端直径相差不得大于最小直径的1/3) 2)所选联轴器公称转矩应大于电机的最大转矩。 9 3)所选联轴器尽可能的经济实用。 通过查机械设计手册，推荐丝杠轴与电机直接连接，采用无间隙的弹性联轴 dmmdmm,,22,16器。选择弹性套柱销联轴器，型号TL3，。 12 3.5键的选择与校核 键选择45号钢，其许用应力为 ,,,,150MPap 对于联轴器与滚珠丝杠之间的键选择键为普通A型平键dmm,14 4T，(合格) bmmhmmLmm,,,8,7,25,,,31.13MPapdhL 对于联轴器与电机轴之间的键选择键为普通A型平键dmm,22 4T，(合格) bmmhmmLmm,,,8,7,25,,,19.8MPapdhL 3.5轴承的选型与校核 机械手立柱和手臂的滚珠丝杠采用一端固定一端简支承的结构方式。采取此方案的原因为: 1)此种支承结构方式适用于中等转速，且具有较高精度定位。 )丝杠有热涨的余地 2 )压杆的稳定性和临界转速比同长度的F-O型高 3 3.5.1 轴承的选型 Y轴方向滚珠丝杠竖立放置，轴承承受的力里主要在底部，故立柱底端采用止推球轴承和圆锥滚子轴承组合使用。止推球轴承主要承受Y轴方向轴向力，圆锥滚子轴承主要承受径向力(由倾覆力矩产生)，其次还可以起到径向固定作用。电机端采用成对安装的角接触球轴承，能承受双轴向载荷，有较大的抗弯刚度支承。 X轴方向滚珠丝杠水平放置，电机端采用成对安装的角接触球轴承，能承受双轴向载荷，有较大的抗弯刚度支承，适合于悬臂轴的支承，夹持端采用圆锥滚子轴承。 根据轴经进行轴承的选型 Y轴方向轴承选型:底座--止推球轴承51204型，圆锥滚子轴承32004型，电机端成对安装的角接触球轴承7204AC/DB，安装固定如下图所示: 底座 电机端 X轴方向轴承选型:电机端成对安装的角接触球轴承7204AC/DB，夹持端圆锥滚子轴承32004型安装固定如下图所示: 电机端 夹持端 3.5.2 轴承的校核 1、止推球轴承校核 10 1)设计参数 径向力 Fr=100 (N)，轴向力 Fa=2500 (N)，轴颈直径 d1=20 (mm)，转速 n=500 (r/min)，要求寿命 Lh'=10000 (h)，温度系数 ft=1，润滑方式 Grease=脂润滑。 2)被选轴承信息 通过查机械设计手册，可得轴承类型 BType=推力球轴承，轴承型号 BCode=51204，轴承内径 d=20 (mm)，轴承外径 D=40 (mm)，轴承高度 B(T)=14 (mm)，基本额定动载荷 C=22200 (N)，基本额定静载荷 Co=37500 (N)，极限转速(脂) nlimz=3800 (r/min) 3)当量动载荷 接触角 a=45 (度)，负荷系数 fp=1，判断系数 e=1.25，径向载荷系数 X=0.66轴向载荷系数 Y=1，当量动载荷 ，额定动载荷计算PfXFYFN,，,()2556pra 值 C'=17177.649 (N) 4)校核轴承寿命 ,6fC10,,t 轴承寿命 ，校核合格 Lh,,,21586()10年h,,60nP,, 2、圆锥滚子球轴承 因设计时选用了两个同型号的圆锥滚子球轴承，为节约设计时间，选受力较大的圆锥滚子球轴承进行校核。 1)设计参数 径向力 Fr=2500 (N)，轴向力 Fa=1000 (N)，轴颈直径 d1=20 (mm)，转速 n=500 (r/min)，要求寿命 Lh'=10000 (h)，温度系数 ft=1，润滑方式 Grease=脂润滑 2)被选轴承信息 通过查机械设计手册，选轴承类型 BType=圆锥滚子轴承，轴承型号 BCode=32004，轴承内径 d=20 (mm)，轴承外径 D=42 (mm)，基本额定动载荷 C=25000 (N)，基本额定静载荷 Co=28200 (N)，极限转速(脂) nlimz=8500 (r/min) 3)当量动载荷 接触角 a=10 (度)，负荷系数 fp=1.2，判断系数 e=0.973，径向载荷系数 X=1，轴向载荷系数 Y=0，当量动载荷 P=3000 (N)，额定动载荷计算值 C'=13070.292 (N) 4)校核轴承寿命 ,6fC10,,t 轴承寿命 校核合格 L,=39081(h)h,,60nP,, 3、角接触球轴承校核 1)设计参数 径向力 Fr=1500 (N)，轴向力 Fa=700 (N)，轴颈直径 d1=20 (mm)，转速 n=500 (r/min)，要求寿命 Lh'=10000 (h)，温度系数 ft=1，润滑方式 Grease=脂润滑 2)被选轴承信息 11 轴承类型 BType=角接触球轴承,轴承型号 BCode=7204AC/DB,轴承内径 d=20 (mm),轴承外径 D=47 (mm),轴承宽度 B=28 (mm),基本额定动载荷 C=14000 (N),基本额定静载荷 Co=7820 (N),极限转速(脂) nlimz=13000 (r/min) 3)当量动载荷 接触角 a=25 (度),负荷系数 fp=1.5,判断系数 e=0.68,径向载荷系数 X=0.41,轴向载荷系数 Y=0.87,当量动载荷 P=1528.5 (N),轴承所需基本额定动载荷 C'=11867.176 (N) 4)校核轴承寿命 ,6fC10,,t 轴承寿命 校核合格 L,=24682(h)h,,60nP,, 3.6主要联接部位螺栓的校核 当机械手搬运工件运动到右极限位置是所受倾覆力矩最大，故以此状态下校核联接部位螺栓。 联接部位主要有两部分组成:立柱联接支架(一端与滚珠丝杠上的滚珠螺母联接，另一端与立柱联接支架联接)，手臂联接支架(一端与滚珠丝杠上的滚珠螺母联接，另一端与手臂联接支架联接)，如下图所示 图6、立柱与手臂联接图 经过受力分析可知:螺栓杆主要承受横向载荷，用配合螺栓联接承受横向载荷大，其次手臂在安装时需要精确定位，及要求安装精度高，而用配合螺栓联接比普通螺栓联接定位精度高。 T 由图分析可知，螺栓组承受旋转力矩T的作用，单边联接支架所受力矩 1 T11 TRlkNm,,,，，,,0.91.50.6751222 对单边列静力平衡方程; TFrFrFrFr,，，， (1) 111223344 FFFF3124,,,有变形协调原则 (2) rrrr1234 2222联立(1)(2)式得: FFFFTrrrrr,,,,，，，/()1111111234 rrrrmm,,,,76FFFFN,,,,1580其中，，所以 12341111 2因为螺栓材料为45号钢，6.6级，查机械设计书表7.6可得 ,,480/Nmm,s ,2,s[]5s,[]96/,,Nmm查表2.8选取许用安全系数，所以 ,,[]s, 4F4F,,,,[]单个螺栓所受剪切力，即其中 ,dm,112dm,,,[]m1 12 dmm,12.52带入数值得。在设计时，为提高其安全系数，设计者选用M16螺栓联接。 1 3.7轴承座、机架、导向柱、底座等基本构件的结构设计 轴承座的设计要根据轴承外经、受力大小来确定轴承座的尺度和厚度。本次课程设计中所有非标准件都是根据查阅技术标准后，独立设计的。 图7、立柱底座零件图 在设计时，机械手中增加导向柱有两个重要作用; 1) 起导向作用，能够较精确的定位，较少系统定位误差 2) 能承担一部分倾覆力矩，减少滚珠丝杠的变形 图8、导向柱零件图 四、电气控制系统设计 4.1控制系统的基本组成 此次课程设计本人在机械结构设计方面花的时间较多，留给电气控制系统设计时间就相应的少了，为能按时完成题目设计要求，本人不设计复杂的电气硬件控制系统，而采取外购相应的模块，来组建电气控制系统，然后编写控制程序，达到目的要求。 机械手的控制系统包括:计算机，PLC可编程控制器，转换器，步进电机驱动器，步进电机，开关直流电源。控制系统示意图如下 13 步进 转步进电机控PLC换驱动电机制器器程 序S7-200计算机步进 转步进电机 换驱动电机 器器 图9、控制系统示意图 4.2 电气元件的选型 4.2.1可编程序控制器的选择 PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。 西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案，我们在本科方面学习时主要的教材都是基于西门子PLC编写的，所以对于西门子PLC比较熟悉。采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，具有较好的性价比，使用和维修方便;选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求;必须是功能较强的PLC机型。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量;确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。综合比较，我选用西门子S7-200 CPU224来做控制逻辑单元。S7-200系列PLC是由西门子公司推出的高性能小型可编程控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 S7-200 CPU224的主要特点:集成14输入/10输出共24个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至232路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统 因此，本次课程设计中PLC可编程控制器选S7-200 CPU224。 4.2.2步进电机驱动器的选择 驱动器原理 14 步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。 图10、控制系统示意图 以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为，其四个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动;若方向信号变为负时，通电时序就变为,电机就逆时针转动。 本次所选步进电机驱动器是常州双杰电子有限公司生产的，型号为SJ-380BF。 4.2.3步进电机选择与控制 在机械系统设计中，电机选型已经选好，步进电机的型号为160BC380，山东开元电机厂生产的反应式三相六拍步进电机。 步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气执行元件,具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点。步进电机转子的位移与脉冲数成正比,因而其转速与脉冲频率成正比,而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步,这个角度即为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了旋转的速度,方向信号决定了旋转的方向。 步进电机的工作方式与电动机的结构和种类密切相关,从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,常用的是三相步进电机。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种。系统采用三相六拍工作方式,在三相六拍工作方式中,控制电流切换6次,磁场旋转1周,转子移动1个齿距,各相的通电顺序为: A2AB2B2BC2C2CA2A。六拍工作方式时的电压及电流波形如图1所示。其中细线表示磁极绕组中的电流波形,可见磁极的驱动电压是方波,而电流不是方波,这主要是由于步进电机的每相绕组存在一定的充电和放电时间。 15 图11、步进电机六拍工作方式时的电压及电流波形 常用的步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型,不同的步进电机在控制方式上基本一样。在实际应用中,反应式步进电机较常用。步进电机直接由数字信号控制,其基本控制包括转向控制和速度控制。步进电机换向,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内时,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速?换向?加速3个过程。调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进 ,实际上就是控制发送脉冲的频率。加行调速。用PLC实现步进电机的加减速控制 速时,使脉冲频率增高,减速时降低。理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。若选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,则能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。 步进电机有以下特点: 1)运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少; 2)定位精度高，并且没有累积误差，且具有锁定转矩; 3)具有优良的起动、停止、反转响应，可低速运行，直接驱动负载; 4.3电气控制电路的设计 根据控制系统的基本思路，利用AutoCAD二维绘图软件绘出控制系统接线图。如下图所示 图12、控制系统接线图 16 4.4控制程序的设计 4.4.1机械手搬运流程图 0起始位置 SB1 1立柱下降 SQ1 2手臂伸出 SQ3 3手指加紧 SQ5 4立柱上升 SQ2 5手臂回缩 SQ4 6立柱下降 SQ1 7手指松开 SQ5 8立柱上升 4.4.2输入/输出地址分配 根据控制电路，本文中设计的PLC控制搬运机械手的PLC控制系统中一共用到了11 个输入口，这是12个输入口有两个按钮、4手调微动开关、5个限位开关组成;5个输出口, 由1个电磁阀上的电磁开关和4个控制步进电机输出口组成。I/O分配如下表所示 I/O分配表 输入 输出 启动按钮 I0.0 高速脉冲输出口 Q0.0 停止按钮 I0.1 高速脉冲输出口 Q0.1 Y轴正方向微动开关 I0.2 控制电机方向口 Q0.2 Y轴负方向微动开关 I0.3 控制电机方向口 Q0.3 X轴负方向微动开关 I0.4 夹持电磁阀 Q0.4 X轴正方向微动开关 I0.5 立柱下降限位 I1.2 立柱上行限位 I1.3 17 手臂伸出限位 I1.4 手臂缩回限位 I1.5 夹持限位 I1.6 货物感知位 I1.7 4.4.3机械手位移控制程序 程序说明:当按下SB1启动开关后，机械手先沿Y轴方向运动400mm,然后手臂沿X方向运动100mm，按下SB2停止开关时，机械手返回原点，即先沿X负方向运动100mm，再沿Y轴方向运动400mm。 18 19 20 4.4.4 搬运机械手搬运程序设计 为使机械手完成搬运功能，作者编写了基本完整的搬运程序。如下所示: 21 22 23 24 25 26 27 五、课程设计总结 通过本次专业课程设计使我简单熟悉了机电产品的设计流程，了解工业机械手的发展前景，为毕业课程设计打下基础。 总的来说，此次课程设计我是全力以赴，遇到了很多得问题，当遇到问题时，我并没有贸然的去问老师或同学，而是静静地思考，实在解决不了再请教老师。在思考的过程就是自我学习、自我提高的过程。 本次专业课程设计，我收获颇多:一方面对所学知识有了更深层的的认识和理解，在设计过程中分别涉及到机械制图、几何公差、机械原理、材料力学、理 28 论力学、测试技术、PLC控制技术等各学科的知识，从这一点上可以看出，我前期所学的知识都是在为以后的工作打基础，这对我日后工作中的综合应用能力的提高会有有很大的帮助;另一方面，培养了我的动手能力，和独立思考的能力，在设计过程中养成严谨、认真的学习态度。 最后，我要感谢崔老师给我的帮助，在他的指导下使我少走了弯路。 由于现在所学知识有限、课程设计中的时间紧迫以及自己缺乏设计，在设计过程中还存在思路不完善之处，在整个系统的设计上，做的还不够细致，仅仅绘制了I/O接线图及梯形图程序，在控制上也只是让机械手做了最基本的动作。在很多地方也存在很多不足，希望老师批评指正。 六、参考文献 [1] 李允文.工业机械手设计.北京:机械工业出版社，1996 [2] 工业机械手图册编写组.工业机械手图册.北京:机械工业出版社，1978 [3] 张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988 [4] 陈志红 唐大放.机械设计课程上机与设计.南京:东南大学出版社，2006 [5] 甘永立.几何量公差与检测.上海:上海科学技术出版社，2005 [6] 程志红.机械设计.南京:东南大学出版社，2006 [7]于金主编.机电一体化系统设计及实践.北京:化学工业出版社，2008. [8]张建民主编.机电一体化系统设计(第二版).北京:高等教育出版社，2001. [9]洛阳轴承研究所编.滚动轴承产品样本.北京:机械工业出版社，2000. 29