機械手設(shè)計說明書

1、機械專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)老師：設(shè) 計者：學(xué)號：專業(yè)班級：設(shè)計題目：搬運機械手 完成時間：2011年07月02日目錄設(shè)計任務(wù)11.1 設(shè)計任務(wù)介紹11.1.1 課程設(shè)計的目的11.1.2 課程設(shè)計的容11.1.3 課程設(shè)計的要求 11.1.4 課程設(shè)計的具體任務(wù) 21.1.5 研究機械手的意義 21.2 設(shè)計任務(wù)明細(xì)31.2.1 總體方案的設(shè)計31.2.2 機械系統(tǒng)的設(shè)計3二、總體方案設(shè)計32.1 驅(qū)動系統(tǒng)32.2 執(zhí)行42.3 控制系統(tǒng)43.1 機械傳動裝置的組成及原理5機械手的機械傳動裝置示意圖如下53.2 滾珠絲杠簡介與特點53.3 滾珠絲杠的設(shè)計及選型63.3.1 螺旋類型及種類 63.3.

2、2 初始條件63.3.3 .滾珠絲杠副的組成及主要尺寸73.3.4 計算過程73.3.5 滾珠絲杠最小軸經(jīng)校核 93.4 電機選型及聯(lián)軸器選型93.4.1 電機選型93.4.2 聯(lián)軸器的選擇93.5 鍵的選擇與校核103.6 軸承的選型與校核103.6.1 軸承的選型103.6.2 軸承的校核103.7 主要聯(lián)接部位螺栓的校核123.8 軸承座、機架、導(dǎo)向柱、底座等基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 13四、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計134.1 控制系統(tǒng)的基本組成134.2 電氣元件的選型144.2.1 可編程序控制器的選擇 144.2.2 步進(jìn)電機驅(qū)動器的選擇144.2.3 步進(jìn)電機選擇與控制154.3 電氣控制電路

3、的設(shè)計164.4 控制程序的設(shè)計174.4.1 機械手搬運流程圖174.4.2 輸入/輸出地址分配174.4.3 機械手位移控制程序184.4.4 搬運機械手搬運程序設(shè)計 21五、課程設(shè)計總結(jié)28六、參考文獻(xiàn)29一、設(shè)計任務(wù)1.1 設(shè)計任務(wù)介紹1.1.1 課程設(shè)計的目的通過課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和能力、提高分析和解決實際問題能力的一個 重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計時建立的專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)方向課的基礎(chǔ) 上的，是學(xué)生根據(jù)所學(xué)課 程進(jìn)行的工程基本訓(xùn)練，課程設(shè)計的目的在于：1、 培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，獨立進(jìn)行機電控制系統(tǒng) 產(chǎn)品的初步 設(shè)計工作，并結(jié)合設(shè)計或試驗研究課題進(jìn)一步鞏

4、固和擴大知識領(lǐng)域。2、 培養(yǎng)學(xué)生搜索、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍一集編寫技術(shù) 文件的能力、提高計算、繪圖等基本能力。3、 培養(yǎng)學(xué)生掌握機電產(chǎn)品設(shè)計的一半程序和方法，進(jìn)行工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。4、樹立正確的設(shè)計思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。1.1.2 課程設(shè)計的容專業(yè)課程設(shè)計容為機電控制系統(tǒng)（典型機電產(chǎn)品）設(shè)計，其容包括機械傳動 和其電氣控制系統(tǒng)設(shè)計，基本容如下：1、總體方案設(shè)計：根據(jù)課程設(shè)計任務(wù)的要求，在搜集、歸納、分析材料的基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)的主要功能，確定實現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案。針對具體的原理方案進(jìn)行總體設(shè)計，給出機電系統(tǒng)的工作示意圖一。1.1.1 機械傳動系統(tǒng)的設(shè)計：通

5、過對動力和傳動參數(shù)的選擇計算，設(shè)計機械傳動系統(tǒng)，完 成機械傳動系統(tǒng)裝配圖一。1.1.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)控制功能要求，完成電氣控制設(shè)計，給出電氣控制電路原理圖一。1.1.3 課程設(shè)計的要求課程設(shè)計的成果最后集中表現(xiàn)在課程設(shè)計說明書和所繪的設(shè)計圖紙上，量化要求如下：1、每位同學(xué)采用不同方案獨立完成；2、每位同學(xué)獨立完成課程設(shè)計說明書一份，A4紙30頁左右，計算機打印并提交電子稿；3、每位同學(xué)應(yīng)完成設(shè)計圖紙不少于三，計算機繪圖并提交電子稿。1.1.4 課程設(shè)計的具體任務(wù)1、題目：直角坐標(biāo)系搬運機械手2、方案選擇：電機驅(qū)動方式：步進(jìn)電機機械傳動方式：螺旋絲杠電氣控制方式：PLC控制功能控制要求

6、：位置控制，速度控制3、主要設(shè)計參數(shù)：移動負(fù)載質(zhì)量：100kg工作行程：第一段行程400mm第二段行程100mm移動速度控制：第一段行程速度為0.2m/s,第二段行程速度為0.1m/s1.1.5 研究機械手的意義隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)也越來越高，生產(chǎn)工況也有趨于惡劣的態(tài) 勢，這對一線工人的操作技能提出了更高的要求，同時操作工人的工作安全也受到了相應(yīng)的威脅。工人工作環(huán)境和工作容也要求理想化和簡單化，對于一些往復(fù) 的工作由機械手遠(yuǎn)程控制或自動完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。在機械制造業(yè) 中，機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較

7、快。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料以及焊接、噴漆 等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng) 付外界的變化。應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝 配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自 動化的步伐。借助PLC強大的工業(yè)處理能力，很容易實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化。基于此思路設(shè)計的機械 手，在實現(xiàn)各種要求的工序前提下，大大提高了工業(yè)過程的質(zhì)量，而且大大解放了生產(chǎn)力，改 善了工作環(huán)境，減輕了勞動強度，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。綜上所述，本次專業(yè)課程設(shè)計本人選擇了

8、設(shè)計直角坐標(biāo)系搬運機械手，為明年的畢業(yè)設(shè)計 打下基礎(chǔ)。由于時間倉促，本人僅設(shè)計了機械手的立柱、手臂，和控制部分。1.2設(shè)計任務(wù)明細(xì)1.2.1 總體方案的設(shè)計通過比較氣壓、液壓、以及機械傳動機械手的優(yōu)缺點，根據(jù)課程設(shè)計 題目要求，最終選擇 PLC控制兩臺步進(jìn)電機，步進(jìn)電機帶動滾珠絲杠，將圓周運動轉(zhuǎn)換成沿X-Y軸的直線運動。 1.2.2機械系統(tǒng)的設(shè)計1）傳動的設(shè)計與選型2）聯(lián)軸器選型，鍵的校核3）軸承的選型與校核4）主要連接部位螺栓的受力分析與校核5）軸承座，機架，導(dǎo)向柱，底座等基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計3、電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計1）電機的選型2）步進(jìn)電機驅(qū)動模塊的選型3） PLC接線原理圖設(shè)計二、總體方案設(shè)

9、計一臺完整的機電設(shè)備主要包括動力源、傳動裝置、執(zhí)行和控制系統(tǒng)。因此，在設(shè)計機械手 時應(yīng)分部分別設(shè)計。機械手主要由驅(qū)動（動力源和傳動裝置）、執(zhí)行和控制系統(tǒng)構(gòu)成。各部分的關(guān)系如下圖所 示控制系統(tǒng)一驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)一被艮曾又工檢測位置w圖1、工業(yè)機械手組成框圖2.1 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝 置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動四種形式。氣動式速度 快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一 般在300N以下。液動式的出力大，臂 力可達(dá)1000N以上，且可用電液伺服，可實現(xiàn)

10、連續(xù)控 制，使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在1mm圍。目前常用的是氣動和液動 驅(qū)動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。結(jié)合專業(yè)課程設(shè)計的要求，為實現(xiàn)位置和速度控制，氣壓傳動很難實現(xiàn)速度控制，液壓傳 動系統(tǒng)比較復(fù)雜，在短時間不可能取得成果，因此本人選擇電力傳 動和機械傳動相結(jié)合。2.2 執(zhí)行機械手的執(zhí)行包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。1）手部即直接與工件接觸的部分。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。 夾持式手部由手指（或手爪）和傳力所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動 形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。而傳力則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任

11、務(wù)。傳力型式較 多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力 式等。2）手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位（即姿勢）。如圖1-3O它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個動作。如果有特殊要求（將軸類 零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的工業(yè)機械手沒有腕部的自由度。3）手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按 預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。手臂在進(jìn)行伸縮或升降運動時、為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動， 都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運動。導(dǎo)向

12、裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有：單圓柱、雙 圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)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，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降（或俯 仰）運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可 作橫向移動，即稱為可移式立柱。6）機座機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連 接的作用。本次專業(yè)課程設(shè)計，由于時間倉促，在機械手的執(zhí)行方面，本人只設(shè)計了機 械手的立柱、 手臂和機座。2.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前控制系統(tǒng)可大體分為三類，工控機控制系統(tǒng)、單片機搭建的控制系統(tǒng)以

13、及PLC控制系統(tǒng)。課程設(shè)計中本人采用PLC控制系統(tǒng)，因為與其它工控產(chǎn)品相比，有以下優(yōu)點：1） PLC控制器適應(yīng)惡劣環(huán)境，抗電磁干擾能力強，能夠較好適應(yīng)井下環(huán)境， 系統(tǒng)穩(wěn)定2）編程簡單、安裝簡便、調(diào)試方便，響應(yīng)速度快結(jié)果簡單、組態(tài)方便。3）造價比較便宜，系統(tǒng)擴展方便。4）維修工作量小、維護(hù)方便，且體積小、能耗低。課程設(shè)計中的控制要求一位置控制、速度控制。本人采用步進(jìn)電機進(jìn)行開 環(huán)控制。因為步 進(jìn)電機的最顯著的優(yōu)勢是不需要位置反饋信號就能夠進(jìn)行精確的位置控制和速度控制。這種開 環(huán)控制形式省去了昂貴的位置傳感器件，和速度傳 感器。只需對輸入指令脈沖信號計數(shù)、控制脈沖信號的頻率，就能進(jìn)行電機的位置控制

14、和速度控制。綜上所述，本次課程設(shè)計動力源選擇電機，傳動裝置選擇滾珠絲杠，執(zhí)行原 件選擇夾手, 控制系統(tǒng)選擇PLC控制系統(tǒng)。機械手控制系統(tǒng)原理圖如下所示：圖2、機械手控制系統(tǒng)原理圖計算機X軸滾珠絲桿丫軸滾 珠絲桿三、機械傳動系統(tǒng)設(shè)計3.1 機械傳動裝置的組成及原理 機械手的機械傳動裝置示意圖如下圓周運動直 線 運 動圖3、機械手傳動裝置示意圖3.2 滾珠絲杠簡介與特點滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理 想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺 絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。

15、由于具有 很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成 線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。1）與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3精密螺桿，材料42CrM。熱處理：高、中頻加熱，表面淬火螺母材料：ZCuSn10Zn2熱處理：滲氮、淬火返向器材料：60Mn熱處理：高、中頻加熱，表面淬火螺紋滾道法向截面形狀：半圓弧軸向載荷與運動方向反333,滾珠絲杠副的組成及主要尺寸圖4、滾珠絲杠的組成和主要尺寸3.3.4計算過程序號計算項目計算依據(jù)計算結(jié)果1絲杠載荷：導(dǎo)向柱摩擦力F

16、u工作載荷a maxFuu （m 手臂 m 貨物）=0.15（50+100）9.8Famax=KFx（Hi 手臂 m 貨物）g=1.1 500+ （ 50+100） 9.8220.5N2020N2電機轉(zhuǎn)速nmax絲杠最大轉(zhuǎn)速nV60 10000.5 60 1000500r/ min500r/ minD20初步設(shè)電機與絲杠之間沒有減速器，轉(zhuǎn)速不 變3絲杠導(dǎo)程R工作臺最大速度：Vmax 3m/ min 3 1000 3000mm/ minFhVmax/n 3000 /5006mm4當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm當(dāng)里負(fù)何nm nFmFamax500N2020N初選滾珠絲杠按照機械設(shè)計手冊公式.求得滾珠絲杠動仍 荷(1

17、)計算動負(fù)荷Ca1Kh11CaK 水hKlFKhLk11300NKn5001(2)計算靜載荷CoaCoa KfKh FKn 3.33 乜2020N5n(3)要求壽命Lh查表2.865,得機械手的滾珠絲杠的推存壽命為8000h8000滾珠絲杠副型在企業(yè)查的，選用CBM2505-5額定動載荷為Ca 1 5000 N CaCBM2505-5(5)滾珠絲杠副的主要11尺寸F. 0.25Ca3750N- Fmax -55133183.7N采用CBM2505-5型外循環(huán)滾珠絲杠副。符合要求公稱直徑 do 25mm基本導(dǎo)程ph 5mm鋼球直徑Dw 3.175mm絲杠大徑d 24.5mm絲杠小徑 di 21.

18、1mm由企業(yè)產(chǎn)品參數(shù)可知絲杠螺紋部分長度lu 1170mm6lu1170mm7支撐距離1支撐跨距1應(yīng)大于lu1250mm8臨界轉(zhuǎn)速校核nc支撐方式系數(shù)2計算所得驅(qū)動力矩2nc 9900 f2?29900 4 73 0,027254384.7319070.14NgmmLc1.4由查表2.8-66查得支撐方式系數(shù)f2 4.73(兩端固定) do,T Ti T2 T 3,Ti F tan()2g壓桿錚左橋核一端固定支撐，一端錢接，絲杠不受壓縮，不必校核穩(wěn)定性同理，選擇手臂（X軸）滾珠絲杠型號為CBM2505-5工作行程選900mm，采取一端 固定支撐，一端較接的安裝方式，經(jīng)機械設(shè)計2008軟件校核通

19、過。335滾珠絲杠最小軸經(jīng)校核由于選擇的是企業(yè)系列產(chǎn)品，為了使用安全。選用者對滾珠絲杠與電機連接軸段進(jìn)行 校核。最細(xì)軸段直徑為16,校核通過3.4 電機選型及聯(lián)軸器選型傳動裝置各傳動零件的機械傳動效率查（東南大學(xué)機械設(shè)計課程上機與設(shè)計）表 9-1取得：滾動軸承。09聯(lián)軸器：50.99總傳動效率：總,2 0.97 0.99 0.96P Tgn/9550，19070.14 500/9550 0.961.036kw3.4.1 電機選型步進(jìn)電機選型根據(jù)保持轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機保持轉(zhuǎn)矩TKT,轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)K=1.1-1.5,取 K=1.1TKT=1.15 19070 22N m在全球電機網(wǎng)上查得：開元電機廠生

20、產(chǎn)的磁阻式三相六拍步進(jìn)電機，型號為 160BC380該電機主要參數(shù):相數(shù)3；步距角0.75/1.5；電壓80-300丫；電流13人；保持22N/m；最高空載啟動頻率1000,運行頻率12000。342聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器選擇原則：1） 根據(jù)被聯(lián)接軸兩端軸經(jīng)（聯(lián)接兩端直徑相差不得大于最小直徑的1/3）2） 所選聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于電機的最大轉(zhuǎn)矩。3）所選聯(lián)軸器盡可能的經(jīng)濟實用。通過查機械設(shè)計手冊，推薦絲杠軸與電機直接連接，采用無間隙的彈性聯(lián)軸 器。選擇彈性套柱銷聯(lián)軸器，型號TL3,d 22mm,d2 16mm。3.5 鍵的選擇與校核鍵選擇45號鋼，其許用應(yīng)力為 P 150MPa對于聯(lián)軸器與滾珠絲杠

21、之間的鍵d 14mm選擇鍵為普通A型平鍵8mm, h 7mm, L 25mm, p31.13 MPa （合格）pdhL對于聯(lián)軸器與電機軸之間的鍵d 22 mm選擇鍵為普通A型平鍵b 8mm, h 7mm, L 25mm,4T 19.8MPa （合格）dhL3.6 軸承的選型與校核機械手立柱和手臂的滾珠絲杠采用一端固定一端簡支承的結(jié)構(gòu)方式。采取此方案的原因為：1）此種支承結(jié)構(gòu)方式適用于中等轉(zhuǎn)速，且具有較高精度定位2）絲杠有熱漲的余地3）壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的F-0型高3.5.1軸承的選型Y軸方向滾珠絲杠豎立放置，軸承承受的力里主要在底部，故立柱底端采用止 推球軸 承和圓錐滾子軸承組合使

22、用。止推球軸承主要承受丫軸方向軸向力，圓錐 滾子軸承主要 承受徑向力（由傾覆力矩產(chǎn)生），其次還可以起到徑向固定作用。電機端采用成對安裝 的角接觸球軸承，能承受雙軸向載荷，有較大的抗彎剛度支承。X軸方向滾珠絲杠水平放置，電機端采用成對安裝的角接觸球軸承，能承受雙 軸向載 荷，有較大的抗彎剛度支承，適合于懸臂軸的支承，夾持端采用圓錐滾子軸承。根據(jù)軸經(jīng)進(jìn)行軸承的選型丫軸方向軸承選型：底座-止推球軸承51204型，圓錐滾子軸承32004型，電機端 成對安裝的角接觸球軸承7204AC/DB安裝固定如下圖所示：底座電機端X軸方向軸承選型：電機端成對安裝的角接觸球軸承7204AC/DB夾持端圓錐滾子軸承32

23、004型安裝固定如下圖所示：夾持端電機端352軸承的校核 1、止推球軸承校核1)設(shè)計參數(shù)徑向力Fr=100 (N),軸向力Fa=2500 (N),軸頸直徑d仁20 (mm),轉(zhuǎn)速n=500 (r/min),要求壽命Lhf=10000 (h),溫度系數(shù)ft=1,潤滑方式Grease=脂潤滑。2)被選軸承信息通過查機械設(shè)計手冊，可得軸承類型BType=推力球軸承，軸承型號BCode=51204 軸承徑 d=20 (mm),軸承外徑 D=40 (mm),軸承高度 B(T)=14 (mm),基本 額定動載荷C=22200 (N),基本額定靜載荷Co=37500 (N),極限轉(zhuǎn)速(脂)nlimz=380

24、0 (r/mi n)3)當(dāng)量動載荷接觸角a=45(度)，負(fù)荷系數(shù)fp=1 ,判斷系數(shù)e=1.25,徑向載荷系數(shù)X=0.66軸向載荷系數(shù)丫=1,當(dāng)量動載荷Pfp(XFrYFa) 2556N,額定動載荷計算值 Cf=17177.649 (N)4)校核軸承壽命軸承壽命Lh巴匹21586(h) 10年，校核合格 60n P2、圓錐滾子球軸承因設(shè)計時選用了兩個同型號的圓錐滾子球軸承，為節(jié)約設(shè)計時間，選受力較 大的圓錐 滾子球軸承進(jìn)行校核。1)設(shè)計參數(shù)徑向力Fr=2500 (N),軸向力Fa=1000 (N),軸頸直徑d仁20 (mm),轉(zhuǎn)速n=500 (r/min),要求壽命Lhf=10000 (h),

25、溫度系數(shù)ft=1,潤滑方式Grease=脂潤滑2)被選軸承信息通過查機械設(shè)計手冊，選軸承類型BType=/錐滾子軸承，軸承型號BCode=32004軸承徑d=20 (mm),軸承外徑D=42 (mm),基本額定動載荷C=25000 (N), 基本額定靜載荷Co=28200 (N),極限轉(zhuǎn)速(脂)nlimz=8500 (r/min)3)當(dāng)量動載荷接觸角a=10(度)，負(fù)荷系數(shù)fp=1.2,判斷系數(shù)e=0.973,徑向載荷系數(shù)X=1,軸向 載荷系數(shù)丫=0,當(dāng)量動載荷P=3000 (N),額定動載荷計算值=13070.292 (N)4)校核軸承壽命軸承壽命Lh 型-=39081( h)校核合格60n

26、 P3、角接觸球軸承校核1)設(shè)計參數(shù)徑向力Fr=1500 (N),軸向力Fa=700 (N),軸頸直徑d仁20 (mm),轉(zhuǎn)速n=500(r/min),要求壽命Lhf=10000 (h),溫度系數(shù)ft=1,潤滑方式Grease=脂潤滑2)被選軸承信息軸承類型BType=角接觸球軸承，軸承型號BCode=7204AC/DB軸承徑d=20 (mm),軸 承外徑D=47 (mm),軸承寬度B=28 (mm),基本額定動載荷C=14000 (N),基本額定靜載荷 Co=7820 (N),極限轉(zhuǎn)速(脂)nlimz=13000 (r/min)3)當(dāng)量動載荷接觸角a=25 (度)，負(fù)荷系數(shù)fp=1.5,判斷

27、系數(shù)e=0.68,徑向載荷系數(shù)X=0.41,軸向載荷 系數(shù)丫=0.87,當(dāng)量動載荷P=1528.5 (N),軸承所需基本額定動 載荷C'=11867.176 (N)4)校核軸承壽命軸承壽命LhftC =24682( h) 校核合格60n P3.7 主要聯(lián)接部位螺栓的校核當(dāng)機械手搬運工件運動到右極限位置是所受傾覆力矩最大，故以此狀態(tài)下校核聯(lián)接部位螺栓。聯(lián)接部位主要有兩部分組成：立柱聯(lián)接支架(一端與滾珠絲杠上的滾珠螺母聯(lián)接，另一 端與立柱聯(lián)接支架聯(lián)接)，手臂聯(lián)接支架(一端與滾珠絲杠上的滾珠螺母聯(lián)接，另一端與手 臂聯(lián)接支架聯(lián)接)，如下圖所示圖6、立柱與手臂聯(lián)接圖經(jīng)過受力分析可知：螺栓桿主要承

28、受橫向載荷，用配合螺栓聯(lián)接承受橫向載荷大，其次手臂在安裝時需要精確定位，及要求安裝精度高，而用配合螺栓聯(lián)接比普通螺栓聯(lián)接定位精度高。由圖分析可知，螺栓組承受旋轉(zhuǎn)力矩T的作用，單邊聯(lián)接支架所受力矩£Ti T 1 R0.9 1.5 0.675kN m 2 22對單邊列靜力平衡方程；TiF2r2F 3r3有變形協(xié)調(diào)原則一1石聯(lián)立(1) (2)式得：Fa旦23 52Fi Fi Fi Fi rp i/(n222、 r2r3r4)其中，*2 e4 76mm,所以 F? R Fi R 1580N因為螺栓材料為45號鋼，6.6級，查機械設(shè)計書表7.6可得s480N/mm2查表2.8選取許用安全系數(shù)S

29、5,所以口 -96N / mm2回其中m 14F單個螺栓所受剪切力-,即 1 di m帶入數(shù)值得d12.52mm。在設(shè)計時，為提高其安全系數(shù)，設(shè)計者選用M16螺栓聯(lián)接。3.8 軸承座、機架、導(dǎo)向柱、底座等基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸承座的設(shè)計要根據(jù)軸承外經(jīng)、受力大小來確定軸承座的尺度和厚度。本次課程設(shè)計 中所有非標(biāo)準(zhǔn)件都是根據(jù)查閱技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后，獨立設(shè)計的。圖7、立柱底座零件圖在設(shè)計時，機械手中增加導(dǎo)向柱有兩個重要作用；1）起導(dǎo)向作用，能夠較精確的定位，較少系統(tǒng)定位誤差2）能承擔(dān)一部分傾覆力矩，減少滾珠絲杠的變形圖&導(dǎo)向柱零件圖四、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)的基本組成此次課程設(shè)計本人在機械結(jié)

30、構(gòu)設(shè)計方面花的時間較多，留給電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時間就相應(yīng)的少了，為能按時完成題目設(shè)計要求，本人不設(shè)計復(fù)雜的電氣硬件 控制系 統(tǒng)，而采取外購相應(yīng)的模塊，來組建電氣控制系統(tǒng)，然后編寫控制程序，達(dá)到目的要求。機械手的控制系統(tǒng)包括：計算機，PLC可編程控制器，轉(zhuǎn)換器，步進(jìn)電機驅(qū) 動器，步 進(jìn)電機，開關(guān)直流電源。控制系統(tǒng)示意圖如下圖9、控制系統(tǒng)示息圖4.2 電氣元件的選型421可編程序控制器的選擇PLC發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號的也很多，各個廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別，各 個重點發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計需要，考慮如何選擇。西門子的中國業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主要支柱，活躍在中國的信息與通

31、訊、自動化與控 制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個行業(yè)中，其核 心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和 工業(yè)解決方案，我們在本科方面學(xué)習(xí)時主要的教材都是基于西門子PLC編寫的，所以對于西 門子PLC比較熟悉。采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，具有較好的性價比， 使用和維修方便；選用的PLC主機和配置、控制功能等必須能滿足被控對象的各種控制要求； 必須是功能較強的PLC機型。同時還應(yīng)當(dāng)考慮將來工藝的變化和擴展，在滿足確定的要求 外，留有一定的余量；確保整個控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程 指令的易懂性。綜合比較，我選用西門子S7200 CPU224來做控制邏輯單元。

32、S7-200系列PLC是由西門子公司推出的高性能小型可編程控制器，適用于 各行各業(yè)，各 種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此 S7-200系 列具有極高的性能/價格比。S7-200 CPU224的主要特點：集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個 擴展模塊，最大擴展至232路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲 空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1 個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自

33、由方式通訊能力。I/O端子排 可很容易地整體拆卸。可完全適 應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)因此，本次課程設(shè)計中PLC可編程控制器選S7-200 CPU2244.2.2步進(jìn)電機驅(qū)動器的選擇驅(qū)動器原理步進(jìn)電機必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作。驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分 配、功率放大，使步進(jìn)電機繞組按一定順序通電，控制電機轉(zhuǎn)動。Vcc步進(jìn)電機圖10、控制系統(tǒng)示意圖以兩相步進(jìn)電機為例，當(dāng)給驅(qū)動器一個脈沖信號和一個正方向信號時，驅(qū)動 器經(jīng)過環(huán)形分 配器和功率放大后，給電機繞組通電的順序為，其四個狀態(tài)周而復(fù) 始進(jìn)行變化，電機順時針轉(zhuǎn) 動；若方向信號變?yōu)樨?fù)時，通電時序就變?yōu)?，電機就逆時針轉(zhuǎn)動。本次所選

34、步進(jìn)電機驅(qū)動器是雙杰電子生產(chǎn)的，型號為 SJ-380BFo423步進(jìn)電機選擇與控制在機械系統(tǒng)設(shè)計中，電機選型已經(jīng)選好，步進(jìn)電機的型號為160BC380開元電機廠生產(chǎn)的反應(yīng)式三相六拍步進(jìn)電機。步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的常用電氣執(zhí)行元件，具有步進(jìn)數(shù)可控、運行平穩(wěn)、價格便宜等優(yōu)點。步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子的位移與脈沖數(shù)成正比，因而其轉(zhuǎn) 速與脈沖頻率成正比，而不受電源電壓、負(fù)載大小及環(huán)境條件等影 響。每一個脈沖信號可使步 進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度前進(jìn)一步，這個角度即為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了旋轉(zhuǎn)的速度，方向信號決定了旋 轉(zhuǎn)的方向。步進(jìn)電機的工作方式與電動機的結(jié)

35、構(gòu)和種類密切相關(guān)，從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機分為三相、四相、五相等類型，常用的是三相步進(jìn)電機。三相步進(jìn)電機的工作方式 有三相單三 拍、三相雙三拍和三相六拍3種。系統(tǒng)采用三相六拍工作方式，在三相六拍工作方式中，控 制電流切換6次，磁場旋轉(zhuǎn)1周，轉(zhuǎn)子移動1個齒距，各相的通 電順序為：A2AB2B2BC2c2cA2A六拍工作方式時的電壓及電流波形如圖1所示。其中細(xì)線表示磁極繞 組中的電流波形，可見磁極的驅(qū)動電壓是方波，而電流不是方 波,這主要是由于步進(jìn)電機的每 相繞組存在一定的充電和放電時間。CPPhaieJPhase/圖11、步進(jìn)電機六拍工作方式時的電壓及電流波形常用的步進(jìn)電機分為反應(yīng)式步進(jìn)電機、永磁式

36、步進(jìn)電機、混合式步進(jìn)電機和單相式步進(jìn)電機 等類型，不同的步進(jìn)電機在控制方式上基本一樣。在實際應(yīng)用中，反應(yīng)式步進(jìn)電機較常用。步進(jìn)電機直接由數(shù)字信號控制，其基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和 速度控 制。步進(jìn)電機換向，一定要在電機降速停止或降到突跳頻率圍之時，以免產(chǎn)生較大的沖擊而 損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第1個脈沖 前發(fā)出。在某一高速下的正、反向切換實質(zhì)包含了降速一換向一加速3個過程。調(diào)整送給步進(jìn) 電機的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機進(jìn) 行調(diào)速。用PLC實現(xiàn)步進(jìn)電機的加減速控制，實際上 就是控制發(fā)送脈沖的頻率。加 速時，使脈沖頻率增高，減速時降低。理想的加速曲線一般

37、為指 數(shù)曲線，步進(jìn)電機整 個降速過程的頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。若選 定的曲線比較符合步進(jìn)電機升降過程的運行規(guī)律，則能充分利用步進(jìn)電機的有效轉(zhuǎn)矩，快速 響應(yīng)性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。步進(jìn)電機有以下特點：1）運行角度正比于輸入脈沖，便于開環(huán)運行，花費少；2）定位精度高，并且沒有累積誤差，且具有鎖定轉(zhuǎn)矩；3）具有優(yōu)良的起動、停止、反轉(zhuǎn)響應(yīng)，可低速運行，直接驅(qū)動負(fù)載；4.3 電氣控制電路的設(shè)計根據(jù)控制系統(tǒng)的基本思路，利用AutoCAD二維繪圖軟件繪出控制系統(tǒng)接線 圖。如下 圖所示圖12、控制系統(tǒng)接線圖4.4 控制程序的設(shè)計441機械手搬運流程圖4.4.2

38、輸入/輸出地址分配根據(jù)控制電路，本文中設(shè)計的PLC控制搬運機械手的PLC控制系統(tǒng)中一共用到了 11個輸入口，這是12 個輸入口有兩個按鈕、4手調(diào)微動開關(guān)、5個限位開關(guān)組成；5個輸出口，由1個電磁閥上的電磁開關(guān)和4個控制 步進(jìn)電機輸出口組成。I/O分配如下表所示I/O分配表輸入輸出啟動按鈕I0.0高速脈沖輸出口Q0.0停止按鈕10.1高速脈沖輸出口Q0.1Y軸正方向微動開關(guān)I0.2控制電機方向口Q0.2丫軸負(fù)方向微動開關(guān)I0.3控制電機方向口Q0.3X軸負(fù)方向微動開關(guān)I0.4夾持電磁閥Q0.4X軸正方向微動開關(guān)I0.5立柱下降限位11.2立柱上行限位11.3手臂伸出限位手臂縮回限位夾持限位貨物感知位11.A 11.511.611.7443機械手位移控制程序程序說明：當(dāng)按下SB1啟動開關(guān)后，機械手先沿丫軸方向運動400mm然后手臂沿X 方向運動100mm按下SB2停止開關(guān)時，機械手返回原點，即先沿X負(fù)方向運動100mm再 沿丫軸方向運動400mmi初殆比脈沖發(fā)主盟莎阿谿3 卜軸方向行程1DOmm, 初始化脈i中發(fā)生器QUOSM7E.7® 5I I翌制步進(jìn)電機方向值號轉(zhuǎn)向）444搬運機械手搬運程序設(shè)計為使機械手完成搬運功能，作