機(jī)械手設(shè)計(jì)說(shuō)明書

..機(jī)械專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)者：__專業(yè)__設(shè)計(jì)題目：搬運(yùn)機(jī)械手完成時(shí)間：201目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)11.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹1課程設(shè)計(jì)的目的11.1.2課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容11.1.3課程設(shè)計(jì)的要求11.1.4課程設(shè)計(jì)的具體任務(wù)21.1.5研究機(jī)械手的意義21.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)31.2.1總體方案的設(shè)計(jì)3機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3二、總體方案設(shè)計(jì)32.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)32.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)42.3控制系統(tǒng)43.1機(jī)械傳動(dòng)裝置的組成及原理5機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)裝置示意圖如下53.2滾珠絲杠簡(jiǎn)介與特點(diǎn)63.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)及選型63.3.1螺旋類型及種類6初始條件73.3.3.滾珠絲杠副的組成及主要尺寸7計(jì)算過程73.3.5滾珠絲杠最小軸經(jīng)校核93.4電機(jī)選型及聯(lián)軸器選型9電機(jī)選型93.4.2聯(lián)軸器的選擇93.5鍵的選擇與校核103.5軸承的選型與校核103.5.1軸承的選型103.5.2軸承的校核113.6主要聯(lián)接部位螺栓的校核123.7軸承座、機(jī)架、導(dǎo)向柱、底座等基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13四、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)154.1控制系統(tǒng)的基本組成154.2電氣元件的選型15可編程序控制器的選擇15步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇16步進(jìn)電機(jī)選擇與控制164.3電氣控制電路的設(shè)計(jì)184.4控制程序的設(shè)計(jì)18機(jī)械手搬運(yùn)流程圖18輸入/輸出地址分配19機(jī)械手位移控制程序194.4.4搬運(yùn)機(jī)械手搬運(yùn)程序設(shè)計(jì)22五、課程設(shè)計(jì)總結(jié)30六、參考文獻(xiàn)30..設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹課程設(shè)計(jì)的目的通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和能力、提高分析和解決實(shí)際問題能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié),專業(yè)課程設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)的目的在于：1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí),獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)工作,并結(jié)合設(shè)計(jì)或試驗(yàn)研究課題進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大知識(shí)領(lǐng)域。2、培養(yǎng)學(xué)生搜索、閱讀和綜合分析參考資料,運(yùn)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(jì)算、繪圖等基本能力。3、培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容專業(yè)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容為機(jī)電控制系統(tǒng)〔典型機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì),其內(nèi)容包括機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和其電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),基本內(nèi)容如下：1、總體方案設(shè)計(jì)：根據(jù)課程設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案。針對(duì)具體的原理方案進(jìn)行總體設(shè)計(jì),給出機(jī)電系統(tǒng)的工作示意圖一張。2、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：通過對(duì)動(dòng)力和傳動(dòng)參數(shù)的選擇計(jì)算,設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),完成機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖一張。3、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：根據(jù)控制功能要求,完成電氣控制設(shè)計(jì),給出電氣控制電路原理圖一張。課程設(shè)計(jì)的要求課程設(shè)計(jì)的成果最后集中表現(xiàn)在課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書和所繪的設(shè)計(jì)圖紙上,量化要求如下：1、每位同學(xué)采用不同方案獨(dú)立完成；2、每位同學(xué)獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份,A4紙30頁(yè)左右,計(jì)算機(jī)打印并提交電子稿；3、每位同學(xué)應(yīng)完成設(shè)計(jì)圖紙不少于三張,計(jì)算機(jī)繪圖并提交電子稿。課程設(shè)計(jì)的具體任務(wù)1、題目：直角坐標(biāo)系搬運(yùn)機(jī)械手2、方案選擇：電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)方式：螺旋絲杠電氣控制方式：PLC控制功能控制要求：位置控制,速度控制3、主要設(shè)計(jì)參數(shù)：移動(dòng)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(dòng)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/s研究機(jī)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(dòng)化技術(shù)也越來(lái)越高,生產(chǎn)工況也有趨于惡劣的態(tài)勢(shì),這對(duì)一線工人的操作技能提出了更高的要求,同時(shí)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)境和工作內(nèi)容也要求理想化和簡(jiǎn)單化,對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)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(duì)人體造成傷害,如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。在機(jī)械制造業(yè)中,機(jī)械手應(yīng)用較多,發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)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(jī)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(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度,從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本,加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。借助PLC強(qiáng)大的工業(yè)處理能力,很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化。基于此思路設(shè)計(jì)的機(jī)械手,在實(shí)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(dòng)強(qiáng)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(jì)本人選擇了設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)系搬運(yùn)機(jī)械手,為明年的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。由于時(shí)間倉(cāng)促,本人僅設(shè)計(jì)了機(jī)械手的立柱、手臂,和控制部分。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)1.2.1總體方案的設(shè)計(jì)通過比較氣壓、液壓、以及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目要求,最終選擇PLC控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠,將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成沿X-Y軸的直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型聯(lián)軸器選型,鍵的校核軸承的選型與校核主要連接部位螺栓的受力分析與校核軸承座,機(jī)架,導(dǎo)向柱,底座等基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電機(jī)的選型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選型PLC接線原理圖設(shè)計(jì)二、總體方案設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的機(jī)電設(shè)備主要包括動(dòng)力源、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。因此,在設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)應(yīng)分部分別設(shè)計(jì)。機(jī)械手主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)〔動(dòng)力源和傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。各部分的關(guān)系如下圖所示圖1、工業(yè)機(jī)械手組成框圖2.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置,通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)四種形式。氣動(dòng)式速度快,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí),有較高的重復(fù)定位精度,但臂力一般在300N以下。液動(dòng)式的出力大,臂力可達(dá)1000N以上,且可用電液伺服機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制,使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣,定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)式用于小型,機(jī)械式只用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。結(jié)合專業(yè)課程設(shè)計(jì)的要求,為實(shí)現(xiàn)位置和速度控制,氣壓傳動(dòng)很難實(shí)現(xiàn)速度控制,液壓傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜,在短時(shí)間內(nèi)不可能取得成果,因此本人選擇電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)相結(jié)合。2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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>和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件,常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)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(lái)調(diào)整被抓取物件的方位<即姿勢(shì)>。如圖1-3。它可以有上下擺動(dòng),左右擺動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個(gè)動(dòng)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(gè)小距離的橫移。也有的工業(yè)機(jī)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(dòng)手指去抓取物件,并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí),為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng),都需要有導(dǎo)向裝置,以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向裝置結(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(yùn)動(dòng)和升降<或俯仰>運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的,但因工作需要,有時(shí)也可作橫向移動(dòng),即稱為可移式立柱。6機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分,機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上,故起支撐和連接的作用。 本次專業(yè)課程設(shè)計(jì),由于時(shí)間倉(cāng)促,在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面,本人只設(shè)計(jì)了機(jī)械手的立柱、手臂和機(jī)座。2.3控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前控制系統(tǒng)可大體分為三類,工控機(jī)控制系統(tǒng)、單片機(jī)搭建的控制系統(tǒng)以及PLC控制系統(tǒng)。課程設(shè)計(jì)中本人采用PLC控制系統(tǒng),因?yàn)榕c其它工控產(chǎn)品相比,有以下優(yōu)點(diǎn)：1PLC控制器適應(yīng)惡劣環(huán)境,抗電磁干擾能力強(qiáng),能夠較好適應(yīng)井下環(huán)境,系統(tǒng)穩(wěn)定。2編程簡(jiǎn)單、安裝簡(jiǎn)便、調(diào)試方便,響應(yīng)速度快結(jié)果簡(jiǎn)單、組態(tài)方便。3造價(jià)比較便宜,系統(tǒng)擴(kuò)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(jì)中的控制要求位置控制、速度控制。本人采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行開環(huán)控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的最顯著的優(yōu)勢(shì)是不需要位置反饋信號(hào)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(duì)輸入指令脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)、控制脈沖信號(hào)的頻率,就能進(jìn)行電機(jī)的位置控制和速度控制。綜上所述,本次課程設(shè)計(jì)動(dòng)力源選擇電機(jī),傳動(dòng)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(jī)械手控制系統(tǒng)原理圖如下所示： 圖2、機(jī)械手控制系統(tǒng)原理圖三、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械傳動(dòng)裝置的組成及原理機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)裝置示意圖如下圖3、機(jī)械手傳動(dòng)裝置示意圖3.2滾珠絲杠簡(jiǎn)介與特點(diǎn)滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng),或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng),這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展,這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。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(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件,其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng),或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力,同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。1>與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。2>高精度的保證滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的,特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度·濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。3>微進(jìn)給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。4>無(wú)側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性<滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng)>。5>高速進(jìn)給可能滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給<運(yùn)動(dòng)>。3.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)及選型3.3.1螺旋傳動(dòng)類型：滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)滾動(dòng)螺旋副接觸形式：內(nèi)循環(huán)3.3.2初始條件精密螺桿,材料42CrMo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(yùn)動(dòng)方向反3.3.3.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(jì)算過程序號(hào)計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算依據(jù)計(jì)算結(jié)果1絲杠載荷：導(dǎo)向柱摩擦力工作載荷2020N2電機(jī)轉(zhuǎn)速絲杠最大轉(zhuǎn)速初步設(shè)電機(jī)與絲杠之間沒有減速器,轉(zhuǎn)速不變3絲杠導(dǎo)程工作臺(tái)最大速度：6mm4當(dāng)量轉(zhuǎn)速當(dāng)量負(fù)荷500N2020N5初選滾珠絲杠<1>計(jì)算動(dòng)負(fù)荷<2>計(jì)算靜載荷<3>要求壽命<4>滾珠絲杠副型號(hào)按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)公式,求得滾珠絲杠動(dòng)負(fù)荷查表2.8-65,得機(jī)械手的滾珠絲杠的推薦壽命為8000h在企業(yè)網(wǎng)站查的,選用CBM2505-5,額定動(dòng)載荷為11300N2020N8000CBM2505-5〔5滾珠絲杠副的主要尺寸采用CBM2505-5型外循環(huán)滾珠絲杠副。公稱直徑基本導(dǎo)程鋼球直徑絲杠大徑絲杠小徑符合要求6絲杠螺紋部分長(zhǎng)度由企業(yè)產(chǎn)品參數(shù)可知7支撐距離支撐跨距應(yīng)大于8臨界轉(zhuǎn)速校核支撐方式系數(shù)計(jì)算所得驅(qū)動(dòng)力矩由查表2.8-66查得支撐方式系數(shù)〔兩端固定54384.739壓桿穩(wěn)定校核一端固定支撐,一端鉸接,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(hào)為CBM2505-5,工作行程選,采取一端固定支撐,一端鉸接的安裝方式,經(jīng)機(jī)械設(shè)計(jì)2008軟件校核通過。3.3.5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(duì)滾珠絲杠與電機(jī)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(jī)選型及聯(lián)軸器選型傳動(dòng)裝置各傳動(dòng)零件的機(jī)械傳動(dòng)效率查〔東南大學(xué)出版社《機(jī)械設(shè)計(jì)課程上機(jī)與設(shè)計(jì)》表9-1取得：滾動(dòng)軸承聯(lián)軸器：總傳動(dòng)效率：3.4.1電機(jī)選型步進(jìn)電機(jī)選型根據(jù)保持轉(zhuǎn)矩,步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)K=1.1~1.5,取K=1.1在全球電機(jī)網(wǎng)上查得：XX開元電機(jī)廠生產(chǎn)的磁阻式三相六拍步進(jìn)電機(jī),型號(hào)為160BC380該電機(jī)主要參數(shù)：相數(shù)3；步距角0.75/1.5；電壓80-300V；電流13A；保持22N/m；最高空載啟動(dòng)頻率1000,運(yùn)行頻率12000。3.4.2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1/32所選聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。3所選聯(lián)軸器盡可能的經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),推薦絲杠軸與電機(jī)直接連接,采用無(wú)間隙的彈性聯(lián)軸器。選擇彈性套柱銷聯(lián)軸器,型號(hào)TL3,。3.5鍵的選擇與校核鍵選擇45號(hào)鋼,其許用應(yīng)力為對(duì)于聯(lián)軸器與滾珠絲杠之間的鍵選擇鍵為普通A型平鍵,〔合格對(duì)于聯(lián)軸器與電機(jī)軸之間的鍵選擇鍵為普通A型平鍵,〔合格3.5軸承的選型與校核 機(jī)械手立柱和手臂的滾珠絲杠采用一端固定一端簡(jiǎn)支承的結(jié)構(gòu)方式。采取此方案的原因?yàn)椋?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(zhǎng)度的F-O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用。止推球軸承主要承受Y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(jī)端采用成對(duì)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(jī)端采用成對(duì)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Y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(jī)端成對(duì)安裝的角接觸球軸承7204AC/DB,安裝固定如下圖所示：底座 電機(jī)端X軸方向軸承選型：電機(jī)端成對(duì)安裝的角接觸球軸承7204AC/DB,夾持端圓錐滾子軸承32004型安裝固定如下圖所示：電機(jī)端 夾持端軸承的校核1、止推球軸承校核1設(shè)計(jì)參數(shù)徑向力Fr=100<N>,軸向力Fa=2500<N>,軸頸直徑d1=20<mm>,轉(zhuǎn)速n=500<r/min>,要求壽命Lh'=10000<h>,溫度系數(shù)ft=1,潤(rùn)滑方式Grease=脂潤(rùn)滑。2被選軸承信息通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),可得軸承類型BType=推力球軸承,軸承型號(hào)BCode=51204,軸承內(nèi)徑d=20<mm>,軸承外徑D=40<mm>,軸承高度B<T>=14<mm>,基本額定動(dòng)載荷C=22200<N>,基本額定靜載荷Co=37500<N>,極限轉(zhuǎn)速<脂>nlimz=3800<r/min>3當(dāng)量動(dòng)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)Y=1,當(dāng)量動(dòng)載荷,額定動(dòng)載荷計(jì)算值C'=17177.649<N>4校核軸承壽命軸承壽命,校核合格2、圓錐滾子球軸承 因設(shè)計(jì)時(shí)選用了兩個(gè)同型號(hào)的圓錐滾子球軸承,為節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間,選受力較大的圓錐滾子球軸承進(jìn)行校核。 1設(shè)計(jì)參數(shù)徑向力Fr=2500<N>,軸向力Fa=1000<N>,軸頸直徑d1=20<mm>,轉(zhuǎn)速n=500<r/min>,要求壽命Lh'=10000<h>,溫度系數(shù)ft=1,潤(rùn)滑方式Grease=脂潤(rùn)滑2被選軸承信息通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),選軸承類型BType=圓錐滾子軸承,軸承型號(hào)BCode=32004,軸承內(nèi)徑d=20<mm>,軸承外徑D=42<mm>,基本額定動(dòng)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(dòng)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)Y=0,當(dāng)量動(dòng)載荷P=3000<N>,額定動(dòng)載荷計(jì)算值C'=13070.292<N>4校核軸承壽命軸承壽命校核合格3、角接觸球軸承校核1設(shè)計(jì)參數(shù)徑向力Fr=1500<N>,軸向力Fa=700<N>,軸頸直徑d1=20<mm>,轉(zhuǎn)速n=500<r/min>,要求壽命Lh'=10000<h>,溫度系數(shù)ft=1,潤(rùn)滑方式Grease=脂潤(rùn)滑2被選軸承信息軸承類型BType=角接觸球軸承,軸承型號(hào)BCode=7204AC/DB,軸承內(nèi)徑d=20<mm>,軸承外徑D=47<mm>,軸承寬度B=28<mm>,基本額定動(dòng)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(dòng)載荷接觸角a=25<度>,負(fù)荷系數(shù)fp=1.5,判斷系數(shù)e=0.68,徑向載荷系數(shù)X=0.41,軸向載荷系數(shù)Y=0.87,當(dāng)量動(dòng)載荷P=1528.5<N>,軸承所需基本額定動(dòng)載荷C'=11867.176<N>4>校核軸承壽命軸承壽命校核合格3.6主要聯(lián)接部位螺栓的校核 當(dāng)機(jī)械手搬運(yùn)工件運(yùn)動(dòng)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(shí)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)接支架所受力矩對(duì)單邊列靜力平衡方程; 〔1有變形協(xié)調(diào)原則〔2聯(lián)立〔1〔2式得：其中,,所以因?yàn)槁菟ú牧蠟?5號(hào)鋼,6.6級(jí),查機(jī)械設(shè)計(jì)書表7.6可得查表2.8選取許用安全系數(shù),所以單個(gè)螺栓所受剪切力,即其中帶入數(shù)值得。在設(shè)計(jì)時(shí),為提高其安全系數(shù),設(shè)計(jì)者選用M16螺栓聯(lián)接。3.7軸承座、機(jī)架、導(dǎo)向柱、底座等基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸承座的設(shè)計(jì)要根據(jù)軸承外經(jīng)、受力大小來(lái)確定軸承座的尺度和厚度。本次課程設(shè)計(jì)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(dú)立設(shè)計(jì)的。圖7、立柱底座零件圖 在設(shè)計(jì)時(shí),機(jī)械手中增加導(dǎo)向柱有兩個(gè)重要作用；起導(dǎo)向作用,能夠較精確的定位,較少系統(tǒng)定位誤差能承擔(dān)一部分傾覆力矩,減少滾珠絲杠的變形圖8、導(dǎo)向柱零件圖四、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)的基本組成 此次課程設(shè)計(jì)本人在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面花的時(shí)間較多,留給電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間就相應(yīng)的少了,為能按時(shí)完成題目設(shè)計(jì)要求,本人不設(shè)計(jì)復(fù)雜的電氣硬件控制系統(tǒng),而采取外購(gòu)相應(yīng)的模塊,來(lái)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(jī)械手的控制系統(tǒng)包括：計(jì)算機(jī),PLC可編程控制器,轉(zhuǎn)換器,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,步進(jìn)電機(jī),開關(guān)直流電源?？刂葡到y(tǒng)示意圖如下圖9、控制系統(tǒng)示意圖4.2電氣元件的選型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(hào)的也很多,各個(gè)廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別,各個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向也不同,所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計(jì)需要,考慮如何選擇。西門子的中國(guó)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(guó)的信息與通訊、自動(dòng)化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個(gè)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?cè)诒究品矫鎸W(xué)習(xí)時(shí)主要的教材都是基于西門子PLC編寫的,所以對(duì)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(jià)比,使用和維修方便；選用的PLC主機(jī)和配置、控制功能等必須能滿足被控對(duì)象的各種控制要求；必須是功能較強(qiáng)的PLC機(jī)型。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮將來(lái)工藝的變化和擴(kuò)展,在滿足確定的要求外,留有一定的余量；確保整個(gè)控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對(duì)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S7-200CPU224來(lái)做控制邏輯單元。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(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中,或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。S7-200CPU224的主要特點(diǎn)：集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊,最大擴(kuò)展至232路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器,2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出,具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口,具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸?？赏耆m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(jì)中PLC可編程控制器選S7-200CPU224。4.2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇驅(qū)動(dòng)器原理 步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作。驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大,使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖10、控制系統(tǒng)示意圖以兩相步進(jìn)電機(jī)為例,當(dāng)給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖信號(hào)和一個(gè)正方向信號(hào)時(shí),驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后,給電機(jī)繞組通電的順序?yàn)?其四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化,電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；若方向信號(hào)變?yōu)樨?fù)時(shí),通電時(shí)序就變?yōu)?電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。本次所選步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是XX雙杰電子生產(chǎn)的,型號(hào)為SJ-380BF。步進(jìn)電機(jī)選擇與控制 在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,電機(jī)選型已經(jīng)選好,步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為160BC380,XX開元電機(jī)廠生產(chǎn)的反應(yīng)式三相六拍步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)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(yùn)行平穩(wěn)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)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(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度前進(jìn)一步,這個(gè)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(hào)決定了旋轉(zhuǎn)的方向。 步進(jìn)電機(jī)的工作方式與電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和種類密切相關(guān),從結(jié)構(gòu)上看,步進(jìn)電機(jī)分為三相、四相、五相等類型,常用的是三相步進(jìn)電機(jī)。三相步進(jìn)電機(jī)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(chǎng)旋轉(zhuǎn)1周,轉(zhuǎn)子移動(dòng)1個(gè)齒距,各相的通電順序?yàn)?A2AB2B2BC2C2CA2A。六拍工作方式時(shí)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(dòng)電壓是方波,而電流不是方波,這主要是由于步進(jìn)電機(jī)的每相繞組存在一定的充電和放電時(shí)間。圖11、步進(jìn)電機(jī)六拍工作方式時(shí)的電壓及電流波形 常用的步進(jìn)電機(jī)分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等類型,不同的步進(jìn)電機(jī)在控制方式上基本一樣。在實(shí)際應(yīng)用中,反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)較常用。步進(jìn)電機(jī)直接由數(shù)字信號(hào)控制,其基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制。步進(jìn)電機(jī)換向,一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)時(shí),以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第1個(gè)脈沖前發(fā)出。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了降速→換向→加速3個(gè)過程。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率,就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制,實(shí)際上就是控制發(fā)送脈沖的頻率。加速時(shí),使脈沖頻率增高,減速時(shí)降低。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線,步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過程的頻率變化規(guī)律是整個(gè)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(jī)升降過程的運(yùn)行規(guī)律,則能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩,快速響應(yīng)性好,縮短了升降速的時(shí)間,并可防止失步和過沖現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)有以下特點(diǎn)： 1運(yùn)行角度正比于輸入脈沖,便于開環(huán)運(yùn)行,花費(fèi)少；2定位精度高,并且沒有累積誤