圓柱坐標(biāo)型三自由度機械手設(shè)計及其控制系統(tǒng)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】
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圓柱坐標(biāo)型三自由度機械手設(shè)計及其控制 41
摘 要
本設(shè)計中機械手可模仿人的動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求設(shè)計為夾持型。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有3個自由度。
關(guān)鍵詞：機械手，設(shè)計，手部，手腕，手臂，機身，結(jié)構(gòu)
Abstract
Robot arm to mimic certain actions of staff and functions, to capture a fixed procedure, carrying objects or operating tools, automation equipment. It can replace human labor in order to achieve the heavy mechanization and automation of production, can operate in hazardous environments to protect the personal safety, which is widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and nuclear power sectors.Manipulator mainly by hand, sports bodies and the control system has three major components. Task of hand is holding the workpiece of the components, according to grasping objects by shape, size, weight, material and operational requirements of the various structural forms, such as clamp type, care support and the adsorption type, etc. . Sports organizations to accomplish a variety of hand rotation, move, or complex movement to achieve the required action to change the location of objects by grasping and posture. Sports organizations lifting, stretching and rotating the independence movement, is known as freedom manipulator. Crawl space to an arbitrary position and orientation of objects, the need for six degrees of freedom. Freedom is the mechanical design of the key parameters of hand. More freedom, greater flexibility of the manipulator, the more wide versatility。
Keywords: manipulator, design, hand, wrist, arm, body, structure
目 錄
1緒論 1
1.1 國內(nèi)生產(chǎn)量 1
1.2 國內(nèi)機械手區(qū)域市場分析 1
2 機械手總體設(shè)計方案 2
2.1 機械手組成 2
2.2 機械手的規(guī)格參數(shù) 3
3 機械手手部設(shè)計計算 4
3.1 手部設(shè)計基本要求 4
3.2 手部手部力學(xué)分析 5
3.3 夾緊力與驅(qū)動力計算 5
3.4 手爪夾持范圍計算 7
3.5 手爪夾持精度的計算 8
4 珠絲杠螺母副的選型 10
4.1 提升機構(gòu)滾珠絲杠副的計算及選型 10
4.2 伸縮機構(gòu)滾珠絲杠副的計算及選型 13
5 蝸輪蝸桿傳動的設(shè)計計算 17
5.1 面接觸疲勞強度設(shè)計 17
5.2 蝸輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸設(shè)計 18
5.3 齒根彎曲疲勞強度的校核 19
5.4 精度等級公差和表面粗糙度的確定 20
6 電機的計算和選型 21
6.1 提升步進電機的計算及選型 21
6.2 伸縮步進電機的計算與選型 25
6.3 蝸輪蝸桿電機的計算及選型 28
8 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 31
7.1 接近開關(guān)的工作原理及選型 31
7.2 限位開關(guān)的工作原理及選型 31
7.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能和總體設(shè)計方案 31
7.4 PLC的選型及PLC外部接線圖設(shè)計 32
7.5 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 34
結(jié) 論 35
參考文獻 36
致謝 37
附件 38
1 緒論
1.1 國內(nèi)生產(chǎn)總量
我國，汽車工業(yè)仍然是工業(yè)機械手主要的使用領(lǐng)域。但我國在工業(yè)機械手生產(chǎn)企業(yè)中，年產(chǎn)銷量在100臺以上、產(chǎn)值過5000萬元的規(guī)模企業(yè)非常少，國外大型公司年產(chǎn)量都達5000到10000臺，銷售額為數(shù)十億美元。工業(yè)機械手應(yīng)用前景極為廣闊。
目前國內(nèi)機械手的保有量在4000臺左右，并將以每年800～1000臺左右的速度快速增長。2005年底，我國工業(yè)機械手實際安裝量為11557臺，比2004年底安裝量的7096臺，增長了63%。增長慢于2004年。2006年底，我國工業(yè)機械手實際安裝量為17327臺，增長47%。2007年底，實際安裝量為23900臺，增長31%，平均增長45%以上。
1.2 國內(nèi)機械手區(qū)域市場分析
雖然目前國內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機械手的企業(yè)并不多，很多產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)還主要依靠進口，高科技的技術(shù)主要還掌握在國際龍頭廠商手里。我國本土企業(yè)生產(chǎn)的機械手產(chǎn)品還主要流通在中低端市場，因此決定了很多本土生產(chǎn)企業(yè)在爭奪市場時主要還是采取價格戰(zhàn)。隨著技術(shù)的進步，日臻成熟，會有更多的廠商加入此行業(yè)。我國目前比較大的生產(chǎn)企業(yè)有上海ABB工程有限公司、沈陽新松機器人自動化股份有限公司、柯馬（上海）汽車設(shè)備有限公司、青島歐地希機電(青島)有限公司等。
2 機械手總體設(shè)計方案
2.1 機械手的組成
工業(yè)機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。
2.1.1 執(zhí)行機構(gòu)
(1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型，（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單），手部多為二指（也由多指），根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種，也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。
（2）手臂 是支撐被抓物體手部、腕部的重要部件，并帶動它們做空間運動，它的主要作用是帶動手指去抓取工件，并按預(yù)定要求將其搬運到給定的位置，一般手臂需要三個給定自由度才能滿足要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降運動。
2.1.2 驅(qū)動機構(gòu)
驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分，根據(jù)動力源的不同大致可分為氣動、液壓、電動和機械式四種。采用液壓機構(gòu)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，臂力大，尺寸緊湊，控制方便。
2.1.3 控制機構(gòu)
在機械手控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種，大多數(shù)用插銷板進行點動控制，也有用PLC進行控制，主要控制的是坐標(biāo)位置。
2.2機械手的規(guī)格參數(shù)
抓重：2kg
自由度：3個
坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)式
輸入電壓：220V或24V
功率：50W
伸縮行程（X）： 200mm
伸縮速度： 3mm/s
升降行程（Z）： 200mm
升降速度： 3mm/s
回轉(zhuǎn)范圍： 0-270度
回轉(zhuǎn)速度：
位置檢測： 用電位器反饋式
驅(qū)動方式： 電機驅(qū)動
控制方式： 可編程控制
3 機械手手部設(shè)計計算
3.1 手部設(shè)計基本要求
應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。手指應(yīng)具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂負載。應(yīng)保證手抓的夾持精度。
3.2 手部力學(xué)分析
通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指雙支點回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下手抓閉合，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而手爪張開。
下面對其結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析：
在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為，并通過銷軸中心點，兩手指的滑槽對銷軸的反作用力為和，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于和。
由 得 （3-1）
得 （3-1）
由 得 （3-3）
又因為 （3-4）
所以 （3-5）
———手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（mm）
———工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角
1——手指 2——銷軸 3——杠桿
圖3-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)原理圖
由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好。
3.3 夾緊力與驅(qū)動力的計算
手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向與作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生動的載荷，以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊力可按下式計算：
(3-6)
——安全系數(shù)，通常；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按,其中是重力方向的最大上升加速度，，是重力加速度，。
——運載時工件最大上升速度；
—— 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選?。?
——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇；
——被抓取工件所受重力；
表3-1 驅(qū)動力與液壓缸工作壓力關(guān)系圖
作用在活塞上外力F(N)
液壓缸工作壓力MPa
作用在活塞上外力F(N)
液壓缸工作壓力MPa
<5000
0.8～1
20000～30000
2.0～4.0
5000～10000
1.5～2.0
30000～50000
4.0～5.0
10000～20000
2.5～3.0
>50000
5.0～8.0
設(shè),機械手達到最高響應(yīng)時間為，求夾緊力，驅(qū)動力和驅(qū)動液壓缸的尺寸。
（1）設(shè)
設(shè)
因此
所以
設(shè)
根據(jù)以上公式得：
（2）根據(jù)驅(qū)動力公式得：
由于實際所采取的液壓缸驅(qū)動力要大于計算，考慮手爪的機械效率，一般取。
（3）取
即
（4）確定液壓缸的直徑
因為 （3-7）
選取活塞桿直徑，選擇液壓缸工作壓力。
所以
根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826-66），選取液壓缸的內(nèi)徑為：
則活塞桿直徑為：。
所以手部夾緊液壓缸的主要參數(shù)見表3-2。
表3-2手部夾緊液壓缸的主要參數(shù)
液壓缸內(nèi)徑D
活塞桿直徑 d
工作壓力P
驅(qū)動力F
20mm
10mm
0.8MPa
57N
3.4 手爪夾持范圍計算
材料
密度
灰口鑄鐵
6.60-7.40
可鍛鑄鐵
7.20-7.40
黃銅
8.80
工業(yè)純鐵
7.87
普通碳素鋼
7.85
鉛
11.40
設(shè)夾持物體取高度為10CM的圓柱體。
根據(jù)公式 （3-8)
算出夾持物體的半徑的最小值為2.4cm,最大值為3.1cm。
為了保證手爪張開角為,設(shè)手爪長為，當(dāng)手爪沒有張開角的時候，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑,當(dāng)張開角為時,根據(jù)雙支點回轉(zhuǎn)型手爪的誤差分析，取最大夾持半徑。所以機械手的夾持半徑為。
3.5 手爪夾持精度計算
機械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能力。機械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也與機械手夾持誤差大小有關(guān)，特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)的變化，一定要進行機械手的夾持誤差分析。
圖3-2 手爪夾持誤差分析示意圖
以棒料（高度為10cm）來分析機械手的夾持誤差精度。機械手的夾持半徑為，一般夾持誤差不超過,分析如下：
工件的平均半徑：
手爪長， 取V型夾角
偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：
（3-9）
計算得
式中 ———理論平均半徑
因為
（3-10）
夾持誤差滿足設(shè)計要求。
4 滾珠絲杠螺母副的選型與計算
4.1 提升機構(gòu)滾珠絲杠副的計算及選型
4.1.1 計算提升力
作用在絲杠上的提升率引力主要包括工作在上升時移動件的重量及其作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。Fm（N）計算公式如下：
矩形導(dǎo)軌： （4-1）
式中重力在各方向上的分力；
水平工作臺重力；
考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)
在正常情況下，可取以下數(shù)值：
矩形導(dǎo)軌
上列摩擦系數(shù)均是指滑動導(dǎo)軌。
機械手的最大抓取重量為2，機械手伸縮機構(gòu)總重量，水平機構(gòu)工作臺重量，提升機構(gòu)重量。
顯然在最底點上升時絲杠受力最大，此時
（4-3）
（4-3）
（4-4）
此設(shè)計中選用矩形導(dǎo)軌
=
4.1.2 計算最大動負載
選用滾珠絲杠副的直徑時，，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象，這個軸向負載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動負載C，可用下式計算：
（4-5）
式中壽命，為轉(zhuǎn)為一個單位，
絲杠轉(zhuǎn)速，用下式計算
（4-6）
為最大負載條件下的進給速度；
絲杠的導(dǎo)程，；
使用壽命，，一般；
運轉(zhuǎn)系數(shù)，見表4-1。
表4-1運轉(zhuǎn)系數(shù)
運轉(zhuǎn)狀態(tài)
運轉(zhuǎn)系數(shù)
無沖擊運轉(zhuǎn)
1.0~1.2
一般運轉(zhuǎn)
1.2~1.5
有沖擊運轉(zhuǎn)
1.5~2.5
該設(shè)計的最大負載條件下的進給速度為3mm/s，絲杠導(dǎo)程初選，運轉(zhuǎn)狀態(tài)為一般運轉(zhuǎn)=1.2，
(4-7)
(4-8)
(4-9)
4.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型
查表可采用 1列圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額定動載荷為8800N，可滿足要求，選定精度等級為3級。
4.1.4 傳動效率的計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率：
( 4-10)
式中絲杠螺旋長升角；
摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。
= (4-11)
4.1.5 剛度驗算
先畫出提升機構(gòu)絲杠支承方式草圖如圖4-1。最大牽引力為570.76N，支承間距為300mm，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負載的。
圖4-1提升機構(gòu)系統(tǒng)計算簡圖
4.1.6 絲杠拉伸或壓縮變形量
根據(jù)， 查出，可算出：
(4-11)
由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量（）為：
(4-12)
4.1.7 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形
查表得，系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量：
因進行了預(yù)緊， （4-13）
4.1.8 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形
采用8102推力球軸承，滾動體直徑 =4.763， 滾動體數(shù)量=12，，
(4-14)
上式中軸承所受軸向載荷
軸承滾動體數(shù)目
軸承滾動體直徑
因施加預(yù)緊力，故
根據(jù)以上計算
(4-15)
小于定位精度。
4.2 伸縮機構(gòu)滾珠絲杠副的計算及選型
4.2.1 計算伸縮引力
作用在絲杠上的伸縮率引力主要包括工作在伸縮移動件的重量及其作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。
式中為滑動摩擦系數(shù)，
4.2.2 計算最大動負載C
選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象，這個軸向負載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動負載C，可用下式計算：
式中壽命，為轉(zhuǎn)為一個單位，
絲杠轉(zhuǎn)速，，用下式計算
為最大負載條件下的進給速度；
絲杠的導(dǎo)程，；
使用壽命，，一般；
運轉(zhuǎn)系數(shù)，見表
該設(shè)計的最大負載條件下的速度為，絲杠導(dǎo)程初選，運轉(zhuǎn)狀態(tài)為一般運轉(zhuǎn)，
4.2.3 滾珠絲杠螺母副的選型
可采用，1列圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額定動載荷為395N，可滿足要求，選定精度等級為3級。
4.2.4 傳動效率的計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率：
式中絲杠螺旋長升角；
摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。
=
4.2.5 剛度驗算
先畫出提升機構(gòu)絲杠支承方式草圖如圖4-2所示。
圖4-2伸縮機構(gòu)絲杠計算草圖
最大牽引力為14.7N，支承間距為，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負載的。
由于牽引力很小無需進行剛度驗算。
4.3滾珠絲杠幾何參數(shù)
表4-2 絲杠參數(shù)
名稱
符號
螺
紋
滾
道
公稱直徑
20
10
導(dǎo)程
5
4
接觸角
鋼球直徑（mm）
3．175
滾道法面半徑
1．651
偏心距
0．045
螺紋升角
螺
桿
螺桿外徑
19．4
螺桿內(nèi)徑
16．788
螺桿接觸直徑
16．835
螺
母
螺母螺紋直徑
23．212
螺母內(nèi)徑
20．635
5 蝸輪蝸桿傳動的設(shè)計計算
選擇普通圓柱蝸桿的漸開線蝸桿（ZI），該蝸桿的傳遞功率不大，速度中等，故蝸桿材料用45鋼，因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45-55HRC，蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，為節(jié)約貴重有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。
5.1 面接觸疲勞強度設(shè)計
根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距
（5-1）
5.1.1確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按=1，單頭蝸桿的效率為0.7-0.75估取效率，則
（5-2）
5.1.2 定載荷系數(shù)K
因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù)=1，選取系數(shù)=1，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù)=1.05，則：
（5-3）
5.1.3確定彈性影響系數(shù)
因選取的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故=
5.1.4 確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動中心距的比值，查得=2.9
5.1.5 確定接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋面齒面硬度>45HRC，查得蝸輪的基本許用應(yīng)力=268
假設(shè)壽命=10000h，則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：
(5-4)
壽命系數(shù)：
（5-5）
則：
（5-6）
5.1.6計算中心距a
= （5-7）
取，因，故取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑=這時，（滿足假設(shè)）
5.2 蝸輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸設(shè)計
表 5-1蝸輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸設(shè)計
計算項目
計算過程
結(jié)果
蝸桿軸向齒距
=
直徑系數(shù)
分度圓導(dǎo)程角
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
蝸桿軸向齒厚
蝸桿齒數(shù)
蝸輪變位系數(shù)
蝸輪齒數(shù)
蝸輪分度圓直徑
蝸輪喉圓直徑
蝸輪齒根圓直徑
蝸輪咽喉母圓半徑
蝸輪齒寬
5.3 齒根彎曲疲勞強度的校核
（5-8）
當(dāng)量齒數(shù)：
（5-9）
據(jù)，，查得齒形系數(shù)=2.72
螺旋角系數(shù) ：
（5-10）
許用彎曲應(yīng)力
查手冊得ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力
壽命系數(shù)：
（5-11）
（5-12）
（5-13）
，所以彎曲強度是滿足的。
5.4精度等級公差和表面粗糙度的確定
考慮到所設(shè)計的蝸桿傳動屬于動力傳動，屬于通用機械減速器，從GB/T 10089 1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f。然后由有關(guān)手冊查得要求的公差項目及表面粗糙度，在零件圖中標(biāo)出。
6 電機的計算和選型
6.1 提升步進電機的計算及選型
6.1.1 提升機構(gòu)步進電機的計算及選型
（1） 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式進行計算：
(6-1)
式中 步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量；
初選反應(yīng)式步進電機，該步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量
(6-2)
代入上式：
=
考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。
滿足慣量匹配的要求。
6.1.2 電機力矩的計算
機械手在不同的工況下，所需轉(zhuǎn)動力矩不同，下面分別按各階段進行計算。
（1） 快速空載起動力矩。
在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：
（6-3）
（6-4）
（6-5）
上式中傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量
電機最大角加速度
電機最大轉(zhuǎn)速
運動部件最大快進速度
脈沖當(dāng)量（）
步進電機步距角
運動部件從停止起動加速到最大速度所需時間
起動加速時間
(6-6)
摩擦力矩
(6-7）
上式中導(dǎo)軌的摩擦力
（6-8）
導(dǎo)軌摩擦系數(shù)
運動部件總重量
齒輪降速比，按 計算
傳動鏈總效率，一般取
（6-9）
折算到電機上的摩擦力矩
=0.84N/cm （6-10）
附加摩擦力矩
（6-11）
式中滾珠絲杠預(yù)加負載，一般取，為進給率引力
滾珠絲杠導(dǎo)程
滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取
(6-12)
折算到電機軸上的軸向負載力矩
(6-13）
式中進給方向的最大抗力
（6-14)
上述三項合計：
(2) 快速起動所需力矩
(3) 最大負載所需力矩
從上面計算可以看出，，，三鐘工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。
查出，當(dāng)步進電機為五相十拍時
(6-15)
最大靜力矩=
按此靜力矩查出，45BF003最大靜轉(zhuǎn)距為，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為選定型號。
6.2 伸縮機構(gòu)步進電機的計算及選型
6.2.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式進行計算：
式中 步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量；
參考數(shù)控機床，初選反應(yīng)式步進電機，該步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量
代入上式：
=
考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。
滿足慣量匹配的要求。
6.2.2 電機力矩的計算
機械手在不同的工況下，所需轉(zhuǎn)動力矩不同，下面分別按各階段進行計算。
(1)快速空載起動力矩。
在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：
上式中傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量
電機最大角加速度
電機最大轉(zhuǎn)速
運動部件最大快進速度
脈沖當(dāng)量（）
步進電機步距角
運動部件從停止起動加速到最大速度所需時間
起動加速時間
=10.38N/cm
(2)摩擦力矩
上式中導(dǎo)軌的摩擦力
導(dǎo)軌摩擦系數(shù)
運動部件總重量
齒輪降速比，按 計算
傳動鏈總效率，一般取
折算到電機上的摩擦力矩
(3)附加摩擦力矩
滾珠絲杠預(yù)加負載，一般取，為進給率引力
滾珠絲杠導(dǎo)程
滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取
折算到電機軸上的軸向負載力矩
=0.35
上述三項合計：
(1)
(2) 快速起動所需力矩
(3) 最大負載所需力矩
從上面計算可以看出，，，三鐘工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。
查出，當(dāng)步進電機為三相六拍時
最大靜力矩=
按此靜力矩從表查出，最大靜轉(zhuǎn)距為，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為選定型號。
6.3 蝸輪蝸桿電機的計算及選型
6.3.1 電機的計算及選型
根據(jù)輸入轉(zhuǎn)速，選擇額定轉(zhuǎn)速為910r/min的電作為動力源。電動機功率為：
（6-16）
式中：ni =4r/min，效率蝸桿傳動部分為0.75，聯(lián)軸器為0.992，由此可得。
選擇電機型號和參數(shù)見表6-1。
表 6.1
型號
額定功率/KW
滿載轉(zhuǎn)速/（r/min）
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
質(zhì)量/KG
Y-90-S6
1.1
960
2.0
2.0
23
電機軸直徑為。其他參數(shù)為：電流7.23A，效率0.83，功率因數(shù)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。
6.3.2 聯(lián)軸器的計算及選型
為了隔離振動和沖擊，選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。
公稱轉(zhuǎn)矩
（6-17）
由手冊查得 ,故得計算轉(zhuǎn)矩為
（6-18)
(1）型號選擇
從GB4323-84中查得TL5型彈性套柱銷聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為125N.m，許用最大轉(zhuǎn)速為4600r/min，軸徑為25-35mm，考慮到聯(lián)軸器聯(lián)接的電機軸為28mm，蝸桿聯(lián)接端為30mm，故適用。（聯(lián)軸器效率為0.992）。
7 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計
7.1 接近開關(guān)的工作原理及選型
電感式接近開關(guān)由三大部分組成：振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場。當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場，并達到感應(yīng)距離時，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸式之檢測目的
接近傳感器可以在不與目標(biāo)物實際接觸的情況下檢測靠近傳感器的金屬目標(biāo)物。根據(jù)操作原理，接近傳感器大致可以分為以下三類：利用電磁感應(yīng)的高頻振蕩型，使用磁鐵的磁力型和利用電容變化的電容型。
在本設(shè)計中我選用XL-LJM8短圓圓柱電感式接近開關(guān)。
7.2限位開關(guān)的工作原理及選型
行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護。在實際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關(guān)廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護。?
在本設(shè)計中伸縮機構(gòu)限位開關(guān)我們選用交叉滾輪柱塞型接近開關(guān)，提升機構(gòu)限位開關(guān)我們選用滾輪連桿型限位開關(guān)。
7.3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能和總體設(shè)計方案
7.1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能
系統(tǒng)要求利用機械手從A點搬運到B點。在工作過程中，機械手要在三個坐標(biāo)平面內(nèi)完成升降，回轉(zhuǎn)，左右平移，和手抓夾緊與放松動作。為滿足生產(chǎn)要求，系統(tǒng)要求設(shè)置手動與自動（包括連續(xù)，單周期，單步，回原點）工作方式。
7.1.2 總體設(shè)計方案
根據(jù)系統(tǒng)要求選用德國西門子公司生產(chǎn)的S-266型PLC作為控制的核心方案?？刂粕喜捎媚K化結(jié)構(gòu)。主要包括控制模塊，執(zhí)行模塊和檢測模塊。
圖7-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
7.4 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
7.4.1 PLC選型設(shè)計
根據(jù)工作流程，需21個數(shù)字輸入和16個數(shù)字輸出，交流電磁閥的控制電壓為AC 220V.為使指示燈與電磁閥狀態(tài)相對應(yīng)，將其與電磁閥并聯(lián)輸出，可以減少8個輸出點。選用西門子S7-200小型PLC系列，其中CPU選用S7-226模塊。
7.4.2 S7-226型PLC控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
為實現(xiàn)系統(tǒng)功能，通過設(shè)置上下，左右限位及左右會轉(zhuǎn)限位等六個限位開關(guān)來控制機械手的升降，左右行，左右回轉(zhuǎn)及手抓的加緊放松的五個運動輸出。為滿足生產(chǎn)要求，系統(tǒng)要求設(shè)置手動與自動（包括連續(xù)，單周期，單步，回原點）工作方式?？刂泼姘迦鐖D7-2。
圖7-2系統(tǒng)控制面板
在控制面板中，工作方式選擇開關(guān)的5個位置（I2.0-I2.4)分別對應(yīng)于5種工作方式，并在控制面板下部設(shè)置了10個手動按鈕（I1.0-I1.7，I2.5-I2.6)。其中為了保證在緊急情況下能可靠的切斷可編程程序控制器的負載電源，設(shè)置了交流接觸器KM和“緊急停車”按鈕。在可編程序控制器開始運行時按下“負載電源”按鈕，使KM線圈得電并自鎖，KM的主觸點接通，給外部負載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況是用“緊急停車”按鈕斷開負載電源。
為滿足上述要求的S7-226型PLC的I/O端口定義如表7-1。
表7-1 機械手系統(tǒng)輸入和輸出點分配表
名稱
代號
輸入
名稱
代號
輸入
下限位
SQ1
I0.1
松開
SB6
I1.5
上限位
SQ2
I0.2
左行
SB7
I1.6
右轉(zhuǎn)限位
SQ3
I0.3
左轉(zhuǎn)
SB7
I1.7
左限行
SQ4
I0.4
手動
SB9
I2.0
右限位
SQ5
I0.5
回原點
SB10
I2.1
左轉(zhuǎn)限位
SQ6
I0.6
單步
SB11
I2.2
下降
SB1
I1.0
單周期
SB12
I2.3
夾緊
SB2
I1.1
連續(xù)
SB13
I2.4
上升
SB3
I1.2
啟動
SB14
I2.5
右轉(zhuǎn)
SB4
I1.3
停止
SB15
I2.6
右行
SB5
I1.4
名稱
代號
輸出
名稱
代號
輸出
下降
KM1
Q0.0
右行
KM7
Q0.4
夾緊
KM3
Q0.1
松開
KM4
Q0.5
上升
KM2
Q0.2
左行
KM8
Q0.6
右轉(zhuǎn)
KM5
Q0.3
左轉(zhuǎn)
KM6
Q0.7
7.5 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
為了實現(xiàn)系統(tǒng)的手動,單周期，單步，連續(xù)和回原點等多種功能，在PLC的軟件設(shè)計上，我采用了模塊化的編程方法。分為手動程序模塊，自動程序模塊（包括單周期，單步，連續(xù)），自動回原點模塊和用于手動與自動程序模塊相互切換的公用程序模塊四部分。并設(shè)定機械手在最上和最左且為放開狀態(tài)是，為系統(tǒng)處于原點狀態(tài)。主程序見附錄。
公用程序模塊用于自動程序模塊和手動程序模塊相互轉(zhuǎn)換的處理，自動回原點程序模塊的作用是為進入連續(xù)工作方式做好準(zhǔn)備，手動程序模塊是為系統(tǒng)調(diào)試而設(shè)計的，通過I1.0----I1.7對應(yīng)的8個按鈕控制機械手的升，降，左右行，左右轉(zhuǎn)及手抓的夾緊和放松等動作。公共程序模塊見附錄。
自動程序的流程圖見圖8-3
圖7-3自動程序流程圖
結(jié) 論
本設(shè)計的機械手有三個自由度，分別用兩個步進電機來驅(qū)動提升機構(gòu)和伸縮機構(gòu)，用直流電機來完成腰部的旋轉(zhuǎn)動作，在提升機構(gòu)中用兩個限位開關(guān)來限制機械手的上下運動邊界，伸縮機構(gòu)中同樣也是用兩限位開關(guān)來限制機械手的前后運動邊界，在腰部用兩個接近開關(guān)來限制正反轉(zhuǎn)的極限角度，所以PLC的輸入點數(shù)有6個，兩個步進電機分別用兩個步進電機驅(qū)動器控制，直流電機用個直流電機控制器控制，手抓的夾緊和張開用一個液壓缸控制。
畢業(yè)設(shè)計復(fù)雜的過程，通過這次設(shè)計覺得自己受益匪淺。畢業(yè)設(shè)計是一個重要環(huán)節(jié)，它可以讓我們進一步鞏固和加深所學(xué)的理論知識，通過畢業(yè)設(shè)計把機電一體化系統(tǒng)設(shè)計及其他有關(guān)課程（如機械設(shè)計、材料力學(xué)、工程材料等）中所獲得的理論知識在設(shè)計實踐中加以綜合運用，使理論知識和生產(chǎn)實踐密切的結(jié)合起來。本次設(shè)計是我們學(xué)生首次進行完整綜合的機械設(shè)計，它讓我樹立了正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)了我對機械電子設(shè)計的獨立工作能力。獲得了一個工程技術(shù)人員在機電一體話設(shè)計方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練。
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致 謝
在畢業(yè)設(shè)計設(shè)計即將完成之際，我的內(nèi)心無法用文字來表達。幾個月以來日日夜夜的計算與繪圖和在電腦前編輯排版說明書，讓我感覺做一個大學(xué)生原來也可以這么辛苦。但是，所有的這一切，都是值得的，它讓我感覺大學(xué)是如此的充實。
從開始進入課題到設(shè)計的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！同時我還要特別感謝指導(dǎo)老師韓雄飛老師對我這次畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)付出的苦心與汗水，謝謝您。要是沒有您的指導(dǎo)與幫助，我想也許我自己一個人無法如此艱巨的任務(wù)。
為了完成這次畢業(yè)設(shè)計同指導(dǎo)老師韓雄飛一起付出了許多汗水，從指導(dǎo)老師身上學(xué)會許多設(shè)計的理念。每當(dāng)我自認為無懈可擊之時導(dǎo)師都會指出許多我沒有注意到得問題，從而使我收益匪淺的同時心底對導(dǎo)師的敬佩有加深了幾分，古語云：“鳥隨鸞鳳飛騰遠，人伴賢良品自高?！蹦芘c一名如此優(yōu)秀的導(dǎo)師相處，是我一生的驕傲。
附件
主程序結(jié)構(gòu)
公用程序
自動子程序流程圖
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