三自由度機械手設計

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This paper has designed a four free degrees carry manipulator for the automation on production line, realize the automation of production. it alleviated the labour strength of worker, it raised labor productivity. This manipulator drives with motor, have realized to stretch out and draw back , rise to fall , spin , clip etc. the achievement of these movements. Design with parts, realizes these movements. For example to realization flex movement, have designed a horizontal telescoping mechanism. PLC coordinates the independent sport of every parts, formed a regular sport system. The coupling of every parts, casting makes a acceptable mechanical body, Install every parts in mechanical body, become a machine. Control system adopts PLC control, Program compiles with T . Key words: PLC；three degrees of freedom；Industrial robot 72 目錄 摘要 i Abstract ii 目錄 I 第一章 緒論 1 第二章 滾珠絲杠螺母副的選型 3 第一節(jié) 提升機構滾珠絲杠副的計算及選型 3 一、 計算進提升率引力 3 二、 計算最大動負載 4 三、 滾珠絲杠螺母副的選型 5 四、 傳動效率的計算 6 五、 剛度驗算 6 第二節(jié) 伸縮機構滾珠絲杠副的計算及選型 8 一、 計算進伸縮率引力Fm 8 二、 計算最大動負載C 8 三、 滾珠絲杠螺母副的選型 9 四、 傳動效率的計算 9 五、 剛度驗算 9 第三章 齒輪傳動比的設計計算 11 第一節(jié) 提升機構齒輪箱傳動比計算 11 第二節(jié) 伸縮機構齒輪箱傳動比計算 11 第三節(jié) 渦輪蝸桿傳動的設計計算 12 一、 面接觸疲勞強度設計 12 二、 渦輪蝸桿的主要參數和幾何尺寸設計 14 三、 齒根彎曲疲勞強度的校核 14 四、精度等級公差和表面粗糙度的確定 15 第四章 電機的計算和選型 16 第一節(jié) 步進電機概述 16 一、 感應子式步進電機特點 16 二、 驅動控制系統(tǒng)組成 16 第二節(jié) 步進電機的計算及選型 17 一、 提升機構步進電機的計算及選型 17 二、 伸縮機構步進電機的計算及選型 21 第三節(jié) 渦輪蝸桿電機的計算及選型 25 一、 電機的計算及選型 25 二、 聯軸器的計算及選型 25 第五章 接近開關及限位開關的選型 27 第一節(jié) 接近開關的工作原理及選型 27 一、 接近開關概述 27 二、 接近開關的選型 29 第二節(jié) 限位開關的工作原理及選型 30 第六章 機械手PLC控制系統(tǒng)設計 32 第一節(jié) PLC的基本概念 32 一、 PLC產生和發(fā)展過程 32 二、 PLC的應用領域 33 三、 PLC的發(fā)展趨勢 34 四、 PLC的特點 35 五、 PLC的分類 36 第二節(jié) PLC的工作原理 37 一、 梯形圖編輯 38 二、 梯形圖的格式 39 三、 PLC梯形圖編程格式的特點 39 第三節(jié) PLC的選型及PLC外部接線圖設計 39 結 論 41 致　　謝 42 參考文獻 43 附錄一 44 附錄二 58 第一章 緒論 工業(yè)機器人是機械技術、電子技術與計算機技術有機結合在一起形成的一種機電一體化的產品，從其誕生起就受到人們的關心與重視。經過幾十年的發(fā)展，目前工業(yè)機器人技術已經很成熟。工業(yè)機器人已從最初在解決勞動密集型工業(yè)中單調、重復的體力勞動發(fā)展到滿足制造業(yè)自動化規(guī)模生產需要的工作。其應用領域不斷擴 大，從最初主要應用于汽車工業(yè)發(fā)展到現在涉及制造業(yè)的各個行業(yè)。目前我國國民經濟的快速發(fā)展，先進制造業(yè)已進入一個新的發(fā)展階段。 隨著經濟全球化和我國加入WTO，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際競爭的局面。如何適應快速變化的國內外市場需求，如何以高質量、低成本、快速反應的手段在市場中取得生存和發(fā)展，已是我國企業(yè)不容回避的問題，這些問題為工業(yè)機器人的應用提供了大的市場需求，促使中國工業(yè)機器人的應用市場日趨成熟。近幾年來，國外著名的工業(yè)機器人制造廠商紛紛加大了在我國的投資和應用技術的投入，對我國的國產工業(yè)機器人產業(yè)的發(fā)展帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。我國政府非常重視機器人技術的發(fā)展，從“七五”科技攻關及實施863 計劃開始，就有計劃地組織和發(fā)展工業(yè)機器人事業(yè)，經過20多年的研制和應用，目前在工業(yè)機器人的一些機種方面，如噴漆機器人、焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和特種機器人都有了長足的進步，基本掌握了工業(yè)機器人的設計制造技術和機器人應用中單元和生產線的設計、制造技術，有了一支具有一定水平的技術隊伍，奠定了我國獨立自主發(fā)展機器人產業(yè)的基礎。但是，我國工業(yè)機器人在總體技術上與國外先進水平相比還有很大差距，僅相當于國外九十年代中期的水平。 目前工業(yè)機器人的生產規(guī)模仍然不大，多數是單件小批生產，關鍵配套的單元部件和器件始終處于進口狀態(tài)，工業(yè)機器人的性價比較低。我國整體裝備制造水平不高，制約了我國工業(yè)機器人產業(yè)的形成和實現規(guī)?；陌l(fā)展。盡管中國工業(yè)機器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質價廉的工業(yè)機器人商品，目前在我國尚有較長的路程。首先為了促進中國工業(yè)機器人產業(yè)的發(fā)展，必須在以市場需求為主的前提下，國家在政策上鼓勵企業(yè)在技術投入和技術改造方面應用國產工業(yè)機器人。同時轉變現有的機制，建立以適應市場經濟所需的工業(yè)機器人的產業(yè)基地。其次，在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，應繼續(xù)對工業(yè)機器人的研究開發(fā)和應用關鍵、基礎部件的研究和產品化給予支持，形成產品和自動化制造裝備同步協(xié)調發(fā)展的新局面。第三，結合我國的國情，加強我國工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，使之與國民經濟的發(fā)展密切相結合。 經過近十年的努力，我國在工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)方面已具有相當的實力，已有一支了解企業(yè)的需求，能開發(fā)出符合實際使用條件應用工程，成本低，服務及時，具備與國外公司的競爭能力，因此加強工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，并圍繞應用工程的需要進行工業(yè)機器人新產品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a能力，這樣可以促進我國企業(yè)的技術進步和提高競爭力，同時工業(yè)機器人的應用也可形成具有一定規(guī)模的產業(yè)。 如果說20 世紀90 年代機床創(chuàng)新的最大成就是發(fā)明并聯機床的話，那么當今工業(yè)機器人在機床上的應用已成為發(fā)展的一大趨向。機器人與機床相結合，以往主要是解決工件自動上下料搬運問題，致使機床得以無人化24 小時連續(xù)運轉。如擅長專機制作的意大利COMAU 公司，他們比較成熟地將缸體及缸蓋生產線中的零件搬運，設計成由機器人完成。當然，對工件的拋光打磨、清洗及其它臟、累活也是機器人表現的舞臺。去年9 月在漢諾威EMO2005 展覽會上，工業(yè)機器人的應用非常搶眼，而且它應用的領域也在擴大。然而在這次CCMT2006 展覽會上，值得一機器人應用是當今機床發(fā)展的一大趨向提的是1 號館W 1 - 9 1 6 意大利意沃樂EVOLUT 公司，這個歐洲最大的機器人應用與集成公司，他們的一臺DC-5 機器人修邊、倒角裝置特別引人注目。該機器人可以裝夾工具對主軸上零件修邊去毛刺，甚至機器人可以加裝動力源用刀具對零件進行加工，因此它已將機械人傳統(tǒng)的搬運、噴漆、焊接工作范圍擴展到了金屬切削及拋光領域。 工作單元還可以配備各種上料方式：如帶視頻裝置可抓取隨機擺放的工件，或以旋轉臺擺放，或以傳送帶擺放等等。DC-5 工作單元可以處理的最大負荷為120/150kg。適宜加工的金屬材料為鋁鎂合金、銅、鉛、鑄鐵等?？梢源嬷辽偎膫€工人的工作量。3 D 編程軟件將以往8 小時編程時間縮減為15 分鐘，為小批量多品種的工件提供最好的解決方案。意沃樂公司除此以外最常涉足的領域還有用于壓鑄單元、車、銑中心單元、復合機床單元、零件拋光單元上的各種機械人應用等等。隨著社會的不斷發(fā)展和進步，勢必勞動力的成本將越來越高，對環(huán)保及安全的要求將越來越嚴，所以工業(yè)機器人的應用必將與時俱進。而且，由機器人干出的工件，譬如說打磨，其零件的一致性肯定比人工來得好，因此歐洲有些名牌汽車制造商甚至對某些零件的某些工步，規(guī)定必須由機器人來操作。由此看來，工業(yè)機器人在機床上的應用會將越來越廣。 第二章 滾珠絲杠螺母副的選型 滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇結構類型，確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預緊方式。結構類型確定以后，再計算和確定其他技術參數，包括：公稱直徑d0,導程，滾珠絲杠的工作圈數，列數，精度等級等。 滾珠的循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。 滾珠絲杠副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊，雙螺母螺紋式預緊，雙螺母齒差式預緊，單螺母變導程預緊，以及過盈預緊等。 滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動或將直線運動轉變?yōu)樾D運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動軸承對滑動軸承所帶來得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運用于各種工業(yè)設備、精密儀器、精密數控機床。尤其是近年來，滾珠絲杠副作為數控機床直線驅動執(zhí)行單元，在機床行業(yè)得到廣泛運用，極大的推動了機床行業(yè)的數控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個方面的優(yōu)良特性： 由于滾珠絲杠副運轉順滑、消除軸向間隙以及制造的一致性，采用多套滾珠 絲杠副方案驅動同一裝置或多個相同部件時，可獲得很好的同步工作。 傳動效率高、 定位精度高、 傳動可逆性、 使用壽命長、 同步性能好 第一節(jié) 提升機構滾珠絲杠副的計算及選型 一、 計算進提升率引力 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軌上的摩擦力。因而其數值大小和導軌的型式有關。Fm（N）計算公式如下： 矩形導軌： 燕尾形導軌： 三角形或綜合導軌： 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 在正常情況下，可取以下數值： 矩形導軌 燕尾 三角形或綜合導軌 上列摩擦系數均是指滑動導軌。 設計的銑床自動裝卸料機械手的最大抓取重量為2，機械手伸縮機構總重量，水平機構工作臺重量，提升機構工作臂重量。 顯然在最底點上升時絲杠受力最大，此時 此設計中選用矩形導軌 = = 二、 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 100萬轉后，在它的滾道上不產生點蝕現象，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，為轉為一個單位， 絲杠轉速，，用下式計算 為最大負載條件下的進給速度； 絲杠的導程，； 使用壽命，，一般； 運轉系數，見表 表運轉系數 運轉狀態(tài) 運轉系數 無沖擊運轉 1.0~1.2 一般運轉 1.2~1.5 有沖擊運轉 1.5~2.5 該設計的最大負載條件下的進給速度為，絲杠導程初選，運轉狀態(tài)為一般運轉， 三、 滾珠絲杠螺母副的選型 查閱《數控機床課程設計指導書》附錄A 表3可采用 1列圈外循環(huán)螺紋預緊滾珠絲杠副，額定動載荷為8800N，可滿足要求，選定精度等級為3級。 四、 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，其摩擦角約等于。 = 五、 剛度驗算 先畫出提升機構絲杠支承方式草圖如圖1-2所示。最大牽引力為570.76N，支承間距為，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負載的。 圖1-1提升機構系統(tǒng)計算簡圖 （一） 絲杠拉伸或壓縮變形量 查《數控機床課程設計指導書》圖4-6，根據， 查出，可算出： 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量（）為： （二） 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 查《數控機床課程設計指導書》圖4-7，系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量： 因進行了預緊， （三） 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， 滾動體數量=12，， 上式中軸承所受軸向載荷 軸承滾動體數目 軸承滾動體直徑 因施加預緊力，故 根據以上計算 小于定位精度。 第二節(jié) 伸縮機構滾珠絲杠副的計算及選型 一、 計算進伸縮率引力Fm 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軌上的摩擦力。 式中為滑動摩擦系數， 二、 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 100萬轉后，在它的滾道上不產生點蝕現象，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，為轉為一個單位， 絲杠轉速，，用下式計算 為最大負載條件下的進給速度； 絲杠的導程，； 使用壽命，，一般； 運轉系數，見表 該設計的最大負載條件下的速度為，絲杠導程初選，運轉狀態(tài)為一般運轉， 三、 滾珠絲杠螺母副的選型 可采用，1列圈外循環(huán)螺紋預緊滾珠絲杠副，額定動載荷為395N，可滿足要求，選定精度等級為3級。 四、 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，其摩擦角約等于。 = 五、 剛度驗算 先畫出提升機構絲杠支承方式草圖如圖1-2所示。 1-2伸縮機構絲杠計算草圖 最大牽引力為14.7N，支承間距為，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預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。 表1-1及滾珠絲杠幾和參數 名稱 符號 螺 紋 滾 道 公稱直徑 20 10 導程 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 螺桿內徑 16．788 螺桿接觸直徑 16．835 螺 母 螺母螺紋直徑 23．212 螺母內徑 20．635 第三章 齒輪傳動比的設計計算 第一節(jié) 提升機構齒輪箱傳動比計算 已經確定提升機構脈沖當量，滾珠絲杠導程， 初選步進電機步距角，可計算出傳動比 可選定齒輪齒數為： 第二節(jié) 伸縮機構齒輪箱傳動比計算 已經確定提升機構脈沖當量，滾珠絲杠導程， 初選步進電機步距角，可計算出傳動比 可選定齒輪齒數為： 表2-1 傳動齒輪幾何參數 齒數 24 25 20 12 150 60 20 分度圓 48 50 40 24 300 120 40 齒頂圓 52 54 44 28 304 124 44 齒根圓 43 45 35 19 105 115 35 齒寬 20 20 12 12 20 20 20 中心距 98 64 420 160 第三節(jié) 渦輪蝸桿傳動的設計計算 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4555HRC，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。 一、 面接觸疲勞強度設計 根據閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距 式（2.1） 1） 確定作用在蝸輪上的轉矩 按=1，單頭蝸桿的效率為估取效率，則 式（2.2） 2） 確定載荷系數K 因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數=1，選取系數=1，由于轉速不高，沖擊不大，可取動載荷系數=1.05，則： K= 式（2.3） 3)確定彈性影響系數 因選取的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故= 4)確定接觸系數 先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距的比值，查得=2.9 5）確定許用接觸應力 根據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力=268 假設壽命=12000h，則應力循環(huán)次數為： 式（2.4） 壽命系數： 式（2.5） 則： 式（2.6） 6）計算中心距： = 式（2.7） 取，因，故取模數，蝸桿分度圓直徑=這時，0.35（滿足假設） 二、 渦輪蝸桿的主要參數和幾何尺寸設計 表 2.1 計算項目 計算過程 結果 蝸桿軸向齒距 = 直徑系數 分度圓導程角 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 蝸桿軸向齒厚 蝸桿齒數 蝸輪變位系數 蝸輪齒數 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 三、 齒根彎曲疲勞強度的校核 式（2.8） 當量齒數： 式（2.9） 據，，查得齒形系數=2.72 螺旋角系數 ： 式（2.10） 許用彎曲應力 查手冊得ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應力 壽命系數： 式（2.11） 式（2.12） 式（2.13） ，所以彎曲強度是滿足的。 四、精度等級公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設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，側隙種類為f，標注為8f。然后由有關手冊查得要求的公差項目及表面粗糙度，在零件圖中標出。 第四章 電機的計算和選型 第一節(jié) 步進電機概述 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上 步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好 步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 一、 感應子式步進電機特點 感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅動），而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現其條件為C=,D=.一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯或并聯使用。。 二、 驅動控制系統(tǒng)組成 步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動, 這種裝置就是步進電機驅動器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號,加以放大以驅動步進電機。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速；控制步進脈沖的個數，可以對電機精確定位。 典型的步進電機驅動控制系統(tǒng)主要由三部分組成： 1. 步進控制器，由單片機實現。 2．驅動器，把單片機輸出的脈沖加以放大，以驅動步進電機。 3．步進電機。 現以三相六拍為例： 步序 控 制 位 C B A 控制模型 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H AB 1 1 1 1 1 0 1 1 FBH B 1 1 1 1 1 0 1 0 FAH BC 1 1 1 1 1 1 1 0 FEH C 1 1 1 1 1 1 0 0 FCH CA 1 1 1 1 1 1 0 1 FDH 以上為步進電機正轉時的控制順序及數學模型。因此，步進驅動控制器實際上就是按上述的控制方式所規(guī)定的順序送脈沖序列，即可實現驅動步進電機三相六拍方式的轉動。輸入順序脈沖序列的速率就是步進電機的速率。 使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng) 功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電激勵矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。 第二節(jié) 步進電機的計算及選型 一、 提升機構步進電機的計算及選型 （一） 等效轉動慣量計算 計算簡圖見圖1-3。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式進行計算： 式中 步進電機轉子轉動慣量； ，齒輪，的轉動慣量； 滾珠絲杠轉動慣量； 參考數控機床，初選反應式步進電機，該步進電機轉子的轉動慣量 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。 （二） 電機力矩的計算 機械手在不同的工況下，所需轉動力矩不同，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動慣量 電機最大角加速度 電機最大轉速 運動部件最大快進速度 脈沖當量（） 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 摩擦力矩 上式中導軌的摩擦力 導軌摩擦系數 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 附加摩擦力矩 式中滾珠絲杠預加負載，一般取，為進給率引力 滾珠絲杠導程 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取 折算到電機軸上的軸向負載力矩 式中進給方向的最大抗力 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。 從《數控機床課程設計指導書》表4-24查出，當步進電機為五相十拍時 最大靜力矩= 按此靜力矩從表4-23查出，最大靜轉距為，大于所需最大靜轉矩，可作為選定型號。 二、 伸縮機構步進電機的計算及選型 （一） 等效轉動慣量計算 計算簡圖見圖1-3。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式進行計算： 式中 步進電機轉子轉動慣量； ，齒輪，的轉動慣量； 滾珠絲杠轉動慣量； 參考數控機床，初選反應式步進電機，該步進電機轉子的轉動慣量 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。 （二） 電機力矩的計算 機械手在不同的工況下，所需轉動力矩不同，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動慣量 電機最大角加速度 電機最大轉速 運動部件最大快進速度 脈沖當量（） 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 摩擦力矩 上式中導軌的摩擦力 導軌摩擦系數 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 附加摩擦力矩 式中滾珠絲杠預加負載，一般取，為進給率引力 滾珠絲杠導程 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取 折算到電機軸上的軸向負載力矩 =0 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。 從《數控機床課程設計指導書》表4-24查出，當步進電機為三相六拍時 最大靜力矩= 按此靜力矩從表4-23查出，最大靜轉距為，大于所需最大靜轉矩，可作為選定型號。 第三節(jié) 渦輪蝸桿電機的計算及選型 一、 電機的計算及選型 根據輸入轉速，選擇額定轉速為960r/min的電作為動力源。電動機功率為： 式（1.2） 式中：ni =4r/min，效率蝸桿傳動部分為0.75，聯軸器為0.992，由此可得。 選擇電機型號和參數見表1.1。 表 1.1 型號 額定功率/KW 滿載轉速/（r/min） 堵轉轉矩 最大轉矩 質量/KG 額定轉矩 額定轉矩 Y132S-6 3 960 2.0 2.0 63 電機軸直徑為。其他參數為：電流7.23A，效率0.83，功率因數，轉子轉動慣量 蝸桿傳動的傳動比iw 已知機構輸入轉速ni=4r/min，根據機構特性，可知轉速為20r/min，已選擇驅動電機轉速為960r/min，則選蝸輪蝸桿的傳動比為48。 電機軸與蝸桿處聯軸器的選擇 二、 聯軸器的計算及選型 為了隔離振動和沖擊，選用彈性套柱銷聯軸器。 公稱轉矩 式（1.3） 由手冊查得 ,故得計算轉矩為 式（1.4） 1） 型號的選擇 從GB4323-84中查得TL4型彈性套柱銷聯軸器的許用轉矩為125N.m，許用最大轉速為4600r/min，軸徑為，考慮到聯軸器聯接的電機軸為28mm，蝸桿聯接端為30mm，故適用。（聯軸器效率為0.992）。 TL4型彈性套柱銷聯軸器參數及外形如圖1.5和表1.2所示。 圖 1.5 表 1.2 型號 公稱轉矩 Tn /(N·m) 許用轉速 [n] /(r/min) 軸孔直徑 d1、d2、dz 軸孔長度 D A 35 質量 m /kg 轉動 慣量 I /(kg·m2) 第五章 接近開關及限位開關的選型 第一節(jié) 接近開關的工作原理及選型 一、 接近開關概述 電感式接近開關由三大部分組成：振蕩器、開關電路及放大輸出電路。振蕩器產生一個交變磁場。當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產生渦流，從而導致振蕩衰減，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換成開關信號，觸發(fā)驅動控制器件，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物實際接觸的情況下檢測靠近傳感器的金屬目標物。根據操作原理，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。 （一） 高頻振蕩型接近傳感器的工作原理 電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振蕩器在傳感器檢測面產生一個交變電磁場，當金屬物體接近傳感器檢測面時，金屬中產生的渦流吸收了振蕩器的能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩器的振蕩及停振這二種狀態(tài)，轉換為電信號通過整形放大轉換成二進制的開關信號，經功率放大后輸出。下面為詳細介紹： 1、通用型接近傳感器的工作原理 圖4—1 振蕩電路中的線圈L（如圖4—1）產生一個高頻磁場。當目標物接近磁場時，由于電磁感應在目標物中產生一個感應電流（渦電流）。隨著目標物接近傳感器，感應電流增強，引起振蕩電路中的負載加大。然后，振蕩減弱直至停止。傳感器利用振幅檢測電路檢測到振蕩狀態(tài)的變化，并輸出檢測信號。 振幅變化的程度隨目標物金屬種類的不同而不同，因此檢測距離也隨目標物金屬的種類不同而不同。 2、 所有金屬型傳感器的工作原理 所有金屬型傳感器基本上屬于高頻振蕩型。和普通型一樣，它也有一個振蕩電路，電路中因感應電流在目標物內流動引起的能量損失影響到振蕩頻率。目標物接近傳感器時，不論目標物金屬種類如何，振蕩頻率都會提高。傳感器檢測到這個變化并輸出檢測信號。 3、 有色金屬型傳感器工作原理 有色金屬傳感器基本上屬于高頻振蕩型。它有一個振蕩電路，電路中因感應電流在目標物內流動引起的能量損失影響到振蕩頻率的變化。當鋁或銅之類的有色金屬目標物接近傳感器時，振蕩頻率增高；當鐵一類的黑色金屬目標物接近傳感器時，振蕩頻率降低。如果振蕩頻率高于參考頻率，傳感器輸出信號。 （二） 主要技術參數 二、 接近開關的選型 目前市場上的主要產品有以下幾中： 在本設計中我們選用XL-LJM8短圓圓柱電感式接近開關。 第二節(jié) 限位開關的工作原理及選型 行程開關又稱限位開關，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現電路的切換。因此，行程開關是一種根據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，還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自動開關門的限位，轎廂的上、下限位保護。? 目前市場上的主要產品及安裝尺寸如下： ?在本設計中伸縮機構限位開關我們選用交叉滾輪柱塞型接近開關，提升機構限位開關我們選用滾輪連桿型限位開關。 第六章 機械手PLC控制系統(tǒng)設計 第一節(jié) PLC的基本概念 可編程控制器，簡稱PLC(Programmable Logic Controller)，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。1987年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的 PLC標準草案中對 PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！? 一、 PLC產生和發(fā)展過程 現代社會要求生產廠家對市場的需求做出迅速的反應，生產出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質量的產品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人們去尋找一種新的控制裝置取而代之。 1968年，美國通用汽車公司(GM)為適應汽車型號的不斷翻新，想尋找一種能減少重新設計控制系統(tǒng)和接線、降低成本、縮短時間的措施，并設想把計算機功能的完備、靈活通用和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結合起來，制成一種通用控制裝置，并把計算機的編程方法和程序輸入方式加以簡化，用面向控制過程、面向用戶的“自然語言”編程，使不熟悉計算機的人也能方便地使用。1969年美國數字設備公司(DEC)研制出了世界上第1臺PLC，并在GM公司的汽車自動裝配線上首次使用，獲得成功。從此，這項新技術便迅速發(fā)展起來。 1971年日本從美國引進了該項新技術，很快就研制出了日本第1臺PLC。1973—1974年，西德和法國也相繼研制出了自己的第1臺PLC。中國從1974年開始研制，1977年應用于工業(yè)生產。 限于當時的元器件條件和計算技術的發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和小規(guī)模集成電路組成。 1969—1973年是PLC的初創(chuàng)時期。在這個時期，PLC從有觸點不可編程的硬接線順序控制器發(fā)展成為小型機的無觸點可編程邏輯控制器，可靠性比以往的繼電器控制系統(tǒng)有較大提高，靈活性也有所增強。其主要功能限于邏輯運算、計時、計數和順序控制，CPU由中小規(guī)模集成電路組成，存儲器為磁芯存儲器。 1974—1977年是PLC的發(fā)展中期。在這個時期，由于8位單片CPU和集成存儲器芯片的出現，PLC得到了迅速發(fā)展和完善，并逐步趨向系列化和實用化，普遍應用于工業(yè)生產過程控制。PLC除了原有功能外，又增加了數值運算、數據的傳遞和比較、模擬量的處理和控制等功能，可靠性進一步提高，開始具備自診斷功能。 1978-1983年，PLC進入成熟階段。這個時期，微型計算機行業(yè)已出現了16位CPU，MCS一51系列單片機也由Intel公司推出，使PLC也開始朝著大規(guī)模、高速度和高性能方向發(fā)展，PLC的生產量在國際上每年以30%的遞增量迅速增長。在結構上，PLC除了采用微處理器及EPROM，EEP—ROM，CMCS RAM 等LSI電路外，還向多微處理器發(fā)展，使PLC的功能和處理速度大大提高；PLC的功能又增加了浮點運算、平方、三角函數、相關數、查表、列表、脈寬調制變換等，初步形成了分布式可編程控制器的網絡系統(tǒng)，具有通訊功能和遠程I／O處理能力，編程語言較規(guī)范和標準化。此外自診斷功能及容錯技術發(fā)展迅速，使PLC系統(tǒng)的可靠性得到了進一步提高。 1984年后，PLC的規(guī)模更大，存儲器的容量又提高了1個數量級(最高可達896 K)，有的PLC已采用了32位微處理器，多臺PLC可與大系統(tǒng)一起連成整體的分布式控制系統(tǒng)，在軟件方面有的已與通用計算機系統(tǒng)兼容。編程語言除了傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖語句表外，還有用于算術的BASIC語言、用于機床控制的數控語言等。在人機接口方面，采用了現實信息等更多直觀的CRT，完全代替了原來的儀表盤，使用戶的編程和操作更加方便靈活。PLC的I/O模塊一方面發(fā)展自帶微處理器的智能I/O模塊，另一方面也注意增大I/O點數，以適應控制范圍的增大和在系統(tǒng)中使用A/D，D/A通訊及其他特殊功能模件的需要。同時，各PLC生產廠家還注意提高I/O的密集度，生產高密度的I/O模塊，以節(jié)省空間，降低系統(tǒng)的成本。 二、 PLC的應用領域 目前PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 （一） 開關量邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，他取代傳統(tǒng)的繼電器電路，可實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線和電鍍流水線等。 （二） 模擬量控制 在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量和數字量之間的A／D轉換和D/A轉換。PLC廠家都生產配套了A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 （三） 運動控制 PLC可以用于圓周運動和直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/0模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊，可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人和電梯等場合。 （四） 閉環(huán)過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過模擬量I/O模塊實現模擬量與數字量之間的A/D，D/A轉換，并對模擬量進行閉環(huán)PID控制，可用PID子程序來實現，也可使用專用的PID模塊。當控制過程中任一個變量出現偏差時，PLC就按PID的算法計算出正確的輸出去控制生產過程，使變量保持在定值上。PLC的模擬量控制功能已經廣泛應用于塑料擠壓成型機、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設備，還廣泛地應用于輕工、化工、機械、冶金、電力和建材等行業(yè)。 （五） 定時記數控制 PLC具有定時記數控制功能，能保證控制系統(tǒng)所要求的定時和延時以及記數，它可提供十個甚至幾百個計時器和計數器，其計時的時間、計數值可以由用戶在編寫程序時設定，也可由操作員在工業(yè)現場通過編程器進行設定。 （六） 順序控制 實現順序控制，可以用移位寄存器和步進指令編寫程序，也可采用規(guī)定的用于順序控制的標準化語言——順序功能圖編寫程序，使得PLC實現按事件或輸入狀態(tài)的順序控制。 （七） 數據處理 現代的PLC具有數學運算、數據傳遞、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析和處理。這些數據可以與存貯在存儲器中的參考值比較，也可以用通訊功能傳送到別的智能裝置，或將其打印制表。數據處理一般用在大、中型控制系統(tǒng)，如柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。 （八） 通信和聯網 PLC具有通信功能，因此PLC可單機控制，也可多機控制；可對遠程I／O進行控制，又能實現PLC與PLC，PLC與計算機之間的通信；可實現“集中管理，分散控制”，是實現工廠自動化的理想控制器。目前PLC與PLC的通訊網絡是各廠家專用的。PLC與計算機之間的通訊，一些PLC生產廠家采用工業(yè)標準總線，并向標準通訊協(xié)議靠攏。 三、 PLC的發(fā)展趨勢 隨著微電子技術、計算機技術和通訊技術的不斷發(fā)展，PLC的結構和功能不斷改進，生產廠家不斷推出功能更強的PLC新產品，平均3～5 a更新換代1次。PLC的發(fā)展有2個重要趨勢：① 向體積更小、速度更快、功能更強、價格更低的微型化發(fā)展，以適應復雜單機、數控機床和工業(yè)機器人等領域的控制要求，實現機電一體化；② 向大型化、復雜化、多功能、分散型、多層分布式工廠全自動網絡化方向發(fā)展。例如：美國GE公司推出的Genettwo工廠全自動化網絡系統(tǒng)，不僅具有邏輯運算、計時、計數等功能，還具有數值運算、模擬量控制、監(jiān)控、計算機接口、數據傳遞等功能，而且還能進行中斷控制、智能控制、過程控制、遠程控制等。該系統(tǒng)配置了GE／BASIC語言，向上能與上位計算機進行數據通訊，向下不僅能直接控制CNC數控機床、機器人，還可通過下級PLC去控制執(zhí)行機構。在操作臺上如果配備該公司的Factory Master數據采集和分析系統(tǒng)，Viewaster彩色圖像系統(tǒng)，則管理、控制整個工廠十分方便。 智能I/O模塊是以微處理器為基礎的功能部件。它們的CPU 與PLC的主CPU 并行工作，占用主機CPU 的時間很少，有利于提高PLC的掃描速度。智能模塊主要有模擬量I/O、PID回路控制、通信控制、機械運動控制等，高速計數、中斷輸入、BASIC和C語言組件等。智能I/O的應用，使過程控制功能增強。某些PLC的過程控制還具有自適應、參數自整定功能，使調試時間減少，控制精度提高。 目前，個人計算機主要用作PLC的編程器、操作站或人機接口終端，其發(fā)展是使PLC具備