直進回轉式機械手設計【含CAD圖紙、說明書】

直進回轉式機械手設計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,回轉,機械手,設計,cad,圖紙,說明書,仿單 本科生畢業(yè)設計（論文）中期檢查報告 姓 名 學 號 指導教師 專 業(yè) 機械電子工程 學院/系 機械學院 畢業(yè)設計(論文)題目 直進回轉式機械手設計 課題來源/項目編號 企業(yè) 課題有無變化 □無 □有 變化原因 中期報告（已完成的研究內容，所取得階段性成果，下一步工作計劃和研究內容等） 已完成的研究內容：直進回轉式機械手的三維建模，各部件的選型及校核計算 所取得階段性成果：收集和整理相關資料，確定了整體設計方案，研究設計與計算，完成了部分計算內容，設計基本框架已經(jīng)完成，圖紙完成80% ，已經(jīng)開始書寫說明書，主要完成的是說明書的計算。在實際研究中，明確了減速器的具體參數(shù)，進行了一定的控制研究。 下一步工作計劃和研究內容：1完善總裝配圖。2 完成設計計算。3 設計控制方案。4繪制電氣接線圖。5 準備最終答辯 學生簽名： 年 月 日 指導教師意見: 指導教師簽名： 年 月 日 學院（系）意見 審查結果： □ 通過 □ 不通過 院長（系主任）簽名： 年 月 日 2 畢業(yè)設計任務書 課 題 直進回轉式機械手設計 專 業(yè) 機械電子工程 年 級 姓 名 學 號 指 導 教 師 （簽字） 學 院 院 長 （簽字） 年 11 月 15 日 課題來源 企業(yè)課題 課題的目的 、 意義 適應于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調等生產企業(yè)對紙箱、袋裝、罐裝、盒裝、瓶裝等各種形狀的成品進行裝箱和碼垛。 要求 設計要求：碼垛距離為5m，物料重量50kg。 文獻翻譯20000印刷符號。完成工作平臺總裝配圖一張，若干部件圖和零件圖，計算機控制原理圖一張，設計圖紙總量不少于2張A0。設計計算說明書一本。 課 題 主 要 內 容 及 進 度 2011.11-2011.12 收集資料、調研、翻譯外文技術資料，完成開題報告。 2011.12-2012.1 研讀資料，擬定設計方案。 2012.1-2012.3 完成設計草圖，作必要的設計計算。 2012.3-2012.4 最終完成總裝配圖，以及部件圖和零件圖設計。 2012.4-2012.5 完成控制系統(tǒng)設計，撰寫設計計算說明書。 2012.5.21-2012.5.25答辯準備及答辯。 畢業(yè)設計（論文）開題報告 課題名稱 ___直進回轉式機械手設計 學 院 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 指導教師 定稿日期： 7 直進回轉式機械手設計 1 選題背景、來源及其意義 本課題來自企業(yè)實際生產。隨著社會的發(fā)展和工業(yè)技術水平的不斷進步，在工業(yè)生產的各領域，越來越多的工業(yè)機械手出現(xiàn)在我們的面前。特別是在搬運、焊接、噴漆、裝配等條件比較惡劣和工作比較繁重的情況下，采用機器手代替人工勞動有更大的優(yōu)越性，這不僅減輕了工人的工作強度，而且提高了工作效率和準確性。特別是裝配線機械手在生產中廣泛應用，促進了工業(yè)生產的自動化和智能化。 現(xiàn)代工業(yè)中， 生產過程的機械化， 自動化已成為突出的主題。 然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生 產工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會 出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產過程的效率和自動化程度。 機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。 在機械工業(yè)中，機械手的應用具有以下意義： 1. 可以提高生產過程的自動化程度 應用機械手，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率，降低生產成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。 2. 可以改善勞動條件、避免人身事故 在高 溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒 性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。 而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)， 大大地改善了工人的勞動 條件。同時，在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工 作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產 應用 機 械 手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由 于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機 床和綜合加工自動生產線上目前幾乎都設有機械手， 以減少人力和更準確地控制 生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產。 2 文獻綜述（國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 在現(xiàn)代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械手雖然 目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危 險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視， 并越來越廣泛地得到了應用。 （王承義，1995） 機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺 機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機 構，控制系統(tǒng)是示教形的。1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又 試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為 Unimate（即萬能自動） 。運動系統(tǒng) 仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存 儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年，美國機械 制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、 升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械 手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大 學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子 計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。聯(lián)邦德國 KnKa 公司 還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主 要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控 制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感 覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過 程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系 統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)節(jié)。 機械手應用意義機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消 費品的產業(yè)。 機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的 重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一 。新世紀，生產水平及科學技術的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機 械工業(yè)的快速發(fā)展。 機械手的發(fā)展趨勢目前國內機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性 能方面都不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。 所以， 在國內主要是逐步擴大應用范圍， 重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用 專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、 計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以 便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有 觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng) 中的一個基本單元。 國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、 橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來 完成規(guī)定的操作。 國外機械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使 它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍 許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取 得一定成績。 目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化， 高速化， 多軸化， 輕量化的發(fā)展趨勢。 定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到 3M/S，量產產品達 到 6 軸，負載 2KG 的產品系統(tǒng)總重已突破 100KG。更重要的是將機械手、柔性制 造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀 態(tài)。 同時， 隨著機械手的小型化和微型化， 其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機械領域， 而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 目前我國機械手的研發(fā)和應用還處在一個發(fā)展的階段， 跟美國日本等發(fā)達國 家相比還有很大的差距，很多產品還需進口，特別是高靈活、高精度的機械手。 要使我國機械工業(yè)更進一步在發(fā)展壯大，就必須提高其自動化程度和生產效率， 將人手操作變?yōu)闄C械手操作。同時，國家應加大對機械手及機器人的研發(fā)投入， 積極開發(fā)出擁有自主知識產權的產品，從根本上解決對國外產品的進口需求。 3 研究內容 根據(jù)畢業(yè)任務書要求，將機器人設計為圓柱坐標型機器人。 設計部分：一、機械部分 1、底部導軌設計 底部導軌主要用于機器人前進和后退導向作用，和支撐整個機器人。 機器人與底部導軌采用滾珠絲杠傳動，滾珠絲杠水平放置。 2、水平回轉設計 水平基座采用步進電機驅動，同過兩級減速裝置與垂直轉軸相連，轉軸通過軸承與箱體連接。 驅動部分：步進電機 傳動部分：轉軸 執(zhí)行部分：水平機身 3、手臂部分設計 手臂與水平機身通過銷軸連接。手臂由4根鋼管形成的桁架組成。 手臂垂直擺動步進電機，通過蝸輪蝸桿減速器與軸連接，由步進電機驅動，帶動軸轉動，從而帶動機械手臂。 驅動部分：步進電機 傳動部分：軸、手臂后端 執(zhí)行部分：手臂 4、末端機械手設計 機械手采用雙支點連桿式機械手，機械手為多齒V字型，連桿接 液壓缸伸出桿，隨著液壓缸伸出桿的伸出和縮進，機械手打開或閉合。 驅動部分：氣壓缸 傳動部分：連桿 執(zhí)行部分：多齒V字型手指 搬運物體 設計機械手抓 計算并設計擺動的電機 設計手臂 設計控制機械手抓的氣壓缸 設計水平回轉部件和電機選擇 設計導軌、滾珠絲杠選型和小部件選擇校核 完成 ` 二、電氣部分 1、PLC選型 2、檢測裝置采用接近開關 PLC 驅動電路 傳動部分 末端執(zhí)行器 M1 M2 液壓缸 接近開關 反饋 4 研究方案 機械傳動方案 該機器人的完成的任務是：將50KG的重物搬運5m的距離，同時要求搬運時機械手臂水平旋轉180°。抓取重物時要提升一段高度，放下時再下降響應的一段距離。所以該機器人分為三個重要部分——底部導軌部分、機身水平旋轉部分和手臂上下擺動部分。 底部導軌部分 采用雙導軌，傳動采用滾珠絲杠。 機身水平旋轉部分 機身底座安裝在導軌和螺母上，水平基座采用步進電機驅動，同過兩級減速裝置與垂直轉軸相連，轉軸通過軸承與箱體連接。箱體采用分體鉚接式。 手臂上下擺動部分 手臂主體由4根鋼管、一個電機和蝸桿渦輪減速器組成，手臂由4根鋼管為主體構成的桁架形成，桁架與手臂轉動部分通過螺栓連接，手臂轉動部分安裝在手臂箱體上，箱體與底部機器人的水平回轉通過螺栓連接。 電氣控制方案 控制部分采用PLC控制，PLC通過控制步進控制器控制步進電機，然后電機帶動執(zhí)行機構到達指定位置時，接近開關采集信號，并反饋到PLC，PLC運行程序，給出下一步動作指令，達到機器人快速響應的要求。 5 進度計劃 2011.11-2011.12 收集資料、調研、翻譯外文技術資料，完成開題報告。 2011.12-2012.1 研讀資料，擬定設計方案。 2012.1-2012.3 完成設計草圖，作必要的設計計算。 2012.3-2012.4 最終完成總裝配圖，以及部件圖和零件圖設計。 2012.4-2012.5 完成控制系統(tǒng)設計，撰寫設計計算說明書。 2012.6 答辯準備及答辯。 參考文獻 1 UNECE, IFR. World Robotics 2005 – Statistics, Market Analysis, Forecasts, Case Studies and Profitability of Robot Investment [M]. 2005. 2 Machine-Tending Robots: Production's “Special Forces” [J]. MAN: Modern Applications News, 2004, 38(10). 3 吳振彪. 工業(yè)機器人[M]. 武漢華中科技大學出版社1997. 4 殷際英,何廣平. 圓柱坐標機器人[M]. 北京化學工業(yè)出版社, 2003. 5 余達太等. 工業(yè)機器人應用工程[M]. 北京冶金工業(yè)出版社1999. 6 張鐵, 謝存禧. 機器人學[M]. 廣州華南理工大學出版社2001. 7 IEEEC. 工業(yè)機器人技術現(xiàn)狀及國內外發(fā)展趨勢2003. 8 王俊玲,曲忠萍. 國內生產企業(yè)應加快發(fā)展占領機器人市場[J]. 機器人技術與應用2004 9 張建民. 機電一體化系統(tǒng)設計[M]. 北京北京理工大學出版社1996. 10 方建軍等. 光機電一體化系統(tǒng)設計[M]. 北京化學工業(yè)出版社2003. 11成大先. 機械設計手冊單行本.常用工程材料 [M]. 北京化學工業(yè)出版社2004.1. 12 單以才. 機器人機械操作臂的模塊化設計及其控制的研究[D]. 揚州大學2003. 13 成大先. 機械設計手冊單行本.機械傳動[M]. 北京化學工業(yè)出版社2004.1. 14 孫桓. 機械原理教程[M]. 西安西北工業(yè)大學出版社1987. 15 劉艷梅 陳震 三菱PLC基礎與系統(tǒng)設計[M].機械工業(yè)出版社2009.7 指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日 開題答辯小組意見 1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實用價值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當；□偏小。 4、設計或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。 5、學生對文獻資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。 6、學生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對論文選題報告的總體評價：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應的方塊內作記號“√”） 建議結論 評議小組組長簽名： 評議小組組員簽名： 年 月 日 3 直進回轉式機械手設計 摘 要 隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運機械手在工業(yè)上的應用也逐漸普及，主要在汽車、電子、機械加工、食品、醫(yī)藥等領域的生產流水線或貨物裝卸調運, 可以更好地節(jié)約能源和提高運輸設備或產品的效率，以降低其他搬運方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求。 本直進回轉式搬運機械手的機械結構主要包括水平移動、機身回轉運動和手臂擺動，末端執(zhí)行器為抓取物料的機械爪，完成三個自由度的動作。由一個電磁閥控制的氣壓缸，來實現(xiàn)機械手的伸縮桿移動及機械抓夾緊工件的動作，三個步進電機帶水平導軌移動、機身旋轉和手臂擺，從而實現(xiàn)搬運工作。其動作轉換靠設置在各個不同部位的行程開關、接近開關(SQ1---SQ11)產生的通斷信號傳輸?shù)絇LC控制器，通過PLC內部程序輸出不同的信號，從而驅動外部線圈來控制步進電機的正反轉，實現(xiàn)導軌的水平移動、機身回轉和手臂擺動，或電磁閥產生不同的工作位，實現(xiàn)氣缸上下伸出、縮進，可實現(xiàn)機械手的精確定位，來滿足生產中的操作要求。 關鍵詞：搬運機械手，可編程控制器（PLC），氣壓，步進電機，電磁閥 ABSTRACT With the popularization and development of industrial automation, the demand for the controller has been increasing year by year, carrying manipulator in industrial application also gradually universal, mainly in cars, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of production line or cargo handling scheduling,we can be more good to save energy and improve transport efficiency equipment or products, to reduce restrictions on the mode of transportation and inadequate to meet requirements of modern economic development. This straight into rotary carrying manipulator mechanical structure includes the main including horizontal migration, the rotary motion and swinging arm, end actuators for grab materials mechanical claw, completed three degrees of freedom of action. By a solenoid control the pressure in the cylinder, to finished the telescopic rod manipulator mobile and mechanical grip the action of clamping workpiece, three step motor guide moving, the fuselage with level rotation and arm is placed, so as to realize the movement. The conversion by setting its action in various different parts of the trip switch (SQ1---SQ9) generated on-off signal transmission to the PLC controller, through the PLC internal different output signal, which drives the external coil to control the motor' normal-reverse transfer to realize The horizontal movement of the lead rail, the rotary and arms move swinging; solenoid valves have a different action, the robot can achieve precise position; to meet the production requirements of various operations and maintenance . Key words: carrying manipulator, the programmable controller (PLC), air pressure, step motor, solenoid valves. 目 錄 1 緒論 1 1.1 工業(yè)機械手應用簡況及意義 1 1.2 氣動機械手的簡介 1 2 直進回轉式機械手的整體設計 4 2.1 設計內容及要求 4 2.2 機械手的設計思路及方案 4 2.3 電氣設計思路及方案 5 3 設計各機構、零件及校核計算 6 3.1氣缸的選型與計算 6 3.2 軸的選擇及校核計算 8 3.3選蝸桿蝸輪減速器 10 3.4步進電機的選取和校核 12 3.5 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 22 3.6 軸承的選擇及校核 25 3.7 齒輪的設計及校核 27 3.8 螺紋連接件的校核 31 4 機械手控制部分的設計、選型及程序內容 33 4.1 總述 33 4.2 總體方案的設計 33 4.3機械手控制系統(tǒng)硬件組成 33 4.4 電氣控制系統(tǒng)分析 36 4.5小結 38 5 結論 39 參考文獻 40 致 謝 41 附 錄 45 直進回轉式機械手設計 摘 要 隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運機械手在工業(yè)上的應用也逐漸普及，主要在汽車、電子、機械加工、食品、醫(yī)藥等領域的生產流水線或貨物裝卸調運, 可以更好地節(jié)約能源和提高運輸設備或產品的效率，以降低其他搬運方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求。 本直進回轉式搬運機械手的機械結構主要包括水平移動、機身回轉運動和手臂擺動，末端執(zhí)行器為抓取物料的機械爪，完成三個自由度的動作。由一個電磁閥控制的氣壓缸，來實現(xiàn)機械手的伸縮桿移動及機械抓夾緊工件的動作，三個步進電機帶水平導軌移動、機身旋轉和手臂擺，從而實現(xiàn)搬運工作。其動作轉換靠設置在各個不同部位的行程開關、接近開關(SQ1---SQ11)產生的通斷信號傳輸?shù)絇LC控制器，通過PLC內部程序輸出不同的信號，從而驅動外部線圈來控制步進電機的正反轉，實現(xiàn)導軌的水平移動、機身回轉和手臂擺動，或電磁閥產生不同的工作位，實現(xiàn)氣缸上下伸出、縮進，可實現(xiàn)機械手的精確定位，來滿足生產中的操作要求。 關鍵詞：搬運機械手，可編程控制器（PLC），氣壓，步進電機，電磁閥 ABSTRACT With the popularization and development of industrial automation, the demand for the controller has been increasing year by year, carrying manipulator in industrial application also gradually universal, mainly in cars, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of production line or cargo handling scheduling,we can be more good to save energy and improve transport efficiency equipment or products, to reduce restrictions on the mode of transportation and inadequate to meet requirements of modern economic development. This straight into rotary carrying manipulator mechanical structure includes the main including horizontal migration, the rotary motion and swinging arm, end actuators for grab materials mechanical claw, completed three degrees of freedom of action. By a solenoid control the pressure in the cylinder, to finished the telescopic rod manipulator mobile and mechanical grip the action of clamping workpiece, three step motor guide moving, the fuselage with level rotation and arm is placed, so as to realize the movement. The conversion by setting its action in various different parts of the trip switch (SQ1---SQ9) generated on-off signal transmission to the PLC controller, through the PLC internal different output signal, which drives the external coil to control the motor' normal-reverse transfer to realize The horizontal movement of the lead rail, the rotary and arms move swinging; solenoid valves have a different action, the robot can achieve precise position; to meet the production requirements of various operations and maintenance . Key words: carrying manipulator, the programmable controller (PLC), air pressure, step motor, solenoid valves. 目 錄 1 緒論 1 1.1 工業(yè)機械手應用簡況及意義 1 1.2 氣動機械手的簡介 1 2 直進回轉式機械手的整體設計 4 2.1 設計內容及要求 4 2.2 機械手的設計思路及方案 4 2.3 電氣設計思路及方案 5 3 設計各機構、零件及校核計算 6 3.1氣缸的選型與計算 6 3.2 軸的選擇及校核計算 8 3.3選蝸桿蝸輪減速器 10 3.4步進電機的選取和校核 12 3.5 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 22 3.6 軸承的選擇及校核 25 3.7 齒輪的設計及校核 27 3.8 螺紋連接件的校核 31 4 機械手控制部分的設計、選型及程序內容 33 4.1 總述 33 4.2 總體方案的設計 33 4.3機械手控制系統(tǒng)硬件組成 33 4.4 電氣控制系統(tǒng)分析 36 4.5小結 38 5 結論 39 參考文獻 40 致 謝 41 附 錄 1 緒論 1.1 工業(yè)機械手應用簡況及意義 在工業(yè)上，工業(yè)機器人有著廣泛的應用，機械手而是相較新的機械電子設備，它正開始改變現(xiàn)代和未來化工業(yè)的面貌。通過自動化的機械手能提高工作效率，加強產品質量，改善勞動條件和勞動強度起著十分重要的作用。大量運用在裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。 在現(xiàn)代生產加工過程中，機械手被廣泛運用于自動生產線中，雖然機械手目前還不如人手那樣靈活，但它具有不斷重復工作和勞動，不知疲憊，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到更多部門的重視， 并越來越廣泛地得到了應用， 機械手的意義如下： （1）可以提高生產過程的自動化程度 應用機械手，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率，降低生產成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。 （2）可以改善勞動條件 避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人直接操作是有危險或根本不可能的情況。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。 （3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產 應用機械手代替人手工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產。 綜上所述，機械手在工業(yè)上的應用是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.2 氣動機械手的簡介 這次課題的機械手選用氣動傳動，這里介紹一下氣動機械手的發(fā)展、現(xiàn)狀和未來。隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展，以及氣動技術本身的一些優(yōu)點和特點，氣動機械手已經(jīng)被廣泛應用在自動化生產的各個行業(yè)。 1.2.1氣動技術及氣動機械手的發(fā)展過程 氣動技術是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質，進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術，是實現(xiàn)各種生產控制、自動控制的重要手段之一。 大約開始于1776年，Johnwilkimson發(fā)明能產生1個大氣壓左右壓力的空氣壓縮機。1880年，人們第一次利用氣缸做成氣動剎車裝置，將它成功地用到火車的制動上。20世紀30年代初，氣動技術成功地應用于自動門的開閉及各種機械的輔助動作上。至50年代初，大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60年代，開始構成產業(yè)控制系統(tǒng)，自成體系，不再與風動技術相提并論。在70年代，由于氣動技術與電子技術的結合應用，在自動化控制領域得到廣泛的推廣。80年代進進氣動集成化、微型化的時代。90年代至今，氣動技術突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著奔騰性的發(fā)展，人們克服了閥的物理尺寸局限，真空技術日趨完美，高精度模塊化氣動機械手問世，智能氣動這一概念產生，氣動伺服定位技術負氣缸高速下實現(xiàn)任意點自動定位，智能閥島十分理想地解決了整個自動生產線的分散與集中控制題目[3]。 1.2.2 氣動機械手的應用現(xiàn)狀 由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、輕易實現(xiàn)無級調速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等優(yōu)點。所以，氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業(yè)、半導體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事產業(yè)等。 1.2.3 發(fā)展遠景及方向 （1）重復高精度 精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指假如動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核產業(yè)和軍事產業(yè)等。 （2）模塊化 模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅動部件采用了特殊設計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。 （3）無給油化 為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術的進步，新型材料（如燒結金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、本錢低、壽命長。 （4）機電氣一體化 由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，負氣動技術從“開關控制”進進到高精度的“反饋控制”；省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大進步了系統(tǒng)的可靠性。 而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC，而閥島技術的發(fā)展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手[4]。 2 直進回轉式機械手的整體設計 2.1 設計內容及要求 本課題內容要求是：碼垛距離為5m，物料重量50kg。要求機械手抓住物料提升一定高度后，本機械手設計的是手臂向上擺動，擺角為45°。手臂旋轉要求180°，機械手抓住物料前進5m距離，下降一定距離，本機械手設計完成向下擺動45°，到達水平位置放開物料。 2.2 機械手的設計思路及方案 根據(jù)任務書的要求，該機械手設計為圓柱坐標機械手。其基本的設計內容：搬運物體→設計機械手抓→設計控制機械手抓的氣壓缸→設計手臂→計算并設計擺動的電機→設計水平回轉部件和電機選型→設計導軌、滾珠絲杠選型和導軌→部件的校核→完成。整體設計思路及傳動方案為： 水平直進部分：水平直進移動部分，水平移動因為承重最重，又要有一定的定位精度，并且要傳動靈活。所以選擇滾珠絲杠螺母副傳動，因為承重較大，所以選擇滑動導軌來承受主要的負重和機身重量，這樣可以減輕滾珠絲杠的受力，降低絲杠的疲勞，有利于提高絲杠的壽命。 豎直旋轉部分：豎直旋轉部分是整個機械手最重要的部分，它是機械手的主體部分，它的設計要求可以靈活回轉任意角度，是整個機械手的定位精度主要由機身的旋轉角度來控制。所以在豎直機身大的設計上采用步進電機驅動，其定位精度較高，通過一級圓柱齒輪減速器傳遞動力，帶動豎軸完成整個豎直回轉，完成整個機身回轉運動。 機械手肩部擺動部分：肩部擺動部分主要完成手臂的擺動，設計這個自由度的主要考慮是機械手的回轉空間不大的情況下，將物料提升一定高度，可以縮小回轉半徑，使機械手的搬運能力和運用范圍更加廣泛。肩部驅動仍舊采用步進電機驅動，因為步進電機有較好的控制精度。因為手臂擺動角度相對不是很大，故需要傳動比比較大的減速器，又因為肩部設計尺寸不能太大，所以選擇一級蝸輪蝸桿減速器，因為其能一級減速就能達到很大的傳動比，相對于兩級減速器的尺寸比較小，故采用蝸桿渦輪減速器。渦輪軸與手臂鍵連接帶動手臂旋轉。 機械手部分：機械手抓取物料，選擇機械手的形式為夾鉗式，由氣缸驅動，因為夾鉗式機械手是杠桿原理，伸縮距離比較小，獲得較大的行程，所以氣缸的輸出力比較大，故選擇氣缸的內徑較大。手的抓取動作是由氣缸活塞桿帶動水平拉桿，水平拉桿再帶動豎直拉桿，豎直拉桿帶動手指繞銷軸旋轉，實現(xiàn)手的張開和閉合。 2.3 電氣設計思路及方案 電氣部分設計的總體思路是采用PLC控制整個機械手，采用三菱F2U系列的PLC控制，因為三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相當FX系列中最高檔次的超小程序裝置，除輸入出16～25 點的獨立用途外，還可以適用于多個基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。 　　 特點 ——系統(tǒng)配置即固定又靈活；-編程簡單；備有可自由選擇，豐富的品種；令人放心的高性能；高速運算；使用于多種特殊用途；外部機器通訊簡單化；共同的外部設備。 其控制設計內容：PLC→驅動電路→M1、M2、M3和氣缸→傳動部分→末端執(zhí)行器→接近開關、限位開關→反饋信號→PLC[5]。設計思路：PLC發(fā)出指令控制驅動器，驅動器控制電機，電機運轉經(jīng)傳動裝置帶動執(zhí)行器，當執(zhí)行器到達指定位置時，通過傳感器（限位開關或接近開關）檢測，將反饋信號傳遞給PLC,經(jīng)PLC內部程序運算，給出下一步指令。  3 設計各機構、零件及校核計算 3.1氣缸的選型與計算 物料為邊長20cm的立方體，重50kg。夾持手指為直角型，手指由1根長22.5cm的直角方形鋼條組成，手指的轉軸在距手指末端18cm處，手指立體合攏后如圖： 圖3-1手爪外形圖 當手臂向上擺起時，物料重量完全由手指的夾緊力于物料的摩擦力，取摩擦系數(shù)為，工作壓力為p=0.4MPa則： 計算得N=2000N。 圖3-2手爪受力分析 受力分析并由手指的幾何關系得 每對手指受力=1680N有氣缸拉桿與手抓的幾何關系得： F為氣缸活塞桿輸出力為3000N。 氣缸選型——由機械設計手冊（第五版）計算公式選型，由雙作用氣缸公式： （3-1） 故選取雙作用氣缸缸徑為90mm 一般氣缸筒壁厚于內徑比 氣缸缸筒承受壓縮空氣的壓力，其壁厚可按薄壁筒計算公式計算 式中 δ——缸筒壁厚，m ——試驗耐壓力，Pa，取 ——缸筒材料許用應力，Pa，其計算公式為 式中 ——缸筒材料抗拉強度，Pa n——安全系數(shù)，一般取n=6~8 按公式計算出的壁厚為5.4mm，比較薄，加工比較困難，實際設計過程中一般都需要按照加工工藝要求，適當增加壁厚，由機械設計手冊查得實際壁厚可選8mm或更大?；钊麠U直徑選取，由機械設計手冊查得可初選為30mm。 手爪銷軸的強度校核 手爪的設計銷軸比較細，承受力很大，需要強度校核。最危險處是手臂擺物料后，重物的重量都靠四只手指上產生的摩擦力，由圖3-2所示，銷軸受力為： 則手爪銷軸共受力為 則每只手指上銷軸受力。有機械設計軸的剪切校核為： （3-2） （3-3） 其中查機械手冊有[11] 。 3.2 軸的選擇及校核計算 3.2.1手臂桿設計校核 手爪共重5kg，氣缸及安裝法蘭盤共重6.17kg，物料為50kg，總計共重61.2kg。手臂采用1根45鋼棒料構成，設計長度為60cm。計算棒料直徑如下： 由第三強度理論有： （3-4） （3-5） 將公式（3-5）帶入公式（3-4）得： 其中彎曲許用應力，查機械手冊得 取d=40mm。 則軸重5.92kg。 從新校核該軸 總轉矩為 再由第三理論校核 = （3-6） 故選取軸的尺寸滿足工作要求[6]。 3.2.2豎軸、軸Ⅰ的設計計算 豎軸：豎軸是主要承重的軸，主要承受肩部及手臂餓全部重量，受軸向力比較大，其中豎軸的最大角速度為，所以角加速度，加速時間t=0.5s，所以角加速度為。 根據(jù)理論力學計算公式： （3-7） 所以 其中——是折算到豎軸的轉動慣量 ` 根據(jù)公式 （3-8） （3-9） 其中：查機械手冊得[11]，把公式（3-9）帶入公式（3-8） 得： 選取豎軸兩級減速傳動，第一級傳動比。 所以軸Ⅰ的受到的扭矩為 根據(jù)公式（3-8）、（3-9）得： 3.3選蝸桿蝸輪減速器 3.3.1蝸輪接觸疲勞強度： （3-10） 則由公式（3-10）得： 其中 由機械設計查表得，，所以 由機械設計查表得： 得 查機械設計得：取 取 取 蝸桿的導程為: 3.3.2計算蝸輪蝸桿的效率 閉式蝸桿傳動的功率損耗，蝸桿蝸輪傳動的效率一般包括三部分，即嚙合摩擦損耗、軸承摩擦損耗及浸油中攪油時的濺油損耗[7]。因此總效率為： 式中，、、分別為單獨考慮嚙合摩擦損耗、軸承摩擦損耗及濺油損耗時的效率。而蝸桿傳動的總效率，主要取決于嚙合摩擦損耗。當蝸桿主動時，則 （3-11） 式中：——普通圓柱蝸桿分度圓柱上的導程角； ——當量摩擦角， ，其值可根據(jù)滑動速度由機械設計表11-18或11-9選取，滑動速度（單位為）為： == （3-12） 式中：——蝸桿分度圓的圓周速度，0.5m/s； ——蝸桿分度園直徑，mm； ——蝸桿的轉速， 經(jīng)計算，， 則 由于軸承摩擦及濺油這兩項功率損耗不大，一般取0.95，則總效率 3.3.3蝸輪軸設計 由于蝸輪軸主要承受扭轉，故安扭轉來設計渦輪軸，蝸輪承受的扭矩為[8]： 由公式（3-8）、（3-9）得： 得 ： 所以選取蝸輪軸直徑為45mm。 由傳動比為1:62，所以蝸桿承受的轉矩為 再由公式 （3-8）、（3-9）得： 得 選蝸桿直徑最細處為15mm。 3.4步進電機的選取和校核 3.4.1肩部電機計算 先初選電動機型號反應式步進電機130BYG3502 ，最大靜轉矩為37，單拍驅動時步距角為1.2[4]。 （1）計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 機械手臂的轉動慣量為： 其中m=89.16kg l=60cm 得 蝸輪的轉動慣量為： 其中m=5.5kg D=19.53cm 得 軸的轉動慣量為： 其中m=2.8kg D=4.5cm 得 蝸桿的轉動慣量為： 其中m=1.3kg D=1.5cm 得 由此得折算到電機軸上的轉動慣量為： 計算得： 1）快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩 由式可知，包括三部分：快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩、移動部件折算時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為手臂擺動沒有移動部件，故摩擦轉矩取，又因此傳動沒有滾珠絲杠，故附加摩擦轉矩取。則有 根據(jù)式 考慮蝸桿渦輪的總效率η，計算快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩： （3-13） ——————對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速。 ——————步進電動機有靜止到加速至轉速所需要的時間。 （3-14） 其中：W ——————空載最快轉動速度，為10.5rad/s； ——————步進電動機步矩角，為1.2； ——————脈沖當量，/脈沖。 將以上各式帶入式 算得。 設步進電動機由靜止到加速至轉速所需時間=0.5s蝸輪蝸桿效率=0.5；則由式（3-13） 求得，故。 2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩、一部分是移動部件折算時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩、還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為摩擦轉矩及附加摩擦轉矩都沒有，故只需計算最大工作負載轉矩。由此計算： （3-15）　　 其中： 所以計算得： 故最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩得： 經(jīng)過上述計算，得到加載步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： （2）步進電動機最大靜轉矩的選定[10] 考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓減低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： 對于前面預選的行步進電動機130BYG3502，由表可知，其最大靜轉矩，可見完全滿足式的要求。 （3）步進電動機的性能校核 1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 豎直向最快工進速度，脈沖當量脈沖，由式 （3-16）　 求出電動機對應的運行頻率。從130BYG3502的運行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于最大工作負載轉矩，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度，對應的電動機運行頻率。查表的130BYG3502的極限運行頻率為15000Hz，可見沒有超出范圍。 3）啟動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總慣量，電動機轉子自身的轉動慣量，查表4-3可知電動機轉軸不帶任何負載時的最高空載啟動頻率。則由式 （3-17） 可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率為：得1000Hz。 上式說明，要想保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于1000Hz。實際上，在采用軟件擺動時，啟動頻率選得很低，通常只有500Hz（即500脈沖/s）。 綜上所述，這里縱向進給系統(tǒng)選用130BYG3502步進電動機，可以滿足設計要求。 3.4.2機身旋轉步進電機的選擇及校核計算[4] 先初選電動機型號反應式步進電機110BYG2502 ，最大靜轉矩為20，單拍驅動時步距角為1.2，轉動慣量為15。 （1）計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 豎軸的轉動慣量折算為 其中m=327kg D=20cm 軸Ⅰ的轉動慣量折算 其中 軸Ⅱ的轉動慣量折算 其中 由此得折算到電機軸上的轉動慣量為： 計算得： 1）快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩 由式可知，包括三部分：快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩、移動部件折算時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為手臂擺動沒有移動部件，故摩擦轉矩取=0，又因此傳動沒有滾珠絲杠，故附加摩擦轉矩取=0。則有 根據(jù)式 考慮蝸桿渦輪的總效率η，計算快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩： （3-13） ——————對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速。 ——————步進電動機有靜止到加速至轉速所需要的時間。 （3-14） 其中：W ——————空載最快旋轉速度，為1.57rad/s； ——————步進電動機步矩角，為1.5； ——————脈沖當量，=0.25mm/脈沖。 將以上各式帶入式 ，算得。 設步進電動機由靜止到加速至轉速所需時間=0.5s，齒輪減速器效率=0.96； 求得 故 2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt、一部分是移動部件折算時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩、還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為摩擦轉矩及附加摩擦轉矩都沒有，故只需計算最大工作負載轉矩。最大工作負載轉矩即為豎軸旋轉轉矩，F(xiàn)= 其中m為豎軸及所承受的重量m=257kg，為角加速度， 轉矩為 經(jīng)過上述計算，得到加載步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： （2）步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓減低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=3，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： （3）步進電機的校核 1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 向最快工進速度，脈沖當量=0.25mm/脈沖，由式求出電動機對應的運行頻率。從110BYG2502的運行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，遠遠大于最大工作負載轉矩，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度，對應的電動機運行頻率。查表的110BYG2502的極限運行頻率為20000Hz，可見沒有超出范圍。 3）啟動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總慣量，電動機轉子自身的轉動慣量，查表4-3可知電動機轉軸不帶任何負載時的最高空載啟動頻率則由式可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率為：得632Hz。 上式說明，要想保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于632Hz。實際上，在采用軟件擺動時，啟動頻率選得很低，通常只有500Hz（即500脈沖/s）。 綜上所述，這里縱向進給系統(tǒng)選用110BYG2502步進電動機，可以滿足設計要求。 3.4.3水平電機的計算與選型 先初選電動機型號反應式步進電機130BYG2502 ，最大靜轉矩為40，單拍驅動時步距角為1.8，轉動慣量為48。 (1)計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 滾珠絲杠的轉動慣量 已知機身前進的脈沖當量δ=0.25mm/脈沖，滾珠絲杠的導程=5mm，出選擇步進電機的步距角α=1.2°，根據(jù)公式計算得： 由公式 = 1）快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩 由式可知，包括三部分：快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩、移動部件折算時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。 根據(jù)式 考慮蝸桿渦輪的總效率η，計算快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩： （3-13） ——————對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速。 ——————步進電動機有靜止到加速至轉速所需要的時間。 其中：V ——————空載最快移動速度，為5cm/s； ——————步進電動機步矩角，為1.8°； ——————脈沖當量，=0.25mm/脈沖。 將以上各式帶入式 ，算得。 設步進電動機由靜止到加速至轉速所需時間=0.5s，圓柱齒輪減速器效率=0.96；則由式（3-13） 得： 求得=0.053 部件移動時折算到電機軸上的摩擦轉矩為： ===8.06 （3-18） μ——導軌的摩擦因數(shù)，滑動導軌取0.16； ——垂直方向的力，空載時取0； η——總的傳動效率。 由于附加摩擦轉矩，因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式 （3-19） 可知，相對于和很小，可以忽略不計。 2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩、一部分是移動部件折算時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩、還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。由于附加摩擦轉矩，因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式 （3-19） 可知，相對于和很小，可以忽略不計。 此時最大轉矩主要取決摩擦轉矩,部件移動時折算到電機軸上的摩擦轉矩為： μ——導軌的摩擦因數(shù)，滑動導軌取0.16； ——垂直方向的力，空載時取0； η——總的傳動效率。 經(jīng)過上述計算，得到加載步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： （2）步進電動機最大靜轉矩的選定[12] 考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓減低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： 對于前面預選的行步進電動機130BYG2502，由表可知，其最大靜轉矩，可見完全滿足式的要求。 （3）步進電動機的性能校核 1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 前進方向最快工進速度，脈沖當量，由式 （3-16） 求出電動機對應的運行頻率。從130BYG2502的運行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于最大工作負載轉矩，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度，對應的電動機運行頻率。查表的130BYG2502的極限運行頻率為15000Hz，可見沒有超出范圍。 3）啟動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總慣量，電動機轉子自身的轉動慣量，查表4-3可知電動機轉軸不帶任何負載時的最高空載啟動頻率。則由式 （3-17） 可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率為：得750Hz。 上式說明，要想保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于750Hz。實際上，在采用軟件擺動時，啟動頻率選得很低，通常只有500Hz（即500脈沖/s）。 綜上所述，這里縱向進給系統(tǒng)選用130BYG2502步進電動機，可以滿足設計要求。 3.5 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 根據(jù)設計的分析和計算要求，水平方向（左右）的脈沖當量為=0.25mm/脈沖[13]。 （1） 工作載荷的計算 為工作最大載荷是指滾珠絲杠副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力。它包括滾珠絲杠副的進給力，移動部件的重力，以及作用在導軌上的切削分力所產生的摩擦分力。根據(jù)最大軸向力公式: （3-20） 因為滾珠絲杠副的進給力較小，忽略不計。 所以工作最大載荷 u =0.16;G為移動部件總重，移動部件質量G約為3970N。 所以 （2）最大動載荷的計算 設水平方向下最快的進給速度，初選絲杠基本導程 ,則此時絲杠轉速。 取滾珠絲杠的使用壽命T=8000h(一般機電設備取T=10000h；n為絲杠每分鐘轉速)，代入，得絲杠壽命系數(shù)（單位為r）。 查表3-30，取載荷系數(shù)，再取硬度系數(shù)， 代入公式： （3-21） 得最大動載荷 初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷，選用CM、CDM系列滾珠絲杠，其代號為：2005-2.5，其公稱直徑為,20mm，基本導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈X1列，精度等級取5級，額定動載荷為7988N，大于，滿足要求。 （3）傳動效率的計算 將公稱直徑，基本導程，代入 （3-22） 得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入，得傳動效率。（一般在0.8~0.9之間，摩擦角一般取10′） （4）剛度的驗算[14] 1）滾珠絲杠副的支撐采用“單推-單推”的方式，絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，左、右支承中心距離約a為5000mm；鋼的彈性模量=；查表滾珠絲杠數(shù)據(jù)，得滾珠直徑，算得絲杠底徑=公稱直徑-滾珠直徑=16.825mm，則絲杠截面積 得，所以算的絲杠在工作載荷作用下拉\壓變形量如下： 絲杠的拉伸或壓縮變形量 （3-23） ----為絲杠底徑確定的截面慣性矩 ----絲杠的最大工作載荷，單位N； a----絲杠兩端支撐間的距離，單位為mm； ----絲杠的彈性模量，鋼的=; -----絲杠按底徑確定的截面積，單位為； -----轉矩，單位。 （其中“+”號用于拉伸，“-”用于壓縮。由于轉矩M一般較小，式中第二項在計算是可酌情忽略）。所以， （3-24） 綜上求得絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量 。 2）根據(jù)公式 無預緊時 （3-25） 為有預緊時 （3-26） ——滾珠直徑，單位為mm; ——單圈滾珠數(shù)，（外圈環(huán)），-3（內圈環(huán)）； ——滾珠總數(shù)量， ； ——預緊力，單位為N. （當滾珠絲杠副有預緊力，且預緊力達到軸向工作載荷的1/3時，值減小一半左右。）單圈滾珠數(shù)目Z=17；總滾珠總數(shù)量。滾珠絲杠預緊時，取軸向預緊力。則。 因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的三分之一，所以實際變形量可減小一半，取。 3）將以上算出的、代入 得變形總量。 由表3-27形成偏差和變動量知，5級精度滾珠絲杠任意5000mm~6300mm軸向行程內行程的變動量允許100，而對于此滾珠絲杠，總的變形量只有3.46 ，可見絲杠剛度足夠。 （5）壓桿穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠屬于細長桿，如果軸向負載過大，則可能產生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷應滿足： （3-27） ——臨界載荷，單位為N ——絲杠支承系數(shù) ——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4，垂直安裝時取小值 ——滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm 。 查表3-34由于課題要求為單推—單推則絲杠支承系數(shù)=1有絲杠底徑，求得界面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3；滾動螺母至軸向固定處的距離5000mm取最大值 。代入上式，得臨界載荷≈528N，遠小于工作載荷Fm=800N，故絲杠會失穩(wěn)。所以另選擇CM、CDM系列滾珠絲杠，其代號為4005-2.5，=36.825mm，，所以計算得：，遠大于工作載荷，故絲杠會不失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠螺母副滿足使用要求。 3.6 軸承的選擇及校核 3.6.1肩部蝸輪軸軸承選擇及校核[15] 該軸承為深溝球軸承，型號為6209，基本額定動載荷=3.5kN,基本額定動載荷，徑向力,軸向力，載荷系數(shù)。 圖3-3 渦輪軸受力圖 （1）、軸承的徑向力 解得 取 （3-28） （3-29） 軸承1受載荷大，故按計算。 徑向當量動載荷 大于兩軸承的徑向當量靜載荷 （3-30） 算得工作時間遠大于機器額定壽命，故軸承滿足要求。 3.6.2豎軸軸承校核 該軸承為圓錐滾子球軸承，型號為30206，e=0.38，Y=1.6，基本額定動載荷,載荷系數(shù)。,, 。 （1）、軸承的徑向力 （3-31） 解得 （2）、計算派生軸向力 （3-32） 軸承1被壓緊，軸承2被放松。 （3-33） （3-34） 軸承1受載荷大，故按計算。 算得工作時間大于機器額定壽命，故軸承滿足要求。 3.7 齒輪的設計及校核 已知小齒輪傳遞的轉矩=21971.2，小齒輪的轉數(shù)，齒數(shù)比，由電機驅動，工作壽命10年（每天工作10小時，設每年工作300天）[20]。 1、 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1） 選直齒圓柱齒輪傳動。 2） 搬運機械手為一般工作機器，速度不高，故選擇7級精度。 3） 材料選擇。由機械設計表10-1選擇小齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，大齒輪的材料為45鋼，硬度為200HBS，二者材料硬度差為40HBS。 4） 選小齒輪齒數(shù)為=20，大齒輪齒數(shù)。 2、 按齒面接觸強度設計[15] 由計算公式進行計算 （3-35） （1）、計算公式內各計算數(shù)值 1） 、由機械設計表10-7選取齒寬系數(shù)。 2） 、由機械設計表10-6查得材料彈性影響系數(shù)。 3） 、由機械設計表10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限； 4） 、試選載荷系數(shù)。 5） 、由式 計算應力循環(huán)次數(shù) （3-36） 6） 、由機械設計表10-19取疲勞壽命系數(shù) 。 7） 、計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由公式 （3-37） =1600MPa=600MPa =1.12550MPa=616MPa （2）計算 1） 、試計算小齒輪分度園直徑，代入中較小的值。 （3-38） 2) 、計算圓周速度v。 （3-39） 3) 、計算齒寬 （3-40） 4） 、計算齒寬于齒高比。 （3-41） 5） 計算載荷系數(shù)。 根據(jù)速度V=0.143m/s，7級精度，由機械設計查表10-8得動載系數(shù)； 直齒輪，； 由機械設計查表10-2查得使用系數(shù)； 由機械設計查表10-4用插值法查得7級精度、小齒輪相對支撐裝置非對稱布置時，。 由，查圖表10-13得：故載荷系數(shù) （3-42） 6） 、按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由公式 （3-43） 7） 計算模數(shù)m。 （3-44） 3、 按齒根彎曲強度設計 （1）由彎曲強度的設計公式為 （3-45） 1）、由機械設計查圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞極限；大齒輪的彎曲疲勞極限； 2）、由機械設計查圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù) ； 3）、計算彎曲疲勞許用應力。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由公式 得 （3-46） 4） 計算載荷系數(shù)K。 5） 、查取齒形系數(shù) 由機械設計查圖10-5 6） 、查取應力校核系數(shù)。 由機械設計查圖10-5 7） 計算大小齒輪的并加以比較 （3-47） 大輪的數(shù)值大，所以代入大齒輪數(shù)值計算。 （2）、設計計算 （3-48） 對于此計算結果，由于齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m小于齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由齒輪模數(shù)m的大小取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載力，僅于齒輪直徑有關，而滿足齒面接觸疲勞強度時已經(jīng)滿足齒面彎曲強度，故取模數(shù)為4，按接觸疲勞強度算得分度園直徑為36.6mm,算出小齒輪齒數(shù)： 取 大齒輪齒數(shù) 這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到了結構緊湊。 4、 幾何尺寸計算 （1）、計算分度圓直徑 （2）、計算中心距 （3-49） （3）、計算齒輪齒寬 取,。 3.8 螺紋連接件的校核 3.8.1豎軸連接螺釘校核 此螺紋連接為 豎直旋轉的轉矩為 則由機械設計公式 （3-50） 可求得受力最大的螺栓的工作剪力為： （3-51） 求得 其中 螺栓的剪切強度條件為 （3-52） 故強度滿足要求[16]。 3.8.2水平導軌出的螺紋連接 此處螺紋連接為鉸制孔連接，主要受傾覆力矩。外加傾覆力矩為： ，由公式： （3-53） 因 （3-54） 則 （3-55） 于是螺栓所受的最大工作載荷為： （3-56） 其中：。 螺栓危險截面的拉伸強度條件根據(jù) （3-57） 故強度滿足要求。 4 機械手控制部分的設計、選型及程序內容 4.1 總述 由于搬運機械手要求運轉靈活，需要控制的輸入量比較多，并且有手動和自動兩個部分，在工廠工業(yè)生產現(xiàn)場的環(huán)境惡劣、干擾源眾多，如大功率用電設備的起動或停止引起的電網(wǎng)電壓的波動形成低頻干擾電焊機、電火花加工機床的電刷等通過電磁耦合產生的工頻干擾等，所以選擇PLC控制。選擇PLC控制可靠性高，抗干擾能力強，控制程序可變，具有很好的柔性，編程簡單使用方便。搬運機械手可以根據(jù)不同的工作環(huán)境，來編寫不同的程序，來達到靈活控制的要求，操作人員可以通過閱讀PLC的用戶手冊和短期培訓，很快就能學會用梯形圖編程控制程序[17]。 4.2 總體方案的設計 搬運機械手是順序控制，即控制機械手按一定順序動作，需要控制的器件多，而且要達到靈活控制，反映速度快。所以選擇PLC控制，其反應速度快，控制準確。PLC發(fā)出指令控制驅動器，驅動器控制水平電機，電機運轉經(jīng)傳動裝置帶機身水平移動，到達指定位置通過傳感器（限位開關或接近開關）檢測，將反饋信號傳遞給PLC,經(jīng)PLC內部程序運算，給出下一步指令，水平移動停止，進行手臂下降。手臂下降抓取物料，當手爪達到預定位置時，通過傳感器檢測，手臂停止運動，進行抓取動作。手開始抓取物料，當手夾緊后，手停止合攏，進行手臂向上擺動。手臂擺動到預定位置，手臂停止擺動，進行機身回轉運動。機身回轉到預定位置，機身停止轉動。水平電機驅動，機身水平移動，到達預設位置，