毕业设计（论文）-物料机械手设计.doc

北北京京化化工工大大学学 课课程程设设计计（说说明明书书） 中文题目中文题目 机机 械械 手手 外文题目外文题目 machinesmachines fingerfinger 教教 学学 院院 成人教育学院成人教育学院 专业班级专业班级 121121 吉电专吉电专 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 指导教师指导教师 2014年年 5 5 月月 1717 日日 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 i 摘 要 在国家标准中，工业机器人被定义为 :“一种能自动定位控制、可重复编程的、多 功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。 ” 机器人赖以完成各种作业的机械实体 (称作操作机或操作器或机械手 )被定义为:“具有 和人手臂相似的动作功能，可以在空间抓放物体或者进行其他操作的机械装置。 ”可见， 工业机器人是一个机电系统，机械手是它的执行机构。 介绍了机械手的工作原理，结构设计过程，以及机械手在国内的发展状况和趋势。 重点阐述了机械手的微机自动控制系统。 关关键键词词：机器人； 控制系统； 手指 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 ii abstract in the national standards, the industry robot by the definition is: “one kind can the automatic positioning control, be possible to duplicate programs, multi-purpose, the multi- degree-of-freedom operation machine. it can transport the material, the components or manages the tool, with completes each kind of work.” the robot depends take completes each kind of work the mechanical entity (to be called as operation machine or operation or manipulator) by the definition as: “has with the person arm similar holding function, may grasp in the space puts the object or carries on other operations the mechanism.” obviously, the industry robot is a mechanical and electrical system, the manipulator is its implementing agency. machines finger, introduced the working principle, structure design process, as well as the machines finger in the development of national status and trends. chamber focuses on the automatic control system of the computer key words: robot； testing equipment；finger 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 iii 摘 要 i abstractii 第 1 章 绪 论1 1.1 引言1 1.2 国内外发展与现状1 第 2 章 机械手总体机构的设计5 2.1 总体设计概况和思路：.5 2.1.总体结构设计5 2.2、机械结构设计6 2.2.1 机械手的设计6 2.2.2 夹紧与推进气缸连接板7 2.2.3 机器人总体模型的建立7 第 3 章 部件的选择与计算9 3.1 驱动方式的选择：9 3.2 手指夹紧驱动气缸的选择与计算：.10 3.2.1 手指夹紧驱动气缸的选择：10 3.2.2 夹紧汽缸规格的选择：11 3.3 推进气缸的选择：11 3.3.1 机械手驱动气缸的选择：11 3.3.2 机械手推进驱动气缸规格的选择：12 3.4 旋转气缸的选择：14 3.5 丝杠选择:15 3.5.1 丝杠形式的选择15 3.5.2 滚珠丝杠副的确认16 3.6 光杠的选择与固定17 3.7 电机选择：18 3.8 联轴器的选择：19 第 4 章 控制部分21 4.1 plc 控制步进电机：.21 4.1.1 plc 控制总体结构：21 4.1.2 行程控制 .21 4.1.3 进给速度控制 .21 4.1.4 进给方向控制 .22 4.1.5 plc 的软件控制逻辑22 4.1.6 步进电机控制系统的组成22 4.1.7 可编程控制器的接口 .23 4.2 plc 控制气动机械手：.24 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 iv 4.2.1 功能设计： .24 4.2.2 动作流程设计： .24 4.2.3 电器元件的选择： .25 结 论 27 参考文献：28 致 谢1 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 1 第一章 绪 论 1.1 引言 机器人技术作为 20世纪人类最伟大的发明之一，1954年，美国人 (george c. devol)提出了一个关于工业机器人的技术方案，随后注册成为 专利。 1960年推出了工业机器人的实验样机。1961年推出了定名为 “unimate”的第一台工业机器人，用于模铸生产。自60年代初问世以来， 经历 40多年的发展已取得长足的进步。手是人脑所能高度精确控制的一个器 官。机器人操作手，特别是串联机器人操作手，就是对人手臂形状和功能的仿 制。自上世纪 60年代初问世以来，机器人操作手不仅已成为制造工业中必不 可少的核心装备，而且机器人操作手正以惊人的速度向航空航天、军事、服务、 娱乐等人类生活的各个领域渗透。 1.2 国内外发展与现状 自从为了抓取放射性材料而设计制造的第一台遥控机械手的诞生至今己 经五十余年，而第一台工业机器人问世也已经整整四十五年了。在机器人发展 的历史上，存在着两条不同的技术路线:一条是日本和瑞典所走的“需求 牵引，技术驱动 ” ，把美国开拓的机器人，结合工业发展的需求，开发出一系 列特定应用的机器人，如:弧焊、点焊、喷漆装配、刷胶、建筑等等，从而 形成了庞大的机器人产业，目前全世界装机容量已达百万台，近几年来仍旧以 每年 20%的速率在增长 ;另一条路线是把机器人作为研究人工智能的载体，看 成计算机科学的一部分。即:单纯从技术上仿人的某些功能出发，研究智能 机器人。如 :美国、英国的相当一部分大学和研究所所做的，由于人工智能和 其他智能技术的发展远落后于人们对他的冀望，致使绝大部分研究成果始终走 不出实验室。 移动机器人是机器人学中的重要组成部分。早在60年代，就己经开始 有关于移动机器人的研究。移动机器人是集环境感知、动态决策与规划、行为 控制与执行等多种功能于一体的综合系统。由于对移动机器人的研究，提出了 许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技 术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、核、化污染等危险与恶劣坏 境以及民用中的物料搬运等方面具有广阔的应用前景，使得对它的研究受到世 界各国的普遍关注。 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 2 国外在移动机器人方面的研究起步较早，初期的研究，主要从学术角度 研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。进入90 年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领 域，向实用化进军。如由美国nasa资助研制的 “丹蒂 ii”八足行走机器人， 美国 nasa研制的火星探测机器人“索杰那 ”于1997年登上火星等。另外， 国外还在高完整性机器人，遥控移动机器人，环境与移动机器人系统的集成， 生态机器人学，多机器人系统等方面作了大量的研究。 国内在移动机器人方面的研究起步较晚，但己经在某些方面取得了丰硕 的成果。“九五 ”期间，由浙江大学、南京理工大学、国防科大、清华大学、 北京理工大学联合研制了alvlabii型陆地移动机器人，并成功完成了全部实 验测试，正常行驶速度为30. 6km/h，同时支持临场感遥控驾驶及战场侦察 等功能。清华 v型智能车 thmr-v是清华大学智能技术与系统国家重点实验室 在中科院院士张拔教授主持下研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公 路和一般道路的功能，于1994年通过鉴定。车体采用道奇7座厢式车改装， 装备有彩色摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统;由差分 gps,磁罗盘和光电码盘组成的组合定位导航系统等。两套计算机系统分别进 行视觉处理，完成信息融合、路径规划、行为与决策控制等功能。4台 ipc工控机分别完成激光测距信息处理、定位信息处理、通讯管理、驾驶控制 等功能。设计行驶于高速公路车速为80km/h，一般道路为 20km/h。目前己 能够在校园的非结构化环境下，进行道路跟踪和避障碍自主行驶。清华大学智 能车涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术，基于传感 器信息的局部路径规划技术，路径规划的仿真技术，传感技术、信息融合技术 和智能移动机器人的设计和实现。dy- i型导游服务机器人是海尔一哈尔滨 工业大学机器人技术公司推出的新一代智能导游机器人。该机器人由伺服驱动 系统、多传感器信息避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成。导 游机器人由蓄电池供电，可连续运行4h，在一定环境下可自主行走，并可 进行壁障，并通过语言系统可以进行人机交互。此外还有香港城市大学智能设 计自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中科院沈阳自动化所研 发了具有自主产权的激光导引agv和用于公安防暴的移动机器人、中国科学 院自动化所自行设计制造的全方位移动机器人导航系统等。 综合国内外对于移动机器人的研究情况，当代移动机械手的研究主要集 中于以下几个方面 1。 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 3 (1)机器人结构机器人机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进行 的。在机器人机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员 开展了丰富而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机 器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运 动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展。 (2)运动控制技术 稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础，由于移动机器人本 身是一个非完整约束系统，是一个欠驱动的零漂移的动力学系统，因此，该系 统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此，通过时变、不连续 控制以及混合策略，根据动力学模型和运动学模型，建立合理的反馈控制律， 实现车速和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术 的核心内容。 (3)路径规划技术 该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局 部路径规划技术。由于自主式移动机器人在地面上行驶，必须避开它无法通过 的或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域，因此局部路径规划，尤其是复杂 环境下的路径规划问题，显得更为重要。 (4)实时视觉技术 该技术主要涉及到视觉信息的实时采集、预处理、特征提取和模式识别。 而且，视觉信息处理的能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定智能机 器人整休性能的决定性因素。 (5)定位和导航技术 该技术是现代轮式移动机器人研制所急需的关键技术，也是下一代无人 战车的技术基础。位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量，测量方 法有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗盘、全球定位系统、地图模型匹配和 自然路标导航等。 (6)多传感集成和数据融合技术 自主式移动机器人采用测距技术，gps定位技术和小型陀螺仪技术等多 种传感技术来采集不同类型的环境信息。因此，准确地处理和分析不同传感器 采集到的信息，用于对所处环境作出准确可靠的描述并据此作出正确的决策和 控制，是多传感集成和数据融合研究的任务。 (7)高性能计算技术 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 4 在移动机器人的早期研究工作中，专用硬件结构为多数研究者所采用， 这是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需的计算能力。 近年来，随着计算机计算能力的迅猛提高，研究者们开始采用通用处理器来构 建机器人系统。目前用于移动机器人的硬件结构多数采用一个高速通用处理器 加上几个专用板卡或芯片(用于颜色查表、模板匹配或数学形态学计算)， 或者通过实验确定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系统来缩小体积，达到优 化的性能。 (8)无线通信与因特网技术 这两项技术可以实现多机器人之间的通信和信息共享，以及机器人与外 部的联系。 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 5 第 2 章 机械手总体机构的设计 本文要对物料机械手的设计，已知条件：气缸工作时所受力总和为 f(实际 )=20n，上下活动范围为 350mm,前后活动范围 150mm,旋转气缸最大 工作摆角为 120物体重 2n.根据已知条件可知机械手的强度要求不高，考到 耐用度要久所以非标准件材料选用铝合金，标准件后面第三章会具体介绍。 2.1 总体设计概况和思路： 2.1.总体结构设计 整个机械手总体设计如图2-1所示： 图 2-1 机器人的组成 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 6 2.2、机械结构设计 2.2.1 机械手的设计 工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧 （吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有 模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺 寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的， 大致可分为以下几类 2： （1）夹钳式取料手 （2）吸附式取料手 （3）专用操作器及转换器 （4）仿生多指灵巧手 由于要求简单快捷，我们所选择（1）夹钳式取料手。根据尺寸要求我 们初步设定手形状如图2-2所示： 如图 2-2 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 7 图 2-2 机械手 2.2.2夹紧与推进气缸连接板： 连接板使用与连接机器人各部零件的辅助零件，本设计共三处采用连接 板连接即：机械手与推进汽缸连接、推进汽缸与旋转气缸的连接、旋转气缸与 主体的链接分别如 图2-3 由结构推算可知板长 l=ss+s=150mm ，高 h=100mm ，厚 t=10mm。 （自制件） 图 2-3 机器人连接板 推进气缸的选择：推进气缸的选择：根据资料，选取ga（c）p 系列平行双杆气缸，此系列气 缸为平行双活塞杆作用气缸，分为滚动直线轴承导向式和滑动轴承导向式。 该系列气缸通过端板将并列的两个活塞连接起来，在传送工件时，可抗扭转， 导向精度高。两活塞杆可均匀承载，相同缸径下，输出力增加一倍，行程可调，可 多方向的组合安装，安装维修方便。 根据实际工作情况，推进气缸工作行程约为 200mm，因此选择双作用侧进气滑 动轴承导向式ga（c）ph 气缸，内径为 10mm。 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 8 图 2-4 2.2.3 机器人总体模型的建立 机器人的主要运动包括四个部分， （1）机械手的夹持运动， （2）手 臂的伸缩运动，（3）手臂的旋转运动， （4）手臂的上下运动，因此整个机 器人需要四个驱动原件具体选择见第三章。综合形状，尺寸，性能，运动部件 及设计理念建立机器人整体模型如图2-5所示： 图 2-5 机器人的整体模型 工作原理：小型机器人属于摇摆式 和小型横走式 。丝杠带动机械手臂 上下 运动 引拔行程 。前后行程和机械手夹紧放松，旋出入角度由旋出入角 度架调节 均由驱动元件驱动（具体驱动元件的选择见第三章） 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 9 第 3 章 部件的选择与计算 本章我们介绍运动系统驱动元件，支撑元件，衔接元件的原则与参数的 计算。 3.1 驱动方式的选择： 常见的驱动方式有三种，液压驱动 、气动驱动 ，电机驱动。这三种方 法各有所长，各种驱动方式的特点见表3.13： 表 3.1 三种驱动方式的特点对照 驱动方式内容 液压驱动气动驱动电机驱动 输出功率 很大，压力范围为 50140pa 大，压力范围为 4860pa， 较大 控制性能 利用液体的不可压缩 性，控制精度较高， 输出功率大，可无级 调速，反应灵敏，可 实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度 低，阻尼效果差，低 速不易控制，难以实 现高速、高精度的连 续轨迹控制 控制精度高，功率较大， 能精确定位，反应灵敏， 可实现高速、高精度的 连续轨迹控制，伺服特 性好，控制系统复杂 响应速度 很高较高 很高 结构性能及体 积 结构适当，执行机构 可标准化、模拟化， 易实现直接驱动。功 率/质量比大，体积 小，结构紧凑，密封 问题较大 结构适当，执行机构 可标准化、模拟化， 易实现直接驱动。功 率/质量比大，体积小， 结构紧凑，密封问题 较小 伺服电动机易于标准化， 结构性能好，噪声低， 电动机一般需配置减速 装置，除 dd 电动机外， 难以直接驱动，结构紧 凑，无密封问题 安全性 防爆性能较好，用液 压油作传动介质，在 一定条件下有火灾危 险 防爆性能好，高于 1000kpa(10 个大气压) 时应注意设备的抗压 性 设备自身无爆炸和火灾 危险，直流有刷电动机 换向时有火花，对环境 的防爆性能较差 对环境的影响液压系统易漏油，对排气时有噪声无 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 10 环境有污染 在工业机器人 中应用范围 适用于重载、低速驱 动，电液伺服系统适 用于喷涂机器人、点 焊机器人和托运机器 人 适用于中小负载驱动、 精度要求较低的有限 点位程序控制机器人， 如冲压机器人本体的 气动平衡及装配机器 人气动夹具 适用于中小负载、要求 具有较高的位置控制精 度和轨迹控制精度、速 度较高的机器人，如 ac 伺服喷涂机器人、点焊 机器人、弧焊机器人、 装配机器人等 成本液压元件成本较高成本低成本高 维修及使用方便，但油液对环 境温度有一定要求 方便较复杂 机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有： 1） 驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要 高； 2） 反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进 行频繁地起、制动，正、反转切换； 3） 驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4） 安全可靠； 5） 操作和维护方便； 6） 对环境无污染，噪声要小； 7） 经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。 因此丝杠驱动选用步进电动机驱动，其他均用气缸驱动。 3.2 手指夹紧驱动气缸的选择与计算： 3.2.1 手指夹紧驱动气缸的选择： 由于本设计将会大批生产投入使用，我们采用济南华能公司汽缸产品。 详细产品规格与性能介绍均见济南华能此产品设计书。 本物料机械手用于坚持物体因此具有夹持功能因此汽缸初步选用摆动气 缸，又因工作要求和环境条件以及使用情况正确选择气缸，因此选择 qgabs轻型气缸。 qgabsqgd系列摆动气缸分为但作用和双作用两种。该气 缸径向尺寸小，结构简单。主要适用于短行程夹具的夹紧工作。根据需要我们 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 11 选择双作用类型的 qgabs薄轻型气 缸。 3.2.2 夹紧汽缸规格的选择： qgabs系列夹紧气缸产品规格见表3.24： 表 3.2 技术参数表 机械手工作时所夹持的物体重为 f=20n，我们初设汽缸的缸径为 16mm,气缸的 使用压力范围：0.15-0.8mpa，汽缸技术参数见表 3.3： 表 3.3 夹紧气缸参数 因为使用使用压力已知，则我们选用 qgabs50-90. 3.3 推进气缸的选择： 3.3.1 机械手驱动气缸的选择： 根据要求，选取亚德客系列双杆气缸ga（c）p 系列。 ga（c）p 系列平行双杆气缸参数如表 3.4 所示： 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 12 表 3.4 3.3.2 机械手推进驱动气缸规格的选择： 由于设计要求前后行程为 150mm，上表显示 tn 系列平行双杆气缸最大行程为 150mm，因此我们需要计算最大行程为 150mm 的气缸缸径如何选择，其参数如表 3.5 所示 表 3.5 平行双杆气缸计算参数 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 13 由于第一章所设计可知整个材料均为铝合金材料，机械手和连接板总质量大约 为 1.5k，摆动汽缸为 0.4kg，物料为 2kg，因此手臂前部总质量最多为 4kg。所以在 运动过程中需要最大拉力，推力为 40n，由图 3-5 可选用缸径为 16mm 汽缸。根据 产品型号选择说明我们选用 tn16-150 所选汽缸外形及安装尺寸如图 3-3 所示： 图 3-1 汽缸外形尺寸 3.4 旋转气缸的选择： 旋转气缸在机器人中有着旋转的作用，因其在实际工作中要求最大摆角为 120和工作环境的要求依然选用摆动汽缸即可。 qgabs 系列摆动气缸是通过齿轮齿条将直线运动变成旋转运动的气动执行元 件，具有结构紧凑、轻巧、安装空间小、动作灵活、传动精度高、输出扭矩范围大 等特点。广泛应用于有摆动动作的场合，如输送带传送，平面内的旋转，阀门开闭 等。 由于夹紧汽缸和推进汽缸已确定所以整个旋转所需动力已知在这里不再细算， 参照表 3-2 与图 3-1 可选旋转汽缸为 qgabs50-90。 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 14 3.5 丝杠选择: 3.5.1 丝杠形式的选择 丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产 品。主要有两种（1）滚珠丝杠、 （2）滑动丝杠 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动， 这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变 成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精 密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运 动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和 高效率的特点。 1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较 高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下,即达到同样运动结 果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。 2)高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别 是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于 完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3)微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的 爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4)无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚 性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使 丝母部的刚性增强)。 5)高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运 动)。 由闻邦椿， 机械设计手册第五版，第二卷得到计算过程5： (3-3) max max n v ph = 式中: 导程 mm h p 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 15 min/8 max m v ：工作台最高移动速度 m/min vmax min/1500 max r n = ：电机最高转速 r/min nmax 代入得： mmph5 因此选择丝杠公称直径为 20mm ，公称导程为 5mm。 3.5.2 滚珠丝杠副的确认 相对于滑动丝杠副滚珠丝杠副有以下优点： （1）传动效率高 滚珠丝杠传动系统的传动效率高达 90%98%，为传统的滑 动丝杠系统的 24 倍，能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转 运动（运动可逆） 。 （2）运动平稳 滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵 敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 （3）高精度 滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对 丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 （4）高耐用性 钢球滚动接触处均经硬化（hrc5863）处理，并经精密磨削， 循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 （5）同步性好 由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚 珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 （6）高可靠性 与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很 低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态 下工作。 （7）无背隙与高刚性 滚珠丝杠传动系统采用歌德式（gothic arch）沟槽形状 （见图 3-4） 、使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消 除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 16 更的精度。 图 3-2 滚珠丝杠传动系统 丝杠选用压扎滚珠丝杠具体参数如表 3-6： 表 3-6 类型大径中径小径牙型高牙高 内螺纹15mm13mm12mm1mm- 外螺纹16mm15mm13.5mm-1.25mm 丝母选用可自动消除轴向间隙的螺母 丝母工作原理: 靠弹簧的张力自动将两个螺母反向撑开, 以消除轴向间隙，性能稳定。靠人工 定期调整双螺母，将螺旋的两个螺母定期沿轴向压紧，消除轴向间隙，调整后前后 间隙不同。 由于丝杠部分主要受轴向力，所以选用背靠背角接触轴承。它可以同时承受较 大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩。转盘轴承一般都带有安装孔、内齿轮或外齿 轮、润滑油孔和密封装置，因而能使主机设计结构紧凑，引导旋转方便，安装简便 和维护容易。 综上公称导程为 6mm，公称直径 16mm ，牙顶牙底间隙 0.25mm ，旋合长 350mm。 3.6 光杠的选择与固定 光杠不仅作为运行的导轨，还有承受一定的弯矩，因此在理想状态下气受力若 满足要求，那么就可以应用公式6。 （3-4）20(95 150 175)8.4mfln ma 因此选择光杠直径为 16mm。为保证导向精度可选导向轴作为光杠，故选两端 外螺纹同经型 d=mm，粗糙度为 006 . 0 017 . 0 16 0.8。 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 17 光杠固定块是连接光杠和支架平台的连接装置，可根据实际结构（见第二章机 械结构的设计）需要来确定，因此可确：l=43mmm ，w=48mm，h=85mm，可根 据实际需要在进行调节。 3.7 电机选择： 电动机是常用的原动机，具有结构简单、工作可靠、控制简便和维护容易等优 点。电动机的类型根据动力源和工作条件, 根据工作需要选择步进电机。由于机械 手整个工作过程简单所需功率较小我们选用 h 型步进电动机，h 型步进电动机技术 参数见图 3-47： 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 18 图 3-4 h 型步进电动机技术参数 有图技术参数我们可确定所选电动机型号为：103h 7823-0740。其具体参数见 表 3.7： 表 3.7 103h 7823-0740 具体参数 步距角电压相电流相电阻相电感保持力矩转子惯量重量接线方 式 1.803.6v3a/phas e 1.2/ph ase 2.4mh/p hase 2.1n.m0.8410- 4kg.m2 1.34k g 1 3.8 联轴器的选择： 联轴器是机械传动常用的部件，它主要用来是联接轴与轴（有时也联接其它回 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 19 转零件） 。以传递运动与转矩。用联轴器连接的两根轴只有在机器停车后用拆卸的方 法才能把两轴分离。根据实际连接状况我们选用天津艾斯普斯精密机械有限公司生 产的米思米规格尺寸的十字形螺塞固定型联轴器系列如图 3-58： 图 3-5十字形螺塞固定型联轴器 米思米规格尺寸的十字形螺塞固定型联轴器三种型号具体规格与参数分别见表 3.8 与 3.9： 表 3.8 联轴器规格 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 20 表 3.9 联轴器参数 上面我们选用了丝杠公称直径 20mm 和电动机的选择。所以我们初选为 cpo 形 式联轴器根据力学性能综合考虑我们选用 cpo20 满足要求。 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 21 第 4 章 控制部分 4.1 plc 控制步进电机： 4.1.1 plc 控制总体结构： 一般采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用 plc 控制由可编程控制器、环行 脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和联轴器等部分组成，见图 4-1。 图 4-1 控制系统组成 丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定选用滚珠丝杠副。采用滚 珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成 本较高且不能自锁。 4.1.2 行程控制 行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进 电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此 可以根据伺服机构的位移量确定 plc 输出的脉冲个数： n= dl/d9 （4-1） 式中： dl伺服机构的位移量（mm） d 伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲） 4.1.3 进给速度控制 伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的 脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其 plc 输出的脉冲频率: f=vf/60d(hz) （4-2） 式中： vf伺服机构的进给速度(mm/min) 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 22 4.1.4 进给方向控制 进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机 各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为 a-ab-b-bc-c-ca-a 时步进电机正转;当绕组按 a-ac-c-cb-b-ba-a顺序通电时步进电机反转。因此可 以通过 plc 输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程 改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。 4.1.5 plc 的软件控制逻辑 步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置 一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以 利用 plc 中的定时器构成，如图 4-2 所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控 制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器 c10。当脉冲数达到设定值时， 计数器 c10 动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲 输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时， 可以用 plc 中的高速脉冲发生器。不同的 plc 其高速脉冲的频率可达 图 4-2 plc 中的定时器构成 40006000hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。 4.1.6 步进电机控制系统的组成 步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器 组成，其结构见图 4-1。 控制系统中 plc 用来产生控制脉冲；通过 plc 编程输出一定数量的方波脉冲， 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 23 控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率 既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电 机的通电顺序分配到相应的绕组。plc 控制的步进电机可以采用软件环行分配器， 也可以采用如图 4-1 所示的硬件环行分配器。采用软环占用的 plc 资源较多，特别 是步进电机绕组相数 m4 时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分 配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用 plc 的 i/o 口点数，目前市场有 多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将 plc 输出的控制脉冲放大到几十 上百伏特、几安十几安的驱动能力。一般 plc 的输出接口具有一定的驱动能力， 而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几几十伏特、几十几百毫安。但 对于功率步进电机则要求几十上百伏特、几安十几安的驱动能力，因此应该采用 驱动器对输出脉冲进行放大。 4.1.7 可编程控制器的接口 如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用 plc 的 i/o 口点数少于 5 点，一般仅 为 3 点。其中 i 口占用一点，作为启动控制信号；o 口占用 2 点，一点作为 plc 的 脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控 制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图 4-3 所示；伺服系统采用软件环行分配 器时，其接口如图 4-4。 图 4-3 硬环的相序分配控制端 图 4-4 软件环行分配器接口 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 24 4.2 plc 控制气动机械手： 4.2.1 功能设计： 机械手的任务是将平面 a 上的物品搬运到平台 b。为使机械手动作准确，在机 械手的极限位置安装了限位开关 sq1、sq2、sq3、sq4、sq5，对机械手分别进行 下降，抓紧，上升，右转，再下降，松料，再上升 ，左转动作的限位，并发出动作 到位的输入信号。机械手的起、停由 sb1（启动） 、sb2（停止）按钮控制。 机械手的上、下、左、右、夹料、松料等动作由气动元件（气缸）执行，由六 个相应的电磁阀驱动，统一由 plc 控制。 机械手实现的动作:下降 夹料 上升 右转 再下降 松料 再上升 左转。在这个装置中 ,我们只实现一个工件的循环动作 ,故在机械手回原点后 ,需 将工件推回原来位置。 4.2.2 动作流程设计： 机械手顺序动作的要求是： （1）按下启动按钮 sb1 时，机械手系统工作。首先下降电磁阀通电，手臂下 降，至下降限位开关动作； （2）由光电开关检测传送带上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通 电，机械手抓紧，直至抓紧限位开关动作； （3）上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作； （4）右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作； （5）下降电磁阀再次通电，手臂下降，直至下降限位开关动作； （6）松料电磁阀通电，机械手打开，直至松料限位开关动作； （7）手臂再次上升，至上升限位开关再次动作； （8）左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作；即机械手复位到原位， 开始下一个周期。图 4-5 为顺序功能图： 北京化工大学成人教育毕业设计说明书 25 图 4-5 顺序功能图 4.2.3 电器元件的选择： （1）行程开关 图 4-610 产品名称：行程开关 产品型号：xz-8/107 产品大类：行程开关系列