机械手设计说明书(共31页)

1、 姓 名： 周森升 学 校： 浙江师范大学 专 业： 机电一体化技术 学 号： 12531137 第一章 研究的目的及意义31.机械手在国内外现状和发展趋势32.课程设计的意义4第二章 总体方案的设计51机械手的组成52机械手的类型设计63设计成电力驱动机械手，直接用电动机进行驱动7第三章 机械手的设计与选择81.电机的选择82.丝杠的计算和选择93.联轴器的选用和计算104.轴承的选用和计算125.导轨的设计与选用146. 涡轮蜗杆的设计177. 机座结构的设计19第四章 控制系统设计211 总体方案的设计211.1 PLC控制系统的基本原则211.2总体方案选择与确定222 控制系统的设计

2、222.1功能分析222.2设备的选型221)PLC机型的选择222)步进驱动器的选型232.3.系统设计的步骤241. IO分配表242.PLC外部接线图253. 电器原理图262.4控制程序的设计271.状态转移图272.SFC梯形图28参考文献29第一章 研究的目的及意义1.机械手在国内外现状和发展趋势机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着 电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得能更好地实现与机械化

3、和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中 国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。 但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为 工人交工伤费带来的挑战。 机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它

4、可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成 部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当 工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程 应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要

5、的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国

6、工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。2.课程设计的意义在这次为期4周的课程设计中，我们小组的任务是机械手的设计。在小组中我参与了机械部分的设计与图样的绘

7、制，我主要负责了机械手底座的设计与绘制，虽然任务量不大可还是犯了不少的错误。在这次课程设计中我充分认识到机械设计的严谨性，不能随随便便去架构一个产品；同时还要考虑产品设计的合理性。在这过程中我们得到了老师悉心指导，然我们顺利的完成了这次任务，感谢老师和同学对我提出的宝贵意见，让我意识到在以后的工作和生活中需要保持严谨的态度去面对每一件事。 第二章 总体方案的设计1机械手的组成 一般来说，机械手主要有以下几部分组成： （1） 手部(或称抓取机构) 包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。 （2） 传送机构（或称臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。 （3） 驱动部分

8、 ，它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压气压电力和机四驱动形式。 （4） 控制部分 它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。 （5） 其它部分 如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。1) 机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为 1. 按使用范围分类： （1）专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单

9、的大批量生产的场合。 （2）通用机械手 指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。2） 按运动坐标型式分类： （1）直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)； （2） 圆柱坐标式机械手 手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为

10、绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动； （3）球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)； （4）多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。 a） 直角坐标型 b）圆柱坐标型 c）球坐标型 d）多关节型 e）平面关节型 3） 按驱动方式分类： （1）液压驱动机械手 以压力油进行驱动； （2）气压驱

11、动机械手 以压缩空气进行驱动； （3）电力驱动机械手 直接用电动机进行驱动； （4）机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。4）按机械手的臂力大小分类： （1）微型机械手 臂力小于1； （2）小型机械手 臂力为110； （3）中型机械手 臂力为1030； （4）大型机械手 臂力大于30。 2机械手的类型设计1）设计成是直角坐标式机械手，臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)。2）设计成通用机械手，指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不

12、从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。3设计成电力驱动机械手，直接用电动机进行驱动设计成小型机械手，臂力为10。机械手结构设计：1 手部：由手指、传力机构等构成。2 传送机构：主要有手臂构成。手臂由滚珠丝杠.滑块和两根导轨构成，用滚珠丝杠控制滑块在双导轨上进行运动。3 驱动部分：采用电力驱动方式，用步进电机来驱动。4 控制部分：采用PLC控制系统控制。5 其他部分：底座采用圆形设计第三章 机械手的设计与

13、选择1.电机的选择1)步进电机是该系统的执行机构，它的精度影响整个系统的控制精度。选用电机时应满足系统的功能要求。同时根据电机参数计算所选PLC的脉冲输出频率是否满足步进电机的要求。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：  （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）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: （2）式中 Vf

14、伺服机构的进给速度（mm/min）根据设计要求参数如下1、升降行程500mm2、手臂运动参数升降速度：<10mm/s2)电机的型号型号相数步距角扭矩(Nm)电流(A)电阻()电感(mH)绕组机身长(mm)止口(mm)孔距(mm)轴长(mm)轴径(mm)出轴出线重量(KG)57BYG250-5621.8°0.92.51.24.5并联563847.14306.35扁40.752.丝杠的计算和选择本机械手的手臂有往复的直线运动，需要很大的行程，考虑到结构的简单性和设计的经济性，选用滚珠丝杠机构。工作台重：W1=50N 工件重：W2=100N最大行程：Smax=570mm安装方式固定固

15、定寿命：Lh=15000h主机类别Lh（h）一般机床、组合机床10000数控机床、精密机床15000工程机械500010000自动控制系统15000测量系统15000驱动电机：Nmax=150r/min（1） 计算动载荷Ca根据工作状态，取f w=1.2计算公式Ca=（60×Nm ×Th）1/3Fm f w/ft×fh×fa×fk =113004(N)使用条件f w平稳无冲击1.01.2一般运动1.21.5伴随有冲击振动运动1.52.0（2）计算静载荷Coa （N）计算公式Coa=faFmax=2x150=300静态安全系数f a 使用条件f

16、d的下限值一般运动12伴随有冲击与振动运动23（3）计算临界转速Nc、r/minNcr=9910fc2d/ul=5285>Nmaxu取2/3 l=0.55 d=0.01 fc=4型号diDaDABLWXHQnCaCoaSFU1204-41242.524401040324.530M645931129SFU1604-41642.38128481040385.540M6?46291270SFU1605-453.17528481050385.540M6?47801790SFU1610-3103.17528481057385.540M6?37211249SFU2004-42042.38136581

17、042476.644M6?46991617SFU2005-453.17536581051476.644M6?411302380(4)确定名义直径根据表格选出直径和各参数（5）刚度的计算1/ke=1/Kb+1/kc+1/kh+1/ks1/26(6)丝杆的移动精度精度=步距角/360×导程=1.8/360度×4=0.02mm3.联轴器的选用和计算（1）选择类型 为了缓和冲击和减轻振动，选用GH1类型的联轴器（2）计算转矩T=9550×P/N=9550×0.9/150=573N.m由表14-2选出工作情况系数Ka=1.3 故计算转矩Tc=Ka×T=5

18、73×1.3=744.9N.m(3)确定型号联轴器的特点 重量轻,体积小; 高强度铝合金材料,阳极氧化处理; 具有抗油污耐腐蚀功能; 可吸收振动,补偿径向,角度偏差和零回转间隙; 适用于马达,编码器,丝杆传动,机床平台; 微电机等精密产业机械; 订货示例: GH1-C19- GH1表示系列号. C19表示外径为19mm.夹紧式固定方式 表示两边孔径 注:系列号后面不带C为顶紧固定方式GH2-28型号的联轴器4.轴承的选用和计算 轴承类型的正确选择是在了解各类轴承特点的基础上，综合考虑轴承的具体工作条件和使用要求进行的。选择时主要考虑如下因素。 1) 轴承所受的负荷轴承所受负荷的大小、

19、方向和性质是选择轴承类型的主要依据。 （1）负荷大小和性质 轻载和中等负荷时应选用球轴承；重载或有冲击负荷时，应选用滚子轴承。 （2）负荷方向 纯径向负荷时，可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。纯轴向负荷时，可选用推力轴承。即有径向负荷又有轴向负荷时，若轴向负荷不太大时，可选用深沟球轴承或接触角较小的角接触球轴承、圆锥滚子轴承；若轴向负荷较大时，可选用接触角较大的这两类轴承；若轴向负荷很大，而径向负荷较小时，可选用推力角接触轴承，也可以采用向心轴承和推力轴承一起的支承结构。 2) 轴承的转速（1）高速时应优先选用球轴承； （2）内径相同时，外径愈小，离心力也愈小。故在高速时，宜选用超轻、

20、特轻系列的轴承。 （3）推力轴承的极限转速都很低，高速运转时摩擦发热严重，若轴向载荷不十分大，可采用角接触球轴承或深沟球轴承来承受纯轴向力。 3) 调心要求 当由于制造和安装误差等因素致使轴的中心线与轴承中心线不重合时，当轴受力弯曲造成轴承内外圈轴线发生偏斜时，宜选用调心球轴承或调心滚子轴承。 4) 允许的空间 当径向空间受到限制时，可选用滚针轴承或特轻、超轻直径系列的轴承。轴向尺寸受限制时，可选用宽度尺寸较小的，如窄或特窄宽度系列的轴承。 5) 安装与拆卸 在轴承座不是剖分而必须沿轴向装拆轴承以及需要频繁装拆轴承的机械中，应优先选用内、外圈可分离的轴承（如3类，N类等）；当轴承在长轴上安装时

21、，为便于装拆可选用内圈为圆锥孔的轴承（后置代号第2项为K）。 6) 公差等级 动轴承公差等级分为6级：0级（普通级）、6级、6X级、5级、4级及2级。普通级最低，2级最高。普通级应用最广。对大多数机械而言， 选用0级公差的轴承足以满足要求，但对于旋转精度有严格要求的机床主轴、精密机械、仪表以及高速旋转的轴，应选用高精度的轴承。 7) 价格 轴承类型不同，其价格也不同，深沟球轴承价格最低，滚子轴承比球轴承价高，向心角接触轴承比径向接触轴承价高。公差等级愈高，价格也愈贵。在满足使用要求的前提下，应尽量选用价格低廉的轴承。 轴承类型国内新型号国内旧型号内径(mm)外径(mm)宽度(mm)Cr(kN)

22、Cor(kN)脂润滑转速(r/min)油润滑转速(r/min)重量(kg)5.302.4547000620005.002.3534000420005.002.3540000540004.652.2029000370005.802.9540000540005.402.752900037000根据以上表格选出7000C的型号1） 轴承的预期寿命计算 =2091<CrFp=1.2 ft=1 p=150N Lh=15000h n=150r/min温度系数ft工作温度，/<120125150175200225250300ft1.00.950.900.850.800.750.700.6冲击负荷

23、系数fp负荷性质fp举例无冲击或轻微冲击1.01.2电机、汽轮机、通风机、水泵中等冲击1.21.8车辆、机床、起重机、冶金设备、内燃机强大冲击1.83.0破碎机、轧钢机、石油钻机、振动筛5.导轨的设计与选用根据要求一个构件选择两根直线光轴做平行导轨，光轴尺寸，总长594mm，工作长度550mm，直径10mm。（1） 水平导轨1）长度变形=0.44mm材料名称E/GPav碳钢1962160.240.28合金钢1862060.250.30灰铸铁78.51570.230.27铜及铜合金72.61280.310.42铝合金700.332）最大扰度=0.22mm（2） 垂直导轨1） 端截面转角2） 端截

24、面转角6. 涡轮蜗杆的设计考虑自锁与传动精度，采取蜗轮蜗杆如下：进口 金属涡轮 蜗杆 齿轮 蜗轮蜗杆减速 减速比1:5 减速电机齿轮涡轮直径：D2=20mm   涡轮齿数:20齿齿厚：8mm  总体厚度：14.5mm     涡轮内孔;6mm蜗杆直径D1：15mm    蜗杆头数：Z1=6蜗杆轴直径：D1=12mm   蜗杆内孔为6.35mm 中心矩：a=18齿轮传动比（减速比）  1:5计算涡轮的转矩由下表取Z1124，60.660.870.7

25、70.870.870.94(2) 求载荷系数 KK A 查表。得知 K=KvKKA=1 Kv-动载荷系数 K-啮合质量系数 KA-工作载荷系数(3)计算涡轮轮齿的弯曲疲劳强度7. 机座结构的设计 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，是支撑起机械手全部重量的构件。对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。机座结构从形式上分为落地式和悬浮式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作时机座一定予以固定。可移动式的机座在停置时能够刹车定位，以保证机械手工作时的位置精度。根据本机械手的设计要求选用落地固定式机座。选ZG200400这

26、种型号的铸钢。Ø400mm为底座的直径，厚为50mm，宽为50mm。AA多个均匀分布的Ø15的孔是为了减轻重量，4xØ8mm是为了安装螺钉，4XØ10.3mm的孔是为了和其他零件配合，中间部分也是为了和丝杆,导轨配合使用的，其中未注倒角C2C5，采用铸造成型。第四章 控制系统设计1 总体方案的设计1.1 PLC控制系统的基本原则1） 分析控制系统要求首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制对象的工艺过程、工作特点，明确划分控制的各个阶段和各个转换条件，设计出完整的梯形图。3）计算所需要的IO点数PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO

27、点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的裕量。 通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10到15的裕量来确定。4）分配IO端子，列IO分配表确定每个外部输入设备，输出设备分别连接到哪个输出信号上，通过列IO分配表来表达情况。5）列IO分配表根据机械手动作流程分析及I/O点数确定，可以确定电气控制系统的I/O点分配。6）画IO连接图根据IO分配表画出外部连接图。7）PLC程序的编写根据控制要求编写PLC程序，即设计梯形图。1.2总体方案选择与确定首先是功能分析、设备的选型，分析控制系统要求，选择合适的PLC的型号，列I/O分配表，画外部接线图，

28、画外部原理图，状态转移图，设计梯形图。2 控制系统的设计2.1功能分析系统由上升、下降和左移和右移的执行分别用步进电机带动丝杆，螺母来做左右上下运动，要求按下启动按钮，左右移动100mm，上下移动20mm，所以一共有电机1正向启动、电机1反向启动、电机1停止、电机2正向启动、电机2反向启动、电机2停止、紧急停止7个输出点。2.2设备的选型 采用了典型计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入/输出接口电路等。把看作一个系统，该系统由输入变量-输出变量组成，外部各种开关信号、模拟信号、检测信号均作为输入变量，它们经外部端子输入到内部寄存器中，经内部逻辑运算或其它各种运算、处理后送到输出端子，它们是输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制。1) PLC机型的选择 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：1 确定合理的结构型式2 确定合理的安装方式3 满足相应的功能要求4 满足响应速度要求5 满足系统可靠性要求6 机型尽量统一选择FX2N-16MT2) 步进驱动器的选型T系列2H7055T2相2.0-5.520-7057、60、85、86系列2H8006T2相2.5-6.020-6060、85、86、110