中成药瓶盖旋紧机械手设计

图2-1机械手组成框图2.1.1执行机构执行机构是由抓取部分包括手部、臂部、还有行走部件组成。⑴手部即是直接跟工件接触的部分，一般是回旋型或平移型（多为回旋型的，因其结构简单）。手爪多为两指（也有多指的）；根据需要分为外抓式或内抓式两种；也可负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。传动机构型式较多，常见的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜契杠杆式、丝杠螺母式等。⑵腕部腕部是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。他可以上下摆动、左右摆动、和绕自身轴线的回旋三个运动。如有特殊的要求手腕还可以有一个小距离的横移。也有的机械手没有腕部的自由度。⑶臂部手臂有无关节臂和有关节臂之分。目前采用的手臂几乎都是无关节臂。多关节臂还处在研究阶段。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总括机械手的运动，离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、交流伺服马达、直流伺服马达和步进马达等。手臂有三个自由度，可以采用直角坐标，圆柱坐标，球坐标和多关节四种方式。直角坐标占空间大，工作范围小，惯性大，所以一般不多用，只有在自由度较少的时候用之。圆柱坐标占用空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取地面的物体。球坐标和多关节占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小。能抓取底面的物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节机构较复杂，所以不多用。在本设计中选用了圆柱坐标式。⑷行走机构有的机械手带有行走机构。2.1.2驱动机构有气动、液动、电动、机械的四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但是臂力一般在300N以下。液动式力气大，臂力可以达1000N以上，且可以用电液伺服机构，可以实现连续控制，使机械手的用途和通用性更广，定位精度在1mm范围内。目前常用的式气动和液动驱动的方式。电动式用于小型的，机械式一般用于动作简单的场合。2.1.3控制系统机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90%以上。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存贮，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。程序的存贮方式分为分离存贮和集中存贮两种。分离存贮是将各种控制因素的信息分别存贮于两种以上的存贮装置中，如顺序信息存贮于插销.饭、凸轮转鼓、穿孔带内，位置信息存贮于时间继电器、定速回转鼓等。集中存贮是将各种控制因素的信息全部存贮于一种存贮装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式适用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。对动作复杂的机械手(机械人)，采用示教再现型控制系统。更复杂的机械手（机械人）则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。控制系统以插销板用得最多，其次是凸轮转鼓。它装有许多凸轮，每一凸轮分配给一个运动轴，转鼓转动一周便完成一个工作循环。插销板适用于裕要迅速改变程序的场合。换一种程序只需抽换一种插销板就可，而同一插件又可以反复使用。穿孔带容纳的程序长度可不受限制，但如果发生错误时就要全部更换。穿孔卡的信息容量有限，但便于更换、保存、可重复使用。磁芯和磁鼓仅适用子存贮容量较大的场合。范于选择那一种控制元件，则根据动作的复杂程度和精确程度来确定。2.1.4基体基体是整个机械手的基础。2.2方案的比较选择2.2.1手部的选定归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理。大致可以分为夹持和吸附两大类。夹持类主要用于所夹持的物体表面不是很光滑，特别是有螺纹的物体，而吸附式主要用于表面特别光滑的物体利用真空吸附或者用能被磁铁吸附的物体。本设计要求的是瓶盖的旋紧，通过比较可以选定用夹持式的手部。而夹持类主要是夹钳式、钩托式和弹簧式。按其的运动方式又可以分为手指回旋型和手指平移型两种。根据要求可以知道选择的是回旋型手指。夹钳式的手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，他对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴类、盘类、套类零件。一般情况下，多采用两个手指，少数采用三个指或者多个指。驱动装置根据驱动源可以分为液压的、气压图2-2为连杆杠杆式手部图2-3为滑槽杠杆式手部的和电动的等几类形式。常用的传动机构往往通过滑槽、斜槽、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或松开的。根据需要，因为本设计要求是能夹紧瓶盖并且能够旋紧瓶盖。而根据他们的特点液压和气压的很难能转过360度角，而本设计要求旋紧一般都要求大于360度，虽然齿轮齿条、连杆机构能够转过360度，但是这两种结构对于这种只要求简单动作的机械手来说，又太复杂了，又大材小用的感觉，而恰好用电动能够实现任意的角度的旋转，所以选择电动作为手部的手腕旋转驱动源，而又由于液压的准确性和稳定性所以又选定又选定用液压驱动来作为手部的夹紧和放松驱动源。典型的回转型手部有滑槽杠杆式和连杆杠杆式两类如上图所示：因为我选择的驱动方式式用液压来驱动机械手的放松和夹紧，又为了不占用太大的空间，而两个比较，连杆杠杆式结构式个常开的手部，而且是驱动力是向下的时候是夹紧，而滑槽杠杆式手部结构是驱动力向上的时候是夹紧，在结构上后者会占用更大的空间所以选择了前者作为机械手的手部结构。2.2.2腕部的选定手腕部件具有独立的自由度。如图2-4所示：图2-4为腕部的自由度手部的运动有：绕X轴转动为回转运动；绕Y轴运动为上下摆动；绕Z轴转动称为左右摆动；有的甚至是沿Y轴或Z轴的横向的移动。一般手部设有回转的或加上一个摆动的即可以满足工作要求，一些动作较简单的专用机械手，为简化结构，可以不设腕部，而直接由臂部的运动来驱使手部搬运工件。目前，应用最广泛的手腕运动机构是回转液压缸，或者气压缸，他的结构紧凑，灵巧但是回转角度较小，一般小于270度，并且要求严格的密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在本设计中我选定用电动机来驱动手腕的转动，可以实现任意的角度。因为为了简化结构（在保证能完成所要的动作的基础上），所以选定手腕只要一个自由度就可以了，就是只要他能够绕Y轴转动就可以了。2.2.3臂部的选定手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压或气压）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它再工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。臂部设计的基本要求：⑴臂部应承载能力大、刚性好、自重轻⑵臂部运动速度要高，惯性要小⑶手臂动作应该灵活⑷位置精度要高手臂的典型运动形式又：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向（或纵向）移动，回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动（俯仰）；复合运动，如直线云和回转运动组合，两直线云的组合。首先，因为我要设计的是一个专用的机械手，完成以个简单的动作，没有必要手臂的伸缩，也可以完成动作，所以只要手臂能够回转和升降就可以了，手臂所要实现的动作是手臂回转到瓶盖所在位置（这个位置可以调整，一经调整就是一个固定的位置，起到自动定位的作用）然后夹紧缸动作把瓶盖夹紧，手臂升起到一定的位置停止，回转到瓶子所在的位置（这个位置也是一个固定的位置，瓶子自动停止在固定的位置，然后自动夹紧等待上盖）下降，旋紧，放松，上升，又回转到原来的位置，进行下一个循环。由所要实现的动作可以确定手臂的形式是只要升降机构和回转机构就可以了。手臂的回转和升降，通常由机身来实现，有三种典型的结构：㈠回转缸置于升降缸之下的机身结构手臂部件固定在升降台上，升降台下面与花键轴相连接。回转缸布置在升降台的下面。回转缸的动片与花键轴套固定，动片在压力油的作用下回转时，通过花键轴套回转，花键轴由两个径向滚珠轴承和一个平面推力轴承支撑在活塞杆上，活塞在升降液压缸内做升降运动，带动花键上移，花键既作为导向又传递扭矩。这种结构能承受较大的偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转运动的精度的影响不可以忽视。㈡回转缸置于升降缸之上的结构手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂做回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆一体。活塞杆内装一花键套与固定花键轴配合，活塞升降由花键轴导。这种结构采用单缸活塞杆，导向杆在活塞杆内部，结构紧凑。但是回转缸与臂部一起升降，运动部件较大，刚性较差。比较以上两种，因为本设计要求的回转精度要求比较高，而第一种类型不能满足。第二种虽然运动部件较大，刚性较差，但是这种是专用的机械手，要完成的动作所要求的力矩，也就是动力不是很大，所以复符合要求，选定第二种结构。图2-5为回转缸在升降缸之上结构2.2.4驱动系统的选定机械手的驱动系统通常有多种，常用的有：液压驱动、气压驱动、电机驱动等几种基本的方式。一台机械手可以统一用一种方式驱动，也可以用几种方式驱动。各种驱动方式都有自己的特点和使用范围，因此，我们要了解他们，并从使用机械手的技术经济要求出发，在分析比较他们的优缺点的基础上，结合自己的情况，合适地选择所用的驱动系统。以下是几种驱动方式的比较：⑴液压驱动系统的优点：输出的驱动力和驱动力矩大:液压因其不可压缩性，可以传递高达每平方厘米二、三百公斤的压力（通常使用的压力为5~140公斤/平方厘米，而机械手中多用6~70公斤/平方厘米），所以，它驱动的机构，可以达到若干吨的作业力量，而通常在机械手作业中的力量，要小得多，目前一般多为10~100公斤左右。所以，它具有较大的潜在力可供利用.体积小:因为可以把动作油缸直接作为关节的一部分，故结构简单、紧凑，刚性好.控制性能好由于油在低压工作中不可以压缩性，能够方便地进行压力和流量的控制，实现各种运动的无级调速和缓冲定位。如可以实现任意速度的进行位移，并在任意位置停止，并以较高精度定位。并且由于它反应灵敏，便于构成液压伺服系统，而实现连续轨迹控制。使用性能好，由于油液本身能自我润滑液压元件，有利于延长其使用的寿命，并且，在系统中，一般都装有安全阀，可以有效的防止过载现象的发生。维修方便。液压驱动系统的缺点：费用高：液压元件本身，制造成本较高，这是由于对它的加工要求较高所致。另外，油路一般比较复杂，而所用油液。又需要定期更换，所以，其总费用是比较高的。作业环境条件又限制，因液压系统中的油液粘度，会随温度而变化，从而影响其工作性能，特别在高温及低温时，不能应用，而且，油液容易燃烧，故应注意其工作环境的温度。另外，在油液中混入气泡、水分等，也会使系统工作性能变坏。油液的泄露，也会影响工作的稳定和定位精度，并污染环境。所以液压驱动宜用于不怕油液污染的常温的环境中，且要求输出力大而速度较低的场合。⑵气压驱动系统的优点：动作迅速：因为压缩空气粘性小、流速大（它在管路中的流速，可以达180/秒左右，而油液仅为2.5~4.5米/秒左右），故动作很快。不过，在作业中，应注意在执行机构接近行程终点时，防止由于动作太快而产生冲击及越程。气体的供应和排放较方便:：由于空气取用较方便，不用购买，只需要开动空气压缩机既可获的压缩空气。由于空气粘性很小，故管路压力损失也很小，可以进行远距离的输送。而用后的空气，可以直接派人大气，一般情况下不会造成污染，维修方便。总花费较低：由于结构简单，制造也比较容易，故价格相对较便宜。使用中的花费也比液压驱动要小，故中花费也相对较低。气压驱动系统的缺点是：驱动力小：由于可压缩性很大，一般只适用于低压，所以，其驱动力较小。一般用压缩空气驱动的机械手，常用于10公斤以下的物体。控制性能较差：由于空的可压缩性大，阻尼效果差，低速不易控制，故运动稳定性差。执行机构的体积太大，因空气传递的压力小，所以，驱动汽缸等气动元件的体积都相对较大。排放时有噪音：使用后的压缩空气，大气排放时，会产生噪音，故宜装置消音器。气中含有水汽而对使用不利：因压缩空气中往往含有水汽，易造成气压系统的锈；而在低温下，则由于冷凝结冰，有可能使启动困难。所以：气压驱动，宜用于驱动力小于30公斤，但是要求速度快的场合，也适用于在易燃易爆、温度较高和尘土大的场合。电机驱动的优缺点：步进电机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于微机或单片机控制。图2-6总装配简图的主视图步进电机有如下特点：①步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差,具有良好的跟随性。②由于步进电机与驱动电路组成的开环树控系统，既非常简单廉价，有非常可靠。同时它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。③步进电机的动态响应快，容易起停，正反转及变速。④速度可以在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大的转矩，因此，一般可不用减速器而直接驱动负载。⑤步进电机存在震荡和失真的现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。⑥步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。步进电机自身的噪音很震动大，带惯性负载的能力较差。本设计的要求是速度一般，驱动力不大，但是控制性要好体积不要太大，通过对比选定是用液压驱动手臂的升降和回转和手部的夹紧、放松，而用电机驱动手部的回转（因为要回转的角度大于360度，用步进电机可以很容易的实现）。小结：最后选定手部用连杆杠杆式；腕部选定为一个自由度（回转）的简单结构;臂部选定为回转缸置于升降缸之上的结构；驱动系统选定为用液压驱动手臂的升降和回转和手部的夹紧、放松，而用电机驱动手部的回转。结果画出总装配简图的主视图为.3计算校核3.1计算机械手手部的夹紧驱动力图3-1为连杆式手部结构，作用在拉杆3上的驱动力为F，两连杆2对拉杆的反作用力为F1和F2,其方向沿连杆两铰链中心的连线，指向O点并与水平方向成а角。由拉杆的力平衡条件得图3-1为手部受力分析图∑FX=0得F1=F2∑FY=0得F1=（3-1）F1=-F1 ∑M01(F)=0得F1’h=FNb（3-∵h=ccosα∴F=tgFN（3-3）（1）如上3-1图所示受力分析由调查可知要旋紧瓶盖要的力大概都在3N·m以下，所以可以计算最大的夹紧了，就是瓶盖最大的时候了，计算如下：F×f×d=3而d=60mm,f塑料经查资料的0.6，所以FN=3/0.6×0.06=83.3NF=tgFN=tg600×83.3=288.7N（3-4）（2）设K1=1.5垂直方向的移动速度为60mm/s,机械手达到最高速度的响应时间是0.5s K2=1+=1+=13.2（3-5）K3=1.03根据驱动力公式得：FNmin=1.5×13.2×1.03×0.03×10=6.0N（在这里设瓶盖为30克）而FN=83.3N≥FNmin=6.0N所以符合要求Fmin=tg600×6.0=20.8N而F=288.7N≥FNmin=Fmin/0.85=23.5N所以符合要求，在这里解释一下为什么这两个力相差那么大呢，那是因为不仅仅要夹住瓶盖还要提供扭力给瓶盖来旋紧它所以F=288.7N，FN=83.3N才可以满足要求（3）校核夹紧缸由夹紧缸的公式得F实=F=π（D2-d2）p/4（3-6）在这里液压缸直径为D=40mm,d=18mm.(根据液压缸内径系列（JB828—66）)所以得到p=4F/π（D2-d2）=0.274MPa3.2腕部回转力矩的计算腕部回转时要克服以下几种阻力：、腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩在手指夹放油缸的驱动控制支路上，装有液控单向阀I-25B，使手指在夹紧时，不受系统的压力波动的影响。即使在夹紧的过程中（即压力油从右面管路。经单向阀上进入油缸的右腔，推动活塞及活塞杆左移时），系统的压力下降。在这里以一个工作程序来说明该机械手的液压控制系统的工作情况。设程序的开始点为手臂回转结束，准备开始工作：——手臂下降；——手指闭合夹紧瓶盖；——手臂带着瓶盖上升到预定的位置；——手臂绕机身轴转过90度到达预定的位置；——下降接近瓶子；——电动机带动旋紧；——手指松开；——手臂上升到原来的高度；——反转90度复位；又到了准备工作的状态，到此就完成了一个循环。按此程序进行控制情况是：首先起动电机，使齿轮泵回转，油液从油箱中，经过网式过滤器，再经油泵加压后，送紧工作的油路。此时，二位二通电磁阀22D-25B的电磁线圈1DT首先通电，阀的油路被接通，油液分别经过P-B25B和电磁阀流回油箱而卸荷。当机械手由人工启动时，开始程序作业，二位二通电磁阀22D-25B的电磁线圈1DT被断开，停止卸荷。同时5DT通电，使手臂下降运动到接触瓶盖，5DT断电同时手指夹紧油缸支路电磁阀23D-10B的电磁线圈2DT通电（同时，接通控制其断电的延时继电器，开始延时），压力油经该阀左边通道，进入手指夹紧缸的左腔，推动活塞向右，而使手指夹紧，夹住瓶盖。在手指夹紧油缸支路换向阀的电磁线圈2DT断电的同时，发出信号，经过控制器，使手臂的升降油缸支路的三位四通电磁换向阀22D-25B的3DT通电，使手臂夹住瓶盖上升，在手臂升到预定的位置时，触动行程开关，使电磁线圈3DT断电，电磁换向阀复位到中间的位置，手臂停止上升。与此同时，它向控制器发出信号，使手臂的回转缸支路的三位四通电磁换向阀34D-10B的电磁线圈4DT接通，手臂回转过90度的角度，触动行程开关，使电磁线圈4DT断电，电磁换向阀复位到中间的位置，手臂停止回转。与此同时，它向控制器发出信号，使手臂的升降油缸支路的三位四通电磁换向阀22D-25B的电磁线圈5DT通电，使手臂下降到接近瓶子，由位置传感器检测位置对好，触动行程开关，使电磁线圈5DT断电，电磁换向阀复位到中间，此时电动机带动旋紧瓶盖。它所发出的信号使夹紧缸的夹紧放开，使手臂的升降油缸支路的三位四通电磁换向阀22D-25B的3DT通电，使手臂夹住瓶盖上升，在手臂升到预定的位置时，触动行程开关，使电磁线圈3DT断电，电磁换向阀复位到中间的位置，手臂停止上升。与此同时，它向控制器发出信号，使手臂的回转缸支路的三位四通电磁换向阀34D-10B的电磁线圈4DT接通，手臂反转过90度的角度，触动行程开关，使电磁线圈4DT断电，电磁换向阀复位到中间的位置，手臂停止回转。此时回到了原来的位置，完成了一次循环。4.2步进电机控制部分4.2.1步进电机的介绍㈠、感应子式步进电机1、特点：感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。2、分类感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。3、步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J×运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50×4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50×8）=0.9度（俗称半步）。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。4、步进电机动态指标及术语：①、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角×100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。②、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。③、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。④、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。⑤、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。⑥、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。⑦、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。⑧、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。㈡、步进电机的应用⑴步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=Ω?MΩ=2π?n/60P=2πnM/60其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿?米P=2πfM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS)㈢、应用中的注意点1、步进电机应用于低速场合每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应遵循先选电机后选驱动的原则。4.2.2选择步进电机由第三章中的计算知道所要的转矩为=34.5/0.9=38.4N·m依照这样的转矩可以选择步进电机为型号相?数步距角

(DEG.)电压

(V)电流

(A)静转矩

(N.m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(kg.cm2)接线图110BYG25012/40.9°/1.8°120-310412≥1511Wdg.AφDφD1h1h2φdE□bL键(KEY)AφD2φd11110850-0.0174816-0.01-0.02235112144半圆键4×91329图为4-6步进电机图和参数表因为步进电机的转矩只有12N.m，而在这里要的转矩是38.4N·m，所以要用到减速器进行减速增加转矩，由公式P=2πnM/60得n===987r/min(4-4)又由公式=(4-5)得到=/=987×12/38.4=308r/min因此得到减速器的降比是i=987/308=3.24.2.3选择步进电机的联轴器图4-7GB5843-86凸缘联轴器具体的参数为型号公称扭矩Tn(N·m)许用转速[n]r/min轴孔直径d(H7)轴孔长度LDD1螺栓L0质量mKg转动惯量Kg·m2Y型J1型数量n直径M钢钢Y型J1型YL1YLD1101300016423071533(3)M688640.940.0018图4-8为联轴器的参数图4.2.4步进电机的驱动方式选择㈠单电压串电阻驱动图4-9为单电压驱动电路图其特点是:响应比不串联电阻要快,提高了系统的相应速度。但是缺点是损耗大，功率低。电源提供的部分功率耗散在外接电阻上，同时电阻发热严重，在安装设备时必须考虑通风散热问题，这也使整个驱动器的体积增加，结构复杂，维护起来比较麻烦。目前的机械系统中多采用达林顿管阵列，可以简化电路，维护方便，同时可以使电路简单化，明朗化，推动级用中校功率晶体管，电阻用小瓦数就可以。通常选用的达林顿管阵列主要有ULN2003N、ULN2004、ULN2803等。其中前两种为七路达林顿阵列，而ULN2803为八路达林顿阵列，此系统由于是四相步进电机，所以为了提高系统的经济性。使用廉价的ULN2004即可满足系统的要求。⑵双电压驱动此电路的目的和单电压串联电阻是同样的想法，就是提高绕组导通电流的上升的前沿，就可以提高高频时绕组电流的平均值，改善高频特性。单电压串联电阻的办法正如上面所说的：增加了损耗，带来了通风散热等一系列问题。该电路的基本思想是在较低的频段用较低的电压驱动，而在高频时用较高的电压驱动。特点为在低频段与单电压驱动相同，而靠转换电源电压来提高高频响应。由于绕组中串电阻必不可少，所以仍然存在散热问题。另外，fk将整个频率划分成两段，使特性不连续，有突变。在低于fk但接近fk时，输出特性下降太大。图4-10为双电压驱动电路图综合以上所有的电路优缺点和电路的实际要求考虑，所以选用单电压串电阻的接法，以简化电路起见，选用集成电路达林顿管阵列ULN2004，因为ULN2003驱动电流足够大，但是步进电机的标准工作电压为12V，而ULN2003的标准工作电压为5V，为了使单片机系统和驱动电路分开供电，简化电源电路，所以考虑用ULN2004，其标准工作电压12V，最高可支持50V电压，灌入的电流也满足步进电机的电流要求。由ULN2004的芯片技术资料可知，ULN2004具有反相的作用，所以在驱动步进电机时考虑电平的高低极性。由于步进电机和单片机系统是分开供电的，且电压相差较大，为了使系统安全运行，或由于其它原因使得单片机系统和步进电机的驱动系统相通而导致系统异常，所以采用隔离元件使两个系统相互隔离，做到数字电路和模拟电路分开供电，提高了电路的可靠性。数字电路和模拟电路分开供电，提高了电路的可靠性。5检测和控制用两个视觉传感器来检测机械手是否对正瓶盖和瓶子的位置，瓶盖和瓶子旁边都安装有对准指示灯，用来检测位置，视觉传感器就是通过指示灯这个标准来检测和调整手部的精确位置的，当传感器检测到异常时立即发出信号给控制部分，马上进行调整。还要一个压力传感器，针对于每种盖子预先测算好扭紧力矩，根据他与摩擦系数，正压力和瓶盖半径的关系，可以计算出正压力的大小，然后通过压力传感器检测压力来控制扭紧力矩，防止力矩过大或者过小，不能正常完成工作，及时把检测到的结果反馈给控制器，进行调整。因为这是个专用的机械手，所以他的升降和回转的位置均用限位开关来实现。5-1压力传感器电路图控制系统的工作原理本案以单片机控制步进电动机和各个电磁换向阀来实现系统的工作,其工作原理如下：首先由视觉传感器检测有无工件和是否对准，如果不对准马上反馈到单片机进行校准。若有工件而且对准,传感器输出电信号，输出的电信号经过信号放大器放大后送入ADC进行模数转换,转换后的数字信号送入单片机。单片机输出控制信号控制UCN5804B芯片,该芯片内集成有脉冲分配电路和步进电动机驱动电路。单片机通过UCN5804B芯片对步进电动机和各种电磁阀进行运行控制。电机在其运行过程中通过触碰行程开关,将信号反馈给单片机,机械手各部件也是通过安装在上面的行程开关来将信号反馈给单片机，单片机处理后,发出后续动作指令,从而实现“机械手”上下升降、左右90度旋转、夹紧松开和机械手的手部旋紧等功能。动力单元出现的故障、电路故障、停机指令等信号将通过电路保护单元反馈给单片机，以实现故障处理。中央处理、驱动及执行单元作为把一种数字电脉冲信n5转换成机械角位移的机电元件，步进电动机具有控制简单，价格低，维护容易，能在开环系统中稳定地工作等优点。目前，在步进电动机用作工业控制系统执行机构的场合，采用单片机来形成系统控制的做法比较普遍，它具有体积小，功能强，资源多等优点，通过相应电路的扩展，就能满足系统的要求f21。木案采用单片机扩展UCNS804B芯片对四相反应式步进电动机进行运行驱动。为了防i1:中一片机运行程序时‘跑飞”，在此采用MAXIM公司生产的MAX706P(高电平复位)看门狗芯片。该芯片具有复位功能、看门狗功能和电源监视功能。UCN5804B集成电路芯片适用于四相步进电动机的单极性驱动，它最大能输出1.5A电流、35V电压，内部集成有驱动电路、脉冲分配器、续流二极答和过热保护电路。它可以选择工作在中一四拍、双四拍和八拍方式，上电自行复位，可以控制转向和输出使能。木案选择中一四拍的工作方式。行程开关的防抖动电路一般，行程开关是机械弹性开关，一个电压信n5对应于JI关触点的合断操作。而通常由于机械JI关触点的弹性作用，一个按键的闭合过程不会马上稳定的接通，而断开时也不会矫时断开，而会出现所谓的圳动”现象，其抖动时间一般为5"}OTT1Sf31。按键的抖动会带来误触发，因此，消除机械按键抖动的设计十分必要。通常去除抖动的方法有两种:硬件法和软件法。由于软件法会消耗单片机的处理时间，所以在此采用硬件法。硬件去抖动通常采用RS触发器来实现。电路原理如图3所示。假设71=关处于1和2的中间，既不与1接触又不与2接触时，根据RS触发器的基木特征，该状态将维持前一状态的触发值，不影响触发器的输出，从而消除了抖动带来的影响。电路保护单元由于单片机是专门设计工作在工业环境卜的，所以不必专门为它设计保障电路。整个电路板只需覆盖散热片，在散热片上进行风冷;并且保证电路板在密封的环境卜，避免灰尘十扰;同时保证电路板的供电稳定，就可让电路板正常有序地工作。这里主要保护的是步进电动机。由于步进电机是机械产品，所以其故障率比电路板要高很多，所以做好步进电机的保护工作尤为重要。步进电动机的保护包括温度保护、电流保护、电压保护、速度保护等。卜面以温度保护保护为例进行具体阐述。图4是电机过热保护电路。其中使用温控晶闸昔VS1作为温度传感器，它设置在电机上并和电机紧挨着。事先根据电机所允许的最高温度，调节电位器RP1使温控晶闸昔VS1在电机允许的温度达到开启电压。当电机由于故障原因发生过热现象时，温控晶闸昔就会及时导通，使继电器工作，那么K1接通，这样单片机就会通过光点祸合器件得到警报信弓，然后控制电动机停止工作，并且发出警报，以便工作人员处理。6设计总结机械手就是一种简单的机器人，实际上就是专用的机械手，是一种可以模仿人的手和手臂的某些运动机能，能够安装给定的程序、轨迹和其他的要求，实现抓取、搬运或者完成某些劳动作业的机械化、自动化的装置。它常常作为机器的附属装置，它的程序多为固定的，因此具有一定的专业性，这就是被称为专用机械手的原因。本设计是一个只能实现瓶盖的旋紧的专用机械手，因为是专用的，动作比较简单，通过方案的比较，最后选定手部用连杆杠杆式；腕部选定为一个自由度（回转）的简单结构;臂部选定为回转缸置于升降缸之上的结构；驱动系统选定为用液压驱动手臂的升降和回转和手部的夹紧、放松，而用电机驱动手部的回转.这只是一个简单的机械手，通常在实际的应用中所要求的机械手要实现的动作往往比较复杂，而且要具有通用性，才会更加符合现代化、自动化、信息化和电气化的激烈竞争时代要求，而这恰恰就是机电一体化的集中表现，因此我们要机继续努力学习有关知识，将来设计出更好的作品。

谢辞毕业设计是一项创造性的劳动，培养学生树立正确的设计思想，勇于实践、勇于探索和开拓创新的精神，使其具备一定的创造能力，掌握现代设计方法，适应社会对人才培养的需要。此次毕业设计提高了我在大学所学的各门专业知识，培养了我严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风，强化了我的工程实践意识。经过这次设计，我感受到作为现代高级工程技术人才应该具有的基本条件：要有扎实的理论基础、敢于实践创新、有高度的责任感。此毕业设计，得到了我指导老的教导和大力支持，在这里允许我向老师致以最诚挚的谢意！在此期间，学院里的各位老师和同学也给予我无私的帮助和支持，他们严谨的工作作风、广博的知识面和孜孜以求的学习精神都给我树立了良好的榜样。使我在设计过程中，不断充实知识结构，拓展了知识面，少走了不少弯路，也极大提高了我的科研能力。感谢对论文评审，提出宝贵意见的各位专家！感谢我的家人和朋友，他们的理解和鼓励是我最坚强的后盾。最后，感谢所有帮助我的人，谢谢！

参考文献[1]顾鸿森著；姚燕安等译；《机械装置的创造性设计》；北京：机械工业出版社，2002[2]雷伏元编著；《自动包装机设计原理》；天津：天津科学技术出版社，2003[3]陆祥生等编；《机械手—理论及应用》；北京：中国铁道出版社，1985.[4]三宅重正著；赖耿阳译著；《自动包装机技术》；《概论，基础机械技术》；台南：汉技术出版社[5]L.T.YEH,REVIEWOGHEATTRANSFERTECHNOLOGIESINELECTRONICEQUIPMENT.[J][6]王昆何小柏汪信远主编；《机械设计课程设计》；北京：高等教育出版社；2006.[7]张建民主编；《工业机器人》；北京：北京理工大学出版社；1988.[8]姜继海宋锦春高常识主编；《液压与气压传动》；北京：高等教育出版社；2004.118～120、131～180[9]广东机械学院李允文主编；《工业机械手设计》；北京：机械工业出版社；1996.10～11、55～65。[10]王崇道主编；《工业机器人》；电子工业出版社；1989。166～167[11]杨培元朱福元主编；《液压系统设计简明手册》；机械工业出版社；2004.73～78、147～151、10～12.[12]机械工程手册、电机工程手册编辑委员会；《机械工程手册》第十本；机械工业版社；1982.56-42～56-92。[13]机械工程手册、电机工程手册编辑委员会；《机械工程手册》第六本；机械工业版社；1982.33-6～33-15、34-10～34-31。

附录1中成药瓶盖的旋紧机械手设计的有关参数规格参数：自由度数：3个坐标形式：直角坐标工作半径：565mm手臂运动参数：升降行程：280mm升降速度：＜60mm/s回转范围：0～120°回转速度：＜90°/s手腕的运动参数：回转速度：300r/min手指的夹持范围：φ15mm～φ60mm位置检测：用电位计反馈式驱动方式:液压与电气混合驱动控制方式：单片机控制

附录2中成药瓶盖旋紧机械手的使用维护说明书概述本机械手是一个简易的机器人，就是专门为药瓶盖旋紧而设计的，不具有通用性，他能通过控制部分自动的完成所设定的动作，具有连续工作的能力，所以是一个自动化的机电一体化的产品。它的主要结构是由手指、手腕、手臂、立柱等组成。是用液压和电机作为驱动系统，单片机作为控制系统的。主要参数㈠、规格参数自由度数：3个坐标形式：直角坐标工作半径：565mm㈡、手臂运动参数：升降行程：280mm升降速度：＜60mm/s回转范围：0～120°回转速度：＜90°/s㈢、手腕的运动参数：回转速度：300r/min手指的夹持范围：φ15mm～φ60mm位置检测：用电位计反馈式驱动方式:液压与电气混合驱动控制方式：单片机控制。三、工作过程①开关打开，启动机械手各个驱动等待工作信息，检测是否瓶盖出来了，有则开始工作，机械手的升降液压缸驱动手臂下降（设定原始位置为瓶盖上方）；②当接近传感器发出信号已经接近时，同时信号发到控制器，夹紧缸开始工作，让常开手指开始夹紧瓶盖；③夹紧完毕，信号发到控制器手臂上升到原来的高度，缓冲停止；④发出信号，让回转缸的控制阀得电，回转缸开始工作，转过90°（瓶子的位置的正上方），缓冲停止；⑤升降缸获得信号，开始下降到瓶子的上方附近，传感器又发出信号检测是否对准，反馈到控制器马上进行调整；⑥确认对准，步进电机开始转动，转动的同时机械手缓慢下降，旋紧瓶盖，通过检测扭矩来控制旋紧力的大小；⑦松开手指；⑧机械手的升降缸驱动上升到原来的高度；⑨回转复位；⑩进行下一个回合。该机械手就是安装以上的工作模式进行工作的。机器的保养㈠、液压系统的定期保养250h检查保养检查滤清器滤网上的附着物，如金属粉末过多，往往标志着油泵磨损或油缸拉缸，对此，必须确诊并采取相应措施后才能开机。如发现滤网损坏、污垢积聚，要及时更换，必要时同时换油。500h检查保养不管滤芯状况如何均应更换，因为凭肉眼难以察觉滤芯的细小损坏情况，如果长时间高温作业还应适当提前更换滤芯。1000h检查保养清洗滤清器，更换滤芯，清洗液压油箱，更换液压油。长期高温作业换油时间要适当提前。当然，如能通过油质检测分析来指导换油是最经济的，但要注意延长使用的油，每隔100h应检测一次，以便及时发现并更换变质油。7000h和10000h检查维护液压系统需由专业人员检测，进行必要的调整和维修。根据实践，进口液压泵、液压马达工作10000h后必须大修，否则液压泵、马达因失修可能损坏，对液压系是至命性的破坏。5.4、7000h和10000h检查维护液压系统需由专业人员检测，进行必要的调整和维修。根据实践，进口液压泵、液压马达工作10000h后必须大修，否则液压泵、马达因失修可能损坏，对液压系统是至命性的破坏。保持适宜的油温液压系统的工作温度一般控制在30～80℃之间为宜（危险温度≥100℃）。液压系统的油温过高会导致：油的粘度降低，容易引起泄漏，效率下降；润滑油膜强度降低，加速机械的磨损；生成碳化物和淤碴；油液氧化加速油质恶化；油封、高压胶管过早老化等。为了避免温度过高：不要长期过载；注意散热器散热片不要被油污染，以防尘土附着影响散热效果；保持足够的油量以利于油的循环散热；炎热的夏季不要全天作业，要避开中午高温时间。油温过低时，油的粘度大，流动性差，阻力大，工作效率低；当油温低于20℃时，急转弯易损坏液压马达、阀、管道等。此时需要进行暖机运转，起动发动机，空载怠速运转3～5min后，以中速油门提高发动机转速，操纵手柄使工作装置的任何一个动作（如挖掘机张斗）至极限位置，保持3～5min使液压油通过溢流升温。如果油温更低则需要适当增加暖机运转时间。其他注意事项作业中要防止飞落石块打击液压油缸、活塞杆、液压油管等部件。活塞杆上如果有小点击伤，要及时用油石将小点周围棱边磨去，以防破坏活塞杆的密封装置，在不漏油的情况下可继续使用。连续停机在24h以上的设备，在启动前，要向液压泵中注油，以防液压泵干磨而损坏。㈡、其他部分机械手各个部分有回转的地方要定期检查是否轴承紧固，是否润滑油缺少，是否有破坏。要定期更换轴承和润滑油，保证机械手能安全顺利的工作。定期检查各处的紧固螺钉看看是否有松动，和破坏，及时发现问题及时改正，以免影响正常工作，特别是那些受力比较大的地方，或者有相对运动的地方的螺钉要在一定的时间内更换一次。机械手要在允许的范围内工作，就是包括升降高度、回转角度，还有夹紧缸的行程避免超负荷工作，尽量不要满负载工作，满负载工作很容易有冲击而导致寿命减少，不利于机械手的长期使用和安全性。液压马达也不能超负载工作，保证在380伏电压工作，不允许电压过高工作容易破坏马达造成不必要的麻烦。要定期检查液压马达的螺钉，和液压泵的连接是否稳固或者有松动，要注意液压马达不能频繁动停也不能长时间工作，长时间的要中途休息。各个联轴器的连接要经常检查看看是否连接完好，螺钉有没有破坏掉，保证连接的可靠性。保证能够安全的完成任务。每次使用前必须检查所有的部位看看是否都正常，才能开机工作。手指部分要经常看看手指是否完好，或者变形了。目录第一章可行性研究报告概述 11.1项目名称 11.2项目承担单位 11.3项目建设地点 11.4可研报告编制单位 11.5项目概述及主要经济技术指标 1第二章编制目的、依据、原则和范围 52.1编制目的 52.2编制依据 52.3编制原则 52.4可行性研究的范围 6第三章建设的必要性 73.1符合国家“十一五”规划纲要和循环经济要求 73.2环境保护和节能降耗的需要 83.3企业可持续发展的需要 9第四章项目建设条件 104.1主体工程概况 104.2厂址选择 124.3公用设施及社会依托条件 12第五章改造规模与产品方案 155.1改造规模 155.2生产方案 15第六章生产设备节电技改方案 166.1企业能耗现状分析 166.2改造设备运行参数 166.3技术方案、设备方案 176.4项目建议改造方案 226.5消耗定额 256