毕业设计冲压搬运机械手

山东大学本科生毕业论文（设计）PAGEPAGE37本科毕业论文(设计)题目：冲压搬运机械手学院：专业：姓名：指导教师：年月日冲压搬运机械手摘要随着科学技术日新月异的突飞变化，对自动化程度的要求也越来越高。在生产车间中需要两个或者几个工人一起搬起钢板来进行加工，费时费力利用冲压搬运机械手便解决了这个问题。通过步进电动机受一系列的电脉冲信号控制其动作，带动齿轮、齿条的动作，伴随着对电磁吸盘的通断电完成对工件的吸取，将传送带上的板料精确地转运到冲床的工作台上。这种搬运机械手可以大大的改善工人的劳动条件，提高劳动生产效率，对实际的生产过程有着十分重要的意义。关键词:机械手步进电动机可编程控制器ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology，automationdegreeareincreasinglydemanding.Inproductionworkshopneedtwoorseveralworkersmovedupsteelprocessing,time-consuming,usingthestampingcarryingmanipulatorsolvedthisproblem.Throughthesteppingmotorcontrolbyaseriesofelectricalimpulsessignal,itsactionsdrivepinionandrackaction,alongwithgeneralofelectromagneticchuchfinishinthepoweroftheconveyorbelt,willdrawsheetmetalaccuratelyfortransshipmenttopunchtheworkbench.Thiskindofcarryingmanipulatorcangreatlyimprovethelaborconditionandimprovelaborproductivity,totheactualproductionprocesshastheextremelyvitalsignificance.Keywords:manipulatorsteppingmotorProgrammableLogicController目录第一章绪论 11.1引言 11.2本课题设计的意义及主要任务 1第二章机械手总体方案的确定 32.1设计参数 32.2机械手总体方案确定 32.2.1机械手的运动轨迹 32.2.2机械手的坐标形式 42.2.2机械手自由度的选择 42.3机械手本体的设计 52.4机械手驱动方案的选择 52.5机械手控制方案的选择 6第三章机械手机械部分的计算与选择 73.1电磁吸盘的工作原理及选取 73.1.1电磁吸盘的工作原理及特点 73.1.2电磁吸盘的选取 73.2机械手手臂设计的基本要求与相关计算 103.2.1手臂设计的基本要求 103.2.2手臂设计的相关计算 103.3齿轮机构的设计 123.3.1齿根弯曲疲劳强度校核 133.3.2齿面接触疲劳强度校核 143.4机座和箱体的设计 143.4.1工字钢的选择 143.4.2槽钢的选择 153.4.3焊接工艺 163.5机械传动装置的选择 163.5.1轴的选择 163.5.2轴承的选择 173.5.3轴承座的选择 183.5.4联轴器的选择 183.6机械连接的选择 193.6.1螺纹连接的选择 193.6.2键的选择 193.7导轨的选择 203.7.1导轨设计的基本要求 203.7.2导轨的选择 20第四章步进电动机的选取 224.1步进电动机的结构及工作原理 224.1.1步进电动机的结构 224.1.2步进电动机的工作原理 234.2步进电动机的选取 234.2.1垂直方向的步进电机的选择 234.2.2水平方向的步进电机的选择 254.3步进电动机的性能指标 264.3.1垂直步距角计算 264.3.2传动精度 264.4驱动电源的环形分配器的选取 26第五章机械手控制系统部分的设计与选择 275.1PLC的控制简介及基本结构 275.2PLC的工作原理 275.3机械手PLC控制系统的要求及设计方案 285.4机械手PLC硬件设计 305.4.1PLC的选择 305.4.2PLC系统I/O的配置 315.4.3PLC的原理接线图 325.5PLC系统的软件设计 325.6PLC程序的调试运行 38第六章机械手的安全措施、维护及保养 396.1安全要求 396.2机械手的维护及保养 39设计总结 41谢辞 42参考文献 43第一章绪论1.1引言机械制造工业是整个国民经济的技术基础，生活中大量的必需品是由它来制造提供的。世界上几乎每一个国家都把机械制造工业的发展作为衡量本国工业化程度的非常重要的标志，因此，发展机械工业成为世界各国作为发展本国经济的重点战略之一。机器人的手臂是机械手，在我国工业化及自动化水平不断提高的情况下，尤其在机械加工制造业，机械手已被广泛应用。工业机械手可以通过编程来完成所规定的任务，实现复杂的操作。更重要的是它兼有人和机器两者的最大优点，尤其体现在构造、结构及性能上，还具有人的智能系统。本课题所设计的机械手属于冲压搬运机械手，在现代的生产过程中，搬运机械手被广泛的运用于自动化的生产线中，它可用于承担枯燥乏味的重复性的装配线工作，或执行一些可能对工人有害的工作。不断的做重复性工作劳动，不知疲劳，不怕危险及抓举超级重物等优点也是工业机器人的优点，因此，在许多方面工业机械手都起到了不可替代的作用并且得到了广泛的应用。1.2本课题设计的意义及主要任务当用人直接进行搬运体积较大重量较重的钢板时需要两个或者更多的工人一起来完成，不安全而且费时费力。运用搬运机械手可以代替工人安全的完成搬运，大大的缩短了钢板的装卸、传送的时间，并且可以进行连续重复工作，直接节省了人力物力，从而大大的降低了成本，提高了劳动生产效率。本课题主要从以下几个方面研究设计搬运机械手：1.搬运机械手执行系统的设计执行机构是机械手赖以完成工作任务的主要实体结构，运用它可以来抓持工件或工具，机械手执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行计算设计。2.搬运机械手驱动系统的分析与选择驱动系统是向机械手的执行系统的各部分提供动力的装置。通过对电机，液压，气动三种驱动方式的比较，本课题设计选择步进电动机驱动的方式。内容包括电动机型号的选择及其工作原理。3.搬运机械手控制系统的设计搬运机械手的指挥中心系统是控制系统，它可以通过控制驱动系统，让执行系统按预定的工作要求和时序进行工作。本课题的搬运机械手采用可编程控制器(PLC)对机械手进行控制操作，主要包括对PLC型号的选择，传感器类型进行选择，I/O口的选择，对控制系统原理图，自动程序梯形图的绘制等内容。本课题的主要设计任务是，要求将传送带上的板料转运到冲床的工作台上，由搬运机械手代替工人，并且根据生产节拍自动地完成生产作业。机械手实现以下动作过程：（1）手臂下降；（2）电磁铁吸紧工件；（3）手臂上升；（4）手臂平移到位；（5）手臂下降；（6）电磁铁松开工件；（7）手臂上升；（8）手臂平移复位。第二章机械手总体方案的确定2.1设计参数1、钢板的规格（）：2、钢板的重量:3、两个工作台之间的水平距离：4、电磁磁盘的重量():5、水平方向的速度（）、行程（）:6、垂直方向的速度（）、行程（）:2.2机械手总体方案确定2.2.1机械手的运动轨迹本课题设计的机械手实际操作是要求机械手将传送带上的板料转运到冲床的工作台上，然后机械手又回到原点。根据本设计的参数，设计出机械手的运动轨迹如下图所示：图2.1机械手运动轨迹图2.2.2机械手的坐标形式a)直角坐标型b)圆柱坐标型c）关节型d)球坐标型图2.2机械手的机械结构类型在机械制造行业中，根据坐标形式的不同机械手一般可以分为多关节型、圆柱坐标型、直角坐标型和球坐标型。根据坐标系的不同机械手在结构、体积、自由度、惯性矩等方面都有很大的差距。根据本课题机械手运动时的动作要求，机械手将传送带上的板料转运到冲床的工作台上，然后机械手又回到原点，有手臂的垂直和水平运动，综上所述各种类型的机械手我们最终选用最简单的直角坐标型机械手，直角坐标型机械手的最大的优点是结构简单，操作方便，易于维修。2.2.2机械手自由度的选择通常把运动机构的升降、伸缩、旋转等独立的运动方式，统称为机械手的自由度。可以说机械手自由度越多，它的灵敏性就越高，通用性也越广泛，但是相应的其结构也就越复杂，根据空间物体的各种运动一般需要6个自由度就可以能够抓取空间中的任意位置和方位的物体，而实际通常有2-3个自由度就可以很好的运用机械手。本课题所设计的机械手主要是应用于搬运，水平方向X轴、Y轴及垂直方向Z轴，所以我们最终选用三个自由度的机械手就可以满足要求了。2.3机械手本体的设计机械手的运动主要有以下步骤：步进电动机受一系列的电脉冲信号控制而动作，从而带动齿轮齿条的动作，伴随着对电磁吸盘的通断电完成工件的吸取与释放。根据机械手实际的运动形式，各个部分的位置要求及占用空间的大小来设计机械手的总体布局。即是在便于安装检测维修的前提下，要尽量地布置紧凑，以减少体积；在能满足工作操作要求的条件下力求整齐美观。1、手臂放于机械手的最前端，尽量要与被抓取工件靠近。2、控制系统的布置为了可以避免机械手及其他设备的震动或高温的影响，大多数机械手的控制系统都另设控制箱，远离机架。3、驱动系统的布置本课题设计为专用机械手，所以应尽量利用其他机器的动力源来提供动力。本设计会将所使用的步进电动机安装在机械手本体上。4、机械手的固定本课题的设计采用机械手用螺栓连接及固定底座来增加机械手的刚性和位置精度。2.4机械手驱动方案的选择驱动机构是组成机械手不可或缺的重要部分，它向机械手的各个执行系统的各部分提供动力。根据动力源的不同大致可分为气动、液动、电动和机械式四种驱动方式。电力驱动的机械手是目前使用最多的一种方式，一般多采用步进电机驱动。它的特点是电源方便，驱动力较大，响应快，最主要的是可以采用多种控制方案，结构简单紧凑。又考虑到使用安全可靠，造价低，本课题设计选择步进电动机驱动的方式。将机械手臂的运动步骤编制成指令，存入磁盘，控制器会根据磁盘内的程序，发出一定数量的电脉冲信号，步进电机就会相应的转动。它的特点是电源方便，驱动力较大，响应快，运动精确，最主要的是可以采用多种控制方案，结构简单紧凑。又考虑到使用安全可靠，造价低。内容包括电动机型号的选择及其工作原理。2.5机械手控制方案的选择为了适应现代社会自动化生产的要求，在流水线生产中自动控制系统得到了越来越广泛的应用，控制系统对整个生产线起着中心指挥的作用。为了提高机械手整体可靠性、实用性，降低制造成本必须对控制系统的结构和功能进行合理的设计。自动控制装置主要有单片机控制，PLC控制，电磁继电器控制等控制系统设计的目的是使机械手运动协调灵活，并能完成加工过程所要求的动作。控制系统包括计算机部分及相应的系统硬件和控制软件。机械手的控制部分通常可分为4个部分:机械手及其感知器，环境，任务，控制器。本设计方案所设记的机械手主要动作是水平运动和电磁吸盘的上升下降动作，并且需要电磁铁的吸合与断开动作。所以我们选择用PLC进行控制，本方案中采用三菱FX2N系列的PLC进行控制。其总体方案示意图如下图2.3所示:图2.3机械手总体方案第三章机械手机械部分的计算与选择机械手的运动主要有以下步骤：步进电动机受一系列的电脉冲信号控制而动作，从而带动齿轮齿条的动作，伴随着对电磁吸盘的通断电完成工件的吸取与释放。3.1电磁吸盘的工作原理及选取3.1.1电磁吸盘的工作原理及特点电磁吸盘的工作原理是把电磁铁放在被起重的含铁质的物体上，接通电流，电磁铁产生磁性，把铁质物体吸起，放下时，只要断电即可。

电磁吸盘的优点是自动装卸，效率高，磁性的有无可以用电流的通断电来控制，磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数来控制，也可改变电阻控制电流大小来控制磁性大小。缺点是被吸附的工件留有剩磁，另外吸盘上常会有吸附铁屑而妨碍工作。3.1.2电磁吸盘的选取1、电磁吸盘的选用要素（1）应有足够的电磁吸力电磁吸力的大小应该满足足够吸取工件的重量，当电磁式吸盘的形状、尺寸及线圈确定后，电磁吸力也就固定，此时改变电压来微调吸力大小。线圈的温度应保持在额定范围之内。（2）应有合适的吸盘形状应根据被吸附对象的要求来确定电磁式吸盘的形状。2、具体设计步骤如下：（1）初步确定：工件重为G=600N考虑到空气阻力的条件下电磁吸力首先应保证大于一块钢板的重力小于两块钢板的重力。则设总重力为1000N。用两个电磁吸盘吸一块钢板，每个电磁吸盘的吸力为500N。（2）确定电磁吸盘的吸力N式中（3）初算总安匝数IW式中（4）线圈尺寸的计算在确定了总安匝数和选好供电电压以及线圈的平均直径后，可计算线圈尺寸。a、导线直径式中此时需圆整d查表得：铜漆包线b、导线宽度式中c、线圈匝数所以=8825（匝）短时工作的电磁铁，故式中取当线圈匝数和带绝缘层的导线直径选定后，线圈的宽度和高度要加以修正，因每根导线所占空间面积近似的认为，整个线圈所占面积为：而故修正后的线圈尺寸为，（5）验算线圈的温升其中R:线圈电阻q:导线截面积:散热面积=：线圈的结构而定的系数对于绕在铁心上的线圈取=2.4U：线圈工作电压：应以额定电压的1.05～1.1倍代入上式得：℃所以选取的电磁吸盘常温下具体参数如表3-1表3-1电磁吸盘的具体参数型号外形尺寸(mm)自重（Kg）功率（Kw）单台吸重能力(Kg)ABMW03-180L/118019151.7540其示意图如下：图3.1电磁吸盘的安装尺寸3.2机械手手臂设计的基本要求与相关计算3.2.1手臂设计的基本要求手臂运动的基本要求：1、要尽量减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的准确性和运动刚度2、根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。3、手臂的结构尺寸尽量满足机械手完成任务需要的工作空间要求。4、尽量减少手臂质量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏心力矩，提高手臂运动的响应速度。臂部做法使各作用力引起的变形相互抵消，在设计中应注意的问题：1、注意简化结构，减小间隙增加刚性，全面分析各尺寸链。2、提高配合精度。3.2.2手臂设计的相关计算1、根据现场及其使用要求进行手臂的强度校核查手册得钢的许用应力=160MP，L=2500mm，b=180mm，h=220mm,则手臂的W===1.452mm3max===8.62MPa 所以梁的强度足够。2、机械手臂的刚度校核：图3.2悬臂梁示意图手臂可简化为在自由端集中力Fp作用的悬臂梁，所选坐标如图3.2所示：列弯矩方程：M=-F（L-X）建立挠曲线近似微分方程并积分：EIW〞=-Fp（L-X）EIW=+CX+D确定积分常数在悬臂梁的固定端，挠度和转角都为零，相应边界条件为：当X=0时，将此两条件分别代人式得：C=0，D=0建立转角方程和挠曲线方程将求得的C,D值代人即得转角方程和挠度方程，分别为求最大转角和最大挠度由图可见，在自由端处梁的转角和挠度均最大，故将X=L代入以上两式，得：=θB=WB=注：求得θB为负表示B截面的转角为顺时针WB为负表示B截面的挠度向下以上面叙述为依据进行实际计算。图3.3水平梁示意图查表得Iy=E=200GPa,L=2500mm,Iy===15972㎝4θB=W'B==0.00083radWB==13.86㎜故此梁符合要求。3.3齿轮机构的设计齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，本设计采用的齿轮传动是渐开线齿轮传动，它的主要特点是传递效率高，结构紧凑，工作可靠寿命长，传动比稳定。齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。目前设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度和保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。本设计齿轮的材料取45#钢，大齿轮的参数如下：m=2.5mm，,Z=80，小齿轮的具体参数如下：m=2.5mm,Z=20。3.3.1齿根弯曲疲劳强度校核在齿轮齿条传动中，当轮齿受的载荷作用时齿根处所受到的弯矩最大。也就是说齿根处的弯曲疲劳强度最弱，因此在齿轮齿条啮合过程中只需要校核一下最小的齿轮或者是齿条的齿根弯曲强度，当所选择的齿轮或者齿条的齿根弯曲强度满足要求即可。齿条的齿根弯曲强度的校核如下所示查表得mm,,==齿根危险截面的弯曲疲劳强度计算如下：所以该齿轮满足了齿根弯曲疲劳强度要求。3.3.2齿面接触疲劳强度校核在齿轮传动中，齿面随着工作条件的不同会出现多种不同的磨损形式。齿面点蚀是齿面疲劳损伤的现象之一。同一齿面往往是齿根面先发生的点蚀，然后才扩展到齿顶面，设计中只要校核齿根面的接触疲劳强度就可。校核公式如下：所以该齿轮满足了齿面接触疲劳强度要求。3.4机座和箱体的设计机座和箱体等零件工作能力的主要指标是刚度，其次是强度和抗震性能；当同时用做滑道时，滑道部分还应具有足够的耐磨性。此外，对具体的机械，还应满足特殊的要求，并力求具有良好的工艺性。机座和箱体等零件，在一台机器的总质量中占很大比例，很大程度上影响着机器的工作精度和抗震性能，所以正确选择机座和箱体等零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸，是减小机器质量、节约金属材料、提高工作精度、增强机器刚度及耐磨性等的重要途径。为了增强机座和箱体的刚度，选用加斜肋板的结构。设计机座和箱体时，为了机器装配、调整、操纵、检修以及维护等的方便，应在适当的位置设有大小适宜的孔洞。各种机座均应有方便、可靠的与地基连接的装置。箱体零件必须镗磨的孔数及各孔位置的相关影响应尽量减少。3.4.1工字钢的选择由于工字钢的弯曲强度比空心矩形截面的高，本设计需要的弯曲强度要求较高，扭转强度要求不高，所以机座和箱体等零件选用14号工字钢。其尺寸规格如表3-2所示：表3-2工字钢的具体参数尺寸/mm|hHbdtr140805.59.17.53.8图示如下：图3.4工字钢的截面图3.4.2槽钢的选择在本设计中槽钢所起的作用是固定支撑，如齿条的固定和齿轮箱的固定都需要在槽钢上，对槽钢的强度刚度要求较高，所以选用的槽钢为16#槽钢。其具体的尺寸参数如下表所示：表3-3槽钢的具体参数尺寸/mm|hHbdtr160658.510.010．05.0图示如下：图3.5槽钢的截面图3.4.3焊接工艺电焊分为电阻焊和电弧焊两种，现在常用的是电弧焊。本设计中手部与电磁吸盘的横梁之间的连接就是采用了焊接工艺中的电弧焊，工艺简单，焊接工艺强度高，由于连接而增加的质量小，节约金属。焊接工艺应注意，为了保证焊接的质量，避免未焊透或缺焊现象，手部和电磁吸盘横梁之间的焊缝应制成相应的破口形式。在满足本设计要求的强度条件的情况下，焊缝的长度应尽可能的取短，避免焊缝交叉。手部和横梁之间的焊缝经热处理以消除残余应力。因此，采用焊接工艺增强了该结构的强度，节约了材料和成本。3.5机械传动装置的选择3.5.1轴的选择轴是组成机器的主要零件之一，一切回转运动的传动零件都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。其主要作用是支撑回转零件及传递运动和动力。本设计中需将步进电动机的转动传递到齿轮上进行减速，轴用来支撑齿轮及传递扭矩，所选轴应具备足够的抗弯和抗扭强度。取轴的材料为Q235钢，许用扭转切应力，由轴的扭转强度条件得，所以，查表得轴的直径d=30mm3.5.2轴承的选择因为滚动轴承在润滑、密封、固定、配合、预紧和拆装等各方面有较多的优点。选用角接触球轴承可以同时承受径向和轴向载荷，也可以承受纯轴向载荷，接触角越大，轴向承载能力越大。角接触球轴承的具体参数如下表：表3-4轴承的具体参数轴承代号基本尺寸/mm极限转速/(r/min)基本额定载荷/kN70000C(AC，B)型:7006CdDB脂油CrC0r30551395001400015.210.2如图所示图3.6角接触球轴承示意图3.5.3轴承座的选择考虑到经济性和适用性，本设计采用的是单缝型轴承座，这种类型的轴承座有一条陆续的多圈的长切缝，这使轴承座具有很好的弹性和很小的轴承负载。它能够接受各类偏向，最合适用于处置角向位移和轴向位移，和低扭矩中。轴瓦在轴承座上，直接与轴相接触的部分，承受载荷并且与轴具有相对运动。为减少摩擦，磨损对轴瓦材料提出各种要求，所选轴承座具有足够的抗压强度和抗疲劳强度。在日常的维护保养中应注意对轴承座的润滑。3.5.4联轴器的选择本设计中传递的转矩较小，转速不高，扭转刚度变化不大，体积较小，因此选用的是刚性联轴器中的凸缘联轴器。所选择的凸缘联轴器用来连接电机轴与齿轮轴，用来传递运动和转矩。联轴器将两个轴连接在一起，机器运转时不能分开，只有在机器停车并将连接部分分开时才能将两轴分开。凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器用普通平键分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递运动和转矩。如下图所示的凸缘联轴器的结构形式是靠铰制孔用螺栓来实现两轴对中和靠螺栓杆承受挤压和剪切来传递转矩。图3.7联轴器示意图3.6机械连接的选择3.6.1螺纹连接的选择螺纹连接是利用螺纹零件工作的，作为紧固件使用，要求保证连接强度。在具体选择连接的类型时，还必须考虑到连接的加工条件和被连接零件的材料、形状、尺寸等因素。本设计中手臂与手臂的连接，手臂与底座的连接，齿轮箱与手臂的连接等均需要用到螺纹连接。螺纹连接分为螺栓连接、紧定螺钉、双头螺柱连接和螺钉连接连接。由于螺栓连接通孔的加工精度要求低，使用时不受连接材料的限制，装卸方便，而本设计的结构比较简单，通孔的加工精度要求低，因此多使用螺栓连接。设计中轴承端盖与齿轮箱的连接所受的力较小，轴承端盖的尺寸较小，且不需经常拆卸，故亦采用螺钉连接，其特点是螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中，不用螺母，结构简单，紧凑。3.6.2键的选择键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩。键连接的主要类型有：平键连接、半圆键连接、楔键连接、切向键连接。由于普通平键的结构简单、装拆方便，对中性较好，故而选用普通平键，平键的截面尺寸：。普通平键连接的强度计算假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为式中如下图所示图3.8普通平键的型式图3.9平键的截面图3.7导轨的选择3.7.1导轨设计的基本要求1、导向精度高。2、承载能力大，刚度好。3、精度保持性好。4、低速运动平稳。5、结构简单，工艺性好。3.7.2导轨的选择通常直线运动导轨的截面形状主要有四种：矩形、圆柱形、三角形、燕尾形。根据本设计的运动情况，选择使用矩形导轨，矩形导轨的制造简便、承载能力大，刚度高，维修方便，并适用于载荷较大而导向性要求略低的场合。但矩形导轨存在侧向间隙，导轨面间的间隙对机械手工作性能有直接影响，如果间隙过大，将影响运动精度和平稳性，间隙过小，运动阻力大，将加快导轨的磨损。因此必须保证导轨具有合理间隙，磨损后又能方便调整，因此需要用镶条调整，镶条放在导轨受力较小的一侧。图3.10导轨的截面形状第四章步进电动机的选取驱动机构是组成机械手不可或缺的重要部分，它向机械手的各个执行系统的各部分提供动力。根据动力源的不同大致可分为气动、液动、电动和机械式四种驱动方式。电力驱动的机械手是目前使用最多的一种方式，一般多采用步进电机驱动。内容包括电动机型号的选择及其工作原理。4.1步进电动机的结构及工作原理4.1.1步进电动机的结构步进电机的构造主要采用图4.1的方式进行讲解：步进电动机在构造上大致分为定子与转子两部分。转子主要由转子1、转子2、永久磁钢等3部分构成。而且转子朝轴的方向已经磁化，转子1为N极时，转子2则为S极。图4.1电动机构造图4.1.2步进电动机的工作原理步进电机是受其输入信号控制而动作的。脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各项绕组上。为使电动机能输出能满足所要求的功率，经环形分配器所产生的脉冲信号需进行功率放大。步进电动机传动控制系统主要包括步进电机、驱动电源和控制器。如图4.2所示图4.2步进电动机传动控制系统图4.2步进电动机的选取4.2.1垂直方向的步进电机的选择经过前面的计算得，钢板和电磁吸盘以及横梁和齿条的总重量是，现计算选取垂直的电机的具体参数。由于步进电动机的最大静转矩都较小，步进电机的最大静转矩与负载转矩的关系为：，故远远不能满足起重本设计要求的重量，所以选用齿轮减速机构进行减速。齿轮减速机构如图所示：图4.3减速机构示意图采用两级传动，1、2、3、4四个齿轮的模数齿轮1和齿轮4的传动比齿轮1与齿条啮合，带动工件和吸盘等一系列部件动作，所受的转矩为其中由得假设齿轮传动的效率为，则步进电机的负载转矩为取步进电动机的负载转矩是最大静转矩的0.5倍，则步进电动机的最大静转矩为：即故选择的步进电动机的具体参数如下表4-1所示：表4-1垂直作用电机参数型号分配方式步距角(°)最大静转矩/(N·m)空载启动频率（步/s）质量/kg外形尺寸/mm150BF003五相十拍0.7515.64260016.5φ150×1784.2.2水平方向的步进电机的选择水平方向的步进电机的作用是实现机械手臂的水平左右运动，电动机所需克服的力是由于齿轮齿条的摩擦产生的，大小为齿轮的模数为，齿数为,齿轮的直径水平方向的步进电机所受到的负载转矩为EMBEDEquation.3。齿轮齿条的机械效率为EMBEDEquation.3则EMBEDEquation.3取步进电动机的负载转矩是最大静转矩的0.5倍，则步进电动机的最大静转矩为：EMBEDEquation.3则EMBEDEquation.3选取的水平方向作用的步进电机的参数如下表4-2所示：表4-2水平电机参数值型号分配方式步距角(°)最大静转矩/(N·m)空载启动频率（步/s）质量/kg外形尺寸/mm110BF003三相六拍0.757.8415006φ110×1604.3步进电动机的性能指标4.3.1垂直步距角计算步距角是指每一个电脉冲信号，步进电动机转子所应转过角度的理论值，是步进电动机的主要指标之一。选负载轴要求的最小转角增量为EMBEDEquation.3。步进电动机步距角的大小直接影响步进电动机的启动和运行频率，在选择步进电机的步距角EMBEDEquation.3时，通电方式和系统的传动比已经初步确定，则步距角应满足EMBEDEquation.3。本课题中所选择的传动比EMBEDEquation.3，计算得：EMBEDEquation.3则EMBEDEquation.3，满足要求。4.3.2传动精度步进电机步距的误差不会无限积累，只会在一转的范围内存在一个最大的积累误差，大多数情况下用累计误差来衡量精度，对所选的步进电动机，其步距精度为EMBEDEquation.3式中，EMBEDEquation.34.4驱动电源的环形分配器的选取步进电动机驱动电源的环形分配器有硬件和软件两种方式。硬件环形分配器的体积较小，可靠性和抗干扰的能力较强，并且其响应速度较快维护方便。因此本设计采用硬件环形分配器。型号CH250第五章机械手控制系统部分的设计与选择本课题方案所设计的机械手主要动作是水平运动和电磁吸盘的上升下降动作，并且需要电磁铁的吸合与断开动作。所以选择用PLC进行控制，本方案中采用三菱FX2N系列的PLC进行控制。5.1PLC的控制简介及基本结构可编过程控制器（ProgrammableLogicController）能够预先编写程序存储在存储器中，系统运动时会按照其预先编写好的程序自动运行，从而更方便的实现机械运动中的自动化生产控制。可编程控制器以微处理器为核心实施控制，主要是由微处理器（CPU）、输入输出模块（I/O）外设I/O接口、存储器（RAM/ROM）、电源及通信接口组成。PLC基本框架图如下图所示：图5.1PLC的基本结构5.2PLC的工作原理PLC执行程序的方式为扫描的工作方式，PLC扫描工作方式主要可分为三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成了PLC的一个工作周期，由此循环往复，形成循环扫描工作方式，如图5.2。图5.2PLC的扫描工作过程5.3机械手PLC控制系统的要求及设计方案本方案的机械手的工作是把工件从A工位搬运到B工位，是通过PLC控制的。按照实际操作中的要求机械手的工作方式应分为连续和手动工作两种方式。机械手工作在连续的方式的情形时，在原位机械手压下右移限位开关和上限位开关，机械手固定不动。当按启动按钮时机械手在步进电动机的开始下降，下降到压下下限位开关后自动停止，接着机械手的电磁吸盘吸起工件后开始上升，上升到原位压动上限位开关后自动停止上升;接着机械手开始左移直到压动左移限位开关后自动停止，机械手开始下降，下降到压动下限位开关后自动停止，机械手放松工件后开始上升直到压动上限位开关后自动停止，机械手开始右移直到压动左限位开关后到达原位停下。在手动方式下按下按钮则机械手单步开始动作，松开按钮则停止该动作。机械手的动作转换靠限位开关控制，限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别对机械手进行下降、上升、右移、左移动作的限位。而吸起、放下的动作转换是由时间继电器来控制的。如图下图所示：图5.3机械手传送工件系统示意图图5.4机械手操作面板在生产过程中本方案的机械手既能够自动控制也可以由人来进行控制，机械手的工作方式可以非常方便的在操作面板（如图5.4所示）上进行选择，该操作面板上有自动控制和手动控制两种。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置。当旋钮打向自动时，机械手在控制系统的控制下自动完成各工步操作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下面板上该工步按钮才能实现。当出现紧急情况时按下急停按钮保证在任何情况下机械手的动作都能够迅速停止，以确保生产过程的安全。自动控制系统的自动控制是由PLC的脉冲输出指令向步进电动机发出脉冲，分别控制机械手的X轴和Y轴方向的动作。通过行程限位开关控制X轴和Y轴方向位置，机械手的电磁吸盘的吸起或松开通过电磁铁的动作实现。图5.5是机械手控制系统的逻辑流程图（动作流程）。系统启动之前，机械手处于原始位置，即机械手在上限位、右移限位。图5.5机械手控制系统的逻辑流程图5.4机械手PLC硬件设计5.4.1PLC的选择在选择PLC时应根据控制要求，确定所需要的操作和运动，然后再根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能及外部设备的特性等等。根据设计的机械手的动作要求，确定所需要的控制系统的动作，然后在根据控制的要求估算出输入输出的点数、所需要的存储器容量等参数，确定PLC的功能及外部设备的特性进而选出我们所需要的PLC的类型和型号。综上所述根据我们课题的具体要求，选择三菱的FX系列FX2N-40MR这种型号。该型号输入输出点数为22点，符合15%到20%的I/O余量，选择其采用24VDC,输入为24点继电器接点，输出为16点，外部输入电源在机内，内存程序循环扫描控制，处理速度平均为5Uµs/b,程序容量950kb。5.4.2PLC系统I/O的配置输入信号有4个启动按钮，4个限位开关，5个手动输入信号，共计13个数字量输入信号及一对电磁吸盘通断电输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号、左移/右移驱动信号和机械手吸起驱动信号，共有5个数字量输出信号。其具体输入、输出分配见表5-1、表5-2。表5-1输入点分配表输入器件代号地址号功能说明器件代号地址号功能说明启动按钮SB1X0手动启动吸起X10电磁吸盘通电左线限位开关SQ1X3手臂左右步进电机开关放松X11电磁吸盘断电右限限位开关SQ2X4单步上升X12单步手臂上升下限限位开关SQ3X5手臂上下步进电机开关单步下降X13单步手臂下降上限限位开关SQ4X6单步左移X14单步手臂左移停止按钮SB2X1手动停止单步右移X15单步手臂右移手动操作X8手动程序回原点X2回设定原点连续操作X7自动程序表5-2输出点分配表输出器件代号地址号功能说明下降信号YV1Y0手臂上下步进电机电磁铁上升信号YV2Y1右移信号YV3Y2手臂左右运动步进电机左移信号YV4Y3吸起电磁铁YV5Y4夹紧和放松线圈原点指示ELY5回原点显示显示灯亮5.4.3PLC的原理接线图机械手的原理接线图如图5.6所示：图5.6PLC的原理接线图5.5PLC系统的软件设计在PLC的软件设计上，我们采用模块化的编程方法，并设定机械手在最上面和最左面时为系统处于原点状态，且手动操作常闭打开，连续操作常闭闭合。一、机械手操作程序图分为自动程序和手动程序两个部分，由跳转指令选择执行(X6常闭闭合、X7常闭打开)则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序（如图5.7）。图5.7操作系统程序梯形图指令表：1LDX162P23LDX24ANDX45ANIY46OUTY57LDIX68CJP09LDIX710CJP111END操作系统说明：把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触点打开Y5驱动指示灯，程序不跳转执行手动程序(CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处)，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到Pl所指的结束位置。二、回原点程序用S10～S12作回零操作组件，回原点程序如下图5.8所示，图5.8回原点程序状态转移图三、手动单步操作程序手动程序时，手动自动转换开关拨到手动挡位X6上，按下按钮X10、X11，电磁吸盘的通断电，实现工件的吸紧与放松。按下X12按钮手臂上升；按下X13下降。同理按下按钮X14、X15实现手臂的左右移动。手动单步操作程序中应设置联锁和保护电路，上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。如下图5.9：图5.9手动操作程序梯形图手动操作程序：1LDX02OUTM03LDM04ANDX105SETY46LDM07ANDX118RSTY49LDM010ANDX1211ANIX212ANIY013OUTY114LDM015ANDX1316ANIX117ANIY118OUTY019LDM020ANDX1421ANDX222ANIX423ANIY224OUTY325LDM026ANDX1527ANDX228ANIX329ANIY330OUTY2PAGE36四、自动运行操作程序程序原理说明：当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0,当到达下限限位使行程开关X1接通，状态转移到S21。S21驱动Y4置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22。S22驱动Y1上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y2右移,移到最右位，X3接通，状态转移到S24。S24驱动Y0下降,下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。Tl接通，状态转移到S26，驱动Y1上升，上升到最高位，X4接通，状态转移到S27，S27驱动Y3左移，左移到最左位，返回初始状态，再开始第二次循环。自动操作程序状态转移图（SFC）如下图5.10所示：图5.10自动操作程序状态转移图（SFC）图5.11自动操作程序步进梯形图（STL）P1：操作程序指令表：0LDX71SETS22STLS23LDIY44ANDX25ANDX46ANDX07SETS208STLS209OUTY010LDX111SETS2112STLS2113SETY414OUTT0K1015LDT016SETS2217STLS2218OUT19LDX220SETS2321STLS2322OUTY223LDX324ANIX1725SETS2426STLS2427OUTY028LDX129SETS2530STLS2531RSTY432OUTT1K1033LDT134SETS2635STLS2636OUTY137LDX238SETS2739STLS2740OUTY341LDX442OUTS243RET44END5.6PLC程序的调试运行在软件SWOPC-FXGP/WIN-C中编辑的程序必须编译成PLC能认识的机器指令，才能下载到FX—2N内运行。1、使用菜单PLC—全部编译命令，执行编译功能。2、将FX2N一40MR上的状态开关拨到RUN位置，CPU上的黄色STOP状态指示灯灭，绿色指示灯亮；3、在软件SWOPC-FXGP/WIN-C中使用菜单命令PLC—RUN和PLC—STOP，机械手的初始位置在原位，按下启动按钮后，机械手依次完成：下降—吸紧—上升—右移—下降—放松—上升—左移动作，实现机械手的一个周期动作。4、程序在运行时可以用软件中可使用状态图进行监控：打开状态图表，输入监控的元件进行监控。检测机械手是否按要求达到预定的位置，是否有误差，以及顺序是否正确。5、对PLC系统的控制进行校验，修正，调试，直到满足设计要求为止。第六章机械手的安全措施、维护及保养6.1安全要求在工业生产当中机械手能替代人在危险的有害的环境中工作。代替人工作的同时又给人带来但另一种危险，即机器伤人事故，在实际生产当中这种事故发生过很多次了。因此再给人们带来便利的同时又要保证机械手不会对操作者带来危险。在远离机械手2米处的周围设备安装安全防护栏，以防止人靠近而造成伤害。在人机结合部设置传感器，当操作者在此处上、下料时，控制系统要有安全防护罩用以确保整机的安全。机械手设置紧急停止开关，并且此紧急停止开关距离操作者最近，当发生紧急事故时按下此开关，工业机器人和有关的设备能够立即停止运转。本机械手的安全要求：能保证足够的刚度强度要求，能方便的调节机械手的速度和电磁吸盘的吸力大小，能够满足生产范围的要求。除此之外还要有机械限位装置，当控制系统故障的时候能够机械锁定不会发生故障。6.2机械手的维护及保养生产过程中机械手能够持久保持正确的运动的前提就是正确的使用和合理的维护保养。规定每个月应对机械手进行检修和维护，本机械手由于工作在低速因此减少了润滑这就使得保养更加简单。然而这并不是说就可以不用保养，可以在每个月对机械手进行检修和维护的同时检查一下轴承、齿轮、齿条、键及行程限位开关是否有破损及老化现象，如果出现过度磨损或裂缝等情况应该立即更换新的零件。为了确保机械手动作的准确性，规定每两周要测试机械手各个动作的是否有异常现象，检查机械手各限位检测开关信号是否正常，各限位开关是否会因机械手长时间工作而引起的位置移位变化，造成机械手限位检测信号不良现象。对机械手导轨表面上的污垢进行定期清理。对机械手各摩擦部分及轴承、滑块等部件每个月进行定期给油润滑。为保证机械手动作的准确性，还要每个