三自由度机械手设计
喜欢这套资料就充值下载吧。资源目录里展示的都可在线预览哦。下载后都有,请放心下载,文件全都包含在内,图纸为CAD格式可编辑,有疑问咨询QQ:414951605 或 1304139763p
三自由度机械手设计摘要 在工业上,自动控制系统有着广泛的应用,如工业自动化机床控制,计算机系统,机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备,它正开始改变现代化工业面貌。机械手是机器人的操作机,是机器人完成各种任务的执行机构。 本文主要针对生产线上的自动化设计了一个三自由度搬运机械手,实现生产的自动化。减轻了工人的劳动强度,提高了劳动生产率。 该机械手采用电机驱动,实现了伸缩、升降、旋转等动作。为了现实这些动作,采用部件设计,分别实现这些动作。比如了为实现伸缩这个动作,设计了一个水平伸缩机构。PLC把各个部件的独立运动协调起来,形成了一个有规则运动系统。各个部件的联接,先铸造出一个合格的机械本体,把各个部件安装在机械本体上,形成一个机器。控制系统采用PLC控制。关键词: PLC;三自由度;工业机器人。A design of three degree ManipulatorAbstract Industrially, voluntarily control system has extensive application, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry.Manipulator is the operation of the robot, it is the actuator of robot complete various tasks. This paper has designed a four free degrees carry manipulator for the automation on production line, realize the automation of production. it alleviated the labour strength of worker, it raised labor productivity.This manipulator drives with motor, have realized to stretch out and draw back , rise to fall , spin , clip etc. the achievement of these movements. Design with parts, realizes these movements. For example to realization flex movement, have designed a horizontal telescoping mechanism. PLC coordinates the independent sport of every parts, formed a regular sport system. The coupling of every parts, casting makes a acceptable mechanical body, Install every parts in mechanical body, become a machine. Control system adopts PLC control, Program compiles with T .Key words: PLC;three degrees of freedom;Industrial robot 72目录摘要iAbstractii目录I第一章 绪论1第二章 滚珠丝杠螺母副的选型3第一节 提升机构滚珠丝杠副的计算及选型3一、 计算进提升率引力3二、 计算最大动负载4三、 滚珠丝杠螺母副的选型5四、 传动效率的计算6五、 刚度验算6第二节 伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型8一、 计算进伸缩率引力Fm8二、 计算最大动负载C8三、 滚珠丝杠螺母副的选型9四、 传动效率的计算9五、 刚度验算9第三章 齿轮传动比的设计计算11第一节 提升机构齿轮箱传动比计算11第二节 伸缩机构齿轮箱传动比计算11第三节 涡轮蜗杆传动的设计计算12一、 面接触疲劳强度设计12二、 涡轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计14三、 齿根弯曲疲劳强度的校核14四、精度等级公差和表面粗糙度的确定15第四章 电机的计算和选型16第一节 步进电机概述16一、 感应子式步进电机特点16二、 驱动控制系统组成16第二节 步进电机的计算及选型17一、 提升机构步进电机的计算及选型17二、 伸缩机构步进电机的计算及选型21第三节 涡轮蜗杆电机的计算及选型25一、 电机的计算及选型25二、 联轴器的计算及选型25第五章 接近开关及限位开关的选型27第一节 接近开关的工作原理及选型27一、 接近开关概述27二、 接近开关的选型29第二节 限位开关的工作原理及选型30第六章 机械手PLC控制系统设计32第一节 PLC的基本概念32一、 PLC产生和发展过程32二、 PLC的应用领域33三、 PLC的发展趋势34四、 PLC的特点35五、 PLC的分类36第二节 PLC的工作原理37一、 梯形图编辑38二、 梯形图的格式39三、 PLC梯形图编程格式的特点39第三节 PLC的选型及PLC外部接线图设计39结 论41致谢42参考文献43附录一44附录二58第一章 绪论工业机器人是机械技术、电子技术与计算机技术有机结合在一起形成的一种机电一体化的产品,从其诞生起就受到人们的关心与重视。经过几十年的发展,目前工业机器人技术已经很成熟。工业机器人已从最初在解决劳动密集型工业中单调、重复的体力劳动发展到满足制造业自动化规模生产需要的工作。其应用领域不断扩 大,从最初主要应用于汽车工业发展到现在涉及制造业的各个行业。目前我国国民经济的快速发展,先进制造业已进入一个新的发展阶段。随着经济全球化和我国加入WTO,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求,如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展,已是我国企业不容回避的问题,这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求,促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。近几年来,国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入,对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。我国政府非常重视机器人技术的发展,从“七五”科技攻关及实施863 计划开始,就有计划地组织和发展工业机器人事业,经过20多年的研制和应用,目前在工业机器人的一些机种方面,如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步,基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术,有了一支具有一定水平的技术队伍,奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。但是,我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距,仅相当于国外九十年代中期的水平。目前工业机器人的生产规模仍然不大,多数是单件小批生产,关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态,工业机器人的性价比较低。我国整体装备制造水平不高,制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。尽管中国工业机器人的需求在逐年增加,但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品,目前在我国尚有较长的路程。首先为了促进中国工业机器人产业的发展,必须在以市场需求为主的前提下,国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。同时转变现有的机制,建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。其次,在国家的科技发展规划中,应继续对工业机器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持,形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。第三,结合我国的国情,加强我国工业机器人应用工程的开发,使之与国民经济的发展密切相结合。经过近十年的努力,我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力,已有一支了解企业的需求,能开发出符合实际使用条件应用工程,成本低,服务及时,具备与国外公司的竞争能力,因此加强工业机器人应用工程的开发,并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发,使之具有一定的规模化生产能力,这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力,同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。如果说20 世纪90 年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话,那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。机器人与机床相结合,以往主要是解决工件自动上下料搬运问题,致使机床得以无人化24 小时连续运转。如擅长专机制作的意大利COMAU 公司,他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬运,设计成由机器人完成。当然,对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机器人表现的舞台。去年9 月在汉诺威EMO2005 展览会上,工业机器人的应用非常抢眼,而且它应用的领域也在扩大。然而在这次CCMT2006 展览会上,值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是1 号馆W 1 - 9 1 6 意大利意沃乐EVOLUT 公司,这个欧洲最大的机器人应用与集成公司,他们的一台DC-5 机器人修边、倒角装置特别引人注目。该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺,甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工,因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作范围扩展到了金属切削及抛光领域。工作单元还可以配备各种上料方式:如带视频装置可抓取随机摆放的工件,或以旋转台摆放,或以传送带摆放等等。DC-5 工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。可以代替至少四个工人的工作量。3 D 编程软件将以往8 小时编程时间缩减为15 分钟,为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机械人应用等等。随着社会的不断发展和进步,势必劳动力的成本将越来越高,对环保及安全的要求将越来越严,所以工业机器人的应用必将与时俱进。而且,由机器人干出的工件,譬如说打磨,其零件的一致性肯定比人工来得好,因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步,规定必须由机器人来操作。由此看来,工业机器人在机床上的应用会将越来越广。第二章 滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型,确定滚珠循环方式,滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定以后,再计算和确定其他技术参数,包括:公称直径d0,导程,滚珠丝杠的工作圈数,列数,精度等级等。滚珠的循环方式可分为外循环和内循环两大类,外循环又分为螺旋槽式和插管式。滚珠丝杠副的预紧方法有:双螺母垫片式预紧,双螺母螺纹式预紧,双螺母齿差式预紧,单螺母变导程预紧,以及过盈预紧等。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件,其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动,它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来,滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元,在机床行业得到广泛运用,极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性:由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性,采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时,可获得很好的同步工作。 传动效率高、 定位精度高、 传动可逆性、 使用寿命长、 同步性能好第一节 提升机构滚珠丝杠副的计算及选型一、 计算进提升率引力作用在丝杠上的提升率引力主要包括工作在上升时移动件的重量及其作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。Fm(N)计算公式如下:矩形导轨:燕尾形导轨: 三角形或综合导轨:式中重力在各方向上的分力; 水平工作台重力;考虑颠覆力矩影响的实验系数在正常情况下,可取以下数值:矩形导轨 燕尾 三角形或综合导轨 上列摩擦系数均是指滑动导轨。设计的铣床自动装卸料机械手的最大抓取重量为2,机械手伸缩机构总重量,水平机构工作台重量,提升机构工作臂重量。显然在最底点上升时丝杠受力最大,此时此设计中选用矩形导轨 = =二、 计算最大动负载选用滚珠丝杠副的直径时,必须保证在一定轴向负载作用下,丝杠在回转100万转后,在它的滚道上不产生点蚀现象,这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C,可用下式计算: 式中寿命,为转为一个单位, 丝杠转速,用下式计算 为最大负载条件下的进给速度; 丝杠的导程,; 使用寿命,一般; 运转系数,见表 表运转系数运转状态 运转系数 无冲击运转 1.01.2 一般运转 1.21.5 有冲击运转 1.52.5该设计的最大负载条件下的进给速度为,丝杠导程初选,运转状态为一般运转, 三、 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅数控机床课程设计指导书附录A 表3可采用 1列圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副,额定动载荷为8800N,可满足要求,选定精度等级为3级。四、 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率: 式中丝杠螺旋长升角;摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数,其摩擦角约等于。 =五、 刚度验算先画出提升机构丝杠支承方式草图如图1-2所示。最大牵引力为570.76N,支承间距为,丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负载的。图1-1提升机构系统计算简图(一) 丝杠拉伸或压缩变形量 查数控机床课程设计指导书图4-6,根据, 查出,可算出: 由于两端均采用向心推力球轴承,且丝杠又进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高4倍,其实际变形量()为: (二) 滚珠与螺纹滚道间的接触变形查数控机床课程设计指导书图4-7,系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量: 因进行了预紧, (三) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用8102推力球轴承,滚动体直径 =4.763, 滚动体数量=12, 上式中轴承所受轴向载荷 轴承滚动体数目 轴承滚动体直径因施加预紧力,故 根据以上计算 小于定位精度。第二节 伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型一、 计算进伸缩率引力Fm作用在丝杠上的伸缩率引力主要包括工作在伸缩移动件的重量及其作用在导轨上的摩擦力。式中为滑动摩擦系数,二、 计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径时,必须保证在一定轴向负载作用下,丝杠在回转100万转后,在它的滚道上不产生点蚀现象,这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C,可用下式计算: 式中寿命,为转为一个单位, 丝杠转速,用下式计算 为最大负载条件下的进给速度; 丝杠的导程,; 使用寿命,一般; 运转系数,见表该设计的最大负载条件下的速度为,丝杠导程初选,运转状态为一般运转, 三、 滚珠丝杠螺母副的选型可采用,1列圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副,额定动载荷为395N,可满足要求,选定精度等级为3级。四、 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率: 式中丝杠螺旋长升角;摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数,其摩擦角约等于。 =五、 刚度验算先画出提升机构丝杠支承方式草图如图1-2所示。1-2伸缩机构丝杠计算草图最大牵引力为14.7N,支承间距为,丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负载的。由于牵引力很小无需进行刚度验算。表1-1及滚珠丝杠几和参数 名称 符号螺纹滚道公称直径 2010导程54接触角钢球直径(mm)3175滚道法面半径1651偏心距0045螺纹升角螺杆螺杆外径194螺杆内径16788螺杆接触直径16835螺母螺母螺纹直径23212螺母内径 20635第三章 齿轮传动比的设计计算第一节 提升机构齿轮箱传动比计算已经确定提升机构脉冲当量,滚珠丝杠导程,初选步进电机步距角,可计算出传动比 可选定齿轮齿数为: 第二节 伸缩机构齿轮箱传动比计算 已经确定提升机构脉冲当量,滚珠丝杠导程,初选步进电机步距角,可计算出传动比 可选定齿轮齿数为: 表2-1 传动齿轮几何参数齿数242520121506020分度圆4850402430012040齿顶圆5254442830412444齿根圆4345351910511535齿宽20201212202020中心距9864420 160第三节 涡轮蜗杆传动的设计计算选择普通圆柱蜗杆的渐开线蜗杆(ZI),该蜗杆的传递功率不大,速度中等,故蜗杆材料用45钢,因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋齿面要求淬火,硬度为4555HRC,蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造,为节约贵重有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。一、 面接触疲劳强度设计根据闭式蜗杆传动的设计准则,先按齿面接触疲劳强度进行设计,再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距 式(2.1)1) 确定作用在蜗轮上的转矩按=1,单头蜗杆的效率为估取效率,则 式(2.2)2) 确定载荷系数K因工作载荷较稳定,故取载荷分布不均匀系数=1,选取系数=1,由于转速不高,冲击不大,可取动载荷系数=1.05,则:K= 式(2.3)3)确定弹性影响系数因选取的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配,故=4)确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值,查得=2.95)确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造,蜗杆螺旋面齿面硬度45HRC,查得蜗轮的基本许用应力=268 假设寿命=12000h,则应力循环次数为: 式(2.4)寿命系数: 式(2.5)则: 式(2.6)6)计算中心距:= 式(2.7)取,因,故取模数,蜗杆分度圆直径=这时,0.35(满足假设)二、 涡轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计表 2.1计算项目计算过程结果蜗杆轴向齿距=直径系数分度圆导程角齿顶圆直径齿根圆直径蜗杆轴向齿厚蜗杆齿数蜗轮变位系数蜗轮齿数蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮咽喉母圆半径蜗轮齿宽三、 齿根弯曲疲劳强度的校核 式(2.8)当量齿数: 式(2.9) 据,查得齿形系数=2.72螺旋角系数 : 式(2.10)许用弯曲应力查手册得ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力寿命系数: 式(2.11) 式(2.12) 式(2.13),所以弯曲强度是满足的。四、精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动属于动力传动,属于通用机械减速器,从GB/T 10089 1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度,侧隙种类为f,标注为8f。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度,在零件图中标出。第四章 电机的计算和选型第一节 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上 步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好 步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 一、 感应子式步进电机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。二、 驱动控制系统组成步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比,控制步进脉冲信号的频率,可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数,可以对电机精确定位。 典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成: 1. 步进控制器,由单片机实现。 2驱动器,把单片机输出的脉冲加以放大,以驱动步进电机。 3步进电机。 现以三相六拍为例: 步序 控 制 位 C B A 控制模型 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H AB 1 1 1 1 1 0 1 1 FBH B 1 1 1 1 1 0 1 0 FAH BC 1 1 1 1 1 1 1 0 FEH C 1 1 1 1 1 1 0 0 FCH CA 1 1 1 1 1 1 0 1 FDH 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型。因此,步进驱动控制器实际上就是按上述的控制方式所规定的顺序送脉冲序列,即可实现驱动步进电机三相六拍方式的转动。输入顺序脉冲序列的速率就是步进电机的速率。使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。平均电流越大电激励矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。第二节 步进电机的计算及选型一、 提升机构步进电机的计算及选型(一) 等效转动惯量计算计算简图见图1-3。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式进行计算:式中 步进电机转子转动惯量; ,齿轮,的转动惯量; 滚珠丝杠转动惯量; 参考数控机床,初选反应式步进电机,该步进电机转子的转动惯量 代入上式: = 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 满足惯量匹配的要求。(二) 电机力矩的计算机械手在不同的工况下,所需转动力矩不同,下面分别按各阶段进行计算。1 快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段,加速力矩占的比例较大,具体计算公式如下: 上式中传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 电机最大角加速度 电机最大转速 运动部件最大快进速度 脉冲当量() 步进电机步距角 运动部件从停止起动加速到最大速度所需时间 起动加速时间 摩擦力矩 上式中导轨的摩擦力 导轨摩擦系数 运动部件总重量 齿轮降速比,按 计算 传动链总效率,一般取 折算到电机上的摩擦力矩 附加摩擦力矩式中滚珠丝杠预加负载,一般取,为进给率引力 滚珠丝杠导程 滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取 折算到电机轴上的轴向负载力矩 式中进给方向的最大抗力 上述三项合计: 2 快速起动所需力矩 3 最大负载所需力矩 从上面计算可以看出,三钟工况下,以快速空载起动所需力矩最大,以此项作为初选步进电机的依据。 从数控机床课程设计指导书表4-24查出,当步进电机为五相十拍时 最大静力矩=按此静力矩从表4-23查出,最大静转距为,大于所需最大静转矩,可作为选定型号。二、 伸缩机构步进电机的计算及选型(一) 等效转动惯量计算计算简图见图1-3。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式进行计算:式中 步进电机转子转动惯量; ,齿轮,的转动惯量; 滚珠丝杠转动惯量; 参考数控机床,初选反应式步进电机,该步进电机转子的转动惯量 代入上式: = 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 满足惯量匹配的要求。(二) 电机力矩的计算机械手在不同的工况下,所需转动力矩不同,下面分别按各阶段进行计算。1、 快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段,加速力矩占的比例较大,具体计算公式如下: 上式中传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 电机最大角加速度 电机最大转速 运动部件最大快进速度 脉冲当量() 步进电机步距角 运动部件从停止起动加速到最大速度所需时间 起动加速时间 摩擦力矩 上式中导轨的摩擦力 导轨摩擦系数 运动部件总重量 齿轮降速比,按 计算 传动链总效率,一般取 折算到电机上的摩擦力矩 附加摩擦力矩式中滚珠丝杠预加负载,一般取,为进给率引力 滚珠丝杠导程 滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取 折算到电机轴上的轴向负载力矩 =0上述三项合计: 2、 快速起动所需力矩 3、 最大负载所需力矩 从上面计算可以看出,三钟工况下,以快速空载起动所需力矩最大,以此项作为初选步进电机的依据。 从数控机床课程设计指导书表4-24查出,当步进电机为三相六拍时 最大静力矩=按此静力矩从表4-23查出,最大静转距为,大于所需最大静转矩,可作为选定型号。第三节 涡轮蜗杆电机的计算及选型一、 电机的计算及选型 根据输入转速,选择额定转速为960r/min的电作为动力源。电动机功率为: 式(1.2)式中:ni =4r/min,效率蜗杆传动部分为0.75,联轴器为0.992,由此可得。选择电机型号和参数见表1.1。表 1.1型号额定功率/KW满载转速/(r/min)堵转转矩最大转矩质量/KG额定转矩额定转矩Y132S-639602.02.063 电机轴直径为。其他参数为:电流7.23A,效率0.83,功率因数,转子转动惯量蜗杆传动的传动比iw已知机构输入转速ni=4r/min,根据机构特性,可知转速为20r/min,已选择驱动电机转速为960r/min,则选蜗轮蜗杆的传动比为48。电机轴与蜗杆处联轴器的选择二、 联轴器的计算及选型 为了隔离振动和冲击,选用弹性套柱销联轴器。 公称转矩 式(1.3)由手册查得 ,故得计算转矩为 式(1.4)1) 型号的选择从GB4323-84中查得TL4型弹性套柱销联轴器的许用转矩为125N.m,许用最大转速为4600r/min,轴径为,考虑到联轴器联接的电机轴为28mm,蜗杆联接端为30mm,故适用。(联轴器效率为0.992)。TL4型弹性套柱销联轴器参数及外形如图1.5和表1.2所示。 图 1.5表 1.2型号公称转矩Tn/(Nm)许用转速n/(r/min)轴孔直径d1、d2、dz轴孔长度DA 35质量m/kg转动惯量I/(kgm2)第五章 接近开关及限位开关的选型第一节 接近开关的工作原理及选型一、 接近开关概述电感式接近开关由三大部分组成:振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场,并达到感应距离时,在金属目标内产生涡流,从而导致振荡衰减,以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号,触发驱动控制器件,从而达到非接触式之检测目的接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。根据操作原理,接近传感器大致可以分为以下三类:利用电磁感应的高频振荡型,使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。(一) 高频振荡型接近传感器的工作原理电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场,当金属物体接近传感器检测面时,金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量,使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二种状态,转换为电信号通过整形放大转换成二进制的开关信号,经功率放大后输出。下面为详细介绍:1、通用型接近传感器的工作原理图41振荡电路中的线圈L(如图41)产生一个高频磁场。当目标物接近磁场时,由于电磁感应在目标物中产生一个感应电流(涡电流)。随着目标物接近传感器,感应电流增强,引起振荡电路中的负载加大。然后,振荡减弱直至停止。传感器利用振幅检测电路检测到振荡状态的变化,并输出检测信号。振幅变化的程度随目标物金属种类的不同而不同,因此检测距离也随目标物金属的种类不同而不同。2、 所有金属型传感器的工作原理所有金属型传感器基本上属于高频振荡型。和普通型一样,它也有一个振荡电路,电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率。目标物接近传感器时,不论目标物金属种类如何,振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。3、 有色金属型传感器工作原理有色金属传感器基本上属于高频振荡型。它有一个振荡电路,电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率的变化。当铝或铜之类的有色金属目标物接近传感器时,振荡频率增高;当铁一类的黑色金属目标物接近传感器时,振荡频率降低。如果振荡频率高于参考频率,传感器输出信号。(二) 主要技术参数二、 接近开关的选型目前市场上的主要产品有以下几中:在本设计中我们选用XL-LJM8短圆圆柱电感式接近开关。第二节 限位开关的工作原理及选型行程开关又称限位开关,用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中,将行程开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时,行程开关的触点动作,实现电路的切换。因此,行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器,它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械,用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中,还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位,轿厢的上、下限位保护。 目前市场上的主要产品及安装尺寸如下:在本设计中伸缩机构限位开关我们选用交叉滚轮柱塞型接近开关,提升机构限位开关我们选用滚轮连杆型限位开关。第六章 机械手PLC控制系统设计第一节 PLC的基本概念可编程控制器,简称PLC(Programmable Logic Controller),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的 PLC标准草案中对 PLC做了如下定义:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。”一、 PLC产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求,迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。1968年,美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新,想寻找一种能减少重新设计控制系统和接线、降低成本、缩短时间的措施,并设想把计算机功能的完备、灵活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置,并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化,用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程,使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第1台PLC,并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用,获得成功。从此,这项新技术便迅速发展起来。1971年日本从美国引进了该项新技术,很快就研制出了日本第1台PLC。19731974年,西德和法国也相继研制出了自己的第1台PLC。中国从1974年开始研制,1977年应用于工业生产。限于当时的元器件条件和计算技术的发展水平,早期的PLC主要由分立元件和小规模集成电路组成。19691973年是PLC的初创时期。在这个时期,PLC从有触点不可编程的硬接线顺序控制器发展成为小型机的无触点可编程逻辑控制器,可靠性比以往的继电器控制系统有较大提高,灵活性也有所增强。其主要功能限于逻辑运算、计时、计数和顺序控制,CPU由中小规模集成电路组成,存储器为磁芯存储器。19741977年是PLC的发展中期。在这个时期,由于8位单片CPU和集成存储器芯片的出现,PLC得到了迅速发展和完善,并逐步趋向系列化和实用化,普遍应用于工业生产过程控制。PLC除了原有功能外,又增加了数值运算、数据的传递和比较、模拟量的处理和控制等功能,可靠性进一步提高,开始具备自诊断功能。1978-1983年,PLC进入成熟阶段。这个时期,微型计算机行业已出现了16位CPU,MCS一51系列单片机也由Intel公司推出,使PLC也开始朝着大规模、高速度和高性能方向发展,PLC的生产量在国际上每年以30%的递增量迅速增长。在结构上,PLC除了采用微处理器及EPROM,EEPROM,CMCS RAM 等LSI电路外,还向多微处理器发展,使PLC的功能和处理速度大大提高;PLC的功能又增加了浮点运算、平方、三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等,初步形成了分布式可编程控制器的网络系统,具有通讯功能和远程IO处理能力,编程语言较规范和标准化。此外自诊断功能及容错技术发展迅速,使PLC系统的可靠性得到了进一步提高。1984年后,PLC的规模更大,存储器的容量又提高了1个数量级(最高可达896 K),有的PLC已采用了32位微处理器,多台PLC可与大系统一起连成整体的分布式控制系统,在软件方面有的已与通用计算机系统兼容。编程语言除了传统的梯形图、流程图语句表外,还有用于算术的BASIC语言、用于机床控制的数控语言等。在人机接口方面,采用了现实信息等更多直观的CRT,完全代替了原来的仪表盘,使用户的编程和操作更加方便灵活。PLC的I/O模块一方面发展自带微处理器的智能I/O模块,另一方面也注意增大I/O点数,以适应控制范围的增大和在系统中使用A/D,D/A通讯及其他特殊功能模件的需要。同时,各PLC生产厂家还注意提高I/O的密集度,生产高密度的I/O模块,以节省空间,降低系统的成本。二、 PLC的应用领域目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。(一) 开关量逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域,他取代传统的继电器电路,可实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线和电镀流水线等。(二) 模拟量控制在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量和数字量之间的AD转换和D/A转换。PLC厂家都生产配套了A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。(三) 运动控制PLC可以用于圆周运动和直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/0模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块,可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人和电梯等场合。(四) 闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D,D/A转换,并对模拟量进行闭环PID控制,可用PID子程序来实现,也可使用专用的PID模块。当控制过程中任一个变量出现偏差时,PLC就按PID的算法计算出正确的输出去控制生产过程,使变量保持在定值上。PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备,还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。(五) 定时记数控制PLC具有定时记数控制功能,能保证控制系统所要求的定时和延时以及记数,它可提供十个甚至几百个计时器和计数器,其计时的时间、计数值可以由用户在编写程序时设定,也可由操作员在工业现场通过编程器进行设定。(六) 顺序控制实现顺序控制,可以用移位寄存器和步进指令编写程序,也可采用规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图编写程序,使得PLC实现按事件或输入状态的顺序控制。(七) 数据处理现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较,也可以用通讯功能传送到别的智能装置,或将其打印制表。数据处理一般用在大、中型控制系统,如柔性制造系统、过程控制系统等。(八) 通信和联网PLC具有通信功能,因此PLC可单机控制,也可多机控制;可对远程IO进行控制,又能实现PLC与PLC,PLC与计算机之间的通信;可实现“集中管理,分散控制”,是实现工厂自动化的理想控制器。目前PLC与PLC的通讯网络是各厂家专用的。PLC与计算机之间的通讯,一些PLC生产厂家采用工业标准总线,并向标准通讯协议靠拢。三、 PLC的发展趋势随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展,PLC的结构和功能不断改进,生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品,平均35 a更新换代1次。PLC的发展有2个重要趋势: 向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发展,以适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求,实现机电一体化; 向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工厂全自动网络化方向发展。例如:美国GE公司推出的Genettwo工厂全自动化网络系统,不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能,还具有数值运算、模拟量控制、监控、计算机接口、数据传递等功能,而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。该系统配置了GEBASIC语言,向上能与上位计算机进行数据通讯,向下不仅能直接控制CNC数控机床、机器人,还可通过下级PLC去控制执行机构。在操作台上如果配备该公司的Factory Master数据采集和分析系统,Viewaster彩色图像系统,则管理、控制整个工厂十分方便。智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件。它们的CPU 与PLC的主CPU 并行工作,占用主机CPU 的时间很少,有利于提高PLC的扫描速度。智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制等,高速计数、中断输入、BASIC和C语言组件等。智能I/O的应用,使过程控制功能增强。某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能,使调试时间减少,控制精度提高。目前,个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人机接口终端,其发展是使PLC具备
收藏
编号:43958086
类型:共享资源
大小:3.79MB
格式:ZIP
上传时间:2021-12-05
45
积分
- 关 键 词:
-
自由度
机械手
设计
- 资源描述:
-
喜欢这套资料就充值下载吧。资源目录里展示的都可在线预览哦。下载后都有,请放心下载,文件全都包含在内,图纸为CAD格式可编辑,有疑问咨询QQ:414951605 或 1304139763p
展开阅读全文
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 装配图网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
装配图网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。