立式冲床吸盘式上下料机械手设计

立式冲床吸盘式上下料机械手设计姓 名 袁庆专业班级 机械电子工程学 号 0351169234指导教师胡均安日 期200 6 年 6 月 1 日 工程技术学院制摘要：该立式机床吸盘式上下料机械手用于立式机床自动生产线的上下料装置专用机械手，完成工件从机械手工位到机床工作台的位置转换，其全部动作既可以自动完成，也可以单步手动控制完成，此机械手由手臂伸缩机构，手臂回转机构，中间座部机构，底座等部分组成，有三个自由度来满足生产要，既手臂伸缩运动，手臂水平回转及手臂升降运动。能够在较大范围内移动工件的同时，随意改变手爪位置和方向。其运动均采用液压方式驱动，其电气控制采用PLC进行控制，将全部工作按顺序用PLC编制控制电路，控制电路分为两部分：自动顺序控制和单步点控制，为保证机械手的每一个动作位置的精确度，每一步动作的行程末尾采用挡块定位，进一步提高机械手的自动控制能力和位置精度，以进一步提高生产线的效率和工作质量。此机械手在满足定位精度和工作效率教高的前提下，尽量使其动作简单，易于控制。关键词机械手，PLC，CAD，Abstract:Themanipulatorrefinedlyforgesthemachinetodecendvoluntarilyto expectisusedrefinedlyforgesthemachinehandspecialofthenextmaterialdeviceof automaticproductionline,accomplishesthemechanicalhandworkthattheworkpiece fromtherefinedmechanicforgingdoestochangesthepositionmoves,notonlyhis completelymovescanaccomplishvoluntarily,butalsocansinglestephandmoving controlaccomplish.Thismanipulatorincludesthathandpaw,trickandarmstretch outanddrawbackpartssuchasorganization,armrevolutionorganization,apartof centre,revolutionoiljarandbaseetc,therearefourdegreesoffreedomtocometo satisfytheproductionrequirement,and namely the arm up and down ,trick revolution ,arm standard revolution and its stretching,He canchangehandpaw positionandthedirectioninthebiggerscopeatwill.Hismovesalltousethe hydraulicoilsystem,andthecontrolofhydraulicpressessystemusesPLCtocontrol, and incites to action completely to move according to the sequence with PLCs establishmentcontrolcircuit,andthecontrolcircuitisdividedintotwoparts:Control are put in automaticsequence control and singlestep.Inorder to pledge every one-stepofmanipulatormovestheprecision ofposition,andusesmachinerytobe diedandkeepsoffafixedpositionlocationatthestrokeendofeveryone-stepaction, andraisesautomaticcontrolabilityandthepositionprecisionofmanipulatorfurther, inordertoraiseefficiencyandtheworkoftheproductionlinequantityfurther.This manipulator moves the unity, and the machinerymovessimply,thustheprecisionand work efficiency is high.keyword:manipulator , CAD(computer aided design),PLC.(programmable logic controller). 目 录1概述111工业机械手概述111工业机器手在生产中的应用5112工业机器手的分类 7113工业机械手的组成8113工业机械手的发展方向9113工业机械手的总体设计原则1012立式机床上下了机械手中体设计方案的确定15121用途及结构组成15122立式冲床上下料机械手的规格参数16123机械手总体坐标形式的选择16124主要部件机构方案的选择172内容 1231 结构设计与计算22 311手臂和机身的设计 22 312手臂回转机构的设计 26312手臂升降机构的设计计算29 42 驱动系统的设计30 421驱动系统的选择30 422步进电机传动系统传动方案设计 32 423机械手系统设计与分析33 43 电控制系统的设计33 431电控方式的选择35 432电控原理 30 433电控设计363附录37第一部分 工业机械手概述工业机械手又称通用自动机械手，是一种可编程序的自动机械手，它是在五十年代末出现，近年来迅速发展起来的重要的自动化装置，是实现工业自动化的重要手段，目前，在各个生产领域，为了提高生产效率和产品质量，实现安全生产，都采用了各种不同形式，不同功能的机械手，由于机械手的出现，在许多生产工艺中都代替了人工，使工业自动化有了较大发展，这不仅大大的提高了劳动生产率，改善了劳动条件，减轻了工人劳动强度，而且使成批生产有了质量技术保证，就因为如此，机械手的设计开发成了目前工业技术的重要课题。一，工业机械手在生产中的应用机械手在工业生产中广泛的应用于机加工，锻压，铸造，冲压，焊接，装配，喷漆，热处理。等各个行业，特别是在笨重，高温，有毒，危险，放射性，多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于有显著的优点而备受重视，以下就几种重要机械手作简单介绍。1.机加工自动机械手各类半自动车床，有自动夹紧，进刀，切削，退刀和松开的功能，但仍需要人工上下料，装上机械手可实现全自动生产，一人可看管多台机床，目前，机械手在这个方面的应用最多，由于这方面使用已有成熟经验，国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手，或为用户自行安装机械手提供条件。国内在金属切削加工中，用机械手来完成刀具的自动更新。如：北京第二机床厂，上海第二机床厂等单位研制的加工中心，均采用机械手自动更换刀具，自动线上可用机械手完成传递和上下料了，如：无锡柴油机厂和甘肃汽车齿轮厂加工自动线动采用了机械手。另外，机械手还能代替人工进行打磨，抛光，去毛刺和清理切削等工作。2.锻压机械手在锻造方面，机械手一般用做加热炉，锻压机床或冲床的上下料和工件的传送，其中包括多工位冲床的中间传送。如：天津第二锻造厂研究了JS01通用机械手用于精锻机上下料。3.铸造机械手工业机械手应用较多的实在锻压和熔模铸造中，也用于浇铸，造型，制芯及清理工作。美国Dochlcn-jarvis工厂是使用工业机械手最多的，约12万台，用于压型中取出铸件，然后用喷气法清洗铸件表面，该厂使用机械手后铸件质量得到了改进，质量稳定。4.焊接机械手焊接机械手也是应用较多的，这种机械手可分为点焊接机械手和弧焊接机械手。对于点焊接机械手，起手臂能伸缩，俯仰，回转，手腕能弯曲，转动，扭转。定位精度±1毫米。机械手手臂的端部有一只点焊钳，焊接变压器装在机械手本体上。至于弧焊接机械手，它的焊炬是作复杂三维曲线运动调节焊接范围的功能。5.装配机械手工业机械手在装配中的应用，是近几年国内外研究和发展的一个重要方面。特别是在汽车制造业的装配自动化和弹药装配等危险作业上使用有很大的价值。目前装配机械手正由串联结构想并联结构转换。二，工业机械手的分类目前，我国工业机械手尚无较为统一的分类标准，一般可按机械手的规格功能或用途来分类。1. 若按照规格既所搬运工件的重量来分类，可分为以下几类：1） 微型机械手指搬运重量在1Kg以下。2） 小型机械手指搬运重量在10 Kg以下。3） 中型机械手指搬运重量在50 Kg以下。4） 大型机械手指搬运重量在500Kg以上。2. 按功能分类1）.简易型工业机械手 它可分为固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓或挡快转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。近年来普遍采用可编程控制器（PLC）组成控制系统，这种机械手多为气动或者液压动力，结构简单，价格便宜，改变程序教容易。目前这种工业机械手应用最多。2）记忆再现型工业机械手 这种工业机械手由人工通过示教装置领动一遍，由记忆元件把程序记录下来，以后机械手就自动按照记忆的程序重复进行循环动作。3）计算机数字控制的机械手 可通过更换孔带或者其他记忆介质来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制。4）智能工业机械手（机器人）有电子计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉，热觉，触觉，行走机构等。3.按用途分类1）专用机械手 这种机械手的工作对象不变，动作固定，结构简单，使用可靠，适用于成批，大量生产的生产自动线或专机作为自动上下料用，2）通用机械手具有独立的控制系统，程序可变.动作灵活多样的机械手，该机械手工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于经常变换的中，小批量自动化生产。三.工业机械手的组成工业机械手是由执行机构.驱动系统和控制系统组成的。执行机构由抓取部分既吸盘，臂部，和行走机构等机构部件组成。对于驱动系统，一般有气动，液动，电动和机械式四种形式。目前常用的是气动和液动驱动方式，电动式用于小型，机械式只适用于动作简单的场合。控制系统有点动控制和连续控制两种方式。大多数使用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制.微型计算机数字控制。四.工业机械手的发展方向 世界各国都很重视工业机械手的应用和发展，机械手的应用在我过还属于起步阶段，就显示出了许多的无法替代的优点，展现了广阔的应用前景，对工业机械手在我国的发展，应做好以下工作：1.改变目前多用于冷加工的状况，针对笨重，高温，有毒，危险，放射性，高粉尘，易燃易爆，单调恶劣劳动环境，有计划有步骤的推广应用机械手。2.改变目前串联结构的装配机械手，向串-并结合的方向发展。3.加强机械手基础性能的实验以及基础理论研究，克服和解决制造技术及其他存在的问题。4.提高机械手的运动速度。尤其是应用于冲压行业中的机械手，以适应提高生产率和符合生产节拍的需要，要研究解决机械手的定位，缓冲技术。5.尽快解决机械手的定型设计，定点，定量生产以及配套件的生产和供应问题，推进机械手设计制造中的饿现代化，标准化，系列化工作，以满足国内外市场的需求。6.具有感知能力，并能对感知的信息作出反应的工业机械手是今后研发方向。会持续增长，只要技术和价格方面存在问题得到解决，机械手的应用必将会飞跃发展。五.工业机械手的总体设计原则工业机械手的总体设计任务主要是进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整机结构设计，最后绘出方案草图。总体设计之后要进行各部件的详细设计和计算，包括主要构件强度，刚度，驱动力等的校核验算。1、 运动设计及主要参数确定1）、运动设计是结构设计的基础，它包括选用机械手的运动形式和确定自由度数，通过机械手为了满足不同生产线上的要求，通常是46个自由度。专用机械一般只用23个自由度就能满足特定的工艺要求。专用机械手的运动设计应根据生产条件选择最合理的运动形式，最少的自由度数，达到机械 构最简单。机械手的运动取决于生产工艺、主机与料道空间位置和工件在料道上的方向。从目前的各种资料来看、专用机械手的运动设计要采用多种方案进行比较的方法，对自由度、运动路程的长短、定位点数目等要求进行全面的分析。自由度数少、运动路程短、定位点少，可使机械 构简单，运动速度低。容易使机械手运动稳定，定位准确。机械手常见的运动形式为直角坐标、圆柱坐标（如图所示）、球坐标和关节式坐标四种。同一运动形式，为了适用于不同的生产要求可采用不同的结构圆柱坐标2）、确定主要参数a 、最大工作范围 根据选定的运动形式，按需要决定每个自由度的最大行程，根据行程既可绘出机械手最大的工作范围。机械手自由度的最大行程就是部件设计时的行程。有时为了安装调整方便，设计时将数值略为增大，然后依靠定位挡快调整其准确的定位点。b 、运动速度 行程确定之后，根据给定的工作节拍分配每个动作的时间，总的动作时间应小于或等于工作节拍。如果两个动作同时进行，按时间较长的计算。根据动作时间和行程既可计算运动速度。分配个动作应考虑以下要求：动作给定时间应大于电气元件执行时间。通常机械手回转运动惯性大于伸缩运动，因此时间分配上要使回转运动的线速度小于伸缩运动的速度。在工作节拍短，动作多的情况下，常采用几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，保证动作同步。c 、定位精度 定位精度取决于手臂的刚度，缓冲装置的形成和定位方法。机械手达到所要求的精度有困难时，通常采用辅助工夹具协助定位的方法。利用工夹具的动作，实现工件的最后定位。这种方法既保证工艺要求又可降低多机械手的定位要求2.驱动系统的选择机械手驱动系统有液压驱动，气压驱动和机械联动四种。一台机械手可以用一种方式驱动，也可以用几种方式联合驱动。3、电器控制系统的选择机械手点控系统有各种类型，除了通用机械手外，绝大多数要专门进行电控系统的设计。工业机械手的电器控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序，应达到的位置，如手臂上下移动、伸缩、回转及摆动等都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的动作按照预先制定好的程序来实现的。对于工业机械手来说，电气控制的检测机构有较重要的作用。检测是为进行比较和判断提供依据，是操作和控制的基础。常用的位置检测元件有。1） 行程开关 这种开关有称限位开关，主要用于将机械位移转变为电信号，控制驱动电动机的运行状态，或控制有关电磁阀动作，从而实现机械手的定位或进行行程控制。行程开关由微型开关、操作机构及外壳组成，通常是将他们与固定式或可调式挡快配合使用，利用装在机械手不见上的挡快，触动操作机构，使微型开关触头闭合或断开。2） 接近开关 这种开关主要利用接近体与检测线圈间的电磁感应作用来检测位置，是一种无触点行程开关。3） 电位器 电位器的结构简单，输出信号大，可测直线和角度位移，使用方便，价格低。起缺点是分辨率不高，放大器和执行机构有一定的死区，因而控制精度不高。4、总体设计中的几个问题1）、结构布置上的要求机械手工作中运动速度较高，在结构布置上应保证运动平稳，这样可提高机械手的使用的可靠性，并可延长寿命，在结构布置上要注意以下几点：a 、手臂要防止偏重 在设计手臂，手腕结构时要尽量使其重心在支撑中心，防止对支撑中心的偏重。手臂偏重会引起导向装置不均匀的磨损，运动中心会引起机械手震动，严重时回造成运动卡死。通常采用以下措施：b 、减轻手部的重量，减少偏重载荷。可采用铝合金制造手部。c 、合理分布手部重量增加平衡重，使手臂平衡。d 、某些机械手的结构上无法避免偏重，则应加强导向支撑，尽力减低偏重对运动的影响。2）、加强手臂刚度 选取手臂结构时要注意各个方向的刚度。提高手臂刚度是减少手部颤动的关键，有利于提高定位精度。手部的刚度决定其断面的形状和导向装置的结构。3）、改进缓冲装置的提高配合精度 机械手缓冲专职是保证运动平稳和减少震动的主要措施。冲击产生有两种：一是机械冲击，它是由手臂运动中与定位装置相碰撞而产生的，可靠缓冲装置消除。另一种是液压系统动作是产生的冲击。这种冲击产生于管路中，仍会引起机械手振动，要靠改进液压需要的设计来解决。提高部件的配合精度，减少间隙都有利于运动的平稳。特别是高速运动的机械手更要保证加工精度和间隙配合。机械手的紧固件在运动中受变载荷的作用，必须采取防松措施。5、工艺要求机械手的结构设计除了决定于运动外，还决定于工艺要求，工艺要求分为两类：1）、使用环境的影响，如高温工作，海底作业，原子能作业等。机械手结构要符合特殊的环境的要求。2）、主机和辅助设备工作特点的影响，如制造要求机械手抗震。冲压要求高速，多品种产生要求手部通用或能够快换等，因此必须充分研究工艺对机构的影响。6、液压执行元件的选择液压机械手起执行元件多用活塞油缸，摆动油缸及液压马达。每种执行元件可以直接或间接与输出轴联结，实现机械手的动作。各元件的特点如下：1）、活塞油缸 活塞油缸加工容易，密封简单，启动反映快，易于制动。因此除了做直线运动的执行元件外，常经过齿条，齿轮等机构实现手臂回转运动。太长的活塞油缸加工困难。2）、摆动油缸 摆动油缸加工困难，密封要求高，容易产生泄露。摆动油缸尺寸小，重量轻，有利于简化机械手结构，常用于手腕回转和中小型机械手手臂的回转。3）、液压马达 油马达成本较高。使用时，需油量不大而且稳定。泄露虽然较大，但一般在降速状态下使用，因此输出扭矩比较稳定。采用油马达传动的机械手结构简单特别适用于较大回转角的往复运动，有利于降低整机重量。7.油管布置油路布置是结构设计的一个重要问题，机械手常用油路为油管、气管、水管以及电气线路。管路布置的基本要求是：牢固、整齐、便于维修。机械手常采用内外走管相结合的走管形式。一般情况下，内部走管多利用缸臂和活塞杆钻孔通油，在导向杆内安装伸缩管通油，在立柱中钻孔安装配油盘等。外部走管常采用活动软管通油，此种油管通油比较方便，软管还能吸收液压冲击能。起缺点是容易碰断和缠绕，要采取防护措施。一般来说手部和腕部采用内部走管便于手臂运动，而手臂和机身采用软管连接为好。第二部分 立式机床吸盘式上下料机械手总体设计方案的确定一、 用途及结构组成该立式机床吸盘式上下料机械手的作用是将工件搬运到机床上锻造后去下并送到下一道工序中。此机械手主要由吸盘，手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构，中间座部件，底部等几大部分和其他一些附件所组成。二、 立式机床吸盘式上下料机械手的规格参数抓重： 10Kg自由度数： 3个坐标形式： 圆柱坐标最大工作半径： 1000mm手臂伸缩范围： 0500mm手臂伸缩速度： 伸出170mm/s 缩回133mm/s手臂回转范围： 0°200°(实际使用95°)手臂回转速度： 63°/s三、 机械手总体坐标形式的选择根据人工电葫芦吊料装置的上下料动作类似于直角坐标形式。考虑到圆柱坐标形式占地面积而动作范围大的 特点，确定圆柱坐标形式。圆柱坐标形式四、 主要部件机构方案选择1、手部结构的选择方案手部是用来直接接触工件的部件，由于被握持工件的形状、大小、尺寸、重量、材料性能、表面状况等不同，其手部结构也不同。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分为夹持式和吸附式两大类，对于夹持类手部按其手指夹持工件时运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种。如图：1）单支点回转型 2）双支点回转型 3）平移型手指方案一 平移型手指对于平移型手指，其手指的张开闭合靠手指的平行移动，适合夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆直径棒时，不会一起中心位置的偏移。但这种手指结构复杂，体积大，要求加工精良度高。方案二 回转型手指回转型手指的张开闭合靠手指根部的回转运动来完成。这种手指结构简单，形状小巧，使用于夹持棒料，目前应用较广泛。一般典型的回转结构有滑槽杠杆和楔型块式等吸附式手部可分为磁力吸盘、真空式吸盘：真空式吸盘根据真空产生的原理可以分为三种：1）、真空式吸盘；这种吸盘比其他吸盘的吸力大，2）、气流负压吸盘；在工厂一般有空压机，气源比较容易解决，不需要专门给机器配备真空泵，所以这种吸盘在工厂使用比较方便；3）、挤气负压吸盘；这种吸盘比较经济，可靠性相对比较低。由于本设计是在工厂使用的机床上下料机械手，因此选用比较合适的第二种吸盘方式。2.臂部机构的选择方式手臂部件是机械手的主要握持部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的是把手部空间运动范围内的任意一点。如果改变手部姿态，则用腕部加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的 伸缩，左右回转和 升降运动。对于臂部应承载的 伸缩能力大、刚度好。自重轻、惯性小、动作灵活，为此为了减少臂部重量，一般采用铝合金等轻质、高强度的材料。1）、手臂伸缩机构的方案选择对于手臂的伸缩机构又以下几种方案可供选择：方案一 双导向杆手臂伸缩机构，此种结构手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单，传动平稳。方案二 双层液压缸空心活塞杆导向结构，该结构特点是工作液压缸容积小、运动速度快、伸缩范围大、缸内走管。外形整齐、活塞杆直径大，增加手臂刚性。方案三 滑枕导向伸缩机构，该机构导向装置采用燕尾形滑枕，其导向性性能非常好，手臂刚度较大、工作时运动平稳，油管采用伸缩油管形式，很好的保护了油管。此外，此机构的定位精度高。由于此机械手抓重较大，属于中型机械手，考虑到滑枕导轨刚度大且运动平稳，选用方案三较适合。2）、手臂升降机构方案的选择一般情况下，手臂升降机构可采用的结构方案有：方案一 双作用式油缸实现升降运动，同单作用式油缸相比，这种油缸的应用广泛的多，压力油可代替向活塞两侧供给，驱动活塞做往复运动。其推拉两个方向上的运动速度和供油压力可以控制，这样一来，其定位精度较高。方案二 采用花键导向的手臂升降结构，该结构的特点式内部导向，活塞杆直径大，刚度大，传动平稳。为了提高机械手的定位精度，选用双作用式油缸实现升降运动的机构3）、手臂回转机构的选择手臂回转通常由机身部件来实现，常用的有以下几种典型回转机构组合有回转缸置于升降缸之下的机身结构、回转缸置于升降缸之上的结构、活塞缸和齿轮结构。由于前两种结构所采用的花键轴承受扭矩大且刚性差，故拟采用活塞缸和齿轮结构。五、驱动系统的方案选择工业机械手的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可以由这三种基本类型组合完成复合式的驱动系统。方按一 液压驱动系统 由于液压技术式一种比较成熟的技术，它具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用与承载能力大、惯量大以及在防暴环境中工作的机械手。方按二 气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等特点，适用于中、小负载的系统中。但难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。方案三 电动驱动系统 由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及配套的伺服驱动器的 广泛使用，这类驱动系统也应用较多。考虑本机械手的实际使用情况，因此宜选用步进电动机驱动系统。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）综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：第三部分 结构设计与计算一、 臂部和机身的设计1、臂部结构设计臂部结构应具有承载能力大，刚度好和自重轻的特点，另外其位置精度要求高。本机械手手臂运动形式有手臂伸缩和升降的直线运动，有手臂左右摆动的回转运动。1）、手臂伸缩机构该机构主要由步进电机、中间架体、滑枕、等组成，中间架体的底部和中间座联接，手臂右端出口处手腕和机械手抓手步进电动机部分联接，当手臂伸缩步进电动机输出动力后连动链条带动滑枕上的定滑轮转动，通过齿轮连动滑枕做前后运动实现手臂往复运动，其行程大小靠挡块和行程开关来调整，伸出端在可调式定位螺钉上，确保定位精度，手臂伸缩导向装置采用燕层形滑枕，导向性能好，手臂刚度大，工作时运动平稳。2）、臂部回转机构考虑到在常用的机械传动中，以齿轮的效率最高（一级圆柱齿轮传动下率可达99）在同样的使用条件下，齿轮结构最紧凑，另外是齿轮传动工作可靠，寿命长，且其传动比稳定等因素，本机构拟采用步进电机及圆柱齿轮和手臂底等组成的行星轮系来实现。当回步进电机转动时，带动输出轴和行星齿轮自转，由于行星齿轮与相对固定中心轮亿齿合迫使行星轮产生一个公转运动，从而带动手臂绕轴线回转，而为手臂的回转运动，手臂实现回转角度为180°，步进电机在机件外部，因而安装维修方便，该步进电机还能起到部分的平衡作用。2、步进电机的设计计算由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构：     电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：       如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。      如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。  如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3     这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。     由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。     不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。    不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。   3、力矩：     电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比S其磁通量=Br*SBr为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。二、手臂回转机构的设计1）、手臂回转时所需的启动力矩驱动手臂回转力矩M驱，应当与手臂启动所产生的惯性力矩M惯及个密封装置的摩擦阻力矩M封相平衡。M驱=M惯+M封式中：M封密封装置处的摩擦力矩（N×m），一般取M封=0.1M驱M惯=JOV=JOW/tW回转的角速度变换t启动过程JO手臂回转部件对回转轴的转动惯量，为了计算需要将手臂等效为一个圆柱体，其等效高1000mm，直径240mm，其所受重力为2000N。JO =1/12×2000/10×（12+3×0.122） =17.48Nms2W=60/80×3.14=1.099rad/s取响应时间 t=0.47s代入： M惯=17.48×1.099/0.47=40.9Nm M驱=0.1 M驱+17.48+40.9 =64.87Nm2、手臂回转轮齿轮设计选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数1）齿轮传动就装置类型来说，有开式，半开式和封闭式之分；开式传动齿轮适用于低速传动，由于本机械手的回转速度很低，故可采用开式直齿圆柱齿轮，为减轻重量，采用腹板式。2）机械手为一般共况下的工作机器，速度不高，故选用7级精度即可。3）材料的选择 一般对齿轮尺寸较大，工作速度较低、周围环境粉尘含量极高的工作状况下，往往选择铸钢和铸铁等材料，其耐磨性及强度都较好。4）选择齿轮齿数对于齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使轮齿不至于过少，故不宜选用过多的齿数，一般可取Z=1720这里取Z=20按齿面接触强度计算由于设计计算公式进行计算d12.323（K1T1/d）（u+1）/u（ZE/H2确定公式内各计算数值：1）选载荷系数K=1.32）计算齿轮传递的转矩选取电机功率P=7.5KWn=11r/minT=95.5×105×7.5/11 =6.5×106N.mn3）选取锯齿宽度系数b=0.44）材料弹性影响系数ZE=188.9Mpa0.55）按齿面硬度得小齿轮的接触极限为580Mpa6）由计算应力循环次数：设其工作寿命为12年，每年工作300天，两班制则N=60njLh=3.8×1077）接触疲劳寿命系数KHN=0.968）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数为s=1由公式H= KHNHLim/s=551Mpa计算：1）计算齿轮分度圆直径代入公式得352.8mm2）计算圆周速度v=dn/60000=2.03m/s3）计算齿宽b b=141.12mm4）按实际载荷系数校核分度圆直径载荷系数K=KAKVKHHA =1×1.09×1.2×1.37 =1.53 故d=370mm中心轮与星形相噘和的中心齿轮直接固定在手臂中心支架上，由于其传动比Z2/Z1=20分度圆直径为370mm模数m=p/=D/Z=18.5mm齿宽为141mm校核验算F=2T/d=3513.5NKAF1/b=24.9N/mm故合适三、手臂升降机构的设计计算1）、手臂作升降运动的液压缸驱动力驱动力F=F惯+F摩+F密+F回+G式中F惯起动或制动时，链条所受平均惯性力，F惯=(G/g)(v/t)G参与运动的零部件所受的总重，G=5600Nv由静止加速到常速的变化量；t启动过程时间，一般取0.010.5S，这里取t=0.03S取液压缸工作压力P=1.6MpaF惯=5600/9.8×0.102/0.03=194209NF摩摩擦阻力，=0.32fF回步进电动机自身停滞所造成的阻力，按F回=0.05P来计算；代入驱动力F的计算公式得，F=1.5×104N。第四部分 驱动系统的设计一、 驱动系统的选择1、 各类驱动系统的特点驱动系统为机械手提供运动的动力，是运动源。启动系统按驱动介质的不同可分为液压驱动、气压驱动、电机驱动、机械传动，也可采用几种方式联合驱动。下面介绍三类主要系统的特点：1）、液压驱动系统 液压驱动具有以下优点：液体压力高，可以获得较大的输出力；油液压缩性小，压力、流量均易控制，可以实现无机调速；反应灵敏，可实现连续轨迹控制；在输出相同力的情况下，机构的体积小、维护方便。2）、气动驱动系统 具有速度快、系统结构简单、维护方便、价格低的特点，适用于中小负载的系统中。但难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。如上下料和冲压系统中应用较多。3）、电动驱动系统 由于低惯量、大转矩的交直流伺服电机及配套的伺服驱动器的确广泛应用，这类驱动系统在机械手中被大量选用。2、工业机械手驱动系统的选择原则设计机械手时，选择哪一类驱动系统。要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性能与价格比以及现有条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统的特点的基础上，综合上述各因素充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性进行综合选择。一般情况下，对于物料搬运，重负荷的可选液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。由于上述特点，根据本次设计的机床的情况，选用中型驱动程序。本次设计的立式机床吸盘式自动上下料机械手也是采用步进电动机传动。但是步进电动机传动也有其缺点：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。二、步进电机系统传动方案设计步进电机系统在机械手中所起的作用是通过电转换元件把控制信号进行功率放大，对电动动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械手臂按给定的运动规律动作。电机驱动动力机构多数情况下采用直线带动或通过链条、齿轮进行作用力，由于实现手臂的伸缩升降及手臂的回转。连续做功的步进电机驱动系统。三、机械手系统设计与分析2、立式机床吸盘式上下料机械手动作顺序立式机床吸盘式上下料机械手动作顺序：油泵启动待料手臂定位手臂外伸手臂下降吸盘抓料手臂缩回手臂回转手臂第2次前伸吸盘出气松开手臂第2次缩回手臂上升手臂反转复位待料卸荷（循环结束）上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁转向阀按程序指令的顺序来实现的动作的循环和连续上料过程。第五部分 电器控制系统的设计一、电控方式的选择电控线路辅助步进电机控制机械手自动完成工件的上下料运动。机械手的电控有多种类型。除专用机械手外，大多数要专门进行电控系统的设计。根据控制程序的不同，电控方式分为固定程序，包括继电器线路、半导体逻辑线路、可编程序，包括顺序控制器，示教再现式计算机。如图步进电动机驱动系统电路图：继电器控制功能单一，灵活性、稳定性、可靠性均较低，而且设备维护维修不便。可编程序控制器是微机技术与继电器常规控制技术性结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用做数字控制的专用计算机。PLC现已成为现代工业控制三大支柱之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通讯联网功能、易于与计算机接口、能对其模拟量进行控制、具备高速计数与位移等高性能模块等优异性能采用PLC自动控制，不仅使电控系统构成简单，省去了诸如继电器之类的固体电子器件，简化了复杂的硬件接线线路，而且可以使控制极具柔韧性和扩展性。与继电逻辑电路相比，具有体积小、功耗低、寿命长、抗干扰能力强、可靠性高等特点。调试、维护、使用极为方便。二、电气控制原理1、顺序动作控制顺序动作控制的编程方式很多，如逐步锁定法、步进指令法、移位寄存器法，这里采用移位寄存器法。这种方法的优点是简便、易读、条理清晰，尤其适合于很多小的动作组成的整套动作。特别是避免了前面的多个电磁阀、行程开关的闭和断开的相互约束，而导致后面梯形图难于画，编程复杂及程序的可读性和梯形图的可观性差诸多缺点。2、具体控制方式根据设备和工艺的要求，该机械手需要三种控制方式：步进调试控制、半自动单周期操作方式和连续自动循环操作方式。1）、步进调试控制机械手在原位时，每按下按扭，机械手按动作的固定顺序动作一步。2）半自动单周期操作方式机械手在原位时，按下启动按扭等，机械手执行周期动作。当按下复位按扭，机械手重新周期动作。3）连续自动循环操作方式将相应的按扭一直接通，机械手连续自动循环工作。三、电气控制设计1、机械手工艺流程示意图机械手工艺流程示意图2、机械手动作顺序表步序输入条件输出状态手臂外伸手臂缩回吸盘出气手臂上升手臂下降手臂定位手臂回转手臂复位小泵卸荷大泵卸荷灯原点7ST3ST+待料卸荷1SB+手臂定位2SB+手臂外伸KP+手指张开1ST+手指夹紧KT1+手臂下降KT2+手臂缩回2ST+手臂回转4ST+手臂再次前伸5ST+手指松开6ST+手指闭合手臂缩回KT3+手臂上升3ST+手臂反转复位8ST+原位9ST+总结该立式机床吸盘式上下料机械手用于立式机床自动生产线的上下料装置专用机械手，完成工件从机械手工位到机床工作台的位置转换，其全部动作既可以自动完成，也可以单步手动控制完成，此机械手在满足定位精度和工作效率教高的前提下，尽量使其动作简单，易于控制。参考书目a) 李允文主编，工业机械手设计.北京：机械工业出版社，1996b) 天津大学编，工业机械手设计基础.天津：天津大学出版社，1980c) 张健民主编，工业机器人.北京：北京理工大学出版社，1988d) 蔡自兴主编，机器人原理及其运用.长沙：长沙中南工业大学出版社，1988e) 徐景主编，机械设计手册第五卷.北京：机械工业出版社，1992f) 高井（日）主编，工业机器人的结构与应用.北京：机械工业出版社，1977g）焦振学主编，机床电器控制技术.北京：北京理工大学出版社.1992h）邓星钟 周祖德 邓坚主编 基电传动与设计 华中理工大学出版社 2000年i）工业机械手图册编写组 工业机械手图册 机械工业出版社 1978年