PLC控制的通用平移机械手设计【含CAD图纸、说明书】
运动学分析和优化设计 3-PPR 平面平行机械手摘要:本文提出了一种 3-PPR 平面并联机械手,其中包括三个活性柱状节理、三个被动的柱状节理、三个被动转动关节。分析了运动学和优化设计的机械手,对其进行了讨论,提出机械手具有直接运动学的封闭式和无空隙随着边界的凸式空间。分析机械手的运动学和逆运动学,和逆雅可比矩阵推导机械手。改变旋转限制和机械手的工作空间研究,对机械手的工作空间进行了仿真。此外,为优化设计的机械手,机械手的性能指标进行了研究,然后优化设计方法是使用最小最大理论。最后,用一个例子进行了优化设计。关键词:平面并联机械手,运动学,雅可比矩阵,优化设计,最大最小1 引言并联机器人组成的闭环有许多优势,比串联机器人有更高的精度和刚度。众所周知,并行比串联机器人有更高的有效载荷重量比、更高的精度和较高的结构刚度。最近一些机床已开发利用这些优点,机械手的精细运动的全钢载重子午线也采用并行机制,从平价等位基因机制制造单片机。并联机器人中,平面并联机器人是平面机械手运动。平面并联机器人有两个自由度(DOF)的运动;这是两个自由度的运动和一个旋转的运动。这众所周知,平面三自由度并联机器人的存在,RRP,RPR ,RPP,PRR ,PRP,和 PPR,取决于棱柱形接头和旋转的组合接头,不包括 PPP 的组合,其中棱柱和旋转接头由 P 和 R。解决方案的直接运动学系统架构的平面并联机器人进行了已经提出了,但更多的控制克里特岛的解决方案和运动学分析架构要求。大多数的 3-DOF 平面并联机器人有手有缺点复杂的直接运动学多项式类型和无用的空隙小工作区以及凹型边界。直接运动学多项式的增加,求解方程以及选择合适的溶液变成一个巨大的负担。此外,凹型边界诱导非直从邻居的运动边界其他人。因此,一个并行的是很重要的机械手具有封闭式直接运动学和一个凸型空隙泰伊工作区边缘。在本文中,一种 3-PPR 平面平行机器人,其中 P 是一个活跃的棱柱关节,提出了克服上述的缺点,即该机器人有一个封闭式直接运动学和无空隙随着边界的凸式空间。该机械手的运动学分析,首先直接运动学,逆运动学,该机器人逆雅可比矩阵派生的。第二,旋转限制和工作区进行调查。同时为优化设计该机械手的操作,性能指标机器人进行了研究并优化设计方法是使用最小最大值进行理论。最后,一个例子使用最佳的的设计方法。2 对 3-PPR 平面描述并联机器人一种 3-PPR 平面并联机械手的组成三个活动的柱状节理,三个被动柱状节理,三个被动转动关节,一个移动板和链接。主动关节可以电动旋转电机和滚珠式运动变换螺钉。三个环节为主动关节运动是固定的基地与每个链路两端架。这个程度自由(自由度)的平面机械手 m,是由其中 L 为刚性体的数目,n 是接头的数目,和 DL 是自由度关节 I。3 直接运动学坐标和几何参数本机械手。移动板是一个圆圈,它包含一个设备外侧三角,一个半径为 R 的中心旋转接头在三角形的顶点。有源棱柱形接头两侧的旅行在外的等边三角形,其中包含一个当坐标与半径为 R 的每圈主动关节的AI( Xi,Y i) ,其中 i1,2 和 3,移动板(X,Y )和旋转从参考点。然后每个长度的被动链接,由于内部和外部的三角形等侧的三角形, 角:因为这个机器人有八个刚体内部的三角形,边长 E:内部三角形:源关节的相对位移:4 逆运动学和逆雅可比矩阵图 3 显示了 DES 的坐标系统主要研究一种 3-PPR 平面运动学逆解并联机器人。当中心的移动板从原点 O 的动作翻译(x, y)和旋转,顶点 B 表示为:i= 1,2,3。有源棱柱的起源 是由联合 r 从成因分提供的用户界面,VI 是单位向量轴,E 是主动轴移动关节,B 是顶点的坐标:对方程的逆雅可比矩阵的元素不具有相同的尺寸,相应的最后一列旋转具有长度。由第三列的无量纲,一个均质水逆雅可比矩阵与无量纲元素主要是通过5 旋转的限制和工作区动片的转动受到限制通过链接之间的干扰旋转关节。图 4 显示了配置这种机械手的旋转限制顺时针和逆时针的案例(a)和案例(b) 。假设该链接的宽度是可以忽略的:它的结论是移动板 3PPR 平面并联机器人是有界的通过 从最初的旋转。6 局部性能指标的使用逆雅可比矩阵逆雅可比矩阵提供了对 PAR 的运动学结构瓦的质量等位基因操纵。在本文中可操作性电阻率,并通过逆雅科各向同性边被认为是该性能指标并联机器人。可操作性,这是从一个距离奇异,评估的母牛产品质量如关节速度的机械手。那是,更远的机械手的结构是从奇异性更快的机械手移动。小的可操作性,表明有一个奇点附近的摩尼的配置机器人。因此,最好是有最大质量,并联机器人的可操作度,是指由在非冗余的情况下,可操作性的 Wm 降低到相逆的行列式雅可比矩阵7 结论一种 3-PPR 平面并联机器人已提出的,和运动学分析和机械手的优化设计进行了探讨。直接运动学,逆像数学和玛尼逆雅可比矩阵推导了机器人。模拟同样的工作区机械手,为优化设计机械手的迹象,性能指标作为灵巧的工作尺寸空间,在可达大小的差异工作空间和灵巧的工作区,可操作性,电阻率和各向同性。优化设计参数进行了实况转播得到的极大极小原理,和一个例子说明了优化的有效性设计。从机器人的运动学分析,我们可以得出以下结论:(1)该机械手的自由度为三;即两个平移和一个旋转的飞机上。(2)这个机器人有一个简单的封闭式直接运动学,逆运动学和雅可比。特别是直接的机械手,最多有两个根。(3)由于各环节之间的干扰和旋转接头,该移动板机械手控制程序是被旋转的。它也表明,工作空间该机械手不包含任何空隙,而且他们有凸型边界。(4)该机械手的奇异配置理性。全球性能是 a ZC / 2 对称。可操作性随远离N / 2 和 R / R 增加。可操作度急剧增加,作为一个“ 远从,7 / 2 和 R / R 增加。相反的可操作性,电阻率降低。各向同性的,这取决于 R / R 比,R / R 增加增加。(5)该机械手可以优化设计通过选择适当的分配权重,每性能指标的最小最大理论。8 总结目 录 摘要1关键词11 前言12 机械手的基本要求及相关计算42.1 对机器人整体的设计要求 42.2 零件的基本要求及参数43 机械手原理分析、方案确定及材料选择 53.1 驱动方式53.1.1 液压驱动53.1.2 电机驱动63.2 传动方式63.2.1 带传动63.2.2 链传动73.2.3 齿轮传动73.2.4 蜗杆传动73.3 机械手结构83.4 机械手材料103.4.1 机械材料选用原则103.4.2 材料的工艺要求10 3.4.3 零件材料从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要 求114 机械手的计算124.1 机械手零件尺寸及强度计算及校核124.1.1 机械手爪的受力分析124.1.2 丝杆的尺寸计算138 总结4.2 齿轮的选择及计算134.2.1 选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数134.2.2 按齿面接触强度设计144.2.3 按齿根弯曲强度设计164.2.4 几何尺寸计算17 5 锥齿轮的几何尺寸设计计算175.1 大端模数175.2 其他参数186 轴的设计196.1 初步估算中间轴的最小直径196.2 求轴上的载荷206.3 画弯矩图、转矩图216.4 按第三强度理论进行强度校核226.5 校核轴的疲劳强度226.6 轴的疲劳强度安全系数校核256.7 轴的刚度校核266.8 蜗轮蜗杆的计算及校核277 轴承选取与寿命计算288 PLC 概述308.1PLC 的定义308.2PLC 的由来及发展318.3PLC 的特点及用途329 控制系统的功能要求349.1 机械手的结构349.2 硬件系统设计369.3 PLC 的选型379.3.1PLC 的 I/O 资源配置389.3.2 其他资源设置399.3.3 总体流程设计408 总结9.3.4 各个模块梯形图设计41结论55参考文献 55致谢57附录578 总结PLC 控制的通用平移机械手设计 摘要:机械手设计包括机械结构设计,检测传感系统设计和控制系统设计等,是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的分析,设计出机械手的总体方案,重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计,完成了整个系统工作的图纸设计。实现了机械手的基本搬运功能,达到了预期要求,具有一定的应用前景。关键词:机械手 PLC 机械传动General Translational Manipulator Design PLC ControlAbstract:Design of manipulator mechanical structure design, sensor detection system design and control system design, is a comprehensive application of mechanical, electronic, detection, control and computer technology. This topic through the analysis of the design requirenments, design the overall scheme of the manipulator, focuses on the design of hand structure and the design of hardware and software of control system, completed the design drawings of the system work. The realization of the basic functions of the conveying manipulator, reached the expected requirements, and has a good application prospect.Key words:Manipulator PLC Mechanical transmission1 前言1.1 研究的目的和意义近 20 年来,机械手技术的应用领域迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。机械手电气可编程控制技术与气动技术相结合,使整个系统自动化程度更高,控制方式更灵活,性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,对气动技术提出了更多更高的要求,国内外都在大力开发研究。随着微电子技术、PLC 技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用,机械手的应用领域现代汽车制造业、彩电和冰箱等家电行业及食品药品行业,他的应用前景非常广。1.2 国内外的发展状况8 总结1954 年,被称为“机器人之父”的美国科学家 Gerge Dev 取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权,该设备能执行从一点到另一点的受控运动(即点一点运动),这被认为是“机器人时代”的开始。五年后,普兰耐特公司出售第一台工业用机器人。60 年代中期,随着机器人学这一新领域的发展,在麻省理工学院、斯坦福大学、斯坦福研究所(SRI),以及苏格兰爱丁堡大学这样的理工学院中,出现了好几个研究中心,并出现了涉及人工智能的研究课题。1970 年,机器人学界早期的改革家之一,Victor Schemnna 在斯坦福大学演示了一种计算机控制的工业机械手,这就是非常著名的斯坦福机械手。它非常先进,技术很复杂,迄今还被很多研究中心使用。70 年代以后,机械手和以机械手为核心的自动化设备在工业发达国家,尤其在日本,有了广泛的应用。由工业机械手与其它设备组成的生产线极大的提高了企业的劳动生产率,提高和稳定了产品质量,大大缩短了产品更新换代的周期。这些应用在很大程度上激发了人们对机械手的研究和开发,它的技术也因此取得了长足的进步。80 年代,人们为了让机器人技术向各行各业扩展、应用,于是有了用于社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下采矿、军事作战、救灾抢险等领域的机器人。应用于这些领域的机器人,绝大多数都是由机械手和与之对应的安装平台组成的。到了上世纪90 年代,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展和它们之间的相互整合,机械手技术得到了飞速发展。除了工业机械手水平不断提高之外,各种用于非制造业的特种机械手也有了长足的进展。现代控制理论使得机械手控制系统的性能进一步提高。传感器技术的发展和应用大大的提高了机械手的作业性能和对环境的适应性。网络通信技术实现了多个机械手的协调工作,也使得机械手山过去的专用设备向标准化设备发展。微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用,使机械手的可靠性有了很大的提高。还有通过诸如模态分析、有限元分析及仿真设计等现代设计方法的运用,某些领域的机械手已经实现了优化设计,在这个方面做的比较突出的是德国的 KUKA 公司。罗斯罗卡公司研制的“罗德”轮式机器人。该机器人可用于清理雷场和移动机器人操作机械手设计与分析处理炸药等危险物品。该车长 1.4m、宽0.67m、重 350kg、(6x6)驱动、动力装置为 1 台电动机,车上供电蓄电池可使用 2h,车速(前进或后退)可在 06.skm/h 之间连续变化。车上装有活动操作臂,有 6 个自由度,固定在机器人车的旋转塔上。操作臂不伸长时可吊重 80kg,伸直时最长为1.ms,此时可吊重 16kg。操作臂顶端装有夹爪,夹紧力可达 30kg,能把物体提升至2.75m 高。该车采用 100m(或 250m)长的电缆或无线电装置进行遥控。操作手完成整个操作过程必须借助 1 台黑白或彩色电视显示器,显示车上 3 个摄像机获得的监视驾8 总结驶、操作臂控制和夹爪操作的图像。车上装有两个卤气探照灯,可在夜间或能见度很低的地区使用。我国的机械手研究与开发工作起步较早,曾经有过一些成果,但在产业化和应用上,一直步履维艰。改革开放以来,通过“七五”,”九五”科技攻关,目前基本掌握了机械手的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术生产了部分机械手关键元器件,开发出了喷漆、弧焊、装配、搬运等机械手。但是,我国的机械手技术及其应用程度和发达国家相比还有很大的差距,如:可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上远远赶不上发达国家。以上原因主要是没有实现机械手的高度产业化。2 机械手的基本要求及相关参数计算2.1 对机器人整体的设计要求对机器使用方面的要求:事先预定的功能是设计的基本要求,好的使用性能指标是设计的主要目标;另外,操作使用方便,工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外表美观、噪音低等往往是机械设计说要求的。对机器经济性能的要求:机械手经济性能主要体现在设计、制造和使用的全过程中,在机械手设计时要全面综合的考虑,设计的经济性主要体现在合理的功能定位、实现功能的简单技术途径和简单合理的结构。2.2 零件的基本要求及参数机械零件是机械手的基本构成,对机械手设计的最终都是通过零件的设计来实现的,所以设计零件时应满足的要求是从机械手功能要求引申出来的,也是从机器人的经济性能和技术性能来考虑的。要求在预定的期限内安全可靠的工作,从而保证机械手的各种性能在工作期限能内能够可靠的实现,这就要求机械手的各种零件在工作期限内不能产生各种时效形式,即零件的强度、刚度、机械性能的稳定性、耐磨性和温升性能满作必要的条件,这些条件就是判定零件工作能力的准则。要尽量的降低零件的设计制造成本,这要求从零件的设计制造等多方面加以考虑,设计时合理的选择零件的材料和毛坯的形式,设计简单合理的零件结构,合理的设定零件的共差等级以及认真考虑零件加工工艺性,另外要尽量考虑选用标准话、通用化和系列化的零部件。任何一部机器都由动力机、传动装置和工作机器组成,动力机是机械的动力来源,可直接利用自然资源(即一次资源)或二次资源转化为机械能,如水轮机、汽轮机、8 总结液压马达、电动机等,工作机是机器的执行机构,传动机构是一种中介机构,实现能量的传递和其他作用的装置。下表是机械手的相关参数:表 2.1 机械手的基本参数Table 2.1 parameters of the manipulator定 位 精 度 3mm安 装 方 式 平移式地面安装抓起工件重量 10 kg控制功能 自动控制/手动控制状态显示 指示灯S 轴(回旋) 180U 轴(手腕左右摆动) 60B 轴(手腕俯仰) 60T 轴(手腕回旋) 1803 机械手原理分析、方案确定及材料选择3.1 驱动方式目前机械手的驱动方式有液压驱动、电器驱动和气压驱动等多种方式,各种启动方式有自己的特点,在工业机器手中液压、气压传动较多。有的机器手才有多种驱动方式并存,机体采用哪一种方式要根据工业要求和机器手具体特点而定,比较各种机器手的特点,选择合适的驱动方式。3.1.1 电机驱动电机驱动系统按照电机驱动方式分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多台电机驱动系统等,过电机驱动系统有很大的区别,性能上也存在着很大的差异,在这里不对电机系统作更进一步阐述,只把电机驱动、液压驱动和气压驱动做一比较,说明系统的选择。电机驱动可以避免电能变换为压力能的中间环节,效率比液压能和气压能都高,电动系统将电动机、测速机、编码器、减速器组成一次加工的壳体中,使得整个电机系统体积小,通用性和稳定性得到提高,另外电动机根据电机的距离算出发出的脉冲数,并将脉冲数输入计算机,达到非常高的位置准确度,这都是电机驱动的优点;相8 总结对的液压驱动和气压驱动的系统繁琐,维护复杂液压气压的系统体积比较大,对于移动机器人来说都是无法实现的问题,对于移动机器人的机械手的位置精度要求,液压、气压系统则无法实现。综上所述,本机械手选用电器驱动系统作为机械手的驱动方式。3.2 传动方式传动装置是一种能将能量传递和兼有其他作用的装置,他的主要作用是能量的传递,和分配,运动形式的转化,运动速度的改变;传动一般分为两种形式:一种是机械能不发生变化的传动机械传动,第二种是电能转化为其他形式地传动电传动。机械传动又分为机械啮合传动、摩擦传动和液体传动三大类,考虑机械手的具体工作传动情况,齿轮传动、带传动、链传动和螺杆传动都可以作为选择范围,这里对以上四种传动情况座椅简单介绍,分析他们的优劣。3.2.1 齿轮传动齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一类传动,常用的渐开线齿轮传动具有以下一些主要特点:传动效率高,在常用的机械传动中,齿轮传动的效率是最高的。一级圆柱齿轮传,动在正常润滑条件下效率可达到 99%以上,在大功率传动中,高传动效率是十分重要的: 传动比恒定,齿轮传动具有不变的瞬时传动比,因此齿轮传动可用于圆周速度为,200m/s 以上的高速传动;结构紧凑,在同样使用条件下,齿轮传动所需要空间尺寸,比带传动和链传动小得多;工作可靠、寿命长,齿轮传动在正确安装,良好润滑和正 ,常维护条件下,具有其他机械传动无法比拟的高可靠性和寿命。齿轮传动的主要缺点有:对齿轮制造、安装要求高;齿轮制造常用插齿机和滚齿机等专用机床及专用工具;通常的齿轮传动为闭式传动,需要良好的维护保养,因此齿轮传动成本和费用高;并且齿轮传动不适合中心距较大的两轴间的动力传递。3.2.2 蜗杆传动蜗杆传动是一种空间齿轮传动,能实现交错角为 90 度的两轴间动力和运动传递。蜗杆传动与圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动相比具有结构紧凑、传动比大、传动平稳和可以自锁等显著特点。蜗杆传动的主要缺点是:齿面摩擦力大,发热量高,传动效率低。蜗杆传动通常用于中、小功率非长时间连续工作的应用场合。3.3 机械手结构本文设计的机械手具有 5 个自由度,在性能指标中已经提出。下面分别是手部、8 总结腕部和臂部的具体设计。机械手手部(末端执行器)结构形式多样,但总的设计都有如下几点基本要求:(1)有适当的夹紧力和驱动力,手指握力(夹紧力)大小要适宜,力量过大则动力消耗多,结构庞大,不经济,甚至会损坏抓取物体;力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力是,除考虑抓取物体重量外,还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证夹持安全可靠。(2)应具有一定的开闭范围,手应具有一定的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)或开闭范围(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离),以便于抓取或退出物体。(3)保证抓取物体在手指内的夹持精度,应保证每个被抓取的物体,在手指内都有准确的相对位置。(4)结构紧凑、重量轻、效率高,在保证自身刚度、强度的前提下,尽可能使结构紧凑、重量轻,以利于减轻手臂的负载。手腕部件设置于手部和臂部之间,它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变得更灵巧,适应性更强。手腕的运动形式可以有:绕 X 轴转动称为回转运动;绕 Y 轴转动称为上下摆动;绕 Z 轴转动称为左右摆动;有的甚至是沿 Y 轴或 Z 轴的横向移动。一般手腕设有回转或再增加一个上下摆动即可满足工作要求。本文设计的机械手腕部结构,具有一个摆动的自由度,摆动范围为 090 度,传动方式选择圆锥齿轮传动,电机置于机械臂内与腕部传动轴垂直。另外小臂中间旋转关节也属于腕部自由度范畴, ,利用电机带动连轴器,连轴器再带动小臂前半段壳体旋转。两自由度手腕足以满足各种工作情况的需要。手臂部件是机械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部,并带动它们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的自由度加以实现。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(或俯仰)运动。设计基本要求:本文设计的机械手臂壳体采用铸铝加工而成, ,其中方形截面为机械手大臂与小臂的壳体,圆形截面为小臂旋转机构的壳体。机械手手臂刚性好、抗扭能力强、重量轻,所有传动机构和驱动装置都置于机械手臂内部,外形简洁;机械手表面还装有缓冲垫,当驱动装置出现故障或供电电池耗尽时,可以起到缓冲作用,避免手臂冲击造成损坏。大臂外壳所粘贴的橡胶垫,起缓冲垫作用。小臂与大臂的关节使用圆锥齿轮8 总结传动,电动机置于大臂壳体内。3.4 机械手材料3.4.1 机械材料选用原则机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题,不同材料制造的零件不但机械性能不同,而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用材料有黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复合材料等。选择材料主要应考虑以下方面的问题。使用要求,零件的受载情况和工作状况;对零件尺寸和质量的限制 ;零件的重要程度等。若零件尺寸取决于强度,且尺寸和重量又受到某些限制时,应选用强度较高的材料。静应力下工作的零件,应力分布均匀的(拉伸、压缩、剪切),应选用组织均匀,屈服极限较高的材料;应力分布不均匀的(弯曲、扭转 )宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力下工作的零件,应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的,应选用可以进行表面强化处理的材料,如调质钢、峰碳钢、氮化钢。若零件尺寸取决于刚度,则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模童相差很小,故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同、改变零件的形状与结构可使刚度有较大的提高。滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料:在高温下工作的零件应选用耐热材料;在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。3.4.2 零件材料从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求选择机械手的零件材料。在机械手中各传动件是关键性零件,有各关节传动轴和齿轮系,它们的强度、刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。1、传动轴传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低,还可通过热处理改善其综合性能,价格也比合金钢低廉,因此应用较为广泛,常用 45 号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此,在传递大动力,并要求移动机器人操作机械手设计与分析减小尺寸与质量,提高轴颈的耐磨性,以及处于高温或低温条件下工作的轴,常采用合金钢。在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。因此,用令金钢代替碳素钢并不能提高轴的刚度。鉴于此,机械手各传动关节的传动轴选用 45 号钢,应能满足设计的需要。2、齿轮系齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变8 总结形。因此设计齿轮传动,要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力,齿根则要有较高的抗折断能力。为此,对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬,齿芯要韧。钢材韧性好,耐冲击,容易通过热处理和化学处理来改善其机械性能和提高硬度,是制造齿轮最常用的材料。锻钢可制成软齿面和硬齿面两种声轮。4 机械手的计算4.1 机械手零件尺寸及强度计算及校核4.1 机械手零件尺寸及强度计算及校核4.1.1 机械手爪的受力分析由于机械手能抓起的重量为 10kg 摩擦系数 ,加持半径 50mm,因此螺杆0.1f受到轴向力 F 和扭矩 T 的作用,螺杆的材料选择为 40 Cr,选择梯形螺纹,螺纹升角( ) , ,当量摩擦角 ,为了实o2.34.1arctn1.5ov5.06现自锁功能,螺纹升角必须小于当量摩擦角。N (1)10.GFNm (2)3.10LMN (3)754275.0.F许用压应力和许用切应力计算, ,aP256aP12p(4)popldmin(5)poF24由于运动过程中惯性力和螺纹存在,所以必须加厚手抓,取 。m10inl则由公式(4.1)和公式(4.2)可得(6)0min 64285.74.33.10Fd8 总结4.2 齿轮的选择及计算4.2.1 选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数(1)根据传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动;(2)机械手为一般工作机器,速度不高,故选用 8 级精度(GB10095 88) ;(3)材料选择;由机械设计 4选择小齿轮材料为 40Cr(调质) ,硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45 号钢(调质)硬度为 240HBS,二者材料硬度差为 40HBS;(4)选择机械手抓紧放松机构齿两啮合齿轮的传动比(10360bhpi)初选步进电机 ,丝杠导程角初选 ,机械传动精度ob5.1m5hp06.由公式(4.4)得传动比 i=3.2 选小齿轮齿数 z1=21 ,大齿轮齿数,取 z267。4.2.2 按齿面接触强度设计由机械设计 2设计计算公进行试算,即(11) 3211 2. HEdtt ZuTK1、确定公式内的各计算数值(1)试选载荷系数 Kt1.3(2)计算小齿轮传递的转矩mN36.021T(12)(3)由机械设计 2查得材料的弹性影响系数 aMP8.19EZ(4)由机械设计 3按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ; 大a1limP60H齿轮的接触疲劳强度极限 a2limP50H(5)由机械设计 2 计算应力循环次数:(13) 8166.93016.240hNnjL825N8 总结(6)由机械设计 2查得接触疲劳寿命系数, ;10.9HNK20.95HN(7)由机械设计 4选取齿宽系数 =0.5d(8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%,安全系数 ,由机械设计 得S(14)a1limli1 MP54069.0HH2li2 .2SKN2、计算(1)试算小齿轮分度圆直径 ,代入 中较小的值 :td1H2 2331 1.204.189.2. . .3m55tEtdKTZud(15)(2) 计算圆周速度 V:(16)13.412.80.89m/s606tdn(3)计算齿宽 b:(17)12.3.adH(4)计算齿宽与齿高之比 h/模数: (18)1.8/0.61ttmz齿高: (19)2.57mt(20)/43/.2.4bh(5)计算载荷系数根据 v=0.98m/s,8 级精度,由 机械设计 3 查得动载系数 Kv=1.12,直齿轮,假设,由机械设计 2查得 ,由机械设计查得使用系N/m10/bFKta 2.1FHK数 ; 由机械设计 2 查得 8 级精度小齿轮相对支承非对称布置时,A(21)231.201.60.HdKb 将数据代入后得: 23.145.167 由 ,查机械设计 5得, ;/12.4,367Hbh 0FK8 总结故载荷系数(22) 1.21.367.8AVHKK(6)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,由机械设计 2得,=12.83 (23)td13/t3./.5m(7)计算模数 m(24)17.62510.84Z4.2.3 按齿根弯曲强度设计由机械设计 3得弯曲强度的设计公式为(25)321FSadYzkT确定公式内的各计算数值(1)由机械设计 3查得小齿轮的弯曲疲劳极限 ;150MPaFE大齿轮的弯曲疲劳强度极限 ;2380MPaFE(2)由机械设计 3 查得弯曲疲劳寿命系数 ;12.8,.8NNK(3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,由机械设计 2得:= (26)1F10.8530.57Pa4NFEKS 22286M.(4)计算载荷系数 ; 1.1.3AVF (5)查取齿形系数 由机械设计 3, 查得 ; 27,5FaFaY(6)查取应力校正系数 由机械设计 3查得 ;1.;.6ss(7)计算大、小齿轮的 并加以比较FSaY(27)12.750.1383aSF2.6.4.657aSFY故大齿轮的数值大。(8)设计计算8 总结(28)43221.849.10.60.815mm对比计算结果由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径(即模数与齿数的乘积)有关,可取由弯曲强度算得的模数 0.815,并就近圆整为标准值 m1,按接触疲劳强度算得的分度圆直径 算出小齿轮的齿数17.625d(29)1d/7.625/0.8Z 小齿轮的齿数 取 Z271 (30)213.Zu 74.2.4 几何尺寸计算1、计算分度圆直径 (31)12m1d2、计算中心距 (32)12()/46.5a3、计算齿轮宽度 尺宽系数为 为 0.40.9,取值为 。d.0d由 得 , 1Bm02B155 锥齿轮的几何尺寸设计计算5.1 大端模数查机械设计手册 1取齿形角 ,齿顶高系数 ,顶隙系数 ,021ah0.2c大端模数 m按照弯曲疲劳强度计算:(33132240.5FaSRRYKTmZ)其中: ,查表得312020kg1N4T, , , ,.251.AVK0.3v128z.7, , ,取 ,.9FaY3Sa257z8 总结算得: ,332241.950.91532.7640.8. 查机械设计手册 1取模数的标准值 m=35.2 其他参数节锥角 ,由(34)1122tancot.7dz可知 17.65o分度圆直径 d: 13286mdz241锥角距 R:(35)1240.521.32sini9d齿宽系数: (查教材机械设计 6 取 )1.3RR0.5.齿宽 b (36)0.3216.9mRb1齿顶高 :ah(37)2210.254.9aahc齿根高 :fh(38)1214.9.70mffa齿顶圆直径 :ad13224.FaSRRYKTmZ8 总结(39)112cos4.8maadh219.76mad齿根角 :f(40)12.70tan.13ffhR周节 :(41)2.547.0mm分度圆弧齿厚 :S(42)1112tan2txxS当量齿数 :vZ(43)1821.46cos0.9VZ259.68cosVZ端面重合度 :(44)11221tanttant2v vzz 6 轴的设计6.1 初步估算中间轴的最小直径先按式机械设计手册初步估算轴的最小直径,选取轴的材料为 45 号钢,调质处理,根据机械设计 ,取得 A0110,于是得(45)133min5.28m40Pd考虑轴上键槽的削弱,轴径需加大 ,取 .%7in30d1、根据轴向定位的要求确定轴的各段长和直径拟定轴上的零件装配方案,轴上的大部分零件包括齿轮,套筒,轴承和轴承端盖及联轴器几大部分。(1)由计算可的轴的最小直径为 30mm,故轴段 I 的直径为 。考虑到轴130md8 总结承的宽度及轴承轴向定位等,故取轴段 I 的长度 。130ml(2)轴段 II 采用键定位,其尺寸为 ,由于轴段 II 仅仅是用48b键来定位的,所以轴段 II 的长度与键的宽度和高度有关,考虑到齿轮轮毂的宽度及轴向定位要求等, 。223m,0dl(3)取安装轴承处的轴段 III 的直径 ,考虑到定位要求,故轴段 III35d的长度为 。64l(4)轴段 IV 的左端是由推力球轴承 51405 固定,为了是轴的受力均匀和稳定,故设计轴段 IV 并用支承环进行固定,通过查机械设计手册第三卷,根据选定的推力球轴承的支承环的高度为 9mm,并且选定轴 IV 的直径 ,为了使轴承紧密43md的固定在轴上,轴段 IV 的长度选为 。412l(5)轴段 V 用螺母将中间轴固定在中间板上,螺母与中间板中间用垫片隔开,起到密封固定的作用,通过查机械设计手册 ,垫片的厚为 2mm(GB9796) ,故轴段 V 的直径 , 。534md518l2、轴上零件的周向定位齿轮和轴的周向定位采用平键联接。按 查得平键截面2d(GB/T10951979) ,键槽用键槽铣刀加工,同时为了保证齿轮18bl与轴配合有良好的对中性,故选择齿轮轮廓与轴的配合为H7/p6。滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为m6 。3、确定轴上圆角和倒角尺寸参考机械设计手册,取轴端倒角为245,各轴肩处的圆角半径为 R1mm。6.2 求轴上的载荷,由机械设计手册查得,12m8bl(46)2211220637N/m,35/,89/,9/bs(1)计算外力取三维坐标系 oxyz,将啮合力分解为水平方向的径向力和竖直方向的切向力:分别平行 y 轴和 z 轴,再将两个切向力分别向齿轮中心平移,在平移的同时必须加以附加力偶:由(47)12czDm8 总结(48)2Dzm(49)1315105.26N8.cZP(50)220.4Dy切向力和径向力由图中可知 1tan15.6tan76.31NooyZP202084Y(2)作内力图确定危险切面,根据上面的计算结果分别作出水平平面内和竖直平面内的弯矩图和扭矩图,为此先算出 A,B 两点的支反力:在坐标系 oxz 平面内(51)12105.26318.4501.3NZZAPllR(52)1272.ZBl在坐标系 oxy 平面内 1276.3105720.1N8ZZAPllR12.59.3Bl可以确定轴承的支撑点跨距 , , 。10mL2050mL水平面弯矩:(53)1158.3N78.3,5.1.68N3.18CADRXW垂直面弯矩: (54)2120.94,7307.2.4m,CADMXl 6.3 画弯矩图、转矩图总弯矩: 8 总结(55)2112286.4Nm7HVM扭矩: T=18225Nmm弯矩图如图 6.1从图中可知,截面 E 为危险截面,在截面 E 上,扭矩 T 和合成弯矩 M 分别为:T18225NmmM86145Nmm图 6.1 工作轴的载荷分析图Figure 6.1 Analysis of load working shaft6.4 校核轴的疲劳强度在上面的分析中已判定 E 截面为危险截面,所以现在校核 C 面左右两侧即可,其他截面均无需校核。截面 C 右侧面校核,抗弯截面系数 W 为8 总结W=0.1d3=0.1x303=2700mm3抗扭截面系数 WT 为 WT=0.2d3=0.2x303=5400mm3弯矩 M 及弯曲应力为M=86145 mN= = =31.91MPa (58)bM86145270扭矩 T3 及扭转应力 为 TT3 1039.2Nmm= = =4.871MPa (59)TW109.2867轴的材料为 45 号钢,调质处理, =640MPa, =275MPa, =155MPa。过盈B11配合处的 值,根据机械设计 3用插入法求出,并取 ,于是得 0.8=2.67, =0.8x2.93=2.49 (60)轴按磨削加工,由机械设计 3得表面质量系数为 = =0.87故得综合系数为:K = - -1=2.67+ =2.95 (61)110.87K = + -1=2.94+ =2.46.计算安全系数:S = = =2.37 (62) ma1275.94.801.S = = =3.76aK12.63.6.Sca= = =3.81S=1.5 (63) 2278 总结故安全。 截面 D 左侧面校核:抗弯截面系数 W 为:W=0.1d3=0.1x303=2700mm3抗扭截面系数 WT 为:WT=0.2d3=0.2x303=3125mm3弯矩 M 及弯曲应力为: M=35939 mN扭矩 T3 及扭转应力 为:TT3=14798.5 Nm= = =4.7MPa (64)TW14798.52根据机械设计 2用插入法求得轴上键槽处的有效应力集中系数:, 01.54由机械设计 2得尺寸系数 8.由机械设计 2 得扭转尺寸系数 1轴按磨削加工,由机械设计 3得表面质量系数为= =0.92轴未经表面强化处理,即 ,则按机械设计 2 ,得综合系数值为:1qK = - -1=0+ =0.09 (65)192.0K = + -1= + =1.63 (66)154.计算安全系数:a35912.8MPb8 总结S = = =18.89 S =maK12750.913.0.9 = =4.79 Sca=a1.62= =3.87S=1.5S2257.489.16.6 轴的疲劳强度安全系数校核由材料力学可知(67TW)式中: T 轴传递的转矩 Nmm;轴的抗扭截面模量 ;W3mP 轴的传递功率KW ,n 轴的转速(r/min) , n =210r/min; 轴的许用扭转剪应力MPa。将数值带入公式得(68)314798.56.2TW由材料力学查得: 0由公式(6.3)得 1.4TT所以满足扭转强度条件,符合要求疲劳强度校核判断根据为SS。当该式不能满足时,应改进轴的结构以降低应力集中,其主要措施可参见表。亦可采用热处理,表面强化处理等工艺措施以及加大轴径,改用较好材料等方法解决。轴的疲劳强度是根据差事能够器作用在轴上的最大变载荷进行校核计算。危险截面安全系数S 的校核计算公式为:(692S)8 总结式中: 只考虑弯矩作用时的安全系数;S只考虑扭矩作用时的安全系数;S 按疲劳强度计算的许用安全系数(701amSk)(711amSk)对称循环应力下的材料弯曲疲劳极限MPa;1对称循环应力下的材料扭转疲劳极限MPa;弯曲和扭转时的有效应力集中系数;0k表面质量系数;弯曲和扭转时的尺寸影响系数;材料拉伸和扭转时的平均应力折算系数;a弯曲应力的应力幅和平均应力MPa;扭转应力的应力幅和平均应力MPaa由材料力学可知, , , , ,108k计算(72)14.795.2amTW将其代入式(6.6) 得 110818.75.53.49.24089amSk.7.S符合疲劳强度安全系数6.7 轴的刚度校核8 总结(73MnlGI)式中: 扭转角rad;轴传递的扭矩;Mnl 轴产生扭转变形部分的长度cm;G 材料的剪切弹性模量,对于钢材,G =8.1x105Kg/ 2mIn 轴的断面机惯性矩。(1)对于空心轴:(74)41.23()(fNlradnD式中 D轴的外径cm ;d 轴的内径,实心轴时d=0cm ;N 轴传递的额定功率KW;N f 轴的计算转速( r/min) 。(2)当轴上有键槽时,应乘以数K(7514KnhD)式中:h 键槽的深度;n 系数。轴上有一个键槽时为0.5,在同一断面内有两个互成90的键槽时为1,有两个互成180的键槽时为 1.2。有一个键槽 n=0.5,h=4140.532.K代入数值: 43.2(0)1(). .1247fNlradnDK8 总结=1.5,所以刚度满足要求故该轴在截面右侧面是安全的,又因为轴无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性。 6.8 蜗轮蜗杆的计算及校核由于蜗轮的端面模数和螺杆的轴向模数相等,m 模数去标准值首先按照强度要求计算,(76)221.53FaKTmdYz利用强度计算: =35.5mm,m=3.15 ,i=50,a=94mm, ,1d 1z250螺轮螺杆的常用材料 20MnVB螺旋线升角 :1arctrta0.24.7zq螺杆分度圆直径: 1tdm得到: (77)135.127tdq(78).0mtp(79)235.dz7 轴承选取与寿命计算蜗杆有轴向力和径向力,故拟采用角圆锥滚子轴承,根据轴直径 20,由机械设计手册查得轴承型号7004C。7.1 初选轴承型号选用轴承,锥齿轮有轴向力,查标准拟采用角接触 ,按机械设计手册4轴 承查得轴承的 , C = 42800N。320N7.2 计算轴承的径向载荷.由计算得知轴承的支反力 , ,故轴承的径向载荷158.3NAR742.53BR, 。17.1rAVFR279rBVF7.3 计算轴承的轴向载荷表7.1 角接触球轴承派生轴向力的计算8 总结Table 7.1 Calculation of angular contact ball bearing axial force are derived角接触球轴承7000C( = )1570000AC( )2570000B( )40drFe0.68drF1.drF由机械设计得轴承的内部轴向力为:S= 0.68F (80)110.6849.7NrSF22501 2.36.3A S故 ,1489.67NaFS269aFS7.4 轴承当量载荷计算当量载荷P( 或 ) (N)的一般计算公式raP(81()prafXFY)式中: X 为径向和轴向载荷系数;Y 轴向载荷系数;为考虑载荷性质引入的载荷系数。pf表7.2 载荷系数Table 7.2 coefficient of load载荷性质 pf 举例无冲击或细微冲击 1.0-1.2 电动机 汽轮机 通风机 水泵等中等冲击 1.2-1.8 车辆 动力机械 起重机 造纸机 冶金机械等强烈冲击 1.8-3.0 破碎机 轧钢机 钻探机 振动筛等8 总结,按表, 在0.029-0.058 之间,e 应在0.40-0.43 之间取值;10.34aFC10aFC线性插值得(0.43)(0.58.29). 0.47.731e18962.arFe由此得 , 在1.00-1.47 之间10.4X1Y线形插值得(82) 1(.4013)(.580.29)1. .38,由教材机械设计查得:X2 =0.44,Y2 =1.2320.87arF由教材机械设计表如上可知: ,取1.28pf1.6pf(83) 1()537NraPXFY21249.2pf7.5 计算轴承的基本额定寿命(84)10()85.64hCLhP式中:轴承寿命指数。轴承寿命足够大,故初选轴承7004C符合要求,一般传动轴的滚动轴承失效形式,主要是疲劳破坏,故应进行疲劳寿命计算。7004C角接触球轴承校核由前面可知主动轴的轴向力Fa=86.091N所受径向力Fr=200/2=100N0.41.870.41.876.0912.3NraPF632()5.24h.9.h hLL故轴承寿命合格。8 总结8 PLC 概述8.1 PLC 的定义可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称 PLC,它具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能,所以美国电气制造商协会将其正式命名为可编程控制器(Programmable Controller),简称 PC。但是个人计算机(Personal Computer)也简称 PC,为了避免混淆,将用于逻辑控制的可编程控制叫做 PLC(Programmable Logic Controller).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,它其实就是一台计算机,它采用可以编制程序的存储器,在其内部执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,它以接入式 CPU 为核心,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,都是很容易与工业控制系统形成一个整体,容易扩展其功能的。可编程控制器是一种工业现场用计算机。它是为工业环境下应用而设计的,工业环境一般办公环境有较大的区别。由于 PLC 的特殊构造,使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。为了能控制机械或生产过程,它要能很容易的与工业控制系统形成一个整体,这些都是个人计算机无法比拟的。可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。它能控制各种类型的工业设备及生产过程。它的功能能够很容易地扩展,它的程序是可以根据控制对象的不同,让使用者来编制的。也就是说,可编程控制器较其以前的工业控制计算机,如单片机工业控制系统,具有更大的灵活性,它可以方便地应用在各种场合。8.2 PLC 的由来及发展1969 年,美国数字设备公司(DEC)研制出第一台可编程序控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC) ,在美国通用汽车公司的自动装配线上使用,取得了巨大的成功。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能,成为真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期,可编程控制器进入了实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠8 总结定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。例如,在世界第一台可编程控制器的诞生地美国,1982 年的统计数字显示,大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%,可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。20 世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来说,这个时期发展了大型机及超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元,通讯单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。8.3 PLC 的特点及用途 8.3.1 PLC 具有以下几个主要特点(1)可靠性高、抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。PLC 由于采用大规模集成电路技术、严格的生产工艺,内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性,它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。PLC 的平均无故障时间可高达510 万小时以上。从 PLC 的机外电路来说,PLC 构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障率也就大大降低。(2)功能完善、应用领域广到现在为止 PLC 已经形成各种规模、系列化的产品。可以用于各种规模的工业控制场合,并能完成决大多数的工业控制任务。PLC 所具有的完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现,PLC 通讯能力的增强及人机界
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