基于PLC控制直角坐标机械手设计【含CAD机械图、电路接线图纸、说明书】
PLC控制直角坐标机械手设计 I摘 要工业机械手有能模仿人手和手臂的某些动作功能,用固定程序搬运,抓取物体或操作工具的自动操作装置,机械手主要由手部和运动机构组成。按照搬运或者抓去的物件形状、尺寸、重量、材料和作业环境等的要求的不同,手结构形式有吸附型和夹持型等。运动机构的功能是使手部完成各种动作:移动、转动等运动来实现规定的动作。机构的伸缩、升降和旋转等运动方式,称为机械手的自由度。本设计选用三自由度直角坐标型工业机器人,其自由度为X轴,Y轴和Z 轴方向,是通过滚珠丝杠来实现小臂与大臂的伸缩,升降。而这些动作都是通过在步进电机的带动下进行。在控制器的作用下,它将执行将工件从一条流水线抓取并运送到另一条流水线这一简单的动作。本篇论文主要对机械手的传动部分滚珠丝杠与步进电机进行了计算,计算内容主要包括工业机器人的传动机构的设计,以及其机械传动装置的选择。另外对控制部分的描述主要有PLC 的控制方案,接线原理图以及程序流程图等。关键词:三自由度,直角坐标,PLC,机械手PLC控制直角坐标机械手设计 IIABSTRACTIndustrial robot arm able to mimic some of the manpower and motor function, with a fixed program handling, grab objects automatically operated device or operating tools, robots mainly by hand and sports institutions. According to different requirements for handling objects or arrested shape, size , weight, material and operating environment and the like , in the form of the hand gripping structure and an adsorption -type. Functional movement mechanism is to complete a variety of hand actions: move, rotate and other sports to achieve the required action. Retractable mechanism, lifting and rotation movement pattern, called degrees of freedom manipulator.The design uses three degrees of freedom Cartesian industrial robots, its degrees of freedom for the X -axis, Y -axis and Z -axis direction is achieved by ball screw telescopic arm with the big arm movements. These actions are carried driven by a stepping motor. In the role of the controller, it performs the work piece crawl and transported to another pipeline from the simple act of a pipeline.This thesis is part of the robot drive a ball screw and stepper motor, calculated mainly include industrial robots choose to design transmission mechanism, as well as its mechanical transmission devices. In addition to the control part of the description of the main control scheme PLC, wiring schematics and process flow chart.Key words: three degrees of freedom, Cartesian coordinates, PLC, manipulatorPLC控制直角坐标机械手设计 III目 录1 绪论 .11.1 课题来源 .11.2 课题目的、意义 .11.3 国内外发展基本情况 .12 工业机械手的总体设计 .32.1 机械手的组成 .32.2 工业机械手的设计分析 .42.3 总体设计方案 .43.机械手的机械系统设计 .83.1 机械手手爪设计 .83.2 机械手传动部分设计 .153.3 机械手基座部分设计 .213.4 轴承的选取 .284 PLC控制系统设计 .294.1可编程序控制器的选择及工作过程 294.2 PLC控制系统 305 结论 .36参考文献 .37致谢 .38PLC控制直角坐标机械手设计 11 绪论1.1 课题来源本课题来自于企业项目。1.2 课题目的、意义随着加工行业在我国的迅速发展,各行各业的自动化装备水平越来越高,现代化加工车间,常常配有机械手,以提高生产效率,代替工人完成恶劣环境下危险、繁重的劳动。目前,机械手常用于完成的工作有:汽车制造领域的零件装配及焊接;注塑工业中用于从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工具;机械加工行业中用于取料,送料;浇铸行业中用于提取高温溶液等等。在工业生产线中,机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动,并且操作精度高,提高了产品质量和生产效率。课题的目的是构思、设计一种结构相对简单,功能完备,具有较好的经济性和性能/价格比的机械手。1.3 国内外发展基本情况在机械工业中,机械手的应用具有以下意义。 应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大地改善了工人的劳动条件。同时,在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。 随着现代工业技术的发展,工业自动化技术也越来越高,工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常PLC控制直角坐标机械手设计 2重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害,如冶金、化工、医药、航空航天等。对于机械手的研究国内外的水平不一,但代表当今最先进的技术在日本,他的自动化,人性化令人叹为观止,这些技术依赖于控制理论、新材料科学,它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用,对于自动控制,柔性制造系统中应用更为广泛,但我国的自动化水平有待提高,只相当于世界先进技术在八十年代的水平。随着工业现代化的发展,机械手技术也随之提高,发展的趋势是工作强度高,灵活性强,准确可靠,可以自动检测并下达动作命令,融入先进的人工智能,使人只作平时的简单的维护,这也是现代工厂的发展趋势。 目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以,在国内主要是逐步扩大应用范围,重点发展铸造、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件,在应用专用机械手的同时,相应的发展通用机械手,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度,减少冲击,正确定位,以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑与计算机连用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械手在机械制造行业中应用较多,发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 目前世界高端工业机械手均有高精化,高速化,多轴化,轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求,运行速度可以达到3M/S,量产产品达到6轴,负载2Kg的产品系统总重已突破100Kg。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时,随着机械手的小型化和微型化,其应用领域将会突破传统的机械领域,而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。 本设计是PLC 控制直角坐标机械手设计,直角坐标机械手的功能很多,诸如:工业取料、货物搬运、机械绘图、数控加工等等,我们经常可以在绘图仪、数控雕刻机、数控加工中心。甚至立体车库中看到直角坐标机械手的身影。PLC控制直角坐标机械手设计 32 工业机械手的总体设计2.1 机械手的组成图 2-1 机械手组成图机械手的工作原理:机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。执行系统:执行系统是工业机器人完成抓取工件,实现各种运动所必需的机械部件,它包括手部、腕部、机身等。(1)手部:又称手爪或抓取机构,它直接抓取工件或夹具。(2)腕部:又称手腕,是连接手部和臂部的部件,其作用是调整或改变手部的工作方位。(3)臂部:是支承腕部的部件,作用是承受工件的负荷,并把它传递到预定的位置。(4)机身:是支承手臂的部件,其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。驱动系统:为执行系统各部件提供动力,并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统:通过对驱动系统的控制,使执行系统按照规定的要求进行工作,当发生错误或故障时发出报警。PLC控制直角坐标机械手设计 4检测系统:作用是通过各种检测装置、检测执行机构的整体运动情况,根据需要给控制系统以反馈,与规定要求进行比较,以保证运动符合要求。2.2 工业机械手的设计分析设计要求:本设计机械手的形式为直角坐标形式,具有3个自由度,由手部、手臂、机身等主要部件组成。各设计参数如下:Y轴大臂上下移动距离为: 20cm(最大速度10cm/s)Y轴小臂上下移动距离为: 10cm(最大速度10cm/s)X轴小臂伸缩距离: 10cm(最大速度10cm/s)Z轴平移距离: 10cm(最大速度10cm/s)手指开合角度为: 60度(最大速度60度每秒)机械手最大抓重: 2.5kg工件尺寸: 直径约2-3cm,圆柱形,材料是铁质机械手(重复)定位精度: 1mm机械手驱动方式: 步进电机,由PLC进行控制(1) 选取机械手的坐标型式和自由度。 (2) 设计出机械手的各执行机构,包括手部、手臂等部件的设计。为了使通用性更强,手部设计成可更换结构,可以应用夹持式手指来抓取棒料工件。 (3) 滚珠丝杠的传动系统的设计。本课题将设计出机械手的滚珠丝杠传动系统,包括器件的选取,受力的校核等。 (4) 机械手的控制系统的设计。本机械手拟采用PLC对机械手进行控制,选取相应的PLC型号,根据机械手的工作流程绘制PLC控制原理图,编制出PLC程序,并画出梯形图等。2.3 总体设计方案2.3.1 机械部分本设计机械手的形式为直角坐标形式,具有3个自由度,由手部、手臂、机身等主要部件组成。PLC控制直角坐标机械手设计 5图2-2 机械手示意图手爪是用来直接握持工件的部件,由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同,所以工业机械手的手部结构是多样的,大部分的手部结构是根据特定的工作要求而设计的。归结起来,常用的手部,按其握持工件的原理,大致可分成夹持和吸附两大类。由于本次设计的是流水线间工件自动搬运工业机械手,因此使用夹持式手部。手爪部分设计包括:1) 受力分析2) 夹紧力计算3) 驱动力计算4) 实际驱动力计算图2-3 机械手爪示意图PLC控制直角坐标机械手设计 6手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工件或工具),并带动它们作空间运动。因此,机械手的水平手臂和垂直手臂都采用滚珠丝杠副,来实现X轴、Y轴、Z轴方向的直线往复运动。手臂部分设计包括:1) 电机选型2) 滚珠丝杠选择3) 计算额定负载4) 校核驱动电机机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动件都安装在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动愈多,机身的结构和受力情况愈复杂。由于本次设计的流水线间工件搬运工业机械手进行的是自动定点搬运工件。所以机械手设计成固定的。机身基座设计包括:1) 滚珠丝杠的选型与校核2) 校核驱动电机2.3.2 驱动系统机械手电机驱动的优势是在于节能,因为气动和液压驱动的能量是二次转化,能量消耗大约在35%左右。所以节能是今后机械手,机械自动化发展的一项重要的技术内容。因此本课题选用步进电机驱动,手爪部分驱动使用气压缸。气压缸选型计算包括:1) 气压缸工作压力与气缸内径与活塞杆直径的确定2) 壁厚与外径的设计3) 活塞杆稳定性验算4) 气缸推力、耗气量计算5) 气压缸进排口的计算2.3.3 控制系统工业机械手的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、手指的开闭动作,以及各个动作的时间、速度等,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运动按照预先整定好的程序来实现的。控制4根轴的移动距离和速度,同时还控制手爪开阖以及各个动作的时间、速度等。因此本课题选用PLC 来实现机械手的控制,选取FX系列PLC,画出接线图。并且根据机械手的动作流程,编制出PLC程序,达到搬运工件的目的。PLC控制直角坐标机械手设计 7图2-4 PLC控制总体框图PLC控制直角坐标机械手设计 83.机械手的机械系统设计 3.1 机械手手爪设计3.1.1 手爪的总体概述本设计直角坐标机械手的末端执行器(手爪)设计是用来抓持工件或工具的部件。手爪抓持工件的准确、迅速和稳定程度都将直接影响到直角坐标机械手的工作性能,它是本次设计的关键部件之一。本次设计采用的是齿轮齿条式的手部机构,如图3-1,齿轮齿条式手爪工作原理是驱动杆1末端制成双面齿条,与扇齿轮3相啮合,而扇齿轮3与手指5固连在一起,可绕指点回转。当气压缸工作,驱动力向上时,推动推杆向上运动,齿条向上,齿轮转动,两钳爪向内收拢,手爪闭合。反之,驱动力向下,齿条向下,齿轮转动,手爪打开。此种类型的夹持器多用于实心圆柱零件的夹持。图 3-1 齿轮齿条式手爪手爪技术要求:手指开合角度为: 60 度(最大速度60 度每秒)机械手最大抓重: kg5.2工件尺寸: 直径约 ,圆柱形,材料是铁质cm3PLC控制直角坐标机械手设计 93.1.2 夹紧力计算图 3-2 手爪受力分析图根据手爪类别,如图 3-1 所示,受力方式为摩擦锁紧,故受力分析得:牛顿第二定律: maF(3-1)Gfma4(3-2)SinNF2(3-3)f推得: (3-4)(2)(SinagmG式中,工件质量, ;mkg重力加速度, ;g2/sm动态运动时产生的加速度,取被抓取工件的为匀速 ;a 2/0sma安全系数;SV 型手爪张开的角度,;气爪夹头与工件的摩擦力, ;f N反作用力, ;N气爪夹头与工件的摩擦因素;因为手爪与工件的材料都采用 45 钢,查表得25.0所以:PLC控制直角坐标机械手设计 10)(1065.2025.89)(NSinagmFG(2)根据手部结构的传动示意图 3-1,力矩平衡: 0M其驱动力为:(3-5)GFbR2式中:齿的轮半径,取半径为 ;Rcm8齿轮中心到工件中心的距离,取值为b c10)(26582NFRbG(3)实际驱动力:(3-6)21K实 际因为手爪的传动机构为齿轮齿条传动,根据机械传动效率表中圆柱齿轮传动栏传动效率为 0.940.96,故取传动效率 94.0为安全系数,通常取 1.2-2.0,此取 。1K51K为工作情况系数,可近似按如下公式计算:2 ga12若被抓取工件的速度为匀速 时,则 0a2K)(469.54.1265NF实 际所以当手爪夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 。3.1.3气压缸的选型与计算(1)气缸工作压力的确定PLC控制直角坐标机械手设计 11由液压传动与气压传动中,如表 3-1 所示,取气缸工作压力 。Mpa4.0表3-1 气压负载常用的工作压力负载 NF/50000工作压力 Mpa57(2)气缸内径 和活塞杆直径 的确定Dd本次设计的气缸属于双向作用气缸。单活塞杆双作用气缸目前使用广泛。因为气缸的只在活塞一侧有活塞杆,所以气缸活塞运动时,活塞两侧的有效面积不同导致压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不同,推力也不同。活塞左行时产生推力 ,活塞右行时活塞杆产生拉力 。1F2F(3-7)zpD421(3-8)zFdF)(22式中,活塞杆上的推力, ;1FN活塞杆的拉力, ;2气缸工作时的总阻力, ;Z 气缸工作压力, ;PPa活塞直径, ;Dm活塞杆直径, 。 d气缸工作时的总阻力 与众多因素有关,如运动部件的惯性力、密封处的摩擦等。ZF以上几个因素都可以载荷率 的形式计入公式,如要求气缸的静推力 和静拉力 ,1F2则在计入载荷率后:(3-9)421pDFPLC控制直角坐标机械手设计 12(3-10)4)(22pdDF计入载荷率就能保证气缸工作时的特性。若气缸动态所达到精度要求较高;且工作频率高,其载荷率一般取 ,频率越快时取 ,频率越慢时取 。若5.033.05.0气缸动态参数要求一般,且工作频率不高,基本是匀速运动,其载荷率可取,取 。85.0785.0由以上分析得双向作用气缸的直径:(3-11)PFD14代入有关数据,可得: )(9.385.014.32641 m由 ,可得活塞杆直径: 。3.02/Dd Dd12)(查机械手册,气缸直径 和活塞直径 标准系列:D、 、 、 、 、 、 、 、 、 、m81m1620m53240563等等。0所以圆整得 ,活塞杆直径)(40)(1d(3)缸筒壁厚和外径的设计因缸筒需要直接承受在压缩空气时产生的压力,所以必须有一定的厚度才能达到要求。一般气缸缸筒壁厚与内径之比 ,其壁厚可按薄壁筒公式计算:10/D(3-12)2pP式中,- 缸筒壁厚, ;m- 气缸内径, ;D- 气缸试验压力,一般取 ; pP)(5.1Pap-气缸工作压力 ;)(PaPLC控制直角坐标机械手设计 13-缸筒材料许用应力,本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金 ZL106。Mpa3则壁厚为: )(41032.56mDPp,则缸筒外径为:m4 )(81D(4)手部活塞杆行程长 计算L活塞杆的位移量= (3-13)(2.630mR气缸(活塞)行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程,以免活塞与缸盖相碰撞,尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果,必须按计算行程多加 的行程余量。m201 )(28.60.L圆整为 。)(7L(5)活塞杆稳定性的验算:当活塞杆的长度 较小时( ) ,可以只按强度条件校核计算活塞杆直径 。dL10 d则:(3-14)5.01)/4(F其中 ,NF4261MPa120则: 125.)12046(.d所以满足设计要求。(6)气缸推力验算:(3-15)421pdFPLC控制直角坐标机械手设计 14)(426)(785.01.0.1362N由以上计算可知气缸可能产生的推力 大于夹紧工件所需的推力71F,所以该气缸满足要求。)(426NF实 际(7)消耗气量的计算气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积(死容积)有关,气缸每分钟消耗的压缩空气流量 为:Q(3-16)min)/)(2(432dDns式中:气缸直径, ;Dm活塞杆直径, ;d活塞行程, ;s气缸活塞每分钟往返次数,因手爪最大速度为每秒 60 度,一分钟手爪开闭n30 次,取 。30此公式未考虑气缸内的死容积,因此计算值比实际值偏小,设计时要根据具体情况加以修正。 min)/(10294.1)02.4.2(3047.1 33Q (8)气压缸进排口的计算气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关,除特殊情况外,一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径 用下式计算:0d(3-17)(20mvQd式中:工作压力下气缸的耗气量, ;QS/3空气流经进排气口的速度,一般 ; V sV/150把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后,按照 GB/T14038-93 气缸气口螺纹选择合适的气口螺纹。故: )(3.md(9)手爪部分总质量估算PLC控制直角坐标机械手设计 15(3-18)气 缸零 件手 爪 mm其中:手爪部分和活塞杆材料采用45钢,缸筒和端盖连接材料采用铝合金ZL106。查机械设计手册手册,45号钢密度为 ,ZL106的密度为3/1085.7kg。3/107.2mkg手爪部分总质量约为 )(862.3519.24.0kg3.2 机械手传动部分设计3.2.1 Y轴小臂手臂的结构设计(1)初选电机为 90BYG250C,如表 3-2 所示电机特性表 3-2 90BYG250C 的特性表相电流步距角保持转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量重量型号 相数 A度 mNHzz2cmKg90BYG250C 2 4.0 0.9 6.3 2500 4000 3.6 4.8(2)滚珠丝杠的选择根据电机以及末端执行机构拟使用条件 负载重量 KGW5最大行程 mS10快速进给速度 sV/加减速时间常数 t.预期寿命 hL3直线运动导程摩擦系数 02.电机转矩 min/6axrN1)设定螺距根据电机最大的转速与快速进给速度(3-19)(106maxNVLPLC控制直角坐标机械手设计 162)计算基本动态额定负载各动作模式下的轴向负载的计算a) 加速时加速度 (3-20)/(67.0123maxstV轴向负载 (3-21).4)(NWPgaAb) 匀速时轴向负载 (3-22)(98.0gBc) 减速时轴向负载 (3-23)(37.2)(NPgC根据表格 3-3 和 3-4 两表格所示条件,计算轴向均负载 与平均转速mPm表 3-3 各动作模式 1 次循环所需的时间(s)动作模式 A B C 共需时间所需时间 0.3 1.4 0.3 2表 3-4 螺距为 10 的负载条件下负载情况动作模式 A B C轴向负载P(N) 4.33 0.98 2.37转速N 300 600 300所需时间比例t 15% 70% 15%(3-24)(68.32NPCAm(3-25)min)/(510rttNCBA根据预期寿命,扣除停止时间后的净运行使用寿命 0hL(3-26)(75)21(30Lh将运行系数 代入公式中,求得轴承基本额定动载荷2.1wf C(额定动载荷:假使轴承的基本额定寿命恰好为一百万转时,轴承所能承受的载荷值,称为轴承的基本额定动载荷,用 表示。对向心轴承,指的是纯径向载荷,用C表示;对推力轴承,指的是纯轴向载荷,用 表示。 )Cr aPLC控制直角坐标机械手设计 17(3-27)(04.27)106(31NfPNLCwmh因此选择 BSBR2510 滚珠丝杠。(2)容许屈曲载荷危险速度计算研讨丝杠轴全长 与危险速度 屈曲载荷Lck(3-28)末 端 尺 寸余 量螺 母 长 度最 大 行 程 )(3251081m下面就屈曲载荷进行讨论,设负载作用点间距 l(3-29)(45.1092NlEInPk式中::开始引起压曲的负载kP:负载作用点距离1l:杨氏模量E:丝杠轴最小惯性矩I(3-30)(15.49764mdI:丝杠底径为dm1.7:由丝杠的支撑方式决定系数n单推-单推: =1双推-简支: =2(选用)双推-双推: =4双推-自由: =0.25n滚动轴承若同时承受径向和轴向联合载荷,为了计算轴承寿命时在相同条件下比较,在进行寿命计算时,必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷,用 表示。P求出当量动载荷:(3-31)(509NPK式中:屈曲载荷KPPLC控制直角坐标机械手设计 18:安全系数(0.5) )(04.27)(509NCP说明容许轴向负载充分满足使用条件,由于电机速度比较慢,肯定安全,无需校核危险速度。(2)最终选型结果滚珠丝杠的形式为 BSBR2510-3153.2.2 校核驱动电机(1)传统系统等效转动惯量计算1)电机转子转动惯量 DJ(3-32)(6.32cmKgD2)滚珠丝杆的转动 惯量的折算SJ(3-33)(9.03224clpsS3)手臂上下移动惯量 的折算GJ工作台是移动部件,其移动质量折算到滚珠丝杠上下移动的惯量 可按下式进行计算:(3-34)(5.0)14.32()( 22cmKgMLJG 式中,是 丝杆导程 ; 为工作台质量cmk4)联轴器转动惯量(3-35)(48221cKgDJ5)系统等效转动惯量(3-36)(03.15.0936. 21 cmJJGSD (2)验算矩频特性步进电机最大静转矩 是指电机的定位转矩,从附件中查得maxjMNMj3.6ax步进电机的名义启动转矩 与最大静转矩 的关系为 。查得qmaxj mjq。所以70.(3-37)(45.3670.Nmq PLC控制直角坐标机械手设计 19步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算:(3-38)0Mkfakq式中: 为空载启动力矩;kqM为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度,折算到电机轴上的加速ka力矩;为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩。kf(3)有关 的各项力矩值计算如下:kqM1)加速力矩(3-39)2max106tnJka(3-40)3axapbv式中: 为传动系统的等效传动惯量;J为电机的最大角加速度;为与运动部件最大快速进度对应的电机最大速度;maxn为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间;t为运动部件最大快进速度;axv为初选步进电机的步距角;b为脉冲当量;p min)/(60)2(136025.9.360maxa rvnpb (3-41)maxtnJMka)(47.85105.632012cNPLC控制直角坐标机械手设计 202)空载摩擦力矩(3-42)2LMkf式中: 为运动部件的总重量;M为导轨摩擦系数;为传动系统总效率;)9.0(为滚珠丝杠的最大行程;L(3-43)(34.179.04328.52cmNLMkf 3)附加摩擦力矩(3-44)20IFYJ式中: 为滚珠丝杠预紧力;(为最大轴向负载的 )YJF31为滚珠丝杠未预紧时的传动效率,现取0 9.0)(48.1).(1.4327520 cmNIMYJ 所以,步进电机所需空载启动力矩:(3-45)0Mkfakq)(29.1448.13.785cmN初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩,即,从上式可知电机初步满足要求。kqM(3)启动矩频特性校核步进电机启动有升速启动和突跳启动。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速,在零时刻,启动频率为零。突跳启动很少使用。在一段时间内,按一定的升速规律升速。启动结束时,步进电机达到了最高运行速度,从下图 3-4 中,可查得PLC控制直角坐标机械手设计 21图3-4 90BYG250C矩频特性图纵向:空载启动力矩 。对应的允许启动频率 。步cmNMkq29.14 HZfyq60进电机 90BYG250C 启动频率 ,所以步进电机不会丢步。yqfHZf50(4)运行矩频特性校核1)步进电机的最高快进运行频率 可按下式计算kzf(3-46)pkzVfmax)(4025.1H式中: 为快进时,折算到电机轴上的摩擦力矩, 为附加摩擦力矩。KFM0M从 90BYG250C 运行矩频特性图中,可知 对应的mNcKJ 582.82.允许快进频率 ;所以所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。KJyf综上所述,所选用的步进电机 90BYG250C 符合要求,可以使用。3.3 机械手基座部分设计3.3.1 滚珠丝杠的选型与校核(1)初选电机为 90BYG250C,如表 3-2 所示电机特性(2)滚珠丝杠的选择根据电机以及末端执行机构拟使用条件 负载重量 KGW50最大行程 mS10PLC控制直角坐标机械手设计 22快速进给速度 smV/10加减速时间常数 t5.预期寿命 hL3直线运动导程摩擦系数 02.电机转速 in/6rN表3-2 90BYG250C 的特性表相电流步距角保持转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量重量型号 相数 A度 mNHzz2cmKg90BYG250C 2 4.0 0.9 6.3 2500 4000 3.6 4.81) 设定螺距根据电机最大的转速与快速进给速度(3-47)(106maxNVL计算基本动态额定负载各动作模式下的轴向负载的计算a) 加速时加速度 (3-48)/(67.0123maxstV轴向负载 (3-49).4)(NWPgaAb) 匀速时轴向负载 (3-50)(8.9gBc) 减速时轴向负载 (3-51)(7.23)(NPgC根据表格 3-3 和 3-4 两表格所示条件,计算轴向均负载 与平均转速mPm表3-3 各动作模式1 次循环所需的时间(s)动作模式 A B C 共需时间所需时间 0.3 1.4 0.3 2PLC控制直角坐标机械手设计 23表3-4 螺距为10 的负载条件下负载情况动作模式 A B C轴向负载P(N) 4.33 0.98 2.37转速N 300 600 300所需时间比例t 15% 70% 15%根据上述两表所示条件计算轴向均负载 与平均转速mPmN(3-52)(7.362CA(3-53)in)/(510rttNCBAm根据预期寿命,扣除停止时间后的净运行使用寿命 0hL(3-54)(75)21(30Lh将运行系数 带入公式中2.1Wf(3-55)(2.15)106(31NfPNCwmh因此选择 BSBR2510 滚珠丝杠。(1)容许屈曲载荷危险速度计算研讨丝杠轴全场 L 与危险速度 屈曲载荷N P(3-56)末 端 尺 寸余 量螺 母 长 度最 大 行 程 )(3152081m下面就屈曲载荷进行讨论,设负载作用点间距 2l(3-57)(45.1092NlEInPk式中:开始引起压曲的负载KP:负载作用点距离1l:杨氏模量EPLC控制直角坐标机械手设计 24:丝杠轴最小惯性矩I(3-58)(15.49764mdI:由丝杠的支撑方式决定系数n单推-单推: 1n双推-简支: (选用)2双推-双推: 4双推-自由: 5.0(3-59)(509NPK式中:屈曲载荷KP:安全系数)5.0(说明容许轴向负载充分满足使用条件,由于电机速度比较慢,肯定安全,无需校核危险速度。(4) 最终选型结果:滚珠丝杠的形式为 BSBR2510-315。3.3.2 校核驱动电机(1)传动系统等效转动惯量计算1)电机转子转动惯量 DJ(3-60)(6.32cmKg2)滚珠丝杆的转动惯量 的折算SJ(3-61)(9.03224clps3)手臂上下移动惯量 的折算GJ工作台是移动部件,其移动质量折算到滚珠丝杠轴上下移动的惯量 可按下式进行计算:(3-62)(50)14.32()( 22cmKgMLJG 式中, 是丝杆导程 ; 为工作台质量 。L)(cmkg4)联轴器转动惯量PLC控制直角坐标机械手设计 25(3-63)(48221cmKgDMJ5)系统等效转动惯量(3-64)(53.17593.021 cgJJGSD (2)验算矩频特性步进电机最大静转矩 是指电机的定位转矩,从附件中查得maxjMmNMj3.6ax步进电机的名义启动转矩 与最大静转矩 的关系为 查得qmaxj jmq。所以70.(3-65)(45.3670.Nmq 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算:(3-66)0Mkfakq式中: 为空载启动力矩;kqM为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度,折算到电机轴上的加速ka力矩;为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩。kf有关 的各项力矩值计算如下:aM1)加速力矩(3-67)2max106tnJMka3axapbv式中: 为传动系统的等效转动惯量;J为电机的最大角加速度;为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速;maxn为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间;t为运动部件最大快进速度;axvPLC控制直角坐标机械手设计 26为初选步进电机的步距角;b为脉冲当量;p(3-68)min)/(60)2(136025.9.360maxa rvnpb (3-69)maxtnJMka)(9.14105.632572cN2)空摩擦力矩(3-70)2LMkf式中: 为运动部件的总重量;M为导轨摩擦系数;为传动系统总效率;)9.0(为滚珠丝杠的最大行程L(3-71)(4.1739.014328.52cmNLkf 3)附加摩擦力矩(3-72)20IFMYJ式中:为滚珠丝杠预紧力;(为最大轴向负载的 )YJF 31为滚珠丝杠未预紧时的传动效率,现取0 9.0)(48.1).(1.4327520 cmNIFMYJ 所以,步进电机所需空载启动力矩: )(7.39739.0 ckfakq PLC控制直角坐标机械手设计 27初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩,即,从上式可知电机初步满足要求。kqaM(3)启动矩频特性校核步进电机启动有升速启动和突跳启动。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速,在零时刻,启动频率为零。突跳启动很少使用。在一段时间内,按一定的升速规律升速。启动结束时,步进电机达到了最高运行速度,从下图 3-5 中,可查得:图3-4 90BYG250C矩频特性图纵向:空载启动力矩 。对应的允许启动频率 。步cmNMkq87.329 HZfyq40进电机 90BYG250C 启动频率 ,所以步进电机不会丢步。yqfHZf50(4)运行矩频特性校核1)步进电机的最高快进运行频率 可按下式计算kzf(3-73)pkzVfmax)(4025.1H式中: 为部件最大快进速度;maxV为脉冲当量;p1) 快进力矩 的计算KJM)(8.2141730 cmNF 式中: 为快进时,折算到电机轴上的摩擦力矩, 为附加摩擦力矩。KF 0MPLC控制直角坐标机械手设计 I摘 要工业机械手有能模仿人手和手臂的某些动作功能,用固定程序搬运,抓取物体或操作工具的自动操作装置,机械手主要由手部和运动机构组成。按照搬运或者抓去的物件形状、尺寸、重量、材料和作业环境等的要求的不同,手结构形式有吸附型和夹持型等。运动机构的功能是使手部完成各种动作:移动、转动等运动来实现规定的动作。机构的伸缩、升降和旋转等运动方式,称为机械手的自由度。本设计选用三自由度直角坐标型工业机器人,其自由度为X轴,Y轴和Z 轴方向,是通过滚珠丝杠来实现小臂与大臂的伸缩,升降。而这些动作都是通过在步进电机的带动下进行。在控制器的作用下,它将执行将工件从一条流水线抓取并运送到另一条流水线这一简单的动作。本篇论文主要对机械手的传动部分滚珠丝杠与步进电机进行了计算,计算内容主要包括工业机器人的传动机构的设计,以及其机械传动装置的选择。另外对控制部分的描述主要有PLC 的控制方案,接线原理图以及程序流程图等。关键词:三自由度,直角坐标,PLC,机械手PLC控制直角坐标机械手设计 IIABSTRACTIndustrial robot arm able to mimic some of the manpower and motor function, with a fixed program handling, grab objects automatically operated device or operating tools, robots mainly by hand and sports institutions. According to different requirements for handling objects or arrested shape, size , weight, material and operating environment and the like , in the form of the hand gripping structure and an adsorption -type. Functional movement mechanism is to complete a variety of hand actions: move, rotate and other sports to achieve the required action. Retractable mechanism, lifting and rotation movement pattern, called degrees of freedom manipulator.The design uses three degrees of freedom Cartesian industrial robots, its degrees of freedom for the X -axis, Y -axis and Z -axis direction is achieved by ball screw telescopic arm with the big arm movements. These actions are carried driven by a stepping motor. In the role of the controller, it performs the work piece crawl and transported to another pipeline from the simple act of a pipeline.This thesis is part of the robot drive a ball screw and stepper motor, calculated mainly include industrial robots choose to design transmission mechanism, as well as its mechanical transmission devices. In addition to the control part of the description of the main control scheme PLC, wiring schematics and process flow chart.Key words: three degrees of freedom, Cartesian coordinates, PLC, manipulatorPLC控制直角坐标机械手设计 III目 录1 绪论 .11.1 课题来源 .11.2 课题目的、意义 .11.3 国内外发展基本情况 .12 工业机械手的总体设计 .32.1 机械手的组成 .32.2 工业机械手的设计分析 .42.3 总体设计方案 .43.机械手的机械系统设计 .83.1 机械手手爪设计 .83.2 机械手传动部分设计 .153.3 机械手基座部分设计 .213.4 轴承的选取 .284 PLC控制系统设计 .294.1可编程序控制器的选择及工作过程 294.2 PLC控制系统 305 结论 .36参考文献 .37致谢 .38PLC控制直角坐标机械手设计 11 绪论1.1 课题来源本课题来自于企业项目。1.2 课题目的、意义随着加工行业在我国的迅速发展,各行各业的自动化装备水平越来越高,现代化加工车间,常常配有机械手,以提高生产效率,代替工人完成恶劣环境下危险、繁重的劳动。目前,机械手常用于完成的工作有:汽车制造领域的零件装配及焊接;注塑工业中用于从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工具;机械加工行业中用于取料,送料;浇铸行业中用于提取高温溶液等等。在工业生产线中,机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动,并且操作精度高,提高了产品质量和生产效率。课题的目的是构思、设计一种结构相对简单,功能完备,具有较好的经济性和性能/价格比的机械手。1.3 国内外发展基本情况在机械工业中,机械手的应用具有以下意义。 应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大地改善了工人的劳动条件。同时,在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。 随着现代工业技术的发展,工业自动化技术也越来越高,工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常PLC控制直角坐标机械手设计 2重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害,如冶金、化工、医药、航空航天等。对于机械手的研究国内外的水平不一,但代表当今最先进的技术在日本,他的自动化,人性化令人叹为观止,这些技术依赖于控制理论、新材料科学,它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用,对于自动控制,柔性制造系统中应用更为广泛,但我国的自动化水平有待提高,只相当于世界先进技术在八十年代的水平。随着工业现代化的发展,机械手技术也随之提高,发展的趋势是工作强度高,灵活性强,准确可靠,可以自动检测并下达动作命令,融入先进的人工智能,使人只作平时的简单的维护,这也是现代工厂的发展趋势。 目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以,在国内主要是逐步扩大应用范围,重点发展铸造、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件,在应用专用机械手的同时,相应的发展通用机械手,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度,减少冲击,正确定位,以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑与计算机连用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械手在机械制造行业中应用较多,发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 目前世界高端工业机械手均有高精化,高速化,多轴化,轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求,运行速度可以达到3M/S,量产产品达到6轴,负载2Kg的产品系统总重已突破100Kg。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时,随着机械手的小型化和微型化,其应用领域将会突破传统的机械领域,而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。 本设计是PLC 控制直角坐标机械手设计,直角坐标机械手的功能很多,诸如:工业取料、货物搬运、机械绘图、数控加工等等,我们经常可以在绘图仪、数控雕刻机、数控加工中心。甚至立体车库中看到直角坐标机械手的身影。PLC控制直角坐标机械手设计 32 工业机械手的总体设计2.1 机械手的组成图 2-1 机械手组成图机械手的工作原理:机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。执行系统:执行系统是工业机器人完成抓取工件,实现各种运动所必需的机械部件,它包括手部、腕部、机身等。(1)手部:又称手爪或抓取机构,它直接抓取工件或夹具。(2)腕部:又称手腕,是连接手部和臂部的部件,其作用是调整或改变手部的工作方位。(3)臂部:是支承腕部的部件,作用是承受工件的负荷,并把它传递到预定的位置。(4)机身:是支承手臂的部件,其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。驱动系统:为执行系统各部件提供动力,并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统:通过对驱动系统的控制,使执行系统按照规定的要求进行工作,当发生错误或故障时发出报警。PLC控制直角坐标机械手设计 4检测系统:作用是通过各种检测装置、检测执行机构的整体运动情况,根据需要给控制系统以反馈,与规定要求进行比较,以保证运动符合要求。2.2 工业机械手的设计分析设计要求:本设计机械手的形式为直角坐标形式,具有3个自由度,由手部、手臂、机身等主要部件组成。各设计参数如下:Y轴大臂上下移动距离为: 20cm(最大速度10cm/s)Y轴小臂上下移动距离为: 10cm(最大速度10cm/s)X轴小臂伸缩距离: 10cm(最大速度10cm/s)Z轴平移距离: 10cm(最大速度10cm/s)手指开合角度为: 60度(最大速度60度每秒)机械手最大抓重: 2.5kg工件尺寸: 直径约2-3cm,圆柱形,材料是铁质机械手(重复)定位精度: 1mm机械手驱动方式: 步进电机,由PLC进行控制(1) 选取机械手的坐标型式和自由度。 (2) 设计出机械手的各执行机构,包括手部、手臂等部件的设计。为了使通用性更强,手部设计成可更换结构,可以应用夹持式手指来抓取棒料工件。 (3) 滚珠丝杠的传动系统的设计。本课题将设计出机械手的滚珠丝杠传动系统,包括器件的选取,受力的校核等。 (4) 机械手的控制系统的设计。本机械手拟采用PLC对机械手进行控制,选取相应的PLC型号,根据机械手的工作流程绘制PLC控制原理图,编制出PLC程序,并画出梯形图等。2.3 总体设计方案2.3.1 机械部分本设计机械手的形式为直角坐标形式,具有3个自由度,由手部、手臂、机身等主要部件组成。PLC控制直角坐标机械手设计 5图2-2 机械手示意图手爪是用来直接握持工件的部件,由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同,所以工业机械手的手部结构是多样的,大部分的手部结构是根据特定的工作要求而设计的。归结起来,常用的手部,按其握持工件的原理,大致可分成夹持和吸附两大类。由于本次设计的是流水线间工件自动搬运工业机械手,因此使用夹持式手部。手爪部分设计包括:1) 受力分析2) 夹紧力计算3) 驱动力计算4) 实际驱动力计算图2-3 机械手爪示意图PLC控制直角坐标机械手设计 6手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工件或工具),并带动它们作空间运动。因此,机械手的水平手臂和垂直手臂都采用滚珠丝杠副,来实现X轴、Y轴、Z轴方向的直线往复运动。手臂部分设计包括:1) 电机选型2) 滚珠丝杠选择3) 计算额定负载4) 校核驱动电机机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动件都安装在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动愈多,机身的结构和受力情况愈复杂。由于本次设计的流水线间工件搬运工业机械手进行的是自动定点搬运工件。所以机械手设计成固定的。机身基座设计包括:1) 滚珠丝杠的选型与校核2) 校核驱动电机2.3.2 驱动系统机械手电机驱动的优势是在于节能,因为气动和液压驱动的能量是二次转化,能量消耗大约在35%左右。所以节能是今后机械手,机械自动化发展的一项重要的技术内容。因此本课题选用步进电机驱动,手爪部分驱动使用气压缸。气压缸选型计算包括:1) 气压缸工作压力与气缸内径与活塞杆直径的确定2) 壁厚与外径的设计3) 活塞杆稳定性验算4) 气缸推力、耗气量计算5) 气压缸进排口的计算2.3.3 控制系统工业机械手的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、手指的开闭动作,以及各个动作的时间、速度等,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运动按照预先整定好的程序来实现的。控制4根轴的移动距离和速度,同时还控制手爪开阖以及各个动作的时间、速度等。因此本课题选用PLC 来实现机械手的控制,选取FX系列PLC,画出接线图。并且根据机械手的动作流程,编制出PLC程序,达到搬运工件的目的。PLC控制直角坐标机械手设计 7图2-4 PLC控制总体框图PLC控制直角坐标机械手设计 83.机械手的机械系统设计 3.1 机械手手爪设计3.1.1 手爪的总体概述本设计直角坐标机械手的末端执行器(手爪)设计是用来抓持工件或工具的部件。手爪抓持工件的准确、迅速和稳定程度都将直接影响到直角坐标机械手的工作性能,它是本次设计的关键部件之一。本次设计采用的是齿轮齿条式的手部机构,如图3-1,齿轮齿条式手爪工作原理是驱动杆1末端制成双面齿条,与扇齿轮3相啮合,而扇齿轮3与手指5固连在一起,可绕指点回转。当气压缸工作,驱动力向上时,推动推杆向上运动,齿条向上,齿轮转动,两钳爪向内收拢,手爪闭合。反之,驱动力向下,齿条向下,齿轮转动,手爪打开。此种类型的夹持器多用于实心圆柱零件的夹持。图 3-1 齿轮齿条式手爪手爪技术要求:手指开合角度为: 60 度(最大速度60 度每秒)机械手最大抓重: kg5.2工件尺寸: 直径约 ,圆柱形,材料是铁质cm3PLC控制直角坐标机械手设计 93.1.2 夹紧力计算图 3-2 手爪受力分析图根据手爪类别,如图 3-1 所示,受力方式为摩擦锁紧,故受力分析得:牛顿第二定律: maF(3-1)Gfma4(3-2)SinNF2(3-3)f推得: (3-4)(2)(SinagmG式中,工件质量, ;mkg重力加速度, ;g2/sm动态运动时产生的加速度,取被抓取工件的为匀速 ;a 2/0sma安全系数;SV 型手爪张开的角度,;气爪夹头与工件的摩擦力, ;f N反作用力, ;N气爪夹头与工件的摩擦因素;因为手爪与工件的材料都采用 45 钢,查表得25.0所以:PLC控制直角坐标机械手设计 10)(1065.2025.89)(NSinagmFG(2)根据手部结构的传动示意图 3-1,力矩平衡: 0M其驱动力为:(3-5)GFbR2式中:齿的轮半径,取半径为 ;Rcm8齿轮中心到工件中心的距离,取值为b c10)(26582NFRbG(3)实际驱动力:(3-6)21K实 际因为手爪的传动机构为齿轮齿条传动,根据机械传动效率表中圆柱齿轮传动栏传动效率为 0.940.96,故取传动效率 94.0为安全系数,通常取 1.2-2.0,此取 。1K51K为工作情况系数,可近似按如下公式计算:2 ga12若被抓取工件的速度为匀速 时,则 0a2K)(469.54.1265NF实 际所以当手爪夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 。3.1.3气压缸的选型与计算(1)气缸工作压力的确定PLC控制直角坐标机械手设计 11由液压传动与气压传动中,如表 3-1 所示,取气缸工作压力 。Mpa4.0表3-1 气压负载常用的工作压力负载 NF/50000工作压力 Mpa57(2)气缸内径 和活塞杆直径 的确定Dd本次设计的气缸属于双向作用气缸。单活塞杆双作用气缸目前使用广泛。因为气缸的只在活塞一侧有活塞杆,所以气缸活塞运动时,活塞两侧的有效面积不同导致压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不同,推力也不同。活塞左行时产生推力 ,活塞右行时活塞杆产生拉力 。1F2F(3-7)zpD421(3-8)zFdF)(22式中,活塞杆上的推力, ;1FN活塞杆的拉力, ;2气缸工作时的总阻力, ;Z 气缸工作压力, ;PPa活塞直径, ;Dm活塞杆直径, 。 d气缸工作时的总阻力 与众多因素有关,如运动部件的惯性力、密封处的摩擦等。ZF以上几个因素都可以载荷率 的形式计入公式,如要求气缸的静推力 和静拉力 ,1F2则在计入载荷率后:(3-9)421pDFPLC控制直角坐标机械手设计 12(3-10)4)(22pdDF计入载荷率就能保证气缸工作时的特性。若气缸动态所达到精度要求较高;且工作频率高,其载荷率一般取 ,频率越快时取 ,频率越慢时取 。若5.033.05.0气缸动态参数要求一般,且工作频率不高,基本是匀速运动,其载荷率可取,取 。85.0785.0由以上分析得双向作用气缸的直径:(3-11)PFD14代入有关数据,可得: )(9.385.014.32641 m由 ,可得活塞杆直径: 。3.02/Dd Dd12)(查机械手册,气缸直径 和活塞直径 标准系列:D、 、 、 、 、 、 、 、 、 、m81m1620m53240563等等。0所以圆整得 ,活塞杆直径)(40)(1d(3)缸筒壁厚和外径的设计因缸筒需要直接承受在压缩空气时产生的压力,所以必须有一定的厚度才能达到要求。一般气缸缸筒壁厚与内径之比 ,其壁厚可按薄壁筒公式计算:10/D(3-12)2pP式中,- 缸筒壁厚, ;m- 气缸内径, ;D- 气缸试验压力,一般取 ; pP)(5.1Pap-气缸工作压力 ;)(PaPLC控制直角坐标机械手设计 13-缸筒材料许用应力,本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金 ZL106。Mpa3则壁厚为: )(41032.56mDPp,则缸筒外径为:m4 )(81D(4)手部活塞杆行程长 计算L活塞杆的位移量= (3-13)(2.630mR气缸(活塞)行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程,以免活塞与缸盖相碰撞,尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果,必须按计算行程多加 的行程余量。m201 )(28.60.L圆整为 。)(7L(5)活塞杆稳定性的验算:当活塞杆的长度 较小时( ) ,可以只按强度条件校核计算活塞杆直径 。dL10 d则:(3-14)5.01)/4(F其中 ,NF4261MPa120则: 125.)12046(.d所以满足设计要求。(6)气缸推力验算:(3-15)421pdFPLC控制直角坐标机械手设计 14)(426)(785.01.0.1362N由以上计算可知气缸可能产生的推力 大于夹紧工件所需的推力71F,所以该气缸满足要求。)(426NF实 际(7)消耗气量的计算气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积(死容积)有关,气缸每分钟消耗的压缩空气流量 为:Q(3-16)min)/)(2(432dDns式中:气缸直径, ;Dm活塞杆直径, ;d活塞行程, ;s气缸活塞每分钟往返次数,因手爪最大速度为每秒 60 度,一分钟手爪开闭n30 次,取 。30此公式未考虑气缸内的死容积,因此计算值比实际值偏小,设计时要根据具体情况加以修正。 min)/(10294.1)02.4.2(3047.1 33Q (8)气压缸进排口的计算气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关,除特殊情况外,一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径 用下式计算:0d(3-17)(20mvQd式中:工作压力下气缸的耗气量, ;QS/3空气流经进排气口的速度,一般 ; V sV/150把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后,按照 GB/T14038-93 气缸气口螺纹选择合适的气口螺纹。故: )(3.md(9)手爪部分总质量估算PLC控制直角坐标机械手设计 15(3-18)气 缸零 件手 爪 mm其中:手爪部分和活塞杆材料采用45钢,缸筒和端盖连接材料采用铝合金ZL106。查机械设计手册手册,45号钢密度为 ,ZL106的密度为3/1085.7kg。3/107.2mkg手爪部分总质量约为 )(862.3519.24.0kg3.2 机械手传动部分设计3.2.1 Y轴小臂手臂的结构设计(1)初选电机为 90BYG250C,如表 3-2 所示电机特性表 3-2 90BYG250C 的特性表相电流步距角保持转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量重量型号 相数 A度 mNHzz2cmKg90BYG250C 2 4.0 0.9 6.3 2500 4000 3.6 4.8(2)滚珠丝杠的选择根据电机以及末端执行机构拟使用条件 负载重量 KGW5最大行程 mS10快速进给速度 sV/加减速时间常数 t.预期寿命 hL3直线运动导程摩擦系数 02.电机转矩 min/6axrN1)设定螺距根据电机最大的转速与快速进给速度(3-19)(106maxNVLPLC控制直角坐标机械手设计 162)计算基本动态额定负载各动作模式下的轴向负载的计算a) 加速时加速度 (3-20)/(67.0123maxstV轴向负载 (3-21).4)(NWPgaAb) 匀速时轴向负载 (3-22)(98.0gBc) 减速时轴向负载 (3-23)(37.2)(NPgC根据表格 3-3 和 3-4 两表格所示条件,计算轴向均负载 与平均转速mPm表 3-3 各动作模式 1 次循环所需的时间(s)动作模式 A B C 共需时间所需时间 0.3 1.4 0.3 2表 3-4 螺距为 10 的负载条件下负载情况动作模式 A B C轴向负载P(N) 4.33 0.98 2.37转速N 300 600 300所需时间比例t 15% 70% 15%(3-24)(68.32NPCAm(3-25)min)/(510rttNCBA根据预期寿命,扣除停止时间后的净运行使用寿命 0hL(3-26)(75)21(30Lh将运行系数 代入公式中,求得轴承基本额定动载荷2.1wf C(额定动载荷:假使轴承的基本额定寿命恰好为一百万转时,轴承所能承受的载荷值,称为轴承的基本额定动载荷,用 表示。对向心轴承,指的是纯径向载荷,用C表示;对推力轴承,指的是纯轴向载荷,用 表示。 )Cr aPLC控制直角坐标机械手设计 17(3-27)(04.27)106(31NfPNLCwmh因此选择 BSBR2510 滚珠丝杠。(2)容许屈曲载荷危险速度计算研讨丝杠轴全长 与危险速度 屈曲载荷Lck(3-28)末 端 尺 寸余 量螺 母 长 度最 大 行 程 )(3251081m下面就屈曲载荷进行讨论,设负载作用点间距 l(3-29)(45.1092NlEInPk式中::开始引起压曲的负载kP:负载作用点距离1l:杨氏模量E:丝杠轴最小惯性矩I(3-30)(15.49764mdI:丝杠底径为dm1.7:由丝杠的支撑方式决定系数n单推-单推: =1双推-简支: =2(选用)双推-双推: =4双推-自由: =0.25n滚动轴承若同时承受径向和轴向联合载荷,为了计算轴承寿命时在相同条件下比较,在进行寿命计算时,必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷,用 表示。P求出当量动载荷:(3-31)(509NPK式中:屈曲载荷KPPLC控制直角坐标机械手设计 18:安全系数(0.5) )(04.27)(509NCP说明容许轴向负载充分满足使用条件,由于电机速度比较慢,肯定安全,无需校核危险速度。(2)最终选型结果滚珠丝杠的形式为 BSBR2510-3153.2.2 校核驱动电机(1)传统系统等效转动惯量计算1)电机转子转动惯量 DJ(3-32)(6.32cmKgD2)滚珠丝杆的转动 惯量的折算SJ(3-33)(9.03224clpsS3)手臂上下移动惯量 的折算GJ工作台是移动部件,其移动质量折算到滚珠丝杠上下移动的惯量 可按下式进行计算:(3-34)(5.0)14.32()( 22cmKgMLJG 式中,是 丝杆导程 ; 为工作台质量cmk4)联轴器转动惯量(3-35)(48221cKgDJ5)系统等效转动惯量(3-36)(03.15.0936. 21 cmJJGSD (2)验算矩频特性步进电机最大静转矩 是指电机的定位转矩,从附件中查得maxjMNMj3.6ax步进电机的名义启动转矩 与最大静转矩 的关系为 。查得qmaxj mjq。所以70.(3-37)(45.3670.Nmq PLC控制直角坐标机械手设计 19步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算:(3-38)0Mkfakq式中: 为空载启动力矩;kqM为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度,折算到电机轴上的加速ka力矩;为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩。kf(3)有关 的各项力矩值计算如下:kqM1)加速力矩(3-39)2max106tnJka(3-40)3axapbv式中: 为传动系统的等效传动惯量;J为电机的最大角加速度;为与运动部件最大快速进度对应的电机最大速度;maxn为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间;t为运动部件最大快进速度;axv为初选步进电机的步距角;b为脉冲当量;p min)/(60)2(136025.9.360maxa rvnpb (3-41)maxtnJMka)(47.85105.632012cNPLC控制直角坐标机械手设计 202)空载摩擦力矩(3-42)2LMkf式中: 为运动部件的总重量;M为导轨摩擦系数;为传动系统总效率;)9.0(为滚珠丝杠的最大行程;L(3-43)(34.179.04328.52cmNLMkf 3)附加摩擦力矩(3-44)20IFYJ式中: 为滚珠丝杠预紧力;(为最大轴向负载的 )YJF31为滚珠丝杠未预紧时的传动效率,现取0 9.0)(48.1).(1.4327520 cmNIMYJ 所以,步进电机所需空载启动力矩:(3-45)0Mkfakq)(29.1448.13.785cmN初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩,即,从上式可知电机初步满足要求。kqM(3)启动矩频特性校核步进电机启动有升速启动和突跳启动。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速,在零时刻,启动频率为零。突跳启动很少使用。在一段时间内,按一定的升速规律升速。启动结束时,步进电机达到了最高运行速度,从下图 3-4 中,可查得PLC控制直角坐标机械手设计 21图3-4 90BYG250C矩频特性图纵向:空载启动力矩 。对应的允许启动频率 。步cmNMkq29.14 HZfyq60进电机 90BYG250C 启动频率 ,所以步进电机不会丢步。yqfHZf50(4)运行矩频特性校核1)步进电机的最高快进运行频率 可按下式计算kzf(3-46)pkzVfmax)(4025.1H式中: 为快进时,折算到电机轴上的摩擦力矩, 为附加摩擦力矩。KFM0M从 90BYG250C 运行矩频特性图中,可知 对应的mNcKJ 582.82.允许快进频率 ;所以所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。KJyf综上所述,所选用的步进电机 90BYG250C 符合要求,可以使用。3.3 机械手基座部分设计3.3.1 滚珠丝杠的选型与校核(1)初选电机为 90BYG250C,如表 3-2 所示电机特性(2)滚珠丝杠的选择根据电机以及末端执行机构拟使用条件 负载重量 KGW50最大行程 mS10PLC控制直角坐标机械手设计 22快速进给速度 smV/10加减速时间常数 t5.预期寿命 hL3直线运动导程摩擦系数 02.电机转速 in/6rN表3-2 90BYG250C 的特性表相电流步距角保持转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量重量型号 相数 A度 mNHzz2cmKg90BYG250C 2 4.0 0.9 6.3 2500 4000 3.6 4.81) 设定螺距根据电机最大的转速与快速进给速度(3-47)(106maxNVL计算基本动态额定负载各动作模式下的轴向负载的计算a) 加速时加速度 (3-48)/(67.0123maxstV轴向负载 (3-49).4)(NWPgaAb) 匀速时轴向负载 (3-50)(8.9gBc) 减速时轴向负载 (3-51)(7.23)(NPgC根据表格 3-3 和 3-4 两表格所示条件,计算轴向均负载 与平均转速mPm表3-3 各动作模式1 次循环所需的时间(s)动作模式 A B C 共需时间所需时间 0.3 1.4 0.3 2PLC控制直角坐标机械手设计 23表3-4 螺距为10 的负载条件下负载情况动作模式 A B C轴向负载P(N) 4.33 0.98 2.37转速N 300 600 300所需时间比例t 15% 70% 15%根据上述两表所示条件计算轴向均负载 与平均转速mPmN(3-52)(7.362CA(3-53)in)/(510rttNCBAm根据预期寿命,扣除停止时间后的净运行使用寿命 0hL(3-54)(75)21(30Lh将运行系数 带入公式中2.1Wf(3-55)(2.15)106(31NfPNCwmh因此选择 BSBR2510 滚珠丝杠。(1)容许屈曲载荷危险速度计算研讨丝杠轴全场 L 与危险速度 屈曲载荷N P(3-56)末 端 尺 寸余 量螺 母 长 度最 大 行 程 )(3152081m下面就屈曲载荷进行讨论,设负载作用点间距 2l(3-57)(45.1092NlEInPk式中:开始引起压曲的负载KP:负载作用点距离1l:杨氏模量EPLC控制直角坐标机械手设计 24:丝杠轴最小惯性矩I(3-58)(15.49764mdI:由丝杠的支撑方式决定系数n单推-单推: 1n双推-简支: (选用)2双推-双推: 4双推-自由: 5.0(3-59)(509NPK式中:屈曲载荷KP:安全系数)5.0(说明容许轴向负载充分满足使用条件,由于电机速度比较慢,肯定安全,无需校核危险速度。(4) 最终选型结果:滚珠丝杠的形式为 BSBR2510-315。3.3.2 校核驱动电机(1)传动系统等效转动惯量计算1)电机转子转动惯量 DJ(3-60)(6.32cmKg2)滚珠丝杆的转动惯量 的折算SJ(3-61)(9.03224clps3)手臂上下移动惯量 的折算GJ工作台是移动部件,其移动质量折算到滚珠丝杠轴上下移动的惯量 可按下式进行计算:(3-62)(50)14.32()( 22cmKgMLJG 式中, 是丝杆导程 ; 为工作台质量 。L)(cmkg4)联轴器转动惯量PLC控制直角坐标机械手设计 25(3-63)(48221cmKgDMJ5)系统等效转动惯量(3-64)(53.17593.021 cgJJGSD (2)验算矩频特性步进电机最大静转矩 是指电机的定位转矩,从附件中查得maxjMmNMj3.6ax步进电机的名义启动转矩 与最大静转矩 的关系为 查得qmaxj jmq。所以70.(3-65)(45.3670.Nmq 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算:(3-66)0Mkfakq式中: 为空载启动力矩;kqM为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度,折算到电机轴上的加速ka力矩;为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩。kf有关 的各项力矩值计算如下:aM1)加速力矩(3-67)2max106tnJMka3axapbv式中: 为传动系统的等效转动惯量;J为电机的最大角加速度;为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速;maxn为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间;t为运动部件最大快进速度;axvPLC控制直角坐标机械手设计 26为初选步进电机的步距角;b为脉冲当量;p(3-68)min)/(60)2(136025.9.360maxa rvnpb (3-69)maxtnJMka)(9.14105.632572cN2)空摩擦力矩(3-70)2LMkf式中: 为运动部件的总重量;M为导轨摩擦系数;为传动系统总效率;)9.0(为滚珠丝杠的最大行程L(3-71)(4.1739.014328.52cmNLkf 3)附加摩擦力矩(3-72)20IFMYJ式中:为滚珠丝杠预紧力;(为最大轴向负载的 )YJF 31为滚珠丝杠未预紧时的传动效率,现取0 9.0)(48.1).(1.4327520 cmNIFMYJ 所以,步进电机所需空载启动力矩: )(7.39739.0 ckfakq PLC控制直角坐标机械手设计 27初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩,即,从上式可知电机初步满足要求。kqaM(3)启动矩频特性校核步进电机启动有升速启动和突跳启动。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速,在零时刻,启动频率为零。突跳启动很少使用。在一段时间内,按一定的升速规律升速。启动结束时,步进电机达到了最高运行速度,从下图 3-5 中,可查得:图3-4 90BYG250C矩频特性图纵向:空载启动力矩 。对应的允许启动频率 。步cmNMkq87.329 HZfyq40进电机 90BYG250C 启动频率 ,所以步进电机不会丢步。yqfHZf50(4)运行矩频特性校核1)步进电机的最高快进运行频率 可按下式计算kzf(3-73)pkzVfmax)(4025.1H式中: 为部件最大快进速度;maxV为脉冲当量;p1) 快进力矩 的计算KJM)(8.2141730 cmNF 式中: 为快进时,折算到电机轴上的摩擦力矩, 为附加摩擦力矩。KF 0M
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