FMC物料搬運機械手設(shè)計

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 題目 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 二級學(xué)院 直屬學(xué)部 專業(yè) 班級 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師姓名 職稱 評閱教師姓名 職稱 2014 年 11 月 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 摘 要 本課題是為完成車間搬運工作而設(shè)計的搬運機械手 機械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn) 物 它是一種模仿人體上肢的部分功能 按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進行操作 的自動化技術(shù)設(shè)備 對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化 推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作 用 因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎 本課題的機械手是采用氣壓傳動裝置 PLC 控制機械手 它的基本作用是從指定位 置抓取工件運送到另一個指定的位置 主要完成的是氣壓傳動式機械手臂的結(jié)構(gòu)方面 設(shè)計 以及用 PLC 軟件進行簡單的控制編程設(shè)計 使機械手具備手爪張合 手部回轉(zhuǎn) 手臂伸縮 手臂回轉(zhuǎn) 手臂升降 5 個主要運動 機械手分別采用了兩個直線氣缸 一個擺動氣缸和滾珠絲杠來實現(xiàn)以上 5 個運動 對于機械手準確 高效的工作是當今生產(chǎn)上一個具有很現(xiàn)實意義的課題 于是利用步 進電機滾珠絲杠來控制機械手的手臂升降運動 達到了定位精度較高的效果 關(guān)鍵詞 機械手 PLC 可編程控制器 步進電機 滾珠絲杠副 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 目 錄 1 緒論 1 1 1 機器人的起源 1 1 2 我國搬運機器人基本情況 1 1 3 國外搬運機械手發(fā)展情況 2 1 4 工業(yè)機器人發(fā)展的趨勢和展望 3 1 5 本章小結(jié) 4 2 設(shè)計的總體思想 5 2 1 機械手預(yù)計達到的目標 5 2 2 基本結(jié)構(gòu)框架 5 2 2 1 機械手基本形式的選擇 5 2 2 2 機械手執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計 5 2 2 3 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 6 2 2 4 控制系統(tǒng)的選擇 6 2 3 本章小結(jié) 6 3 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 7 3 1 手部抓取機構(gòu)的設(shè)計 7 3 1 1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 7 3 1 2 抓取裝置原理 7 3 1 3 手部抓取氣缸的設(shè)計 7 3 1 4 氣壓回路設(shè)計 11 3 2 腕部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 12 3 2 1 腕部設(shè)計要求 12 3 2 2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 12 3 2 3 擺動氣缸的選擇 14 3 2 4 氣壓回路設(shè)計 16 3 3 臂部伸縮機構(gòu)的設(shè)計 17 3 3 1 手臂伸縮機構(gòu)的設(shè)計 17 3 3 2 相關(guān)參數(shù)的計算 17 3 3 3 導(dǎo)向裝置 19 3 3 4 氣壓回路設(shè)計 19 3 4 手臂升降機構(gòu)的設(shè)計 19 3 4 1 工作要求 19 3 4 2 滾珠螺母結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計選擇 20 3 4 3 滾珠絲桿副主要參數(shù) 型號及絲桿軸向承載能力計算 20 3 4 4 絲杠支承軸承的選擇 21 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 4 5 步進電機的選擇與設(shè)計 23 3 5 機身旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 25 3 5 1 電機輸出力矩的計算 25 3 5 2 電機輸出功率的計算 27 3 5 3 電動機的選擇 27 3 6 本章小結(jié) 29 4 氣壓系統(tǒng)的設(shè)計 30 4 1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理 30 4 2 氣動元件的選擇 30 4 3 本章小結(jié) 31 5 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 32 5 1 可編程序控制器的選擇及工作過程 32 5 1 1 可編程序控制器的選擇 32 5 1 2 可編程序控制器的工作過程 32 5 2 可編程序控制器的使用步驟 32 5 3 機械手可編程序控制器控制方案 33 5 3 1 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 33 5 3 2 氣動機械手的工作流程 34 5 3 3 I 0 分配 35 5 3 4 梯形圖設(shè)計 37 5 4 本章小結(jié) 46 結(jié) 論 47 致 謝 48 參考文獻 49 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1 1 緒論 1 1 機器人的起源 機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人的問世都是近幾十年的事 然而人 們對機器人的幻想與追求卻已有 3000 多年的歷史 人類希望制造一種像人一樣的機器 以便代替人類完成各種工作 機器人的誕生先后經(jīng)歷了從古代的神話幻想到此后數(shù)千年的艱苦探索 設(shè)計和試 驗的漫長道路 自古以來 幻想就是人類創(chuàng)造力的源泉 從人類最早的發(fā)明到當今的 人間奇跡無一不是如此 人們在辛苦的勞動生產(chǎn)中渴望著有 人 來幫助自己戰(zhàn)勝困 難 創(chuàng)造幸福 西周時期 我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人 這是我國最早記載 的機器人 春秋后期 我國著名的木匠魯班 在機械方面也是一位發(fā)明家 據(jù) 墨經(jīng) 記載 他曾制造過一只木鳥 能在空中飛行 三日不下 體現(xiàn)了我國勞動人民的聰明 智慧 公元前 2 世紀 亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機器人 自動機 它是以水 空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像 它可以自己開門 還可以借助蒸汽 唱歌 1800 年前的漢代 大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀 而且發(fā)明了計里鼓車 計 里鼓車每行一里 車上木人擊鼓一下 每行十里擊鐘一下 后漢三國時期 蜀國丞相 諸葛亮成功地創(chuàng)造出了 木牛流馬 并用其運送軍糧 支援前方戰(zhàn)爭 其實 在幾百年甚至幾千年以前 人類就制造出了許多可以幫助自己工作的 機 器人 只是還不成熟 僅僅是一個 雛形 所以說 機器人發(fā)展的起源 是因為 人們?yōu)榱烁佑行实?更加節(jié)約人力的進行生產(chǎn) 而人類豐富的想象力和智慧造就 了今日的 機器人 1 2 我國搬運機器人基本情況 我國的工業(yè)機器人從 80 年代 七五 科技攻關(guān)開始起步 在國家的支持下 通過 七五 八五 科技攻關(guān) 目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù) 控 制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù) 運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù) 生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件 開發(fā)出噴漆 弧焊 點焊 裝配 搬運等機器人 其中有 130 多臺套噴漆機器人在二 十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線 站 上獲得規(guī)模應(yīng)用 弧焊機器人己應(yīng)用在汽 車制造廠的焊裝線上 但總的來看 我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國 外比還有一定的距離 如 可靠性低于國外產(chǎn)品 機器人應(yīng)用工程起步較晚 應(yīng)用領(lǐng) 域窄 生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 在應(yīng)用規(guī)模上 我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器 人約 200 臺 約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四 以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè) 當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求 一客戶 一次重新設(shè)計 品種規(guī)格多 批量小 零部件通用化程度低 供貨周期長 成本也不低 而且質(zhì)量 可靠性不穩(wěn)定 因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù) 對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃 搞好系列化 通用 化 模塊化設(shè)計 積極推進產(chǎn)業(yè)化進程 我國的智能機器人和特種機器人在 863 計 劃的支持下 也取得了不少成果 其中最為突出的是水下機器人 6000m 水下無纜機 器人的成果居世界領(lǐng)先水平 還開發(fā)出直接遙控機器人 雙臂協(xié)調(diào)控制機器人 爬壁 機器人 管道機器人等機種 在機器人視覺 力覺 觸覺 聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng) FMC 物料搬運機械手設(shè)計 2 用上開展了不少工作 有了一定的發(fā)展基礎(chǔ) 但是在多傳感器信息融合控制技術(shù) 遙 控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人 智能裝配機器人 機器人化機械等的開發(fā)運用方面則 剛剛起步 與國外先進水平差距較大 需要在原有成績的基礎(chǔ)上 有重點地系統(tǒng)攻關(guān) 才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品 以期在 十五 后期立于世界先進行列之 中 1 搬運作業(yè)在現(xiàn)代企業(yè)的物流管理中占有重要地位 近幾年來隨著物流業(yè)的發(fā)展 特別是自動倉庫的出現(xiàn) 加速了搬運機器人的發(fā)展和廣泛應(yīng)用 我國在 七五 八五 期間已有許多單位研制出搬運碼垛機器人 如上海大學(xué)研制的用于銀行金庫 的直角坐標型碼垛搬運機器人 哈工大研制的堆垛機器人 物料搬運機器人的操作和 使用推廣屬于自動化技術(shù)中增值最快的領(lǐng)域之一 在帶有微型機電一體化元件的小型 盤 套 罩形零部件的自動化封裝運送中 借助于物料搬運機器人的圖像識別技術(shù)和復(fù) 雜的編程技術(shù) 物料搬運機器人可以完成迄今為止人力所無法完成的艱巨任務(wù) 現(xiàn)今機 械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合 從而根本 改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài) 1 3 國外搬運機械手發(fā)展情況 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于 20 世紀 50 年代初 是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式 能 適應(yīng)產(chǎn)品種類變更 具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)生 機械手首先是從美國開始研制的 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手 他的結(jié)構(gòu)是 機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂 端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu) 控制系統(tǒng)是 示教型的 1962 年 美國機械鑄造公司在上述工件抓放機構(gòu)方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù) 控示教再現(xiàn)型機械手 商名為 Unimate 即萬能自動 運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔 臂回 轉(zhuǎn) 俯仰 用液壓驅(qū)動 控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置 不少球坐標式通用機械手就是 在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司 Unimaton 專門生產(chǎn)工業(yè)機械手 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 Versatran 機械手 原意是靈活搬運 該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn) 臂可以回轉(zhuǎn) 升 降 伸縮 采用液壓驅(qū)動 控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型 雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十 年代初 但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ) 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學(xué) 麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate Vic arm 型工業(yè)機械手 裝有小型電子計算機進行控制 用于裝配作業(yè) 定位誤差可小 于 1 毫米 美國還十分注意提高機械手的可靠性 改進結(jié)構(gòu) 降低成本 如 Unimate 公司建 立了 8 年機械手試驗臺 進行各種性能的試驗 準備把故障前平均時間 注 故障前 平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度 它給出在第一次故障前的平均運行時間 由 400 小時提高到 1500 小時 精度可提高到 0 1 毫米 德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機械手 主要用于起重運輸 焊接和設(shè)備的 上下料等作業(yè) 德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手 采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快 應(yīng)用最多的國家 自 1969 年從美國引進二種典型機 械手后 大力研究機械手的研究 據(jù)報道 1979 年從事機械手的研究工作的大專院校 研究單位多達 50 多個 1976 年個大學(xué)和國家研究部門用在機械手的研究費用 42 1979 年日本機械手的產(chǎn)值達 443 億日元 產(chǎn)量為 14535 臺 其中固定程序和可 變程序約占一半 達 222 億日元 是 1978 年的二倍 具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為 67 億日元 比 1978 年增長 50 智能機械手約為 17 億日元 為 1978 年的 6 倍 截 止 1979 年 機械手累計產(chǎn)量達 56900 臺 在數(shù)量上已占世界首位 約占 70 并以每 年 50 60 的速度增長 使用機械手最多的是汽車工業(yè) 其次是電機 電器 預(yù)計 到 1990 年將有 55 萬機器人在工作 2 1 4 工業(yè)機器人發(fā)展的趨勢和展望 工業(yè)機器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實踐證明 它在提高生產(chǎn)自動化水平 提高勞 動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量提高經(jīng)濟效益 改善工人勞動條件等方面 有著令世人矚目的作 用 引起了世界各國和社會各層人士的廣泛興趣 在新的世紀 機器人工業(yè)必將得到 更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用 從近幾年世界機器人推出的產(chǎn)品來看 未來工業(yè) 機器人具有如下的發(fā)展趨勢 1 高智能化 未來工業(yè)機器人與今天的相比最突出的差異在于其具有更高的智能 隨計算機技 術(shù) 模糊控制技術(shù) 專家系統(tǒng)技術(shù) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能工程技術(shù)等高新技術(shù)的不 斷發(fā)展 必將大大提高工業(yè)機器人學(xué)習(xí)知識和運用知識解決問題的能力 并具有視覺 聽覺 感覺等功能 能感知環(huán)境的變化 做出相應(yīng)反應(yīng) 有很高的自適應(yīng)能力 幾乎 能象人一樣去干更多的工作 2 結(jié)構(gòu)一體化 工業(yè)機器人的本體采用桿臂結(jié)構(gòu)或細長臂軸向式腕關(guān)節(jié) 并與關(guān)節(jié)機構(gòu) 電動機 減速器 編碼器等有機結(jié)合 全部電 管 線不外露 形成十分完整的防塵 防漏 防暴 防水全封閉的一體化結(jié)構(gòu) 3 組件 構(gòu)件通用化 標準化和模塊化 工業(yè)機器人是一種高科技產(chǎn)品 其制造 使用維護成本較高 操作機和控制器采 用通用元器件 讓機器人組件 構(gòu)件實現(xiàn)標準化 模塊化是降低成本的重要途徑之一 大力制訂和推廣 三化 將使工業(yè)機器人產(chǎn)品更能適應(yīng)國際市場價格競爭的環(huán)境 4 高精度 高可靠性 隨著人類對產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高的發(fā)展趨勢 對從事制造業(yè)的工業(yè)機 器人的要求也相應(yīng)提高 開發(fā)高精度 高可靠性工業(yè)機器人是必然的發(fā)展結(jié)果 采用 最新交流伺服電動機或 DD 電動機直接驅(qū)動 以進一步改善機器人的動態(tài)特性 提高 可靠性采用 64 位數(shù)字伺服驅(qū)動單元和主機采用 32 位以上 CPU 控制 不僅可使工業(yè)機 器人精度大為提高 也可以提高插補運算和坐標變換的速度 目前 工業(yè)機器人的應(yīng)用主要還是集中在焊接 裝配 工件搬運 機床上下料和 噴漆 涂 等作業(yè)領(lǐng)域 對于去毛刺 鑄件清理 切削加工和拋光等很有應(yīng)用潛力的 這些作業(yè) 工業(yè)機器人的應(yīng)用數(shù)量目前還較少 主要原因是尚缺少合適的傳感器 阻 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 4 礙了工業(yè)機器人在這些領(lǐng)域里的迅速增長 同樣 對于目前應(yīng)用量較大的弧焊和裝配 機器人 進一步擴大應(yīng)用也需要有傳感器技術(shù)的支持 如進行弧焊作業(yè)時 傳感器用 來識別和跟蹤焊縫 進行零件裝配時 工業(yè)機器人需采用裝有測力傳感器和柔性手爪 用于識別零件及其位置的圖象處理系統(tǒng)等 顯然 傳感器系統(tǒng)的進一步開發(fā)和完善 控制系統(tǒng)和驅(qū)動技術(shù)的進一步改進 對擴大工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍和保證其作業(yè)質(zhì)量 越來越具有重要意義 新的加工工藝的開發(fā)和改進 如激光加工 為工業(yè)機器人開 辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域 例如 應(yīng)用裝有 CO 激光器的工業(yè)機器人進行激光焊接和切割等 3 另外 工業(yè)機器人在其它一些領(lǐng)域用于代替人的工作或從事人們所難以完成的一 些工作也有一定的潛在市場 例如 采用工業(yè)機器人在海洋進行深水作業(yè) 值得提及 的是 近幾年來采用工業(yè)機器人在超凈環(huán)境里制造高性能高集成度電路芯片已引起人 們的重視 隨著工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)智能化 工業(yè)機器人將從工業(yè)應(yīng)用擴大到生活服務(wù)應(yīng)用 據(jù) 報道 美國一家從事生活服務(wù)的企業(yè)打算采用工業(yè)機器人進行清潔打掃工作 以便在 大企業(yè)里代替人的勞動 目前 在北美一些醫(yī)院里 已開始應(yīng)用機器人來自動送食品 或藥物 不斷提高工業(yè)機器人的性能 重視系統(tǒng)配套 同時努力降低成本 這是進一步擴 大工業(yè)機器人應(yīng)用的幾個重要條件 鑒于目前大量應(yīng)用工業(yè)機器人的主要是一些大型 企業(yè) 為在中小企業(yè)里推廣應(yīng)用工業(yè)機器人 一些制造廠提出了低成本自動化 Lowcost Automation 策略 以便為中小企業(yè)提供一種具有一定專用性和價格特別 合適的工業(yè)機器人系統(tǒng) 可以預(yù)料 在 21 世紀中 隨著柔性自動化技術(shù)的進一步發(fā)展 各企業(yè)對工業(yè)機器人的需求將會有較大幅度的增長 4 綜上所述 工業(yè)機器人是典型的機電一體化高科技產(chǎn)品 自從 20 世紀 50 年代美 國制造第一臺機器人以來 工業(yè)機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快 它對于提高生產(chǎn)自動 化水平 勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益 保證產(chǎn)品質(zhì)量 改善勞動條件等方面的作用日益顯 著 工業(yè)機器人代替人力勞動是必然的發(fā)展趨勢 和計算機技術(shù)一樣 工業(yè)機器人的 廣泛應(yīng)用 正在日益改變著人類的生產(chǎn)方式和生活方式 機器人工業(yè)已成為世界各國 備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè) 隨著工業(yè)機器人在今后不斷的向智能化發(fā)展 工業(yè)機器人必定會走 向一個更加繁榮的時代 1 5 本章小結(jié) 本章介紹了機器人的起源 國內(nèi)外搬運機器人的基本情況以及工業(yè)機器人發(fā)展的 趨勢和展望 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 2 設(shè)計的總體思想 2 1 機械手預(yù)計達到的目標 采用氣壓傳動裝置 PLC 控制機械手 它的基本作用是從指定位置抓取工件運送 到另一個指定的位置 主要完成機械手結(jié)構(gòu)方面設(shè)計 以及用 PLC 軟件進行簡單的控 制編程設(shè)計 使機械手具備手爪張合 手部回轉(zhuǎn) 手臂伸縮 手臂回轉(zhuǎn) 手臂升降 5 個主要運動 在 PLC 程序控制的條件下 采用氣壓傳動方式 來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生 規(guī)定要求的 有順序 有運動軌跡 有一定速度和時間的動作 同時按其控制系統(tǒng)的 信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令 必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視 當動作有錯誤或發(fā)生 故障時即發(fā)出報警信號 位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng) 并與設(shè)定的位置進行比較 然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整 從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精 度達到設(shè)定位置 5 如圖 2 1 所示 圖 2 1 機械手系統(tǒng)控制圖 2 2 基本結(jié)構(gòu)框架 2 2 1 機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài) 按坐標形式大致可以分為以下 4 種 1 直角坐標型機械手 2 圓柱坐標型機械手 3 球坐標 極坐標 型機械手 4 多關(guān)節(jié)型機機械手 其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊 定位精度較高 占地 面積小 因此本設(shè)計采用圓柱坐標型 6 2 2 2 機械手執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計 本機械手機械系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)主要由以下部分組成 1 手部 采用一個直線氣壓缸 通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手爪的張合 采用夾持式 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 6 手部 抓重 棒料直徑 kg5m80 2 腕部 采用一個擺動氣缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn) 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 180 s 90 3 臂部 采用直線氣缸來實現(xiàn)手臂平動 伸縮行程 伸縮速度 m45 m 5 4 機身 采用電機驅(qū)動實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn) 升降行程 回轉(zhuǎn)范10 圍 回轉(zhuǎn)速度 180 s 70 2 2 3 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)機械手的重要組成部分 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取 決于驅(qū)動方案及其裝置 工業(yè)機械手的驅(qū)動大致可分為液壓 氣動 電動和機械驅(qū)動 等四類 采用氣壓驅(qū)動 結(jié)構(gòu)簡單 重量輕 控制方便 無污染等優(yōu)點 因此 本設(shè) 計機械手的手爪張合 手部回轉(zhuǎn) 手臂伸縮運動均采用氣壓傳動驅(qū)動系統(tǒng) 此外 機 械手的手臂升降 手臂回轉(zhuǎn)運動采用電機驅(qū)動系統(tǒng) 7 2 2 4 控制系統(tǒng)的選擇 本機械手采用可編程序控制器 PLC 對機械手進行控制 本課題將要選取 PLC 型號 初定三菱的 PLC 裝置 根據(jù)機械手的工作流程編制出 PLC 程序 并畫出梯形 圖 預(yù)定工作流程如圖 2 2 所示 手臂 下降 手臂伸長 手爪夾緊 手臂縮回 手臂上升 手臂下降 支座 左轉(zhuǎn) 手部左轉(zhuǎn) 手爪放松 手部 右轉(zhuǎn) 手臂 上升 圖 2 2 機械手循環(huán)動作流程圖 2 3 本章小結(jié) 本章介紹了本課題的總體方案設(shè)計 分別采用了兩個直線氣缸 一個擺動氣缸 滾珠絲杠和減速電機來實現(xiàn)機械手具備手爪張合 手部回轉(zhuǎn) 手臂伸縮 手臂回轉(zhuǎn) 手臂升降 5 個主要運動 驅(qū)動系統(tǒng)選擇氣壓傳動與電動驅(qū)動系統(tǒng) 控制系統(tǒng)選擇可編 程序控制器 PLC 另 附機械手的技術(shù)參數(shù) 支座右轉(zhuǎn) 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 3 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 3 1 手部抓取機構(gòu)的設(shè)計 3 1 1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 手部處于腕部的最前端 工作時運動變化頻率高 其結(jié)構(gòu) 重量和體積直接影響 整個機械手的結(jié)構(gòu) 定位精度 運動速度等性能 因此 在設(shè)計手部時 必須力求結(jié) 構(gòu)簡單 重量輕 體積小 故采用如圖 3 1 所示單活塞桿伸出 活塞式氣缸 該結(jié)構(gòu) 較為簡單制造方便 8 3 1 2 抓取裝置原理 如圖 3 1 所示 氣缸右腔進氣時 產(chǎn)生壓力夾緊工件 氣缸右腔停止進氣時彈簧 伸展松開工件 圖 3 1 手爪受力圖 3 1 3 手部抓取氣缸的設(shè)計 1 已知工件質(zhì)量 mhrkgm1045 2 受力分析計算 手指握力 1F 3 1 fG 5 01 N2 活塞桿拉力 2F 3 2 112 L N304085 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 8 右腔推力 PF 3 3 DP24 輸出力 U 3 4 2FFNP 設(shè)彈簧加緊狀態(tài)彈力為 50NN 3 缸徑計算 參考 機械設(shè)計手冊氣壓傳動單行本 22 114 224FPDN 可得缸徑 51 7mm 3 5 N 2 取 D 55mm 則 NFPU13850 42 4 壁厚的計算 3 6 PD 28 67 n 12 410 15 1bmax max安 全 系 數(shù) 一 般 取 鋁 合 金材 料 抗 拉 強 度 材 料 為缸 筒 材 料 許 用 應(yīng) 力氣 缸 最 高 工 作 壓 力試 驗 耐 壓 力 取 AMPaPP 則 m70 41257 21 5nbmax DP 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 按照公式算出的壁厚較薄 設(shè)計過程中按工藝要求取 m3 檢驗 故滿足要求 參照 機械設(shè)計手冊氣壓傳動單行本 22 105 3 D 115 5 活塞桿的計算 3 7 8 14032 128 14 bPUbPUFd 根據(jù)實際情況 取 md0 檢驗 NPUFPDF 42210950 5 滿足條件 6 活塞桿行程的計算 L 3 8 8042tan1 L 7 5rct 手爪張開的角度 活塞桿的位移量 3 9 mr192360 故查有關(guān)手冊圓整為 L 7 彈簧的設(shè)計計算 I 材料的選擇 根據(jù)工作條件選擇油淬火回火高疲勞級鋼絲 V DCrV A 50CrVA 查得材料切變模量 G 79 MPa 310 參考 機械設(shè)計手冊袖珍 第三版 表 21 11 初設(shè) d 2mm 參考 機械設(shè)計手冊袖珍 第三版表 21 13 得抗拉強度 MPab1520 根據(jù)表 21 15 按 I 類負荷取許用應(yīng)力 b3 035 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 10 II 材料直徑 計算鋼絲直徑 d 按旋繞比 3 10 1428 DC 彈 簧 直 徑 螺 旋 彈 簧 中 徑 d 由圖 21 3 得 1 K 3 11 92 15340 6 6 1 FCd 則取 d 2mm 表 21 4 根據(jù) GB T 1358 的系列值 并與假定值相符 III 彈簧所需的剛度圈數(shù) 彈簧所需剛度 3 12 mNFk 5 20 有效圈數(shù) 3 13 8 258793434 kDGdn 取 取支撐圈 2n 則總?cè)?shù) 圈31 校核 3 14 m 4 238079n8dk34NDG 與所需剛度 k 2 5N mm 相符 則滿足條件 IV 高度的確定 自由高度 查表 21 8 3 15 mH5010 則夾緊狀態(tài)時高度 31 V 彈簧疲勞強度校核 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 根據(jù) 3 16 MPaFdCK490521 81 422 因此 3 17 32 14903 0 bS 所以符合條件 參考 機械設(shè)計手冊袖珍 第三版 P1134 安全系7 1 S 數(shù)取值 3 1 4 氣壓回路設(shè)計 1 氣源設(shè)備 2 減壓閥 3 壓力表 4 消音器 5 二位三通電磁換向閥 6 單向節(jié)流閥 7 單作用氣缸 圖 3 2 手部抓取氣缸氣壓原理圖 工作方式 手爪電磁閥失電 氣缸右腔進氣 產(chǎn)生壓力夾緊工件 手爪電磁閥得 電 氣缸右腔停止進氣 彈簧伸展松開工件 1 手部右腔工作壓力計算 3 18 MpaDFSPNPU48 0519422 2 手部右腔流量 活塞移動速度為 60mm s 則 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 12 3 19 smVSQ 8 14259603 3 2 腕部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 3 2 1 腕部設(shè)計要求 腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件 腕部的轉(zhuǎn)動主要是用來改變被夾物體的方位 本 課題腕部需有一個回轉(zhuǎn)自由度 則可采用一個擺動氣缸來實現(xiàn)該自由度 9 要求 回轉(zhuǎn)范圍 180 回轉(zhuǎn)速度 s 9 3 2 2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性負載轉(zhuǎn)矩 手腕的 轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏 重力矩 10 圖 3 3 所示為手腕回轉(zhuǎn)示意圖 1 工件 2 手部 3 手腕 圖 3 3 手碗回轉(zhuǎn)示意圖 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算 3 20 摩偏慣驅(qū) TT 式中 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 驅(qū) mN 慣性負載轉(zhuǎn)矩 慣 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量 包括工件 手部 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片 對轉(zhuǎn)動軸偏T 線所產(chǎn)生的偏重力矩 手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩 摩 下面以圖 3 3 所示 分析各阻力矩的計算 1 手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性負載轉(zhuǎn)矩 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 若手腕起動過程按等加速運動 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為 起動過程所用的時間 為 則 t 3 21 1mNtJT 慣 式中 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 2mkg 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 1 2kg 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合 其轉(zhuǎn)動慣量 為 1J 3 22 g GJc11 2e 式中 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量 c 2mkg 工件的重量 N 1 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距 m e 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度 弧度 s 起動過程所需的時間 s t 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度 弧度 估算抓取部分結(jié)構(gòu)部件總質(zhì)量約為 6kg 根據(jù)特殊情況將抓取部分等效成半徑約為 60mm 的圓柱體 則有 018 26 2 mrJ 2mkg 已知工件質(zhì)量為 5kg 半徑 R 40mm 高 h 100mm 的圓柱體 抓取位置為工件 h 2 處 且工件中心過轉(zhuǎn)動軸線 則有 3 23 3221 107 6 04 3 15 3 hRJ 2mkg 公式參考袖珍版 機械設(shè)計師手冊 表 2 12 已知手腕轉(zhuǎn)動時角速度為 90 s 加減速時間為 0 1s 則帶入公式 3 19 得 27 015 7 6018 31 NtJT 慣 2 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 偏T 3 24 偏 1eG3mN 式中 手腕轉(zhuǎn)動件的重量 N 3 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距 cm 當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時 則 1e0 通過質(zhì)量特性估算測得重心坐標 得出 m63 e 則有 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 14 偏T1eG306 m N 3 手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩的計算 查 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 深溝球軸承的摩擦系數(shù)為 取 04 2 03 f 令氣缸軸的半徑 則有 6 R 31GfT 摩 05 0 mN 綜上 摩偏慣驅(qū) TT 3 06 27 0 9 3 2 3 擺動氣缸的選擇 根據(jù)驅(qū)動力矩 選擇合適的擺動氣缸 選定型號為 DSM 25 270 P CC 驅(qū)T 表 3 4 氣缸型號 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 圖 3 5 轉(zhuǎn)動慣量與時間 T 的關(guān)系 表 3 6 基本尺寸 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 16 主要技術(shù)尺寸 缸徑 氣缸輸出效率為 mBmdmD40 12 25 葉 片 長 度轉(zhuǎn) 子 直 徑 90 3 2 4 氣壓回路設(shè)計 1 氣源設(shè)備 2 減壓閥 3 壓力表 4 消聲器 5 消聲器 6 三位五通電磁換向閥 7 單向節(jié)流閥 8 擺動氣缸 9 節(jié)流調(diào)速閥 圖 3 7 手部回轉(zhuǎn)氣缸氣壓原理圖 工作方式 手部電磁閥 左邊 得電 電磁閥 右邊 失電 氣缸左腔進氣 手 部右轉(zhuǎn) 手部電磁閥 右邊 得電 電磁閥 左邊 失電 氣缸右腔進氣 手部左轉(zhuǎn) 1 計算工作壓力 3 25 10 82 dDBTP驅(qū) 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 109 25 406 8 MPa 活塞平均線速度 3 26 rv smdD 5 14 2 2 流量的計算 3 27 vAq sm BdD 37040 125 4213 3 3 臂部伸縮機構(gòu)的設(shè)計 3 3 1 手臂伸縮機構(gòu)的設(shè)計 手臂的設(shè)計要求 1 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求 2 根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點 合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料 3 盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩 以減小驅(qū)動 裝置的負荷 減少運動的動載荷與沖擊 提高手臂運動的響應(yīng)速度 4 要設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差 提高運動的精確性和運動剛度 采用 緩沖和限位裝置提高定位精度 11 本設(shè)計手臂伸縮通過采用一個直線氣缸來實現(xiàn)該運動 已知氣缸最大行程 500mm 氣缸型號定為 163394 DNC 30 500 PPV 使用行程為 L 450mm 缸徑為 D 30mm 活塞桿直徑為 d 15mm 3 3 2 相關(guān)參數(shù)的計算 1 摩擦力的計算 考慮活塞等的摩擦力 查 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 表 1 10 定摩擦系數(shù) 2 0 k 鋼與鋼 利用質(zhì)量特性估算出腕部與抓取部分的總質(zhì)量為 gM25 則 3 28 kMgFf FMC 物料搬運機械手設(shè)計 18 N5012 2 慣性力的計算 已知 1 0 450 max tmLsV加 減 速 時 間行 程 則 加 速 度 3 29 2ax 5 10 st NMF 6 21 總受力 0 3 30 f N5 126 3 左腔工作壓力的計算 1P 3 31 21R FP a6 210 5 4 左腔流量的計算 1Q 勻速時活塞移動速度為 則smV 250ax 3 32 sm VSQ 176432502 5 右腔工作壓力的計算 2P 3 33 2 2rRFP Pa62210 75 則控制壓力位 0 212MPa 6 右腔流量的計算 2Q 3 34 VSQ2 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 sm 1325 150 432 3 3 3 導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時 為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動 以保證手指 的正確方向 并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用 以增加手臂的剛性 在設(shè)計手臂 結(jié)構(gòu)時 采用導(dǎo)向裝置 具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量 等因素來確定 12 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿 雙導(dǎo)向桿 四導(dǎo)向桿等 在本設(shè)計中才用 雙導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性 3 3 4 氣壓回路設(shè)計 1 氣源設(shè)備 2 減壓閥 3 壓力表 4 消聲器 5 三位五通電磁換向閥 6 單向節(jié)流閥 7 擺動氣缸 圖 3 8 臂部伸縮氣壓原理圖 工作方式 手臂電磁閥 左邊 得電 電磁閥 右邊 失電 氣缸左腔進氣 手 臂伸長 手臂電磁閥 右邊 得電 電磁閥 左邊 失電 氣缸右腔進氣 手臂縮回 3 4 手臂升降機構(gòu)的設(shè)計 本機械手采用滾珠絲杠副來控制手臂的升降運動 3 4 1 工作要求 工作部件質(zhì)量約 利用質(zhì)量特性估算得工作部件質(zhì)量包含工件 上下行程kg60 為 進給最大速度為 重復(fù)定位精度 最小進給 壽m150sm m1 0 pm 12 0 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 20 命 電機轉(zhuǎn)速為 h20min 30r 3 4 2 滾珠螺母結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計選擇 根據(jù)本題的工作情況及要求選擇內(nèi)循環(huán)浮動式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副截面形 狀為雙圓弧形 13 1 內(nèi)循環(huán)浮動式 結(jié)構(gòu)特點 滾珠循環(huán)鏈較短 反向靈活 結(jié)構(gòu)緊湊 剛性好 使用可靠 工作壽 命長 螺母配合外徑較小 扁圓形反相器螺母螺母軸向尺寸較短 使用場合 適用于各種高精度 高靈敏 高剛度的進給定位系統(tǒng) 2 墊片預(yù)緊 結(jié)構(gòu)特點 結(jié)構(gòu)簡單 軸向剛性好 預(yù)緊可靠 不可調(diào)整 軸向尺寸適中 工藝 性好 使用場合 廣泛用于高速或重載場合 3 雙圓弧形 特點 傳動效率 承載能力和軸向剛度比較穩(wěn)定 成型較復(fù)雜 3 4 3 滾珠絲桿副主要參數(shù) 型號及絲桿軸向承載能力計算 1 初步計算導(dǎo)程 hP 在本課題的設(shè)計中 我直接把步進電動機通過聯(lián)軸節(jié)與絲杠直接連接 即 I 1 工 作手臂快速升降的最高速度要求達到 取電動機的最高轉(zhuǎn)速min 6 3axV 則絲杠的最高轉(zhuǎn)速也應(yīng)該為 那么絲杠的基本導(dǎo)程 min 30axrn i 0axr 3 35 VPh 120 1 1ax 初選 2 2 計算平均軸向載荷 mF 根據(jù)條件絲杠的最大軸向載荷即為工作時手臂重力 已算工件重力 加摩擦力 已知手臂重力為 螺母副間摩擦力及導(dǎo)柱與手臂間的摩擦力通過查 機械NG60 設(shè)計課程設(shè)計手冊 表 1 10 可知鋼與鋼材料之間的摩擦系數(shù)為 0 1 無潤滑 深溝球 軸承的摩擦系數(shù)為 0 003 則估算 Nf 530 6 絲杠最大軸向載荷 maxF 3 36 Ff 056max 絲杠工作時最小軸向載荷即最大工作載荷減去工件重力 已知工件重力為 50N 絲杠最小軸向載荷 in 3 37 NG in 根據(jù) 機械設(shè)計師手冊 袖珍第三版所查公式計算得 3 38 Fm 58360232minax 3 計算平均轉(zhuǎn)速 V 機械手工作時升降速度基本保持不變 故升降時平均速度估算為最大速度 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 21 300r min mV 4 計算載荷 Fc 3 39 NKcH3 75016 581 查 機械設(shè)計師手冊 袖珍第三版得 289 6 0 1 短 行 程 系 數(shù) 見 表硬 度 影 響 系 數(shù) 見 表載 荷 系 數(shù) 見 表HF 5 工作壽命 根據(jù)設(shè)計要求定使用壽命 hLh0 6 計算動載荷 aC 根據(jù)壽命條件求必須的基本額定動載荷 3 40 aChaFnLC 4 10 則 Na 5 14293 75106 234 7 靜載荷 aC 3 41 oamHFoa CK 8 6 查 機械設(shè)計師手冊 袖珍第三版得 硬 度 影 響 系 數(shù) 見載 荷 系 數(shù) 見 表 27190 1 HF 查 機械設(shè)計師手冊 表 19 23 選擇型號為 FDM4012 7 P3 內(nèi)循環(huán)浮動雙螺母墊 片預(yù)緊導(dǎo)管埋入式公稱直徑為 40mm 導(dǎo)程 12mm 精度等級 7 級的定位滾動螺旋副滾珠 絲桿副 尺寸參數(shù) mdmPh 40 120 公 稱 直 徑 技術(shù)參數(shù) 81 34750NCaa 滿足設(shè)計要求 3 4 4 絲杠支承軸承的選擇 1 當量動載荷的計算 參考 機械設(shè)計機手冊 單行本軸承公式 6 2 2 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 22 軸 向 動 載 荷 系 數(shù) 徑 向 動 載 荷 系 數(shù) 軸 向 載 荷 徑 向 載 荷 當 量 動 載 荷 中YXFPYaraar 由于本設(shè)計單向推力球軸承受軸向推力較大 而徑向力較小可忽略 則有 3 42 NGFPa 680 絲 桿 其中 根據(jù)要求定絲桿長度 0 88m 直徑 0 04m 密度 3 108 7mkg NV 2 6425 1 7hd41g 232 絲 桿 考慮到絲桿兩端加工后去除部分材料 故取 G絲 桿 基本額定動載荷 的計算 參考 機械設(shè)計機手冊 單行本軸承公式 6 2 1 rC 3 43 aTndmhrPf 126 1948 0 0 25 5 8261 溫 度 因 數(shù)速 度 因 數(shù)沖 擊 載 荷 因 素 表 較 大 時力 距 載 荷 較 小 時壽 命 因 數(shù)tnd mmff fff NCr 37 2 當量靜載荷 的計算oaP 3 44 GFPao 680 絲 桿 3 基本額定靜載荷 的計算OC 安 全 系 數(shù) 1621 OoaSCN806 根據(jù)額定動靜載荷和加工工藝的要求選擇單向推力球軸承 51305 尺寸參數(shù) 18mT52 Dm d 技術(shù)參數(shù) KNCoaa 0 3 4 計算軸承的基本額定壽命 3 45 10PCL 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 23 滾 子 軸 承 壽 命 指 數(shù) 球 軸 承 當 量 動 載 荷 基 本 額 定 動 載 荷 基 本 額 定 壽 命 式 中 3 103 10 PCLhL7 1428 68035 10 滿足要求 因為絲桿承受徑向力較小 所以采用一對圓錐滾子軸承與一對深溝球軸承來防止 絲桿徑向竄動且滿足工藝要求 14 3 4 5 步進電機的選擇與設(shè)計 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件 每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量 電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比 例 相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率 15 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一 通常被用作定位控制和定速控制 步進電機慣量低 定位精度高 無累積誤差 控制簡單等特點 廣泛應(yīng)用于機電一體 化產(chǎn)品中 如 數(shù)控機床 包裝機械 計算機外圍設(shè)備 復(fù)印機 傳真機等 選擇步進電機時 首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率 而在選 用功率步進電機時 首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩 電機的矩頻特性能滿足機械負 載并有一定的余量保證其運行可靠 在實際工作過程中 各種頻率下的負載力矩必須 在矩頻特性曲線的范圍內(nèi) 一般地說最大靜力矩大的電機 負載力矩大 選擇步進電機時 應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配 這樣可以得到所需的脈沖當量 在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量 一是可以改變絲桿的導(dǎo)程 二是可以 通過步進電機的細分驅(qū)動來完成 但細分只能改變其分辨率 不改變其精度 精度是 由電機的固有特性所決定 選擇功率步進電機時 應(yīng)當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率 使 之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量 使之最高速連續(xù)工作頻率能滿 足機床快速移動的需要 16 1 負載慣量的計算 已知工作部件的總質(zhì)量為 折算到電動機輸出軸上的慣量 可按下式計kgM60 1J 算 3 2422221 019 0 41 41 4 mKgPnvJh 46 2 轉(zhuǎn)動部件絲桿公稱直徑為 0 040m 長度 0 880m 絲杠材料鋼的密度 根據(jù)下式 計算絲桿加折合在電動機輸出軸上的慣量 3 108 7mkg FMC 物料搬運機械手設(shè)計 24 3 47 2343402 10725 20 18 7 3 mKgDLJ 參考公式來自于 所以加載于電機軸上的負載總慣量為 3 48 233421 1094 10725 109 kgJL 3 計算電機輸出的總力矩 T 3 49 fmeqTT慣機 械 傳 動 系 統(tǒng) 的 效 率 摩 擦 力 矩 等 效 慣 性 負 載 轉(zhuǎn) 矩 等 效 負 載 轉(zhuǎn) 矩 慣 fT 3 50 nvMeqg21m NmP15 012 62h 3 51 tJTL 慣 Nmtn31 02 0639423 摩擦力矩主要由滾珠絲杠副絲桿螺母之間摩擦力矩以及軸承的摩擦力矩產(chǎn)生 查 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 表 1 10 得 鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)為 有潤滑 1 0 5 取摩擦系數(shù) f 0 06 單向推力軸承的摩擦系數(shù)為 0 003 則 有 m76 02 03 68 0 NTf 查 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 表 1 7 機械傳動效率概略值 聯(lián)軸器的傳動效率 9 9 7 315 m24 N 4 脈沖頻率的計算 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 25 根據(jù)精度要求脈沖當量 步距角pm 012 36 12 360 hP 那么步進電機每轉(zhuǎn)應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)為 3 52 p r012 ipbh 因為步進電機的轉(zhuǎn)速為 300r min 那么需要的運行的頻率是 sf 5min 310 5 步進電機的選擇 從以上參數(shù)選擇步進電機的型號為 110BYG550A 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 P100 技術(shù)參數(shù)如下 相數(shù) 5 步距角 0 36 0 72 電壓 100V 相電流 6A 最大靜轉(zhuǎn)矩 3Nm 最高運行頻率 5000p s 3 5 機身旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 本設(shè)計采用減速電機控制機身旋轉(zhuǎn) 根據(jù)工作機械的平穩(wěn)運轉(zhuǎn) 沖擊小 以及過 載情況 調(diào)速范圍 起動 制動的頻繁程度等選用小型減速電機 17 3 5 1 電機輸出力矩的計算 整個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可分為兩個部分 一部分是繞中心軸轉(zhuǎn)動的機身部分 另一部分為 手臂部分 通過計算機身部分轉(zhuǎn)動等效負載力矩 手臂旋轉(zhuǎn)的等效負載力矩以及摩擦 力矩來獲得電機的輸出力矩 此處由于軸承摩擦系數(shù)小 摩擦力矩半徑較小所以忽略 摩擦力矩的計算 1 機身部分轉(zhuǎn)動等效負載力矩的計算 通過質(zhì)量特性估算出機身部分的總質(zhì)量約為 整個機身部分的質(zhì)量可看kgM65 作均勻分布在半徑 的圓柱上 則有mR185 3 53 21MJ21 85 06mkg FMC 物料搬運機械手設(shè)計 26 已知轉(zhuǎn)速 則有sts5 0 70 加 減 速 時 間 3 54 t JT 3621 mN 72 5 0 2 手臂部分的等效負載力矩的計算 已知手臂部分的總質(zhì)量為 手臂總長 kgM60 mL2190 利用質(zhì)量特性間接估算測得重心與機身轉(zhuǎn)動l39018901 ml182 軸線的距離 如圖 3 9 所示 e5 圖 3 9 手臂基本結(jié)構(gòu)尺寸示意圖 則 公式參考 機械設(shè)計手冊常用設(shè)計資料單行本 表 1 1 84 3 55 312122llMJ 280 5 8 390 9 6mkg 3 56 t JT 362 mN 4 15 0785 機身旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動力矩的計算 3 57 21T 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 27 mN 2 1349 0 6 7 3 5 2 電機輸出功率的計算 已知機身旋轉(zhuǎn)速度要求 則s 7 in 16037rnw 根據(jù)已知數(shù)據(jù) 由 2 3 式計算工作機所需功率 工作機的效率 90 w 3 58 wWTnP 1 k74 90 23 總效率的計算 查 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 表 1 7 滾動球軸承效率 9 01 滾子軸承效率 82231 95 0 由 2 1 式 電動機功率 3 59 kwPWd83 1 74 3 5 3 電動機的選擇 查相關(guān)產(chǎn)品說明書 根據(jù)輸出功率 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速選擇合適的電機型號為 105 GHFZ 輸出額定功率為 2 2kw 機型號 50 減速比 1 100 輸出轉(zhuǎn)矩 輸出轉(zhuǎn)mN 140 速 11 8r min 具體相關(guān)參數(shù)見下圖所示 表 3 10 技術(shù)參數(shù) FMC 物料搬運機械手設(shè)計 28 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 29 圖 3 11 法蘭式外形安裝尺寸 3 6 本章小結(jié) 本章完成了機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和相關(guān)計算 包括手部結(jié)構(gòu)和夾緊氣缸 手腕結(jié) 構(gòu)設(shè)計及回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 手臂伸縮 機械手本體升降回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以及手臂伸 縮驅(qū)動力等相關(guān)計算 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 30 4 氣壓系統(tǒng)的設(shè)計 4 1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理 圖示為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 它的氣源是由空氣壓縮機通過快換 接頭進入儲氣罐 經(jīng)分水過濾器 調(diào)壓閥 油霧器 進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥 以 控制氣缸和手部動作 圖 4 1 氣壓系統(tǒng)工作原理圖 為簡化氣路 減少電磁閥的數(shù)量 各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器 這樣可 以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件 電磁閥的通徑 是根據(jù)各工作氣缸的尺寸 行程 速度計算出所需壓縮空氣流量 與選用的電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的 4 2 氣動元件的選擇 表 4 2 氣動元件列 序號 型號規(guī)格 名稱 數(shù)量 1 氣源設(shè)備 1 2 儲氣缸 1 3 壓力表 4 4 OP106 047 P 氣動三聯(lián)件 1 5 OP106 047 P 減壓閥 3 序號 型號規(guī)格 名稱 數(shù)量 6 K23JD 6 二位三通電磁換向閥 1 7 XQ1004 單向節(jié)流閥 5 8 Q35D CL62三位五通電磁換向閥 2 9 AN103 消聲器 5 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 31 4 3 本章小結(jié) 本章介紹了機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理以及氣動元件的選擇 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 32 5 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 考慮到機械手的通用性 同時使用點位控制 因此我們采用可編程序控制器 PLC 對機械手進行控制 當機械手的動作流程改變時 只需改變 PLC 程序即可實現(xiàn) 非常方便快捷 18 5 1 可編程序控制器的選擇及工作過程 5 1 1 可編程序控制器的選擇 目前 國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多 如日本三菱公司的 F 系列 PC 德國 西門子公司的 SIMATIC N5 系列 PC 日本 OMRON 立石 公司的 C 型 P 型 PC 等 考慮到本機械手的輸入輸出點不多 工作流程較簡單 同時考慮到制造成本 因此在 本次設(shè)計中選擇了三菱公司的 FX2N 系列可編程序控制器 5 1 2 可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的 為此采用了循 環(huán)掃描的工作方式 具體的工作過程可分為四個階段 19 第一階段是初始化處理 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連 CPU 對輸入輸出狀態(tài)的詢問是 針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的 輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為 I 0 狀態(tài)表 該表是一個 專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū) 其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫 存器 存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器 開機時 CPU 首先使 I 0 狀態(tài) 表清零 然后進行自診斷 當確認其硬件工作正常后 進入下一階段 第二階段是處理輸入信號階段 在處理輸入信號階段 CPU 對輸入狀態(tài)進行掃描 將獲得的各個輸入端子的狀態(tài) 信息送到 I 0 狀態(tài)表中存放 在同一掃描周期內(nèi) 各個輸入點的狀態(tài)在 I 0 狀態(tài)表中一 直保持不變 不會受到各個輸入端子信號變化的影響 因此不能造成運算結(jié)果混亂 保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行 第三階段是程序處理階段 當輸入狀態(tài)信息全部進入 I 0 狀態(tài)表后 CPU 工作進入到第三個階段 在這個階 段中 可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描 并根據(jù)各 I 0 狀態(tài)和有關(guān)指令進行運 算和處理 最后將結(jié)果寫入 I 0 狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中 第四階段是輸出處理階段 CPU 對用戶程序已掃描處理完畢 并將運算結(jié)果寫入到 I 0 狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中 此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出 送到輸出鎖存電路 驅(qū)動輸出繼電器線圈 控制被控設(shè)備進行各種相應(yīng)的動作 然后 CPU 又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期 5 2 可編程序控制器的使用步驟 在可編程序控制器與被控對象 機器 設(shè)備或生產(chǎn)過程 構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng) 時 通常以七個步驟進行 1 系統(tǒng)設(shè)計 即確定被控對象的工作原理 控制要求 動作及動作順序 2 I 0 分配 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 33 即確定哪些信號是送到可編程序控制器的 并分配給相應(yīng)的輸入端號 哪些信號 是由可編程序控制器送到被控對象的 并分配相應(yīng)的輸出端號 此外 對用到的可編 程序控制器內(nèi)部的計數(shù)器 定時器等也要進行分配 可編程序控制器是通過編號來識 別信號的 3 畫梯形圖 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同 表達了系統(tǒng)中全部動作的相互關(guān)系 如 果使用圖形編程器 LCD 或 CRT 則畫出梯形圖相當于編制出了程序 可將梯形圖 直接送入可編程序控制器 對簡易編程器 則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過 程 4 助記符機器程序 相當于微機的助記符程序 是面向機器的 即不同廠家的可編程序控制器 助記 符指令形式不同 用簡易編程器時 應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序 才能將其輸入到 可編程序控制器中 5 編制程序 即檢查程序中每條語法錯誤 若有則修改 這項工作在編程器上進行 6 調(diào)試程序 即檢查程序是否能正確完成邏輯要求 不合要求 可以在編程器上修改 程序設(shè) 計 包括畫梯形圖 助記符程序 編輯 甚至調(diào)試 也可在別的工具上進行 如 IBM PC 機 只要這個機器配有相應(yīng)的軟件 7 保存程序 調(diào)試通過的程序 可以固化在 EPROM 中或保存在磁盤上備用 5 3 機械手可編程序控制器控制方案 5 3 1 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 1 控制對象為圓柱座標氣動機械手 它具有四個自由度 即水平方向的前 后 豎 直方向的上 下 繞水平 豎直軸的順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn) 另外 其末 端執(zhí)行裝置還可完成抓 放 開合 功能 以上各動作除了豎直方向的上下和繞豎直 軸的旋轉(zhuǎn)采用電機驅(qū)動外 其余都采用氣動方式驅(qū)動 氣動方式用一個二位三通和兩 個三位五通電磁閥 每個閥有兩個線圈 對應(yīng)兩個相反動作 分別控制三個氣缸 電 機驅(qū)動運用接觸器控制 使機械手完成前 后 上 下 旋轉(zhuǎn)及機械手抓放動作 這 樣 可用 PLC 的 10 個輸出端與電磁閥或接觸器的 10 個線圈相連 通過編程 使電磁 閥或接觸器各線圈按一定序列激勵 從而使機械手按預(yù)先安排的動作序列工作 如果 欲改變機械手的動作 不需改變接線 只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可 另外 除抓放外 其余八個動作末端均放置一限位開關(guān) 以檢測動作是否到位 如果 某動作沒有到位 則出錯指示燈亮 2 控制要求 為了滿足生產(chǎn)需要 機械手應(yīng)設(shè)置手動工作方式 單動工作方式和自動工作方式 20 1 手動工作方式 FMC 物料搬運機械手設(shè)計 34 便于對設(shè)備進行調(diào)整和檢修 設(shè)置手動工作方式 用按鈕對機械手每一動作單獨 進行控制 2 單動工作方式 從原點開始 按照自動工作循環(huán)的步序 每按下一次起動按鈕 機械手完成一步 的工作后 自動停止 3 自動工作方式 按下起動按鈕 機械手從原點開始 按工序自動反復(fù)連續(xù)工作 直到按下停止按 鈕 機械手在完成最后一個周期的動作后 返回原點自動停機 5 3 2 氣動機械手的工作流程 氣動機械手的工作流程如圖 5 1 所示 1 當按下機械手啟動按鈕之后 首先立柱右轉(zhuǎn)接觸器通電 機械手右轉(zhuǎn) 至右 限位 立柱 開關(guān)動作 2 立柱下降接觸器通電 立柱下降 至下限位開關(guān)動作 3 手部右轉(zhuǎn)電磁閥通電 至右限位 手部 開關(guān)動作 4 手臂伸長 向前 電磁閥通電 手臂開始向前運動 至限位開關(guān)動作 5 手爪抓緊電磁閥通電