机电一体化机械手设计说明书

机电工程学院课程设计说明书（2014 /2015 学年第一学期）课程名称：机电一体化课程设计题目：工业机械手设计专业班级：11级机电七班学生姓名：王岩学号：110200719指导教师：赵喜敬设计周数：二周设计成绩：2014年12月30日目录第一章工业机械手综述 (1)1.1工业机械手的发展概况 (1)1.2工业机械手的应用 (1)1.3工业机械手的组成及原理 (1)第二章伸缩臂的设计方案 (3)2.1 设计方案论证以及确定 (3)2.1.1 设计参数及要求 (3)2.1.2 设计方案的比较论证 (4)2.2 机械手伸缩臂总体结构设计方案 (4)2.3 执行装置的设计方案 (4)2.3.1 滚珠丝杠的选择 (4)2.3.2减速齿轮的有关计算 (10)2.3.3电动机的选择 (15)第三章PLC控制系统设计 (17)3.1 PLC的构成及工作原理 (17)3.2 选择PLC (17)3.3 PLC外部I/O分配图 (18)3.4 软件设计 (19)3.5 硬件设计 (27)总结 (28)参考文献 (29)第一章工业机械手综述1.1工业机械手的发展概况工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色，是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

工业机械手即工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代化制造业重要的自动化装备。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

1.2工业机械手的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。

机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。

各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。

目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。

广泛采用工业机械手，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

同计算机、网络技术一样，工业机械手的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式。

1.3工业机械手的组成及原理工业机械手一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测系统和人工智能系统等组成。

机械系统是完成抓取工件实现所需运动的执行机构；驱动系统的作用是向执行机构提供动力，执行元件驱动源的不同，驱动系统的传动方式有液动式、气动式、电动式和机械式四种，采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便；控制系统是工业机械手的指挥系统，它控制工业机器人按规定的程序运动；检测传感系统主要检测工业机械手执行系统的运动位置、状态，并反馈给控制系统进而及时比较调整。

本次设计的工业机械手属于圆柱坐标式的液压驱动机械手，具有手臂升降、伸缩、回转等三个自由度。

因此相应地有手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构等组成。

每一部分均用液压缸驱动与控制。

下图为本次设计的机械手总平面图：图1-1机械手总平面图1底座、2立柱、3液压缸、4伸缩臂、5升降臂、6机械手机械手的工作原理：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。

在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。

同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

下图为机械手的系统工作原理框图：图1-2机械手的系统工作原理框图第二章伸缩臂的设计方案2.1 设计方案论证以及确定2.1.1 设计参数及要求1、伸缩长度：300mm；2、单方向伸缩时间：1.5～2.5s；3、定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；4、前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。

2.1.2 设计方案的比较论证根据设计参数及要求，选择齿轮、滚珠丝杠来实现工业机械手伸缩臂的伸缩运动，结构简单，易于控制，更经济实用。

2.2 机械手伸缩臂总体结构设计方案经过本人的反复思考及论证，先做出运动简图。

现如下图2-1所示，该机构中支座安装在机器人床身上，用于安装滚珠丝杠和伸缩杆等零件。

由步进电动机（1）驱动，带动一级齿轮减速器（2）。

通过减速器输出轴与丝杠（3）相连，以电机为动力驱动滚珠丝杠转动，通过丝母的直线运动，推动导向杆运动，利用电机正反转动实现伸缩换向。

法兰用于安装机械手，构成如图所示的结构：图2-1 步进电机伸缩机构示意图2.3 执行装置的设计方案2.3.1 滚珠丝杠的选择2.3.1.1滚珠丝杠副的选择：（1）由题可知：伸缩长度S 为300毫米，伸缩时间t 为2秒 ，所以速度s m s mm s mm t s V 15.01502300====,初选螺距P=10mm （ 2.1 ） 则： min 900min 1060150r r P V n m =⨯==（ 2.2 ） （2）计算载荷：()ωC Fm A H F C F K K K F ⋅⋅⋅= （ F K 为载荷系数，H K 为硬度系数，A K 为精度系数）由题中条件，取2.1=F K[]5，取0.1=H K []6取D 级精度[]7，取1.1=A K []8 丝杠的最大工作载荷m F :导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷:Ｆmax=μF=40015.0⨯=120N （ 2.3 ） 则： NF C 21121201.10.12.1=⨯⨯⨯= （3）计算额定动载荷'a C 的值：34''1067.1⨯=h m C a L n F C （ 2.4 ） h L r n H m 15000,min 960==所以 N C a 200641067.115000*********'≈⨯⨯=（4）根据选择滚珠丝杠副：按滚珠丝杠副的额定动载荷a C '等于或稍大于a C '的原则，选用汉江机床厂FC1型滚珠 丝杠[]9 ：表2-1汉江机床厂FC1型滚珠丝杠FC1-5006-3，N C a 21379= FC1-52008-2.5 N C a 22556=考虑各种因素选用FC1-5006-3。

由表2-9得丝杠副数据：公称直径 mm D 500= 导程p=8mm 螺旋角 '112 =λ滚珠直径 mm d 969.30=按表2-1中尺寸计算：滚道半径 mm mm d R 064.2969.352.052.00=⨯== （ 2.5 ）偏心距 mm mm d R e 20106.52969.3064.207.0207.0-⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （2.6）丝杠内径 mm mm R e D d 76.45)064.22106.5250(22201=⨯-⨯⨯+=-+=- （ 2.7 ）（5）稳定性验算由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S ，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]（见表2-10）。

丝杠不会发生失稳的 最大载荷,称为临界载荷cr F （N ）按下式计算：22)(l EI F a cr μπ= []10 （ 2.8 ） 式中E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206Mpa; l 为丝杠工作长度（m ）L=450mm ； αI 为丝杠危险截面的惯性矩()4m ；u 为长度系数，见表2-10。

依题意：()474411015.26404576.014.364m m d -⨯=⨯==I πα （ 2.9 ）取32=u ， 则()NF cr627921085.445.0321015.21020614.3⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯=- （ 2.10 ）安全系数3.303116001085.46=⨯=m cr F F S 。

查表2-10，[S]=3～4，S>[S]，丝杠是安全的， 不会失稳。

（6）刚度验算 :滚珠丝杠在工作负载F （N ）和转矩T （N ·m ）共同作用下引起每个导程的变形量:c GJ Tp EA pF L π220±±=∆[]11 （ 2.11 ）其中 A ——丝杠截面积()224m d A π=CJ ——丝杠极惯性矩()4432m d J C π=G ——丝杠的切变模量，对于钢 MPa G 3.83=T ——转矩()ρλ+=tg D F T m20式中：ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，mF 为工作载荷，取摩擦系数0025.0=ρtg ，则ρ=8′40″ 则T=()m N tg ⋅≈+⨯⨯⨯-43.0"40811210250430''03 （ 2.12 ）按最不利情况取（其中F=mF ）()()()49223293212221004576.0103.8314.343.010********.01020614.34301084164⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+=∆Gd T P Ed PF L ππm N •⨯=-21023.2 （ 2.13 ）则 : 丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为：um P L L L 25.11081023.245.0320=⨯⨯⨯=∆⨯=∆-- （ 2.14 ）通常要求丝杠的导程误差L ∆应小于其传动精度（mm 03.0±=σ）的1/2，即ummm mm L 15015.003.02121==⨯=〈∆σ （ 2.15 ） 该丝杠的L ∆满足上式，所以其刚度可满足要求。

（7）效率验算：滚珠丝杠副的传动效率η[]12为()()93.0408112)112("''0'0=+=+=tg tg tg tg ρλλη （ 2.16 ）η要求在90%～95%之间，所以该丝杠副合格。

经上述计算：FC1-5006-3 各项性能均符合题目要求，可选用。

2.3.1.2 滚珠丝杠螺距的选择：P=8mm2.3.1.3 滚珠丝杠的有效长度：根据结构的设计确定，要保证有300mm 的伸缩长度，先对丝杠螺母进行选择。

丝杠螺母选用外循环螺旋槽式：滚珠螺母可得到其结构尺寸总长为L=61mm 。