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1、机电一体化课程设计说明书22020年4月19日文档仅供参考机电工程学院课程设计（专业方向设计）说明书（ / 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 ： 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 设计周数 ： 三 周 设计成绩 ： 12月31日目录第一章 工业机械手综述11.1工业机械手的发展概况11.2工业机械手的应用11.3工业机械手的组成及原理1第二章 伸缩臂的设计方案42.1 设计方案论证以及确定42.1.1 设计参数及要求42.1.2 设计方案的比较论证42.2 机械手伸缩臂总体结构设计方案42.3 执行装置的设计方案52.3.1 滚珠丝杠的选择
2、52.3.2减速齿轮的有关计算102.3.3电动机的选择15第三章 PLC控制系统设计183.1 PLC的构成及工作原理183.2 选择PLC183.3 PLC外部I/O分配图193.4 软件设计203.5 硬件设计28总 结29参 考 文 献30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
3、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。机械手能够完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛广泛。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。当前在中国机械手常见于完成的工作有：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
4、液等等。广泛采用工业机械手，不但可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改进劳动环境，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进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
5、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，
6、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，然后经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：1.52.5s；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
7、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重复思考及论证，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）。经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，经过丝母的直线运动，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
8、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 ，因此速度,初选螺距P=10mm （ 2.1 ） 则： （ 2.2 ）（2）计算载荷： （ 为载荷系数，为硬度系数，为精度系数）由题中条件，取 ，取 取D级精度，取 丝杠的最大工作载荷 : 导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷: max=F=120N （ 2.3 ）则： （3）计算额定动载荷的值： （ 2.4 ） 因此 （4）根据选择滚珠丝杠副：按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于的原则，选用汉江机床厂FC1型滚珠丝杠 ：表2-1汉江机床厂FC1型滚珠丝杠丝杠代号丝杠尺寸/mm螺旋角滚珠直径米制/mm螺母安装尺寸/mm额定
9、载荷中径大径导程动载静载dpDEMLQh4006-34039.583.9695011875156448M691592137969825 FC1-5006-3， FC1-5 -2.5 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 导程p=8mm 螺旋角 滚珠直径 按表2-1中尺寸计算：滚道半径 （ 2.5 ）偏心距 （2.6）丝杠内径 （ 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，因此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（N）按下式计算： （ 2.8 ）
10、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；为丝杠危险截面的惯性矩；u为长度系数，见表2-10。依题意： （ 2.9 ）取， 则 （ 2.10 ）安全系数。查表2-10，S=34，SS，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（Nm）共同作用下引起每个导程的变形量: （ 2.11 ）其中 A丝杠截面积 丝杠极惯性矩 G丝杠的切变模量，对于钢 T转矩 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，为工作载荷，取摩擦系数，则=840 则T= （ 2.12 ）按最不利情况取（其中F=） （ 2.13 ）则 : 丝杠在工
11、作长度上的弹性变形引起的导程误差为： （ 2.14 ）一般要求丝杠的导程误差应小于其传动精度（）的1/2，即 （ 2.15 ）该丝杠的满足上式，因此其刚度可满足要求。（7）效率验算： 滚珠丝杠副的传动效率 为 （ 2.16 ）要求在90%95%之间，因此该丝杠副合格。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=8mm 2.3.1.3 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。根据其传动的特点，要保证螺母不脱离滚
12、珠丝杠，又要有300mm移动距离，则丝杠的有效传动长度为L=430mm。 2.3.1.4 滚珠丝杠的安装结构： 采用双推简支式安装，一端安装支推轴承与深沟球轴承的组合，另一端安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速传动精度较高的长丝杠传动系统。由此可知：丝杠转速：Pn=L/2 因此 （ 2.17 ）2.3.1.5 丝杠安装轴承的选择由于滚珠丝杠副的支承形式采用的是一端固定一端游动（F-S），而又避免丝杠受压，因此丝杠的固定端（承重端）为左端，右端为游动端。因此为了满足使用要求，左端的轴承选取双向推力球轴承与深沟球轴承的组合形式。推力轴承的特点是只能承受单向轴向载荷。为了限制左端的径向位移，同时又要限制向右的轴向位移，故选用角接触球轴承。此类轴承的特点是能同时承受径向轴向联合载荷。1)双向推力球轴承的选择2)初步选定为 51000型 代号为51306 d =30mm D =60mm T =21mm 3)校核基本额定载荷经过所要求轴承寿命（等于丝杠的寿命）算基本额定载荷在实际工程计算中，轴承寿命常见小时表示 （ 2.18 ） =2338N （ 2.19 ）
