PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) I摘 要工業(yè)機(jī)械手有能模仿人手和手臂的某些動(dòng)作功能，用固定程序搬運(yùn)，抓取物體或操作工具的自動(dòng)操作裝置，機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。按照搬運(yùn)或者抓去的物件形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)環(huán)境等的要求的不同，手結(jié)構(gòu)形式有吸附型和夾持型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是使手部完成各種動(dòng)作：移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。機(jī)構(gòu)的伸縮、升降和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)械手的自由度。本設(shè)計(jì)選用三自由度直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其自由度為X軸，Y軸和Z 軸方向，是通過(guò)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)小臂與大臂的伸縮，升降。而這些動(dòng)作都是通過(guò)在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行。在控制器的作用下，它將執(zhí)行將工件從一條流水線抓取并運(yùn)送到另一條流水線這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作。本篇論文主要對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)部分滾珠絲杠與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容主要包括工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及其機(jī)械傳動(dòng)裝置的選擇。另外對(duì)控制部分的描述主要有PLC 的控制方案，接線原理圖以及程序流程圖等。關(guān)鍵詞：三自由度，直角坐標(biāo)，PLC，機(jī)械手PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 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控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) III目 錄1 緒論 .11.1 課題來(lái)源 .11.2 課題目的、意義 .11.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展基本情況 .12 工業(yè)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) .32.1 機(jī)械手的組成 .32.2 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析 .42.3 總體設(shè)計(jì)方案 .43.機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) .83.1 機(jī)械手手爪設(shè)計(jì) .83.2 機(jī)械手傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) .153.3 機(jī)械手基座部分設(shè)計(jì) .213.4 軸承的選取 .284 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .294.1可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 294.2 PLC控制系統(tǒng) 305 結(jié)論 .36參考文獻(xiàn) .37致謝 .38PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 11 緒論1.1 課題來(lái)源本課題來(lái)自于企業(yè)項(xiàng)目。1.2 課題目的、意義隨著加工行業(yè)在我國(guó)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)的自動(dòng)化裝備水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車(chē)間，常常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，代替工人完成惡劣環(huán)境下危險(xiǎn)、繁重的勞動(dòng)。目前，機(jī)械手常用于完成的工作有：汽車(chē)制造領(lǐng)域的零件裝配及焊接；注塑工業(yè)中用于從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個(gè)生產(chǎn)工具；機(jī)械加工行業(yè)中用于取料，送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫溶液等等。在工業(yè)生產(chǎn)線中，機(jī)械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置進(jìn)行裝配。它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置進(jìn)行裝配。機(jī)械手臂代替了人工的繁雜勞動(dòng)，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。課題的目的是構(gòu)思、設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，功能完備，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和性能/價(jià)格比的機(jī)械手。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展基本情況在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用具有以下意義。 應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。同時(shí)，在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)也越來(lái)越高，工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡(jiǎn)單化，對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成顯得非常PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 2重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對(duì)人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。對(duì)于機(jī)械手的研究國(guó)內(nèi)外的水平不一，但代表當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)在日本，他的自動(dòng)化，人性化令人嘆為觀止，這些技術(shù)依賴(lài)于控制理論、新材料科學(xué)，它是融合各種尖端技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)器。我國(guó)也陸續(xù)在工業(yè)中有所應(yīng)用，對(duì)于自動(dòng)控制，柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛，但我國(guó)的自動(dòng)化水平有待提高，只相當(dāng)于世界先進(jìn)技術(shù)在八十年代的水平。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也隨之提高，發(fā)展的趨勢(shì)是工作強(qiáng)度高，靈活性強(qiáng)，準(zhǔn)確可靠，可以自動(dòng)檢測(cè)并下達(dá)動(dòng)作命令，融入先進(jìn)的人工智能，使人只作平時(shí)的簡(jiǎn)單的維護(hù)，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢(shì)。 目前國(guó)內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專(zhuān)用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。 目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2Kg的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100Kg。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 本設(shè)計(jì)是PLC 控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)，直角坐標(biāo)機(jī)械手的功能很多，諸如：工業(yè)取料、貨物搬運(yùn)、機(jī)械繪圖、數(shù)控加工等等，我們經(jīng)?？梢栽诶L圖儀、數(shù)控雕刻機(jī)、數(shù)控加工中心。甚至立體車(chē)庫(kù)中看到直角坐標(biāo)機(jī)械手的身影。PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 32 工業(yè)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手的組成圖 2-1 機(jī)械手組成圖機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。（1）手部：又稱(chēng)手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。（2）腕部：又稱(chēng)手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。（3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。（4）機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警。PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 4檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要給控制系統(tǒng)以反饋，與規(guī)定要求進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。2.2 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)要求：本設(shè)計(jì)機(jī)械手的形式為直角坐標(biāo)形式，具有3個(gè)自由度，由手部、手臂、機(jī)身等主要部件組成。各設(shè)計(jì)參數(shù)如下：Y軸大臂上下移動(dòng)距離為： 20cm（最大速度10cm/s）Y軸小臂上下移動(dòng)距離為： 10cm（最大速度10cm/s）X軸小臂伸縮距離： 10cm（最大速度10cm/s）Z軸平移距離： 10cm（最大速度10cm/s）手指開(kāi)合角度為： 60度（最大速度60度每秒）機(jī)械手最大抓重： 2.5kg工件尺寸： 直徑約2-3cm，圓柱形，材料是鐵質(zhì)機(jī)械手（重復(fù)）定位精度： ±1mm機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式： 步進(jìn)電機(jī)，由PLC進(jìn)行控制（1） 選取機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度。 （2） 設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括手部、手臂等部件的設(shè)計(jì)。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用夾持式手指來(lái)抓取棒料工件。 （3） 滾珠絲杠的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)，包括器件的選取，受力的校核等。 （4） 機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本機(jī)械手?jǐn)M采用PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，選取相應(yīng)的PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程繪制PLC控制原理圖，編制出PLC程序，并畫(huà)出梯形圖等。2.3 總體設(shè)計(jì)方案2.3.1 機(jī)械部分本設(shè)計(jì)機(jī)械手的形式為直角坐標(biāo)形式，具有3個(gè)自由度，由手部、手臂、機(jī)身等主要部件組成。PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 5圖2-2 機(jī)械手示意圖手爪是用來(lái)直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工作要求而設(shè)計(jì)的。歸結(jié)起來(lái)，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類(lèi)。由于本次設(shè)計(jì)的是流水線間工件自動(dòng)搬運(yùn)工業(yè)機(jī)械手，因此使用夾持式手部。手爪部分設(shè)計(jì)包括：1) 受力分析2) 夾緊力計(jì)算3) 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算4) 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力計(jì)算圖2-3 機(jī)械手爪示意圖PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 6手臂部件是機(jī)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），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。因此，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用滾珠絲杠副，來(lái)實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸方向的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。手臂部分設(shè)計(jì)包括：1) 電機(jī)選型2) 滾珠絲杠選擇3) 計(jì)算額定負(fù)載4) 校核驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)身是直接支承和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況愈復(fù)雜。由于本次設(shè)計(jì)的流水線間工件搬運(yùn)工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行的是自動(dòng)定點(diǎn)搬運(yùn)工件。所以機(jī)械手設(shè)計(jì)成固定的。機(jī)身基座設(shè)計(jì)包括：1) 滾珠絲杠的選型與校核2) 校核驅(qū)動(dòng)電機(jī)2.3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是在于節(jié)能，因?yàn)闅鈩?dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的能量是二次轉(zhuǎn)化，能量消耗大約在35%左右。所以節(jié)能是今后機(jī)械手，機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展的一項(xiàng)重要的技術(shù)內(nèi)容。因此本課題選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪部分驅(qū)動(dòng)使用氣壓缸。氣壓缸選型計(jì)算包括：1) 氣壓缸工作壓力與氣缸內(nèi)徑與活塞桿直徑的確定2) 壁厚與外徑的設(shè)計(jì)3) 活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算4) 氣缸推力、耗氣量計(jì)算5) 氣壓缸進(jìn)排口的計(jì)算2.3.3 控制系統(tǒng)工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動(dòng)作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序、應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動(dòng)、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動(dòng)、手指的開(kāi)閉動(dòng)作，以及各個(gè)動(dòng)作的時(shí)間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過(guò)每一運(yùn)動(dòng)部件沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)按照預(yù)先整定好的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。控制4根軸的移動(dòng)距離和速度，同時(shí)還控制手爪開(kāi)闔以及各個(gè)動(dòng)作的時(shí)間、速度等。因此本課題選用PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制，選取FX系列PLC，畫(huà)出接線圖。并且根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作流程，編制出PLC程序，達(dá)到搬運(yùn)工件的目的。PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 7圖2-4 PLC控制總體框圖PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 83.機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)3.1.1 手爪的總體概述本設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)機(jī)械手的末端執(zhí)行器（手爪）設(shè)計(jì)是用來(lái)抓持工件或工具的部件。手爪抓持工件的準(zhǔn)確、迅速和穩(wěn)定程度都將直接影響到直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作性能，它是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件之一。本次設(shè)計(jì)采用的是齒輪齒條式的手部機(jī)構(gòu)，如圖3-1，齒輪齒條式手爪工作原理是驅(qū)動(dòng)桿1末端制成雙面齒條，與扇齒輪3相嚙合，而扇齒輪3與手指5固連在一起，可繞指點(diǎn)回轉(zhuǎn)。當(dāng)氣壓缸工作，驅(qū)動(dòng)力向上時(shí)，推動(dòng)推桿向上運(yùn)動(dòng)，齒條向上，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩鉗爪向內(nèi)收攏，手爪閉合。反之，驅(qū)動(dòng)力向下，齒條向下，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，手爪打開(kāi)。此種類(lèi)型的夾持器多用于實(shí)心圓柱零件的夾持。圖 3-1 齒輪齒條式手爪手爪技術(shù)要求：手指開(kāi)合角度為： 60 度（最大速度60 度每秒）機(jī)械手最大抓重： kg5.2工件尺寸： 直徑約 ，圓柱形，材料是鐵質(zhì)cm3~PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 93.1.2 夾緊力計(jì)算圖 3-2 手爪受力分析圖根據(jù)手爪類(lèi)別，如圖 3-1 所示，受力方式為摩擦鎖緊，故受力分析得：牛頓第二定律： maF?(3-1)Gfma??4(3-2)?SinNF?2(3-3)f?推得： (3-4))(2)(SinagmG????式中，——工件質(zhì)量， ；mkg——重力加速度， ；g2/sm——?jiǎng)討B(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度，取被抓取工件的為勻速 ；a 2/0sma?——安全系數(shù)；S——V 型手爪張開(kāi)的角度，°；?——?dú)庾A頭與工件的摩擦力， ；f N——反作用力， ；N——?dú)庾A頭與工件的摩擦因素；因?yàn)槭肿εc工件的材料都采用 45 鋼，查表得?25.0?所以：PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 10)(1065.2025.89)(NSinagmFG????????（2）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖 3-1，力矩平衡： 0??M其驅(qū)動(dòng)力為:(3-5)GFbR?2式中：——齒的輪半徑，取半徑為 ；Rcm8——齒輪中心到工件中心的距離，取值為b c10)(26582NFRbG???（3）實(shí)際驅(qū)動(dòng)力：(3-6)?21K?實(shí) 際因?yàn)槭肿Φ膫鲃?dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，根據(jù)《機(jī)械傳動(dòng)效率表》中圓柱齒輪傳動(dòng)欄傳動(dòng)效率為 0.94～0.96，故取傳動(dòng)效率 94.0?為安全系數(shù)，通常取 1.2-2.0，此取 。1K51K為工作情況系數(shù)，可近似按如下公式計(jì)算：2 ga??12若被抓取工件的速度為勻速 時(shí)，則 0a2K)(469.54.1265NF????實(shí) 際所以當(dāng)手爪夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 。3.1.3氣壓缸的選型與計(jì)算（1）氣缸工作壓力的確定PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 11由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》中，如表 3-1 所示，取氣缸工作壓力 。Mpa4.0?表3-1 氣壓負(fù)載常用的工作壓力負(fù)載 NF/50000工作壓力 Mpa5~7（2）氣缸內(nèi)徑 和活塞桿直徑 的確定Dd本次設(shè)計(jì)的氣缸屬于雙向作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸目前使用廣泛。因?yàn)闅飧椎闹辉诨钊粋?cè)有活塞桿，所以氣缸活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞兩側(cè)的有效面積不同導(dǎo)致壓縮空氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不同，推力也不同?；钊笮袝r(shí)產(chǎn)生推力 ，活塞右行時(shí)活塞桿產(chǎn)生拉力 。1F2F(3-7)zpD??421?(3-8)zFdF)(22式中，——活塞桿上的推力， ；1FN——活塞桿的拉力， ；2——?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的總阻力， ；Z—— 氣缸工作壓力， ；PPa——活塞直徑， ；Dm——活塞桿直徑， 。 d氣缸工作時(shí)的總阻力 與眾多因素有關(guān)，如運(yùn)動(dòng)部件的慣性力、密封處的摩擦等。ZF以上幾個(gè)因素都可以載荷率 的形式計(jì)入公式，如要求氣缸的靜推力 和靜拉力 ，?1F2則在計(jì)入載荷率后：(3-9)????421pDFPLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 12(3-10)?????4)(22pdDF計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的特性。若氣缸動(dòng)態(tài)所達(dá)到精度要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取 ，頻率越快時(shí)取 ，頻率越慢時(shí)取 。若5.0~3??3.05.0氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率不高，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取，取 。85.0~7??85.0由以上分析得雙向作用氣缸的直徑：(3-11)??PFD14?代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得: )(9.385.014.32641 m????由 ，可得活塞桿直徑： 。3.0~2/Dd Dd12~)(查機(jī)械手冊(cè)，氣缸直徑 和活塞直徑 標(biāo)準(zhǔn)系列：D、 、 、 、 、 、 、 、 、 、m81m1620m53240563等等。0所以圓整得 ，活塞桿直徑)(40?)(1d?（3）缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì)因缸筒需要直接承受在壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的壓力，所以必須有一定的厚度才能達(dá)到要求。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比 ，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算：10/?D?(3-12)][2?pP?式中，- 缸筒壁厚， ；?m- 氣缸內(nèi)徑， ；D- 氣缸試驗(yàn)壓力，一般取 ； pP)(5.1Pap?-氣缸工作壓力 ；)(PaPLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 13-缸筒材料許用應(yīng)力，本課題手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為：鋁合金 ZL106][?。Mpa3?則壁厚為： )(41032.5][6mDPp????，則缸筒外徑為：m4?? )(81D?（4）手部活塞桿行程長(zhǎng) 計(jì)算L活塞桿的位移量= (3-13))(2.630mR????氣缸（活塞）行程與其使用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機(jī)構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計(jì)算行程多加 的行程余量。m20~1 )(28.60.L??圓整為 。)(7L?（5）活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算：當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度 較小時(shí)（ ） ，可以只按強(qiáng)度條件校核計(jì)算活塞桿直徑 。dL10? d則：(3-14)5.01])[/4(??F?其中 ，NF4261?MPa120][??則： 125.)12046(.?????d所以滿足設(shè)計(jì)要求。（6）氣缸推力驗(yàn)算：(3-15)???421pdFPLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 14)(426)(785.01.0.1362N????由以上計(jì)算可知?dú)飧卓赡墚a(chǎn)生的推力 大于夾緊工件所需的推力71F，所以該氣缸滿足要求。)(426NF?實(shí) 際（7）消耗氣量的計(jì)算氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量 為：Q(3-16)min)/)(2(432dDns???式中：——?dú)飧字睆剑?；Dm——活塞桿直徑， ；d——活塞行程， ；s——?dú)飧谆钊糠昼娡荡螖?shù)，因手爪最大速度為每秒 60 度，一分鐘手爪開(kāi)閉n30 次，取 。30?此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計(jì)算值比實(shí)際值偏小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體情況加以修正。 min)/(10294.1)02.4.2(3047.1 33Q ????????（8）氣壓缸進(jìn)排口的計(jì)算氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑 用下式計(jì)算：0d(3-17))(20mvQd??式中：——工作壓力下氣缸的耗氣量， ；QS/3——空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般 ； V sV/15~0?把計(jì)算出來(lái)的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照 GB/T14038-93《 氣缸氣口螺紋》選擇合適的氣口螺紋。故： )(3.md（9）手爪部分總質(zhì)量估算PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 15(3-18)氣 缸零 件手 爪 mm??其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)手冊(cè)，45號(hào)鋼密度為 ，ZL106的密度為3/1085.7kg?。3/107.2mkg?手爪部分總質(zhì)量約為 )(862.3519.24.0kg???3.2 機(jī)械手傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)3.2.1 Y軸小臂手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）初選電機(jī)為 90BYG250C，如表 3-2 所示電機(jī)特性表 3-2 90BYG250C 的特性表相電流步距角保持轉(zhuǎn)矩空載啟動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動(dòng)慣量重量型號(hào) 相數(shù) A度 mN?Hzz2cmKg?90BYG250C 2 4.0 0.9 6.3 2500 4000 3.6 4.8（2）滾珠絲杠的選擇根據(jù)電機(jī)以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)擬使用條件 負(fù)載重量 KGW5?最大行程 mS10快速進(jìn)給速度 sV/加減速時(shí)間常數(shù) t.預(yù)期壽命 hL3?直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)程摩擦系數(shù) 02.??電機(jī)轉(zhuǎn)矩 min/6axrN1）設(shè)定螺距根據(jù)電機(jī)最大的轉(zhuǎn)速與快速進(jìn)給速度(3-19))(106maxNVL???PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 162）計(jì)算基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載各動(dòng)作模式下的軸向負(fù)載的計(jì)算a) 加速時(shí)加速度 (3-20))/(67.0123maxstV??軸向負(fù)載 (3-21).4)(NWPgaA??b) 勻速時(shí)軸向負(fù)載 (3-22))(98.0gB?c) 減速時(shí)軸向負(fù)載 (3-23))(37.2)(NPgC??根據(jù)表格 3-3 和 3-4 兩表格所示條件，計(jì)算軸向均負(fù)載 與平均轉(zhuǎn)速mPm表 3-3 各動(dòng)作模式 1 次循環(huán)所需的時(shí)間(s)動(dòng)作模式 A B C 共需時(shí)間所需時(shí)間 0.3 1.4 0.3 2表 3-4 螺距為 10 的負(fù)載條件下負(fù)載情況動(dòng)作模式 A B C軸向負(fù)載P(N) 4.33 0.98 2.37轉(zhuǎn)速N 300 600 300所需時(shí)間比例t 15% 70% 15%(3-24))(68.32NPCAm??(3-25)min)/(510rttNCBA?根據(jù)預(yù)期壽命，扣除停止時(shí)間后的凈運(yùn)行使用壽命 0hL(3-26))(75)21(30Lh????將運(yùn)行系數(shù) 代入公式中，求得軸承基本額定動(dòng)載荷2.1wf C（額定動(dòng)載荷：假使軸承的基本額定壽命恰好為一百萬(wàn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承所能承受的載荷值，稱(chēng)為軸承的基本額定動(dòng)載荷，用 表示。對(duì)向心軸承，指的是純徑向載荷，用C表示；對(duì)推力軸承，指的是純軸向載荷，用 表示。 ）Cr aPLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 17(3-27))(04.27)106(31NfPNLCwmh???因此選擇 BSBR2510 滾珠絲杠。（2）容許屈曲載荷危險(xiǎn)速度計(jì)算研討絲杠軸全長(zhǎng) 與危險(xiǎn)速度 屈曲載荷Lck(3-28)末 端 尺 寸余 量螺 母 長(zhǎng) 度最 大 行 程 ???)(3251081m?下面就屈曲載荷進(jìn)行討論，設(shè)負(fù)載作用點(diǎn)間距 l(3-29))(45.1092NlEInPk??式中:：開(kāi)始引起壓曲的負(fù)載kP：負(fù)載作用點(diǎn)距離1l：楊氏模量E：絲杠軸最小慣性矩I(3-30))(15.49764mdI??:絲杠底徑為dm1.7:由絲杠的支撐方式?jīng)Q定系數(shù)n單推-單推： =1雙推-簡(jiǎn)支： =2（選用）雙推-雙推： =4雙推-自由： =0.25n滾動(dòng)軸承若同時(shí)承受徑向和軸向聯(lián)合載荷，為了計(jì)算軸承壽命時(shí)在相同條件下比較，在進(jìn)行壽命計(jì)算時(shí)，必須把實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換為與確定基本額定動(dòng)載荷的載荷條件相一致的當(dāng)量動(dòng)載荷，用 表示。P求出當(dāng)量動(dòng)載荷：(3-31))(509NPK??式中：屈曲載荷KPPLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 18：安全系數(shù)(0.5)? )(04.27)(509NCP??說(shuō)明容許軸向負(fù)載充分滿足使用條件，由于電機(jī)速度比較慢，肯定安全，無(wú)需校核危險(xiǎn)速度。（2）最終選型結(jié)果滾珠絲杠的形式為 BSBR2510-3153.2.2 校核驅(qū)動(dòng)電機(jī)（1）傳統(tǒng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算1）電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 DJ(3-32))(6.32cmKgD??2）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量的折算SJ(3-33))(9.03224clpsS??3）手臂上下移動(dòng)慣量 的折算GJ工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠上下移動(dòng)的慣量 可按下式進(jìn)行計(jì)????算：(3-34))(5.0)14.32()( 22cmKgMLJG ?????式中，是 絲桿導(dǎo)程 ； 為工作臺(tái)質(zhì)量cmk4）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(3-35))(48221cKgDJ??5）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(3-36))(03.15.0936. 21 cmJJGSD ???????（2）驗(yàn)算矩頻特性步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從附件中查得maxjMNMj??3.6ax步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 與最大靜轉(zhuǎn)矩 的關(guān)系為 。查得qmaxj mjq?。所以70.??(3-37))(45.3670.Nmq ???PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 19步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：(3-38)0Mkfakq??式中： 為空載啟動(dòng)力矩；kqM為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速ka力矩；為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。kf（3）有關(guān) 的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：kqM1）加速力矩(3-39)2max106???tnJka??(3-40)3axapbv??式中： 為傳動(dòng)系統(tǒng)的等效傳動(dòng)慣量；?J為電機(jī)的最大角加速度；?為與運(yùn)動(dòng)部件最大快速進(jìn)度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大速度；maxn為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間；t為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；axv為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；b?為脈沖當(dāng)量；p? min)/(60)2(136025.9.360maxa rvnpb ?????(3-41)max?tnJMka??)(47.85105.632012cN????PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 202）空載摩擦力矩(3-42)???2LMkf?式中： 為運(yùn)動(dòng)部件的總重量；M為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；?為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率；?)9.0(??為滾珠絲杠的最大行程；L(3-43))(34.179.04328.52cmNLMkf ???????3）附加摩擦力矩(3-44)??20IFYJ式中： 為滾珠絲杠預(yù)緊力；（為最大軸向負(fù)載的 ）YJF31為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取0? 9.0?)(48.1).(1.4327520 cmNIMYJ ???????所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩：(3-45)0Mkfakq??)(29.1448.13.785cmN?初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即，從上式可知電機(jī)初步滿足要求。kqM?(3)啟動(dòng)矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有升速啟動(dòng)和突跳啟動(dòng)。升速啟動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始逐漸升速，在零時(shí)刻，啟動(dòng)頻率為零。突跳啟動(dòng)很少使用。在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度，從下圖 3-4 中，可查得PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 21圖3-4 90BYG250C矩頻特性圖縱向：空載啟動(dòng)力矩 。對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率 。步cmNMkq??29.14 HZfyq60?進(jìn)電機(jī) 90BYG250C 啟動(dòng)頻率 ，所以步進(jìn)電機(jī)不會(huì)丟步。yqfHZf?50（4）運(yùn)行矩頻特性校核1）步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率 可按下式計(jì)算kzf(3-46)pkzVf?max?)(4025.1H式中： 為快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩， 為附加摩擦力矩。KFM0M從 90BYG250C 運(yùn)行矩頻特性圖中，可知 對(duì)應(yīng)的mNcKJ ???582.82.允許快進(jìn)頻率 ；所以所用的電機(jī)都滿足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求。KJyf?綜上所述，所選用的步進(jìn)電機(jī) 90BYG250C 符合要求，可以使用。3.3 機(jī)械手基座部分設(shè)計(jì)3.3.1 滾珠絲杠的選型與校核（1）初選電機(jī)為 90BYG250C,如表 3-2 所示電機(jī)特性（2）滾珠絲杠的選擇根據(jù)電機(jī)以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)擬使用條件 負(fù)載重量 KGW50?最大行程 mS10?PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 22快速進(jìn)給速度 smV/10?加減速時(shí)間常數(shù) t5.預(yù)期壽命 hL3直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)程摩擦系數(shù) ?02.電機(jī)轉(zhuǎn)速 in/6rN?表3-2 90BYG250C 的特性表相電流步距角保持轉(zhuǎn)矩空載啟動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動(dòng)慣量重量型號(hào) 相數(shù) A度 mN?Hzz2cmKg?90BYG250C 2 4.0 0.9 6.3 2500 4000 3.6 4.81) 設(shè)定螺距根據(jù)電機(jī)最大的轉(zhuǎn)速與快速進(jìn)給速度(3-47))(106maxNVL???計(jì)算基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載各動(dòng)作模式下的軸向負(fù)載的計(jì)算a） 加速時(shí)加速度 (3-48))/(67.0123maxstV??軸向負(fù)載 (3-49).4)(NWPgaA??b） 勻速時(shí)軸向負(fù)載 (3-50))(8.9gB?c） 減速時(shí)軸向負(fù)載 (3-51))(7.23)(NPgC??根據(jù)表格 3-3 和 3-4 兩表格所示條件，計(jì)算軸向均負(fù)載 與平均轉(zhuǎn)速mPm表3-3 各動(dòng)作模式1 次循環(huán)所需的時(shí)間（s）動(dòng)作模式 A B C 共需時(shí)間所需時(shí)間 0.3 1.4 0.3 2PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 23表3-4 螺距為10 的負(fù)載條件下負(fù)載情況動(dòng)作模式 A B C軸向負(fù)載P(N) 4.33 0.98 2.37轉(zhuǎn)速N 300 600 300所需時(shí)間比例t 15% 70% 15%根據(jù)上述兩表所示條件計(jì)算軸向均負(fù)載 與平均轉(zhuǎn)速mPmN(3-52))(7.362CA??(3-53)in)/(510rttNCBAm?根據(jù)預(yù)期壽命，扣除停止時(shí)間后的凈運(yùn)行使用壽命 0hL(3-54))(75)21(30Lh????將運(yùn)行系數(shù) 帶入公式中2.1Wf(3-55))(2.15)106(31NfPNCwmh???因此選擇 BSBR2510 滾珠絲杠。（1）容許屈曲載荷危險(xiǎn)速度計(jì)算研討絲杠軸全場(chǎng) L 與危險(xiǎn)速度 屈曲載荷N?? P??(3-56)末 端 尺 寸余 量螺 母 長(zhǎng) 度最 大 行 程 ???)(3152081m?下面就屈曲載荷進(jìn)行討論，設(shè)負(fù)載作用點(diǎn)間距 2l(3-57))(45.1092NlEInPk?式中：：開(kāi)始引起壓曲的負(fù)載KP：負(fù)載作用點(diǎn)距離1l：楊氏模量EPLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 24：絲杠軸最小慣性矩I(3-58))(15.49764mdI??:由絲杠的支撐方式?jīng)Q定系數(shù)n單推-單推： 1?n雙推-簡(jiǎn)支： （選用）2雙推-雙推： 4雙推-自由： 5.0(3-59))(509NPK??式中：屈曲載荷KP：安全系數(shù)?)5.0(說(shuō)明容許軸向負(fù)載充分滿足使用條件，由于電機(jī)速度比較慢，肯定安全，無(wú)需校核危險(xiǎn)速度。(4) 最終選型結(jié)果：滾珠絲杠的形式為 BSBR2510-315。3.3.2 校核驅(qū)動(dòng)電機(jī)（1）傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算1）電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 DJ(3-60))(6.32cmKg??2）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算SJ(3-61))(9.03224clps??3）手臂上下移動(dòng)慣量 的折算GJ工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上下移動(dòng)的慣量 可按下式進(jìn)行????計(jì)算：(3-62))(50)14.32()( 22cmKgMLJG ?????式中， 是絲桿導(dǎo)程 ； 為工作臺(tái)質(zhì)量 。L)(cmkg4）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 25(3-63))(48221cmKgDMJ??5）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(3-64))(53.17593.021 cgJJGSD ??????（2）驗(yàn)算矩頻特性步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從附件中查得maxjMmNMj??3.6ax步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 與最大靜轉(zhuǎn)矩 的關(guān)系為 查得qmaxj jmq?。所以70.??(3-65))(45.3670.Nmq ???步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：(3-66)0Mkfakq??式中： 為空載啟動(dòng)力矩；kqM為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速ka力矩；為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。kf有關(guān) 的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：aM1）加速力矩(3-67)2max106???tnJMka??3axapbv??式中： 為傳動(dòng)系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；?J為電機(jī)的最大角加速度；為與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；maxn為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間；t為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；axvPLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 26為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；b?為脈沖當(dāng)量；p?(3-68)min)/(60)2(136025.9.360maxa rvnpb ?????(3-69)max??tnJMka??)(9.14105.632572cN??2）空摩擦力矩(3-70)???2LMkf式中： 為運(yùn)動(dòng)部件的總重量；M為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；?為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率；?)9.0(??為滾珠絲杠的最大行程L(3-71))(4.1739.014328.52cmNLkf ?????3）附加摩擦力矩(3-72)??20IFMYJ式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力；（為最大軸向負(fù)載的 ）YJF 31為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取0? 9.0??)(48.1).(1.4327520 cmNIFMYJ ???????所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩： )(7.39739.0 ckfakq ????PLC控制直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 27初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即，從上式可知電機(jī)初步滿足要求。kqaM?（3）啟動(dòng)矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有升速啟動(dòng)和突跳啟動(dòng)。升速啟動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始逐漸升速，在零時(shí)刻，啟動(dòng)頻率為零。突跳啟動(dòng)很少使用。在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度，從下圖 3-5 中，可查得：圖3-4 90BYG250C矩頻特性圖縱向：空載啟動(dòng)力矩 。對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率 。步cmNMkq??87.329 HZfyq40?進(jìn)電機(jī) 90BYG250C 啟動(dòng)頻率 ，所以步進(jìn)電機(jī)不會(huì)丟步。yqfHZf?50（4）運(yùn)行矩頻特性校核1）步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率 可按下式計(jì)算kzf(3-73)pkzVf?max?)(4025.1H式中: 為部件最大快進(jìn)速度；maxV為脈沖當(dāng)量；p?1） 快進(jìn)力矩 的計(jì)算KJM)(8.2141730 cmNF ????式中： 為快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩， 為附加摩擦力矩。KF 0M