PLC控制直角坐標機械手設計 I摘 要工業(yè)機械手有能模仿人手和手臂的某些動作功能，用固定程序搬運，抓取物體或操作工具的自動操作裝置，機械手主要由手部和運動機構組成。按照搬運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，手結構形式有吸附型和夾持型等。運動機構的功能是使手部完成各種動作：移動、轉動等運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作。機構的伸縮、升降和旋轉等運動方式，稱為機械手的自由度。本設計選用三自由度直角坐標型工業(yè)機器人，其自由度為X軸，Y軸和Z 軸方向，是通過滾珠絲杠來實現(xiàn)小臂與大臂的伸縮，升降。而這些動作都是通過在步進電機的帶動下進行。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送到另一條流水線這一簡單的動作。本篇論文主要對機械手的傳動部分滾珠絲杠與步進電機進行了計算，計算內容主要包括工業(yè)機器人的傳動機構的設計，以及其機械傳動裝置的選擇。另外對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。關鍵詞：三自由度，直角坐標，PLC，機械手PLC控制直角坐標機械手設計 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控制直角坐標機械手設計 III目 錄1 緒論 .11.1 課題來源 .11.2 課題目的、意義 .11.3 國內外發(fā)展基本情況 .12 工業(yè)機械手的總體設計 .32.1 機械手的組成 .32.2 工業(yè)機械手的設計分析 .42.3 總體設計方案 .43.機械手的機械系統(tǒng)設計 .83.1 機械手手爪設計 .83.2 機械手傳動部分設計 .153.3 機械手基座部分設計 .213.4 軸承的選取 .284 PLC控制系統(tǒng)設計 .294.1可編程序控制器的選擇及工作過程 294.2 PLC控制系統(tǒng) 305 結論 .36參考文獻 .37致謝 .38PLC控制直角坐標機械手設計 11 緒論1.1 課題來源本課題來自于企業(yè)項目。1.2 課題目的、意義隨著加工行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，各行各業(yè)的自動化裝備水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常常配有機械手，以提高生產效率，代替工人完成惡劣環(huán)境下危險、繁重的勞動。目前，機械手常用于完成的工作有：汽車制造領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生產工具；機械加工行業(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)生產線中，機械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個重要組成部分。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進行裝配。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進行裝配。機械手臂代替了人工的繁雜勞動，并且操作精度高，提高了產品質量和生產效率。課題的目的是構思、設計一種結構相對簡單，功能完備，具有較好的經濟性和性能/價格比的機械手。1.3 國內外發(fā)展基本情況在機械工業(yè)中，機械手的應用具有以下意義。 應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。 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合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機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條件。同時，在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產。 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，工業(yè)自動化技術也越來越高，工人工作環(huán)境和工作內容也要求理想化簡單化，對于一些往復的工作由機械手遠程控制或自動完成顯得非常PLC控制直角坐標機械手設計 2重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質對人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。對于機械手的研究國內外的水平不一，但代表當今最先進的技術在日本，他的自動化，人性化令人嘆為觀止，這些技術依賴于控制理論、新材料科學，它是融合各種尖端技術的現(xiàn)代機器。我國也陸續(xù)在工業(yè)中有所應用，對于自動控制，柔性制造系統(tǒng)中應用更為廣泛，但我國的自動化水平有待提高，只相當于世界先進技術在八十年代的水平。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機械手技術也隨之提高，發(fā)展的趨勢是工作強度高，靈活性強，準確可靠，可以自動檢測并下達動作命令，融入先進的人工智能，使人只作平時的簡單的維護，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢。 目前國內機械手主要用于機床加工、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)生產發(fā)展的需要。所以，在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定成績。 目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量產產品達到6軸，負載2Kg的產品系統(tǒng)總重已突破100Kg。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機械領域，而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 本設計是PLC 控制直角坐標機械手設計，直角坐標機械手的功能很多，諸如：工業(yè)取料、貨物搬運、機械繪圖、數(shù)控加工等等，我們經常可以在繪圖儀、數(shù)控雕刻機、數(shù)控加工中心。甚至立體車庫中看到直角坐標機械手的身影。PLC控制直角坐標機械手設計 32 工業(yè)機械手的總體設計2.1 機械手的組成圖 2-1 機械手組成圖機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。（1）手部：又稱手爪或抓取機構，它直接抓取工件或夾具。（2）腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調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荷，并把它傳遞到預定的位置。（4）機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動?？刂葡到y(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警。PLC控制直角坐標機械手設計 4檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、檢測執(zhí)行機構的整體運動情況，根據需要給控制系統(tǒng)以反饋，與規(guī)定要求進行比較，以保證運動符合要求。2.2 工業(yè)機械手的設計分析設計要求：本設計機械手的形式為直角坐標形式，具有3個自由度，由手部、手臂、機身等主要部件組成。各設計參數(shù)如下：Y軸大臂上下移動距離為： 20cm（最大速度10cm/s）Y軸小臂上下移動距離為： 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）手指開合角度為： 60度（最大速度60度每秒）機械手最大抓重： 2.5kg工件尺寸： 直徑約2-3cm，圓柱形，材料是鐵質機械手（重復）定位精度： ±1mm機械手驅動方式： 步進電機，由PLC進行控制（1） 選取機械手的坐標型式和自由度。 （2） 設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括手部、手臂等部件的設計。為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，可以應用夾持式手指來抓取棒料工件。 （3） 滾珠絲杠的傳動系統(tǒng)的設計。本課題將設計出機械手的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)，包括器件的選取，受力的校核等。 （4） 機械手的控制系統(tǒng)的設計。本機械手擬采用PLC對機械手進行控制，選取相應的PLC型號，根據機械手的工作流程繪制PLC控制原理圖，編制出PLC程序，并畫出梯形圖等。2.3 總體設計方案2.3.1 機械部分本設計機械手的形式為直角坐標形式，具有3個自由度，由手部、手臂、機身等主要部件組成。PLC控制直角坐標機械手設計 5圖2-2 機械手示意圖手爪是用來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)機械手的手部結構是多樣的，大部分的手部結構是根據特定的工作要求而設計的。歸結起來，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。由于本次設計的是流水線間工件自動搬運工業(yè)機械手，因此使用夾持式手部。手爪部分設計包括：1) 受力分析2) 夾緊力計算3) 驅動力計算4) 實際驅動力計算圖2-3 機械手爪示意圖PLC控制直角坐標機械手設計 6手臂部件是機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），并帶動它們作空間運動。因此，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用滾珠絲杠副，來實現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸方向的直線往復運動。手臂部分設計包括：1) 電機選型2) 滾珠絲杠選擇3) 計算額定負載4) 校核驅動電機機身是直接支承和驅動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉或俯仰等驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況愈復雜。由于本次設計的流水線間工件搬運工業(yè)機械手進行的是自動定點搬運工件。所以機械手設計成固定的。機身基座設計包括：1) 滾珠絲杠的選型與校核2) 校核驅動電機2.3.2 驅動系統(tǒng)機械手電機驅動的優(yōu)勢是在于節(jié)能，因為氣動和液壓驅動的能量是二次轉化，能量消耗大約在35%左右。所以節(jié)能是今后機械手，機械自動化發(fā)展的一項重要的技術內容。因此本課題選用步進電機驅動，手爪部分驅動使用氣壓缸。氣壓缸選型計算包括：1) 氣壓缸工作壓力與氣缸內徑與活塞桿直徑的確定2) 壁厚與外徑的設計3) 活塞桿穩(wěn)定性驗算4) 氣缸推力、耗氣量計算5) 氣壓缸進排口的計算2.3.3 控制系統(tǒng)工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)相當于人的大腦，它指揮機械手的動作，并協(xié)調機械手與生產系統(tǒng)之間的關系。機械手的工作順序、應達到的位置，如手臂上下移動、伸縮、回轉及擺動、手指的開閉動作，以及各個動作的時間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運動部件沿各坐標軸的運動按照預先整定好的程序來實現(xiàn)的?？刂?根軸的移動距離和速度，同時還控制手爪開闔以及各個動作的時間、速度等。因此本課題選用PLC 來實現(xiàn)機械手的控制，選取FX系列PLC，畫出接線圖。并且根據機械手的動作流程，編制出PLC程序，達到搬運工件的目的。PLC控制直角坐標機械手設計 7圖2-4 PLC控制總體框圖PLC控制直角坐標機械手設計 83.機械手的機械系統(tǒng)設計 3.1 機械手手爪設計3.1.1 手爪的總體概述本設計直角坐標機械手的末端執(zhí)行器（手爪）設計是用來抓持工件或工具的部件。手爪抓持工件的準確、迅速和穩(wěn)定程度都將直接影響到直角坐標機械手的工作性能，它是本次設計的關鍵部件之一。本次設計采用的是齒輪齒條式的手部機構，如圖3-1，齒輪齒條式手爪工作原理是驅動桿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，可繞指點回轉。當氣壓缸工作，驅動力向上時，推動推桿向上運動，齒條向上，齒輪轉動，兩鉗爪向內收攏，手爪閉合。反之，驅動力向下，齒條向下，齒輪轉動，手爪打開。此種類型的夾持器多用于實心圓柱零件的夾持。圖 3-1 齒輪齒條式手爪手爪技術要求：手指開合角度為： 60 度（最大速度60 度每秒）機械手最大抓重： kg5.2工件尺寸： 直徑約 ，圓柱形，材料是鐵質cm3~PLC控制直角坐標機械手設計 93.1.2 夾緊力計算圖 3-2 手爪受力分析圖根據手爪類別，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，——工件質量， ；mkg——重力加速度， ；g2/sm——動態(tài)運動時產生的加速度，取被抓取工件的為勻速 ；a 2/0sma?——安全系數(shù)；S——V 型手爪張開的角度，°；?——氣爪夾頭與工件的摩擦力， ；f N——反作用力， ；N——氣爪夾頭與工件的摩擦因素；因為手爪與工件的材料都采用 45 鋼，查表得?25.0?所以：PLC控制直角坐標機械手設計 10)(1065.2025.89)(NSinagmFG????????（2）根據手部結構的傳動示意圖 3-1，力矩平衡： 0??M其驅動力為:(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）實際驅動力：(3-6)?21K?實 際因為手爪的傳動機構為齒輪齒條傳動，根據《機械傳動效率表》中圓柱齒輪傳動欄傳動效率為 0.94～0.96，故取傳動效率 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算：2 ga??12若被抓取工件的速度為勻速 時，則 0a2K)(469.54.1265NF????實 際所以當手爪夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為 。3.1.3氣壓缸的選型與計算（1）氣缸工作壓力的確定PLC控制直角坐標機械手設計 11由《液壓傳動與氣壓傳動》中，如表 3-1 所示，取氣缸工作壓力 。Mpa4.0?表3-1 氣壓負載常用的工作壓力負載 NF/50000工作壓力 Mpa5~7（2）氣缸內徑 和活塞桿直徑 的確定Dd本次設計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。因為氣缸的只在活塞一側有活塞桿，所以氣缸活塞運動時，活塞兩側的有效面積不同導致壓縮空氣作用在活塞兩側的有效面積不同，推力也不同?；钊笮袝r產生推力 ，活塞右行時活塞桿產生拉力 。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——氣缸工作時的總阻力， ；Z—— 氣缸工作壓力， ；PPa——活塞直徑， ；Dm——活塞桿直徑， 。 d氣缸工作時的總阻力 與眾多因素有關，如運動部件的慣性力、密封處的摩擦等。ZF以上幾個因素都可以載荷率 的形式計入公式，如要求氣缸的靜推力 和靜拉力 ，?1F2則在計入載荷率后：(3-9)????421pDFPLC控制直角坐標機械手設計 12(3-10)?????4)(22pdDF計入載荷率就能保證氣缸工作時的特性。若氣缸動態(tài)所達到精度要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取 ，頻率越快時取 ，頻率越慢時取 。若5.0~3??3.05.0氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率不高，基本是勻速運動，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?代入有關數(shù)據，可得: )(9.385.014.32641 m????由 ，可得活塞桿直徑： 。3.0~2/Dd Dd12~)(查機械手冊，氣缸直徑 和活塞直徑 標準系列：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計因缸筒需要直接承受在壓縮空氣時產生的壓力，所以必須有一定的厚度才能達到要求。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比 ，其壁厚可按薄壁筒公式計算：10/?D?(3-12)][2?pP?式中，- 缸筒壁厚， ；?m- 氣缸內徑， ；D- 氣缸試驗壓力，一般取 ； pP)(5.1Pap?-氣缸工作壓力 ；)(PaPLC控制直角坐標機械手設計 13-缸筒材料許用應力，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 計算L活塞桿的位移量= (3-13))(2.630mR????氣缸（活塞）行程與其使用場合及工作機構的行程比有關。多數(shù)情況下不應使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機構。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加 的行程余量。m20~1 )(28.60.L??圓整為 。)(7L?（5）活塞桿穩(wěn)定性的驗算：當活塞桿的長度 較小時（ ） ，可以只按強度條件校核計算活塞桿直徑 。dL10? d則：(3-14)5.01])[/4(??F?其中 ，NF4261?MPa120][??則： 125.)12046(.?????d所以滿足設計要求。（6）氣缸推力驗算：(3-15)???421pdFPLC控制直角坐標機械手設計 14)(426)(785.01.0.1362N????由以上計算可知氣缸可能產生的推力 大于夾緊工件所需的推力71F，所以該氣缸滿足要求。)(426NF?實 際（7）消耗氣量的計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，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量 為：Q(3-16)min)/)(2(432dDns???式中：——氣缸直徑， ；Dm——活塞桿直徑， ；d——活塞行程， ；s——氣缸活塞每分鐘往返次數(shù)，因手爪最大速度為每秒 60 度，一分鐘手爪開閉n30 次，取 。30?此公式未考慮氣缸內的死容積，因此計算值比實際值偏小，設計時要根據具體情況加以修正。 min)/(10294.1)02.4.2(3047.1 33Q ????????（8）氣壓缸進排口的計算氣缸的進排氣口當量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關，除特殊情況外，一般氣缸的進氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進排氣口當量直徑 用下式計算：0d(3-17))(20mvQd??式中：——工作壓力下氣缸的耗氣量， ；QS/3——空氣流經進排氣口的速度，一般 ； V sV/15~0?把計算出來的氣缸進排氣口當量直徑進行圓整后，按照 GB/T14038-93《 氣缸氣口螺紋》選擇合適的氣口螺紋。故： )(3.md（9）手爪部分總質量估算PLC控制直角坐標機械手設計 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。查機械設計手冊手冊，45號鋼密度為 ，ZL106的密度為3/1085.7kg?。3/107.2mkg?手爪部分總質量約為 )(862.3519.24.0kg???3.2 機械手傳動部分設計3.2.1 Y軸小臂手臂的結構設計（1）初選電機為 90BYG250C，如表 3-2 所示電機特性表 3-2 90BYG250C 的特性表相電流步距角保持轉矩空載啟動頻率空載運行頻率轉動慣量重量型號 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電機以及末端執(zhí)行機構擬使用條件 負載重量 KGW5?最大行程 mS10快速進給速度 sV/加減速時間常數(shù) t.預期壽命 hL3?直線運動導程摩擦系數(shù) 02.??電機轉矩 min/6axrN1）設定螺距根據電機最大的轉速與快速進給速度(3-19))(106maxNVL???PLC控制直角坐標機械手設計 162）計算基本動態(tài)額定負載各動作模式下的軸向負載的計算a) 加速時加速度 (3-20))/(67.0123maxstV??軸向負載 (3-21).4)(NWPgaA??b) 勻速時軸向負載 (3-22))(98.0gB?c) 減速時軸向負載 (3-23))(37.2)(NPgC??根據表格 3-3 和 3-4 兩表格所示條件，計算軸向均負載 與平均轉速mPm表 3-3 各動作模式 1 次循環(huán)所需的時間(s)動作模式 A B C 共需時間所需時間 0.3 1.4 0.3 2表 3-4 螺距為 10 的負載條件下負載情況動作模式 A B C軸向負載P(N) 4.33 0.98 2.37轉速N 300 600 300所需時間比例t 15% 70% 15%(3-24))(68.32NPCAm??(3-25)min)/(510rttNCBA?根據預期壽命，扣除停止時間后的凈運行使用壽命 0hL(3-26))(75)21(30Lh????將運行系數(shù) 代入公式中，求得軸承基本額定動載荷2.1wf C（額定動載荷：假使軸承的基本額定壽命恰好為一百萬轉時，軸承所能承受的載荷值，稱為軸承的基本額定動載荷，用 表示。對向心軸承，指的是純徑向載荷，用C表示；對推力軸承，指的是純軸向載荷，用 表示。 ）Cr aPLC控制直角坐標機械手設計 17(3-27))(04.27)106(31NfPNLCwmh???因此選擇 BSBR2510 滾珠絲杠。（2）容許屈曲載荷危險速度計算研討絲杠軸全長 與危險速度 屈曲載荷Lck(3-28)末 端 尺 寸余 量螺 母 長 度最 大 行 程 ???)(3251081m?下面就屈曲載荷進行討論，設負載作用點間距 l(3-29))(45.1092NlEInPk??式中:：開始引起壓曲的負載kP：負載作用點距離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:由絲杠的支撐方式決定系數(shù)n單推-單推： =1雙推-簡支： =2（選用）雙推-雙推： =4雙推-自由： =0.25n滾動軸承若同時承受徑向和軸向聯(lián)合載荷，為了計算軸承壽命時在相同條件下比較，在進行壽命計算時，必須把實際載荷轉換為與確定基本額定動載荷的載荷條件相一致的當量動載荷，用 表示。P求出當量動載荷：(3-31))(509NPK??式中：屈曲載荷KPPLC控制直角坐標機械手設計 18：安全系數(shù)(0.5)? )(04.27)(509NCP??說明容許軸向負載充分滿足使用條件，由于電機速度比較慢，肯定安全，無需校核危險速度。（2）最終選型結果滾珠絲杠的形式為 BSBR2510-3153.2.2 校核驅動電機（1）傳統(tǒng)系統(tǒng)等效轉動慣量計算1）電機轉子轉動慣量 DJ(3-32))(6.32cmKgD??2）滾珠絲桿的轉動 慣量的折算SJ(3-33))(9.03224clpsS??3）手臂上下移動慣量 的折算GJ工作臺是移動部件，其移動質量折算到滾珠絲杠上下移動的慣量 可按下式進行計????算：(3-34))(5.0)14.32()( 22cmKgMLJG ?????式中，是 絲桿導程 ； 為工作臺質量cmk4）聯(lián)軸器轉動慣量(3-35))(48221cKgDJ??5）系統(tǒng)等效轉動慣量(3-36))(03.15.0936. 21 cmJJGSD ???????（2）驗算矩頻特性步進電機最大靜轉矩 是指電機的定位轉矩，從附件中查得maxjMNMj??3.6ax步進電機的名義啟動轉矩 與最大靜轉矩 的關系為 。查得qmaxj mjq?。所以70.??(3-37))(45.3670.Nmq ???PLC控制直角坐標機械手設計 19步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算：(3-38)0Mkfakq??式中： 為空載啟動力矩；kqM為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速ka力矩；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩。kf（3）有關 的各項力矩值計算如下：kqM1）加速力矩(3-39)2max106???tnJka??(3-40)3axapbv??式中： 為傳動系統(tǒng)的等效傳動慣量；?J為電機的最大角加速度；?為與運動部件最大快速進度對應的電機最大速度；maxn為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間；t為運動部件最大快進速度；axv為初選步進電機的步距角；b?為脈沖當量；p? min)/(60)2(136025.9.360maxa rvnpb ?????(3-41)max?tnJMka??)(47.85105.632012cN????PLC控制直角坐標機械手設計 202）空載摩擦力矩(3-42)???2LMkf?式中： 為運動部件的總重量；M為導軌摩擦系數(shù)；?為傳動系統(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： 為滾珠絲杠預緊力；（為最大軸向負載的 ）YJF31為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，現(xiàn)取0? 9.0?)(48.1).(1.4327520 cmNIMYJ ???????所以，步進電機所需空載啟動力矩：(3-45)0Mkfakq??)(29.1448.13.785cmN?初選電機型號應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉矩，即，從上式可知電機初步滿足要求。kqM?(3)啟動矩頻特性校核步進電機啟動有升速啟動和突跳啟動。升速啟動是步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。突跳啟動很少使用。在一段時間內，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結束時，步進電機達到了最高運行速度，從下圖 3-4 中，可查得PLC控制直角坐標機械手設計 21圖3-4 90BYG250C矩頻特性圖縱向：空載啟動力矩 。對應的允許啟動頻率 。步cmNMkq??29.14 HZfyq60?進電機 90BYG250C 啟動頻率 ，所以步進電機不會丟步。yqfHZf?50（4）運行矩頻特性校核1）步進電機的最高快進運行頻率 可按下式計算kzf(3-46)pkzVf?max?)(4025.1H式中： 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩， 為附加摩擦力矩。KFM0M從 90BYG250C 運行矩頻特性圖中，可知 對應的mNcKJ ???582.82.允許快進頻率 ；所以所用的電機都滿足快速進給運行矩頻特性要求。KJyf?綜上所述，所選用的步進電機 90BYG250C 符合要求，可以使用。3.3 機械手基座部分設計3.3.1 滾珠絲杠的選型與校核（1）初選電機為 90BYG250C,如表 3-2 所示電機特性（2）滾珠絲杠的選擇根據電機以及末端執(zhí)行機構擬使用條件 負載重量 KGW50?最大行程 mS10?PLC控制直角坐標機械手設計 22快速進給速度 smV/10?加減速時間常數(shù) t5.預期壽命 hL3直線運動導程摩擦系數(shù) ?02.電機轉速 in/6rN?表3-2 90BYG250C 的特性表相電流步距角保持轉矩空載啟動頻率空載運行頻率轉動慣量重量型號 相數(shù) A度 mN?Hzz2cmKg?90BYG250C 2 4.0 0.9 6.3 2500 4000 3.6 4.81) 設定螺距根據電機最大的轉速與快速進給速度(3-47))(106maxNVL???計算基本動態(tài)額定負載各動作模式下的軸向負載的計算a） 加速時加速度 (3-48))/(67.0123maxstV??軸向負載 (3-49).4)(NWPgaA??b） 勻速時軸向負載 (3-50))(8.9gB?c） 減速時軸向負載 (3-51))(7.23)(NPgC??根據表格 3-3 和 3-4 兩表格所示條件，計算軸向均負載 與平均轉速mPm表3-3 各動作模式1 次循環(huán)所需的時間（s）動作模式 A B C 共需時間所需時間 0.3 1.4 0.3 2PLC控制直角坐標機械手設計 23表3-4 螺距為10 的負載條件下負載情況動作模式 A B C軸向負載P(N) 4.33 0.98 2.37轉速N 300 600 300所需時間比例t 15% 70% 15%根據上述兩表所示條件計算軸向均負載 與平均轉速mPmN(3-52))(7.362CA??(3-53)in)/(510rttNCBAm?根據預期壽命，扣除停止時間后的凈運行使用壽命 0hL(3-54))(75)21(30Lh????將運行系數(shù) 帶入公式中2.1Wf(3-55))(2.15)106(31NfPNCwmh???因此選擇 BSBR2510 滾珠絲杠。（1）容許屈曲載荷危險速度計算研討絲杠軸全場 L 與危險速度 屈曲載荷N?? P??(3-56)末 端 尺 寸余 量螺 母 長 度最 大 行 程 ???)(3152081m?下面就屈曲載荷進行討論，設負載作用點間距 2l(3-57))(45.1092NlEInPk?式中：：開始引起壓曲的負載KP：負載作用點距離1l：楊氏模量EPLC控制直角坐標機械手設計 24：絲杠軸最小慣性矩I(3-58))(15.49764mdI??:由絲杠的支撐方式決定系數(shù)n單推-單推： 1?n雙推-簡支： （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(說明容許軸向負載充分滿足使用條件，由于電機速度比較慢，肯定安全，無需校核危險速度。(4) 最終選型結果：滾珠絲杠的形式為 BSBR2510-315。3.3.2 校核驅動電機（1）傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算1）電機轉子轉動慣量 DJ(3-60))(6.32cmKg??2）滾珠絲桿的轉動慣量 的折算SJ(3-61))(9.03224clps??3）手臂上下移動慣量 的折算GJ工作臺是移動部件，其移動質量折算到滾珠絲杠軸上下移動的慣量 可按下式進行????計算：(3-62))(50)14.32()( 22cmKgMLJG ?????式中， 是絲桿導程 ； 為工作臺質量 。L)(cmkg4）聯(lián)軸器轉動慣量PLC控制直角坐標機械手設計 25(3-63))(48221cmKgDMJ??5）系統(tǒng)等效轉動慣量(3-64))(53.17593.021 cgJJGSD ??????（2）驗算矩頻特性步進電機最大靜轉矩 是指電機的定位轉矩，從附件中查得maxjMmNMj??3.6ax步進電機的名義啟動轉矩 與最大靜轉矩 的關系為 查得qmaxj jmq?。所以70.??(3-65))(45.3670.Nmq ???步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算：(3-66)0Mkfakq??式中： 為空載啟動力矩；kqM為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速ka力矩；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩。kf有關 的各項力矩值計算如下：aM1）加速力矩(3-67)2max106???tnJMka??3axapbv??式中： 為傳動系統(tǒng)的等效轉動慣量；?J為電機的最大角加速度；為與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速；maxn為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間；t為運動部件最大快進速度；axvPLC控制直角坐標機械手設計 26為初選步進電機的步距角；b?為脈沖當量；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： 為運動部件的總重量；M為導軌摩擦系數(shù)；?為傳動系統(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：為滾珠絲杠預緊力；（為最大軸向負載的 ）YJF 31為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，現(xiàn)取0? 9.0??)(48.1).(1.4327520 cmNIFMYJ ???????所以，步進電機所需空載啟動力矩： )(7.39739.0 ckfakq ????PLC控制直角坐標機械手設計 27初選電機型號應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉矩，即，從上式可知電機初步滿足要求。kqaM?（3）啟動矩頻特性校核步進電機啟動有升速啟動和突跳啟動。升速啟動是步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。突跳啟動很少使用。在一段時間內，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結束時，步進電機達到了最高運行速度，從下圖 3-5 中，可查得：圖3-4 90BYG250C矩頻特性圖縱向：空載啟動力矩 。對應的允許啟動頻率 。步cmNMkq??87.329 HZfyq40?進電機 90BYG250C 啟動頻率 ，所以步進電機不會丟步。yqfHZf?50（4）運行矩頻特性校核1）步進電機的最高快進運行頻率 可按下式計算kzf(3-73)pkzVf?max?)(4025.1H式中: 為部件最大快進速度；maxV為脈沖當量；p?1） 快進力矩 的計算KJM)(8.2141730 cmNF ????式中： 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩， 為附加摩擦力矩。KF 0M