工业机械手设计说明书范例详解.docx

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工业机械手设计说明书范例详解

机电一体化系统设计

课程设计说明书

设计题目：

系专业班级

姓名：

学号：

指导老师：

日期：

1、机械手总体方案设计………………………………………………………2

2、机械部分的设计……………………………………………………………2

3、滚珠丝杆副传动机构的设计和计算………………………………………4

4、步进电机的计算和选择……………………………………………………5

5、机械手控制系统的方案设计………………………………………………6

6、PLC的硬件接线图…………………………………………………………12

7、机械手PLC程序设计………………………………………………………19

1．机械手总体方案设计

图1是该机械手的动作示意图。

机械手的全部动作由步进电机驱动控制。

其中，上升／下降和左移／右移，分别由两部电机控制。

当控制上下运动的电机正转时，机械手下降；当控制上下运动的电机停止时，机械手下降停止。

当控制上下运动的电机反转时，机械手上升；当控制上下运动的电机停止时，机械手上升停止。

同样，左移／右移分别由控制左右运动的电机控制。

机械手的左旋转/右旋转则由一台伺服电机驱动控制。

机械手的放松／夹紧由一个电机带动一个齿轮齿条机构控制，当该电机正转时，机械手夹紧；该电机反转时，机械手放松。

当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工件时才允许机械手下降。

也就是说，若上一次搬运到右工作台的工件尚未搬走时．机械手应自动停止下降。

图1机械手的动作示意图

机械手的动作过程如下：

（1）复位；

（2）横轴前升；（3）手张开，竖轴下降；（4）手夹紧物品；（5）竖轴上升；（6）横轴收回；（7）底盘旋转；（8）横轴前升；（9）竖轴下降；（10）手放开，物品放下；（11）竖轴上升；（12）手复位，横轴收回；

机械手的操作方式分为：

手动操作方式和自动操作方式。

自动操作方式又分为：

单步、单周期和连续操作方式。

手动操作：

用按钮操作。

返回原点操作：

按下返回原点按钮，机械手自动返回原点。

单步操作：

每按一次启动按钮，机械手完成一步动作，然后自动停止。

单周期操作：

从原点开始按一下启动按钮，机械手便自动完成一个周期然后停止。

在工作中，如按下停止按钮，机械手便停止。

重新启动时，又继续工作，最后自动停在原点。

连续操作：

机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手将自动连续不断地周期性循环，如果按下停止按钮，机械手运动到原点，然后停机机械手的操作面板如图2所示。

图2机机械手的操作面板

2．机械部分设计

2．1机械手手部的结构设计及计算

机械手的手部是用来抓持工件（或工具）的部件。

手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到机械手的工作性能，它是机械手的关键部件之一。

2．1．1手部总体确定

手部是承担抓取刀具的机构，由手指传力机构和驱动装置等组成，是机械手的重要组成部分之一。

根据被抓起部件的材料，形状，尺寸以及一些特性的不同，此机械手部分为手指式。

2．1．2手指式手部的类型

手指式手部是以手指的张开和闭合来实现抓持工件。

它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，故应用最广。

一般手指式手部具有两指，三指或者多指，后者应用较少。

而次此设计手指为两指式手指。

手指式手部按手指的运动形式可分为回转型和平移型。

回转型又分为单支点和双支点两种。

回转型手部多用于抓持圆柱形工件，平移型用于抓持方形工件。

2．1．3手部要求

1）手指应具有足够的加紧力。

在考虑手指的加紧力时，除考虑工件的重量外，还应考虑工件在传送过程中产生的惯性力和震动等影响，以保证夹持牢靠。

2）各构件要有足够的刚度的强度。

3）构件要简单，修理方便。

4）应尽可能结构紧凑。

使之重量轻，动作灵活。

2．1．4设计时应注意的问题

1）手指应有足够的夹紧力。

为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑被抓持工件的重力外。

还应考虑工件在传送过程中所产生的动载荷。

2）手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。

3）应保证工件在手指内准确定位。

4）结构尽量紧凑、重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。

5）根据应用条件考虑通用性。

2．1．5手指夹紧力的计算

手指对工件的夹紧力可按下式计算：

Ｎ≥Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×ＧN

式中

Ｋ1——安全系数（通常取1.5－2）

Ｋ2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，

可按Ｋ2＝１＋a/g估算．

a为机械手在搬运工件过程的加速度m/s

g为重力加速度m/s

Ｋ3——方位系数

Ｇ——被抓持工件的重量kg

由已知数据得出：

Ｋ1=1.5,

Ｋ2=１＋a/g=1+3/10=1.3

Ｋ3=2

Ｇ=10kg

Ｎ=1.5×1.3×2×10=39N

2．1．6驱动力

手指夹持工件所需要驱动力的大小，在同一夹紧力的条件下，随所采用的传动结构的不同而异。

但其计算方法都是按照具体的传动机构进行力的分析，根据力系平衡原理来进行的。

2．2机械手的手腕

机械手的手腕连接于手和手臂之间,用于调整手的方向.此机械手能旋转任何角度,所以手腕能分别独立的绕X、Y、Z轴向实现转动即实现手×腕的任何角度的伸缩和转动.

手腕回转的驱动力距M由已知条件计算如下：

M=（1.1～1.2）（M摩+M偏+M惯）（N×m）

式中

M摩—手腕支撑处的摩擦阻力距

M偏—工件重心偏置的偏置力矩

M惯—手腕运动的惯性力矩

1）摩擦阻力矩的计算

M摩=f/2×（N1×D1+N2×D2）

=0.2/2×（10×0.2+12×0.2）=0.44Nm

式中：

N1,N2—轴承处支反力

D1,D2—轴承直径（米）

F—轴承的摩擦系数

2）偏置力矩M偏的计算

M偏=G×e=10×0.3=3Nm

式中：

G—工件的重量（公斤力）

e—工件重心到手腕转轴线的垂直距离（米）

3）惯性力矩M惯的计算

M惯=0.0175×（J腕+J手+J工）×w/t

=0.0175×（11+11+13）×10/1=6.125Nm

式中

J腕—手腕的转动部件对其运动轴线的转动惯量

J手—手部对手腕转动轴线的转动惯量

J工—工件对手腕转动轴线的转动惯量

W—手腕转动的角速度（1/秒）

T—手腕启动过程所需用的时间（秒）

4）求M

M=1.1×（0.44+3+6.125）=10.5215Nm

2．3机械手的手臂

手臂部是机械手的主要执行部件,其作用是支承手部，主要用来改变刀具的位置。

手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。

2．3．1设计时注意的问题

手臂部的运动和结构形式对机械手的工作性能有着较大的影响。

设计时应注意下列几点：

1）刚度要好要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。

实践证明，空心杆比实心杆刚度大得多。

常用钢管作臂部和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。

2）偏重力矩要小偏重力矩是指臂部的总重量对其支承或回转轴所产生的力矩。

它对臂部的升降运动和转动，均将产生影响，设计时应使臂部各部分的质量分布合理，以减少其偏重力矩。

3）重量要轻，惯量要小由于机械手在高速情况下经常起停和换向，为了减少在运动状态变化时所产生的冲击，必须采取有效的缓冲装置外，力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。

4）导向性要好为了防止臂部在直线移动中沿运动轴线发生相对转动，以保证手部的正确方向和准确定位，必须有导向装置。

其结构应根据臂部的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。

2．3．2驱动力计算

1）手臂水平伸缩时:

P驱=P摩+P惯=50+150=200N

式中P驱—驱动力

P摩—摩擦力（包括手臂伸缩导轨间、导向杆间和密封装置处的摩擦阻力,公斤力）

P惯—手臂在启动过程中的惯性力,其大小可按下式近似计算:

P惯=G伸×V/g×t=1×3/10×1=0.3N

式中G伸—随同手臂伸缩部件总重量（公斤力）

G—重力加速度（m/s

）

V—手臂的工作速度（m/s）

T—起动过程所用时间（秒）

2）手臂升降时:

P驱=P摩+P惯+G升=50+0.3+3=53.3N

式中G升—随同手臂升降部件总重量（公斤力）

3）手臂水平左右摆动时:

M驱=M摩+M惯=53.3×0.3+50×0.2=25.99Nm

式中M驱—驱动力矩（公斤力×米）

M摩—摩擦力矩（包括转轴支撑处和密封装置处的摩擦阻力矩,公斤力×米）

M惯—手臂在起动过程中的惯性力矩.可按下式计算:

M惯=J×w/t=30×1=30Nm

式中J—随同手臂摆动部件对转轴的转动惯量

W—手臂摆动的角速度（1/秒）

3．滚珠丝杆副传动机构的设计和计算

3．1螺纹滚道型面的形状

螺纹滚道型面的形状有很多种，常见的截面有单圆弧型面和双圆弧型面两种。

滚珠与滚道表面的接触点处公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角称为接触角α。

本滚珠丝杆副传动机构采用了双圆弧型面两种，因为双圆弧型面滚珠与滚道只在滚道内相切的两点接触，接触角α不变。

而且两圆弧交接处有一小空隙，可容纳一些赃物，这对滚珠的流动很有利

滚珠丝杠副的循环方式有外循环和内循环。

本滚珠丝杆副传动机构采用外循环。

外循环采用的是螺旋槽式和插管式，他具有结构简单，制造方便等优点。

3．2滚珠丝杠的计算

1）计算载荷Fc

式中：

—载荷系数

—硬度系数

—精度系数

—平均工作载荷

根据寿命条件计算额定动载荷

式中：

—丝杆副的平均转速（r/min）

—运转寿命（h）

—计算载荷（N）

丝杆的其他参数如下：

公称直径：

D0=12mm

导程：

p=7mm

螺旋角：

λ=arctan（6/（50π））=2°11′

滚珠直径：

d0=3mm

滚道半径：

R=0.52d0=0.52×3=1.56mm

偏心距：

丝杠内径：

d1=10.5mm

2）稳定性验算：

丝杠较长，所以用压杆稳定性来求临界载荷

式中：

E—丝杠的弹性模量，对钢

—丝杠危险截面的轴惯性矩

—长度系数，两端用铰接时,m

所以此丝杠是安全的，不会失稳

高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速。

临界转速可按公式计算：

3）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

（m）为

式中：

A—丝杠的截面积，（m2）；

—丝杠的极惯性矩，（m4）；

G—钢的切变模量，对于钢G=83.3GPa；

T—转矩（Nm）

按最不利的情况，即取F=Fm，则

丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为

通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即

4）效率验算

滚珠丝杠副的传动效率为

要求在90%~95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求

4．步进电机的计算和选择.

4．1步进电机的工作原理

步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。

因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。

当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。

因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。

步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。

步进电动机须由专门的驱动电源供电。

驱动电源和步进电动机是一个整体，步进电动机的功能和运行性能都是两者配合的综合结果。

这是步进电动机的又一特点。

步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：

单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。

增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。

4．2步进电动机的特点

1）步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100％），所以广泛应用于各种开环控制。

2）步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比

3）步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制（或半闭环控制）就能进行良好的定位控制。

4）起制动、正反转、变速等控制方便。

5）价格便宜,可靠性高。

6）步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。

7）步进电动机带负载惯性的能力不强,在使用时既要注意负载转矩的大小,又要注意负载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满意的运行性能。

8）由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。

4．3步进电机驱动系统的基本组成

与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。

为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该机械手模型控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如图3所示。

图3步进电机驱动系统的基本组成

4．4步进电动机的选择计算

在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，在该机械手模型控制系统中要求步进电动机体积小、电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，具有较高的起动和运行频率，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进

电机；在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩

、额定转矩

和运行频率

，以确定步进电机的具体规格和控制装置。

由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为：

移动部分总重M=25kg

外力Fa=4kg.cm

磨擦系数

=0.04

螺栓机构的效率

=O.9

螺栓轴径

=1.2cm

螺栓长

=42cm

螺距P=3mm

分辨率L=0.01mm

移动距离

=0.0075mm/步

速度V=2m／min

计算：

设拟选用2相、1.8°步距角的HB型电动机

速比（设使用直接驱动方式）

i=m×

/（360×L）=2×1.8／（360×O.01）=1

轴向力

F=Fa+

M=4+0.04×25=5kg.

cm

负载转矩

=F×P／（2

）+（

×

×

）/2

=5×0.3／（2×3.14×0.9）+

（0.3×1.67×0.3）/（2×3.14）=0.289kg.cm

螺栓的惯量

=（

×

×

×

）/32=（3.14×7.9×

×42×

）/32=0.0675

kg.

移动体的惯量

=M×

=25×

=0.0571kg.

负载惯量为

=

+

=0.0675+0.00571=0.1246kg.

根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为

=0.03kg.

，空载起动频率

=3000H。

由要求的速度可求出运行的频率：

f=V／L=2000／（60×0.01）=3333HZ

可知需要加减速的驱动方式。

齿轮比：

G=

360°/

L=0.0075×360°/（1.8°×0.01）=150

换算到电机轴的负载转矩为

T=G×L（

+F）/2

=150×0.01×（0.289+5）/（6.28×0.9）

=1.40kg.cm

对首次设计的装置来讲，所选用的电动机通常留有2～3倍的余量，所以电机转矩

=3T=3×1.40=4.2kg.cm=0.41N.M

根据以上的计算，我们在该机械手模型控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：

体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。

型号：

42BYGHl01。

电气原理图如图4所示。

快接线插头：

红色表示A相，蓝色表示B相；如果发现步进电机转向不对时可以将A相或B相中的两条线对调。

此步进电机的电气技术数据为表1:

表1

电机型号

相数

步距角

相电流

驱动电压

额定转矩

重量

42BYGH101

2

1.8

1.7A

DC24V

0.44N

M

0.24kg

图4步进电机的出线图

4．5步进电机驱动器的原理与选择

4．5．1步进电机驱动器的选择

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。

所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

电源输入部分：

由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。

信号输入部分：

信号源由FP0主机提供。

由于FP0提供的电平为24V,而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。

输出部分：

与步进电机连接，注意极性能、同时可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。

4．5．2步进电机驱动器指示灯说明

驱动器的指示灯共有两种：

电源指示灯（绿色或黄色）和保护指示灯（红色）。

当任一保护发生时，保护指示灯变亮。

4．5．3步进电机驱动器电源接口

对于超小型驱动器（SH—2H057、SH—3F075、SH—2H057M、SH-3F075M），采用一组直流供电DC（24-40V），注意正负极不要接错，此电源可以由一变压器变压后加整流滤波（无须稳压）组成;或者由一开关电源提供,参考下图。

因为PLC需要采用开关式稳压电源供电,所以在机械手模型中电源应选用开关式稳压电源，见图5

图5开关式稳压电源

5．机械手控制系统的设计方案

5．1可编程序控制器的原理与选择

5．1．1确定输入．输出点数

1）输入设备的数量：

根据系统的控制要求，该机械手模型控制系统共有4个微动开关，X轴限位保护需要2点，Y轴限位保护需要2点，机械手的动作是按行程原则进行的，其输入信号包括横轴的正反限位，竖轴的正反限位，手的正反转限位还有底座正反限位和旋转的脉冲数。

2）输出设备的数量

根据系统的控制要求，X轴，Y轴的运行共需要两台步进电动机，还需要两台直流电动机。

在机械手控制中包括底座的正反转，手的正反转，横轴和竖轴的脉冲和各自的方向。

根据上述的计算，我们需要输入9点，输出9点的PLC。

又考虑到以后改变方案时，一般要检测电机的转速。

而FPO型的PLC有特殊功能指令SPD，可以方便的检测电机的转速；另外该PLC的指令系统不宜算术运算和数据处理功能，加上其扫描速度较快，可以短时间内完成PLD控制的运算。

因此，即使控制方案有变化，该PLC仍能继续使用。

综合上述各方面的情况，确定使用FP0-C16系列的PLC（FP0-C16T），再加一块FP0-E16RS扩展单元和一块FP0-El6X型的扩展单元。

5．2机械手模型的结构特点

机械手模型装置主体由底盘、主机模块（FP0）、运动机械、电气控制及一些电缆电线等部分组成。

机械手模型装置的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆等机械器件组成；电气方面步进电机、驱动模块、传感器、开关电源等电子器件组成。

涵盖了PLC技术，位置控制技术、气动技术有机结合成一体的设备。

5．3程序设计流程图

该流程图的设计主要是根据机械手的动作要求来完成的，它要求在接通电源，程序传人后，不论机械手原来在什么位置，都先回到初始位置，为机械手开始动作做准备。

当初始化完成后（这是以机械手碰到限位后为标志），横轴前升，手开始旋转至所需位置，手张开，竖轴下降至物品处，手加紧物品，竖轴上升将物品拿起。

横轴收回，底盘旋转，横轴前升，手旋转，竖轴下降，手张开将物品放下。

竖轴上升，手复位。

至此，整个机械手的动作全部结束。

在实际的现代化流水线生产中，机械手并不只是完成一次动作就可以了，它是连续不断的动作，把物品从一处拿到另一处。

这时，就要将程序的软件稍加改动，并且在机械手的横、竖轴加限位开关，底盘加限位开关。

这样，就能实现机械手不断的动作，直至停止

6机械手模型的程序设计

6．1PLC程序设计

6．1．1控制要求

1）自动复位2）横轴前伸

3）机械手旋转到位4）电机带电，机械手张开

5）竖轴下降6）电机带电，机械手夹紧货物

7）竖轴上升8）横轴收回

9）底盘旋转到位10）横轴前伸

11）机械手旋转12）竖轴下降

13）机械手张开，放下货物14）竖轴上升复位

6．1．2I/O分配

6．1．3PLC的硬件接线图：

6．1．4PLC控制程序：