爱游戏下载app:自动称重分选设备及控制管理系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】doc

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　　摘 要 在目前的机械制造领域，机械手已经充分得到了广泛应用。它可以模仿人手和臂的某些动作功能，用按固定程序抓取、搬运物件。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全 本文通过对机械手的组成和分类，以及目前机械手发展现状的了解，对本课题任务进行了总体的方案设计。本课题采取的是三自由度圆柱坐标型机械手，通过步进电机达到一个旋转，然后通过丝杠螺母副的组合达到一个机械手上下移动的效果，水平伸缩和手指的抓取都是通过气缸来实现的，称重方面采用的是双孔横梁式传感器。 本课题运用了FX系列可编程序控制器（PLC）对机械手的驱动来控制，论述了电气控制管理系统的硬件方面的设计，控制软件结构方面和自动控制程序方面的逐一设计。 关键词：机械手，称重，传感器，PLC ABSTRACT In the current field of machinery manufacturing, mechanical hand has been widely applied. It can imitate hand and arm movements to some function, according to a fixed program to crawl, moving object. It can replace people arduous labor to realize the production mechanization and automation, can operate under the hostile environment to protect the safety of people. People today cant leave without mechanical hand living environment. While the use of mechanical hand for gripping and handling function, in the weighing and weighing sensor is used in combination with an automatic weighing and sorting to the effect. This article through to the manipulator s composition and classification, and the mechanical hand development present situation understanding, on the issue of overall design. This topic take three degrees of freedom cylindrical coordinate manipulator, stepping motor is used to achieve a rotation, and then through the screw nut pair combination to achieve a mechanical hand to move up and down effect, horizontal expansion and finger gripping is through the cylinder to achieve, weighing is used in double beam type sensor. The subject of the use of FX series programmable controller ( PLC ) on the manipulator drive control, expounds the electric control system hardware design, control software structure and automatic control program design of the one by one. Key words: manipulator, weighing, sensor, PLC 目 录 1 绪论 1 1.1 选题背景 1 1.2 机械手国内外研究历史 2 1.3 机械手的现状和发展的新趋势 3 1.4 研究方案 3 2 机械手的设计 6 2.1机械手手部结构设计及计算 6 2.2 手部夹紧气缸的设计 8 2.3 机械手手臂机构的设计 14 2.4 滚珠丝杠的选择 16 2.5 步进电机的选取 18 3 称重传感器部分的设计 27 3.1传感器的简介 27 3.2传感器的原理及选择 28 4 机械手的控制设计 32 4.1气动回路的设计 32 4.2 PLC控制设计 32 5 结 论 36 参考文献 37 致 谢 38 附 录 39 1 绪论 称重技术自古以来就被人们所重视， 作为一种计量手段， 大范围的应用于工农业、 科研、交通、内外贸易等所有的领域，与人民的生活紧密相连。电子自动称秤是电子衡器中的一种，衡器为国家法定计量器具，是国防建设、国计民生、内外贸易、科学研究必不可少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，则会直接影响到各行各业的现代化水平的提高。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而 且作为工业控制管理系统和商业管理系统的一个组成部分， 推进了工业生产的自动化 和管理的现代化。 先进精密的电子分选称必将缩短作业时间、改善操作条件、 降低能源和材料的消耗、提升产品质量以及加强企业管理、改善经营管理。称重 装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。电子秤是称重技 术中的一种新型仪表，大范围的应用于各种场合。电子秤与原有的机械秤相比较有体 积小、重量轻、结构相对比较简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环 境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现 生产的全部过程自动化，提高劳动生产率。例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹 的了。一张小小的标签包含着：品名、价格、重量等，一一列表在这小小的电子 标签上。标签机的使用大大加快了销售速度，也方便了顾客。顶尖条码标签称有着许多卓越的特点，以太网功能使管理更便利。因此，称重技术的研究和衡器 工业的发展各国都很看重。50 年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的 发展。60 年代初期出现机电结合式电子衡器以来，随时代科技的迅猛发展， 微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大 的冲击和革命性的影响。经过 40 多年的一直在改进与完善，衡器技术也在不断进 步和提高。从世界水平看，衡器技术已经历了四个阶段，从传统的全部由机 械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统模块设计的电子计价秤。 我国电子衡器从机电结合型发展到如今的全电子型和数字智能型。 现在电子衡器制造技术和其应用开始了新的发展。然而我设计的这台称重设备又和其他的不一样，在别的利用传感器的基础上我还同时加上了机械手的配合，通过PLC接收称重信号，从而来控制机械手的动作，这项设计其优点就是秤和机械手的完美组合，通过PLC来传递信号，达到一个我想要的称重分选的效果。 1.1 选题背景 机械手是在自动化生产的全部过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产的全部过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内快速地发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手可以更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手可以代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手得到了慢慢的变多的应用，目前，零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸都普遍的使用机械手，特别是在组合机床上、自动化数字控制机床机械手的用途更加显而易见。目前，柔性制造单元和柔性制造系统中一个重要组成部分就是机械手，它适应性很强，而且结构紧凑。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业提升产品质量，一直更新适销对路的品种，更好地满足市场之间的竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的[1]。 1.2 机械手国内外研究历史 随着第二次世界大战后的经济繁荣， 为了把称重技术引入到生产的基本工艺过程 中去，我们对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗 入衡器制造业。在 1954 年使用了带新式打印机的倾斜式秤，其输出信号能控制 商用结算器，并且用电磁铁机构与人工操作的按键与办公机器联用。在 1960 年 开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。 当时带电子装置的衡器其称量工作是 机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。电子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂、又粗糙到精密、由机 械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近 30 年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、和产品质量的监测等工作，不能离开 能输出信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号，而且也能 作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能， 从而推进工业生产和贸易交往 的自动化和合理化。近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。现代称重技术和数据系统慢慢的变成了工艺技术、储运技术、预包装技术、收货 业务及商业销售领域中不可或缺的组成部分。 随着称重传感器各项性能的不断突 破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在 20 世纪 60 年代就出现了 0.1%称量准确度的电子称，并在 70 年代中期约对 75%的机械称进 行了机电结合式改造。 我国的衡器在 20 世纪 40 年代以前还全是机械式的，40 年代开始发展了机 电结合式的衡器[2]。50 年代慢慢的出现了以称重传感器为主的电子衡器。80 年代以 来，我国通过自主研究引进消化吸收和技术改造。已由传统的机械式衡器步入集 传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。目前，由于电 子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合 而实现称重技术和过程控制的自动化特点， 已被大范围的应用于工矿企业、 能源交通、 商业贸易和科学技术等各个部门、 随着称重传感器技术和超大规模集成电路和微处理器的逐步发展，电子称重技术及其应用场景范围将更进一步的发展，电子衡器产品量大面广、种类非常之多，从通用的各种规格的电子称到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产的全部过程检测系统的一个测量控 制单元，其应用领域不断地扩大。根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展状况及电子衡器市场的需求，电子称的发展动向为：小型化、模块化、智能化、 集成化； 其技术性能趋向于速率高、 准确度高、 可靠性高； 其应用性趋向综合性、组合性。 1.3 机械手的现状和发展的新趋势 目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： A．机械结构发展为可重构化、模块化。比如关节模块中的减速机、伺服电机；由连杆模块和关节模块用重组方式而组成的机器人整机。 B．关节式、龙门式、顶喷式、侧喷式喷涂机器人产品模块化、通用化、标准化、系列化设计；柔性仿形复合机构开发，柔性仿形喷涂机器人开发，控制管理系统开发和仿形伺服轴的轨迹规划开发研究。 C．机器人控制管理系统趋向发展为基于PC机的控制器，很大程度上增加了系统的可维修性、易操作性和可靠性。 D．焊接、切割、装配、搬运等机器人产品的模块化、通用化、标准化、系列化研究。 E．传感器在机器人中的作用逐渐重要，智能化机器人的重要技术是多传感器融合配置技术。 总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制管理系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要是采用性能好价格低的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件[3]。 1.4 研究方案 1.4.1 总体方案 利用压电式传感器来接收物体重量的变化。所以重力传感器的各方面参数都是需要确定的，精度和是用场合等等… 通过电桥输出电 压信号，通过放大电路将输出信号放大，而后送入 A/D 转换单元进行模数转换， 将转换后的数字信号送给单片机；单片机接收数据后，对数据来进行处理，将其转 换为对应的重量信息，送液晶显示模块进行显示。 机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。 选取机械手的座标型式和自由度。 设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，能应用于夹持式手指来抓取工件。 液压传动系统的设计 本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括器件的选取，液压回路的设计，并绘出液压原理图。 机械手的控制管理系统的设计 本机械手拟采用可编程序控制器PLC对机械手来控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程绘制PLC控制原理图，编制出PLC程序，并画出梯形图。 1.4.2 拟采取的技术措施 传感、通信、计算机技术构成现代信息的三大基础，八十年代是个人计算机，九十年代是计算机网络，估计在21世纪的头一个十年热点非常可能是执行、传感与检测[4]。 传感器的最大的作用是获得信息，即它是信息技术的来源。传统的传感器因其体积大，功能差，很难满足在信息时代里人们的要求。所以发展高性能的，各种先进的技术的传感器是迫切地需要的。如光电式、电容式、场效应化学和谐振式传感器等。虽然他们的相同特点是向智能化、微型化发展，但其敏感机理是不同的。因此近年来，微机械，微电子，新工艺，新材料的发展与通信技术的结合开始创造出新一代先进的传感器。 目前，新型的电子称重系统，大都采用传感器作为载重量度以及转换。 本系统是高精度的称重系统。要求使用精度高、稳定性很高的压力传感器。压力传感器通常以应变片为敏感元件，压力传感器一般按检验测试对象分类，包括加速度传感器、荷重传感器、扭矩传感器、位移传感器。检测原理有压阻式和压电式。 机械部分： （1） 手臂伸缩采用伸缩缸。 （2） 手臂的升降采用升降缸。 （3） 手臂回转采用回转缸。 液压部分： （1）动力元件:液压泵 （2）执行元件：伸缩缸，升降缸，回转缸。 （3）控制调节元件：节流阀，溢流阀，压力阀等。 （4）辅助元件：指油箱、油管、管接头、滤油器等。 （5）工作介质：通常为矿物油。 控制部分：选择三菱PLC程序编写，确定PLC型号，进而分配I/O点，通 过动作顺序分析画出流程图，然后通过PLC编程的知识，编 写出梯形图，最后写成程序语言的形式，外加一个控制原理图。 2 机械手的设计 2.1机械手手部结构设计及计算 本课题中采用夹持式手部结构，由传力机构和手指所组成。该传力结构及形式包括齿轮齿条式、斜楔杠杆式、滑槽杠杆式、弹簧杠杆式等，课题中采用齿轮齿条式的传力机构。 2.1.1 手指的形状和分类 夹持式是机械手中最常见的一种。夹持式常用的有两指式、双手双指式和多指式。按手指夹持工件的部位还可以分类为外夹式和内卡式；按手指的动作，手指可分为移动型、一支点回转型和二支点回转型，二支点回转型是夹持式的基本型式。一支点回转型手指是二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时；移动型手指是当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时。回转型手指由于其结构相对比较简单，开闭角较小，制造容易，所以得到普遍应用。移动型手指由于它的结构很复杂庞大，且能适应不一样直径的工件，其应用较少[5]。 2.1.2 设计时考虑的几个问题 （1）有充足大的夹紧力 在定机械手手指的夹紧力时，为了能够更好的保证工件不会产生松动或者脱落，不仅需考虑工件重量，还应考虑在操作的流程或传送中所产生的振动和惯性力。 （2）有足够的刚度和强度 应尽量使机械手自重轻，结构相对比较简单紧凑，并使机械手手部的中心在机械手手腕的回转轴线上。这是因为手指不仅受到被夹持物件的作用力外，还受到了在运动过程中机械手所产生的振动和惯性力的作用，所以要求有足够的刚度和强度以防弯曲变形或折断。 （3）准确定位工件 依据被抓取的工件大小形状，使被夹持工件和手指保持准确的位置，并选择对应的手指形状。 （4）考虑被抓取的对象 依据机械手的工作需要，由于工件多为圆柱形，我们通过比较，采用的机械手手部是一支点，两指回转型。 （5）手指之间应该有一定大小的开闭角 开闭角是指两手指闭合与张开的两个极限位置所夹的角度。移动型手指只要求其开闭幅度。手指的开闭角应该使工件能够顺利脱开或进入，当手指夹持的工件不同直径时，应思考最大直径的工件。 2.1.3 设计时要注意的问题： a. 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，不仅要考虑工件在传送过程中的动载荷，还应考虑夹持工件的重力。 b. 为利于腕部和臂部的结构设计，结构尽量紧凑重量轻。 c. 应能使工件在末端执行机构内准确定位。 d. 依据应用条件来考虑其通用性。 e. 末端执行机构应有一定开闭的范围。其大小除了与手部接近的工件运动路线和方位有关，还与工件的尺寸有关。 2.1.4 手部结构设计及计算 本课题机械手的手部结构设计如图2-1所示 图2-1 末端执行器 FG= (2-1) 式中， m -工件质量， kg ； g -重力加速度，m/s2； a -动态运动时产生的加速度，m/s2； S -安全系数； μ -气爪夹头与工件的摩擦因素；查表得μ =0.25 所以 FG=45N 根据手指传动结构,所以 F= =216N （2-2） F实际≥ =345N 所以，工件夹紧气缸所需的驱动力至少要大于345N。 2.2 手部夹紧气缸的设计 2.2.1 主要尺寸的确定 (1) 气缸工作所承受的压力的确定 由《液压传动与气压传动》表2-1取气缸工作所承受的压力p=0.4Mpa 表2-1 气压负载常用的工作所承受的压力 负载F/N 5000 5000～ 10000 10000～ 20000 20000～ 30000 30000～ 50000 50000 工作所承受的压力p/MPa 0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 5～7 （2) 活塞杆直径d和气缸内径D的确定： 本课题设计的气缸属于双向作用气缸。 单活塞杆双作用气缸是一种使用最广泛的普通气缸。因为气缸只在活塞的一侧有活塞杆，所以作用在活塞两侧的压缩空气有效面积不相等。设活塞左行时，气缸中活塞杆产生的推力为F1，当活塞右行时，气缸中活塞杆产生的拉力为F2。 （2-3） （2-4） 式中， - 气缸活塞杆上的推力，N - 气缸活塞杆的拉力，N - 气缸工作时总阻力，N P - 气缸工作压力，Pa D - 活塞的直径，m D - 活塞杆的直径，m 气缸工作时总阻力Fz与众多因素相关，例如背压阻力、运动部件惯性力、密封处摩擦力等[6]。这一些因素可用载荷率的形式计入公式，如要求气缸的静推力 和静拉力，则在计入载荷后： (2-5) (2-6) 计入载荷率则能确保气缸工作时动态特性。如果气缸动态参数的要求比较高同时工作频率也高，其载荷率一般取η=0.3~0.5 ，速度低时则取大值，速度高时则取小值。若气缸动态参数的要求一般同时工作频率较低，大部分是匀速运动，其载荷率可取η=0.7~0.85 。 由以上分析得双向作用气缸的直径: (2-7) 代入有关数据，可得 查机械设计手册圆整，得D=40mm 由d/D=0.2?0.3 ,可得活塞杆直径圆整后，取活塞杆直径d=12mm (3) 缸筒壁厚和外径的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: (2-8) 式中， δ - 缸筒壁厚，mm D --- 气缸内径，mm --- 气缸试验压力，一般取Pp =1.5 p（Pa） P --气缸工作所承受的压力 （Pa） [σ]---缸筒材料许用应力（Pa） 本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采取使用为:铝合金ZL106,[σ]=3MPa代入己知数据，则壁厚为: =6.3(mm) 取δ=7mm，则缸筒外径为:D1 =60(mm) (4) 手部活塞杆行程长L计算 活塞杆的位移量=×2=6.8mm （2-9） 气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行程多加10~20mm 的行程余量。 L=6.8 +20 =26.8mm （2-10） 故查有关手册圆整为 l=27mm 2.2.2 校核： (1) 活塞杆稳定性的验算： 当活塞杆的长度L较小时（L≤10d），可以只按强度条件校核计算活塞杆直径d 有: (2-11) 其中，[σ]=120MPa，F1 = 655N 则: d≥(4 ×345/π×120) = 1.45 ≤ 16 所以满足实际设计的基本要求。 (2) 气缸推力验算： =1059(N)345(N) 由以上计算可知气压缸能产生的推力 = 659N 大于夹紧工件所需的推力 = N 。所以该气缸满足规定的要求。 2.2.3 气缸耗气量的计算： 气缸耗气量与工作频率、行程、缸径和死容积有关，每分钟其所消耗压缩空气流量Q 为： (2-12) 式中， D -气缸缸径，m d -活塞杆直径，m s -活塞行程，m n -气缸活塞每分钟往复次数 此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据详细情况加以修正[7]。 2.2.4气缸进排口的计算 气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关，除特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径用下式计算： (2-13) 式中， Q-工作所承受的压力下气缸的耗气量， V-空气流经进排气口的速度，一般取V=1015m/s 把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照GB/T 14038—93气缸气口螺纹选择正真适合的气口螺纹。故， d0 = 15.808mm 手抓部分总质量估算 (2-14) 其中：手爪部分和活塞杆材料采取使用45钢，缸筒和端盖连接材料采取使用铝合金ZL106 查相关手册,45号钢密度为7.85×, ZL106的密度为2.73× 手抓部分总质量约为 m = 1.8kg+0.23kg+1kg = 3.03kg 2.2.5 气缸结构设计 (1) 缸筒和缸盖的连接 缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等，参见表2-2[8]。对于双头螺栓和螺栓连接，一般是四根螺栓，但是对于工作所承受的压力高于1MPa时，一定要校核螺栓强度，必要时增加螺栓数量，例如6根。 表2-2 缸筒和缸盖的连接 查阅机械手册，选择拉杆式螺栓连接，采用4根螺栓。该结构相对比较简单，易于加工，易于装卸。由于工作所承受的压力小于1MPa，故无须校核螺栓强度。 (2) 活塞杆与活塞的连接结构 活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。 该气缸选择螺纹连接，结构相对比较简单，装卸方便，应用较多。 (3) 密封 气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和常规使用的寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作很重要。 对密封元件的要求如下： A 密封性好，耐磨损，常规使用的寿命长。 B 稳定性好，不易膨胀和收缩，难于溶解，不易老化及软化。 C 摩擦力小。 D 密封件表面平整、光滑、无气泡、杂质、凹凸等缺陷。 E 结构相对比较简单，成本低。 查阅机械手册的表2-3 活塞的结构与密封形式 表2-3活塞的结构与密封型式 O型密封圈工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构最简单，目前使用的范围较广。故采用O型密封圈。 (4) 气缸的安装连接结构 根据安装的地方和工作要求不同可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。由于结构需要，该气缸用脚架式安装连接。 2.3 机械手手臂机构的设计 2.3.1 手臂的设计的基本要求 （1）手臂的结构和尺寸应满足工作空间要求。 （2）减少运动冲击及其动载荷，增大手臂运动响应的速度；为减小驱动装置的载荷，设法降低手臂的重量与其相对关节的回转轴的偏重力矩和转动惯量。 （3）要尽量缩小由于机械间隙导致的运动误差，来提高运动的运动刚度和精确性。 （4）根据手臂所结构和受载荷的特点，合理选择高强度轻质材料和手臂截面形状。 在本设计中机械手手臂是由气缸驱动实现上下运动，装拆方便，结构相对比较简单，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在活塞杆上转动，确保手臂随机座一起转动。 选用轴向脚架型气压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。 2.3.2 手部活塞杆行程长l确定 按设计的基本要求，伸缩距离为50cm，即500mm，为避免活塞与缸壁碰撞，活塞行程应留有一定的余量。 故行程查有关手册圆整为l=500+20mm=520mm 由前面手部设计方式可得手臂气缸外径D=75。 2.3.3 活塞杆稳定性的计算 当活塞杆的长度L10d时，一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。 当气缸承受的轴向负载达到极限值后，极微小的干扰力都会使活塞感产生弯曲变形，出现不稳定现象，导致气缸异常工作。 活塞杆稳定性条件是： (2-15) 式中， ——气缸承受的轴向负载，即气缸的理论输出推力，N ——气缸的压杆稳定极限力，N ——气缸的压杆稳定性安全系数，一般取=2~6 气缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式、活塞杆的直径及行程有关。 当长细比L/K 》85时， (2-16) 当长细比L/K 85时， (2-17) 式中， L——活塞杆计算长度（m） K——活塞杆的横截面回转半径 实心杆K= 空心杆 I——活塞杆断面惯性矩 实心杆I= 空心杆 ——空心活塞杆内孔直径（m） ——活塞杆截面积 实心杆 空心杆 m——系数，查下表 E——材料弹性模量，对钢取E=2.1×pa f——材料强度实验值，对钢取f=49×pa a——系数，对钢取a=1/5000 查阅机械手册气缸设计章，由表得安装方法为固定——固定，取m=4 代入公式： =427.04N 所以该活塞杆满足稳定性条件。 2.3.4 前后运动气缸部分质量估算 活塞杆及支撑套材料采取使用45钢 缸体采用铝合金ZL106 连接件采用HT250 查相关手册，45号钢密度为7.85× ZL106的密度为2.73× HT250密度为7.35× 经计算，质量约为： m=14.3401kg+1kg+5.6621kg =20.7401kg 总质量 m=20.74011kg+3.03kg=24.7701kg 2.3.5气缸结构设计 （1）缸筒和缸盖的连接 查阅机械手册，选择拉杆式螺栓连接。该结构相对比较简单，易于加工，易于拆卸。 （2）活塞杆与活塞的连接结构 活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。 该气缸选择螺纹连接，结构相对比较简单，装卸方便，应用较多。 （3）密封 气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和常规使用的寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作很重要。 查阅机械手册的表2-3活塞的结构与密封形式 采用O型密封圈工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构最简单，目前使用的范围较广。 （4）气缸的安装连接结构 根据安装的地方和工作要求不同可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。 由于结构需要，该气缸用法兰式安装连接。 2.4 滚珠丝杠的选择 估算：等效载荷 Fm = 800 N , 丝杆有效行程520 mm , 等效转速 nm = 1500 r/min , 要求常规使用的寿命Lh = 15000 h 左右，工作时候的温度低于100℃，可靠度95%，精度为3级精度。 （1） 计算载荷 Fc = 查机电液设计手册 上册，表15-21得 = 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1 Fc = = 1.11.01.6111000 = 1771 N = = = 19523 N （2）选择滚珠丝杆副的型号 主要尺寸为： 按= 19523N，查《机电一体化设计基础》表2-9，选用汉江机床厂C1型滚珠丝杠，系列代号为FYC1-4008-2.5[9]。 = 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滚珠直径d0=3.969mm 滚道半径 R= 偏心距 e== 丝杠内径 ≤27 mm , =24000 N , =1880 N 螺旋导程角 γ = arctan = arctan = 3o38′ 螺杆不长，无需验算稳定性。 （3）刚度验算 按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： = + 式中 T1 = ··tan( γ+) = 1000tan(+) = 1321 N·mm 磨擦系数f = 0.025, 当量磨擦角 = ， 剪切弹性模量 G=8.33 N/mm2 所以：= + = 0.0387 μm 其中，危险截面= 35.76，E = 2.06 每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形 = = 6.6 /m ()p = 15/m 因为滚球丝杆精度要求为3级精度，由表15-8查得 ()p = 15/m 所以其刚度满足规定的要求。 （4）计算效率 η= = = 0.960 = 96% 2.5 步进电机的选取 工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。 表3-4 各种驱动方式比较 比较内 容 驱动方式 物理运动 电机 驱动 气压传动 液压传动 异步电机，直流电机 步进或伺服电机 输出力矩 输出力矩较大 输出力可较大 输出力矩较小 气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大 液体压力高，能够得到较大的输出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步 控制性能较差，惯性大，步易精确定位 控制性能好，可精确定位，但控制管理系统复杂 可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制 油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 应用场景范围 适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用 适用于抓取重量大和速度低的专用机械手 可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手 中小型专用通用机械手都有 中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用 由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对步进电机的型号进行选取[10]。 初选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF003。它的有关技术参数如下表： 表3-5 电机型号 相数 步距角 /（°） 电压 /V 最大静转矩 /N·m(Kgf·cm) 最高空载启动频 率 /HZ 运行频率 /HZ 转子转动惯量 10Kg·m 分配的方法 质量 /Kg 90BF003 3 1.5 60 1.98 1500 8000 17.64 三相六拍 4．5 2.5.1传动系统等效转动惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选择使用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。 （1）电机转子转动惯量的折算 由《机电综合设计指导》表2-18查出=1.764㎏?cm2 （2）联轴器转动惯量的折算 式中：为圆柱质量（Kg），D为圆柱体直径（cm）,L为圆柱体长度。 对于钢材，材料密度为,把数据代入上式得： （3）丝杠转动惯量的折算 查《机电综合设计指导》表4-2 P119，所以有1m长滚珠丝杠转动惯量为0.94㎏?cm2，滚珠丝杠的长度L＝420mm，得出丝杠转动惯量为：=0.94×0.42=0.39㎏?cm2； （4）手臂转动惯量的折算 工手臂是移动部件，所以其转动惯量可按下列式子来则算到丝杠上面： 见《机电综合设计指导》公式（2-6）P8 式中， 表示丝杠导程（cm）； 表示工作台质量（kg）。 所以： （5）总的转动惯量计算 2.5.2 矩频特性的验算 步进电机的最大静转矩：电机的定位转矩，从《机电综合设计指导》表2-21中查得。步进电机的最大静转矩和名义启动转矩的关系可表示为： 见《机电综合设计指导》公式（2-29）P32 查《机电综合设计指导》表2-12 P35得＝0.707。所以， 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算： 见《机电综合设计指导》公式（2-30）P32 式中： 为空载启动力矩（N?cm）； 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（N?cm）； 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N?cm）； 有关力矩值计算见下： （1）加速力矩 见《机电综合设计指导》公式（2-32）和（2-33）P32 式中： 为传动系统等效转动惯量 为电机最大角加速度 为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速 t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间 为运动部件最大快进速度 为初选步进电机的步距角 为脉冲当量 （2）空载是所需的摩擦力矩 见《机电综合设计指导》公式（2-34）P35 式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；齿轮传动降速比；为传动系数总效率，取＝0.8；为滚珠丝杠的基本导程。 （3）预紧摩擦力矩 见《机电综合设计指导》公式（2-35）P35 式中：表示滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取＝0.96。 为滚珠丝杠预紧力； 所以，步进电机所需空载启动力矩： 初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即 见《机电综合设计指导》公式（2-31）P32 从上式可知电机初步满足规定的要求。 2.5.3 启动矩频特性校核 步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高工作速度。 查看《机电综合设计指导》图2-21 P36，从90BF003矩特性图中，可查得： 纵向：空载启动力矩＝对应的允许启动频率。查《机电综合设计指导》表2-11 P34，步进电机90BF003启动频率， 由此可得电机不会丢步，选择合理。 2.5.4 步进电机运行矩频特性的校核 电机的最大快进运行频率的计算： 见《机电综合设计指导》公式（2-36）P36 式中： 运动部件的最高快进速度。得。 快进力矩的计算： 见《机电综合设计指导》公式（2-37）P37 式中： 附加摩擦力矩 快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得： 。 查看《机电综合

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