高速高精度冲压转序机械手的方案.doc

铜陵学院毕业论文引言用来重现人手功能的机械装置叫做机械手。机械手可以模拟人手的相关动作，并依据已设计好的程序、轨迹来执行搬运、抓取及冲压的智能装置。而被运用于工业的自动化生产的机械手称为工业机械手。该技术最早出现在近几十年的机械制造生产加工领域中，并已成为了现代机械制造生产系统中一个重要分支。随着该项新技术的日益成熟，历史逐渐步入了工业机械手时代,是一门涉及广泛的学科。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。机械手是刚刚兴起的一种自动生产技术。它可以通过语气的编程来执行各种动作，能同时发挥出智能性和适应性以及执行动作的准确性，并能代替人在恶劣的工作环境中完成预期的动作，因此其在国民生产中有着巨大的发挥空间。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。机械手的发展开始引起人们的深切关注:第一，能够代替部分人的手工作业，节约了时间；第二，能够依据预期的生产工艺的要求，遵循已编写好的程序、时间和位置来完成工件的搬运及装卸，劳动效率显著提高，加快工业生产机械自动化的步伐。因而，世界各国开始关注这项技术，并对该项技术加以研发。我国的机械手事业刚开始，并且已经获得了令人骄傲的成绩，受到全世界的关注。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。机械手是实现自我控制且可以通过编写新程序的方式来变动的智能机器，可拥有一个或几个自由度（自由度越多越灵活），可以完成冲压、搬运工件等作业。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。机械手起初的最基本的特点是结构单一，适用范围针对性较强。随着机械工业的发展，工业机械手执行的动作也越来越复杂，符合巨大多数工业自动化生产的“程序控制通用机械手”被简称为通用机械手。因为其可随程序的改化而变化，使用方面，所以其适合在不断变化产品的中小批量生产中“大展拳脚”。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。- 1 -第1章 绪论1.1机械手的发展前景我国机械手应用的范围越来越广，主要体现在重点热处理以及发展铸造等方面上。为了提高作业条件及劳动强度，在研发专用机械手的时候，适当对通用机械手进行发展，有条件的话还要对PLC控制机械手、电磁式机械手和气动机械手等进行研究开发。于此同时要对机械手的运行速度以及定位的准确性进行提高，将机械手能力发挥到极致。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。而国外机械手的发展的侧重点则是在开发一些发展潜力较大的智能机械手。其目的在于赋予其一些传感能力，同时能够实时反馈出外界的信息并能够针对此采取相应的措施加以应对。目前我国已经取得不错的成绩。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。随着机械手发展的变化，其发展完全冲破了传统机械工业发展的束缚，不断地向着生物科技、电子科学和航空航天等高端行业迈进。 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.2机械手组成和分类通常由三个部分组成：执行机构、驱动机构及控制机构1.2.1执行机构 （1）手部：即直接与工件接触的部分，一部分是回转型或平动型。多半机械手的手部都是两指结构。 （2）腕部：即连接手部和臂部的部件，可用来调整要抓取物体的位置，来增大机械手的活动范围，并使机械手变得更灵活，适应性更强。手腕有独立的运动，如回转运动、上下摇摆、左右摇摆等。腕部通常有回转运动，只要增加一个上下摇摆的运动，即可满足机械手的作业要求。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 （3）臂部：关键执行动作的装置，对整个机械手起支撑作用，并驱动手部及臂部做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动规定范围内的一点。机械手手部姿势改变可以通过改变其自由度来改变。因此，臂部通常必须要三个自由度才能符合作业条件，手臂可以伸缩、升降以及左右旋转。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。臂部的空间运动一般可以通过驱动机构以及传动机构来加以实现。因此，它的机构、灵敏性以及抓重大小会影响机械手的使用性能。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。行走机构：工业机械手具备的独立移动机构，在这方面上的研究，我国正处于起步阶段。1.2.2驱动机构驱动机构主要为机械手提供动力。根据不同的动力来源，机械手的驱动机构大概由电动、气动、液压及机械驱动等四大类组成。用电动机来构驱动的机械手，机构简单、结构紧凑、重量较轻及易控制等优点。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.2.3控制系统分类在机械手的控制方式上，可分为有点控制以及连续控制。绝大部分用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.2.4机械手的分类机械手的分类方式很多，可按工作范围、驱动方式以及控制方式等依据来进行划分。（1）按用途分机械手由专用机械手以及通用机械手组成：1、专用机械手它是一种依附于主机的的机械装置，有固定程序但没有自身相对的独立控制系统。专用机械手执行动作单调，结构比较简单，适用性可靠并且成本低，在机械化生产中应用于大批量生产。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2、通用机械手它具有以下的优点：程序易变以及独立的控制系统，且操作比较灵活。通过调节可在不同下使用，且其驱动系统和控制系统是相对独立的。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。其作业范围较广，定位准确以及通用性强，在自动化生产中适合小批量生产。（2）按驱动方式分1、液压传动机械手其原理是利用液体的压力推动执行机构作业的机械手。优点：可以抓起沉重的物件，其作业时操作灵活，传动性能平稳。但是对装置的密封性要求较高，否则装置内的介质会影响其性能的发挥；另外其不适合在温差较大的恶劣环境下工作。缺点在于对介质的过滤要求较严格，成本较高。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2、气压传动机械手其原理是利用提高空气的压力推动执行机构作业的机械手。优点：空气来源极为方面，气动动作反应迅速，结构简单，输出力小及成本较低。但由于空气体积缩小，导致其工作稳定性差；另外气源压力低，在同等情况下比其他机械手机构大，一般在高速、轻载、高温及粉尘大等工作环境中作业。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。3、机械传动机械手即执行机构，是专用机械手的一种，其动力源来自于机械传动。它的优点是运动准确，缺点也较明显：结构较大且执行程序不能改变。适合在自动生产线的上、下料时使用。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。4、电力传动机械手即是一种由结构特殊的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，结构较简单，不需转换机构。目前国内这类机械手数目不多，但有发展潜力。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。（3）按控制方式分1、点位控制即规定空间内点与点之间的运动，其轨迹是不受控制的。若想增加控制点数，则可以通过提高复杂性来实现。2、连续轨迹控制即空间的任意连续的曲线运动，其特点是无限的设定点，整个运动过程都处于控制下，实现平稳准确的运动，且适用范围较广，但电气控制系统比较复杂。因此，此类机械手通常适合在小型计算机上操作。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。1.3工业机械手的发展最早出现在汽车制造上，一般从事于焊接、喷漆及搬运等作业。工业机械手拓展了手足及大脑功能，替代人完成繁重的工作，提高了劳动生产效率，产品质量得到了保证。随着生产的发展，机械手的功能和性能的不断改善和提高，其应用领域也日益扩大。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。我国的机械工业从20世纪70年代开始起步。从第七个五年计划开始，政府将工业机器人的发展列入计划之内，并且在其上投入了大量人力和物力，研制出了一大批的工业机器人，如有由北京的喷涂机器人，大连的氨弧焊机器人，广州和北京的电焊机器人，沈阳的装卸机器人等。中国科学院和北京科技大学提供了这些机器人的控制器，而就在同时一大批机器人的重要部件也被研制出来，如机器人减震齿轮、专用轴承、DC-PWM、编码器等等。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 目前我国正在拓展其适用范围。同时发展专用机械手以及通用机械手，研制出电磁式机械手、计算机控制机械手及液压式机械手等。可以将机械手的执行构件，改装成实用的通用构件；此外根据不同的执行动作要求，可采用不同的实用机构，设计成多种的机械手，使更换工件方便，使应用范围广大。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。1.4课题研究的内容及意义本文主要对高速高精度冲压转序机械手的进行研究，通过学习机械手的工作原理，熟悉冲压转序机械手的运动进行了简单的分析，完成了高速高精度冲压转序机械手方面的设计工作（包括控制部分、执行部分、驱动部分）的设计工作輒峄陽檉簖疖網儂號泶。通过研究高速高进度冲压转序机械手的设计，让我初步掌握机械设计的基本流程，加深了我对其作业原理的了解，充分地锻炼了我的动手能力，为以后的设计积累了大量的丰富的经验。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 第2章 机械手的设计方案及选材2.1机械手的总体设计方案对于本文所要设计机械手，其基本要求是能够精确、迅速、按顺序地冲压工件，即所要设计的机械手需具备高速、高精度、充足的空间、适量的承载能力、灵敏的自由度以及在任意部位都能定位等特性。设计原则主要有：充分分析对象的要求，制定最优化的工序和工艺；了解要加工的工件的材料选材和所要加工的形状，定位精度以及工件受冲压时的受力状况、质量参数和尺寸等，从而进一步明确对机械手结构及执行控制的要求，尽量选择的标准工件，简化设计过程，具备通用性和专用型等特点，并能实现柔性转换和变成控制。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2.2机械手的关键机构及其运动依据设计任务，本设计中机械手能够做垂直运动。此次设计的机械手主要由手部、腕部、臂部、机身这四个部分组成。（1）手部，选用四个吸盘来搬运工件。（2）腕部，选用四根支架来固定吸盘，并和臂部联结。（3）臂部，则选用铝合金质地的手臂，选用焊接的方式并用螺钉和齿条跟其手腕相联。（4）机身，机械手的垂直运动通过齿轮齿条机构来实现。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。电动机的动力通过V带传送给轴上的齿轮组，回转运动转变为垂直运动，最终使机械手正常作业。2.3驱动机构的选择驱动机构即为机械手的关键组成部分，其性价比主要由驱动的方案及其装置决定。根据动力源的不同，机械手的驱动机构由液压、气动、电动和机械驱动等四大类组成。机械手的驱动方案一般选择电动驱动，电动机的型号为Y160M1-2.其额定功率为11KW，额定转速为1500r/min。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。本章对机械手做了大致的设计，决定了其基本形式以及主要部件，决定了此次设计选用电动驱动。以下设计计算即遵照以上选择进行。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2.4机械手手部的设计计算工件的尺寸为150mm100mm3mm，材料为钢，刚的密度为=7385g/cm。2.5选择手抓的类型一般机械手的手部，按握持工件方式，分为夹持以及吸附两种。通过综合考虑，此次设计选择后者作为设计的手抓。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。 手抓的力学分析 （1）对于电源，即加在线圈前后的电压，可选择直流电源。直流电源具有吸力的稳定性较好，线圈两端的电压没有改变。考虑到本设计的磁吸力较小，可选用5-12V直流电源。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。 （2）绕线组的选材，为了尽量减轻绕线组的质量，可选择漆包铝线为绕线组。 （3）因为绕线组是有电阻的，所以会产生热量。由公式为可计算得到绕线组的发热功率（U为电源电压，R为绕线电阻）。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。 （4）磁吸力F=BIL，I=，B=，其中N为线圈匝数，I为电流强度，S为线圈的横截面积。2.6行程开关的选择行程开关即限位开关，是利用生产机械一些机构部件的撞击来发送控制命令的一种主令电器。在起重机以及轻工业机械的行程控制当中，当生产机械运动到某一预定的位置时行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转变为电信号，从而实现控制生产机械，限制他们动作以及位置，为生产机械提供必要的保护。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。行程开关按其结构可分为直动式，滚轮式和微动式系列三种。综合考虑之后，选用滚轮式行程开关JLXK2系列，其触电为常闭触点。行程开关一般位于机械手的手臂之上，从而使行程开关带动机械手一起作业。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。2.7本章小结本章介绍设计机械手时所需要的选用的方案及器材包括：机械手的手抓类型、电磁铁以及行程开关的设计。在本章中对机械手的驱动机构及执行机构进行了确定，为之后的设计打好了良好的基础。谚辞調担鈧谄动禪泻類。第3章 机械手腕部和臂部的设计3.1腕部的设计计算3.1.1腕部的设计基本要求（1）要求重量轻、结构紧凑即在臂部的最前端，而由臂部来承受腕部以及手部的动静载荷。腕部的机构、自身重量以及载荷，直接影响机械手的作业性能。所以，在机型腕部的设计时，必需力求重量轻、机构紧凑。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。（2）结构考虑，合理布局腕部不是执行机构，只起到连接及支撑作用，此外除了保证正常运动、强度要求以及刚度之外，还要综合分析，整体布局，处理好腕部、手部和臂部的连接问题。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。（3）必须考虑工作条件对于本次设计，机械手的工作任务是在工作场合中冲压工件，既没有处于高温在下，也不在具有腐蚀性的工作介质作业，因此几乎不受环境影响，对腕部也基本无影响。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.2腕部的结构设计腕部应用平面式，用四根支架制成。与螺栓连接的垫片通常选用快换垫片，目的是快速地调节手部的位置。3.3臂部设计的基本要求 （1）臂部要求承载力大以及刚度好和重量轻 （2）臂部的运动速度快以及惯性小 （3）手臂动作应该灵活3.4手臂运动机构的选择综合考虑之后，此次设计要求机械手完成垂直运动，可采用齿轮齿条。臂部可选用铝合金材料，目的是尽量减轻臂部的重量，从而减小其惯性。采用焊接的方式可使臂部与腕部相连接。选用M6的螺钉将齿条与外端板相连接。当齿条磨损后，可以随时可更换新齿条。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。3.5机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件，一般使手臂完成回转以及升降运动。3.5.1机身的整体设计按照此次设计要求，为了使手臂完成水平运动，需将臂部的回转机构装在机身上。机身承载着手臂，做垂直运动，是机械手的重要组成部分。为了设计出合理的机构，需要综合考虑分析。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3.5.2分析经过综合考虑分析，本设计选用齿条轮结构。齿轮通过键与轴相连接，电动机再通过V带轮带动轴转动，从而带动齿轮转动，齿轮将运动传递给齿条，最终通过齿条使机械手能够完成垂直运动。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。3.6传动系统的设计3.6.1轴的设计计算轴是起支撑回转部件、传递运动与动力的作用。在此设计中，选用45号钢作为轴的材质，因此碳钢相对于合金钢价廉，对应力较集中的地方不敏感，可以采用热处理或者化学处理的方法改善其耐磨性以及抗疲劳强度，因此碳钢是轴的生产制造方面比较理想的材料。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。 选择轴径： 轴的直径(其中n为电动机的转速，P为电动机的额定功率） 轴的材料为45钢 =126-103 取=115 选择的电动机型号为Y160M2-2，额定功率=11KW，转速=1500rmin，又传递的效率=0.909，轴上的输入功率P=11KW0.909=10KW，转速n=15001.5625r/min=960r/min挤貼綬电麥结鈺贖哓类。 d25.115mm 取轴的最小轴径d=35mm，3.6.2 V带的设计计算带传动具有以下优点：结构简单，稳定性好，造价低廉及减震等，广泛应用在机械工业中。在通常的机械传动中，被广泛的运用即为V带传动。V带的表面横截面近似为等腰梯形，带轮上有对应的轮槽。当V带传动时，只和轮槽的两个侧面相接触，即只用两侧面作为工作面。由理论力学的知识可知：在同样的张紧力下，相比平带传动，V带能够产生相对更大的摩擦力，这也是V带传性能上最显著地优点。因此本次设计可采用V带传动。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。电动机型号为Y160M22，额定功率=11KW，转速=1500r/min，传动比i=1.5625，一天运转 16h.塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。1.确定计算功率由表查得工作状况系数=1.1, = P =1.111=12.1KW2.选择V带带型普通V带的抗拉体的结构分为帘布芯和绳芯两种。窄V带是用合成纤维绳作抗拉体，其优点是：相比普通V带，在相同条件下宽度较窄而承载能力最高可提升2.5倍左右，适合于传递动力大而又要求传动装置紧凑的场合。选用窄V带可满足此次设计的要求裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。3.选取窄V带带型根据,可确定选用SPZ型。4.确定带轮基准直径 由表选取主动轮基准直径为=80.000。 由此可得从动轮基准直径 =i=（150080960）=125 根据表应取=125。 验算V带的速度 V= =6.28m/s35m/s V带的传送速度符合要求5.明确窄V带的基准长度及传动中心距 根据0.7(+) 2(+),大致可确定中心距d=350。 计算V带所需的基准长度为 =1023.296 取带的基准长度为=1000.000。 实际的中心距 a为 a=+(- )/2=【350(10001023.296)2】=361.6486.检验主动轮上的包角 其包角为 = 符合设计要求7.计算窄V带的根数z 由公式可知 由=1500r/min, =80mm，i=1.5625,查表可得 1.6KW，0.18KW 查表可得=0.98，=0.9则 Z=7.7 取z=8根3.6.3 V带轮的设计计算V带轮的选择在选用V带轮时应符合的要求有：制造工艺良好；质量均匀且较轻；轮槽工作面要精细加工；各槽的尺寸和角度应具备较高的精度等要求。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。从动V带轮的选择对于从动V 带轮,轴的直径为=35,而带轮的基准直径=125。其基准直径，所以从动V 带轮采用腹板式。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。对于主动V带轮，电动机的轴径为=42.000，而带轮的基准直径80.000，。 主动轮可选用实心式。带轮材料的选择带轮的选材可为铸铁，一般材料的牌号为HT150或HT200，在本次设计中，两带轮的选材均为HT150。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。3.6.4 齿轮齿条的设计计算1确定齿轮的类型，齿轮的精度等级，齿轮的材料以及齿数 1) 按照所要设计的要求，选用齿轮齿条的传动方式。 2）电磁式机械手为普通的工作机器，其速度不高，所以选用7级精度 3）材料选择。由表可选择小齿轮为40Cr（调质），硬度为280HBS，齿条材料45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。 4）闭式齿轮通常具有较快的传动速度，不容易受控制，为了改善其平稳性，降低冲击振动，小齿轮的齿数 =20-40左右,鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。 选择小齿轮的齿数 =24。2.按齿面接触强度设计由计算公式进行试算得 明确公式内的各位置字母的计算数值选取载荷系数 =1.3计算小齿轮传递的转矩 由表查得选取齿宽系数=1，材料的弹性影响系数=189.8(5)查表得小齿轮的疲劳强度极限=600MPa；齿条的疲劳强度极限=550MPa；(6)由公式计算应力循环次数得=(7)由表查得疲劳寿命系数=0.900; =2.50(8)计算疲劳许用应力 可选取失效概率为1%，安全系数S=1，由公式得 计算小齿轮的分度圆直径，将两者中的较小者带入其中。齿条疲劳寿命系数较大，而小齿轮的较小 代入小齿轮的值 mm=65.396mm计算圆周转动速度得 v=m/s=3.29m/s计算齿宽b b= .=165.396mm=65.396mm 则模数=/=65.396/24 mm=2.725 mm 齿高h=2.25=2.252.725=6.13mm齿宽与齿高之比b/h =65.396/6.13=10.67计算载荷系数根据v=3.29m/s且齿轮为7级精度，由表查得动载系数为=1.12直齿轮，假设100N/mm。由表查得=1.2；由表查得其使用系数为=1；由表查得7级精度 =1.12+0.18(1+0.6)+0.23b将上述数值代入后得 =1.12+0.18(1+0.6)1+0.2365.396=1.423由b/h=10.67, =1.423，查表得=1.35；载荷系数为K=11.121.21.423=1.913 进过校核后的分度圆直径为 =65.396mm=74.38mm 计算模数m m=/ =74.38/24=3.13. 按齿根弯曲强度设计 由公式得弯曲强度为 确定公式内的各计算值由表查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa；齿条的弯曲疲劳强度极限=380MPa；由图查得弯曲疲劳寿命系数=0.850; =2.50计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.40,由公式得 =303.57MPa =678.57MPa （1）计算载荷系数K K=11.121.21.35=1.814 （2）查取齿形系数 由表查得=2.65; =2.06（3）查取应力校正系数 由表可查得=1.58; =1.97计算小齿轮，试比较齿条的大小 =0.00598 经过比较，小齿轮的数值比齿条的大。2)设计计算 mm=2.052mm 由计算的结果分析，齿面的接触疲劳强度模数m大于齿根的弯曲疲劳强度模数，承载能力基本上决定齿轮模数m大小，承载力只与齿轮直径相关，模数标准值为m=2.50，则小齿轮的齿数栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。 4.几何尺寸计算 1）由公式得到齿轮的分度圆直径为 =302.5=75 2）由公式得到齿轮的宽度为 b=175=75 取=75, =80。 5. 验算 N=2652.8N N/mm =35.37N/mm100N/mm,合适。3.6.5键的设计计算 齿轮与轴连接所用的键的选择在此次设计的装置中，直齿圆柱齿轮安装在轴的两个支承点间，齿轮和轴的选材均为锻钢，用键组成静联接。联结齿轮处轴的直径d=55mm，而齿轮轮毂的宽度为70，载荷是轻微冲击。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。1.选择键联接的类型和尺寸为了满足该齿轮的定心精度，可选用平键联接。因为齿轮不位于轴端，所以可采用圆头普通平键。 根据d=56mm从表中查得键的截面尺寸为：宽度b=16，高度h=10，键长L取70（比轮毂宽度小些）。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。2. 键联接的强度校核 键，轴，轮毂的材料都是钢，由表查得其许用挤压应力=100-120MPa之间，可取其平均值，=110MPa。则键的长度L-b=54，相关的接触高度h=0.5h=0.510=5.00。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。 电动机的额定功率=11Kw,=0.909，=1500r/min,i=1.5625 轴上的输入功率P=11Kw0.909=10KW 轴的转速 n=(1500/1.5625)r/min=960r/min 轴上的转矩T=9550P/n=(955010960)Nm=99.48Nm 由式(61)可得 =(299.481000)(55456)=13.16MPa110MPa（合适）键的标记为： 键1610 GB/T10961979 （1）选择键联接的类型和尺寸为了满足从动V带轮的定心精度要求，可选取平键联接的方式。材料可选取圆头普通平键。按照d=35.000mm查得其截面尺寸：高度h=8.00，宽度b=10.00，可取键长L=90.00。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。（2）校核键联接的强度 键，轴的材料都是钢，轮毂的材料为铸铁，由表62查得许用挤压应力=50-60MPa，取其平均值，=55MPa。键的工作长度L-b=9010=80，键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=0.58=4。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 由式(61)可得 =(299.481000)(48035)=17.76MPa55MPa（合适）键的标记为： 键108 GB/T10961979 主动V带轮与电动机主轴连接所用的键的选择其选材可选用铸铁，轴的选材则可选用锻钢，键采用静联接的方式联接。主动V带轮的轴的直径径d=42.0mm，V带轮的轮毂宽度为110，载荷是轻微冲击。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。3.7本章小结本章介绍了机械手设计时所要选择的材料、机械手的腕部与手臂的结构及其它们与齿轮齿条连接的方式，构成了所要设计机械手的大致结构，充分保证了机械手的正常运行。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。第4章 控制系统的设计控制系统是工业机器人系统的一个关键组成部分，主要是来接收上位机传来的控制指令信号的，再通过相应控制程序转化为执行机构的运动。本课题所研究的高速高精度冲压转序机械手系统的控制，将时间顺序以及位置控制相结合。上位机与 PLC 的通讯通过 VC+编写通讯程序实现，PLC 与执行机构的通讯通过 RS232C 接口实现。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。4.1控制系统结构分析在电磁机械手系统中，控制系统是整个系统运行的中枢神经，控制整个系统的正常运行。控制系统的方式为上下位机的主从控制模式。主从控制即上位机和下位机分别以个人计算机和PLC为中心，采用这样的控制模式主要优点有：一方面利用 PLC 可靠性高及编程简单，并将其作为采集和控制任务；另一方面运用个人计算机及相关程序实现监控功能和人机对话，同时也可实现故障诊断和报警等，如图 4-1 所示。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。 个 人 计 算 机 人机界面程序 PLC 电磁执行机构 图 4-1 控制系统结构流程图在电磁机械手控制系统中，上位承担责整个系统的优化、协调及正常的运行。主要负责两方面：对 PLC 发送控制命令，从而实现对机械手的控制；另一方面实时对系统进行监控，有良好监视和模拟运行功能。而下位机主要起对电磁机械手各电磁阀动作控、位置操作控制及反馈系统运行位置的信息等。由于电磁机械手受PLC的控制，从而使巨大而又复杂多变的控制系统、程序的编制、修改变得简单明了。电磁机械手控制系统不管是硬件还是软件部分，都应具备功能齐全实用且作业稳定性可靠、系统可扩展性以及维护性良好等最基本要求。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。4.2PLC 选型及地址配置PLC是一种工业控制装置，在涉及工业智能化等行业上应用越来越广。若要合理的运用PLC实现电磁机械手的控制，首先必须了解PLC的构造特点以及工作原理，这对之后开发控制程序起到了决定作用。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。4.2.1PLC系统组成及工作原理PLC通常由CPU、存储器及后备电池、I/O接口电源等几个重要部分组成。PLC 的 CPU 顺序逐条对用户程序进行扫描，主要流程为：CPU 按控制要求编写好并储存在RAM中的程序里，按指令执行周期性循环扫描。每次扫的描过程里，还要进行对对输出状态的刷新和输入信号的采样等指令，如此往复下去。PLC 的工作过程如图4-2 所示。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。输入存储器输入端口输入设备输出设备输出端子输出存储器执行程序输入刷新 一个扫描周期 输出刷新 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。 一个扫描周期 图 4-2 PLC 的工作过程4.2.2 PLC 选型及地址配置 时下 PLC 口碑比较好的有品牌有 SIEMENS、西门子、施耐德、美国的 GE公司、富士等，PLC 的选材要注意的几点：性价比高；扫描速度；被控对象的 I/O 点数以及工艺要求；自动诊断能力以及之后扩展等方面。本控制系统之中，总计涉及输入量 3 个，输出量 8 个，即 I/O 点数总计为 11 点。系统中选用松下公司 AFPX-L60R-F 型 PLC，有 32 个输入点和 28 个输出点，满足系统应用要求。其性能规格如表 4-1 所示。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。 表 4-1 PLC 性能规格表 程序内存容量 内存容量32K部 基本指令 0.08us/指令 运算速度 应用指令 1.52-100us/指令 输入点数 X0-X32，32点（10进制编号） 点数 输出点数 X0-X28, 28点（10进制编号） 外部输入继电器 208点（X0-X12F） 继电器数 外部输出继电器 208点（Y0-Y12F） 内部继电器 1008点（R0-R62F） 定时器/计数器设定值区（SV） 144字（SV0-SV143）储存区 定时器/计数器经过值区（EV） 144字（EVO-EV143） 索引寄存器（I） 2字（IX，IY）整个电磁机械手系统总共用到五个气缸和两个真空吸盘，分别由八个电磁阀完成其动作的控制。其中五个两位五通电磁阀分别控制五个气缸的顺序动作动作，三个开关阀控制两个真空吸盘的吸放。PLC 程序的地址分配如表 4-2 所示：麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。表 4-2 程序地址分配表 输入点配置 输出点配置 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。输入点号 名称 备注 输出点号 名称 备注風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。 X0 手动开始 总程序启动 Y0 两位五通阀A 行程260气缸灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。 X1 手动结束 总程序停止 Y1 两位五通阀B 行程80气缸铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。 X10 光电传感器 检测异形槽 Y2 开关闸A 真空吸盘 信号 是否到位 Y10 两位四通阀C 行程300气缸 Y11 开关闸B 真空吸盘 Y12 两位五通阀C 行程400气缸 Y13 两位五通阀D 行程20气缸 Y14 开关阀C 真空吸盘4.3 控制系统的硬件设计电磁机械手的控制主要包括：对气缸的控制以及对真空吸盘的控制。其中送料气缸的动作由光电传感器的检测信号来控制，首先光电传感器检测异形槽的位置，并将位置信号传送至 PLC，进而通过 PLC 控制气缸的动作。对取料气缸、机械手气缸和真空吸盘的控制我们采用了 PLC 直接控制电磁阀来驱动执行元件的方式，其中一个真空吸盘由一个开关阀直接控制，另一个真空吸盘由两个开关阀来控制负压空气的通断，可以有效的解决负压空气存留的问题，并提高响应速度。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。电磁机械手的控制系统，主要由 PLC一台、PC机一台、RS232 通信板一块、光电传感器一个、各模块执行机构的电磁阀以及其它部件构成。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。该系统可以实现两种控制方式：（1）由使用者操作手动控制面板人工控制，可以控制气缸的所有动作，但不能监控其状态；PLC 二位五通阀A二位五通阀A夹覡闾辁駁档驀迁锬減。 开关阀A 手动控制面板 真空吸盘A 开关阀B 水平气缸S260二位五通阀B通信板 垂直气缸B二位五通阀C 个人计算机 真空吸盘B 开关阀C 机械手气缸S400二位五通阀D 机械手气缸S20二位五通阀E 图 4-3 控制系统的硬件模块组成能对运动精度进行判断和控制。通