机械手设计项目说明指导书.doc

机
械
专
业
课
程
设
计
指引教师：
设 计 者： 学号：
专业班级：设计题目：搬运机械手
完毕时间：07月02日

目录
一、 设计任务 1
1.1 设计任务简介 1
1.1.1 课程设计目 1
1.1.2 课程设计内容 1
1.1.3 课程设计规定 1
1.1.4 课程设计详细任务 2
1.1.5 研究机械手意义 2
1.2 设计任务明细 3
1.2.1 总体方案设计 3
1.2.2机械系统设计 3
二、总体方案设计 3
2.1 驱动系统 3
2.2 执行机构 4
2.3 控制系统 4
3.1 机械传动装置构成及原理 5
机械手机械传动装置示意图如下 5
3.2 滚珠丝杠简介与特点 6
3.3 滚珠丝杠设计及选型 6
3.3.1 螺旋类型及种类 6
3.3.2初始条件 7
3.3.3.滚珠丝杠副构成及重要尺寸 7
3.3.4计算过程 7
3.3.5 滚珠丝杠最小轴经校核 9
3.4电机选型及联轴器选型 9
3.4.1电机选型 9
3.4.2 联轴器选取 9
3.5键选取与校核 10
3.5轴承选型与校核 10
3.5.1 轴承选型 10
3.5.2 轴承校核 11
3.6重要联接部位螺栓校核 12
3.7轴承座、机架、导向柱、底座等基本构件构造设计 13
四、电气控制系统设计 15
4.1控制系统基本构成 15
4.2 电气元件选型 15
4.2.1可编程序控制器选取 15
4.2.2步进电机驱动器选取 16
4.2.3步进电机选取与控制 16
4.3电气控制电路设计 18
4.4控制程序设计 18
4.4.1机械手搬运流程图 18
4.4.2输入/输出地址分派 19
4.4.3机械手位移控制程序 19
4.4.4 搬运机械手搬运程序设计 22
五、课程设计总结 30
六、参照文献 30

一、 设计任务
1.1 设计任务简介

1.1.1 课程设计目
通过课程设计培养学生综合运用所学知识和能力、提高分析和解决实际问题能力一种重要环节，专业课程设计时建立专业基本课程和专业方向课基本上，是学生依照所学课程进行工程基本训练，课程设计目在于：
1、培养学生综合运用所学基本理论和专业知识，独立进行机电控制系统
产品初步设计工作，并结合设计或实验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。
2、培养学生搜索、阅读和综合分析参照资料，运用各种原则和工具书籍一集编写技术文献能力、提高计算、绘图等基本能力。
3、培养学生掌握机电产品设计一半程序和办法，进行工程师基本素质训练。
4、树立对的设计思想及严肃认真工作作风。
1.1.2 课程设计内容
专业课程设计内容为机电控制系统（典型机电产品）设计，其内容涉及机械传动机构和其电气控制系统设计，基本内容如下：
1、总体方案设计：依照课程设计任务规定，在收集、归纳、分析材料基本上，明确系统重要功能，拟定实现系统重要功能原理方案。针对详细原理方案进行总体设计，给出机电系统工作示意图一张。
2、机械传动系统设计：通过对动力和传动参数选取计算，设计机械传动系统，完毕机械传动系统装配图一张。
3、电气控制系统设计：依照控制功能规定，完毕电气控制设计，给出电气控制电路原理图一张。
1.1.3 课程设计规定
课程设计成果最后集中体当前课程设计阐明书和所绘设计图纸上，量化规定如下：
1、每位同窗采用不同方案独立完毕；
2、每位同窗独立完毕课程设计阐明书一份，A4纸30页左右，计算机打印并提交电子稿；
3、每位同窗应完毕设计图纸不少于三张，计算机绘图并提交电子稿。

1.1.4 课程设计详细任务
1、题目：直角坐标系搬运机械手
2、方案选取：
l 电机驱动方式：步进电机
l 机械传动方式：螺旋丝杠
l 电气控制方式：PLC控制
l 功能控制规定：位置控制，速度控制
3、重要设计参数：
l 移动负载质量：100kg
l 工作行程：第一段行程400mm，第二段行程100mm
l 移动速度控制：第一段行程速度为0.2m/s,第二段行程速度为0.1m/s

1.1.5 研究机械手意义
随着当代工业技术不断发展，工业自动化技术也越来越高，生产工况也有趋于恶劣态势，这对一线工人操作技能提出了更高规定，同步操作工人工作安全也受到了相应威胁。工人工作环境和工作内容也规定抱负化和简朴化，对于某些往复工作由机械手远程控制或自动完毕显得非常重要。这样可以避免某些人不能接触物质对人体导致伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。
在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。当前重要应用于机床、模锻压力机上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定作业程序完毕规定操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界变化。应用机械手，有助于提高材料传送、工件装卸、刀具更换以及机器装配等自动化限度，从而可以提高劳动生产率，减少生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化步伐。
借助PLC强大工业解决能力，很容易实现工业生产自动化。基于此思路设计机械手，在实现各种规定工序前提下，大大提高了工业过程质量，并且大大解放了生产力，改进了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具备十分重要意义。
综上所述，本次专业课程设计本人选取了设计直角坐标系搬运机械手，为来年毕业设计打下基本。由于时间仓促，本人仅设计了机械手立柱、手臂，和控制某些。

1.2 设计任务明细
1.2.1 总体方案设计
通过比较气压、液压、以及机械传动机械手优缺陷，依照课程设计
题目规定，最后选取PLC控制两台步进电机，步进电机带动滚珠丝杠，将圆周运动转换成沿X-Y轴直线运动。
1.2.2机械系统设计
1） 传动机构设计与选型
2） 联轴器选型，键校核
3） 轴承选型与校核
4） 重要连接部位螺栓受力分析与校核
5） 轴承座，机架，导向柱，底座等基本构件构造设计
3、 电气控制系统设计
1） 电机选型
2） 步进电机驱动模块选型
3） PLC接线原理图设计
二、总体方案设计
一台完整机电设备重要涉及动力源、传动装置、执行机构和控制系统。因而，在设计机械手时应分某些别设计。
机械手重要由驱动机构（动力源和传动装置）、执行机构和控制系统构成。
各某些关系如下图所示

图1、工业机械手构成框图
2.1 驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动动力装置，普通由动力源、控制调节装置和辅助装置构成。惯用驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动四种形式。气动式速度快，构造简朴，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高重复定位精度，但臂力普通在300N如下。液动式出力大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现持续控制，使工业机械手用途和通用性更广，定位精度普通在1mm范畴内。当前惯用是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简朴场合。
结合专业课程设计规定，为实现位置和速度控制，气压传动很难实现速度控制，液压传动系统比较复杂，在短时间内不也许获得成果，因而本人选取电力传动和机械传动相结合。

2.2 执行机构
机械手执行机构涉及手部 、手腕、手臂和立柱等部件。
1）手部
即直接与工件接触某些。由于与物件接触形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。
夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触构件，惯用手指运动形式有回转型和平移型。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完毕夹放物件任务。传力机构型式较多，惯用有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
2）手腕
是连接手部和手臂部件，并可用来调节被抓取物件方位(即姿势)。如图1-3。它可以有上下摆动，左右摆动和绕自身轴线回转三个动作。如果有特殊规定（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有一种小距离横移。也有工业机械手没有腕部自由度。
3）手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕重要部件。手臂作用是带动手指去抓取物件，并按预定规定将其搬运到指定位置。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线转动，都需要有导向装置，以保证手指按对的方向运动。导向装置构造形式，惯用有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。
4）立柱
立柱是支承手臂部件，立柱也可以是手臂一某些，手臂回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切联系。机械手立往普通为固定不动，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
6）机座
机座是机械手基本某些，机械手执行机构各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接作用。
本次专业课程设计，由于时间仓促，在机械手执行机构方面，本人只设计了机械手立柱、手臂和机座。

2.3 控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定规定运动系统。当前控制系统可大体分为三类，工控机控制系统、单片机搭建控制系统以及PLC控制系统。
课程设计中本人采用PLC控制系统，由于与其他工控产品相比，有如下长处：
1）PLC控制器适应恶劣环境，抗电磁干扰能力强，可以较好适应井下环境，系统稳定。
2）编程简朴、安装简便、调试以便，响应速度快成果简朴、组态以便。
3）造价比较便宜，系统扩展以便。
4）维修工作量小、维护以便，且体积小、能耗低。
课程设计中控制规定---位置控制、速度控制。本人采用步进电机进行开环控制。由于步进电机最明显优势是不需要位置反馈信号就可以进行精准位置控制和速度控制。这种开环控制形式省去了昂贵位置传感器件，和速度传感器。只需对输入指令脉冲信号计数、控制脉冲信号频率，就能进行电机位置控制和速度控制。
综上所述，本次课程设计动力源选取电机，传动装置选取滚珠丝杠，执行原件选取夹手，控制系统选取PLC控制系统。机械手控制系统原理图如下所示：

图2、机械手控制系统原理图

三、机械传动系统设计

3.1 机械传动装置构成及原理
机械手机械传动装置示意图如下

图3、机械手传动装置示意图

3.2 滚珠丝杠简介与特点
滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动抱负产品。
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠构成。它功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝进一步延伸和发展，这项发展重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具备很小摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用传动元件，其重要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同步兼具高精度、可逆性和高效率特点。
1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
由于滚珠丝杠副丝杠轴与丝母之间有诸多滚珠在做滚动运动,因此能得到较高运动效率。与过去滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3如下,即达到同样运动成果所需动力为使用滚动丝杠副1/3。在省电方面很有协助。
2)高精度保证
滚珠丝杠副是用日本制造世界最高水平机械设备连贯生产出来，特别是在研削、组装、检查各工序工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格控制,由于完善品质管理体制使精度得以充分保证。
3)微进给也许
滚珠丝杠副由于是运用滚珠运动,因此启动力矩极小,不会浮现滑动运动那样爬行现象,能保证明现精准微进给。
4)无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠斥力可使丝母部刚性增强)。
5)高速进给也许
滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、因此可实现高速进给(运动)。

3.3 滚珠丝杠设计及选型
3.3.1 螺旋类型及种类
螺旋传动类型：滚动螺旋传动
滚动螺旋副接触形式：内循环
3.3.2初始条件
精密螺杆，材料42CrMo 热解决：高、中频加热,表面淬火
螺母材料：ZCuSn10Zn2热解决：渗氮、淬火
返向器材料：60Mn 热解决：高、中频加热,表面淬火
螺纹滚道法向截面形状：半圆弧
轴向载荷与运动方向反
3.3.3.滚珠丝杠副构成及重要尺寸

图4、滚珠丝杠构成和重要尺寸

3.3.4计算过程

序号
计算项目
计算根据
计算成果
1
丝杠载荷：
导向柱摩擦力
工作载荷

N
2
电机转速

丝杠最大转速

初步设电机与丝杠之间没有减速器，转速不变

3

丝杠导程
工作台最大速度：

6mm
4
当量转速
当量负荷

500N

N
5
初选滚珠丝杠

(1)计算动负荷

(2)计算静载荷
(3)规定寿命

(4)滚珠丝杠副型号

按照机械设计手册公式，求得滚珠丝杠动负荷

查表2.8-65，得机械手滚珠丝杠推荐寿命为8000h

在公司网站查，选用CBM2505-5，额定动载荷为

11300N

N

8000

CBM2505-5

（5）滚珠丝杠副重要尺寸

采用CBM2505-5型外循环滚珠丝杠副。
公称直径　
基本导程　
钢球直径　
丝杠大径　
丝杠小径　

符合规定
6

丝杠螺纹某些长度
由公司产品参数可知

7
支撑距离
支撑跨距应不不大于

8
临界转速校核
支撑方式系数

计算所得驱动力矩

由查表2.8-66查得支撑方式系数（两端固定）

5438

4.73

9
压杆稳定校核
一端固定支撑，一端铰接，丝杠不受压缩，不必校核稳定性

同理，选取手臂（X轴）滚珠丝杠型号为CBM2505-5，工作行程选,采用一端固定支撑，一端铰接安装方式，经机械设计软件校核通过。

3.3.5 滚珠丝杠最小轴经校核
由于选取是公司系列产品，为了使用安全。选用者对滚珠丝杠与电机连接轴段进行校核。

最细轴段直径为16，校核通过。

3.4电机选型及联轴器选型
传动装置各传动零件机械传动效率查（东南大学出版社《机械设计课程上机与设计》）表9-1获得：
滚动轴承 联轴器：
总传动效率：

3.4.1电机选型
步进电机选型依照保持转矩，步进电机保持转矩 ，转矩储备系数K=1.1~1.5，取K=1.1

在全球电机网上查得：山东开元电机厂生产磁阻式三相六拍步进电机，型号为160BC380
该电机重要参数：相数3；步距角0.75/1.5；电压80-300V；电流13A；保持22N/m；最高空载启动频率1000，运营频率1。

3.4.2 联轴器选取
联轴器选取原则：
1）依照被联接轴两端轴经（联接两端直径相差不得不不大于最小直径1/3）
2）所选联轴器公称转矩应不不大于电机最大转矩。
3）所选联轴器尽量经济实用。

通过查机械设计手册，推荐丝杠轴与电机直接连接，采用无间隙弹性联轴器。选取弹性套柱销联轴器，型号TL3，。

3.5键选取与校核
键选取45号钢，其许用应力为
对于联轴器与滚珠丝杠之间键选取键为普通A型平键，（合格）
对于联轴器与电机轴之间键选取键为普通A型平键，（合格）
3.5轴承选型与校核
机械手立柱和手臂滚珠丝杠采用一端固定一端简支承构造方式。采用此方案原由于：
1）此种支承构造方式合用于中档转速，且具备较高精度定位。
2）丝杠有热涨余地
3）压杆稳定性和临界转速比同长度F-O型高
3.5.1 轴承选型
Y轴方向滚珠丝杠竖立放置，轴承承受力里重要在底部，故立柱底端采用止推球轴承和圆锥滚子轴承组合使用。止推球轴承重要承受Y轴方向轴向力，圆锥滚子轴承重要承受径向力（由倾覆力矩产生），另一方面还可以起到径向固定作用。电机端采用成对安装角接触球轴承，能承受双轴向载荷，有较大抗弯刚度支承。
X轴方向滚珠丝杠水平放置，电机端采用成对安装角接触球轴承，能承受双轴向载荷，有较大抗弯刚度支承，适合于悬臂轴支承，夹持端采用圆锥滚子轴承。
依照轴经进行轴承选型
Y轴方向轴承选型：底座--止推球轴承51204型，圆锥滚子轴承3型，电机端成对安装角接触球轴承7204AC/DB，安装固定如下图所示：

底座 电机端
X轴方向轴承选型：电机端成对安装角接触球轴承7204AC/DB，夹持端圆锥滚子轴承3型安装固定如下图所示：

电机端 夹持端

3.5.2 轴承校核

1、止推球轴承校核
　　1）设计参数
　　径向力 Fr=100 (N)，轴向力 Fa=2500 (N)，轴颈直径 d1=20 (mm)，转速 n=500 (r/min)，规定寿命 Lh'=10000 (h)，温度系数 ft=1，润滑方式 Grease=脂润滑。
2）被选轴承信息
　　通过查机械设计手册，可得轴承类型 BType=推力球轴承，轴承型号 BCode=51204，轴承内径 d=20 (mm)，轴承外径 D=40 (mm)，轴承高度 B(T)=14 (mm)，基本额定动载荷 C=22200 (N)，基本额定静载荷 Co=37500 (N)，极限转速(脂) nlimz=3800 (r/min)
3）当量动载荷
　　接触角 a=45 (度)，负荷系数 fp=1，判断系数 e=1.25，径向载荷系数 X=0.66轴向载荷系数 Y=1，当量动载荷 ，额定动载荷计算值 C'=17177.649 (N)
4）校核轴承寿命
　 轴承寿命 ，校核合格
2、圆锥滚子球轴承
因设计时选用了两个同型号圆锥滚子球轴承，为节约设计时间，选受力较大圆锥滚子球轴承进行校核。
1）设计参数
　 径向力 Fr=2500 (N)，轴向力 Fa=1000 (N)，轴颈直径 d1=20 (mm)，转速 n=500 (r/min)，规定寿命 Lh'=10000 (h)，温度系数 ft=1，润滑方式 Grease=脂润滑

2）被选轴承信息
　　通过查机械设计手册，选轴承类型 BType=圆锥滚子轴承，轴承型号 BCode=3，轴承内径 d=20 (mm)，轴承外径 D=42 (mm)，基本额定动载荷 C=25000 (N)，基本额定静载荷 Co=28200 (N)，极限转速(脂) nlimz=8500 (r/min)
3）当量动载荷
　 接触角 a=10 (度)，负荷系数 fp=1.2，判断系数 e=0.973，径向载荷系数 X=1，轴向载荷系数 Y=0，当量动载荷 P=3000 (N)，额定动载荷计算值 C'=13070.292 (N)
4）校核轴承寿命
轴承寿命 校核合格
3、角接触球轴承校核
1）设计参数
　　径向力 Fr=1500 (N)，轴向力 Fa=700 (N)，轴颈直径 d1=20 (mm)，转速 n=500 (r/min)，规定寿命 Lh'=10000 (h)，温度系数 ft=1，润滑方式 Grease=脂润滑
2）被选轴承信息
　　轴承类型 BType=角接触球轴承,轴承型号 BCode=7204AC/DB,轴承内径 d=20 (mm),轴承外径 D=47 (mm),轴承宽度 B=28 (mm),基本额定动载荷 C=14000 (N),基本额定静载荷 Co=7820 (N),极限转速(脂) nlimz=13000 (r/min)
3)当量动载荷
　　接触角 a=25 (度),负荷系数 fp=1.5,判断系数 e=0.68,径向载荷系数 X=0.41,轴向载荷系数 Y=0.87,当量动载荷 P=1528.5 (N),轴承所需基本额定动载荷 C'=11867.176 (N)
4)校核轴承寿命
　 轴承寿命 校核合格
3.6重要联接部位螺栓校核
当机械手搬运工件运动到右极限位置是所受倾覆力矩最大，故以此状态下校核联接部位螺栓。
联接部位重要有两某些构成：立柱联接支架（一端与滚珠丝杠上滚珠螺母联接，另一端与立柱联接支架联接），手臂联接支架（一端与滚珠丝杠上滚珠螺母联接，另一端与手臂联接支架联接），如下图所示

图6、立柱与手臂联接图

通过受力分析可知：螺栓杆重要承受横向载荷，用配合螺栓联接承受横向载荷大，另一方面手臂在安装时需要精准定位，及规定安装精度高，而用配合螺栓联接比普通螺栓联接定位精度高。
由图分析可知，螺栓组承受旋转力矩T作用，单边联接支架所受力矩

对单边列静力平衡方程;
（1）
有变形协调原则 （2）
联立（1）（2）式得：
其中，，因此
由于螺栓材料为45号钢，6.6级，查机械设计书表7.6可得
查表2.8选用许用安全系数，因此
单个螺栓所受剪切力，即其中
带入数值得。在设计时，为提高其安全系数，设计者选用M16螺栓联接。
3.7轴承座、机架、导向柱、底座等基本构件构造设计
轴承座设计要依照轴承外经、受力大小来拟定轴承座尺度和厚度。本次课程设计中所有非原则件都是依照查阅技术原则后，独立设计。

图7、立柱底座零件图
在设计时，机械手中增长导向柱有两个重要作用；
1) 起导向作用，可以较精准定位，较少系统定位误差
2) 能承担一某些倾覆力矩，减少滚珠丝杠变形

图8、导向柱零件图

四、电气控制系统设计
4.1控制系统基本构成

本次课程设计本人在机械构造设计方面花时间较多，留给电气控制系统设计时间就相应少了，为能准时完毕题目设计规定，本人不设计复杂电气硬件控制系统，而采用外购相应模块，来组建电气控制系统，然后编写控制程序，达到目规定。
机械手控制系统涉及：计算机，PLC可编程控制器，转换器，步进电机驱动器，步进电机，开关直流电源。控制系统示意图如下

图9、控制系统示意图

4.2 电气元件选型

4.2.1可编程序控制器选取
PLC发展这样近年，技术成熟，各种型号也诸多，各个厂家生产也有一定区别，各个重点发展方向也不同，因此咱们必要依照自己设计需要，考虑如何选取。
西门子中华人民共和国业务是其亚太地区业务重要支柱，活跃在中华人民共和国信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基本设施建设和工业解决方案，咱们在本科方面学习时重要教材都是基于西门子PLC编写，因此对于西门子PLC比较熟悉。采用PLC系统与采用其他形式控制系统相比较，具备较好性价比，使用和维修以便；选用PLC主机和配备、控制功能等必要能满足被控对象各种控制规定；必要是功能较强PLC机型。同步还应当考虑将来工艺变化和扩展，在满足拟定规定外，留有一定余量；保证整个控制系统可靠。还要考虑人们对产品熟悉限度，以及编程指令易懂性。综合比较，我选用西门子S7-200 CPU224来做控制逻辑单元。S7-200系列PLC是由西门子公司推出高性能小型可编程控制器，合用于各行各业，各种场合中检测、监测及控制自动化。S7-200系列强大功能使其无论在独立运营中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因而S7-200系列具备极高性能/价格比。

S7-200 CPU224重要特点：集成14输入/10输出共24个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至232路数字量I/O 点或35路模仿量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立30kHz高速计数器，2路独立20kHz高速脉冲输出，具备PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具备PPI通讯合同、MPI通讯合同和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。可完全适应于某些复杂中小型控制系统
因而，本次课程设计中PLC可编程控制器选S7-200 CPU224。

4.2.2步进电机驱动器选取
驱动器原理
  步进电机必要有驱动器和控制器才干正常工作。驱动器作用是对控制脉冲进行环形分派、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。

图10、控制系统示意图

以两相步进电机为例，当给驱动器一种脉冲信号和一种正方向信号时，驱动器通过环形分派器和功率放大后，给电机绕组通电顺序为
，其四个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为,电机就逆时针转动。
本次所选步进电机驱动器是常州双杰电子有限公司生产，型号为SJ-380BF。

4.2.3步进电机选取与控制

在机械系统设计中，电机选型已经选好，步进电机型号为160BC380，山东开元电机厂生产反映式三相六拍步进电机。
步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移惯用电气执行元件,具备步进数可控、运营平稳、价格便宜等长处。步进电机转子位移与脉冲数成正比,因而其转速与脉冲频率成正比,而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。每一种脉冲信号可使步进电机旋转一种固定角度迈进一步,这个角度即为步距角。脉冲数量决定了旋转总角度,脉冲频率决定了旋转速度,方向信号决定了旋转方向。
步进电机工作方式与电动机构造和种类密切有关,从构造上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,惯用是三相步进电机。三相步进电机工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种。系统采用三相六拍工作方式,在三相六拍工作方式中,控制电流切换6次,磁场旋转1周,转子移动1个齿距,各相通电顺序为：A2AB2B2BC2C2CA2A。六拍工作方式时电压及电流波形如图1所示。其中细线表达磁极绕组中电流波形,可见磁极驱动电压是方波,而电流不是方波,这重要是由于步进电机每相绕组存在一定充电和放电时间。

图11、步进电机六拍工作方式时电压及电流波形
惯用步进电机分为反映式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型,不同步进电机在控制方式上基本同样。在实际应用中,反映式步进电机较惯用。步进电机直接由数字信号控制,其基本控制涉及转向控制和速度控制。步进电机换向,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范畴之内时,以免产生较大冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一种方向最后一种脉冲结束后以及下一种方向第1个脉冲前发出。在某一高速下正、反向切换实质包括了降速→换向→加速3个过程。调节送给步进电机脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。用PLC实现步进电机加减速控制,事实上就是控制发送脉冲频率。加速时,使脉冲频率增高,减速时减少。抱负加速曲线普通为指数曲线,步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律逆过程。若选定曲线比较符合步进电机升降过程运营规律,则能充分运用步进电机有效转矩,迅速响应性好,缩短了升降速时间,并可防止失步和过冲现象。
步进电机有如下特点：
1）运营角度正比于输入脉冲，便于开环运营，耗费少；
2）定位精度高，并且没有累积误差，且具备锁定转矩；
3）具备优良起动、停止、反转响应，可低速运营，直接驱动负载；

4.3电气控制电路设计
依照控制系统基本思路，运用AutoCAD二维绘图软件绘出控制系统接线图。如下图所示

图12、控制系统接线图
4.4控制程序设计
4.4.1机械手搬运流程图

4.4.2输入/输出地址分派

依照控制电路，本文中设计PLC控制搬运机械手PLC控制系统中一共用到了11个输入口，这是12个输入口有两个按钮、4手调微动开关、5个限位开关构成；5个输出口,由1个电磁阀上电磁开关和4个控制步进电机输出口构成。I/O分派如下表所示
I/O分派表
输入
输出
启动按钮
I0.0
高速脉冲输出口
Q0.0
停止按钮
I0.1
高速脉冲输出口
Q0.1
Y轴正方向微动开关
I0.2
控制电机方向口
Q0.2
Y轴负方向微动开关
I0.3
控制电机方向口
Q0.3
X轴负方向微动开关
I0.4
夹持电磁阀
Q0.4
X轴正方向微动开关
I0.5

立柱下降限位
I1.2

立柱上行限位
I1.3

手臂伸出限位
I1.4

手臂缩回限位
I1.5

夹持限位
I1.6

货品感知位
I1.7

4.4.3机械手位移控制程序

程序阐明：当按下SB1启动开关后，机械手先沿Y轴方向运动400mm,然后手臂沿X方向运动100mm，按下SB2停止开关时，机械手返回原点，即先沿X负方向运动100mm，再沿Y轴方向运动400mm。

4.4.4 搬运机械手搬运程序设计

为使机械手完毕搬运功能，作者编写了基本完整搬运程序。如下所示：

五、课程设计总结

通过本次专业课程设计使我简朴熟悉了机电产品设计流程，理解工业机械手发展前景，为毕业课程设计打下基本。
总来说，本次课程设计我是全力以赴，遇到了诸多得问题，当遇到问题时，我并没有贸然去问教师或同窗，而是静静地思考，实在解决不了再请教教师。在思考过程就是自我学习、自我提高过程。
本次专业课程设计，我收获颇多：一方面对所学知识有了更深层结识和理解，在设计过程中分别涉及到机械制图、几何公差、机械原理、材料力学、理论力学、测试技术、PLC控制技术等各学科知识，从这一点上可以看出，我前期所学知识都是在为后来工作打基本，这对我日后工作中综合应用能力提高会有有很大协助；另一方面，培养了我动手能力，和独立思考能力，在设计过程中养成严谨、认真学习态度。
最后，我要感谢崔教师给我协助，在她指引下使我少走了弯路。
由于当前所学知识有限、课程设计中时间急迫以及自己缺少设计经验，在设计过程中还存在思路不完善之处，在整个系统设计上，做还不够细致，仅仅绘制了I/O接线图及梯形图程序，在控制上也只是让机械手做了最基本动作。在诸多地方也存在诸多局限性，但愿教师批评指正。

六、参照文献
[1] 李允文.工业机械手设计.北京：机械工业出版社，1996
[2] 工业机械手图册编写组.工业机械手图册.北京：机械工业出版社，1978
[3] 张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988
[4] 陈志红 唐大放.机械设计课程上机与设计.南京：东南大学出版社，
[5] 甘永立.几何量公差与检测.上海：上海科学技术出版社，
[6] 程志红.机械设计.南京：东南大学出版社，
[7]于金主编.机电一体化系统设计及实践.北京：化学工业出版社，.
[8]张建民主编.机电一体化系统设计（第二版）.北京：高等教诲出版社，.
[9]洛阳轴承研究所编.滚动轴承产品样本.北京：机械工业出版社，.