毕业设计（论文）-分选机械手设计

重庆理工大学毕业论文 分选机械手的设计第1章 绪论1.1 研究背景我国是具有强大生产能力、制造能力的国家。从零部件生产，到整体组装；从商品外包，到产品出口；都利用了大量的社会劳动资源。但随着人民生活水平的提高，劳动力的价值也不再像以前一样廉价。2013年德国提出了工业4.0即第四次工业革命的概念，2014年，中德宣布开展工业4.0合作：智能工厂、智能生产、智能物流成为其三大主题，其中智能生产就强调了人机互动：人才与智能设备的配合。现代的生产制造中，人力的工作非常有限，对于高温、带腐蚀性、污染严重的工作环境，几乎没有人能长时间正常工作且保证工作质量。人力的工作状态会受到不同客观因素的影响，人力工作效率也不会统一。一个企业的最终目标是营利，然而使用的劳动力越多，企业的投资也越大，对于现在价格竞争剧烈的市场环境情况，企业只有优化劳动力的使用来减少生产成本。数控系统的应用是生产加工的转折点，而现在智能机械设备的应用又是一次飞跃。加上工业4.0的催动作用，传统制造加工行业开始了向着智能化的改革。机器人、机械手做为人机互动的代表，他们不受工作环境的影响，根据程序设定的固定动作，进行反复运动，作用的精度相对较高，消除了人为误差。其中机械手可以代替人力用于零部件的生产、组装，通过对其位置进行控制，保证组装的质量，因为没有疲劳的限制，提高了生产效率。在质量检测线上，普通的人力劳动，随着劳动时间的增加，工作效率将下降，在正常情况下的成批生产过程中，不合格产品数量所占比例小，单独安排人力来专门进行检查、挑选没有必要，如果将此人力安排到其他工作，使其劳动力得到充分利用。利用机械手来代替检测、挑选工作，就只需人为设定程序，调控好程序，做好检查、维护工作就可以了。本次设计的并联机械手主要用途就是用于质量检测，不合格品的挑拣。通过传送带上传感器的检查，如果检查到不合格产品，电子设备将接收到运动信号，控制器将运动指令发送出去，通过电机的转动，带动平台的运动和带动机械手的转动。当机械手到达指定位置后，再通过液压缸来控制机械手的夹紧和放松功能。从而进行不合格产品的挑拣。1.2发展历史机器人包含了多种机构，其中机械手是他的一个重要分支，机械手的工作灵活，效率高，兼备了人和机械的优点。美国在1947年和1948年分别开发出了遥控机械手和机械式的主从机械手，1958年，第一台智能化的机械手被美国联合控制公司研制出来。主要的结构是由一个回转长臂控制机械手的转动，通过示教形系统的控制，利用电磁块进行工件的抓取与放置。紧接着，该公司在第一代产品的基础上研制出了一台数控示教再现型机械手，控制系统用磁鼓作为存储装置，它的运动系统仿照的是坦克炮塔的系统，机械手的手臂用液压驱动并且可以俯仰、伸缩、回转。这也成为了不少球坐标通用机械手的发展基础。在同一时间段中，另一种机械手也被美国机械制造公司实验成功。它也是一台示教再现型机械手，通过液压驱动控制机械手中央立柱的回转、升降运动。1978年，德国生产出了一种采用关节式结构和程序控制的点焊机械手。目前，3平动自由度Delta机构是世界上最具代表性的告诉抓放并联机械手。Delta机构已经遍及包括欧洲、北美等发达国家的物流、生产、包装等各个领域。图11.3 机械手的发展现状及趋势机械手的夹紧和运动操作是机器人系统最基本的功能，在机器人技术的发展过程中，机械手成为了一个重要的研究主题，机械手的灵活性与机械手的自由度有关，机械手的自由度越大，机械手就越灵活，但是他的结构复杂程度也会增加。现在市面上一般的专用机械手都是只有23个自由度；对于6自由度的机械手，由于可以抓取空间任意位置和方位的物体，致使其结构负责，价格昂贵，只有大型的制造组装企业适合使用，比如汽车、摩托车制造行业，电子装配行业。智能化的运用在机械手机构中越来越广泛，最初的机械手主要是利用电磁阀等机构进行的人工控制，而现在PLC可编程控制器模块开始与机械人机构结合，让机械人的控制由开关转换成了程序控制，大大提高了其控制精度。现在有的机械手也开始向模块化发展，模块化拼装的机械手具有更灵活的安装体系，他的导向系统装置就直接将电路接口和油管集成在一起。机械手根据不同的应用模块，显示出不同的动作功能，模块化的发展扩大了同一个机械手的应用范围，也成为一个重要的发展方向。工业机械手很难代替人工劳动，他不能分辨纠正工作过程中的事故、障碍，想要正常工作，必须排除事故才行。在今后研究出具有感官判断力的智能机器人后，他就能让机械手的工作性能更加完善，不管是判断物体，检查工作环境，还是进行自动调节，都有着很大的发展意义。第2章 分选机械手的总体设计2.1 分选机械手的工作目的和意义对于现代化的生产制造企业，智能化的程度高低是企业综合实力的体现，机械的智能化程度越高，企业的生产制造的能力就越强。机械手在现代的生产过程中具有广泛的应用：它可以用于医疗行业精密仪器的制造，作为临床手术的辅助设备；在食品加工行业，可以进行食品的密封包装，整体打包和产品的分选工作挑选；更是制造行业产品组装的重要机构。本次设计的分选机械手，主要的任务是通过检测装置，检测出重量不合格的产品，例如矿泉水瓶未灌装，或灌装不合格。控制器接收到运动信号后，控制机械手，将到达某指定位置的不合格产品分拣出来，从而实现分选作用。本设计的意义在于机械手装置与生产线都是智能化的配合，工作效率更高，也减少了不必要的人力资源的分配。2.2 分选机械手的工作内容图2-1 机械手工作示意图将机械手调到初始位置，当传感器ST0检测到重量不合格产品的信号，机械手将快速张开准备工作。当次品到达指定位置，ST1位置传感器得到信号，传送带暂停传动，机械手开始抓取次品。等次品被抓起，传感器ST2检查到重量信号，传送带继续传送，机械手通过程序将次品放入废品箱，回到初始位置，等待下一次工作。2.3 总体设计2.3.1 分选机械手的基本参数1.本次设计分选机械手的提取最大重量为1kg，取整个运动机构的重量为15kg。2.机械手的驱动部分选择PLC驱动，手抓部分选择液压缸来控制，与齿轮类的机械控制相比，液压系统体积小，反应速度快。3.活塞杆的运动距离为29mm，手抓部分的张开和闭合最小间隙间距为1mm，机械手的初始位置暂定工作台向下为280mm，机械手竖直方向的运动范围为150390mm。4.定位精度是机械手重要参数之一，如果定位精度太低，则不能保证机械手可靠工作，综合考虑，设定其定位精度为0.5mm1mm。5.机械手的运动速度，直接影响机械手的工作效率和稳定，如果速度过慢，不能达到机械手的正常功能，如果机械手的速度过快，将增大负载并影响平稳性。最大移动速度10m/min。2.3.2 机械手材料的选择机械手各部分结构的材料应根据手臂的不能功能状态来确定，在满足机械手的设计要求下，保证材料的充分利用，考虑制造运动部件的轻型材料；手臂在运动过程中，会产生震动，这会影响机械手的运动精度；另外机械手的部分零件由电机控制，要考虑它的可控性。所以在选择材料的时候要综合考虑刚度、强度、重量、抗震性等因素。以下是机械手的常用的几种材料：合金钢、碳素结构钢等高强度刚：由于合金钢的强度好、弹性模量E大、抗变形能力强，所以应用广泛，是常用的结构材料。轻合金材料，如铝合金：重量轻，但是弹性模量小。陶瓷：虽然有日本公司已经在小型告诉机器人的手部结果上采用的陶瓷材料，但是陶瓷的脆性大，加工难度在，不能直接和金属部件连接，所以暂时不考虑。根据本次设计，机械手的负载并不是很大，所以材料不需要承受很大的负载。也不需要较高的弹性模量，考虑到材料的加工性能，机械手的工作状态，选择铝合金作为机械手的主要材料，对于主要的施力部件（主动臂）采用合金钢。 2.3.3 分选机械手的结构确定通过网上查阅资料得知，整体框架有直线式和平面式，直线式占用面积少、活动范围小、刚度差，但是精度较高；平面式则是工作范围大、刚度较高、灵活性好，但精度不高。根据分选机械手的工作内容可知，机械手的工作区域面积不大，只在水平面和竖直面运动，确定机械手为平面2自由度的机械手，且它工作内容不复杂，由于本次设计是专门对产品是否合格进行分拣，专用化的程度高，考虑到实用性和经济性，选择直线的结构形式。2.3.4机械手的立柱设计和位置调节 考虑到整个工作台的位置调节，机械手的支撑立柱选择两个部分的空心圆柱进行装合，圆柱钻有等距离的通孔，用于高度调节，底座通过螺纹连接与底面固定，支撑平台焊接在部分上方。由于机械手的立柱是安装于工作地面，机械手的移动平面是水平面，要保证机械手的工作精度，则先应保证机械手的位置精度，在设计过程中，机械手的立柱考虑设计为两个部分，部分与顶部托盘连接，部分与上部连接，每个部分都有等间距的定位孔，机械手的整体高度调节就通过长螺栓穿过定位孔来调节，由于一根螺栓不能保证立柱的同轴度，所以用两跟螺栓同时配合。在立柱底面安装微 图 2-2 调螺钉，通过微调螺钉调节立柱的垂直度，从而调节导轨与水平面的平行度。微调螺钉的调动距离为最大8mm，立柱的高度调节主要通过中间部分的长螺栓调节，调节间距为2mm，即相邻两个孔的间距。2.3.5 机械手的移动分析机械手的移动位置为水平方向，和竖直方向，水平方向上的移动利用丝杆带动，由于运动机构有一定的重量，在移动导轨上添加导杆作为辅助支撑杆，并附带导向的作用如图。 图2-3 在工作台下部还配合有导轨平面，作用与导杆作用相同，但是如果整个部分只用导杆来支撑，工作状态下，产生的震动可能影响控制机构的不稳定，所以还是选择导轨来稳定整个机构；并且导轨平面内打有穿孔，如图2-4，作用是用于通过液压管线，防止与手臂发生干扰。 图2-4竖直方向的移动：分选机械手竖直方向的运动是机械手主动臂的转动来实现：理论上主动臂的转动位置极限是090；实际上转动的角度最好不到达极限位置，所以转动角度为1080。2.4 总体结构图3 分选机械手的零部件的设计3.1机械手手抓部分的设计与校核计算3.1.1 手抓部分的结构分析1.机械手的手抓部分通过手臂联结的托盘固定，考虑到手抓更换的灵活性，方便性，将手抓单独组装成一部分，其结构如下图（图3-1）所示整个手抓部分可拆卸，通过连接螺栓与托盘相连，可以根据抓取产品的要求在允许范围类跟换手抓和整个手部结构。图3-1为液压缸的活塞杆，他的伸缩运动控制机械手的张合：活塞杆的运动距离为29mm，手抓部分的张开和闭合最小间隙间距为24mm为支承杆，它是焊接在动平台上，作用是用于支持手抓的转动部分。为机械手手抓的转动杆，为夹持部位带动干，通过活塞杆带动，再带动的转动，达到控制手抓张合的作用。为抓取部分，抓取部分的位置必须保证在闭合状态情况下，此部件保持水平。因为抓取的产品存在有台阶或者无台阶如下图（图3-2 ），若抓取的产品有 A B图3-2顶端台阶类如图3-2 B，台阶就给手抓一个支持力，不用考虑是否有足够的力克服摩擦抓取产品；如果产品是如图3-2 A，就因考虑摩擦系数，如果抓取力不能满足抓取条件，则因在抓取部分增加辅助配件来增大摩擦，例如配上带齿的橡胶套。 2.由于图3-2中的草图为理想化的草图，实际生产中，灌装后的矿泉水瓶已经密封，且若抓取不合格产品时，手抓抓取的部位为瓶盖部位，手抓的抓取力的大小由液压缸控制，若抓取力不够还需添加橡胶套增大摩擦。3.1.2 工件的受力分析夹取产品的最大重量为2.5kg，当工件被夹紧后，工作时的受力最大，设静摩擦因素=0.2。G为工件的重力，G=Mg=25N静摩擦力F=2F1=25N夹紧力F1=25N计算夹紧力时必须考虑到安全系数，K=K1K2K3上式中：K1是基本安全系数，取1.5；K2是运动冲击系数，取1.1；K3误差系数，取1.3。所以F=F1K=1.5X1.1X1.3X25=54N3.1.3 手抓部分的强度校核对于带动杆，杆厚2mm，长44mm材料许用弯曲正应力=360Mpa，设拉力F=80N，槽口处的厚度为2mm，宽度为1.5mm对槽口中间位置A点取矩Ma=0X1=4mm，X2=40mm F*x2-F*x1=0解得F=800N应力集中处求弯矩：Mmax=F*X2解得Mmax=32(N.m) 矩形的抗弯截面系数： Wz=bh3解得Wz=1.68x10-5应力集中点的应力计算：=32（1.68x10-5）=1.9Mpa1.9Mpa160Mpa强度满足要求. 3.1.4 连接螺纹校核 由于螺母的规格小，选择强度性能好的合金钢作为材料，暂选30CrMo 螺母受到的轴向压力F=30N，内螺纹的大径D=4mm， 螺纹工作圈数Z=hp=5 螺纹牙的根部宽度b=0.65P=0.455mm 合金钢的许用应力=142Mpa 剪切强度 =FDbz=303.140.0040.0004555=1.05Mpa 螺纹牙受到的弯曲力臂l=D-D12=0.39mm 弯曲极限b=780Mpa弯曲强度b=6FlDb2z=540Mpa，符合强度要求3.1.5 销轴的强度校核M=32N.m弯曲极限b=225Mpa抗弯强度w=MW抗弯截面系数W=d332w=20.7 Mpab=225Mpa 3.2 传动轴的设计与校核计算3.2.1 传动部位的连接传动部分各个零部件间的配合如图3-3 所示：图3-3 传动部位的零件图主动臂与电机间的传动轴通过平键来连接，在轴承与传动轴、支撑板的定位上，一段用端圈来代替轴承端盖，另一端通过支撑板的凸台来定位，螺母与垫圈将几个部件与传动轴配合在一起，保证传动的稳定性。3.2.2 传动轴的设计传动轴的结构设计为阶梯轴，它与支撑板一起限制轴承和传动轴自身的位置；连接键为GB/T 1096A型圆头平键：4x4x10 （机械制图附表）所以传动轴上的键槽大小为b=4，h=2。联轴器相连接端的r=6，含键槽端的半径r=8，材料为Q235。图3-4 传动轴3.2.3 传动轴的强度校核图3-5 根据图3-5可知轴的许用弯曲应力=40Mpa 强度极限b=400Mpa 取材料系数C=120 传动轴带键槽部分的直径 d=C3Pn=11.3mm 由于带有一个键槽所以D=（1+5%）d13.8mm 取D=16mm 轴的外力偶矩M=9550Pn=95500.43000=1.27N.m 由截面法可得 T=M=1.27N.m 轴的抗扭界面系数 Wp=d316=0.80310-6 m3 最大切应力max=TWp=1.58Mpa 同理轴的小端直径 d=10mm 外力偶矩M=9550 Pn=95500.43000=1.27N.m 由截面法可得 T=M=1.27N.m 轴的抗扭界面系数 Wp=d316=0.19610-6 m3 最大切应力max=TWp=0.154Mpa 轴的应力满足要求，都在许用弯曲应力=59Mpa范围内。3.2.4 连接螺纹的校核 螺母的材料强度低于连接轴的材料强度，所以只需校核螺母螺纹牙的强度。 螺母受到的轴向压力F=100N，内螺纹的大径D=16mm， 螺纹工作圈数Z=7 螺纹牙的根部宽度b=0.65P=1.3mm 碳钢的许用应力=40Mpa 剪切强度 =FDbz=1003.140.0160.00137=0.219Mpa 螺纹牙受到的弯曲力臂l=D-D12=1.1mm 弯曲极限b=225Mpa 弯曲强度b=6FlDb2z=0.012Mpa，符合强度要求3.3 主动臂的设计与校核计算3.3.1 主动臂的结构设计1. 结构分析该分选机械手的主动臂为主要的施力和受力结构，在选材上应选择刚度较大的材料如钢材，防止在工作过程中发生断裂。由于机械手臂的转动是通过电机带动，手臂与传动零件的装配选择通过键与键槽来装配且采用过渡配合。考虑到主动臂自身材料的重量与结构的工艺性，在设计过程中，应有减重设计。初选主动臂的结构为圆柱型或者矩形，但由于圆柱型的主动臂与工作台间的间隙距离多于矩形的主动臂，并且，圆柱形的机械手臂材料用量更多，结构笨重，对于悬挂的主动臂，重量也是一个重要因素，所以，经综合考虑选择结构为矩形结构更合理。2. 结构设计图3-6主动臂整体结构主动臂的主要结构形式如图3-6，其中主身平板结构的长度180mm，厚6mm，减重槽的长度为125mm。主动臂一端A是带键槽的轴孔，与传动机构连；另一端是通过焊接的方式将其与主动臂焊接在一起的连接快。3.3.2 主动臂的校核计算通过分析可以得知主动臂在工作状态处于水平方向的时候，所受到的弯曲应力最大，当手臂越往下转动，拉伸剪切应力开始增大，整个过程中间部分的受力是最大的。板材的最小横截面宽为5mm，高为6mm材料许用弯曲正应力=360Mpa，设拉力F=150N对于A端取矩：Ma=0 F*x-Fb*x=0解得Fb=150N应力集中处求弯矩：Mmax=Fb*x解得Mmax=13.5(N.m) 矩形的抗弯截面系数： Wz=bh3解得Wz=0.18x10-5应力集中点的应力计算：=13.5（0.18x10-5）=7.5Mpa7.5Mpa160Mpa强度满足要求。3.3.3 销轴的强度校核M=13.5N.m，d=4mm弯曲极限b=225Mpa抗弯强度w=MW抗弯截面系数W=d332w=8.59 Mpab=225Mpa3.4 从动臂的设计与校核计算3.4.1 从动臂的结构设计从动臂的结构方式也有两种选择，一种是长板类型，另一种是圆柱类型，由于从动臂是作为传力结构，为了和主动臂更好的连接且考虑到从动臂要与动平台相连接，所以将其设计为双圆柱型。在两跟细圆柱间靠近端部位置焊接支撑块，起到支承固定的作用如图3-7。图3-7 从动臂结构图3.4.2 从动臂的强度校核 板材的最小横截面宽为1mm，高为3mm， 材料许用弯曲正应力=360Mpa设拉力F=150N，X1=4mm，X2=9mm对于A端取矩：Ma=0 F*X1-F*X2=0解得F=67N应力集中处求弯矩：Mmax=F*X1解得Mmax=0.26(N.m) 矩形的抗弯截面系数： Wz=bh3解得Wz=0.135x10-5应力集中点的应力计算：=67（0.135x10-5）=49.6Mpa49.6Mpa160Mpa强度满足要求。3.5 滚珠丝杆的校核1.丝杆的选择 设丝杆有效行程 900mm摩擦系数 =0.1最大工作速度 Vmax=10（m/min）丝杆工作寿命为 Lh=5x365x24=43800h电机的最高转速 nmax=5000（r/min）工作台和机械手的总质量 M=20 kg 电机与丝杆的传动比 i=1摩擦阻力 Fw=Mg=0.1159.8=14.7N导程计算 p=Vmaxnmaxi=2mm夹持物体时轴向载荷 F1=（M+m）g+FwK=204.82NK=KFKHKA根据图3-8 确定精度等级为C3.图3-8查机电一体化设计基础表3.1表3.2表3.3；取KF=1.1，KH=1.0，KA=1.0表3.1 载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和震动运转KF11.21.21.51.52.5表3.2 硬度系数滚道实际硬度5855504540KH1.01.111.562.43.85表3.3 精度等级精度等级C、DE、FGHKA1.01.11.251.43额定都载荷计算Ca=F13nmLh1.67104=483N导程P=2，滚珠丝杆的直径，选择型号BSX0802-100-240/1，参数如图3-9图3-9根据参数表可知：额定动负载C=650N，额定静负载Co=1600N查机械设计手册知与联轴器相连端直径，精度等级选3级。2. 丝杆稳定动载荷的校核当量载荷fmax=204.82N载荷系数fw=1.3精度等级fa=1可靠性系数fc=0.44丝杆的额定动载荷Ca=L13 fwFmax 100fafc 带入数据求得Ca=213N，CaCa，满足要求3.丝杆强度校核 丝杆材料45钢的许用应力=65Mpa由公式=4Fmaxd2，Fmax=205N，丝杆螺纹底径d=6mm代入的=7.2Mpa=65Mpa，符合要求。3.6 联轴器的校核联轴器的最大扭矩计算 Tca=KATKA 为工作情况系数取KA=1.5，选择数值参考图3-10电机功率0.4KW电机最大转速5000r/min名义转矩 T=9550Pn=0.764N.m Tca=KAT=1.5 X 0.764=1.146N.m由于双膜片联轴器的扭矩刚性高，能准确控制轴的旋转，可进行高精度的控制，抗疲劳性好，所以选择双膜片联轴器。图3-10图3-11根据图3-11，选择联轴器的型号为SYM4B-D26，丝杆端轴径d1=8mm，电机轴端的轴径d2=10mm。3.7 轴承的校核1.丝杆的直径为8mm，选择NTN608深沟球轴承，608轴承的基本参数如表3.4表3.4轴承的内径（d）8mm轴承的外径（D）22mm轴承的厚度（B）7mm额定动载荷，径向（Cr）3350N 额定静载荷，径向（Cro）1400N由于机械手的运动能够为间歇性运动，轴承的预期使用寿命：10000h设Fr=220N，Fa=25N，暂定FaCr=0.014，e=0.19因为FaFr=0.11e根据表3.5轴承的当量动载荷的X,Y值表得到X=1，Y=0表3.5 当量动载荷的X,Y值FaCroeX（FaFre）Y（FaFre）0.0140.19100.0280.2210 P=XFr+YFa=（1 X220 + 0 X 20）=220N即轴承在径向载荷Fr=220N，轴向载荷Fa=20N作用下的使用寿命，相当于在纯径向载荷为220N作用下的使用寿命。 径向基本额定动载荷 Cr=fpPft（60n106Lh）13根据表3.6，表3.7取载荷系数fp=1.1，由于温度不高ft=1表3.6 温度系数ft轴承工作温度100120150200250300温度系数ft10.950.900.800.700.60表3.7 载荷系数fp载荷性质无冲击或轻微冲击中等冲击强烈冲击fp1.01.21.21.81.83.0Cr=1.1x2201（60x3000106Lh）13=2942N选择轴承608的Cr=3300N2942N；Cro=1440NFaCr=0.017，与原值接近，所以适用。2.传动轴的直径17m，选择NTN6003深沟球轴承，6003轴承的基本参数如表3.8表3.8轴承的内径（d）17mm轴承的外径（D）35mm轴承的厚度（B）10mm额定动载荷，径向（Cr）6800N 额定静载荷，径向（Cro）3350N由于机械手的运动能够为间歇性运动，轴承的预期使用寿命：10000h设Fr=100N，Fa=15N，暂定FaCr=0.014，e=0.19因为FaFr=0.15e根据表3.5轴承的当量动载荷的X,Y值表得到X=1，Y=0P=XFr+YFa=（1 X100 + 0 X 15）=100N即轴承在径向载荷Fr=100N，轴向载荷Fa=15N作用下的使用寿命，相当于在纯径向载荷为100N作用下的使用寿命。 径向基本额定动载荷 Cr=fpPft（60n106Lh）13根据表3.6，表3.7取载荷系数fp=1.1，由于温度不高ft=1Cr=1.1x1001（60x3000106Lh）13=1338N选择轴承6003的Cr=6800N1338N；Cro=3350NFaCr=0.017，与原值接近，所以适用。4 驱动部件的选型4.1 传感器的选型对于不合格产品是否到达机械手的抓取位置的检测，选用光电开关来进行检测，E3F3光电传感器的型号参数如图4-1图4-1表4.1类型不作用输出电平作用输出电平NPN,常开低电平高电平NPN,常闭高电平低电平PNP,常开高电平低电平PNP,常闭低电平高电平由于检测距离小于0.3M，因此选择的光电传感器型号为E3F3-D17对于产品的重量检查选择称重传感器作为检测元件，它将传送带上检测出的质量信号转变为电信号，选择型号德国tecsis F1817,量程选择5kg，它的尺寸参数如图4-2，技术参数如图4-3.图4-2 尺寸参数图4-3 技术参数4.2 电机的选型在本次并联机械手的设计中需要电机1，2来控制机械手两个主动臂的旋转运动，还需要电机3来带动滚珠丝杆的转动从而控制工作台的水平移动。a)对于带动手臂转动的电机1、2传动轴的转矩T=Fr手臂、手抓部分和抓取产品的最大负载12.5kg转矩T=Fr=12.5 X 9.8 X 0.008=0.98N.m选择步进电机型号DM5676C，步距角为1.8额定转矩1.0N.m适用驱动器DMD402A b)对于带动丝杆运动的电机3丝杆螺距p=4mm连接丝杆的电机： n额=3000r/min脉冲当量p=5mm，v=np=15m/min丝杆的转动惯量：J1=d4l32 负载的转动惯量：J2=M(P2)2 为材料密度7.8103kg/m3d为传动件的等效直径8mml为传动件丝杆轴向长度700mm丝杆质量1kg，负载M=30kg经计算J1=0.019X10-4（kg.m2） J2=0.191X10-4（kg.m2）换算到电机的负载惯量J=J1+J2R2=0.210X10-4丝杆的负载转矩：TL=9.8MP2RP为滚珠丝杆的螺距摩擦系数0.2传动系数的效率0.91/R减速比为1M为工作台的重量定为20KG。经计算TL=0.068（N.M）初选富士伺服电机型号为GYS401DC-T2A额定功率：0.4（kw）额定转矩：1.27（N.M）惯性矩： 0.246X10-4 额定转速：3000（r/min）允许径向载荷：325（N）允许轴向载荷：64（N）该伺服电机配合伺服放大器使用，将输入信号和反馈信号综合后加以放大，根据信号的极性不同，控制电机的正反转，所以和此伺服电机相配合的伺服放大器的型号为RYC401S3-VVT2， 伺服电机与伺服放大器的型号对应表如图。图4-4 伺服电机与伺服放大器的型号对应表4.4 PLC的选型4.4.1 PLC的选型PLC的种类繁多，但其组成结构和基本原理都大致相同，一般情况下根据自己的端口需求选择PLC，PLC的输入端口主要有：启动，停止，手动/自动选择，丝杆进，丝杆退，左臂顺转，左臂逆转，右臂顺转，右臂逆转，传送带启动，传送带停止，以及ST0-ST2三个传感器接口。输出端口Y0,Y1和Y2,Y3分别控制2个手臂带动电机，Y4,Y5控制丝杆电机，Y6-Y8三个接口连接中间线圈控制液压缸1YA-3YA的控制。不同类型的PLC参数有所不同：PLC的输入/输出点数类型有10/6，14/10，16/14，24/16等；数字量的输入端/公共端有10/1，14/1，16/1，24/1；数字量的输出端/公共端有6/3，10/3，14/4，16/4；数字量的输出类型分为继电器和晶体管；PLC是否有脉冲输出等。有的PLC还带有扩展模块，目的是为了增加主模块的I/O点数，或实现专用功能的扩展部件其部分参数如下表（表4.2）：表4.2 PLC型号参数表型号输入/输出点数数字量的输出类型数字量的输入端/公共端数字量的输出端/公共端脉冲输出EC10-1006BRA10/6继电器10/16/3无EC10-1410BRA14/10继电器14/110/3无EC10-1614BRA16/14继电器16/114/4无EC10-1614BTA16/14晶体管16/114/4有EC10-2416BRA24/16继电器24/116/4无EC10-2416BTA24/16晶体管24/116/4有本次选择PLC型号为 EC10-2416BTA，型号电源电压中断/脉冲输入脉冲输出EC10-2416BTA85264有有其特点是小机型、高配置、大容量、高速度，内置高速处理：6路高速脉冲输出，最大50KHZ；2路100KHZ高速脉冲输出，程序容量达到12k，基本指令只需0.3uS，可扩展4个模块，主模块24个输入口/16个输出口，其中PLC工作电压100-240V，输出频率100khz， PLC市场价格 1320RMB4.4.2 电路连线端口分配伺服放大器的端口如右图：CN1为输入、输出信号/脉冲命令，所包含的电路图中的连接端口如表4.3表4.3PPI集电极开路电源输入*CA输入脉冲串 *CA,*CB连接为集电极开路输入*CBP24指令序列输入输出信号CONT1输入指令控制序列信号（运行）M24输出用电源CN2为连接伺服电机的编码器，所包含的电路图中的连接端口如表4.4表4.4P5编码器电源M5电源接地+SIG信号线-SIG信号线 步进电机驱动器端口如下：Pul：脉冲信号 Dir：方向信号DC：电源端口 A+/A-：电机A相B+/B-：电机B相4.5 液压缸的计算4.5.1 液压缸的计算液压驱动具有结构紧凑，重量轻，由于液压油有润滑的作用，可延长元件的使用寿命；液压元件的适用范围广，响应速度快，其力矩惯量也比较大，定位精度高，位置误差小等特点。此次设计液压缸的作用用于控制机械手手抓部分的张合，即当活塞杆伸长，带动机械手张开，活塞杆缩进，机械手闭合。所以液压回来只需1组回路就能达到效果。液压回路如下图（图4-5）图4-5 液压回路图 无杆腔与有杆腔的有效面积A1、A2，推杆直径d，腔直径D且满足D=2d取背向压为0.5Mpa，手抓带动部件的静摩擦s=0.2，液压缸机械效率 =0.9手抓夹取时的最大质量为15kg，工作压力为3x106Mpa，背压为0.8 x106Mpa，回位速度V1=4.5m/min，工作速度V2=1m/min。 F=pA F为负载，p为作用在活塞上的有效压力，A液压缸的有效工作面积，对无杆腔A=D24，对有杆腔A=(D2-d2)4。经计算A=5000.92.8106=1.98cm2，液压缸内径D=A4 =17mm，根据（参数表GB/T2348-1993）选择内径D=20mm，推杆直径d=8mm，实际A1=D24=314mm2，A2=d24=50.24mm2，A=A1-A2=263.76mm2。液压缸夹紧时的工作压力：P=FA=1.89Mpa快速运动时的流量：q=A1V1，q=1.41（L/min）工作时的流量： q=AV2， q=0.263（L/min） 液压泵最高工作压力计算，最高压力出现在工作阶段，p=1.89Mpa，进油路压力损失P=0.3MpaPp=1.89+0.3=2.19Mpa液压缸流量计算 以快速运动流量q=1.41L/min计算 泄漏系数k=1.3 qpqv=kqlmax=1.3x1.41=1.833(L/min)液压泵电机的拖动功率 Pw=pq60=0.069kw液压系统的选择： 液压马达：BMM50定量叶片泵：通过流量1.8（L/min），额定流量2.5（L/min），额定压力6.3N 选择型号 YB-2 溢流阀：通过流量1.8（L/min）,额定流量63（L/min），额定压力6.3N选择型号 YF3-10B 节流阀: 选择型号L21W 两位三通阀：通过流量1.8（L/min）,额定流量10（L/min）,额定压力6.3N选择型号 23D-10B 三位四通阀：额定流量6（L/min），额定压力16N，选择型号 34DF3-E4B4.5.3 液压回路得电顺序表1YA2YA手抓夹紧-+手抓松开+-保持状态-5结 论通过本次对分选机械手的设计，对整个机械设计有了总体的认识。机械产品设计的最终结果，不是凭空就有的，比如分选机械手的设计：要根据工作的内容，工作的性质来首先理出整体的思路，如设备的总体尺寸估计、机械手的结构形式预定；然后进行机械手结构的绘制和运动轨迹分析，在制图过程中则开始对机械手的设计进行优化，保证机构在运动过程中，不会碰撞干涉，且尽可能保证设计的规范合理；最后完成驱动部件等设备的选型。在做设计之前，单纯的认为机械手只有代立式的回转摇臂机械手，且机械手与机器人是不同的机构，结果经过最初的资料查询，才明白机械手是机器人的一种类型，并且机械手的种类也不止回转摇臂式一种，工作内容多种多样，例如此次设计的直线式的分选机械手。毕业设计的过程比起以往学习的课程更加独立，既让我对以前的专业知识进行了复习，又提高了自己解决问题的能力，对自己今后的工作很大帮助。致 谢毕业设计接近尾声，在此感谢指导老师张晓宇老师的悉心指导，向指导老师致以崇高的谢意，感谢他在我的设计过程中给予的热情的帮助和细心的指导。他工作态度认真负责，对每个人都很用心，认真勤勉的工作做风令我敬佩，也值得我们学习。同时，感谢各位老师在百忙之中抽出时间评阅论文和参加答辩，向你们付出的辛劳表示深切的谢意。最后，本次设计能够顺利完成，也归功于大学四年间老师辛勤传播的知识，然我在设计过程中得以运用，正是由于他们的不辞辛劳，倾心传授才使我的毕业设计工作得以顺利完成，在此向全体老师表示由衷的感谢。在大学期间，在学校和各位老师孜孜不倦的教诲和无微不至的关怀下，我拥有了更加成熟的思想和豁达的心胸，也学到了可以独立于社会的一技之长和永不停息的终身学习理念。在此，再次对感谢各位指导、关心和帮助过我的老师、领导及同学，谢谢你们！参考文献1 机械设计手册编委会编.机械设计手册.2007年 机械工业出版社.2 杨黎明等.机电一体化系统设计手册.1997年 国防工业出版社.3 徐灏等.机械设计手册( 第5卷).2000年 机械工业出版社.4 高荣慧等.工业机械手设计.2014年 合肥工业大学出版社.5 王建明等.自动线与工业机械手技术.2009年 天津大学出版社.6 董慧颖.机器人原理与技术.2014年 清华大学出版社.7 滕宏春等.工业机器人与机械手.2015年 电子工艺出版社.8 徐冲.工业自动化设备安装与调试.2015年 天津大学出版社.9 王孙安.机械电子工程原理.2010年 机械工业出版社.10 王萍等.机械制图.2012年 电子工业出版社.11 杨可桢.机械设计基础.2006年 高等教育出版社.12 熬荣庆.伺服系统.2006年 航空工业出版社32