自动换刀机械手设计.doc

题 目： 数控镗铣床换刀机械手设计 学生姓名：高源 系 别：机电系 专业年级：11维修 指导教师：周文斌老师 齐晓霞老师 2013年 12月 6日46 目录第一章绪论1第一节国内外数控机床的发展1第二章 JCS-013 数控镗铣床换刀机械手设计5第一节 设计目的5第二节 设计内容5第三节 换刀装置的组成5第四节 JCS-013数控镗铣床机械手参数8第五节JCS-013数控镗铣床机械手的组成11第三章 升降机构驱动电机15第一节 升降电机的选择15第二节 电机调速18第四章 滚珠丝杠副27第一节 工作原理及特点27第二节 滚珠丝杠副的设计计算29第五章 控制系统37第一节电气控制系统37第二节液压控制系统38第六章 CATIA 分析报告43第一节 活动手指受力分析43结 论49致 谢51参 考 文 献53摘要摘要数控机床的发展与应用，大大降低了零件的加工辅助时间，提高了生产效率。随着数控机床的普及应用，机械加工的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备。加工中心带有刀库和自动换刀装置，可以实现按照预定程序对工件进行多工序加工。本文对JCS-013数控镗铣床换刀机械手的各个组成部分、工作原理、坐标形式、驱动方式等进行了讨论。对一些主要零部件进行了选择计算。换刀机械手应当满足换刀时间短、运行平稳可靠、定位精确、体积小以及控制方便灵活等要求。带刀库的数控机床的关键在于机械手与主轴的自动换刀。本课题就是针对JCS-013数控镗铣床换刀机械手，在分析其组成部分、工作原理的基础上使用现代机械设计理论进行改进，把原来纯液压驱动改为电液混合驱动。提高了工作效率和可靠性。对机械手的活动手指使用CATIA软件进行有限元分析模，分析得出在实际静力作用下的应力情况和变形情况，得出了相应的分析报告。关键字换刀机械手JCS-013数控镗铣床机械手自动换刀 Abstract With the development of NC,the automatic tool changer system is more and more important in the modern advanced manufacture,because the ATC can shorten the cycle time of product manufacturing,improve the precision of product machining.The latest requirements of machine tool user comprise of diversification of control object,complexity of process,flexible of application and high reliability.The function of tool magazine is that stores the tool and moves the tool which will be used in the next manufacturing process to the right changeover position and robot will finish the change over tool.This article drilled the milling machine to the JCS-013 numerical control to trade the knife manipulators each constituent, the principle of work, the coordinate form, the drive type and so on to carry on the discussion. Has carried on the analysis computation to some main spare parts. trades the knife manipulator to trade the knife time to be short satisfiedly, the movement steady reliable, the localization is precise, the volume is small as well as control convenience nimble and so on requests. Has the knife storehouse numerically-controlled machine tools key to lie in the manipulator and the main axle trades the knife automatically. This topic is aims at the JCS-013 numerical control boring milling machine to trade the knife manipulator, in analyzes its constituent, in the principle of work foundation to use the modern machine design theory to make the improvement, changes the battery solution mix actuation the original pure hydraulic pressure actuation. Raised the efficiency. The match grasps the active finger uses the CATIA softwares finite element analysis module to analyze under the static function stress situation and the distortion situation. Has obtained the corresponding analysis report.Keywords ATC JCS-013 NC Tool Changer manipulator参 考 文 献第一章 绪论第一节国内外数控机床的发展随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业种起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。自动换刀系统一般由刀库、机械手合驱动装置组成。刀库的容量可大可小，其装刀数载20至180把之间。刀库的功能是储存刀具并把下一把即将要用的道具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴配置且移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机械包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高成产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减小多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。1.1 国内外数控机床的现状当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精度、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着电子、计算机技术的进步、数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中过加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而艰巨的任务。自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都是有飞速发展。1956年，日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期研制成功了“APT”的加工中心。1958年美国K&T公司研制出带ATC的加工中心。1967年出现了FMS，1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置。可实现多工序加工的机床步入了机床发展的黄金时代。中国1958年研制出第一台数控机床以来，发展过程大致可分为两大阶段。在1958至1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床的特点、发展条件缺乏认识，在人员素质、基础薄弱、配套件不过关的情况下，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏事实求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从美、日、德等引进数控先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。1.2 数控机床的发展趋势 1.2.1 高速化、高精度化、高可靠性质量、效率是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。高速化：（1）提高进给速度：采用直线滚珠式导轨等；（2）提高主轴转速：采用直线电机技术，直接将电机与主轴连接成一体后，装入主轴部件，可以在1.8秒从0加速到15000r/min。高精度化：精密化石为了适应高新技术发展的需要，随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床的加工精度的要求也越来越高。高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上。1.2.2 复合化数控机床的功能复合化得发展，以其复合加工实现了一次装夹后完成各种复杂零件的全部加工，从而减少了不床造价值的辅助时间，提高了机床的效率和加工精度，降低了生产制造成本，提高了生产的柔性。复合功能的机床近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。1.2.3 智能化智能化的内容包括在数控系统中各方面：为追求加工效率和加工质量的智能化：如自适应控制、工艺参数自动生成等；为提高驱动性能的智能化，如：前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如职能化得自动编程、智能化得人机界面等，及智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维护等。1.2.4 柔性化、集成化为适应制造自动化的发展，向FMC FMS CIMS提供基础设备，要求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量自动上、下料，自动换刀，自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能，依据用户的不同要求，可方便地灵活配置及集成。第二章 JCS-013 数控镗铣床换刀机械手设计第一节 设计目的机械手设计是机械工程自动化专业的一个重要环节，是学完专业基础以及其他技术基础课以后的一次专业课程内容的综合设计。通过设计提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力。通过这次教学环节要求达到：1）通过设计，把有关课程中所获得的理论知识在实际中综合的运用，使这些知识的到巩固和发展。2）培养学生独立整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。第二节 设计内容要求本设计能明显的体现机电一体化的设计构思。在规定的时间内完成以下工作内容：1）拟定整体方案。2）重要零部件的设计计算。3）绘制机械手回转与装、卸刀机构装配图。4）液压系设计。5）机械手活动指CATIA分析。第三节 换刀装置的组成自动换刀机械手是自动换刀装置的主要组成部分。自动换刀装置与数控卧式镗铣床相配合，在一次装夹中完成铣、镗、钻、锪、铰和攻丝等多道工序，解决中小批多品种。生产箱体零件的加工自动化问题。自动换刀装置，主要由刀库(存放刀具)，手架升降机构(找刀排)，装、卸刀机械手和手架伸缩与回转机构等组成。刀库由四排带刀套的链条组成，每排链条上有15个刀套，刀库能存放60把刀具。安装刀套的四条链条由油马达通过齿轮组带动而同步转动。找刀(刀具识别)，采用刀套编号方式。由于四排刀套链中，各排刀套的位置一一对应，因此找刀是由两部分运动来实现，即手架升降找刀排，刀链转动在一排内选刀。换刀机械手的作用是：在给定的程序指令下，配合刀库和卧式镗铣床实现所有加工工序的自动装刀和卸刀。自动换刀装置（如图2.1）。 图 2.1为了从刀库的刀套中心处取刀，并送到主机的主轴孔处将刀具插入主轴孔，或从主轴孔中将刀具拔出取下，送到刀库的相应刀套处存放起来，需要换刀机械于具有下列几个运动和动作：手架的升降运动(找刀排)；装(或卸)刀手的伸缩运动(接近刀具)；手指夹紧或松开动作；手架伸缩运动(拔、插刀) (垂直于纸面方向运动，如图中符号所示)，手架的回转运动(刀具换位)等。每个运动和动作均由具体机构而实现，现介绍如下：3.1 手架升降运动机构当接受使手架升降(找刀排)指今后，升降电机1带动滚珠丝杠转动，滑座就作升降运动，使其上的手架带动装刀手和卸刀手一同作升降运动。因刀库有四排刀排，所以滑座应上下移动3X420毫米的距离。手架上下运动到接近所选刀徘位置时，其上带的悬臂感应块(图中末示出)，使无触点行程开关发信号，控制滑座升降的电机减速，使滑座减速。当到达所选刀排所要求谁确定位时，装在减速齿轮传动轴上的感应块使无触点行程开关发信号，切断滑座升降电机电源，电磁离合器吸合，电机停转，滑座(即手架)停在所规定的位置上。导向柱除起导向作用外，还使滚珠丝杠在传动小，免受滑座及手架、装卸刀手等的重量所造成的偏重力矩的作用，使升降运动平稳可靠。滚珠丝杠和螺母间的间隙，可修磨调整垫的厚度进行调节。3.2 装、卸刀手的伸缩运动机构和手指夹紧机构装刀手和卸刀手对称配置在手架上，其结构和尺寸、运动要求完全相同，只是几个主要零件(如伸缩缸体、手部指座等)形状相反。奖(卸)刀手只有伸缩运动和手指的夹放动作。装(卸)刀手的伸缩运动由单杆活塞油缸实现。活塞油缸的活塞杆固定在手架上，当压力油从油孔进到油缸的两腔时推动缸体在燕尾形导轨上往复移动，其行程位置由装在手架上的行程开关进行检测，并采用油缸端部节流缓冲，油缸端盖与活塞瑞面相碰而定位。装刀手和卸刀手的手臂移动方向相交成45度角，其交点即是装刀手和卸刀手前伸移到终点时手指的夹紧中心，它要与刀库上的刀套中心和卧式镗铣床的主抽中心相重合，以保证能正确地装、卸刀。装(卸)刀手的手部由手指座（即伸缩缸的端盖)、固定指、活动指、刀具定向键、项销、卡销、弹簧、和挡块等组成。此手部属于一支点回转型弹簧式手部。在手臂伸缩运动装卸刀具时，手部的活动手指，应能自由地从刀柄的梯形槽上滑过，抓住刀柄后，特别是在运刀过程中，活动手指应锁住，因此手部内有锁紧机构。3.3 手架伸缩和回转运动机构手架伸缩运动能实现装、卸刀手的拔、插刀动作；手架回转运动能改变装、卸刀手的位置(即手向主轴转向刀库，或手向刀库转向主轴)。手架的伸缩是由滑座的伸缩来实现的。滑应(其上加工有油缸)安装在由滚柱组(滚柱按十字交叉位置放置)和V形滑道组成的滚动动导轨上，活塞杆固定在横梁上。当压力油从油管进入油缸左腔时，推动滑座前伸(即拔刀运动)；若压力油经管进到油缸右腔时，滑座缩间(即插刀运动)。滑座的行程位置由安装在横梁上的行程开关进行检测。为了缓和冲击，油缸采用端部节流缓冲，并靠活塞端面与油缸端盖相碰而定位。手架的回转是由安装在滑座内的回转油缸来实现。手架与转轴固联，转轴通过键与回转油缸的动片轴相联。当压力油通过油管进到回转油缸的工作腔时，推动动片轴，并带动转轴回转，手架即回转，其回转位置由行程开关进行检测，当安装在转轴上的定位块与定位螺钉相接触时而定位。第四节 JCS-013数控镗铣床机械手参数4.1 爪重抓重是机城手所能抓取或搬运物件的最大重量，它是机械手规格中的主要参数。抓重以10公斤左右的机械手为数最多。一般将抓重1公斤以下的定为微型， 1一5公斤的定为小型； 530公斤的定为中型30公斤以上的定为大型。对于搬运重量上千公斤的机械手为数不多。机械手抓重大小对其它参数如行程范围、运动速度、座标型式和缓冲装置的设计均有影响，因此，设计时必须予以重视。4.2 坐标形式按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为下列几种(1)直角座标式直角坐标的机械手，其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。这种座标型式的机械手称为直角座标式机械手。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。(2)圆控座标式圆柱坐标式的机械手，其手臀的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿x轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕z轴的回转。这种座标型式的机械手称为圆柱座标式机械手。它与直角座标式相比较，占地面积小而活动范围大结构较简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。但由于机械手结构的关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。(3)球座标式球坐标形式的机械手，其手臂的运动系由一个直线运动和两个转动所组成，即沿x轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这种座标型式的机械手称为球座标式机械手。这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其它状态。这种型式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。但结构铰复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。4)关节式关节式的机械手，其手臂的运动类似人的手臂可作几个方向的转动。它由大小两臂和立柱等所组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系统由三个回转运动所组成。它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物体并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它型式的机械手不可比拟的优点。但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定的，所以定位精度较差，另外，控制装置和机械结构比其它型式的机械手均复杂。4.3 JCS-013数控镗铣床机械手的参数表2.1 基本参数爪重自由度数坐标形式手指加持刀具直径驱动方式控制方式20Kg4圆柱坐标 100mm 电液混合数字表2.1 运动参数拔、插刀运动升降运动回转运动装，卸刀手臂伸缩运动位移155mm420mm180195mm 速度250mm/s位置检测与定位方式：滑座伸缩、手架回转和装、卸刀手手臂伸缩运动采用系行程开关进行检测，由挡块或活塞与端盖定位。手架升降运动采用无触点行程开关进行位置检测，并控制电动机“实时”关闭来定位。缓冲方式：滑座伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲；手架回转运动采用换接不通的出油口增加背压减速缓冲；手架升降运动采用无触点行程开关发信，使电动机变速或停转来实现减速缓冲。第五节JCS-013数控镗铣床机械手的组成机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统组成的，各部分关系如图1.1所示。图1.1 机械手系统5.1 执行机构执行机构由手抓、装卸刀手臂、滑座，横梁和行走机构等组成。（1）手抓 手抓是直接抓取刀具的部分。JCS-013数控镗铣床的换刀机械手的手部属于夹钳式手抓。主要由手指、传动机构、驱动装置和自锁机构组成。驱动装置为转动机构提供动力，驱动源为弹簧。图 2.3 手抓自锁机构原理图如图1.3所示，手抓有活动指1和固定指2。手抓取刀后，锁紧销3的肩部靠弹簧4卡入顶销5的孔内，限制顶销5下移，锁住活动指1，使手抓抓紧刀具。当需要松开手抓时，靠主轴套筒端面及手臂支架上的松开导板6,将锁紧销3顶进去，此时顶销5可以下移，使活动指松开。手抓加紧力越5公斤。 装卸刀手臂是一个油缸的缸体，其活塞杆固定在手架上。缸体与手指通过手指座用螺钉固连在一起。当压力油通过活塞杆内的油路通道进入活塞小面短时手臂带动手指后缩。当压力油通过活塞杆内的油路通道进入活塞大面端时，手臂带动手指向前伸。（2）滑座 滑座（图1.2所示）上加工有伸缩缸缸体，其活塞连杆通过螺栓固定在横梁上。当通入液压油时滑座可沿横梁做伸缩运动。回转油缸安装在滑座上，通过回转轴带动手架做180回转运动。（3）横梁 横梁是带动整个机械手做升降运动的部件。升降电机通过带动丝杠副转动，把旋转运动转化成整个机械手的升降运动，使机械手沿着左右两个光杠上下运动。5.2 驱动系统驱动系统主要有气动、液动、电动和机械式四种。气动式速度快，结构简单，成本低，但臂力小。液动式的臂力大，可采用液压伺服机构，可实现连续控制，在机械手中得到广泛应用。定位精度一般在-1mm1mm范围之内。JCS-013数控镗铣床机械手驱动系统包括升降电机、插拔刀行程的伸缩油缸和回转油缸。5.3 控制系统控制系统主要有点动控制和连续控制两种。是对整个机床进行控制的电气系统。JCS-013数控镗铣床的机械手采用点动控制。通过用无触点行程开关检测机械手位置的方法进行对机械手位置的控制。当机械手到达某一行程开关位置时，行程开关向主机发信号，主机根据程序向机械手驱动系统发出相应指令，控制其减速或停止。第三章 升降机构驱动电机第一节 升降电机的选择1.1 升降电机的理论分析电机拖动机构受力分析如图3.1所示： 图3.1 机械手升降电机受力分析（ M表示机械手自重，m表示爪重）当手抓接到上升找刀排的指令后，电动机带动滚珠丝杠向使手抓上升的方向转动，带动手抓上升到接近所选刀排位置时，手臂支架上的感应块，使刀库上与刀排位置相应的无触点开关发出讯号，电动机变速，手架随之减速，装在讯号盘上的定位块转到使讯号开关同时发出讯号时，电动机停转，摩擦片式离合器吸合，丝杠制动，手抓准确地停在预定的换刀位置上。手架下降找刀排过程与上升情况基本相同，只是电动机带动丝杠时旋转的方向相反。分析电机的运行过程可知，电机工作时间比较短，而停机时间比较长，属于短时工作制的电机。所以机械手升降机构的电机工作特点是：工作时温升达不到最高值，而停车时可完全冷却到周围环境温度，如图2.2所示。由于发热情况与长期连续工作方式的电机不同，所以，电动机的选择也不一样，即可选择专用短时工作的电机，也可选择连续工作制的普通电机。通过传动过程的受力分析可知，如图3.1。电机的负载为恒定负载，电机的输出功率分为两部分，一部分通过齿轮减速传递给制动器。另外一部分通过丝杠传递给手抓。忽略导向柱摩擦力引起的功率损失可用公如下公式表达：P电=P制 +P手抓 （3.1）P电为电机理论输出功率。P手抓为手抓理论输入功率。P制为制动器理论输入功率。由于制动器的输入功率相比手抓理论输入功率很小，所以可忽略不记。于是：P电=P手抓 （3.2）对于负载功率PL恒定不变的成产机械，拖动这类机械的电动机在短时运行时的负载图及温升曲线如图2.2所示。为这类工作机械选择电动机时，只需按设计手册中的计算公式算出负载所需输入功率PW，再选择一台额定功率为PNPW （3.3）的电机即可。图3.2 恒定负载短时工作的负载图及温升图1.2升降电机的选择电动机所需的输出功率为：Pn = （3.3）PW为工作机械所要求的输入功率（Kw）；为电动机至工作机的总效率。由于机械手升降机的电动机是通过间连接直接传递到工作机的，所以=1;于是：Pn=PW （3.4）工作机要求输入功率根据机械设计手册可查到计算公式：PW = （3.5）F为工作机的阻力；v为升降机构的上升速度；w为工作机的效率。由表2.2知，v=250mm/s；由表2.2和受力分析图2.1知 F=(M+m)g=(22Kg+20Kg)x10N/Kg=420N;工作机的传动机构中包括一对球轴承运动副和一个滚珠丝杠副，查机械手册可知球轴承的传动效率Q=0.99；滚珠丝杠副的传动效率G=0.850.95；选择G=0.85；则：w=QxG=0.99x0.85=0.8415；把数据带入式3.5可得工作机要求输入功率为：PW = =0.125Kw；根据式3.4电机的理论输出功率Pn=PW=0.125Kw；根据式3.3选用电机的额定功率PN0.125Kw即可。由于滚珠丝杠的导程选择为10；根据导程公式：Ph= （3.5）vmax=250mm/s；按照机械手册表12-1-14，取Ph=10；可推算出：nmax= =25r/s=1500r/min （3.6）由以上分析可选择一个功率大于0.36kW，同步转速为1500r/min的三相异步电机。按机械设计手册表17-1-35，选取型号为Y801-4的三相异步电动机。基本参数如表3.1所示。型号额定功率/（kW）同步转速/rmin-1 满载时额定电流/A 转速/rmin-1效率/%功率因数 Y801-40.5515001.5139073.0 0.76第二节 电机调速三相异步电机的调速方法有调压调速、转子电路串电阻调速、改变极对数调速和变频调速。变频调速的机械特性如图3.3所示。异步电动机的转速正比于定子电源的频率f，若连续的调节定子电源频率，即可实现连续地改变电动机的转速。图3.3 三相异步电机变频调速认为机械特性2.1 变频调速所谓变频调速，就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速刀低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器选型： 变频器选型时要确定以下几点：1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。3) 变频器与负载的匹配问题；I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。变频器控制原理图设计：1) 首先确认变频器的安装环境；I.工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为055，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。II. 环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。III.腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。IV. 振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。V. 电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。2) 变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；I.变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。II. 控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。III.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。IV. 与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。3) 变频器控制原理图；I.主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。II. 控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。4) 变频器的接地；变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。变频器控制柜设计：变频器应该安装在控制柜内部，控制柜在设计时要注意以下问题1) 散热问题：变频器的发热是由内部的损耗产生的。在变频器中各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热我们通常采用风扇散热；变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行；大功率的变频器还需要在控制柜上加风扇，控制柜的风道要设计合理，所有进风口要设置防尘网，排风通畅，避免在柜中形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积；根据变频器说明书的通风量来选择匹配的风扇，风扇安装要注意防震问题。2) 电磁干扰问题：I.变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰，而且会产生高次谐波，这种高次谐波会通过供电回路进入整个供电网络，从而影响其他仪表。如果变频器的功率很大占整个系统25%以上，需要考虑控制电源的抗干扰措施。II.当系统中有高频冲击负载如电焊机、电镀电源时，变频器本身会因为干扰而出现保护，则考虑整个系统的电源质量问题。3) 防护问题需要注意以下几点：I.防水防结露：如果变频器放在现场，需要注意变频器柜上方不的有管道法兰或其他漏点，在变频器附近不能有喷溅水流，总之现场柜体防护等级要在IP43以上。II. 防尘：所有进风口要设置防尘网阻隔絮状杂物进入，防尘网应该设计为可拆卸式，以方便清理，维护。防尘网的网格根据现场的具体情况确定，防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。III.防腐蚀性气体：在化工行业这种情况比较多见，此时可以将变频柜放在控制室中。变频器接线规范：信号线与动力线必须分开走线：使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线。距离应在30cm以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m。信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。1) 模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm2。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5-7mm左右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。2) 为了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线棒端子。变频器的运行和相关参数的设置：变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。 最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。常见故障分析：1) 过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。 2) 过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载。其可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。3) 欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。 第四章 滚珠丝杠副第一节 工作原理及特点为了减小丝杠传动副的摩擦和提高传动效率，早在本20世纪四十年代国外已采用了以滚动摩擦代替滑动摩擦的原理，即简称“滚化”原理，而发明了滚珠丝杠副这种先进的新型传动机构。所以，滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以滚珠为滚动体螺旋传动元件。对于滚珠丝杠副，其结构上最明显的特征是：构件间的可动联接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件之间利用中间元件(滚珠)来实现的。滚珠丝杠副与滚动轴承相类似，它们都是借助于滚珠来实现构件的可动连接的。1.1滚珠丝杠副的工作原理如前所地滚珠丝柱副是在丝杆和螺母之间放入适量滚珠；使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的丝杠传功。滚珠丝杠副在机械传动中的作用，同样是可以将旋转运动变为直线运动也可以将旋转运动变为直线运动。根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其传动方式也是多种多样的。滚珠丝杠副一般是由丝杠1、螺母2、滚珠(钢球)3及滚珠循环返回装置4，四个部分组成(图4.1)。（a）滚珠外循环式；(b)滚珠内循环式。图4.1滚珠丝杠副基本结构从图4.1可知，滚珠丝杠副就是指在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间，连续填满滚珠作为中间体的螺旋传动。其工作原理如下：当螺母2(或丝杠1)转动时在丝杠与螺母间布量的滚珠3依次沿螺纹滚道滚动同时滚珠3促使丝杠1(或螺母2)作直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置(返向器)4，构成一个滚珠循环通道。借助于这个返回装置，可以使滚珠沿滚道面运动后，经通道自动地返回到其工作的入口处，从而使滚珠能在螺纹滚道上继续不断地参与工作。为了消除间隙和提高传动精度及刚度，滚珠螺母常由两段组成。1.2滚珠丝杠副的传动特点由上述工作原理可知，滚珠丝杠副与滑动丝杠副比较，它以滚动摩擦代替了滑动摩擦，因此，具有以下特点。(1)摩擦损失小、传动效率高由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达90一96，约为滑动螺旋机构效率的23倍。(2)磨损小、寿命长通常，滚珠丝杠副的主要零件、如丝杠、螺母及滚珠都是经过淬火的，并有很低的表面粗糙度；而且滚动摩擦的损失很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作寿命长。(3)轴向刚度高由于滚珠丝杠副可以完全地消除传动间隙，而不致影响丝杠运动的灵活性，因而可以获得较高的轴向刚度。通常，可以通过预紧来提高铀向刚度。(4)摩擦阻力小、运动平稳由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，而且静止摩擦力极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象。(5)不能自锁、具有传动的可逆性由于滚珠丝杠副没有自锁能力，故具有传动的可逆性。当它垂直升降传动系统时必须增设自锁装置或制动装置，以防止产生逆传动。由于滚珠丝杠副具有上述优点，所以它日益广泛地应用于精密机械、机床、汽车、船舶、火炮、航空、航天和纺织等工业部门。但是，与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在如下的缺点：结构较复杂，工艺难度大，成本高。第二节 滚珠丝杠副的设计计算（1）初算导程Ph由机械设计手册表12-1-40中式（1）Ph= = = =10mm （4.1）按机械手设计手册表12-1-14，取Ph=10mm。（2）确定当量载荷Fm （4.2） 由于升降机的载荷是恒定的，所以：Fm=(M+m)g=(100+20)kg 10N/kg=1200N （4.3） (3) 确定当量转速nm 由于机械手升降机的转速基本也是恒定的，故： nm=1500r/min (4) 确定额定动载荷Cam （4.4）fw为载荷性质系数，按机械设计手册表12-1-43选择 fw=1.1；Lh为预期工作寿命，按机械设计手册表12-1-45选择Lh=20000小时fa为精度系数，按机械设计手册表12-1-41选取fa=0.8fc为可靠性系数，按机械设计手册表12-1-42选择fc=0.21。把数据带入公式（4.4）Cam=33.5kN拟采用中预紧丝杠，由表12-1-44取fe=4.5，按最大载荷计算，机械设计手册表12-1-40中式（7）可得 取Cam与Cam交大值，则Cam=15.9kN。(5)确定允许的最小螺纹底径d2m估算丝杠允许的最大轴向变形： 由机械设计手册表12-1-40中式 （8） （4.5）由机械设计手册表12-1-40中式 （9） （4.6）取两结果最小值按机械设计手册表12-1-40中式（11） （4.7）由于升降机不受径向力，所以W=0；即 F0=0 。升降机只有轴向载荷 即 可取L=1580mm。丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式Q=0.039代入机械设计手册表12-1-40式（10） （4.8）（6）确定滚珠丝杠副的规格代号内循环固定法兰式，双螺母垫片预紧G型4010-4。由表12-1-33知d0=40mm，d2=32.9mmd2m=20.0mm，Ca=34.358kNCam=33.5kN ，Coa=85.824kN，Dw=5.953mm，Rnu=486N/微米。由表12-1-33中查出螺母长为94mm，同时选定JB/T 3162推荐的固定轴端型式，d0=40mm，采用一个角接触球轴承和推力球轴承，从表12-1-26中可查出一个支承长度69mm。 （7）Dn值校验按表12-1-40中式（12） 合格。（8）确定滚珠丝杠副预紧力按机械设计手册表12-1-40中式（13） （4.9）取 FP=150N。（9）计算行程补偿值C按机械设计手册表12-1-40中式（14），取t=2.5, （4.10） 取lu=1400mm，则 （4.11）（10）计算预拉伸力Ft由表机械设计手册12-1-40中式（15） （4.12）(11) 滚珠丝杠副临界转速nc的计算按机械设计手册表12-1-40中式（16），按机械设计手册表12-1-47,f=21.9 （4.12） 则 （4.13）合格。（12）滚珠丝杠压感稳定性验算由于升降机丝杠最大轴向载荷P=200N小于丝杠之预拉伸力Ft=5276.7丝杠不会受压失稳，不用验算。按机械设计手册表12-1-40中式（19）验算抗拉强度 （4.14） 远低于钢材需用拉应力。（13）系统刚度验算及粒度选择滚珠丝杠的拉压刚度是随螺母在丝杠上的位置变化而变化的，最大值在端部,螺母至固定支承距离最大时，即处。而螺母处于两支点中部，即处时刚度最小。由机械设计手册表12-1-40中式（21） （4.15） （4.16）支承轴承的组合刚度：由轴承样本dQ=7.144,Z=17, =60等资料得RBO=670N/m。由机械设计手册表12-1-46，对两端固定并预紧的轴承Rb=2RBO=2x670=1340N/m。滚珠丝杠副滚珠和滚道的结束刚度按机械设计手册表12-1-40中式（22） （4.17）由机械设计手册表12-1-40中式（20）可得R的最大于最小值如下： （4.18） （4.19）传动系统的最小刚度（空载运转时）：空载轴向力F0为Mg=22kgx10=220N，重复定位精度即为反向差值，为10m。则： 传动系统的定位误差：任意300mm内行程变动量对半闭环系统而言 选丝杠副为3级精度V300p=12m15.7m，可用。（14）最终确定滚珠丝杠副的规定代号：G型4010-4，d0=40mm,Ph=10mm,P类3级精度等级，标记为G4010-4-3-P3。第五章 控制系统机械手的控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂上下移动、伸缩、回转及摆动、手腕上下、左右摆动和回转、手指的开闭动作，以及各个动作的时间、速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的动作按照程序来实现的。一般机械设备的控制系统，多着眼于自身运动的控制，而机械手的控制系统更注意本部与操作对象的关系，因此，对于机械手的控制系统来说，无论多么高级的系统，如果不能按要求把工件，件传送到指定的位置，都是毫无意义的。第一节 电气控制系统在机械手电气控制系统中，检测机构有着重要的作用。检测是为进行比较和判断提供依据，是操和控制的基础。机械手位置检测传感元件有：(1)模拟式 将位移址变成模拟量(电流、电压、电阻等)进行测量，这种检测元件成本较低，使用条件不严格。如行程开关、电位器、差动变压器、旋转变压器等。(2)数字式 检测元件输出数字信号，便于存储、运算和控制，其制造安装精度要求高。将位移变换为数字量的传统方法，是先将位移变换为电信号的模拟量，然后再将模拟量变换为数字量，由于这种方法受模拟式传感器和模数转换器变换精度的