机
械
专
业
课
程
设
计
指导老师：
设计者：学号：专业班级：设计题目：搬运机械手完成时间：2011年07 月02日
目录
一、设计任务 (1)
1.1 设计任务介绍 (1)
1.1.1 课程设计的目的. (1)
1.1.2 课程设计的容. (1)
1.1.3 课程设计的要求. (1)
1.1.4 课程设计的具体任务. (2)
1.1.5 研究机械手的意义. (2)
1.2 设计任务明细 (3)
1.2.1 总体方案的设计. (3)
1.2.2 机械系统的设计 (3)
二、总体方案设计 (3)
2.1 驱动系统 (3)
2.2 执行 (4)
2.3 控制系统 (4)
3.1 机械传动装置的组成及原理 (5)
机械手的机械传动装置示意图如下. (5)
3.2 滚珠丝杠简介与特点 (5)
3.3 滚珠丝杠的设计及选型 (6)
3.3.1 螺旋类型及种类. (6)
3.3.2 初始条件 (6)
3.3.3. 滚珠丝杠副的组成及主要尺寸. (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 联轴器的选择. (9)
3.5 键的选择与校核 (10)
3.5 轴承的选型与校核 (10)
3.5.1 轴承的选型. (10)
3.5.2 轴承的校核. (10)
3.6 主要联接部位螺栓的校核 (12)
3.7 轴承座、机架、导向柱、底座等基本构件的结构设计 (13)
四、电气控制系统设计 (13)
4.1 控制系统的基本组成 (13)
4.2 电气元件的选型 (14)
4.2.1 可编程序控制器的选择 (14)
4.2.2 步进电机驱动器的选择 (14)
4.2.3 步进电机选择与控制 (15)
4.3 电气控制电路的设计 (16)
4.4 控制程序的设计 (17)
4.4.1 机械手搬运流程图 (17)
4.4.2 输入/ 输出地址分配 (17)
4.4.3 机械手位移控制程序 (18)
4.4.4 搬运机械手搬运程序设计. (21)
五、课程设计总结 (28)
六、参考文献 (29)
一、设计任务
1.1设计任务介绍
1.1.1课程设计的目的
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的一个重要环节，专业课程设计时建立的专业基础课程和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：
1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统产品的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。
2、培养学生搜索、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍一集编写技术文件的能力、提高计算、绘图等基本能力。
3、培养学生掌握机电产品设计的一半程序和方法，进行工程师基本素质的训练。
4、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
1.1.2课程设计的容
专业课程设计容为机电控制系统（典型机电产品）设计，其容包括机械传动和其电气控制系统设计，基本容如下：
1、总体方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析材料的
基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案。针对具体的原理方案进行总体设计，给出机电系统的工作示意图一。
2、机械传动系统的设计：通过对动力和传动参数的选择计算，设计机械传动系统，完成机械传动系统装配图一。
3、电气控制系统设计：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图一。
1.1.3课程设计的要求
课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘的设计图纸上，量化
要求如下：
1、每位同学采用不同方案独立完成；
2、每位同学独立完成课程设计说明书一份，A4纸30页左右，计算机打印并提交电子稿；
3、每位同学应完成设计图纸不少于三，计算机绘图并提交电子稿。
1.1.4课程设计的具体任务
1、题目：直角坐标系搬运机械手
2、方案选择：
电机驱动方式：步进电机
机械传动方式：螺旋丝杠
电气控制方式：PLC控制
功能控制要求：位置控制，速度控制
3、主要设计参数：
移动负载质量：100kg
工作行程：第一段行程400mm第二段行程100mm
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研究机械手的意义
随着现代工业技术的不断发展，工业自动化技术也越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能提出了更高的要求，同时操作工人的
工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作容也要求理想化和简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免
一些人不能接触的物质对人体造成伤害，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。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。
综上所述，本次专业课程设计本人选择了设计直角坐标系搬运机械手，为明年的毕业设计打下基础。由于时间仓促，本人仅设计了机械手的立柱、手臂，和控制部分。
1.2设计任务明细
1.2.1总体方案的设计
通过比较气压、液压、以及机械传动机械手的优缺点，根据课程设计题目要求，最终选择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轴的直线运动。
1.2.2机械系统的设计
1）传动的设计与选型
2）联轴器选型，键的校核
3）轴承的选型与校核
4）主要连接部位螺栓的受力分析与校核
5）轴承座，机架，导向柱，底座等基本构件的结构设计
3、电气控制系统的设计
1）电机的选型
2）步进电机驱动模块的选型
3）P LC接线原理图设计
二、总体方案设计
一台完整的机电设备主要包括动力源、传动装置、执行和控制系统。因此，在设计机械手时应分部分别设计。
机械手主要由驱动（动力源和传动装置）、执行和控制系统构成。各部分的关系如下图所示
2.1驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的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，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm围。目前常用的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单的场合。
结合专业课程设计的要求，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，在短时间不可能取得成果，因此本人选择电力传
动和机械传动相结合。
2.2执行
机械手的执行包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。
1）手部
即直接与工件接触的部分。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指（或手爪）和传力所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。而传力则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力型式较多，常用的有：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
是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（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的回转三个动作。如果有特殊要求（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
有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部的自由度。
3）手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。导向装置结构形式，常用的有：单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。
4）立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，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
机座是机械手的基础部分，机械手执行的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
本次专业课程设计，由于时间仓促，在机械手的执行方面，本人只设计了机械手的立柱、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的要求运动的系统。目前控制系统可大
体分为三类，工控机控制系统、单片机搭建的控制系统以及PLC控制系统。
课程设计中本人采用PLC控制系统，因为与其它工控产品相比，有以下优点：1）P LC控制器适应恶劣环境，抗电磁干扰能力强，能够较好适应井下环境，
系统稳定
2）编程简单、安装简便、调试方便，响应速度快结果简单、组态方便。
3）造价比较便宜，系统扩展方便。
4）维修工作量小、维护方便，且体积小、能耗低。
课程设计中的控制要求---位置控制、速度控制。本人采用步进电机进行开环控制。因为步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号就能够进行精确的位置控制和速度控制。这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器件，和速度传
感器。只需对输入指令脉冲信号计数、控制脉冲信号的频率，就能进行电机的位置控制和速度