噴漆機械手設計【含Creo三維及6張CAD圖帶開題報告-獨家】.zip,含Creo三維及6張CAD圖帶開題報告-獨家,噴漆,機械手,設計,Creo,三維,CAD,開題,報告,獨家 任務書 院（系） 指導教師 職稱 學生姓名 專業(yè)（班級） 學 號 設計題目 噴漆機械手設計 設 計 內 容 、 目 標 和 要 求 （設計內容目標和要求、設計進度等） 設計內容： 設計噴漆機械手，要求具備4?個運動關節(jié)；具有1個外接執(zhí)行器夾持接口，最大負重10kg；最大作業(yè)半徑1m。 1）熟悉噴漆機械手的工作原理，了解噴漆機械手的研究現狀； 2）噴漆機械手的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)方案設計； 3）噴漆機械手的機械結構設計和控制系統(tǒng)設計； 4）基于AutoCAD繪制噴漆機械手的零件圖、裝配圖和控制系統(tǒng)圖； 基于Pro/E繪制噴漆機器人的三維實體模型； 5）在以上工作的基礎上完成畢業(yè)設計論文。 6）翻譯一篇與論文相關的英文資料（5000字左右）。 目標： ?1）培養(yǎng)學生查閱文獻、分析資料、編寫報告的能力； 2）進一步培養(yǎng)學生設計、繪圖和計算機軟件應用的能力；3）培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決本專業(yè)工程實際問題的初步能力。 要求： 1）設計態(tài)度認真；2）論文結構清晰，格式規(guī)范；3）圖紙視圖完整，技術要求標注合理；4）設計時考慮經濟、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等要求。 進度安排： 1）冬季短學期及寒假，實習調研、收集資料；2）第8學期第1-4周，完成開題報告、文獻翻譯；3）第8學期第5-11周，完成結構、控制系統(tǒng)方案設計及計算； 4）第8學期第12-15周，完成圖紙及說明書；5）第8學期第16周，答辯。 指導教師簽名：嚴明霞 XXX年12月12日 基層教學單位審核 院 （系） 審 核 此表由指導教師填寫院系審核 開題報告 課題名稱 噴漆機械手 課題來源 學校 課題類型 指導教師 學生姓名 學 號 專業(yè)班級 本課題的研究現狀、研究目的及意義 一、研究現狀 （一）國內噴漆機械手的發(fā)展現狀 機械手能模仿人手臂的某些動作功能，用以固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現的工業(yè)機器人，也是最早出現的現代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，機械手能夠實現人類手臂的一系列動作，機械手是最先出現的一種先進工業(yè)，它的功能就是代替人去完成繁重的工作，代替人前往危險的環(huán)境進行作業(yè)，員工只需要在安全的操作室操作機器來完成作業(yè)。 我國第一臺噴漆機器人，1990年工業(yè)噴漆機器人PG-1。在那個年代有一臺噴漆機器人是多么的強，體現出了國人的智慧，工業(yè)發(fā)展智慧的結果，但那時候的技術還處于萌芽階段，當時的機械手只能還是沒有人工噴漆的效果好，替代不了人工。再就是由于那時候的機器手的效率和質量以及費用，都沒有人工便宜，再加上國內的勞動力廉價，導致這種機器沒有廣泛使用，研發(fā)工作也進展的緩慢。所以當時噴漆機械手的應用以及技術都相對其他工業(yè)發(fā)展較慢。 隨著時間的推移，信息的互相共享，技術的互相傳遞，慢慢的人工智能的話題就成為了現在的焦點，機械手的技術也得到了蓬勃的發(fā)展，微電子技術發(fā)展迅速，使得許多工業(yè)都向智能輕便的方向發(fā)展，回到機械手方面，這樣的國情之下，機械手的技術慢慢成熟，有許多的控制方法，例如，單片機，PLC等等，使得機械手的動作變得更加擬人化以及運動精度提升。新型的材料使得機械手臂的材質更輕，力學性能以及鑄造性能都有很大的提升。國家主張可持續(xù)綠色發(fā)展，以人為本的理念，所以機械手發(fā)展得到了高度的重視，機械手代替人們進入高危環(huán)境里進行長時間作業(yè)，體現了以人為本的理念，新型的控制系統(tǒng)使噴漆機械手的作業(yè)比人工強好幾倍，從節(jié)約噴漆料到噴漆質量上都碾壓人工?，F在人工的費用也很高，機械手顯得更經濟，更環(huán)保。符合可持續(xù)綠色發(fā)展理念。 （二）國外噴漆機械手的發(fā)展現狀 國外機械手發(fā)展比我們國內起步的要早很多，在四十年代，美國就有機械手搬運放射性的物質，總所周知放射性的物質對人體有極大的危害，那時候的國外的人就意識到要用機器去代替人工做些危險的工作，那時的操控是要人工用遙控器控制機械手運轉，不過在那時候已經很先進了。 等到了六十年代，國外研發(fā)了一種通用機器臂，他將遙控機構與伺服機構連接到了一起，使得機械手臂的運動精度得到了很大的提升，隨后電子計算機技術的發(fā)展，工業(yè)生產需求的提高，機械手技術在一些國家的到了迅速發(fā)展。 進入七十年代，機械手走向了商業(yè)化，當時世界有兩萬臺機械手投入到工業(yè)制造中，人機模式剛剛開始，工業(yè)機械手開始在生產中得到普遍應用。 進入20世紀九十年代，具有一般功能的機械手技術得到飽和，傳統(tǒng)的機械手已經不能滿足當時的形勢，許多復雜的情況需要更加智能的手臂出現，在這種背景下，智能機械手得到迅速發(fā)展，智能機械手可以根據預先設定好的程序，按照程序的指令運動，并且可以循環(huán)工作。 噴漆機械手研究的目的： 一，噴漆環(huán)境對噴漆工人身體造成不可回復的傷害，即使帶上專業(yè)的過濾保護裝置，工人的健康還是不能保證。 例如：在奧特萊斯商場對面棟梁路3號一個工廠，兩名油漆工在一個封閉的鐵箱內進行噴漆作業(yè)時，突然昏迷倒地，所幸消防官兵及時趕到將兩人救出。經醫(yī)院搶救，這兩名油漆工終于醒來，醫(yī)生診斷，兩人均為油漆中毒，目前各項生命體征回復正常，已沒有大礙。消防部門提醒：使用油漆時，要保證施工現場的良好通風，并佩戴防護用具，工作半個小時以上，最好出去透透氣。所以人工噴漆是避免不了人員傷亡。 二，噴漆技術提升有限：噴漆技術要求：1漆膜表面光滑平整，無塌陷、無暗坑、無流墜、無明顯噴涂的大點，外表沒有或者極少數的小顆粒。2、角部沒有重色即噴糊的現象，整體表面沒有色差及花色現象。3、光澤均勻一致，手感光滑等。經過這么多年的技術，人工噴漆技術已經成熟了，但是人工還是達不到精密層次，所以研究機械噴漆手是很有必要。 我國第一臺噴漆機器人，課題類型： （1）A—工程實踐型；B—理論研究型；C—科研裝置研制型；D—計算機軟件型； E—綜合應用型 （2）X—真實課題；Y—模擬課題； （1）、（2）均要填，如AY、BX等。 開題報告(1) 1990年工業(yè)噴漆機器人PG-1。 2009年7月16日，東莞市事通達機電科技有限公司對其自行研制的噴漆機械手申請了專利。 2018年中國噴涂行業(yè)發(fā)展趨勢分析：噴涂機器人將成為涂裝行業(yè)主流 噴漆機器人的優(yōu)點： 1， 柔性大，理由是它的工作范圍大。 2， 作用大，理由是提高噴漆質量和材料使用率。 3， 易于操作與維護，理由是可離線編程，大大的縮短了現場調試時間。 4， 設備利用率高，理由是噴漆機器人的利用率可以達到90%-95% 注釋：往復機：往復機擁有自動噴漆臺,產量大,速度快,品質穩(wěn)定,膜厚均勻。 往復機應用行業(yè)廣泛，目前在涂裝行業(yè)尤為突出 往復機擁有自動噴漆臺,產量大,速度快,品質穩(wěn)定,膜厚均勻,設定一組程序只需要10分鐘,修改參數只需用1分鐘,可儲存100組程序,是目前市場上性價比最好的自動噴漆機.另還有多軸自動噴漆機,四軸自動噴漆臺,單盤自動噴漆臺,雙盤自動噴漆臺,兩軸自動噴漆臺. 目前市場有較多廠家在設計制作單軸，雙軸，三軸，......多軸往復機，多種往復機的使用具有很廣的范疇，目前應用最為廣泛的在手機外殼噴涂，電腦外殼噴涂，表面處理方面都有應用. 總結：機器人噴漆(機械噴漆手)的優(yōu)點很突出，將來機械噴漆手會慢慢代替手工和往復機的。 噴漆機械手的機構圖 漆機械手的機構主要由機械手部分與噴漆槍部分組成，整體機構為6軸關節(jié)型機器人。 原理圖如下 研究內容： 1.研究機械手如何能按操作員輸入的程序去做相應的動作。 2.查閱資料設計噴漆頭與供漆系統(tǒng) 實施方案： 1.機構主運動可以由液壓系統(tǒng)，或電力系統(tǒng)帶動。主流使用電力系統(tǒng)，因為電力系統(tǒng)好進行控制，液壓系統(tǒng)接線繁雜，并且存在漏油，工作環(huán)境會更差。由于噴漆作業(yè)環(huán)境空氣容易爆炸，所以每個電機部分必須加上滅弧罩，防止電機負載產生電火花工作室發(fā)生爆炸。 2.噴漆機械手所有的在線操作和自動運行都是通過示教器來完成 3.如果有多個機械手噴漆，除了噴漆頭其他部位需要用尼龍布包住，防止誤噴到其他機械手。 進度安排： 階段 應完成的主要工作 時間 1? 收集資料、編寫開題報告 2018.2.25—2018.3.15 2? 翻譯外文資料、論證和擬定總體方案 2018.3.16—2018.3.25 3? 具體機構的設計、計算、校核等 2018.4.1—2018.5.1 4? 繪制裝配圖、專用零件圖設計 2018.5.5—2018.5.20 5? 完成畢業(yè)設計論文 2018.5.21—2018.6.3 已查閱的主要參考文獻　　 1 鐘嵐.基于PLC的機械手設計[J].電子技術與軟件工程,2017 2 張萍萍. 基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設計[D].電子科技大學,2013. 3 唐少臣,韓屹威,毛行星.機械手PLC控制設計[J].數字技術與應用,2017 4 歐洋,高禎,李連強.工業(yè)機械手結構設計分析[J].工業(yè)控制計算機,2017 5 趙東輝,金長虹,靳建峰,劉軍.基于液壓控制的農業(yè)機械手的設計[J].農機化研究,2012 6 彭堅.氣動機械手及其PLC控制系統(tǒng)的設計與實現[J].通用機械,2004 7 蘇寧.機械手的虛擬設計與仿真設計[J].中國設備工程,2017 8 黃志平.基于PLC的工業(yè)機械手模型控制系統(tǒng)的軟硬件設計[J].機電信息,2016 指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日 答辯記錄表 學生姓名 專業(yè)班級 學號 設計(論文)題目 噴漆機械手設計 答辯時間 XXX.05.26 答辯地點 XXX 答辯委員會名單 問題1 提問人： 問題：墊盤的作用是什么？ 回答（要點）：支撐機械臂部分 問題2 提問人： 問題：墊盤要改成旋轉平臺類型？ 回答（要點）：使得，墊盤屬于滑動摩擦，發(fā)熱量大，改成轉盤軸承 問題3 提問人： 問題：套件的作用是什么？ 回答（要點）：套件先套在電機軸上，再與機械臂孔連接。實現連接電機軸與機械臂的作用 記錄人簽名 問題4 提問人： 問題：怎么知道兩臂之間的連接可靠？ 回答（要點）：對兩臂連接軸進行彎曲度校核，以及角度的校核 問題5 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題6 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題7 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題8 提問人： 問題： 回答（要點）： 記錄人簽名 噴漆機械手設計 The design of the branch grinder 摘 要 本課題的主要內容是流水線噴漆機械手的結構設計，首先介紹國內外機械手發(fā)展的現狀，強調一下此次設計的機械手主要用于中性或小型零件的噴漆作業(yè)，然后分析流水線噴漆機械手的目的，目的是為了減少人工的勞動強度，以及身體上的損傷。然后對機械手的結構進行設計，本設計的機械手具有四個自由度，包括底座的旋轉，大臂小臂腕部的旋轉以及噴漆頭的旋轉。 本課題完成了三個內容，第一：對結構有粗略的設計，用PROE建模畫出三維圖形并且將零件裝配起來，尺寸先不管，裝配起來合理，根據圖形來大概設計零件尺寸。第二：設計出底座，大小臂，腕部的尺寸，材料以及，強度校核。第三：根據零件的質量選合適的電機。實現了由PLC控制機械手的運動的功能。 關鍵詞：噴漆機械手；結構設計；三維建模。 V Abstract The main content of this topic is the structure of the assembly line spray-painting manipulator design, first introduced at home and abroad status of development of the manipulator, the analysis and design line spray-painting manipulator the purpose and significance of the designed spray-painting manipulator is mainly used to spray paint for small to medium sized parts, the purpose is to reduce the manual labor intensity, as well as the physical damage. The manipulator is then designed with four degrees of freedom, including the rotation of the base, the rotation of the wrist of the forearm and the up-down rotation of the spray head. This topic finished three contents, the first: have a rough design on structure, draw the 3 d graphics and modeling with PROE parts were assembled, regardless of size, assembled is reasonable, according to the graphic design about parts size The second: design base, forearm, wrist size, material, and strength check Third: according to the quality of the parts to choose a suitable motor Realized by PLC to control the function of the movement of the manipulator Key words: paint spraying manipulator; Structural design； 3d modeling. III 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 本課題的研究現狀、研究目的及意義 1 2.機械手的組成和分類 4 2.1 一般工業(yè)機械手的組成 4 2.2 機械手分類 4 3機械系統(tǒng)設計 6 3.1 旋轉臂的設計 6 3.2 零件材料的選擇 6 3.3 電機的選型 7 4.大臂的設計 9 4.1 大臂的體積 9 4.2 大臂的材料 10 4.3 電機的選型 10 4.4 電機和大臂的設計，對連接軸的設計和彎曲變形校核 10 5.小臂及旋轉關節(jié)臂的設計 13 5.1 小臂的長度尺寸以及體積，材料的設計 13 5.2 電機軸的彎曲度以及許可轉角要求設計 14 5.3 電機的選型 15 5.4 旋轉關節(jié)臂的選材 15 5.5 機械零件選材的基本原則 16 5.6 底座，底座電機的設計 17 5.6.1 底座結構的設計 17 5.6.2 底座的基本形狀尺寸 18 5.6.3 底座材料的選擇 18 5.7 底座電機的選擇 19 5.8機械機構小結 19 6.噴漆手的控制部分設計 20 6.1控制系統(tǒng)的設計思路 20 6.2控制部分的詳細說明 21 6.3如何通過PLC控制步進電機 21 6.4 PLC控制驅動器的原理 22 6.5 PLC的選擇 22 6.6控制梯形圖 22 6.6三菱PLC控制步進電機正反轉的梯形圖 24 6.7對梯形圖的解釋 25 6.8 PLC控制步進電機的簡單流程圖 25 6.9 梯形圖 26 6.10 控制部分小結 26 結 論 27 致 謝 28 參考文獻 29 1 緒論 1.1 本課題的研究現狀、研究目的及意義 一 研究現狀 （一）國內噴漆機械手的發(fā)展現狀 機械手能夠實現人類手臂的一系列動作，機械手是最先出現的一種先進工業(yè)，它的功能就是代替人去完成繁重的工作，代替人前往危險的環(huán)境進行作業(yè)，員工只需要在安全的操作室操作機器來完成作業(yè)。 我國第一臺噴漆機器人，1990年工業(yè)噴漆機器人PG-1。在那個年代有一臺噴漆機器人是多么的強，體現出了國人的智慧，工業(yè)發(fā)展智慧的結果，但那時候的技術還處于萌芽階段，當時的機械手只能還是沒有人工噴漆的效果好，替代不了人工。再就是由于那時候的機器手的效率和質量以及費用，都沒有人工便宜，再加上國內的勞動力廉價，導致這種機器沒有廣泛使用，研發(fā)工作也進展的緩慢。所以當時噴漆機械手的應用以及技術都相對其他工業(yè)發(fā)展較慢。 隨著時間的推移，信息的互相共享，技術的互相傳遞，慢慢的人工智能的話題就成為了現在的焦點，機械手的技術也得到了蓬勃的發(fā)展，微電子技術發(fā)展迅速，使得許多工業(yè)都向智能輕便的方向發(fā)展，回到機械手方面，這樣的國情之下，機械手的技術慢慢成熟，有許多的控制方法，例如，單片機，PLC等等，使得機械手的動作變得更加擬人化以及運動精度提升。新型的材料使得機械手臂的材質更輕，力學性能以及鑄造性能都有很大的提升。國家主張可持續(xù)綠色發(fā)展，以人為本的理念，所以機械手發(fā)展得到了高度的重視，機械手代替人們進入高危環(huán)境里進行長時間作業(yè)，體現了以人為本的理念，新型的控制系統(tǒng)使噴漆機械手的作業(yè)比人工強好幾倍，從節(jié)約噴漆料到噴漆質量上都碾壓人工?，F在人工的費用也很高，機械手顯得更經濟，更環(huán)保。符合可持續(xù)綠色發(fā)展理念。 （二）國外噴漆機械手的發(fā)展現狀 國外機械手發(fā)展比我們國內起步的要早很多，在四十年代，美國就有機械手搬運放射性的物質，總所周知放射性的物質對人體有極大的危害，那時候的國外的人就意識到要用機器去代替人工做些危險的工作，那時的操控是要人工用遙控器控制機械手運轉，不過在那時候已經很先進了。 等到了六十年代，國外研發(fā)了一種通用機器臂，他將遙控機構與伺服機構連接到了一起，使得機械手臂的運動精度得到了很大的提升，隨后電子計算機技術的發(fā)展，工業(yè)生產需求的提高，機械手技術在一些國家的到了迅速發(fā)展。 進入七十年代，機械手走向了商業(yè)化，當時世界有兩萬臺機械手投入到工業(yè)制造中，人機模式剛剛開始，工業(yè)機械手開始在生產中得到普遍應用。 進入20世紀九十年代，具有一般功能的機械手技術得到飽和，傳統(tǒng)的機械手已經不能滿足當時的形勢，許多復雜的情況需要更加智能的手臂出現，在這種背景下，智能機械手得到迅速發(fā)展，智能機械手可以根據預先設定好的程序，按照程序的指令運動，并且可以循環(huán)工作。 二 噴漆機械手研究的目的 一 噴漆環(huán)境對噴漆工人身體造成不可回復的傷害，即使帶上專業(yè)的過濾保護裝置，工人的健康還是不能保證。 例如：在某地的一個小工廠，兩名油漆工在一個鐵箱內對鐵箱進行噴漆作業(yè)，由于鐵箱內的環(huán)境是封閉的，兩人突然昏迷倒地，所幸消防官兵及時趕到將兩人救出。經醫(yī)院搶救，這兩名油漆工終于醒來，醫(yī)生診斷，兩人均為油漆中毒，目前各項生命體征回復正常，已沒有大礙。隨后消防有關部門表示：噴漆工作時，要保證所處的環(huán)境通風，并且?guī)舷鄳姆雷o用具，同時連續(xù)作業(yè)半小時以上，最好出去透透氣。所以人工噴漆是避免不了人 員傷亡。 二 噴漆技術提升有限：噴漆技術要求：噴漆表面要光滑平整。2、邊角部分沒有重復上色現象，整體表面沒有色差及花色現象。3、光澤均勻一致，手感光滑等。經過這么多年的技術，人工噴漆技術已經成熟了，但是人工還是達不到精密層次，所以研究機械噴漆手是很有必要 三 噴漆機械手的發(fā)展帶動了油漆行業(yè)的發(fā)展，因為現在的人們要求的很高，要滿足美觀的同時還要實現各種功能，比如防水，防銹，耐磨?？棺矒簦乐固囟ㄎ镔|的腐蝕。新型噴漆材料的產生，加上噴漆機械手技術的提高，會使得噴漆機械手行業(yè)發(fā)展得更好。 37 2.機械手的組成和分類 2.1 一般工業(yè)機械手的組成 執(zhí)行機構 驅動系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 位置檢測裝置 圖2-1 工業(yè)機械手組成部分 工業(yè)機械手的組成由執(zhí)行機構，驅動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置?？刂葡到y(tǒng)輸入指令給驅動系統(tǒng)，隨后驅動系統(tǒng)做出相應的信息識別，信息傳達給電機帶動執(zhí)行機構，位置檢測裝備時刻監(jiān)視著機構的動作反饋給控制系統(tǒng) 2.2 機械手分類 按驅動方式分；液壓傳動機械手，氣壓傳動機械手，機械傳動機械手 液壓傳動機械手：是由液壓系統(tǒng)控制機械手的運轉， 優(yōu)點：能夠提供較大的動力，運動平穩(wěn)，適用于大功率場合，維護簡單，費用低。。 缺點：液壓工作環(huán)境比較差，噪音也較大。 氣壓傳動機械手：是由氣壓缸系統(tǒng)控制機械手的運轉。 優(yōu)點：1 空氣來源于大氣，來源方便，排出去也不會污染到大氣 2 壓縮空氣在管道流速快，適用于完成各種復雜的動作。 3 工作環(huán)境適應性好 缺點：1傳遞運動不夠平穩(wěn) 2不能勝任負載大的場合。 3有較大的排氣噪音。 機械傳動機械手：主要以機械結構來實現機械手的運轉。 優(yōu)點：1 傳動穩(wěn)定，效率高2 能實現任意角交錯軸的傳動。缺點：要求較高的安裝精度以及制造成本高。 這里根據導師的建議以及參考，我選擇機械傳動機械手，由電機帶動機械手臂實現運動。 3機械系統(tǒng)設計 此次機構部分的設計必須從上往下設計，從不受其他部件影響的部位開始設計，這樣從上往下設計可以根據前面設計的部件的重量來對下一部件進行設計，因為下一個零件所受到的扭矩，彎矩與上一零件的質量息息相關。 3.1旋轉臂的設計 圖3-1旋轉臂示意圖 旋轉臂的作用是使得機械手在ZY軸上行動，綠色部分是零件的粗略圖，黃色部分是電機，中間用軸來連接。 零件的體積：V0=30×15.2×13.2＋∏×13.22×20＝16961.5㎜3 3.2零件材料的選擇：輕便，兼顧力學性能和鑄造性能兩方面的要求 第一方案選擇鋁合金，鋁合金種類中鋁鎂和鋁鋅合金都有各自的缺點：一個是鑄造性能比較差，長期使用后，合金的塑性變差，零件可能出現開裂的情況，同時也可能出現零件腐蝕產生小裂紋的現象。第二個，鋁鋅合金的缺點是耐蝕性差，有應力腐蝕裂紋的傾向，壓鑄成型時時容易熱裂變形 所以我們選擇鋁合金家族里的鋁硅合金，下面介紹一下鋁硅合金 Al-Si 合金 從結晶溫度間隔上看，Al-Si鋁合金的間隔小，從凝固潛熱和比熱容上考慮，它都是很大的，從線收縮系數上看，它具備比較小的特點。因此從鑄造性能方面看，它要比其他鋁合金要好一些，在充滿型腔的能力以及抗熱裂變，縮松的能力上它都是優(yōu)等，實驗還表明Al-Si共晶體在尼姑點附近的溫度時，它的塑性是非常良好的，這種能力是其他鋁合金不具備的。由于它的良好特性中，塑性，良好的力學性能以及鑄造性能突出。所以Al-Si合金是目前應用最為廣泛的壓鑄鋁合金。 通過網上的金屬密度表得知Al-Si 合金的密度ρ=2.66×10 3㎏/m3 所以零件的總質量M0=VO×ρ=0.045Kg 3.3電機的選型 機械手總的動力來源是來自電機，動作都是由電機來完成的，可供選擇的電機有步進電機、直流電機和無刷直流電機。 1.步進電機 步進電機中的優(yōu)點有：大轉矩，小慣性，高響應頻率，能快的啟動和停止。它的反饋機制也就是位置反饋機制有著高精度的控制能力，包括基本的速度，位移，由于控制結構簡單，維護起來很方便。 2. 直流電機的優(yōu)點中啟動和制動性能優(yōu)異，具有很寬的調速范圍，可以實現很大范圍的速度調節(jié)，而且調節(jié)過程是平滑的。它具有控制特性好、響應速度快等優(yōu)點，而且低速時平穩(wěn)性好，;起動轉矩大、過載能力強。但是傳統(tǒng)的直流電機的換相方式采用換相器和電刷這種機械式換相，存在機械摩擦，加快內部零件的磨損，由此帶來噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等問題，需要經常維護。 3.無刷直流電機 無刷直流電機采用電子換相電路取代了機械換相裝置，不僅繼承了直流電機的優(yōu)點，且具有無噪音、不用維護、可靠性高的特性。 噴漆過程緩慢且手臂需要慣性小響應頻率高的優(yōu)點，綜合考慮我選用步進電機。 電機型號：28HBP34BL4-TFO 表3-1 電機參數圖 電機重量為0.1Kg 4.大臂的設計 圖4-1 大臂示意圖 透明部分為大臂部分，大臂起到支撐小電機和旋轉臂的作用，同時是噴漆頭在ZX坐標系上運動。帶動大臂旋轉的電機也運用步進電機。 4.1大臂的體積 V1=（∏×50×24×1/4×1 /2＋50×12×1/2）×140＋17 2×∏×12 =118829.52㎜3 4.2大臂的材料：依舊采用旋轉臂的材料鋁硅合金，原因是鋁硅合金材料的力學性能和鑄造性能良好。因為大臂的結構比較復雜，良好的鑄造性更容易加工出形狀，具有良好的塑性也能為加工節(jié)省時間，良好的力學性能可以使其滿足基本的運動且經受小波動時系統(tǒng)依舊保持穩(wěn)定。鋁硅合金的密度ρ=2.66×10 3㎏/? 大臂的質量M1=V1×ρ=0.32kg 4.3電機的選型 我們先把所有零件的總質量加起來M=0.32＋0.045＋0.1 =0.465Kg 型號35YF22GN030R-TEO 圖4-2 電機參數圖 電機的靜轉矩為0.3N /m 重量為0.13Kg 4.4電機和大臂的設計，對連接軸的設計和彎曲變形校核 根據三維建模圖，初步確立軸的長度為36mm，半徑為5mm。軸的材質需要較高的抗彎曲強度還有抗扭曲強度。 選材分析：軸類零件在工作時主要承受來自扭轉力以及變形的反復，以及承受一定的沖擊載荷。根據軸的工作條件和失效方式，對軸用材料提出如下要求。 1， 良好的綜合力學性能，為減少應力集中和缺口敏感性，防止軸在工作中突然斷裂，需要軸的強度和塑性有良好的配合。 2， 高的疲勞強度，防止疲勞斷裂。 3， 良好的耐磨性，防止軸頸磨損。 因此為了兼顧強度和韌度，同時考慮疲勞抗力，軸一般用中碳合金調質鋼（主要有45鋼及40Cr，40MnB。。。。。。）制造。具體來說，選材的一般原則如下： 1， 受力較小，不重要的軸一般選擇用普通碳素鋼 2， 受彎扭交變載荷的一般軸廣泛使用中碳鋼，經調質處理或正火處理。要求軸頸等處耐磨時，可局部表面淬火 3， 同時承受軸向載荷以及彎載荷和扭交變載荷，同時承受一定沖擊的軸，我們可以選用合金調質鋼，比如常見材料40Cr，40MB等鋼，經調質和表面淬火。 4， 承受較重交變載荷，沖擊載荷和強烈摩擦的軸，可選用低合金滲碳鋼，如20Cr，20CrMnVB等鋼，并經滲碳，淬火回火。 5， 如果我們的軸的位置比較重要，同時又要承受較重的交變載荷以及沖擊載荷，我們可以鋼的表面滲氮，工藝路線是先調質處理后進行滲氮。 6， 如果我們的軸是要經受交變扭轉載荷，但是沖擊小，又要耐磨性好的話，我們可以選用球墨鑄鐵這種材料，對于大型低速軸我們可以采用鑄鋼。 參考上面的數據以及我們的軸的工作環(huán)境，40Cr這種材料可以勝任。 查金屬表得知這種材料的密度為ρ=7.85×10 3㎏/? 網上搜得40Cr的彈性模量E=211GPa,I=∏D 3D /32 計算得：EI=12.94 F 圖4-3 軸受力圖 /計算得w=0.0000055，同時求得w /L＝0.000155 在各類工程設計中，對構建彎曲變形的許可值有不同的規(guī)定。對于軸的撓度，其許可值通常用許可的撓度與跨長之比值w /L作為標準。例如，在土建工程中，它的值通常限制在250分之一到1000分之一，在機械制造中，對重要的軸，它的值限制在5000分之一到10000分之一范圍內，對傳動軸在支座處的許可轉角?一般限制在0.001到0.005rad范圍內 經過比對在w /L的值在0.0001-0.0002之間，滿足彎曲度要求。 同時計算得該軸的轉角?=FL2/2EI=0.000232，也滿足許可轉角要求。 5.小臂及旋轉關節(jié)臂的設計 圖5-1 部裝示意圖 小臂是使機構在ZX軸上做旋轉運動，旋轉關節(jié)臂是使機構在XY軸上做旋轉運動。我主要是要對小臂的選材求質量，和電機軸的彎曲度以及許可轉角要求的校核，還有對旋轉關節(jié)臂材料的選擇。 5.1小臂的長度尺寸以及體積，材料的設計 V=（（152-52）∏+80×30）×16=48448㎜3 材料選擇 第一:機械手臂在運轉的過程中會承受一點的載荷，在受到載荷的時候，手臂不能產生斷裂的情況，這種情況很嚴重，我們要避免，所以它要具備足夠的強度才可以，所以應該選擇“高強度的材料” 第二：機械手臂是要運動，旋轉的，是要受電機控制的，所以它不能過于笨重，所以它要具備“密度小，強度大，轉動慣量小”的優(yōu)點 在選材時根據上述的幾個優(yōu)點，然后根據機械手臂的工作情況已經考慮經濟方面，從而取舍，選出滿足的材料。 通常情況下，可以從以下大類材料中選取: “合金鋼”，“經過熱處理的優(yōu)質鋼”，“輕型合金 如鋁合金” 我選擇鋁硅合金它的密度在上面有提到過，ρ=2.66×10 3㎏/? 小臂的質量為：M=V×ρ=0.129Kg 5．2電機軸的彎曲度以及許可轉角要求設計 F 圖5-2 軸受力示意圖 這個電機軸的彎曲度以及許可轉角校核 選擇材料的話還是選擇選擇40Cr。 查金屬表得知這種材料的密度為ρ=7.85×10 3㎏/? 從網上查得40Cr的彈性模量E=211GPa,I=∏D 3D /32 計算得：EI=12.94 長度為L 為36mm 力F為5.94N 撓度w=﹣FL 3/3EI 求得w=0.0000071，同時求得w /L=0.000198 在機械制造中，對重要的軸，它的值限制在5000分之一到10000分之一的數值范圍內，也就是0.0001-0.0002之間，對傳動軸在支座處的許可轉角?一般限制在0.001到0.005rad的數值范圍內 經過之前設計比對在w /L的值在0.0001-0.0002之間，滿足彎曲度要求。 同時計算得該軸的轉角?=FL2/2EI=0.000297，也滿足許可轉角要求。 5.3電機的選型 電機還是與大臂的電機選擇一樣的規(guī)格 型號35YF22GN030R-TEO 圖5-3 電機參數圖 電機的靜轉矩為0.3N /m 重量為0.13Kg 5.4旋轉關節(jié)臂的選材 旋轉關節(jié)臂是使機構在XY軸上做旋轉運動。承重以及改變機構在XY軸上的位置。 旋轉關節(jié)臂，這個部件承受著機械手全部部件的重量，強度要求，塑性要求，抗彎強度，抗剪切強度能力，抗沖擊能力，都需要很高的要求。 旋轉關節(jié)臂比較特殊，它位于底座之上，而且本身結構上就是起到一個支撐的角色，所以它的材料可以根據底座的選材上選擇。 5.5機械零件選材的基本原則 1使用性能原則 一 選材應滿足使用性能：是指零件在使用時，具備的力學性能物理性能和化學性能，對于大量的機器零件和工程構建，則主要是力學性能。一些零件需要在特殊的環(huán)境下工作，比如酸堿性環(huán)境，水，則需要考慮材料的物理，化學性能。材料的使用性能應滿足使用要求。 二 考慮工作情況條件。 受力狀況，主要是載荷的類型（如動載荷，靜載荷，循環(huán)載荷和單調載荷等）和大小，載荷的形式，載荷的特點等。 環(huán)境狀況，主要是溫度惡性，介質情況等。 特殊要求，如對導電性，磁性，熱膨脹性，密度，外觀等的要求。 2工藝性能原則 材料選擇必須考慮零件加工的難易程度，一種材料能滿足使用性能，但加工非常困難，則這種材料是不可取的。 3經濟性原則 零件的經濟性是指材料成本低，供應，供應充分，加工工藝過程簡單，成品率低等。零件的經濟性主要表現在以下幾個方面。 1 材料的價格 2 零件的總成本 3 資源消耗：我們國家實行能源再生，不可再生能源要節(jié)省，我們用的材料盡量選用耗能低的材料 總的來說，在我國目前情況下，以鋼代鐵，以鑄造代鍛造，以焊造代鍛造是經濟的。盡量選擇價格低廉，加工性能好的鑄鐵或碳鋼，在必要時才選用合金鋼。有些零件只要求表面性能滿足要求，中心可以選用價格低廉的鋼種，然后進行表面強化處理如滲氮滲碳，就可以達到性能要求。 另外，在考慮材料經濟性時，切忌單純以單價比較材料的優(yōu)劣，而應當以綜合效益（包括材料單價，加工費用，使用壽命，美觀程度等）來評價材料的經濟性的好與差。 查閱工程材料課本，確立旋轉關節(jié)臂的材料 表5-1 旋轉關節(jié)臂的選材表 代表性零件 材料種類和牌號 使用性能要求 處理及其他 承力支架 鑄鋼ZG270-500 剛度，強度，耐沖擊性 正火 5.6底座，底座電機的設計 5.6.1 底座結構的設計 圖5-4 底座示意圖 5.6.2底座的基本形狀尺寸 上圓柱圓半徑為100mm 高度為80mm 下底盤為邊長240mm的正方形，倒圓角半徑為16mm的圓角 高度為20mm 中間挖了一個放電機的槽。并且挖了安裝孔，固定孔。 5.6.3底座材料的選擇 選材分析：底座支撐件是機器中的基礎零件。機器上各個部件的重量都底座承擔，因此主要受壓應力。此外，底座還要承受個零件工作時產生的動載作用以及穩(wěn)定在底座上的緊固力。 鑄鐵的彈性模量高，價格便宜，鑄造工藝性能又很好，還有吸收振動，耐磨，自潤滑等優(yōu)點故被廣泛應用制造底座以及箱體類零件。 底座支撐零件尺寸大，結構復雜，鑄造或焊接后容易形成較大的內應力，使其在使用期間產生緩慢變形。因此，底座支撐件毛坯，在加工前要長期放置也就是時效處理或進行去應力退火也叫人工時效處理。對精度要求很高的或形狀特別復雜的底座，在粗加工以后，精加工之前要增加一次人工時效處理，來消除粗加工產生的內應力影響。 去應力退火溫度一般在550℃，然后隨爐冷卻至200攝氏度以下出爐。 表5-2 底座材料表 代表零件 材料種類及牌號 使用性能要求 處理及其他 機座，底座 灰鑄鐵HT150 剛度，強度，尺寸穩(wěn)定性 時效處理 5.7底座電機的選擇 圖5-5 電機型號圖 依舊是選擇步進電機，根據之前的其他部件設計的重量，最終選擇型號為：110HCY137AL3S，靜轉矩8Nm，重量為5.5Kg 5.8機械機構小結 通過三維模型來確立機構的尺寸，通過查閱工程材料課本選材原則并結合網上的選材表選擇合適的材料，查閱材料力學課本來校核機構的強度彎曲度，使得所設計的尺寸與材質能滿足運動要求 6.噴漆手的控制部分設計 6.1控制系統(tǒng)的設計思路 因為本文研究的是流水線噴漆機械手臂，既然是流水線，所以機械手的工作是重復性的，因為人工對于重復性的工作會產生疲勞感二期噴漆環(huán)境的有毒性，機械手是最好的勞動力。 通過查閱了有關步進電機的控制方法，都比較復雜難懂，我經過綜合考慮想到一種簡單實用的控制方案：比如現在有一個零件給我，我要對它進行噴漆，想把機械手臂固定好，零件也固定在噴漆臺上，只要是要機械手能夠按照人工的指定的路徑去走就行了，速度可以用驅動器控制，主要就是解決機械手的行走路徑問題。 重點問題找到了后，對問題進行分析。如果用路徑轉化為程序，再由程序轉化為機械手的動作，中間的難度很高，由于對這方面的不熟悉，又想原創(chuàng)性。所有我的大致想法是：機械手和零件固定好了，因為機構的運動與電機的旋轉是息息相關的，所以我想在每個電機處安裝一個轉動記錄傳感器，然后開始用手動幫助機械手模擬運動路徑，手動幫助機械手完成一遍運動后，轉動記錄傳感器記錄每個電機的轉動情況，主要是記錄下來電機轉動的圈數，時間，正反轉。有了這些數據我們就知道機構完成這一整個路徑電機的運轉情況，之后將數據推入到PLC控制中，使得PLC控制電機完成這些數據的重現，便是完成了路徑的重演。再設定一個位置傳感器，以便于機械手完成一次噴漆作業(yè)后回到原位，繼續(xù)進行下一個零件的噴漆作業(yè)。 6.2控制部分的詳細說明 轉動記錄傳感器就是旋轉計數器，記錄完成整個路徑時，機構的旋轉情況。通過記錄的情況就可以通過控制器控制步進電機運動完成路徑的重演，達到自行噴漆的效果?？刂撇糠郑豪肞LC的功能來控制電機的驅動器，驅動器發(fā)出的脈沖信號來使電機轉動以及正反轉。 6.3如何通過PLC控制步進電機 步進電機是一種大轉矩，高定位精度、小誤差、控制簡單的電機，是電機運動控制領域很火熱的一種。PLC可以叫做工業(yè)控制計算機，可以靈活地運用，高速的處理速度以及數據處理能力，而且性價比高，是目前廣泛應用的控制裝置之一。PLC有著很好的對步進電機的控制能力，它具有高速脈沖輸出功能，以及可以添加脈沖計數元件來控制步進電機的停止）即可實現對步進電機的控制，即可實現對步進電機的控制。 步進電機的控制是通過電脈沖信號的，電脈沖信號通過轉化成相應的角位移或線位移。因為受到脈沖信號的控制，通過控制脈沖頻率就可以控制電機的速度以及加速度，從而達到調速的目的。）通過改變通電順序，就可以改變電機旋轉方向的目的;通過改變通電順序，就可以改變電機旋轉方向的目的。 步進電機種類很多，這里我們介紹主要從結構上分：反應式，混合步進電機及永磁式，步進電機有單相，兩相以及多相。步進電機的控制方式也有許多種，比如：普通集成電路，單片機，PLC控制等幾種; 因為步進電機的優(yōu)點中：無累計誤差，跟蹤性能好，步進電機的主要控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件的組成有：控制面板，PLC控制器，驅動器，步進電機組成。 步進電機能響應而不失步的最高步進頻率稱為“啟動頻率”; 步進電機的停止頻率是指系統(tǒng)控制信號突然關閉，步進電機不沖過設定位置的最高步進頻率。 有了這些數據，就能有效地對步進電機進行變速控制。采用PLC 控制步進電機，應根據下式計算系統(tǒng)的脈沖當量、脈沖頻率上限和最大脈沖數量，進而選擇PLC 及其相應的功能模塊。根據脈沖頻率可以確定PLC 高速脈沖輸出時需要的頻率，根據脈沖數量可以確定PLC 的位寬： 這樣一來就可以實現PLC控制步進電機了。 6.4 PLC控制驅動器的原理 步進電機都是由驅動器來控制的，步進電機都有自己的步距角，比如步進電機的歩距角為1.8°，驅動器給一個200個脈沖，電機就轉了一圈，驅動器還有細分制，如果步進電機的驅動器為1000step /re，說明驅動器為5細分，給1000個脈沖就是電機轉一圈。這里我們主要是了解原理，設定我們四個電機驅動器都為1000step/re。 6.5 PLC的選擇 PLC采用三菱，產生符合要求的控制脈沖是控制步進電機最重要的要求。三菱PLC具備能發(fā)出高速脈沖的特性，能夠發(fā)出10KHz的頻率，能夠滿足步進電動機的要求 6.6控制梯形圖 步進電機的輸入脈沖總數和脈沖頻率受到相應的控制。在控制軟件部位設定一個脈沖總數以及頻率可口病的脈沖發(fā)生器；對于頻率較低的控制脈沖，可以利用PLC中的定時器構成，如圖所示。 脈沖頻率可以通過定時器常熟控制脈沖周期，脈沖總數控制則可以設置為脈沖計數器C10，比如脈沖設定值為1000，計數器C10達到設定值，就可以切斷脈沖發(fā)生器回路，從而使電機停止工作。 圖6-2 脈沖計數器控制梯形圖 也就是說C10可以設定一個值，比如旋轉計數器記錄到該1號電機完成一次路徑轉了2圈，所以此時C10的值要設定為2000，電機驅動器接受的脈沖都通過脈沖發(fā)生器與脈沖計數器C10和. 當計數器判定達到了設定值時，C10可以自動切斷脈沖發(fā)生器回路，使得電機沒有接受脈沖信號停止工作。 6.6三菱PLC控制步進電機正反轉的梯形圖 圖6-3 梯形圖  6.7對梯形圖的解釋 X000與X001分別是起動以及停止按鈕，MO起動，MO電機運行開始的標志，MO有自鎖開關與X000并聯(lián)。當可以運行時，DO XO部分判斷脈沖信號的正反，準備正轉或反轉。YOO0接收正反轉的信號與Y002實現電機的正反轉，比如Y000接收的是正轉信號，則Y002實現電機正轉。隨后由M8029判斷執(zhí)行動作是否完畢，完畢后，TO實現延時反轉。隨后循環(huán)之前的步驟。 6.8 PLC控制步進電機的簡單流程圖 機構的運轉動作取決于步進電機的轉速，而步進電機的轉速取決于輸入脈沖頻率：脈沖頻率等同于機構的運轉的加減速。進給方向的控制就是改變步進電機的繞組的通電順序來改變其轉向。、 表6-1 PLC功能介紹表 名稱 符號 作用 起動按鈕 X000 起動脈沖接收器 停止按鈕 X001 停止脈沖接收器 脈沖接收器 Y000 接受脈沖信號 脈沖調頻器 Y001 增大/減小脈沖頻率 調頻器開關 X002 開啟調頻器 正轉脈沖輸出器 Y003 輸出正轉脈沖信號 反轉脈沖輸出器 Y004 輸出反轉脈沖 延時繼電器 T0 延時正反轉 脈沖計數器 C10 定總脈沖量 正轉脈沖計數器 C11 定正轉脈沖量 反轉脈沖計數器 C12 定反轉脈沖量 6.9 梯形圖 圖6-4 梯形圖 解釋：按下X000,脈沖接收器接受信號，隨后與Y000的開關閉合，使Y003得電，正轉脈沖輸出器工作，電機正轉。當設計的正轉脈沖量達到時C11斷開停止正轉，延時器工作，延時后，使得反轉信號輸出器工作，電機反轉，當反轉脈沖達到設定值時，C12斷開，電機停止X002是控制Y001脈沖調頻器工作的。C10可以設置電機接受的總脈沖量，當達到時，電機停止 6.10 控制部分小結 這次的設計控制電路對我們來說有點困難，雖然我只是寫出了部分電路，全部電路還是有些難的，對PLC控制步進電機的正反轉有了初步的了解，對控制步進電機的轉動圈數也有很大的認識，所以這次的設計控制電路學會的東西也是挺多的。 結 論 此次的設計內容有：三維建模，零件的設計與校核，控制部分的設計。 1 運用到了Creo2.0繪圖軟件，這個之前學過，現在用起來有點生疏，所以這次設計有利于我加深對繪圖軟件的熟練度 2 零件的結構設計與校核，讓我能夠認識整個零件的生產過程：從建模，到確定尺寸，到選材，然后校核零件的強度。這些我是通過查閱材料力學課本以及工程材料課本解決的，讓我知道理論與實際的結合的重要性。 3 控制部分的設計，讓我回顧和熟悉了PLC的控制，梯形圖的建立，以及PLC的強大應用功能。 4 零件的裝配圖的繪制，零件圖的繪制，讓我重新溫習了一下工程圖學，細節(jié)部分很多，比如部分需要剖視圖，圖的的標注，零件的公差標注，以及表面粗糙度的標注等等。CAD圖細節(jié)部分很多，還需要大量的訓練才能掌握好。 致 謝 感謝這次學校提供的一次畢業(yè)設計的機會，這次設計的內容有：三維建模，零件的設計與校核，控制部分的設計。運用到了Creo2.0繪圖軟件，這個之前學過，現在用起來有點生疏，所以這次設計有利于我加深對繪圖軟件的熟練度零件的結構設計與校核，讓我能夠認識整個零件的生產過程：從建模，到確定尺寸，到選材，然后校核零件的強度。這些我是通過查閱材料力學課本以及工程材料課本解決的，讓我知道理論與實際的結合的重要性?？刂撇糠值脑O計，讓我回顧和熟悉了PLC的控制，梯形圖的建立，以及PLC的強大應用功能。 感謝導師在做設計的時候提出的建議，有助于我們解決不懂的問題，規(guī)范我們的論文格式。 感謝同學在我做設計的時候給的建議以及有用性的知道，讓我明白團結就是力量 感謝父母送我來到XXXX，這里的學習氛圍濃厚，老師的教學水平高，學校的教育背景雄厚。 參考文獻 1 陳建明.電器控制與PLC應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009 2 廖常初.PLC基礎及應用[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2010 3 劉保錄.電機拖到與控制[M]西安系，西安電子科技大學出版社，2006 4 李美珠.PLC編程及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005 5 張海根.機電傳動控制[M].北京：高等教育出版社，2012 6 鄧星鐘. 機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2003 7 周萬珍，高鴻斌.PLC分析與設計應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009 8 張萬忠，劉明芹.電器與PLC控制技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007 9 黃賢新.工業(yè)機器人機械手設計[J].裝備制造技術,2012 10 蔡衛(wèi)國.關節(jié)型搬運機械手設計[J].濰坊學院學報,2008 11康立新,馬建華.工業(yè)機械手的設計[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2009 12蔡心源,梁守志,陶鑫鈺,徐偉杰,何繼華,陳輝慶.工業(yè)機械手及控制系統(tǒng)的設計[J].輕工科技,2017 13 鐘嵐.基于PLC的機械手設計[J].電子技術與軟件工程,2017 14張萍萍. 基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設計[D].電子科技大學,2013. 15唐少臣,韓屹威,毛行星.機械手PLC控制設計[J].數字技術與應用,2017 16 歐洋,高禎,李連強.工業(yè)機械手結構設計分析[J].工業(yè)控制計算機,2017 17趙東輝,金長虹,靳建峰,劉軍.基于液壓控制的農業(yè)機械手的設計[J].農機化研究,2012 18彭堅.氣動機械手及其PLC控制系統(tǒng)的設計與實現[J].通用機械,2004 19蘇寧.機械手的虛擬設計與仿真設計[J].中國設備工程,2017 20黃志平.基于PLC的工業(yè)機械手模型控制系統(tǒng)的軟硬件設計[J].機電信息,2016