自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì).doc

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題 目： 數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：高源 系 別：機(jī)電系 專業(yè)年級：11維修 指導(dǎo)教師：周文斌老師 齊曉霞老師 2013年 12月 6日 46 目錄 第一章 緒論 1 第一節(jié) 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 1 第二章 JCS-013 數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 5 第一節(jié) 設(shè)計(jì)目的 5 第二節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容 5 第三節(jié) 換刀裝置的組成 5 第四節(jié) JCS-013數(shù)控鏜銑床機(jī)械手參數(shù) 8 第五節(jié)JCS-013數(shù)控鏜銑床機(jī)械手的組成 11 第三章 升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 15 第一節(jié) 升降電機(jī)的選擇 15 第二節(jié) 電機(jī)調(diào)速 18 第四章 滾珠絲杠副 27 第一節(jié) 工作原理及特點(diǎn) 27 第二節(jié) 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 29 第五章 控制系統(tǒng) 37 第一節(jié) 電氣控制系統(tǒng) 37 第二節(jié) 液壓控制系統(tǒng) 38 第六章 CATIA 分析報(bào)告 43 第一節(jié) 活動(dòng)手指受力分析 43 結(jié) 論 49 致 謝 51 參 考 文 獻(xiàn) 53 摘要 [摘要]數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與應(yīng)用，大大降低了零件的加工輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。隨著數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用，機(jī)械加工的自動(dòng)化程度大大提高，數(shù)控機(jī)床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進(jìn)的制造設(shè)備。加工中心帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置，可以實(shí)現(xiàn)按照預(yù)定程序?qū)ぜM(jìn)行多工序加工。 本文對JCS-013數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手的各個(gè)組成部分、工作原理、坐標(biāo)形式、驅(qū)動(dòng)方式等進(jìn)行了討論。對一些主要零部件進(jìn)行了選擇計(jì)算。 換刀機(jī)械手應(yīng)當(dāng)滿足換刀時(shí)間短、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、定位精確、體積小以及控制方便靈活等要求。帶刀庫的數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵在于機(jī)械手與主軸的自動(dòng)換刀。本課題就是針對JCS-013數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手，在分析其組成部分、工作原理的基礎(chǔ)上使用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論進(jìn)行改進(jìn)，把原來純液壓驅(qū)動(dòng)改為電液混合驅(qū)動(dòng)。提高了工作效率和可靠性。對機(jī)械手的活動(dòng)手指使用CATIA軟件進(jìn)行有限元分析模，分析得出在實(shí)際靜力作用下的應(yīng)力情況和變形情況，得出了相應(yīng)的分析報(bào)告。 關(guān)鍵字 換刀機(jī)械手 JCS-013數(shù)控鏜銑床 機(jī)械手 自動(dòng)換刀 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 參 考 文 獻(xiàn) 第一章 緒論 第一節(jié) 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造業(yè)種起著越來越重要的作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般由刀庫、機(jī)械手合驅(qū)動(dòng)裝置組成。刀庫的容量可大可小，其裝刀數(shù)載20至180把之間。刀庫的功能是儲存刀具并把下一把即將要用的道具準(zhǔn)確地送到換刀位置，供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r(shí)，常遠(yuǎn)離主軸配置且移動(dòng)不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功能的機(jī)械包括送刀臂、擺刀站和換刀臂，總稱為機(jī)械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓（或氣液機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手完成刀庫里的刀與主軸上的刀的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動(dòng)換刀就是進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，提高成產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件。所以數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減小多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。 1.1 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀 當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對機(jī)床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機(jī)電一體化、高精度、自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨著電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步、數(shù)控機(jī)床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國機(jī)床制造商競相展示先進(jìn)技術(shù)、爭奪用戶、擴(kuò)大市場的焦點(diǎn)。中過加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強(qiáng)機(jī)床工業(yè)實(shí)力、加速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)是緊迫而艱巨的任務(wù)。 自從1952年美國麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺數(shù)控機(jī)床以來，數(shù)控機(jī)床在制造工業(yè)，特別是在汽車、航空航天、以及軍事工業(yè)中被廣泛地應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)無論在硬件和軟件方面，都是有飛速發(fā)展。1956年，日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國IBM公司同期研制成功了“APT”的加工中心。1958年美國K&T公司研制出帶ATC的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS，1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置?？蓪?shí)現(xiàn)多工序加工的機(jī)床步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。 中國1958年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床以來，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在1958至1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識，在人員素質(zhì)、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過關(guān)的情況下，無法用于生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏事實(shí)求是的科學(xué)精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從美、日、德等引進(jìn)數(shù)控先進(jìn)技術(shù)和合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數(shù)控機(jī)床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。 1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 1.2.1 高速化、高精度化、高可靠性 質(zhì)量、效率是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。 高速化：（1）提高進(jìn)給速度：采用直線滾珠式導(dǎo)軌等；（2）提高主軸轉(zhuǎn)速：采用直線電機(jī)技術(shù)，直接將電機(jī)與主軸連接成一體后，裝入主軸部件，可以在1.8秒從0加速到15000r/min。 高精度化：精密化石為了適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，隨著高新技術(shù)的發(fā)展和對機(jī)電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機(jī)床用戶對機(jī)床的加工精度的要求也越來越高。 高可靠性：一般數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于數(shù)控設(shè)備的可靠性在一個(gè)數(shù)量級以上。 1.2.2 復(fù)合化 數(shù)控機(jī)床的功能復(fù)合化得發(fā)展，以其復(fù)合加工實(shí)現(xiàn)了一次裝夾后完成各種復(fù)雜零件的全部加工，從而減少了不床造價(jià)值的輔助時(shí)間，提高了機(jī)床的效率和加工精度，降低了生產(chǎn)制造成本，提高了生產(chǎn)的柔性。復(fù)合功能的機(jī)床近年來發(fā)展很快的機(jī)種，其核心是在一臺機(jī)床上要完成車、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種操作工序。 1.2.3 智能化 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中各方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化：如自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成等；為提高驅(qū)動(dòng)性能的智能化，如：前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識別負(fù)載、自動(dòng)選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化；還有如職能化得自動(dòng)編程、智能化得人機(jī)界面等，及智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維護(hù)等。 1.2.4 柔性化、集成化 為適應(yīng)制造自動(dòng)化的發(fā)展，向FMC FMS CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)控系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還能夠具備自動(dòng)測量自動(dòng)上、下料，自動(dòng)換刀，自動(dòng)誤差補(bǔ)償、自動(dòng)診斷、進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)功能，依據(jù)用戶的不同要求，可方便地靈活配置及集成。 第二章 JCS-013 數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 第一節(jié) 設(shè)計(jì)目的 機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械工程自動(dòng)化專業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是學(xué)完專業(yè)基礎(chǔ)以及其他技術(shù)基礎(chǔ)課以后的一次專業(yè)課程內(nèi)容的綜合設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析與綜合的能力、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力。通過這次教學(xué)環(huán)節(jié)要求達(dá)到： 1）通過設(shè)計(jì)，把有關(guān)課程中所獲得的理論知識在實(shí)際中綜合的運(yùn)用，使這些知識的到鞏固和發(fā)展。 2）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立整機(jī)設(shè)計(jì)的能力，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握機(jī)電一體化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，為自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。 第二節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容 要求本設(shè)計(jì)能明顯的體現(xiàn)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)構(gòu)思。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成以下工作內(nèi)容： 1）擬定整體方案。 2）重要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。 3）繪制機(jī)械手回轉(zhuǎn)與裝、卸刀機(jī)構(gòu)裝配圖。 4）液壓系設(shè)計(jì)。 5）機(jī)械手活動(dòng)指CATIA分析。 第三節(jié) 換刀裝置的組成 自動(dòng)換刀機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置的主要組成部分。自動(dòng)換刀裝置與數(shù)控臥式鏜銑床相配合，在一次裝夾中完成銑、鏜、鉆、锪、鉸和攻絲等多道工序，解決中小批多品種。生產(chǎn)箱體零件的加工自動(dòng)化問題。 自動(dòng)換刀裝置，主要由刀庫(存放刀具)，手架升降機(jī)構(gòu)(找刀排)，裝、卸刀機(jī)械手和手架伸縮與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。刀庫由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條上有15個(gè)刀套，刀庫能存放60把刀具。安裝刀套的四條鏈條由油馬達(dá)通過齒輪組帶動(dòng)而同步轉(zhuǎn)動(dòng)。找刀(刀具識別)，采用刀套編號方式。由于四排刀套鏈中，各排刀套的位置一一對應(yīng)，因此找刀是由兩部分運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，即手架升降找刀排，刀鏈轉(zhuǎn)動(dòng)在一排內(nèi)選刀。換刀機(jī)械手的作用是：在給定的程序指令下，配合刀庫和臥式鏜銑床實(shí)現(xiàn)所有加工工序的自動(dòng)裝刀和卸刀。 自動(dòng)換刀裝置（如圖2.1）。 圖 2.1 為了從刀庫的刀套中心處取刀，并送到主機(jī)的主軸孔處將刀具插入主軸孔，或從主軸孔中將刀具拔出取下，送到刀庫的相應(yīng)刀套處存放起來，需要換刀機(jī)械于具有下列幾個(gè)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作： 手架的升降運(yùn)動(dòng)(找刀排)；裝(或卸)刀手的伸縮運(yùn)動(dòng)(接近刀具)；手指夾緊或松開動(dòng)作；手架伸縮運(yùn)動(dòng)(拔、插刀) (垂直于紙面方向運(yùn)動(dòng)，如圖中符號所示)，手架的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(刀具換位)等。每個(gè)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作均由具體機(jī)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)介紹如下： 3.1 手架升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 當(dāng)接受使手架升降(找刀排)指今后，升降電機(jī)1帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滑座就作升降運(yùn)動(dòng)，使其上的手架帶動(dòng)裝刀手和卸刀手一同作升降運(yùn)動(dòng)。因刀庫有四排刀排，所以滑座應(yīng)上下移動(dòng)3X420毫米的距離。手架上下運(yùn)動(dòng)到接近所選刀徘位置時(shí)，其上帶的懸臂感應(yīng)塊(圖中末示出)，使無觸點(diǎn)行程開關(guān)發(fā)信號，控制滑座升降的電機(jī)減速，使滑座減速。當(dāng)?shù)竭_(dá)所選刀排所要求誰確定位時(shí)，裝在減速齒輪傳動(dòng)軸上的感應(yīng)塊使無觸點(diǎn)行程開關(guān)發(fā)信號，切斷滑座升降電機(jī)電源，電磁離合器吸合，電機(jī)停轉(zhuǎn)，滑座(即手架)停在所規(guī)定的位置上。 導(dǎo)向柱除起導(dǎo)向作用外，還使?jié)L珠絲杠在傳動(dòng)小，免受滑座及手架、裝卸刀手等的重量所造成的偏重力矩的作用，使升降運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。 滾珠絲杠和螺母間的間隙，可修磨調(diào)整墊的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 3.2 裝、卸刀手的伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指夾緊機(jī)構(gòu) 裝刀手和卸刀手對稱配置在手架上，其結(jié)構(gòu)和尺寸、運(yùn)動(dòng)要求完全相同，只是幾個(gè)主要零件(如伸縮缸體、手部指座等)形狀相反。獎(jiǎng)(卸)刀手只有伸縮運(yùn)動(dòng)和手指的夾放動(dòng)作。 裝(卸)刀手的伸縮運(yùn)動(dòng)由單桿活塞油缸實(shí)現(xiàn)?；钊透椎幕钊麠U固定在手架上，當(dāng)壓力油從油孔進(jìn)到油缸的兩腔時(shí)．推動(dòng)缸體在燕尾形導(dǎo)軌上往復(fù)移動(dòng)，其行程位置由裝在手架上的行程開關(guān)進(jìn)行檢測，并采用油缸端部節(jié)流緩沖，油缸端蓋與活塞瑞面相碰而定位。 裝刀手和卸刀手的手臂移動(dòng)方向相交成45度角，其交點(diǎn)即是裝刀手和卸刀手前伸移到終點(diǎn)時(shí)手指的夾緊中心，它要與刀庫上的刀套中心和臥式鏜銑床的主抽中心相重合，以保證能正確地裝、卸刀。 裝(卸)刀手的手部由手指座（即伸縮缸的端蓋)、固定指、活動(dòng)指、刀具定向鍵、項(xiàng)銷、卡銷、彈簧、和擋塊等組成。此手部屬于一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型彈簧式手部。在手臂伸縮運(yùn)動(dòng)裝卸刀具時(shí)，手部的活動(dòng)手指，應(yīng)能自由地從刀柄的梯形槽上滑過，抓住刀柄后，特別是在運(yùn)刀過程中，活動(dòng)手指應(yīng)鎖住，因此手部內(nèi)有鎖緊機(jī)構(gòu)。 3.3 手架伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 手架伸縮運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)裝、卸刀手的拔、插刀動(dòng)作；手架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能改變裝、卸刀手的位置(即手向主軸轉(zhuǎn)向刀庫，或手向刀庫轉(zhuǎn)向主軸)。 手架的伸縮是由滑座的伸縮來實(shí)現(xiàn)的?；瑧?yīng)(其上加工有油缸)安裝在由滾柱組(滾柱按十字交叉位置放置)和V形滑道組成的滾動(dòng)動(dòng)導(dǎo)軌上，活塞桿固定在橫梁上。當(dāng)壓力油從油管進(jìn)入油缸左腔時(shí)，推動(dòng)滑座前伸(即拔刀運(yùn)動(dòng))；若壓力油經(jīng)管進(jìn)到油缸右腔時(shí)，滑座縮間(即插刀運(yùn)動(dòng))?；男谐涛恢糜砂惭b在橫梁上的行程開關(guān)進(jìn)行檢測。為了緩和沖擊，油缸采用端部節(jié)流緩沖，并靠活塞端面與油缸端蓋相碰而定位。 手架的回轉(zhuǎn)是由安裝在滑座內(nèi)的回轉(zhuǎn)油缸來實(shí)現(xiàn)。手架與轉(zhuǎn)軸固聯(lián)，轉(zhuǎn)軸通過鍵與回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片軸相聯(lián)。當(dāng)壓力油通過油管進(jìn)到回轉(zhuǎn)油缸的工作腔時(shí)，推動(dòng)動(dòng)片軸，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，手架即回轉(zhuǎn)，其回轉(zhuǎn)位置由行程開關(guān)進(jìn)行檢測，當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)軸上的定位塊與定位螺釘相接觸時(shí)而定位。 第四節(jié) JCS-013數(shù)控鏜銑床機(jī)械手參數(shù) 4.1 爪重 抓重是機(jī)城手所能抓取或搬運(yùn)物件的最大重量，它是機(jī)械手規(guī)格中的主要參數(shù)。抓重以10公斤左右的機(jī)械手為數(shù)最多。一般將抓重1公斤以下的定為微型， 1一5公斤的定為小型； 5—30公斤的定為中型30公斤以上的定為大型。對于搬運(yùn)重量上千公斤的機(jī)械手為數(shù)不多。機(jī)械手抓重大小對其它參數(shù)如行程范圍、運(yùn)動(dòng)速度、座標(biāo)型式和緩沖裝置的設(shè)計(jì)均有影響，因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以重視。 4.2 坐標(biāo)形式 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為下列幾種 (1)直角座標(biāo)式 直角坐標(biāo)的機(jī)械手，其手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)所組成，即沿直角座標(biāo)系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為直角座標(biāo)式機(jī)械手。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于主機(jī)位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。 (2)圓控座標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)式的機(jī)械手，其手臀的運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿x軸的伸縮、沿Z軸的升降和繞z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為圓柱座標(biāo)式機(jī)械手。它與直角座標(biāo)式相比較，占地面積小而活動(dòng)范圍大．結(jié)構(gòu)較簡單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用較廣泛。但由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，沿Z軸方向移動(dòng)的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。 (3)球座標(biāo)式 球坐標(biāo)形式的機(jī)械手，其手臂的運(yùn)動(dòng)系由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)所組成，即沿x軸的伸縮、繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為球座標(biāo)式機(jī)械手。這種機(jī)械手手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)能抓取地面上的物件，為了使手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動(dòng)，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種型式的機(jī)械手具有動(dòng)作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動(dòng)形式。但結(jié)構(gòu)鉸復(fù)雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。 〔4)關(guān)節(jié)式 關(guān)節(jié)式的機(jī)械手，其手臂的運(yùn)動(dòng)類似人的手臂可作幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。它由大小兩臂和立柱等所組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成。它的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的物體并能繞過機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件，此為其它型式的機(jī)械手不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手指定位是由各個(gè)關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來決定的，所以定位精度較差，另外，控制裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)比其它型式的機(jī)械手均復(fù)雜。 4.3 JCS-013數(shù)控鏜銑床機(jī)械手的參數(shù) 表2.1 基本參數(shù) 爪重 自由度數(shù) 坐標(biāo)形式 手指加持刀具直徑 驅(qū)動(dòng)方式 控制方式 20Kg 4 圓柱坐標(biāo) 100mm 電液混合 數(shù)字 表2.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù) 拔、插刀運(yùn)動(dòng) 升降運(yùn)動(dòng) 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 裝，卸刀手臂伸縮運(yùn)動(dòng) 位移 155mm 420mm 180 195mm 速度 250mm/s 位置檢測與定位方式：滑座伸縮、手架回轉(zhuǎn)和裝、卸刀手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)采用系行程開關(guān)進(jìn)行檢測，由擋塊或活塞與端蓋定位。手架升降運(yùn)動(dòng)采用無觸點(diǎn)行程開關(guān)進(jìn)行位置檢測，并控制電動(dòng)機(jī)“實(shí)時(shí)”關(guān)閉來定位。 緩沖方式：滑座伸縮、裝卸刀手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)采用油缸端部節(jié)流緩沖；手架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用換接不通的出油口增加背壓減速緩沖；手架升降運(yùn)動(dòng)采用無觸點(diǎn)行程開關(guān)發(fā)信，使電動(dòng)機(jī)變速或停轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)減速緩沖。 第五節(jié)JCS-013數(shù)控鏜銑床機(jī)械手的組成 機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的，各部分關(guān)系如圖1.1所示。 圖1.1 機(jī)械手系統(tǒng) 5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手抓、裝卸刀手臂、滑座，橫梁和行走機(jī)構(gòu)等組成。 （1）手抓 手抓是直接抓取刀具的部分。JCS-013數(shù)控鏜銑床的換刀機(jī)械手的手部屬于夾鉗式手抓。主要由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置和自鎖機(jī)構(gòu)組成。驅(qū)動(dòng)裝置為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)源為彈簧。 圖 2.3 手抓自鎖機(jī)構(gòu)原理圖 如圖1.3所示，手抓有活動(dòng)指1和固定指2。手抓取刀后，鎖緊銷3的肩部靠彈簧4卡入頂銷5的孔內(nèi)，限制頂銷5下移，鎖住活動(dòng)指1，使手抓抓緊刀具。當(dāng)需要松開手抓時(shí)，靠主軸套筒端面及手臂支架上的松開導(dǎo)板6,將鎖緊銷3頂進(jìn)去，此時(shí)頂銷5可以下移，使活動(dòng)指松開。手抓加緊力越5公斤。 裝卸刀手臂是一個(gè)油缸的缸體，其活塞桿固定在手架上。缸體與手指通過手指座用螺釘固連在一起。當(dāng)壓力油通過活塞桿內(nèi)的油路通道進(jìn)入活塞小面短時(shí)手臂帶動(dòng)手指后縮。當(dāng)壓力油通過活塞桿內(nèi)的油路通道進(jìn)入活塞大面端時(shí)，手臂帶動(dòng)手指向前伸。 （2）滑座 滑座（圖1.2所示）上加工有伸縮缸缸體，其活塞連桿通過螺栓固定在橫梁上。當(dāng)通入液壓油時(shí)滑座可沿橫梁做伸縮運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)油缸安裝在滑座上，通過回轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)手架做180回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （3）橫梁 橫梁是帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手做升降運(yùn)動(dòng)的部件。升降電機(jī)通過帶動(dòng)絲杠副轉(zhuǎn)動(dòng)，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成整個(gè)機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手沿著左右兩個(gè)光杠上下運(yùn)動(dòng)。 5.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式四種。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但臂力小。液動(dòng)式的臂力大，可采用液壓伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，在機(jī)械手中得到廣泛應(yīng)用。定位精度一般在-1mm~1mm范圍之內(nèi)。 JCS-013數(shù)控鏜銑床機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括升降電機(jī)、插拔刀行程的伸縮油缸和回轉(zhuǎn)油缸。 5.3 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)主要有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種。是對整個(gè)機(jī)床進(jìn)行控制的電氣系統(tǒng)。 JCS-013數(shù)控鏜銑床的機(jī)械手采用點(diǎn)動(dòng)控制。通過用無觸點(diǎn)行程開關(guān)檢測機(jī)械手位置的方法進(jìn)行對機(jī)械手位置的控制。當(dāng)機(jī)械手到達(dá)某一行程開關(guān)位置時(shí)，行程開關(guān)向主機(jī)發(fā)信號，主機(jī)根據(jù)程序向機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令，控制其減速或停止。 第三章 升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 第一節(jié) 升降電機(jī)的選擇 1.1 升降電機(jī)的理論分析 電機(jī)拖動(dòng)機(jī)構(gòu)受力分析如圖3.1所示： 圖3.1 機(jī)械手升降電機(jī)受力分析（ M表示機(jī)械手自重，m表示爪重） 當(dāng)手抓接到上升找刀排的指令后，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠向使手抓上升的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)手抓上升到接近所選刀排位置時(shí)，手臂支架上的感應(yīng)塊，使刀庫上與刀排位置相應(yīng)的無觸點(diǎn)開關(guān)發(fā)出訊號，電動(dòng)機(jī)變速，手架隨之減速，裝在訊號盤上的定位塊轉(zhuǎn)到使訊號開關(guān)同時(shí)發(fā)出訊號時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，摩擦片式離合器吸合，絲杠制動(dòng)，手抓準(zhǔn)確地停在預(yù)定的換刀位置上。手架下降找刀排過程與上升情況基本相同，只是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠時(shí)旋轉(zhuǎn)的方向相反。 分析電機(jī)的運(yùn)行過程可知，電機(jī)工作時(shí)間比較短，而停機(jī)時(shí)間比較長，屬于短時(shí)工作制的電機(jī)。所以機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)工作特點(diǎn)是：工作時(shí)溫升達(dá)不到最高值，而停車時(shí)可完全冷卻到周圍環(huán)境溫度，如圖2.2所示。由于發(fā)熱情況與長期連續(xù)工作方式的電機(jī)不同，所以，電動(dòng)機(jī)的選擇也不一樣，即可選擇專用短時(shí)工作的電機(jī)，也可選擇連續(xù)工作制的普通電機(jī)。 通過傳動(dòng)過程的受力分析可知，如圖3.1。電機(jī)的負(fù)載為恒定負(fù)載，電機(jī)的輸出功率分為兩部分，一部分通過齒輪減速傳遞給制動(dòng)器。另外一部分通過絲杠傳遞給手抓。忽略導(dǎo)向柱摩擦力引起的功率損失可用公如下公式表達(dá)： P電=P制 + P手抓 （3.1） P電為電機(jī)理論輸出功率。P手抓為手抓理論輸入功率。P制為制動(dòng)器理論輸入功率。由于制動(dòng)器的輸入功率相比手抓理論輸入功率很小，所以可忽略不記。于是： P電=P手抓 （3.2） 對于負(fù)載功率PL恒定不變的成產(chǎn)機(jī)械，拖動(dòng)這類機(jī)械的電動(dòng)機(jī)在短時(shí)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載圖及溫升曲線如圖2.2所示。為這類工作機(jī)械選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，只需按設(shè)計(jì)手冊中的計(jì)算公式算出負(fù)載所需輸入功率PW，再選擇一臺額定功率為 PN≥PW （3.3） 的電機(jī)即可。 圖3.2 恒定負(fù)載短時(shí)工作的負(fù)載圖及溫升圖 1.2升降電機(jī)的選擇 電動(dòng)機(jī)所需的輸出功率為： Pn = （3.3） PW為工作機(jī)械所要求的輸入功率（Kw）；η為電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率。 由于機(jī)械手升降機(jī)的電動(dòng)機(jī)是通過間連接直接傳遞到工作機(jī)的，所以η=1;于是： Pn=PW （3.4） 工作機(jī)要求輸入功率根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可查到計(jì)算公式： PW = （3.5） F為工作機(jī)的阻力；v為升降機(jī)構(gòu)的上升速度；ηw為工作機(jī)的效率。 由表2.2知，v=250mm/s； 由表2.2和受力分析圖2.1知 F=(M+m)g=(22Kg+20Kg)x10N/Kg=420N; 工作機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中包括一對球軸承運(yùn)動(dòng)副和一個(gè)滾珠絲杠副，查機(jī)械手冊可知球軸承的傳動(dòng)效率 ηQ=0.99； 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 ηG=0.85~0.95； 選擇ηG=0.85； 則：ηw=ηQxηG=0.99x0.85=0.8415； 把數(shù)據(jù)帶入式3.5可得工作機(jī)要求輸入功率為： PW = ==0.125Kw； 根據(jù)式3.4電機(jī)的理論輸出功率 Pn=PW=0.125Kw； 根據(jù)式3.3選用電機(jī)的額定功率PN≥0.125Kw即可。 由于滾珠絲杠的導(dǎo)程選擇為10；根據(jù)導(dǎo)程公式： Ph= （3.5） vmax=250mm/s；按照機(jī)械手冊表12-1-14，取Ph=10；可推算出： nmax= ==25r/s=1500r/min （3.6） 由以上分析可選擇一個(gè)功率大于0.36kW，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的三相異步電機(jī)。按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表17-1-35，選取型號為Y801-4的三相異步電動(dòng)機(jī)。基本參數(shù)如表3.1所示。 型號 額定 功率/（kW） 同步 轉(zhuǎn)速 /rmin-1 滿載時(shí) 額定電流 /A 轉(zhuǎn)速 /rmin-1 效率 /% 功率 因數(shù) Y801-4 0.55 1500 1.5 1390 73.0 0.76 第二節(jié) 電機(jī)調(diào)速 三相異步電機(jī)的調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速、改變極對數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速。 變頻調(diào)速的機(jī)械特性如圖3.3所示。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于定子電源的頻率f，若連續(xù)的調(diào)節(jié)定子電源頻率，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖3.3 三相異步電機(jī)變頻調(diào)速認(rèn)為機(jī)械特性 2.1 變頻調(diào)速 所謂變頻調(diào)速，就是通過改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速過程中，從高速刀低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因而，具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。可以認(rèn)為，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速最有發(fā)展前途的一種方法。 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 變頻器選型： 變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn)： 1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。 2) 變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。 3) 變頻器與負(fù)載的匹配問題； I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。 II. 電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。 III.轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。 4) 在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。 5) 變頻器如果要長電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 6) 對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時(shí)會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。 變頻器控制原理圖設(shè)計(jì)： 1) 首先確認(rèn)變頻器的安裝環(huán)境； I.工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)品一般要求為0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時(shí)應(yīng)考慮留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部，并嚴(yán)格遵守產(chǎn)品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。 II. 環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時(shí)，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時(shí)，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。在水處理間，一般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個(gè)問題會比較突出。 III.腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。 IV. 振動(dòng)和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機(jī)械振動(dòng)和沖擊時(shí)，會引起電氣接觸不良?；窗矡犭娋统霈F(xiàn)這樣的問題。這時(shí)除了提高控制柜的機(jī)械強(qiáng)度、遠(yuǎn)離振動(dòng)源和沖擊源外，還應(yīng)使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關(guān)之類產(chǎn)生振動(dòng)的元器件。設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)對其進(jìn)行檢查和維護(hù)。 V. 電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應(yīng)該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應(yīng)可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應(yīng)接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個(gè)系統(tǒng)無法工作，導(dǎo)致控制單元失靈或損壞。 2) 變頻器和電機(jī)的距離確定電纜和布線方法； I.變頻器和電機(jī)的距離應(yīng)該盡量的短。這樣減小了電纜的對地電容，減少干擾的發(fā)射源。 II. 控制電纜選用屏蔽電纜，動(dòng)力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機(jī)全部用穿線管屏蔽。 III.電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時(shí)應(yīng)避免電機(jī)電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關(guān)的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。 IV. 與變頻器有關(guān)的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線，動(dòng)力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規(guī)格要比普通電機(jī)的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊。 3) 變頻器控制原理圖； I.主回路：電抗器的作用是防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過電源的輸入回路返回到電網(wǎng)從而影響其他的受電設(shè)備，需要根據(jù)變頻器的容量大小來決定是否需要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當(dāng)變頻器到電機(jī)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護(hù)功能，但缺相保護(hù)卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護(hù)，選型時(shí)可按照變頻器的容量進(jìn)行選擇?？梢杂米冾l器本身的過載保護(hù)代替熱繼電器。 II. 控制回路：具有工頻變頻的手動(dòng)切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時(shí)可以手動(dòng)切工頻運(yùn)行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。 4) 變頻器的接地； 變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線的截面不小于4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應(yīng)和動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)分開，不能共地。信號線的屏蔽層一端接到變頻器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。 變頻器控制柜設(shè)計(jì)： 變頻器應(yīng)該安裝在控制柜內(nèi)部，控制柜在設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下問題 1) 散熱問題：變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常可靠運(yùn)行，必須對變頻器進(jìn)行散熱我們通常采用風(fēng)扇散熱；變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運(yùn)行；大功率的變頻器還需要在控制柜上加風(fēng)扇，控制柜的風(fēng)道要設(shè)計(jì)合理，所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)，排風(fēng)通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積；根據(jù)變頻器說明書的通風(fēng)量來選擇匹配的風(fēng)扇，風(fēng)扇安裝要注意防震問題。 2) 電磁干擾問題： I.變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進(jìn)入整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個(gè)系統(tǒng)25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。 II.當(dāng)系統(tǒng)中有高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、電鍍電源時(shí)，變頻器本身會因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)保護(hù)，則考慮整個(gè)系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。 3) 防護(hù)問題需要注意以下幾點(diǎn)： I.防水防結(jié)露：如果變頻器放在現(xiàn)場，需要注意變頻器柜上方不的有管道法蘭或其他漏點(diǎn)，在變頻器附近不能有噴濺水流，總之現(xiàn)場柜體防護(hù)等級要在IP43以上。 II. 防塵：所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)阻隔絮狀雜物進(jìn)入，防塵網(wǎng)應(yīng)該設(shè)計(jì)為可拆卸式，以方便清理，維護(hù)。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)場的具體情況確定，防塵網(wǎng)四周與控制柜的結(jié)合處要處理嚴(yán)密。 III.防腐蝕性氣體：在化工行業(yè)這種情況比較多見，此時(shí)可以將變頻柜放在控制室中。 變頻器接線規(guī)范： 信號線與動(dòng)力線必須分開走線：使用模擬量信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制變頻器時(shí)，為了減少模擬量受來自變頻器和其它設(shè)備的干擾，請將控制變頻器的信號線與強(qiáng)電回路（主回路及順控回路）分開走線。距離應(yīng)在30cm以上。即使在控制柜內(nèi)，同樣要保持這樣的接線規(guī)范。該信號與變頻器之間的控制回路線最長不得超過50m。 信號線與動(dòng)力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部：連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設(shè)備的干擾；同時(shí)由于變頻器無內(nèi)置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級動(dòng)力線對外部會產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，因此放置信號線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號線與動(dòng)力線的徹底分開。 1) 模擬量控制信號線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在接線時(shí)一定要注意，電纜剝線要盡可能的短（5-7mm左右），同時(shí)對剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其它設(shè)備接觸引入干擾。 2) 為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。 變頻器的運(yùn)行和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置： 變頻器的設(shè)定參數(shù)多，每個(gè)參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個(gè)別參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象。 控制方式：即速度控制、轉(zhuǎn)距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根據(jù)控制精度，需要進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)辨識。 最低運(yùn)行頻率：即電機(jī)運(yùn)行的最小轉(zhuǎn)速，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，其散熱性能很差，電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速下，會導(dǎo)致電機(jī)燒毀。而且低速時(shí)，其電纜中的電流也會增大，也會導(dǎo)致電纜發(fā)熱。 最高運(yùn)行頻率：一般的變頻器最大頻率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高頻率將使電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這對普通電機(jī)來說，其軸承不能長時(shí)間的超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是否能承受這樣的離心力。 載波頻率：載波頻率設(shè)置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機(jī)發(fā)熱，電纜發(fā)熱變頻器發(fā)熱等因素是密切相關(guān)的。 電機(jī)參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機(jī)的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、最大頻率，這些參數(shù)可以從電機(jī)銘牌中直接得到。 跳頻：在某個(gè)頻率點(diǎn)上，有可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，特別在整個(gè)裝置比較高時(shí)；在控制壓縮機(jī)時(shí)，要避免壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)。 常見故障分析： 1) 過流故障：過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其可能是由于變頻器的加減速時(shí)間太短、負(fù)載發(fā)生突變、負(fù)荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時(shí)一般可通過延長加減速時(shí)間、減少負(fù)荷的突變、外加能耗制動(dòng)元件、進(jìn)行負(fù)荷分配設(shè)計(jì)、對線路進(jìn)行檢查。如果斷開負(fù)載變頻器還是過流故障，說明變頻器逆變電路已環(huán)，需要更換變頻器。 2) 過載故障：過載故障包括變頻過載和電機(jī)過載。其可能是加速時(shí)間太短，電網(wǎng)電壓太低、負(fù)載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時(shí)間、延長制動(dòng)時(shí)間、檢查電網(wǎng)電壓等。負(fù)載過重，所選的電機(jī)和變頻器不能拖動(dòng)該負(fù)載，也可能是由于機(jī)械潤滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機(jī)和變頻器；如后者則要對生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行檢修。 3) 欠壓：說明變頻器電源輸入部分有問題，需檢查后才可以運(yùn)行。 第四章 滾珠絲杠副 第一節(jié) 工作原理及特點(diǎn) 為了減小絲杠傳動(dòng)副的摩擦和提高傳動(dòng)效率，早在本20世紀(jì)四十年代國外已采用了以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦的原理，即簡稱“滾化”原理，而發(fā)明了滾珠絲杠副這種先進(jìn)的新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。所以，滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以滾珠為滾動(dòng)體螺旋傳動(dòng)元件。 對于滾珠絲杠副，其結(jié)構(gòu)上最明顯的特征是：構(gòu)件間的可動(dòng)聯(lián)接通常不是借助于運(yùn)動(dòng)副本身，而是在絲杠和螺母兩構(gòu)件之間利用中間元件(滾珠)來實(shí)現(xiàn)的。滾珠絲杠副與滾動(dòng)軸承相類似，它們都是借助于滾珠來實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的可動(dòng)連接的。 1.1滾珠絲杠副的工作原理 如前所地滾珠絲柱副是在絲桿和螺母之間放入適量滾珠；使絲杠與螺母之間由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的絲杠傳功。滾珠絲杠副在機(jī)械傳動(dòng)中的作用，同樣是可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)．也可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。根據(jù)絲杠和螺母相對運(yùn)動(dòng)的組合情況，其傳動(dòng)方式也是多種多樣的。 滾珠絲杠副一般是由絲杠1、螺母2、滾珠(鋼球)3及滾珠循環(huán)返回裝置4，四個(gè)部分組成(圖4.1)。 （a）滾珠外循環(huán)式；(b)滾珠內(nèi)循環(huán)式。 圖4.1滾珠絲杠副基本結(jié)構(gòu) 從圖4.1可知，滾珠絲杠副就是指在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間，連續(xù)填滿滾珠作為中間體的螺旋傳動(dòng)。其工作原理如下：當(dāng)螺母2(或絲杠1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在絲杠與螺母間布量的滾珠3依次沿螺紋滾道滾動(dòng)同時(shí)滾珠3促使絲杠1(或螺母2)作直線運(yùn)動(dòng)。為了防止?jié)L珠沿螺紋滾道滾出，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置(返向器)4，構(gòu)成一個(gè)滾珠循環(huán)通道。借助于這個(gè)返回裝置，可以使?jié)L珠沿滾道面運(yùn)動(dòng)后，經(jīng)通道自動(dòng)地返回到其工作的入口處，從而使?jié)L珠能在螺紋滾道上繼續(xù)不斷地參與工作。為了消除間隙和提高傳動(dòng)精度及剛度，滾珠螺母常由兩段組成。 1.2滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn) 由上述工作原理可知，滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副比較，它以滾動(dòng)摩擦代替了滑動(dòng)摩擦，因此，具有以下特點(diǎn)。 (1)摩擦損失小、傳動(dòng)效率高 由于滾動(dòng)絲杠副的摩擦損失小，其傳動(dòng)效率可達(dá)90一96％，約為滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)效率的2—3倍。 (2)磨損小、壽命長 通常，滾珠絲杠副的主要零件、如絲杠、螺母及滾珠都是經(jīng)過淬火的，并有很低的表面粗糙度；而且滾動(dòng)摩擦的損失很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作壽命長。 (3)軸向剛度高 由于滾珠絲杠副可以完全地消除傳動(dòng)間隙，而不致影響絲杠運(yùn)動(dòng)的靈活性，因而可以獲得較高的軸向剛度。通常，可以通過預(yù)緊來提高鈾向剛度。 (4)摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 由于是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差極小，其摩擦阻力幾乎與速度無關(guān)，而且靜止摩擦力極小，啟動(dòng)力矩與運(yùn)動(dòng)力矩近于相等。因而靈敏度高，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無顫動(dòng)，低速傳動(dòng)時(shí)無爬行現(xiàn)象。 (5)不能自鎖、具有傳動(dòng)的可逆性 由于滾珠絲杠副沒有自鎖能力，故具有傳動(dòng)的可逆性。當(dāng)它垂直升降傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)必須增設(shè)自鎖裝置或制動(dòng)裝置，以防止產(chǎn)生逆?zhèn)鲃?dòng)。 由于滾珠絲杠副具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以它日益廣泛地應(yīng)用于精密機(jī)械、機(jī)床、汽車、船舶、火炮、航空、航天和紡織等工業(yè)部門。但是，與滑動(dòng)絲杠副相比，滾珠絲杠副尚存在如下的缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝難度大，成本高。 第二節(jié) 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）初算導(dǎo)程Ph 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（1） Ph= = = =10mm （4.1） 按機(jī)械手設(shè)計(jì)手冊表12-1-14，取Ph=10mm。 （2）確定當(dāng)量載荷Fm （4.2） 由于升降機(jī)的載荷是恒定的，所以： Fm=(M+m)g=(100+20)kg 10N/kg=1200N （4.3） (3) 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm 由于機(jī)械手升降機(jī)的轉(zhuǎn)速基本也是恒定的，故： nm=1500r/min (4) 確定額定動(dòng)載荷Cam （4.4） fw為載荷性質(zhì)系數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-43選擇 fw=1.1； Lh為預(yù)期工作壽命，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-45選擇 Lh=20000小時(shí) fa為精度系數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-41選取 fa=0.8 fc為可靠性系數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-42選擇 fc=0.21。 把數(shù)據(jù)帶入公式（4.4） Cam=33.5kN 擬采用中預(yù)緊絲杠，由表12-1-44取fe=4.5，按最大載荷計(jì)算，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（7）可得 取C’am與C’’am交大值，則Cam=15.9kN。 (5)確定允許的最小螺紋底徑d2m 估算絲杠允許的最大軸向變形： 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式 （8） （4.5） 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式 （9） （4.6） 取兩結(jié)果最小值 按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（11） （4.7） 由于升降機(jī)不受徑向力，所以W=0；即 F‘0=0 。升降機(jī)只有軸向載荷 即 可取L=1580mm。 絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式Q=0.039代入機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40式（10） （4.8） （6）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 內(nèi)循環(huán)固定法蘭式，雙螺母墊片預(yù)緊G型4010-4。由表12-1-33知d0=40mm，d2=32.9mm>d2m=20.0mm，Ca=34.358kN>Cam=33.5kN ，Coa=85.824kN，Dw=5.953mm，R’nu=486N/微米。由表12-1-33中查出螺母長為94mm，同時(shí)選定JB/T 3162推薦的固定軸端型式，d0=40mm，采用一個(gè)角接觸球軸承和推力球軸承，從表12-1-26中可查出一個(gè)支承長度69mm。 （7）Dn值校驗(yàn) 按表12-1-40中式（12） 合格。 （8）確定滾珠絲杠副預(yù)緊力 按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（13） （4.9） 取 FP=150N。 （9）計(jì)算行程補(bǔ)償值C 按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（14），取Δt=2.5℃, （4.10） 取lu=1400mm，則 （4.11） （10）計(jì)算預(yù)拉伸力Ft 由表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊12-1-40中式（15） （4.12） (11) 滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速nc的計(jì)算 按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（16），按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-47,f=21.9 （4.12） 則 （4.13） 合格。 （12）滾珠絲杠壓感穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于升降機(jī)絲杠最大軸向載荷P=200N小于絲杠之預(yù)拉伸力Ft=5276.7絲杠不會受壓失穩(wěn)，不用驗(yàn)算。 按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（19）驗(yàn)算抗拉強(qiáng)度 （4.14） 遠(yuǎn)低于鋼材需用拉應(yīng)力。 （13）系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及粒度選擇 ①滾珠絲杠的拉壓剛度是隨螺母在絲杠上的位置變化而變化的，最大值在端部,螺母至固定支承距離最大時(shí)，即處。而螺母處于兩支點(diǎn)中部，即處時(shí)剛度最小。 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（21） （4.15） （4.16） ②支承軸承的組合剛度：由軸承樣本dQ=7.144,Z=17, β=60等資料得RBO=670N/μm。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-46，對兩端固定并預(yù)緊的軸承Rb=2RBO=2x670=1340N/μm。 ③滾珠絲杠副滾珠和滾道的結(jié)束剛度按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（22） （4.17） ④由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-40中式（20）可得R的最大于最小值如下： （4.18） （4.19） ⑤傳動(dòng)系統(tǒng)的最小剛度（空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)）：空載軸向力F0為Mg=22kgx10=220N，重復(fù)定位精度即為反向差值，為10μm。 則： ⑥傳動(dòng)系統(tǒng)的定位誤差： 任意300mm內(nèi)行程變動(dòng)量對半閉環(huán)系統(tǒng)而言 選絲杠副為3級精度V300p=12μm<15.7μm，可用。 （14）最終確定滾珠絲杠副的規(guī)定代號：G型4010-4，d0=40mm,Ph=10mm,P類3級精度等級，標(biāo)記為G4010-4-3-P3。 第五章 控制系統(tǒng) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動(dòng)作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序、應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動(dòng)、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動(dòng)、手腕上下、左右擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)、手指的開閉動(dòng)作，以及各個(gè)動(dòng)作的時(shí)間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運(yùn)動(dòng)部件沿各坐標(biāo)軸的動(dòng)作按照程序來實(shí)現(xiàn)的。一般機(jī)械設(shè)備的控制系統(tǒng)，多著眼于自身運(yùn)動(dòng)的控制，而機(jī)械手的控制系統(tǒng)更注意本部與操作對象的關(guān)系，因此，對于機(jī)械手的控制系統(tǒng)來說，無論多么高級的系統(tǒng)，如果不能按要求把工件，件傳送到指定的位 置，都是毫無意義的。 第一節(jié) 電氣控制系統(tǒng) 在機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)中，檢測機(jī)構(gòu)有著重要的作用。檢測是為進(jìn)行比較和判斷提供依據(jù)，是操和控制的基礎(chǔ)。機(jī)械手位置檢測傳感元件有： (1)模擬式 將位移址變成模擬量(電流、電壓、電阻等)進(jìn)行測量，這種檢測元件成本較低，使用條件不嚴(yán)格。如行程開關(guān)、電位器、差動(dòng)變壓器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。 (2)數(shù)字式 檢測元件輸出數(shù)字信號，便于存儲、運(yùn)算和控制，其制造安裝精度要求高。 將位移變換為數(shù)字量的傳統(tǒng)方法，是先將位移變換為電信號的模擬量，然后再將模擬量變換為數(shù)字量，由于這種方法受模擬式傳感器和模——數(shù)轉(zhuǎn)換器變換精度的