硅钢片检测仪输送机械手设计说明书.docx
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硅钢片检测仪输送机械手设计说明书
硅钢片检测仪输送机械手设计说明书
设计者：
叶超、李嘉勤、万智涛、陈衍祥
指导老师：
肖华
（武汉大学动力与机械学院机械系武汉430072）
作品内容简介
本作品是硅钢片检测仪中用来输送硅钢片的机械手。
硅钢片检测仪是类似于流水线的一个检测系统，分为下料、输送、工作三个区，本作品负责检测仪中输送这部分的任务。
该机械手具有5个自由度，可以实现沿着X、Y、Z三个坐标轴的直线运动以及绕X、Y两个坐标轴的转动。
该机械手结构紧凑，设计轻巧，以直流电动机为主要动力源，以同步带传动和丝杠传动作为主要的传动方式，使用光电传感器和PLC进行控制，能够快速、准确地将薄而小的硅钢片取得并输送到不同的工序位置（取料工位、清洗工位、烘干工位、冲孔工位），按照不同的工序要求，对硅钢片准确的进行各种输送操作，实现了检测仪中硅钢片输送的自动化，从而使硅钢片检测仪的工作效率和工作质量有了很大程度的提高。
一、研制背景及意义
像武钢这样的大型钢厂，每年要加工的硅钢片有几万吨，每几吨就要从中抽取些硅钢片进行检测，主要是在硅钢片不同的位置冲几个圆片，然后对这些圆片进行检测。
被采样出来待检测的硅钢片数量非常多，工人们的劳动任务非常繁重。
在硅钢片加工车间的现场，我们看到了工人手动对硅钢片进行清洗、烘干、冲孔等操作。
这些硅钢片的尺寸是300
30
0.5mm，非常的薄，需要一片一片的分开，然后再手动进行操作，效率非常低下，而且容易出错。
这些硅钢片可不可以被自动加工呢，有没有一种机械装置能够代替人去完成这所有的工作？
学以致用，带着这样的疑问，我们决定将书本上的知识运用到实际中，来初步解决这个问题。
为此我们开始准备研制一种自动化的设备，它可以自动运送硅钢片到各个工位，使硅钢片的加工变得快速、准确。
这个输送机械手应该能完成输送的各个动作，可以夹取硅钢片，然后输送到不同的工位，并且在不同的工位，对硅钢片的位置进行调整，使其容易被加工。
并且这个机械手得是全自动的，它的动作可以循环进行，可以不停的进行工作。
很显然如果用这样的机械手代替人工来操作，硅钢片加工的工作效率和工作质量可以得到很大程度的提高，这也是我们制作这个机械手的初衷。
二、基本结构组成与原理
机械手输送的全过程可以分解为以下五个步骤：
夹取硅钢片；送至清洗工位；送至烘干工位；送至冲孔工位；丢弃废料。
这五个步骤的流程图如下：
图1输送流程图
为了完成以上5个步骤，设计的机械手由以下6个机构组成：
1、手指机构：
手指压块、手指杠杆、手指臂板、凸轮、弹簧、插销及电机；
由电机带动凸轮转动，转动到小径与插销接触时，弹簧伸长，通过手指臂板作为杠杆将手指压块合拢，从而将硅钢片夹紧；当凸轮转动到大径与插销接触时，弹簧被压缩，通过手指臂板将手指压块张开，将硅钢片放下，完成手指的伸开与夹紧过程。
图2手指机构
2、手腕机构：
带齿轮的腕部、腕回转丝杆、齿条、电机；
由电机带动腕回转丝杠旋转，通过螺纹传动的方式带动齿条的来回移动，从而实现腕部的摆动，腕部相对于支撑架可旋转90°
图3手腕机构
3、小臂伸缩机构：
电机、丝杠、螺母、滑动轴
由电机带动丝杠旋转，通过螺纹传动带动与螺母固定的滑动轴来回移动，行程80mm。
图4小臂伸缩机构
4、大臂回转机构：
电机、丝杠、齿条、带有齿轮的转轴
由电机带动丝杠旋转，同样通过螺纹传动的方式带动齿条的来回移动，从而实现转轴的摆动,转轴相对于支撑架可旋转的总行程为θ=90º。
图5大臂回转机构
5、升降机构：
电机、同步带、带轮、滚珠丝杠、导轨、滑块
电机带动同步带轮1转动，同步带轮1通过带传动带动同步带轮2转动。
带轮2带动与其固定的滚珠丝杠转动从而使滑块沿着导轨上下滑动。
行程为250mm。
图6升降机构
6、水平滑动机构：
电机、同步带、带轮、导轨、支架
由电机带动同步带轮转动，同步带带动和带固定在一起的机身在导轨上滑动。
滑动行程为220mm。
图7水平滑动机构
2.2运动过程
1、取料滑台通过升降机构下降到最低点；手指机构夹紧硅钢片。
2、送至清洗工位滑台通过升降机构上升到工作平面；机身通过水平滑动机构移动到清洗工位；腕部通过手腕旋转机构逆时针旋转90度摆成水平。
3、送至烘干工位机身通过水平滑动机构移动到烘干工位。
4、送至冲孔工位机身通过水平滑动机构移动到冲孔工位；转轴通过大臂回转机构逆时针旋转90度，硅钢片转成水平，等待冲第一个孔；滑动轴通过小臂伸缩机构伸出80mm，等待冲第二个孔；
5、丢弃废料滑台通过升降机构上升到最高点；机身通过水平滑动机构移动到丢料位置；滑动轴通过小臂伸缩机构回缩80mm；转轴通过大臂回转机构顺时针旋转90度，硅钢片转成垂直；腕部通过手腕旋转机构顺时针旋转90度；手指机构送开，废硅钢片掉下。
6、回到取料工位机身通过水平滑动机构往后移动到取料工位。
至此完成一个运动周期。
2.3运动特点
机构的传动方式是采用丝杠与螺纹啮合、同步带传动以及齿条与齿轮啮合的结构。
传动平稳，灵活，功耗小，噪音小。
2.4基本设计要求
1、由于硅钢片只有0.5mm的厚度，非常薄，手指夹块夹紧时必须有足够的夹紧力以及很小的间隙。
2、手腕部分旋转90度以后得有自锁性，保证手腕摆平后不会因为重力的作用而反转。
这也要求手腕部分重量尽量的轻。
3、升降机构和水平滑动机构的效率尽可能高。
因为这两个运动属于主运动，它们的效率直接影响硅钢片加工的总效率。
故升降机构选择滚珠丝杠传动，传动效率更高，更平稳。
而水平滑动机构则选择大功率电机。
三、理论设计计算（由于篇幅有限，只选择了2个带传动的计算和弹簧的计算）
3.1水平运动同步带传动计算
1、选择带传动类型：
周节制同步带
2、初始条件：
传动功率P=0.1KW带速
=0.4m/s
3、确定设计功率Pd
Pd=KAP,取KA=1.2，得Pd=0.12KW
4、选择带轮直径，齿数，计算带轮转速：
由V=
得，n1
=7640（r.mm/min）。
先任选
再计算出
，再由机械设计手册第四版第三卷表13-1-71中，对照
查看额定功率P0与计算功率Pd是否接近。
查表得，选齿带类型为L型，pb=9.525mm，则有
=72.8mm,小带轮齿数Z1=24,
=105r/min。
此时齿带基本额定功率P0=0.09，与Pd=0.12KW接近。
取大带轮直径和小带轮直径相同，则
=72.8mm,Z2=24，
=100r/min。
5、选择带长
初定轴间距：
选a0=325mm,采用中心距可调结构。
确定带长L0p=2a0+
（
）L0p=878.7mm由表13-1-52选Lp=876.3mm长度代号345，Zb=92。
实际中心距a=a0+
=323.7mm。
6、确定小带轮啮合齿数Zm
Zm=ent[
]=12
7、确定基本额定功率
由表13-1-71查得P0=0.10KW
8、确定带宽bs
bs
查表13-1-66得KZ=1.0，计算得bs
29.2mm,选bS=30mm。
9、作用在轴上的力
Fr=
，得Fr=450N。
综述：
选择周节制同步带，L型号，长度为876.3mm，带宽为25.4mm，带齿数为92，中心距323.7mm。
选择带轮，齿数为26，节径78.83mm,外径78.07mm。
带轮为双边挡圈，宽度31mm。
3.2竖直运动同步带传动设计
1、选择带传动类型：
周节制同步带
2、初始条件：
传动功率P=0.05KWn1=1800转/分
3、确定设计功率Pd
Pd=KAP,取KA=1.2，得Pd=0.06KW
4、选择带型，齿数，计算带的速度：
由机械设计手册第四版第三卷表13-1-71中，对照
查看额定功率P0与计算功率Pd是否接近。
查该表得：
当选择带型为XL型，带轮齿数为12，节径
为19.40MM时，同步带的基本额定功率P0=0.092KW接近于Pd，故选此带型及带轮。
由V=
得，带速V=1.82m/s。
取大带轮直径和小带轮直径相同，则
=19.40mm,Z2=12，
=1800r/min。
5、选择带长
初定轴间距：
选a0=97mm，采用中心距可调结构。
确定带长L0p=2a0+
（
）L0p=254.9mm由表13-1-52选Lp=254mm,长度代号100，Zb=50。
实际中心距a=a0+
=96.5mm。
6、确定小带轮啮合齿数Zm
Zm=ent[
]=6
7、确定基本额定功率
由表13-1-71查得P0=0.062KW
8、确定带宽bs
bs
，查表13-1-66得KZ=1.0，计算得
bs
9.5mm,选bS=9.5mm。
9、作用在轴上的力
Fr=KF
，由图13-1-12确定KF=1，得Fr=41N。
综述：
选择同步齿形带，XL型号，长度为254mm，带宽为9.5mm，带齿数为50，中心距96.5mm。
选择带轮，齿数为12，节径19.40mm,外径18.90mm。
带轮为双边挡圈，宽度15mm
3.3压缩弹簧的设计
1、设计要求
安装载荷（要求）F1'=30（N）
安装高度H1=15（mm）
工作载荷（要求）F2'=50（N）
工作行程h=6（mm）
则可以算出要求刚度k'=（F2'-F1'）/h=3.33（N/mm）
载荷作用次数N=10000（次）
载荷类型NType=Ⅱ类
2、材料
选用碳素弹簧钢丝C级材料的具体参数如下
切变模量G=71000（MPa）
弹性模量E=206000（MPa）
抗拉强度σb=1980（MPa）
许用切应力
b=812（MPa）
3、端部结构
选用端部型式sType=YⅠ2端圈并紧并磨平。
压并圈取值范围n2'=1～2.5
故取压并圈数n2=1
4、基本参数的计算
工作极限载荷Pj
K1*F2',选取K1=1.1，则Pj=55（N）
查机械设计手册第四版第3卷表11-2-19，得：
材料直径d/mm
弹簧中径D/mm
工作极限载荷Pj/N
工作极限载荷下的单圈变形量fj/mm
单圈刚度Pd'/N.mm-1
1.2
10
55.10
2.691
20.5
旋绕比C=D/d=8.33
n=Pd'/k'=20.5/3.33=6.15
按照表11-2-10选取标准值，取有效圈数n=6，压并圈数n2=1则
弹簧总圈数n1=n2+n=7
实际刚度k=3.41（N/mm）
工作极限载荷下的变形量Fj=nfj=6
2.691=16.15（mm）
节距t=
=16.15/6+1.2=3.89（mm）
自由高度H0=nt+1.5d=6
3.89+1.5
1.2=25.15（mm）
弹簧外径D2=D+d=10+1.2=11.2（mm）
弹簧内径D1=D-d=10-1.2=8.8（mm）
螺旋角
=arctan
=arctan
=7.01（度）
材料展开长度L=
=222（mm）
5、校核与分析
要求刚度k'=3.33（N/mm），实际刚度k=3.41（N/mm），，刚度相对误差δk=2.4（%）
安装载荷（设计）F1=30（N）
安装高度H1=H0-
=25.15-
=16.35（mm）
工作载荷（设计）F2=50（N）
工作高度H2=H0-
=25.15-
=10.48（mm）
实际工作行程h=H1-H2=16.35-10.48=5.87（mm）
高径比b=
=
=2.515<2.6，依照表11-2-21不必进行稳定性计算。
最小切应力τmin=
=521.67（MPa）
最大切应力τmax=
=869.46（MPa）
安全系数S=
=
=1.47
=1.3-1.7满足要求
弹簧自振频率f=3.56
=712（Hz）
强迫震动频率fr则很小，在生产中40S内夹爪大部分时间处于夹紧状态，故f>10fr很容易满足要求
6、尺寸参数
弹簧中径D=10（mm）,材料直径d=1.2（mm）,刚度k=3.41（N/mm）
自由高度H0=25.15（mm），安装高度H1=16.35（mm）
工作高度H2=10.48（mm），实际工作形成h=5.87（mm）
节距p=3.89（mm），螺旋角α=7.01（度），弹簧材料展开长度L=222（mm）
四、控制系统的设计
控制系统采用16个继电器，通过PLC控制6个电机的正反转，以实现整个运动机构预期设计的运动。
电机的驱动采用24V直流电源。
整个控制系统的电路原理图如下图所示：
图8控制系统原理图
控制部分的电路简图如下图所示：
图9执行部分控制电路部分1
图10执行部分控制电路部分1
图11电源电路图
五、创新点及应用
1、手指机构的弹簧不直接安装在夹杆中间，而是采用杠杆原理，安装在夹杆尾部，更合理的利用了空间。
2、机械手腕部的旋转采用齿轮-齿条传动结构，利用电机驱动齿条直线运动，从而推动齿轮旋转，使腕部旋转90度。
这样不仅使结构紧凑，灵活轻巧，同时起到自锁作用，保证安全。
同样的结构也运用在大臂的旋转中。
3、传动方面主要运动采用广泛用于数控及机器人传动的滚珠丝杠与同步带传动，使传动更加准确、平稳。
六、结束语
本次试验在原理和结构上经过了多次的优化，在反复的思考与实践中，我们对一些常见的机构及其应用领域和作用有了进一步的了解，同时，在对图纸的反复修正中我们对制图及CAD等画图软件更加熟练。
后面几天在老师的指导下，我们对加工工艺有了更深层的理解，学到了许多以前课本上未能理解的东西，也明白了怎样根据应有的工艺来合理安排设计尺寸，怎样的尺寸不能加工等。
在最后的装配过程中，我们遇到了许多问题，连续几天在机床前，在对问题的重新设计并修配中，真正体会到了设计与实际之间不可避免会存在差别，每一次产品开发都应该在不断的设计与校核中逐渐达到要求。
在成功的装配出此机构时，我们更感觉到了成功的喜悦，合作的愉快。
七、参考文献
[1]濮良贵、纪名刚主编的《机械设计》第七版高等教育出版社2004年5月
[2《机械设计手册》第四版化学工业出版社
[3]曹承志主编的《电机、拖动与控制》机械工业出版社
[4]《FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC系列编程手册》
[5]
[6]
[7]
[8]
附件：
1、机构设计图纸（装配图和零件图）
2、机构零件加工工艺卡片
3、实物照片
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