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江苏城市职业学院毕业设计（论文）（2014届）设计（论文）题目工业机械手结构设计及其控制系统办学点（系）江苏城市职业学院张家港办学点专业机械设计与制造班级11机械（普）学号110404350507学生姓名朱涛起讫日期2013年11月1日至2014年3月8日地点江苏城市职业学院张家港办学点指导教师王益飞职称讲师-2-目录一工业机械手的发展趋势………………………………………………….3二机械手的概述……………………………………………………………..3三机械手总体方案的设计………………………………………………….43.1机械手的执行机构………………………………………………………………….43.2机械手的驱动要求………………………………………………………………….53.3机械手的控制方案………………………………………………………………….6四机械手的受力分析及尺寸确定…………………………………………..6五驱动机构的设计与计算…………………………………………………..9六控制系统的设计与编程………………………………………………….126.1单片机控制电路的设计……………………………………………………………126.2控制面板的设计……………………………………………………………………196.3控制程序的设计……………………………………………………………………20七机械手控制系统的调试…………………………………………………..22八设计总结…………………………………………………………………..22参考文献………………………………………………………………………..23-3-工业机械手结构设计及其控制系统朱涛摘要：机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计过程，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。本设计以AT89C51单片机为核心，控制步进电机的启停、速度和方向，完成了筛选机械手基本要求和发挥部分的要求。在机械手设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。关键词：四相步进电机，AT89C51单片机，电机控制一、机械手的发展趋势工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重用。二、机械手的概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操-4-作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。步进电机的技术的日益成熟和广泛应用，使其定位精度高，便于控制的优势得以发挥，将步进电机与气动组合应用，使机械手的性能大大提高。同时，随着单片机性能价格比的不断提高，单片机的应用领域非常广泛，目前，单片机已在国内外广泛应用于冶炼、机械、石油、交通运输等各个方面。一般来说，单片机是自动生产线上不可缺少的控制部件。单片机作为一种通用的工业控制器，适用于工业机械手的控制。在该设计中，机械手的手爪的抓紧、放松采用气压驱动，手臂的上升、下降由步进电机来驱动，底盘的旋转由直流电机驱动，控制部分采用51单片机，型号为ST89C51。目前，机械手向越来越紧凑，越来越快，越来越强力的方向发展，因为，紧凑的设计可便于在车间中安装。较快的速度可提高生产量，而提高有效载荷能力，可以操作更大的零件。三机械手总体方案的设计3.1机械手的执行机构3.1.1手部手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。3.1.2手腕腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：①结构紧凑，重量尽量轻。②转动灵活，密封性要好。③注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题④要适应工作环境的需要。另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。3.1.3手臂-5-臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求：①刚度要大为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。②导向性要好为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。③偏重力矩要小所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。④运动要平稳、定位精度要高由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。3.1.4、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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。3.1.5、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构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。3.2机械手的驱动要求3.2.1机械手的驱动方式该机械手一共具有三个独立的运动关节，连同末端机械手的运动，一共需要三个动力源。机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。3.2.2机械手驱动系统的要求有：（1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；-6-（2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（4）安全可靠；（5）操作和维护方便；（6）对环境无污染，噪声要小；（7）经济上合理。3.3机械手的控制方案由于单片机体积小，价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因此本设计中用单片机取代PLC控制。四机械手的受力分析及尺寸确定4.1机械手的手部设计我们假设机械手抓取得重物为0.25千克，用Q表示，机械手手部的尺寸用L,l,a表示。为了计算的方便，我们先不考虑机构本身的重量，摩擦力，以及运动的惯性，计算以后用系数进行补偿。如下图所示，物体重力方向垂直向下，依靠手指对重物接触部位的摩擦力F，与重物的重力Q，相平衡而约束住重物。下图为我们设计的机械手的手部示意图图4.1杠杆式手指-7-4.2机械手的受力分析下图为机械手的手部和物件的受力分析图图4.2手指的受力情况图4.3物体的受力情况-8-4.3机械手的受力分析计算由受力分析图得知，手指受力平衡的条件是：4F-Q=0(以为手指与物件有四处接触，所以为4F)因为F=N1f所以4N1f=QN1=N1计/2sina由上式得N1计=Q/2fsinaK=K1K2式中：F———物件与手指接触处的摩擦力N1------物体与手指接触处的正压力f------物体与手指接触处的摩擦系数，一般为0.1---0.25接触比较光不滑时取小值，接触面比较粗糙时取大值。N1计-----手指应该具有的握紧力a------手指的抓取角，一般为45—75度需要的握紧力为N1需=N1计K/η=Qksina/2fη式中：η-----手部的机械效率，一般为0.85---0.9K1----安全系数，一般为1.1---1.5K2----工作情况系数，一般为1.2---2.5假定传动力P需分别作用在两个手指上，每个手指上的所得到的传动力各为P需/2，根据其力矩平衡条件得：P需l/2-N1需L=0P需=2LN1需/lP需=LKQsina/lfη我们取l=10mmL=45mma=60度Q=0.25kgη=0.9K1=1.3K2=2.0f=0.2将数值带入上式P需=54mm×1.2×2.0×0.25×sin60/15mm×0.2×0.9=9.45N取整P需=10N五驱动机构的设计与计算5.1、根据动作的要求制定驱动机构的设计方案。该电力机械手进行抓紧，旋转及升降运动。因为该机械手的结构简单，所以搬运的工件较轻，总体重量比较轻，为减小系统的总体积，以及利于与外部的连接。我们采用步进电机带动丝杠旋转实现手臂在垂直方向的运动，利用两齿轮的啮合，由步进电机带动齿轮，从而-9-实现机械手的旋转运动。手部通过步进电机带动连杆机构通过拔叉的运动实现夹紧，放松运动。总体结果如图5.1图5.1机械手简单结构图图5.2齿轮齿条配合驱动简图图5.3配合结构效果图图5.4三齿轮配合不变向机构（手臂旋转）-10-5.2、工作程序图：该机械手电力驱动动作顺序要求为：原点→立柱上升→手臂左转→立柱下降→机械手夹紧→立柱上升→手臂右转→立柱下降→机械手放下物件→原点步进电机的动作顺序为：原点→D步进电机正转上升→C步进电机正转（左转）→D步进电机反转下降→A步进电机正传（夹紧）→D步进电机正转上升→C