单片机控制三自由度圆柱坐标机械手设计【毕业论文+CAD图纸全套】

购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 I 宁 学 毕业设计 (论文 ) 单片机控制三自由度圆柱 坐标机械手设计 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年 月 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 要 近代的 工业 机械手是由目标 机械本体、控制器 系统、 传感装置 系统、 控制系统和伺服 动力 器 系统组成 ，是一种 模仿 人 的 操作、自动 化 控制、可 多次 编程、能在 立体 空间完成 各式 各样 作业的 备。 工业机械手 对 于 提高 和确保 产品质量， 提升生产的效率，改善工人的工作条件和 快速更新产品起着 非常重要的作用。工业机械手技术结 合了 多们学科的知识。包含 机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等 。它 是当代十分活跃，应用 非常 广泛的领域。 机械手具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。 如今， 机械手 工业已成为世界各国备受关注的产业。 随着 机械手 技术的 快 速发展，工业 机械手 的应用 范围 正在不断扩大，提出了新要求，为提高 机械手 教学 教育 的水平，我们研制 出 一套以实验教学为目的的 机械手 演示系统。 本文阐述了 机械手 的发展历 史 ，国内外的应用 状况 ，及其巨大的优越性，提出 了 具体的 机械手 设计要求 和 进行了总体方案设计和各自由度 的 具体结构设计、计算。 关键词： 机械手 ；工业；传动；强度购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 a be in of It to a in is a is is in is on of to in it is of of it is an is of of of of is in to we a of of of of at on of of 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪论 .械手概念 .题研究的背景和意义 .内机械手的研究 .械手的应用 . 2 章 总体方案机构设计 .计概念 .计原理 . 3 章 X 向结构及传动设计 . 向滚珠丝杆副的选择 . 导程确定 . 10 定丝杆的等效转速 . 10 计工作台质量及负重 . 10 定丝杆的等效负载 . 10 定丝杆所受的最大动载荷 . 精度的选择 . 12 择滚珠丝杆型号 . 12 核 . 临界压缩负荷验证 . 13 界转速验证 . 14 杆拉压振动与扭转振动的固有频率 . 14 机的选择 . 电机轴的转动惯量 . 15 机扭矩计算 . 16 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 V 第 4 章 Y 向结构设计 .珠丝杠计算、选择 .进电机惯性 负载的计算 .进电机的选用 . 5 章 手指的相关设计与计算 .指的相关设计与计算 .械手手抓夹持精度的分析计算 .爪扇形齿轮与齿条强度校核 . 27 身与基座 . 6 章 单片机电气控制系统设计 .微机数控系统的设计 . 硬件电路设计 . 34 件电路设计 . 36 8031单片机及其扩展 . 8031 单片机的简介 . 36 031 单片机的系统扩展 . 37 储器扩展 . 39 I/O 口的扩展 . 41 步进电机驱动电路 . 42 脉冲分配器（环行分配器） . 43 光电隔离电路 . 43 率放大器 . 43 他辅助电路 . 44 总 结 .考文献 . 谢 .买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 1 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 2 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 3 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 4 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 5 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 6 第 1 章 绪论 械手概念 机械手 （ 自动执行工作的机器 装置 。它是高级整合 控制论 、机械电子、 计算机 、材料和 仿生学 的产物。在 工业 、 医学 、 农业 、 建筑业 甚至 军事 等领域中均有重要用途。 机械手 是近 50年 才迅速 发展起来的一种 有代表性的、机械和电子控制系统组成 的、自动化 程度高的 生产工具。在 生产制造 业中， 机械手技术得到广泛的应用。它自动化程度高，对改善劳动条件，确保产品质量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。 题研究的背景和意义 由于 现代科技的发展， 无论是在工业生产中还是人类日常生活，机械手技术都得到广泛的应用。研究智能类人机械手是近年科学家一致致力于的方向。类人机械手 是以人类模型的，它能仿照人类各种动作和具有人类的外部特征。未来机械手管家将不是梦。 按机械手结构的不同，机械手又可以分很多种。轮式移动机械手、履带机械手、机器手、步行机械手等等。值得一提的是步行机械手，他是近年来类人机器研究的重要成果。它的移动方式跟大多数动物一样甚至可以跟人类一下。这是一种很复杂的自动化程度很高的运动。相对于传统的轮式和履带机械手，他对环境的适应性更强。能在很小的空间作业，在不平的道路上如履平地，上下楼梯等等。 将来不久，这项技术会得到非常广泛应用。 在机械手研究、制作中，运用电脑对设 计出来的机械手进行仿真是一项非常重要的过程。机械手仿真包含零件建模，零件装配，最后进行运动仿真。通过仿真，设计员可以很直观的观察到各个机构的运动状况，知道有没有出现干涉；可以清楚知道各个部件的受力情况，得出各种模拟数据。这种方法大大节约了研制时间和成本。 内机械手的研究 机械手在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时机械手首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候机械手已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。 1980年达到一千亿日元，到 1990年提高到六千亿日元。在 2004年时 已达到购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 7 了一万八千五百亿日元。可见机械手在提高生产效益方面的重要性。 在国际方面，各个国家已经意识到机械手的重要性。所以机械手的订单急速上升。在2003 年的订单量相对于 2002 年增长了百分之 10。此后机械手的需求量仍然不断上升。从 2001年到 2006年全球订单增长多达 90000 多台。平均年增长为 7%。 国际 机械手 的发展方向 : 机械手 涉及到 非常多学科的知识和领域。包括： 计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。 机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综 合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机械手在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机械手的研究都往小型化发展。机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。 机械手 的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。 机械手 的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。 械手的应用 机械手 产业是 在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代， 机械手 产业市场前景发展很好。从二十世纪起，世界 机械手 产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代， 机械手 产品发展快速增长，年增长率平均在百分之十上下。 2004年创记录达到百分之二十。在亚洲 机械手 需求量更多，年增长率高达百分之四十三。经历 40多年的发展， 机械手 应用到很多领域中去了。 机械手 在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆垛毛、坯制造 (冲压、压铸、锻造等 )等等作业中， 机械手 替代了人工作业，并使得生产效益大大提高。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 8 第 2 章 总体方案 机构设计 计概念 机械手类型 三自由度圆柱坐标型 定位精度 1件尺寸 直径约 2 3柱形，材料是铁质 自由度 3 个（ Y 轴手臂升降， X 轴手臂伸缩，机身旋转） X 轴小臂 伸缩范围 25大速度 10cm/s），步进电机驱动，单片机控制 Y 轴小臂 升降范围 10大速度 10cm/s），步进电机驱动，单片机控制 Y 轴大臂 升降范围 20大速度 10cm/s），步进电机驱动，单片机控制 末端执行器 开合角度 60（最大速度 60 度每秒） ,液压 缸驱动 基座 旋转范围 180，步进电机驱动，单片机控制 机构简图 计原理 为了使工件 保持准确的相对位置，必须根据要 去选择合适的定位机构 。 再者就是要有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具的重量，还要受到本身的重量，还受到在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度 可能会 发生折断或 者 弯曲变形， 所以 对于受力较大的进行强度、刚度计算 是非常必要的 。 最后要 尽可能 做到 具有一定的通用性 如果可以 ，应考虑到产品零件变换 的问题 。为适应不同形状和尺寸的 零购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 9 件 ， 为满足这些要求， 可将制成组合式结构 ，迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。 轴采用丝杠传动 ：电动机 联轴器 滚珠丝杠 第 3 章 X 向 结构及传动设计 表 3支承方式 简图 特点 一端固定一端自由 结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低 设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅 适用于短丝杆。 一端固定一端游动 需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂 ，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式 一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承 。 两端固定 只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 10 困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。 向 滚珠丝杆副的选择 滚珠丝杆 副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。 X 轴小臂伸缩距离： 25最大速度 10cm/s） （ 100mm/s） (6m/设 X 向最大行程为 250快进给速度为 100mm/s,大概质量为 50假设 工作台大概质量为 80动部件 大概质量为 30作台最大行程为 250 程确定 电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比 i=1, 选择电机 Y 系列异步电动机的最高转速 g i n ,/1 5 0 0m a xm a x 最大转矩，则丝杠的导程为 41 5 0 0/6 0 0 0/ m a xm a x 取 2 确定丝杆的等效转速 基本公式 (/ h 最大进给速度是丝杆的转速 m (5 0 012/6 0 0 0/m a xm a x h 最小进给速度是丝杆的转速 m (0 8 丝杆的等效转速 m )(/()( 212m i a x m 式中取 21 2 故 m i n )/( 0 0)/()( 212m i a x m 计工作台质量及负重 工作台重量 移动部件 重量 定丝杆的等效负载 工作负载是指工作时，实际作用在 滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 K 为颠覆力矩影响系数，一般取 课题中取 丝杆所受的力为 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 11 x 2 1 5 52 2-)2 2(-)2 2( 3a x ）（）（）（0F 其等效载荷按下式计算（式中取 21 ， 12 2n n ） m 1494)( 312211223m i a x 定丝杆所受的最大动载 荷 316 060 )nT(查表：取 表：取 ） 表：取 1） 表：取 1） （查表：取 1） 丝杆的工作寿命为 15000h 由上式计算得 7300N 表 3h 表 3买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 12 表 3 3 精度的选择 滚珠丝杠副的精度 对 电气的定位精度 会有影响 ，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对定位精度 是 最明显 的 。一般在初步设计时设定丝杠的 任意 300程变动量 300V 应小于目标设定定位精度值的 1/3 1/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级 3级（ 1级精度最高）， 5级，考虑到本设计的定位精度要求 及其 经济性，选择 轴 精度等级为 3级， 级。 择滚珠丝杆型号 计算得出 则 23) 称直径 2选择 内循环浮动返向器 ，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副， 丝杆的型号为3。 公称直径 0杆外径 钢球直径 丝杆底径圈数 =3 圈 0 刚度 73N/ m 核 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 S，丝杆副内滚道 的接触刚度 承的接触刚度 母座的刚度 不同支撑组合方式计算而定。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 13 界压缩负荷 验证 丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算： cr m a 式中 性模量 E 钢 =N/ m） N） =丝杆最小截面惯性距（ 442 )464 wo 式中 丝杆螺纹不封闭长度 作台最大行程 +螺母长度 +两端余量 00+148+2088撑距离 u，选取 20入上式计算得出 见 临界压缩负荷满足要求。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 14 界转速验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速求丝杠的最高转速： 22230 式中： A= 24 . 210*d2d 位 p=03(Kg/m) 界 转 速 计 算 长 度 ， 单 位 为 本 设 计 中 该 值 为48/2+300+(6202=440K 取 2K =0.8 推 过计算，得出 04 r ，该值 大 于丝杠临界转速，所以满足要求。 杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 式中 A 丝杠最小横截面， 222 ()4A d m m； 螺母座刚度 000N/ m。 当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中， L 植分别为 750100 经计算得： m k 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 15 式中 滚珠丝杠副的拉压系统刚度 (N/ m)； 螺母座的刚度 (N/ m)； 000 N/ m 丝杠副内滚道的接触刚度 (N/ m)； 丝杠本身的拉压刚度 (N/ m)； 轴承的接触刚度 (N/ m)。 经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/满足要求。 机的 选择 步进电机 是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点， 所以广泛用于机电一体化产品中。选 择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。 机轴的转动惯量 a、回转运动件的转动惯量 328 上式中： d 直径 ,丝杆外径 d= 长度 =1m P 钢的密度 =7800 2kg/m 经计算得 b、 X 向直线运动件向丝杆折算的惯量 22 M 质量 X 向直线 运动件 M=160买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 16 P 丝杆螺距（ m） P=计算得 2 c、联轴器的转动惯量 查表得 20004.0 因此 28- 0 0 2 8 k 0 机扭矩计算 a、 折算至电机轴上的最大加速力矩 m 上式中： 500m a x J=m2 加速时间 系统增量 ，取 15 计算得 算至电机轴上的摩擦力矩 20f 上式中： 导轨摩擦力， f，而 f=摩擦系数为 2N P 丝杆螺距（ m） P= 传动效率， = 传动比， I=1 经计算得 算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 17 1( 2000 上式中 滚珠丝杆 预加载荷 1500N 0 滚珠丝杆未预紧时的传动效率为 计算的 M 则快速空载启动时所需的最大扭矩 f a x 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为 额定转矩为 第 4 章 Y 向结构设计 珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质： ， 0，导程： 度计算 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 18 丝杠轴向力： )( ,m a x (N) 其中： K=动导轨摩擦系数 f=005；在车床车削外圆时 ： z，z，可取 算。 取 f=400 则 : m a xm a . 5 0 . 5 2 0 0 0 1 0 0 00 . 6 0 . 6 2 0 0 0 1 2 0 01 . 1 5 1 0 0 0 0 . 0 0 4 ( 2 0 0 0 6 7 1 . 5 8 ) 1 0 4 5 . 6 8 61 . 1 5 1 2 0 0 0 . 0 0 4 ( 2 0 0 0 6 5 5 . 2 ) 1 2 5 2 . 6 2 1 寿命值： 61060 ，其中丝杠转速 0r/m a 0 / m i 4 0 0 1 5 0 0 036010 最大动载荷： 中： 等冲击时为 58 时为 查表得中等冲击时 1 1则 : 333 6 0 1 . 2 1 1 0 4 5 . 6 8 6 7 0 7 9 . 5 83 6 0 1 . 2 1 1 2 5 2 . 6 2 1 1 0 6 8 6 . 5 4 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为 : 其型号为： 其基本参数如下 : 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 19 其额定动载荷为 14205N 滚珠循环方式为外循环螺旋槽式 ,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式 . 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 名称 计算公式 结果 公称直径0d 20距 t 触角 045 钢球直径 纹滚道法向半径 R 心距 e ( 2 ) s i d 纹升角 0d 0433 螺杆外径 d 0 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) bd d d 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 20 螺杆内径1d e R 杆接触直径2c o d d 母螺纹外径 D 0 22D d e R 母内径（外循环）1 0 . 2 0 . 2 5 5 ) bD d d 1） 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为：)( tg =10 ，为摩擦角； 为丝杠螺旋升角。 00 4 3 3() ( 4 3 3 1 0 ) 0 . 9 6t （ 2） 稳定性验算 丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 （ 3） 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量