基于步进电机的三自由度直角型机械手设计【全套CAD图纸+答辩毕业论文】

买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 摘 要 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制、计算机系统、机器人等。其中工业机器人是相对较新的机械电子设备，它在现代化工业生产中正扮演着越来越重要的角色。 全自动化工业机械手有能模仿人手和手臂的某些动作功能，用固定程序搬运，抓取物体或操作工具的自动操作装置，机械手主要由手部和运动机构组成。按照搬运或者抓去的物件形状、尺寸、重量、材料和作业环境等的要求的不同，手部有几种结构形式，吸附型，托持型和夹持型等。运动机构的功能是使手部完成各种动作：移动、转动等运动来实现规定的动作。机构的伸缩、 升降和旋转等运动方式，称为机械手的自由度。 本设计选用三自由度直角坐标型工业机器人，其工作方向为四个直线方向，是通过滚珠丝杠来实现小臂与大臂的伸缩，升降。而这些动作都是通过在步进电机的带动下进行。在控制器的作用下，它将执行将工件从一条流水线抓取并运送到另一条流水线这一简单的动作。 本篇论文主要对机械手的传动部分滚珠丝杠与步进电机进行了计算，计算内容主要包括工业机器人的传动机构的设计，以及其机械传动装置的选择。另外对控制部分的描述主要有单片机的控制方案，接线原理图以及程序流程图等。 关键词 ： 三自由度，直角坐标， 工业机器人 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 a of as is a in it is a an or is of a to or to of is of to a of to as of of of is of to on of it a to to of on of of In to of of 文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 目 录 1 绪论 . 1 配机械手的概述 . 错误 !未定义书签。 内外研究现状与发展趋势 . 错误 !未定义书签。 2 工业机器人的总体设计 . 2 业机器人的组成及各部分关系概述 . 2 业机器人的设计分析 . 3 计要求 . 3 体方案拟定 . 3 业机器人的主要技术参数 . 4 制系统的设计分析 . 5 3 工业机的机械系统设计 . 6 业机器人的运动系统分析 . 6 业机器人的执行机构设计 . 6 . 6 . 9 . 13 座的计算设计 . 20 业机器人的机械传动装置的选择 . 26 . 26 . 27 4 机械手的单片机控制系统设计 . 32 械手单片机控制方案 . 32 . 28 . 29 . 32 械手单片机接线原理图的设计 . 32 . 32 钟电路 . 33 位电路 . 33 线原理图 . 34 械手单片机程序流 程图的设计 . 38 编语言的设计 . 39 5 结论 . 42 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 1 绪论 配机械手的概述 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。 在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重 要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。 机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产 品质量和生产效率。 近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械手和自动化的有机结合。在机械行业中它可以用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸， 装配机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可 以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行 各种操作。 它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更 好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 本课题主要应用于生产加工生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。通过对机械电子工程（机电一体化方向）专业大学本科的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床送料机械手设计，能够比较好地体现机械电子工程（机电一体化方向）专业毕业生的理 论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。 计背景与应用意义 机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、 电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果， 是当代科学技术发展最活跃的领域之一 。 装配机械手是 一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作， 主要用于搬运材料，传递工件 。并且由于装配所具有的重要意义 ,装配领域将是未来机器人技术发展的焦点之一。其重要性在 机器人应用中将跃居第一位。 因此，各大型工厂都需要装配机器人来提高其工作效率，需要设计建议。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 2 工业机器人的总体设计 业机器人的组成及各部分关系概述 图 2业机器人的组成图 它主要由机械系统 (执行系统、驱动系统 )、控制检测系统及智能系统组成。 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。 （ 1）手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。 （ 2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。 （ 3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。 （ 4）机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警。 检测系统：作用是通过各种检测装置、检测执行机构的 整体 运动情况，根据需要给控制系统 以反馈 ，与 规定要求 进行比较，以保证运动符合要求。 由图 2示机械手控制各部分关系。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 图 2部分关系 图 业机器人的设计分析 计要求 综合运用所学知识 ,搜集有关资料独立完成三自由度直角坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。 （ 1）机械手最大抓重 : 1 2）工件尺寸： 直径约 2 3 3）自由度数 : 3 个自由度 （ 4）坐标型式 : 直角坐标 （ 5）手指开合角度： 60（最大速度 : 60 度每秒） （ 6） 20大速度 10cm/s） （ 7） 10大速度 10cm/s） （ 8） 10最大速度 10cm/s） （ 9） 10最大速度 10cm/s） （ 10）机械手（重复）定位精度： 总体方案拟定 在装配机械手的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是完善的机械结构设计和精确的控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容 和需求确定装配机械手，利用步进电机控制平移运动；利用四台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下及其前后运动；末端夹持器则采用连杆式夹持器，用小型气压缸驱动夹紧。 由图 2示机械手外形轮廓。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 图 2械手外形图 业机器人主要技术性能参数 工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下： （ 1）抓取重量： 抓取重量是用来表明机器人 所能承受 负 载 能力的参数，这是一项主要参数。这项参数一般是指在正常速 度下所抓取的 物体的 重量。 （ 2）工件的极限尺寸： 抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的 重要 参数，它 表示手部所能抓取的最大的工件尺寸， 是设计手部的基础。 （ 3）坐标形式和自由度： 说明机器人机身、手部、 基座 等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。 （ 4）运动行程范围： 指执行机构直线移动距离的范围，即各运动自由度的运动 范围 。根据行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。 （ 5）运动速度： 是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与定位精度 ， 抓取 的工件 重量等参数有关，相 互 影响。 当今社会 国内外机器人的最大直线移动速度 为 1000mm/s 左右，回转速度 的 最大 值 为 180/s。 （ 6）定位精度和重复定位精度： 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。编程方式和存储容量。 本 课题 设计中我采用的是三自由度 直角 坐标型机械手，其中机械手的 小臂、大臂、基座与末端执行器 分别通过 步进 电机、 气 压缸与单片机控制。机械手 的 有关技术参数见下 表 2 表 2自由度 直角 坐标机器人 机械手类型 三自由度直角坐标型 抓取重量 1由度 3 个（ 3 个 方向的 移动） 机座 伸缩 运 动 ，前后移动范围 100 步进 电机驱动 单片机控制 大臂机构 伸缩运动，升降范围 200 步进 电机驱动 单片机控制 小臂机构 伸缩运动，伸缩范围 100 步进 电机驱动 单片机控制 末端执行器 气压缸驱动 单片机控制 制系统的设计分析 本课题采用单片机对机械手进行控制，初定 8051 系列，根据机械手的工作流程编制出单片机程序（可能 在 实际设计过程 中会有 改动） 。 机械手的工作流程图如图 2示 。 手 指 夹 紧基 座 后 移Y 轴 大 臂 向 上 Y 轴 小 臂 后 移基 座 前 移Y 轴 大 臂 向 下Y 轴 小 臂 后 移 Y 轴 大 臂 向 上手 指 松 开Y 轴 小 臂 前 移图 2械手工作流程图 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 3 工业机的机械系统设计 业机器人的运动系统分析 机械手的运动，可从该机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。 （ 1）机械手的运动自由度 所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机械手动作灵活程度的参数。 本设计的机械手具有移动副一种运动副，具有手臂伸降，平移，前后往复三自由度 ,如图 3 图 3械手机构简图 （ 2）机械手的工作空间 工作空间是指机械手正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机械手的主要技术参数 。 （ 3）机械手的机械结构类型 直角坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过 伸缩、平移和升降 ，共三个自由度组成的运动系统。 端执行机构设计 装配机械手的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的准确、迅速和稳定程度都将直接影响到工业装配机械手的工作性能，它是工业装配机械手的关键部件之一。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 1) 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指稳定的夹紧工件，除考虑工件在传送过程中的动载荷外，还应考虑工件夹持工件的重力。 2) 末端执行机构应有一定的开闭范围。应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响，以及工件尺寸的大小 。 3) 应能保证末端执行机构内的工件能被准确定位。 4) 结构尽量紧凑重量轻，以利于接下来的手臂的结构设计。 5) 根据使用条件考虑其通用性。 采用连杆杠杆式夹持器，用小型压缸驱动夹紧，它的结构形式如图 3连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当气压缸工作时，推动推杆向上运动，使两钳爪向内收拢，从而带动弹性爪夹紧工件。 与本设计的零件要求相符，且 这种 夹持器多用于实 心圆柱零件的夹持。 图 3其工件重量 G=1公斤， =120o， b=30=擦系 数为 f= 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 图 3（ 1）根据手爪类别 ,计算夹紧力。 采用摩擦锁紧方式，故受力分析得： 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中， m g a S 于手抓与工件材料都采用 45钢，查表得 =误 !未找到引用源。 (3错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 其驱动力为 : 错误 !未找到引用源。 (3所以 错误 !未找到引用源。 实际驱动力： 错误 ! 未 找 到 引 用 源 。 （ 3 取传动效率 取 错误 !未找到引用源。 。若被抓取工件的为匀速取 a = 0时，则： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 345N 。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 由液压传动与气压传动取气缸工作压力 错误 !未找到引用源。 和活塞杆直径 d 的确定 本课题设计的气缸属于双向作用气缸 。 单活塞杆双作用气缸是使用最为广泛的一种普通气缸。因其只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等。活塞左行时活塞杆产生推力 错误 !未找到引用源。 ，活塞右行时活塞杆产生拉力 错误 !未找到引用源。 。 错误 !未找到引用源。 （ 3 错误 !未找到引用源。 （ 3 式 中， 错误 !未找到引用源。 - 活塞杆上的推力， N 错误 !未找到引用源。 N 错误 !未找到引用源。 - 气缸工作时的总阻力， N p - 气缸工作压力， m d m 气缸工作时的总阻力 错误 !未找到引用源。 与众多因素有关，如运动部件惯性力、密封处摩擦力、背压阻力等。以上因素可以载荷率 的形式计入公式，如要求气缸的静推力 错误 !未找到引用源。 和静拉力 错误 !未找到引用源。 ，则在计入载荷率后： 错误 ! 未 找 到 引 用 源 。 （ 3 错误 !未找到引用源。 （ 3 计入载荷率就能保证气缸工作时的特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取 = 度高时取小值，速度低时取大值。若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取 = 由以上分析得双向作用气缸的直径 : 错误 !未找到引用源。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 （ 3 代入有关数据，可得 错误 !未找到引用源。 查机械设计手册圆整，得 D=40 d / D = 可得活塞杆直径 : d = ( = 8 12活塞杆直径 d=12缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按 薄壁筒公式计算 : 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中， - 缸筒壁厚， - 气缸内径， 误 !未找到引用源。 - 气缸试验压力，一般取 错误 !未找到引用源。 = p （ 本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为 :铝合金 =3入己知数据，则壁厚为 : 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 取 错误 !未找到 引用源。 ，则缸筒外径为： 错误 !未找到引用源。 手部活塞杆行程长 活塞杆的位移量 错误 !未找到引用源。 气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行程多加 10 20 L = 20 = 故查有关手册圆整为 l = 27 （ 1）活塞杆稳定性的验 算： 当活塞杆的长度 L 10d），可以只按强度条件校核计算活塞杆直径 d 有： 错误 !未找到引用源。 （ 3 其中 错误 !未找到引用源。 , 错误 !未找到引用源。 则： 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 所以设计满足要求 （ 2） 气缸推力验算： 错误 !未找到引用源。 （ 3 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 由以上计算可知气缸可能产生的推力 错误 !未找到引用源。 大于夹紧工件所需的推力 错误 !未找到引用源。 所以该气缸满足要求。 气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中， m d m s m n 此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。 错误 !未找到引用源。 气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关，除特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径 错误 !未找到引用源。 用下式计算 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中 s 般取 V = 10 15m/ s 把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照 14038 93气缸气口螺纹选择合适的气口螺纹。故， 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 （ 3 其中：手爪部分和活塞杆材料采用 45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金 纸 14951605 或 1304139763 相关手册， 45号钢密度为 错误 !未找到引用源。 误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 手抓部分总质量约为 m = = 手臂机构的设计 1. 初选电机为 90根据电机以及末端执行机构 拟使用条件 负载重量 W=5大行程 00快速进给速度 00mm/s 加减速时间常数 t=预期寿命 0000h 直线运动导程摩擦系数 = 电机转速 00r/ 1） 设定螺距 根据电机最大的转速与快速进给速度 错误 !未找到引用源。 （ 3 （ 2） 计算基本动态额定负载 各动作模式下的轴向负载的计算 1） 加速时 加速度 错误 !未找到引用源。 （ 3 轴向负载 错误 !未找到引用源。 （ 3 2） 匀速时 轴向负载 错误 !未找到引用源。 （ 3 3） 减速时 轴向负载 错误 !未找到引用源。 （ 3 各动作模式 1次循环所需的时间（ s） 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 螺距为 10的负载条件 根据上述两表所示条件计算轴向均负载 错误 !未找到引用源。 与平均转速 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 （ 3 错误 !未找到引用源。 （ 3 计算所需基本动态额定负载 C 根据预期寿命，扣除停止时间后的净运行使用寿命 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 （预计夹紧 1s） 将运行系数 错误 !未找到引用源。 带入公式中 错误 !未找到引用源。 （ 3 因此选择 （ 3） 容许屈曲载荷危险速度计算 研讨丝杠轴全场 L 与危险速度 曲载荷 L=最大行程 +螺母长度 +余量 +末端尺寸 =100+80+20+115=315面就屈曲载荷进行讨论，设负载作用点间距 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中： 错误 !未找到引用源。 ：开始引起压曲的负载 错误 !未找到引用源。 ：负载作用 点距离 E：杨氏模量 I：丝杠轴最小惯性矩 错误 !未找到引用源。 （ 3 n：由丝杠的支撑方式决定系数 铰支 铰支 n=1 固定 铰支 n=2(选用 ) 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 固定 铰支 n=4 固定 自由 n=误 !未找到引用源。 （ 3 式中 错误 !未找到引用源。 :屈曲载荷 ：安 全系数（ 说明容许轴向负载充分满足使用条件 由于电机速度比较慢 肯定安全 无需校核危险速度 （ 4） 最终选型结果 适合的滚珠丝杠的形式为 座型号为 校核驱动电机 （ 1）传动系统等效转动惯量计算 1）电机转子转动惯量 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 （ 3 2） 滚珠丝杆的转动惯量 错误 !未找到引用源。 的折算 错误 !未找到引用源。 (33） 手臂上下移动惯量 错误 !未找到引用源。 的折算 工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上下移动的惯量 错误 !未找到引用源。 可按下式进行计算： 错误 !未找到引用源。 (3式中， 所以 错误 !未找到引用源。 4） 联轴器转动 惯量 错误 !未找到引用源。 (35)系统等效转动惯量 错误 !未找到引用源。 (3(2)验算矩频特性 步进电机最大静转矩 错误 !未找到引用源。 是指电机的定位转矩，从附件中查得 错误 !未找到引用源。 步进电机的名义启动转矩 错误 !未找到引用源。 与最大静转矩 错误 !未找到引用源。买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 的关系为 错误 !未找到引用源。 查的 错误 !未找到引用源。 。所以 错误 !未找到引用源。 (3步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算： 错误 !未找到引用源。 (3式中： 错误 !未找到引用源。 为空载启动力矩 错误 !未找到引用源。 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（ 错误 !未找到引用源。 为空载时折算到电机轴上的摩擦力 矩 （ 有关 错误 !未找到引用源。 的各项力矩值计算如下： 1）加速力矩 错误 !未找到引用源。 (3错误 ! 未找到引用源。 （ 3 式中： 错误 !未找到引用源。 为传动系统的等效转动惯量； 为电机的最大角加速度； 错误 !未找到引用源。 为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速； 部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间； 错误 !未找到引用源。 为运动部件最大快进速度； 错误 !未找到引用源。 为初选步进电机的步距角； 错误 !未找到引用源。 为脉冲当量； 错误 !未找到引用源。 （ 3 错误 !未找到引用源。 （ 3 2)空载摩擦力矩 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中 :的总重量； 为导轨摩擦系数； 为传动系统总效率；（ 错误 !未找到引用源。 ） 错误 !未找到引用源 。 （ 3 3）附加摩擦力矩 错误 !未找到引用源。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 （ 3 式中； 错误 !未找到引用源。 为滚