机械手课程设计李朝阳讲解.doc

机电学院机电一体化系统实训说明书题 目： 一自由度机械手爪设计研究 系 部： 机电学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 常 雪 学 生： 学 号： 20120841021012 组 员： 李朝阳 王金宝 李志远 袁晓峰 赵春荣 成 绩： 机电学院2015年10月目 录前言1第一章 绪论21.1 课题背景及意义21.2 机械手的控制21.3本文的主要工作3第二章 课程设计任务书32.1课程设计目的32.2课程设计内容及要求4第三章 机械手的组成43.1机械手硬件组成部分43.2机械手零件图5第四章 机械结构设计74.1齿轮机械机构的分析74.2手臂机械结构设计8第五章 三维建模10第六章 单片机程序13第七章 组装与调试137.1 SG-5010舵机及89c52rc单片机简介167.2机械手的组装与调试17第八章 总结18心得体会20主要参考文献：21I前 言机械手：mechanical hand，也称自动手，auto hand能模仿人手和臂的某些动作，用于安固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，广泛应用于机械制造冶金部门。机械手的种类按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点唯恐自己和连续轨迹机械手等。机械手通常用作机床或其他装置的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心更换刀具等，一般没有地理的控制装置。有些操作需要有人直接操纵，如原子能部门操持危险物品的主从式操作手也成为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 它是机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，他更加促进了机械手的发展，是机械手能更好的实现与机械化和自动化的结合。机械手能代替人类完成为先、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适用于中、小批量生产可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性强。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。因此机械手的研究设计是非常有意义的。机械手首先是从美国开始研制的。1985年美国联合控制公司研制出第一台机械手。 第一章 绪论1.1 课题背景及意义随着人类的发展、文明的进步，工业正不断发展着，需要人们完成的工作量也不断增大（尤其是那种重复性大的工作，像传运货物），涉及到的危险动作也越来越多，这就迫使人们研究开发一种新装置，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，而机械手正是这样一种装置；它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害的环境下保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。目前，我国的制造业正在迅速发展，但大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。1.2 机械手的控制机械手的控制可分为PLC控制和单片机控制等。1.可编程序控制器及在机械手中的应用和发展情况。可编程序控制器（progranmzble control ）现在一般简称PLC，它是以微处理器为基础，综合了计算机计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域得到了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器以前，工业领域中是继电器占主要控制地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业中应用甚广。但是控制体积大、动作速度慢耗电较多、功能少，特别是由于他考硬件连线构成系统，接线复杂，当生产工艺发生改变时，所有的接线控制盘就必须随之改变，通用性灵活性较差。机械手通常用于动作复杂的场合来代替人的反复操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等方面的限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC可靠性高、抗干扰能力强；控制系统结构简单、通用性强。编程简单、使用维护方便；组合方便、功能强、应用范围广；体积小、重量轻、功耗低等优点被广泛应用于类似机械手的控制复杂动作的场合。2.单片机的控制在本次设计中，控制系统采用的是单片机和舵机来驱动机械手运动的。由于单片机有简便易学、费用低廉、高速、低耗、保密I/O口功能强和具有A/D转换等电路有功能强大的定时器/计数器及通讯接口，所以我们采用了AVR单片机来作为控制系统。舵机是航模、车模中常用的伺服机构,可用于控制方向舵、油门等机械装置。舵机从控制信号上可以分为模拟舵机和数字舵机：模拟舵机从通过输入的脉冲控制的角度，数字舵机的接口实现了完全的数字化。虽然数字舵机在某些控制性能上优于模拟舵机，但价格低廉的模拟舵机仍然是模型迷们的首选。舵机中带有控制电路舵机的控制比较灵活一点，其转动的角度可以更具自己的应用而调节。1.3本文的主要工作用单片机程序控制机械手，从而实现机械手的一系列动作和功能。第二章 课程设计任务书2.1课程设计目的课程设计是一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程设计问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和对未来的技术开拓都具有一定意义。其主要目的：一、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的速录工作能力、拓宽和深化学生的知识。 二、培养学生树立正确的设计思想、设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。三、培养学生树立正确的设计思想和面向实际的能力。2.2课程设计内容及要求（1）原始数据：自由度：1个自由度工作电压：4.8V-6V爪子材质：全铝合金爪子重量：60g爪子最大张角：55mm(不加扩展板的时候最大张角间距是55mm，安装扩板后最大是95mm)爪子整体长度:108mm（爪子闭合时的整体最长长度）爪子整体高度:98mm(爪子张开是的最大宽度) (2) 主要参数确定 抓重：5N自由度：1个驱动方式：舵机控制方式：单片机控制第三章 机械手的组成3.1机械手硬件组成部分 我们所设计的机械手主要是由五部分组成：1） 底座 底座用于支撑整个机械手，起到支撑作用。2） 齿轮 齿轮一共有两个，两齿轮通过捏合传动，来控制机械手张合的程度。3） 连杆 连杆一共有两个，起到稳定机械手臂的作用，用来提高精度。4） 手臂 手臂一共有两个，属于机械手的执行部分，用来夹持东西。5） 惰机 惰机属于机械手的驱动部分，输入单片机程序来控制机械手的运动 过程。 6） 3.2机械手零件图图3-1齿轮图3-2连杆图3-3底座图3-5手臂第四章 机械结构设计机械手由底座、齿轮、连杆、手臂、惰机五部分组成，下面以齿轮和手臂为例进行机械结构设计的分析。4.1齿轮机械机构的分析如下图所示为齿轮图4-1齿轮齿轮啮合的条件是：模数和压力角分别相等。由图可知齿根圆直径df=26,z=7；压力角为标准值：=20由公式df=(z-2h* a-2c*)m得m=5.5；分度圆直径：d=mz=38.5齿顶高：ha=h* am=5.5齿根高：hf=(h* a+c*)m=6.875齿全高：h=ha+hf=12.375齿顶圆直径：da=(z+2h* a)m=49.5齿根圆直径：df=(z-2h* a-2c*)m=24.75基圆直径：db=dcos=36.18齿距：p=m=17.28齿厚：s=m2=8.64齿槽宽：e=m2=8.64标准中心距：a=m(z1+z2)2=38.5传动比:i=1齿轮啮合度分析：两轮分度圆半径、齿顶圆半径、齿顶圆压力角分别为 r1=r2=19.25 ra1=ra2=24.75 a1=a2=arcos(r1cosra1)=43.1又因两齿轮按标准中心距安装，故=，于是由式（4-1）可得:=2z(tana1-tan)(2)=1.38434.2手臂机械结构设计如图所示为手臂的结构图4-2手臂让手臂夹起重量为5N的物体，在此过程中夹具受力并不均匀，会出现最薄弱的点。以下是经过solidworks仿真受力图，经过分析得出在手臂夹紧过程中中间点会是最薄弱的点。如图4-3 ，4-4 ，4-5所示:图4-3图4-4图4-5第五章 三维建模各零件的三维图如图所示:图5-1 齿轮图5-2底座图5-3 连杆图5-4 螺母图5-5螺栓机械手装配图三维建模如图所示: 图5-6 机械手第6章 单片机程序 在机械手的设计过程中，单片机用于控制机械手抓的打开、合上相当于我们日常生活中的开关，要控制它的开与合。程序设计如下：#include reg52.htypedef unsigned int uint;typedef unsigned char uchar;sbit PWM = P10;sbit KEY1 = P37;sbit KEY2 = P36;uint Angle = 17;void Delay_ms(uint ms) uint i,j; for(i=ms;i0;i-) for(j=125;j0;j-);void Key_Scan() if(KEY1 = 0) Delay_ms(5); while(KEY1 = 0); Angle = 11; if(KEY2 = 0) Delay_ms(5);while(KEY2 = 0); Angle = 17; /定时0.1msvoid InitTimer0(void) TMOD |= 0x01; TH0 = 0xFF; TL0 = 0x9C; EA = 1; ET0 = 1; TR0 = 1;void main() Delay_ms(500);/系统上电延时 PWM = 0; InitTimer0(); while(1) Key_Scan();void Timer0Interrupt() interrupt 1 static uint count = 0; TH0 = 0xFF; TL0 = 0x9C; count+; if(count = Angle) PWM = 1; else if(count = 200) count = 0; 第七章 组装与调试该机械手的驱动为舵机驱动，型号SG-5010,；程序控制为单片机控制，型号为89c52rc。7.1 SG-5010舵机及89c52rc单片机简介1)舵机简介重量：41g无负载速度：0.20秒/60度（4.8V） 0.16秒/60度（6.0V）堵转扭矩：5.2千克/厘米(4.8V) 6.5千克/厘米(6.0V)使用温度：-2060死区设定：4ms使用电压：4.8V6.0V结构要点：三级电机，全尼纶齿轮结构，滚珠轴承，连接线长度30。2）单片机简介89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下：1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。2.工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）。3.用户应用程序空间为8K字节。4.片上集成512字节RAM。5.通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。6.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。7.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T27.2机械手的组装与调试机械手的安装基本可以分为地面移动式和地面固定式。我们采用的安装方式是地面移动式。机械手安装完毕后要检查一下各关节原件的固定有无损坏，这里要着重检查一下电路部分，检查无误后，再通电调试。1. 机械手的安装首先了解一下安装模块，有底座、齿轮、连杆、手臂、电路部分。然后组装机械手，用铆钉和螺栓将底座、齿轮、连杆、手臂组装好，然后将程序录入单片机中，用电路链接。在连接电路部分时出现了一点小问题，单片机部分的两个插头中的一个插上以后机械手不能动，然后换了一个才可以完成预期动作。可能是在焊接过程中出了问题导致这个插头不能用。2、机械手的调试在开机之前先检查机械、电气、电路及安装是否完好，是否灵敏可靠，要禁止搬运。在经检查一切合格后我们开始调试主要是控制机械手嫁娶工件按下打开手臂，对准工件的夹取点夹取。如下图所示，是两组实物图片以及实物连接原理图图7-1图7-2图7-3第八章 总结 机械手采用单片机控制，体积小，重量轻，控制方式灵活，操作简单，维修容易。使用该机械手代替人工搬运工件，既安全，又准确，提高了劳动生产力，降低了劳动强度，具有较好的经济效益和社会效益。 随着机械手应用的普及，机械手向着专业化，机械及结构向着模块化、可重构化的方向发展，机械手的动作更加灵活多样，其控制方式也在向着多元化方向发展，还有许多问题需要解决，单