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直角坐标机械手的设计【6张CAD图纸+毕业论文】【答辩通过】

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直角坐标 机械手 设计 cad 图纸 毕业论文 答辩 通过
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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。

工业机械手能模仿人手臂和手的某些动作,能搬运,抓取物体或操作工具,机械手主要是由手部和运动机构所组成。按照物件尺寸、形状、材料、重量和作业环境等要求不同,手部有几种结构形式,托持型,吸附型和夹持型等。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。本设计选用直角坐标型机械手,有三个自由度,是通过滚珠丝杠来实现小臂与大臂的伸缩,升降。这些动作主要是通过步进电机的带动,通过控制器的控制,将工件从一个坐标抓取并运送到另一坐标完成预定动作。

本论文主要对机械手的传动部分中的滚珠丝杠与步进电机进行了计算,计算内容主要包括机械手的传动机构的设计,以及其机械传动装置的选择。对于控制部分的设计主要包括单片机的控制的方案,接线的原理图以及程序流程图等。

关键词:三自由度; 直角坐标; 机械手; 滚珠丝杠; 进步电机

ABSTRACT

Industrially, automatic control systems have a wide range of applications, such as automation machine tool control, computer systems, robotics. The industrial robot is a relatively new machinery and electronic equipment in the modern industry, it is playing a more and moreimportant role.

Fully automated industrial machinery hand can imitate hand and arm some action function, with fixed procedures handling, grasping an object or operation tool for automatic operation device, the manipulator is mainly composed of a hand and the movement mechanism. According to the transporting or catch to object shape, size, weight, materials and working environment of the different requirements, hand there are several structure forms, adsorption, supporting and clamping type. Motion mechanism is the function of the hand to complete a variety of actions: moving, rotating movement to achieve the required action. Body stretching, lifting and rotating movement, known as the degrees of freedom manipulator. The design of three degree of freedom industrial robot in Cartesian coordinate type, which is composed of four linear direction, through ball screw to realize small arm and the arm stretching, lifting. These movements are all based on the stepper motor driven by. Under the action of the controller, it will perform a workpiece from one production line to crawl and transported to another line of this simple action.

This paper focuses on the manipulator drive portion of the ball screw and the stepping motor were calculated, calculate the content mainly includes industrial robot design of the transmission mechanism, and the mechanical transmission device selection. In addition to the control part of the description there are single-chip microcomputer control scheme, the wiring diagram and the program flow diagram.

Key words :three degrees of freedom, Cartesian coordinates , industrial robot


目  录

1绪论1

1.1机械手的概述1

1.2 设计背景与应用意义1

2 直角坐标机械手的总体设计2

2.1 直角坐标机械手的组成及各部分关系概述2

2.2 直角坐标机械手的设计分析3

2.2.1 设计要求3

2.2.2 总体方案拟定3

2.2.3 直角坐标系机械手主要技术性能参数4

2.3 控制系统的设计分析4

3 直角坐标系机械手的机械系统设计5

3.1 直角坐标系机械手的运动系统分析6

3.2机械手的执行机构设计6

3.2.1 末端执行机构设计6

3.2.2气缸的确定8

3.2.3 手臂机构的设计11

3.2.4 轴承的选取15

3.3 直角坐标机械手的机械传动装置的选择16

3.3.1联轴器的选择16

3.3.2 滚珠丝杠的选择16

4 机械手的单片机控制系统设计17

4.1 机械手单片机控制方案17

4.1.1 控制系统的工作原理及控制要求17

4.1.2 机械手的工作流程18

4.1.3 驱动器的选择20

4.2 机械手单片机接线原理图的设计21

4.2.1 电源电路21

4.2.2 复位电路22

4.2.3 接线原理电路22

4.3 机械手单片机程序流程图的设计23

5结论33

致  谢34

参考文献35


1 绪论

1.1机械手的概述

机械手是在自动化、机械化生产过程中发展起来的新型装置。在工业生产中,机械手具有十分广泛的用途。它是装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用就是从一个指定位置抓取一件工件运送到另一个指定位置。机械手臂取代了人工劳动,操作精度高,提高了产品质量和生产效率。在机械行业中它可以用于零部件的组装,加工工件的装卸、搬运。装配机械手以刚性高的手臂为主体,它可以根据由外部发来的信号,自动进行各种各样的操作,与人相比,具有快速运动,可以搬运更重的东西,定位精度高等优势。它适应于中、小批量的生产,可以节省庞大的工件输送装置,结构紧凑,并且适应性很强。当工件变更时,柔性生产系统就很容易改变,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较低,机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平的提高,从许多方面考虑都是非常有必要的。因此,进行机械手的研究设计是非常有意义的。

本课题主要应用于生产加工生产线,实现加工过程(上料、下料)的自动化、无人化。通过机械设计制造及其自动化(机电一体化方向)专业的学习,对大学四年所学知识进行整合,完成一个特定功能、特殊要求的机械手设计,能够让我身为一个机制专业毕业生的理论研究水平的到一个比较全面的体现,更能增强我的实践动手能力以及让我具备专业的精神和态度,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。

1.2 设计背景与应用意义

机械手工程是近三十多年来迅速发展起来的综合学科。它将机械工程、 电子工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果糅合在一起,是当代科学技术发展最活跃的领域之一。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,来完成不同工作, 主要用于搬运材料,传递工件。而且基于机械手所具备的一系列优点,在大型装配领域中具有十分明显的优势。因此其重要性在机器人应用中将跃居第一位。

因此,在许多大型工业生产中都需要机械手来提高其工作效率,需要设计建议。


内容简介:
中国地质大学长城学院 本科毕业设计 文献综述 系 别 工程技术系 姓 名 安策 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 05211609 2015 年 4 月 5 日 nts 1 一、 课题国内外现状 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。 工业机械手作为自动化生产线上的重要成员,逐 渐被企业认同并采用。 国外机械手在机械制造行业中应用较多,发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。世界高端工业机械手均有高精化,高速化,多轴化,轻量化的发展趋势。 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。 二、 研究主要成果 第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元 (Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。 本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了单轴机械手的运动机理。在此基础上,确定了单轴机械手 的基本系统结构,对单轴机械手的运动进行了简单的分析,完成了单轴机械手机械方面的设计工作(包括传动部分、执行部分、驱动部分)的设计工作。 三、 发展趋势 现在工业机械手的应用简况:在现在工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程已基本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。因此,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 有资料统计:美国偏重于毛坯的生产。日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展,应用的对象还有所改变。 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。 国内机械手工业,铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料。减轻工人的劳动强度。 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床组合成一个综合的数控系统。 采用机械手进行装配更是现在研究的重点,国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起,能确定零件的方位达到镶装的目的。 国内外实际上使用的定位控制的机械手,没有“视觉”和“触觉”反馈。目前,世界各国nts 2 正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手,使它能对所抓取 的工件进行分辨,选取所需要的工件,并正确地夹持工件,进而精确地在机器中定位、定向。 为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和法、分辨形状不同的零件,它有视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息,通过计算机进行图形分辨,判别是否是所要抓取的工作。 为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物体滑落下来,一般采用两种方法:一是检测把握物体手臂的变形,以决定适当的握力;另一种是直接检测指部与物体的滑动位移,来修正握力。 因此,这种机械手就具有以下几个方面的性能: ( 1)能准确地抓住方位变化的物体。 ( 2)能判断对象的 重量。 ( 3)能自动避开障碍物。 ( 4)抓空或抓力不足时能检测出来。 这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手,它是具有发展前途的。 现在,工业机械手的使用范围只限于在简单的操作方面节省人力,其效用是代替人从事繁重的工作和危险地工作,在恶劣的环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门,机械手的应用情况 决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐,但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是,工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求,适于机械手工作的范围很狭小。另外经济性问题当然也很重要,采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而,利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求,今后还会持续增长,只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决,机械手的应用必将会飞跃发展。 四、 存在问题 (一 )应具有足够的握力 (HP 夹紧力 ) 在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送 或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。 (二 )手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三 )应保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指,以便自动 定心。 (四 )应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和nts 3 振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,但应尽量使结构简单紧凑,但出尽重傥玷嗣间早紫暌,目重轻,并使手部的重心在手腕的回转轴线上,使手指开闭角示意图手腕的扭转力矩最小为佳。 nts 4 参考文献 1 董欣胜,组合机床与自动化加工技术, 2007 年 2 William T. Townsend, The Barrett Hand grasper-programmably flexible part handing and assembly J. Industrial Robot: An International Journal volume27-Number3-2000. 3 周伯英 .工业机器人设计 M.北京 :机械工业出版社 ,1995. 4 蔡自兴 .机械人学的发展趋势和发展战略 ,机械人技术 .北京 :机械工业出版社 ,2001 5 王守城 ,容一鸣 .液压与气动传动 M.北京 :北京大 学出版社 ,2008. 6 毛谦德 ,李振清 .机械设计课程设计手册第三版 M.北京 :机械工业出版社 ,2006. 7 刘鸿文 .材料力学第四版 M.北京 :高等教育出版社 ,2007. 8 张建明 .机电一体化系统设计第三版 M.北京 :高等教育出版社 ,2009. 9 濮良贵 ,纪名刚 .机械设计第八版 M.北京 :高等教育出版社 ,2006. 10 王积伟 ,章宏甲 ,王谊 .液压与气压传动 M.北京 :机械工业出版社 ,2003.50-51. 11 优励聂未 -精密滚珠丝杠副 J. 12 米思米(中国)精密机械贸易有限公司 J. 13 东力电机股份有限公司 J. 14 尹志强 .系统设计课程设计指导书第一版 M.
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