三自由度直角坐标型机械手设计

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； 进步电机三自由度直角坐标型机械手设计ABSTRACTIndustrially, 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三自由度直角坐标型机械手设计目 录1 绪论 .11.1 机械手的概述 .11.2 设计背景与应用意义 .12 直角坐标机械手的总体设计 .22.1 直角坐标机械手的组成及各部分关系概述 .22.2 直角坐标机械手的设计分析 .32.2.1 设计要求 .32.2.2 总体方案拟定 .32.2.3 直角坐标系机械手主要技术性能参数 .42.3 控制系统的设计分析 .43 直角坐标系机械手的机械系统设计 .53.1 直角坐标系机械手的运动系统分析 .63.2 机械手的执行机构设计 .63.2.1 末端执行机构设计 .63.2.2 气缸的确定 .83.2.3 手臂机构的设计 .113.2.4 轴承的选取 .153.3 直角坐标机械手的机械传动装置的选择 .163.3.1 联轴器的选择 .163.3.2 滚珠丝杠的选择 .164 机械手的单片机控制系统设计 .174.1 机械手单片机控制方案 .174.1.1 控制系统的工作原理及控制要求 .174.1.2 机械手的工作流程 .184.1.3 驱动器的选择 .204.2 机械手单片机接线原理图的设计 .214.2.1 电源电路 .214.2.2 复位电路 .224.2.3 接线原理电路 .224.3 机械手单片机程序流程图的设计 .235 结论 .33致 谢 .34参考文献 .35三自由度直角坐标型机械手设计11 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。三自由度直角坐标型机械手设计22 直角坐标机械手的总体设计2.1 直角坐标机械手的组成及各部分关系概述图 2-1 直角坐标机械手的组成图它主要是由机械系统(驱动系统、执行系统)、控制检测系统及智能系统共同组成。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、手腕、手臂、机身等。（1）手部：又称手爪或抓取机构，它负责直接抓取工件。（2）手腕：是连接手部和臂部的部件，它的主要作用是调整或改变手部抓取的方位。（3）手臂：是支承腕部的部件，能承受工件的负荷，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。由图 2-2 表示机械手控制各部分关系。图 2-2 各部分关系图三自由度直角坐标型机械手设计32.2 直角坐标机械手的设计分析2.2.1 设计要求设计一个直角坐标机械手。技术参数要求如下：（1）机械手最大抓重: 5kg（2）工件尺寸： 直径约 80150cm（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）（7）Y轴小臂上下移动距离为： 500mm（最大速度 10mm/s）（8）X轴小臂伸缩距离为： 800mm （最大速度 20mm/s）（9）Z轴平移距离为： 100mm （最大速度10mm/s ）（10）机械手（重复）定位精度： 0.5mm2.2.2 总体方案拟定本 次 设 计 根 据 设 计 内 容 和 需 求 确 定 直 角 坐 标 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 2-3 显示机械手外形轮廓。图 2-3 机械手外形图 2.2.3 直角坐标系机械手主要技术性能参数三自由度直角坐标型机械手设计4直角坐标系机械手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械手所能承受负载能力的参数，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：工件的极限尺寸表示手部所能抓取的最大的工件尺寸。（3）坐标形式和自由度：说明机械手机身、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。（5）运动速度：通常所指的运动速度是机械手的最大运动速度。它与定位精度，抓取的工件重量等参数有关，相互影响。（6）定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机械手工作质量的一项重要指标。编程方式和存储容量。本设计中采用直角坐标型机械手，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 2-1。表 2-1 直角坐标机械手机械手类型 直角坐标型抓取重量 5Kg自由度 3 个（3 个方向的移动）机座伸缩运动，前后移动范围 800mm， 步进电机驱动 单片机控制大臂机构 伸缩运动，升降范围 600mm， 步进电机驱动 单片机控制小臂机构 伸缩运动，伸缩范围 500mm， 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2.3 控制系统的设计分析本课题采用单片机对机械手进行控制，根据机械手的工作流程编制出其单片机程序。机械手的工作流程图如图 2-4 所示。三自由度直角坐标型机械手设计5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 2-4 机械手工作流程图3 直角坐标系机械手的机械系统设计3.1 直角坐标系机械手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。本设计的机械手只有移动副这一种运动副，有升降，平移，前后三个自由度,如图3-1所示。图 3-1 机械手机构简图（2）机械手的工作空间三自由度直角坐标型机械手设计6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的运动形式包括升降、平移、伸缩三个自由度。3.2机械手的执行机构设计3.2.1 末端执行机构设计 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机械手的工作性能。1.设计时要注意的问题： 1) 末端执行机构应有足够的夹紧力来让手指夹紧工件，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。 2.总体的结构设计 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3-2所示。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。图3-2末端执行器其工件重量G=5公斤，V形手指的角度2 =120o，b=50mm R=40mm，摩擦系数为f=0.25。三自由度直角坐标型机械手设计7图3-3手爪受力分析图（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：（3-1）式中，m -工件质量；g -重力加速度；a -动态运动时产生的加速度；S -安全系数； -V 型手爪张开的角度； -气爪夹头与工件的摩擦因素；由于手抓与工件材料都采用45钢，查表得 =0.25(3-2)其驱动力为:(3-3)所以三自由度直角坐标型机械手设计8实际驱动力：（3-4）取传动效率0.94，并取 。若被抓取工件的为匀速取 a = 0时，则：所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为838N 。3.2.2气缸的确定1.气缸工作压力的确定由液压传动与气压传动取气缸工作压力2.气缸内径D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。活塞左行时活塞杆产生推力 ，活塞右行时活塞杆产生拉力 。（3-5）（3-6）式中，- 活塞杆上的推力，N-活塞杆的拉力，N- 气缸工作时的总阻力，N三自由度直角坐标型机械手设计9p - 气缸工作压力，PaD-活塞直径，md -活塞杆直径，m气缸工作时的总阻力 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 和静拉力，则在计入载荷率后：（3-7）（3-8）计入载荷率就能保证气缸工作时的特性。气缸的载荷率一般取= 0.35 0.55，速度高时取小值，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 = 0.7 0.84。由以上分析得双向作用气缸的直径:（3-9）代入有关数据，可得查机械设计手册圆整，得D=55mm由d / D = 0.2 0.3 ,可得活塞杆直径: d = (0.2 0.3)D = 11 16.5mm圆整后，取活塞杆直径d=16mm3.缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空气压力，因此必须要有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比1/10，其壁厚可以按照薄壁筒公式计算:（3-10）三自由度直角坐标型机械手设计10式中， - 缸筒壁厚，mmD- 气缸内径，mm- 气缸试验压力，一般取 = 1.5p（Pa）p -气缸工作压力 （Pa） -缸筒材料许用应力（Pa）本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金ZL106, =3MPa代入己知数据，则壁厚为:取 ，则缸筒外径为：手部活塞杆行程长L计算活塞杆的位移量L = 9 + 20 = 29mm （1）活塞杆稳定性的验算：当活塞杆的长度L较小时（L 10d），可以只按强度条件校核计算活塞杆直径d 有：（3-11）其中 , 则：所以设计满足要求三自由度直角坐标型机械手设计11（2）气缸推力验算：（3-12）由以上计算可知气缸可能产生的推力 大于夹紧工件所需的推力所以该气缸满足要求。4.消耗气量的计算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Q为：（3-13）式中，D-气缸缸径，md -活塞杆直径，ms -活塞行程，mn -气缸活塞每分钟往复次数此公式未考虑死容积，导致计算值小于实际值，所以设计时要根据具体情况更改。5.气缸进排口的计算气缸进排气口当量直径 用下式计算（3-14）式中Q-工作压力下气缸的耗气量，m3 / sV-空气流经进排气口的速度，一般取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GB/T14038 93气缸气口螺纹选择合适的气口螺纹。故，d=0.004m。6.手抓部分总质量估算三自由度直角坐标型机械手设计12（3-15）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ZL106查相关手册， 45号钢密度为7.85 kg/ ZL106的密度为 2.73 kg /手抓部分总质量约为m = 0.2491+1.1191+1 = 6.3682kg3.2.3 手臂机构的设计Y轴小臂手臂的结构设计1. 初选电机为90BYG250C2.滚珠丝杠的选择根据电机以及末端执行机构 拟使用条件 负载重量 W=5KG最大行程 Smax=1250mm 快速进给速度 Vmax=100mm/s 加减速时间常数 t=0.15s 预期寿命 Lh=30000h 直线运动导程摩擦系数 =0.02 电机转速 Nmax=600r/min（1）设定螺距根据电机最大的转速与快速进给速度（3-16）（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 （3-三自由度直角坐标型机械手设计1317）轴向负载 （3-18） 2）匀速时轴向负载 （3-19）3）减速时轴向负载 （3-20）各动作模式1次循环所需的时间（s）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 与平均转速（3-21）（3-22）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（预计夹紧1s上下运动 5s）将运行系数 带入公式中三自由度直角坐标型机械手设计14（3-23）因此选择BSBR2510 丝杠（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Nc 屈曲载荷Pk L=最大行程+螺母长度+ 余量+ 末端尺寸=1250+80+20+115=1465mm下面就屈曲载荷进行讨论，设负载作用点间距（3-24）式中：开始引起压曲的负载：负载作用点距离E：杨氏模量I：丝杠轴最小惯性矩（3-25）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) 固定铰支n=4 固定自由n=0.25（3-26）式中:屈曲载荷：安全系数（0.5）三自由度直角坐标型机械手设计15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 BSBR2510-315支座型号为BRW103 校核驱动电机（1）传动系统等效转动惯量的计算1）电机转子转动惯量（3-27）2）滚珠丝杆的转动惯量 的折算(3-28)3）手臂上下移动惯量 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 可按下式进行计算： (3-29)式中， M是工作台质量（kg）；L为丝杆导程（cm）。所以4）联轴器转动惯量(3-31)5)系统等效转动惯量(3-32)(2)验算矩频特性三自由度直角坐标型机械手设计16步进电机最大静转矩 是指电机的定位转矩，从附件中查得步进电机的名义启动转矩 与最大静转矩 的关系为 查的。所以 (3-33)步进电机空载启动的力矩按下式计算：(3-34)式中： 为空载启动力矩为空载启动时运动部件由静止到最大快进速度，电机轴上的加速力矩（N.m）为空载时电机轴上的摩擦力矩（N.m）有关 的各项力矩值计算如下：1）加速力矩(3-35)（3-36）式中： 为传动系统的等效转动惯量；为电机的最大角加速度；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量；三自由度直角坐标型机械手设计17（3-37）（3-38）2)空载摩擦力矩（3-39）式中:M 为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；为传动系统总效率；（ ）L为滚珠丝杠的最大行程；（3-40）3）附加摩擦力矩（3-41）式中； 为滚珠丝杠预紧力；（为最大轴向负载的 ）为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取（3-42）所以，步进电机所需空载启动力矩：（3-43）初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即三自由度直角坐标型机械手设计18从上式可知电机初步满足要求。3.2.4 轴承的选取（1）本设计中，我的机械手手臂部分的丝杠是由 BSBR2510 型号组成。丝杠上的轴承是一端安装双向推力轴承与深沟球轴承的组合，另一端安装深沟球轴承。（2）本设计中，机械手基座的丝杠也是由 BSSR2510 型号组成。其中丝杠的支撑方式是由固定- 简支形式（适用于中等转速，高精度的丝杠）。因此丝杠上的轴承一端安装双向推力轴承与深沟球轴承的组合，另一端安装深沟球轴承。3.3 直角坐标机械手的机械传动装置的选择3.3.1 联轴器的选择本设计中，该机构利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。图 3-6 所示为采用锥环（锥环夹紧环）无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉 5 通过压圈 3 施加轴向力时，由于锥环之间的楔紧作用，内外环 2 分别产生径向弹性变形，消除套筒 1 与轴 4之间的配合间隙。这种联轴器承载能力高，转速较高、传递功率较大、同时还具有过载保护能力，使用寿命较长，能在受冲击载荷和振动等恶劣环境下连续工作。图 3-6 消隙联轴器3.3.2 滚珠丝杠的选择根据上述 3.2 计算的出最终选择的滚珠丝杠为：（1）控制机械手小臂的左右运动的为 BSBR 2510 型号的丝杠。（2）控制机械手大臂的上下运动的为 BSST 2510 型号的丝杠三自由度直角坐标型机械手设计19（3）控制机械手基座前后运动的为 BSST 2510 型号的丝杠。（4）控制机械手小臂的上下运动的为 BSST 2510 型号的丝杠。三自由度直角坐标型机械手设计204 机械手的单片机控制系统设计考虑到机械手的通用性，我们采用单片机对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变单片机即可实现。4.1 机械手单片机控制方案4.1.1 控制系统的工作原理及控制要求（1）控制对象为直角坐标机械手。它具有三个自由度，即 X 轴方向的伸缩; Y 轴方向的上、下升降;Z 轴方向的前后平移。另外，其末端执行装置还可完成抓、放（开合）功能。以上各动作除了手抓开合采用气动方式驱动，其余都采用步进电机驱动。气动方式用二位三通电磁阀(带有两个线圈，对应两个相反动作)来控制控制气缸，电机驱动运用接触器控制，使机械手完成伸缩、上下动作。其原理图如图 4-1 所示：图 4-1 工作原理（2）控制要求为了满足生产需要，机械手应设置手动工作方式、自动工作方式。A手动工作方式设置手动工作方式，便于对设备进行调整和检修。B自动工作方式按下起动按钮后，机械手从原点开始，按工序自动连续工作，直到按下停止按钮，机械手在完成动作后，返回原点自并停机。4.1.2 机械手的工作流程机械手的工作流程本人初步选定三个方案（1）第一方案工作流程图如图 4-2 所示。单片机光电耦 驱动器 步进电机光电耦 驱动器 步进电机光电耦 驱动器 步进电机光电耦 驱动器 步进电机继电器 电磁阀 气压缸三自由度直角坐标型机械手设计21按下机械手启动按钮，首先单片机 P0 口输出脉冲信号使底座步进电机控制基座前移，至前限位开关动作。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂下降，到达预定位置。单片机 P0 口输出控制信号，使 X 轴步进电机旋转，小臂开始伸出，到达预定位置。继电器导通吸合，手爪电磁阀通电，气压缸进气，手爪抓紧，至限位开关动作。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴小臂步进电机电机旋转，小臂上升，到达预定位置。单片机 P0 口输出控制信号，使 X 轴电机旋转，小臂收缩，到达预定位置。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂上升，到达预定位置。单片机 P0 口输出脉冲使底座步进电机得到控制信号旋转，基座后移，至后限位开关动作。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂下降，到达预定位置。继电器断开，手爪电磁阀不通电，气压缸出气。手爪放松，至限位开关动作。单片机P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂上升，到达预定位置。最后机械手停止，完成一个流程。启 动基 座 前 移停 止 大 臂 上 升手 爪 松 开大 笔 下 降大 臂 下 降小 臂 伸 出小 臂 下 降基 座 后 移大 臂 上 升小 臂 收 缩手 爪 夹 紧 小 臂 上 升图 4-2 工作流程（2）第二方案工作流程图如图 4-3 所示。按下机械手启动按钮，首先单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂下降，到达预定位置。单片机 P0 口输出脉冲使底座步进电机得到控制信号前移，基座前移，至前限位开关动作。单片机 P0 口输出控制信号，使 X 轴步进电机旋转，小臂开始伸出，到达预定位置。继电器导通吸合，手爪电磁阀通电，气压缸进气，手爪抓紧，至限位开关动作。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴小臂步进电机电机旋转，小臂上升，到达预定位置。单片机 P0 口输出控制信号，使 X 轴电机旋转，小臂收缩，到达预定位置。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂上升，到三自由度直角坐标型机械手设计22达预定位置。单片机 P0 口输出脉冲使底座步进电机得到控制信号旋转，基座后移，至后限位开关动作。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂下降，到达预定位置。继电器断开，手爪电磁阀不通电，气压缸出气。手爪放松，至限位开关动作。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂上升，到达预定位置。最后机械手停止，完成一个流程。启 动大 臂 下 降停 止 大 臂 上 升手 爪 松 开大 笔 下 降基 座 前 移小 臂 伸 出小 臂 下 降基 座 后 移大 臂 上 升小 臂 收 缩手 爪 夹 紧 小 臂 上 升图 4-3 工作流程（3）第二方案工作流程图如图 4-4 所示。按下机械手启动按钮，首先单片机 P0 口输出脉冲信号使步进电机工作从而控制基座前移。单片机 P0 口输出控制信号，使 X 轴步进电机旋转，小臂开始伸出，到达预定位置。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂下降，到达预定位置。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴小臂步进电机电机旋转，小臂上升，到达预定位置。单片机 P0 口输出控制信号，使 X 轴电机旋转，小臂收缩，到达预定位置。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂上升，到达预定位置。单片机P0 口输出脉冲使底座步进电机得到控制信号旋转，基座后移，至后限位开关动作。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂下降，到达预定位置。继电器断开，手爪电磁阀不通电，气压缸出气。手爪放松，至限位开关动作。单片机 P0 口输出控制信号，使 Y 轴大臂步进电机旋转，大臂上升，到达预定位置。最后机械手停三自由度直角坐标型机械手设计23止，完成一个流程。启 动基 座 前 移停 止 大 臂 上 升手 爪 松 开大 笔 下 降小 臂 伸 出大 臂 下 降小 臂 下 降基 座 后 移大 臂 上 升小 臂 收 缩手 爪 夹 紧 小 臂 上 升图 4-4 工作流程在这三个方案中，我选择第一种方案，以相对后面两种方案第一种方案动作顺序比较安全。4.1.3 驱动器的选择驱动器根据电机型号选：90BYG 系列三项混合式，步进电机选择伺服驱动器型号均为 HB306S。如图 HB306S 驱动器的简单结构。三自由度直角坐标型机械手设计24图 4-5 HB306S 驱动器特点 AC2450V或DC3670V电源供电 最大6A相电流输出 具备多种细分模式，特殊细分要求可定制 具备脱机（FREE）控制信号 电机位置停电记忆 静止时自动半电流锁定 输入输出信号光电隔离 4.2 机械手单片机接线原理图的设计在机械手单片机接线原理图设计中，我选用的是单片机 8751 单片机控制，驱动器为 HB306S，电机为步进电机。机械手控制装置主要有单片机，电源电路，复位电路组成。4.2.1 电源电路单片机的电源电路设计如图 4-6 所示。三自由度直角坐标型机械手设计25图 4-6 电源电路其中 F1 为保险丝， C4,C5,C6,C7 为电容，作用为整流。4.2.2 复位电路单片机的复位电路设计如图 4-8 所示。图 4-8 复位电路我所采用的复位电路为按键电平复位电路。因为时钟频率选用 6MHZ 时，C3 取22 ， , 。电平复位是通过 RST 端经电阻与电源 接通而来实现F20SRK1 CV的。4.2.3 接线原理电路机械手接线原理图设计中光耦在机械手接线图中起到了分开供电减少干扰的作用。高低速光耦如图 4-9 所示。三自由度直角坐标型机械手设计26图 4-9 光耦脉冲的输出频率较大且不能间断，而高速光耦可以做到分开供电从而减少干扰，因此应当安装高速光耦。4.3 机械手单片机程序流程图的设计（1）机械手小臂伸缩子程序流程如图 4-10 所示。机械手控制中 P1.2 为机械手小臂收缩输入端，P1.3 为机械手小臂伸出输入端， P0.3，P0.4，P0.5 分别为机械手小臂伸缩输出端。三自由度直角坐标型机械手设计27小臂伸出（X 轴正转）子程序 小臂收缩（ X 轴反转）子程序启 动P 1 . 3 是 否 为 0延 迟 0 . 5 sP 0 . 5 置 零P 0 . 4 置 零P 0 . 3 输 出 脉 冲R E T启 动P 1 . 2 是 否 为 1延 迟 0 . 5 sP 0 . 5 置 1P 0 . 4 置 1P 0 . 3 输 出 脉 冲R E TY e sN ON OY e s图 4-10 小臂伸缩子程序（2）机械手大臂上下子程序流程如图 4-11 所示。P1.4 为机械手大臂下降输入端，P1.5 为机械手大臂上升输入端，P0.6 ，P0.7，P2.7 分别为机械手大臂上下输出端。三自由度直角坐标型机械手设计28大臂上升（Y 轴大臂正转）子程序 大臂下降（ Y 轴大臂反转）子程序启 动P 1 . 5 是 否 为 0延 迟 0 . 5 sP 2 . 7 置 零P 0 . 7 置 零P 0 . 6 输 出 脉 冲R E T启 动P 1 . 4 是 否 为 1延 迟 0 . 5 sP 2 . 7 置 1P 0 . 7 置 1P 0 . 6 输 出 脉 冲R E TY e sN ON OY e s图 4-11 大臂上下子程序（3）控制机械手机体前后移动中，P1.0 为机械手基座后移输入端，P1.1 为机械手基座前移输入端，P0.0 ， P0.1，P0.2 分别为机械手基座左右旋输出端，机械手基座左右旋子程序