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世界最新机械设计理念来源:中国科技期刊摘要:根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能。这几种方法的特点及其相互间的有机联系，提出产品方案设计计算机实现的努力方向。关键词：机械产品方案设计方法发展趋势设计文件是将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。系统化设计方法系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221技术系统和产品的开发设计方法。1. 将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。2. 将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。3. 将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分（单元）及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。4. 设计元素法用五个设计元素（功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数）描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。5. 图形建模法研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。6. “构思”“设计”法将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。7. 键合图法将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求设计加工装配成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，德国等发达国家正着力于研究超媒体技术、产品数据交换标准STEP，以及标准虚拟现实造型语言上基于虚拟环境的标准交换格式)在产品设计中的应用。机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效，我国设计学者也已意识到CAD技术与国际交流合作的重要性，及其应当采取的措施。基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。The worlds Latest Mechanical Design Conceptssource：China Science and Technology JournalAbstract:According to scholars at home and abroad to carry out mechanicaldesign product design features of the main ideas, product design method of theprogramsummarizedassystematic,modularstructure,basedonproductcharacteristics of knowledge and wisdom. The characteristics of these methods andtheir organic connection between them and put forward to achieve the computerproduct design direction.Key words: Mechanical Product Design MethodDevelopment Trends Design documents will be Semantic Web as a design tool inthe design of its Semantic Web activity of the development of ASK, using nodes andlines to describe the design a network, nodes that components of the cell (such asdesign tasks, functions, components or processing equipment, etc. ), used to adjust thelines and definitions between nodes of different semantic relations, thus the designprocess all the activities and results of pre-built models so that the definition of theearly design requirements to the specific description of each structure can be definedby the relationship between the expression, achieved a computer-aided design process,the leap from the abstract to the concrete.Asystematic design methodThe main features of a systematic design method are: the design as designed by anumber of elements of a system, the independence of each design elements, eachelement of an organic link between the existence of, and is layered, with all the designelements , you can design systems to achieve the required task.Systematic design idea in the 70s by the German scholar Professor Pahl andBeitz, the system based on the theory they developed a general pattern of the design,advocacy design work should have organized. German Engineers Association, on thebasis of this design concept to develop a standard VDI2221 technology systems andproduct development design methods.1.The user needs functional characteristics as a product concept, structuredesign and part design, process planning, job control, etc. based on the macro fromthe product development process of starting the use of quality function deploymentmethod and system to user demand information reasonably and efficiently convertedto the various stages of product development, technical goals and operational controlprocedures method.2.The level of the product life of the organism as a system, and means ofliving systems theory, the product design process can be divided into successfulhierarchy of needs to achieve the functional requirements of the conceptual level andproduct level of the specific design. At the same time life-support systems used toexpress the abstract icons of the product functional requirements, system structureformation of product features.3.The mechanical design of the application of systems science into two basicquestions: First, to be designed as a system dealing with the products, the best way todetermine its component parts (modules) and their mutual relations1; is the productdesign process as a system, according to design objectives, a correct and reasonablydetermine the various aspects of the design work and various design stage.Because each designers point of research questions and to consider the questionof emphasis, to design a specific research methods used is also different. Here aresome representative of the systematic design methods.4.Design Element MethodWith the five design elements (functions, effects, effects vector, shape, elements,and surface parameters) describe the product solutions that a product to determinethe value of the five design elements, the product of all the features and characteristicsof the value of i.e. determined. Scholars in China have adopted similar methodsdesigned to describe the products original understanding.5.Graphic modeling methodAnd developed a design analysis and guidance systems KALEIT, with thelevel of clear graphic description of a products functional structure and its associatedabstract information, to the system structure and function relationship of graphicalmodeling, and functional connection between the layers 2.Assistance will be designed to be divided into two aspects of methodology andexchange of information using the Nijssen Information Analysis Method can be usedgraphic symbols, with a rich semantic model structure, can be described as integrationconditions, can be divided into types of constraints can be achieved in relationsbetween any combination of characteristics , the design method to solve integrationand information technology to realize the design process of information betweendifferent abstraction layers between the graphical modeling.6.Concept - Design methodProducts design is divided into concept and design in two stages. Conceptphase of the task is to find, choose and mix to meet the requirements of the originalunderstanding of design tasks. Design stage of work is a concrete realization of theoriginal understanding of the conceptual stage.Of the programs idea of specific described as: In accordance with theappropriate functional structure, seeking to meet the design requirements of theoriginal understanding of the task. The functional structure of the sub-function isperformed by the structural elements to achieve, and structural elements of thephysical connection between the definition of a feature vector, feature vector andstructural elements further the interaction between the formation of the functionaldiagram ( mechanical diagram). The program design is based on functional diagram,the first qualitative description of all of the feature vector and structural elements,and then quantitatively describe all the structural elements and the connection parts( feature vectors), the shape and location to be structure diagram3. Roper, H. usinggraph theory, by means of which he defines as the total design unit (GE), structuralelements (KE), functional structural elements (FKE), connect structural elements(VKE), Structural Parts (KT), structure element part (KET) concepts, as well asdescribe the structure element size, location, and transmission parameters of theinteractions between a number of kinds of schematics, the intuitive designprofessionals have done a formal design method a description of the formation of aneffective application of existing knowledge, methods, and applied to ideas anddesign stage.7.Bond Graph MethodFunction of the composition of system components will be divided into produceenergy, consumed energy, changing energy forms, such as various types of energytransfer, and to use bond graphs to express the function component solution, hoping tofunction-based model and bond graph combine to achieve functional structure theautomatic generation and functional structure with the bond graph automaticconversion between the search for bond graph generated by a number of designmethods.To promote the product on the basis of functional analysis, the product has somefeatures broken down into one or several modular basic structure, by selection andcombination of the basic structure of these modular form into different products.These basic structures can be parts, components, or even a system.The structure should have a standardized interface (connection and co-operationdepartment),andisserialized,universal,integrated,hierarchical,agile,economic-oriented, with interchangeability, compatibility and relevance. Chinascombination of software component technology and CAD technology, variant designcombined with the modular design, according to modular principle of classification,will be divided into descending Machining Center Machine Tool product level,component level, component level and component level, and use expert knowledgeand CAD technology to combine them into different species, different specificationsof functional blocks, and then by the combination of these functions into differentmodules of the overall program processing center.To design a directory as an alternative variation of the mechanical structure ofthe tool, the solution proposed by the design elements of a complete, structured layout,the formation of the solution set design catalogs. And in the solution set designed tocomment on each one listed in the directory solution additional information, is verybeneficial to design engineers select solution elements.The vigorous development of network technology, collaborative design andmanufacturing, as well as the product from the users functional requirements design processing assembly finished product of this realization of concurrentengineering possible. However, an important prerequisite to achieve these goals oneof the conditions is to realize the effect of product design three-dimensionalvisualization. To this end, three-dimensional graphics software, more and moreintelligent design software programs used in the product design, virtual realitytechnology and multimedia, hypermedia tools for product design is also its first debut.At present, Germany and other developed countries are focused on researchhypermedia technology, product data exchange standard STEP, as well as standardvirtual reality modeling language based on a standard exchange format for virtualenvironments) in the product design applications.Mechanical product design is moving in computer-aided realization of intelligentdesign and to meet the needs of distributed collaborative design and manufacture ofdirection, due to the computer product design Study on the implementation startedlate, not yet mature, to achieve the above objectives program design tools4. Authorbelieves that the integrated use of paper, four types of design method is an effectiveway to achieve this goal. Although the integrated use of these methods are moreinvolved in the field, not only with the mechanical design of the field-relatedknowledge, but also to the systems engineering theory, artificial intelligence theory,computer hardware and software engineering, network technology areas such asdomain knowledge, it is still product design must be working for. Abroad in researchin this area has achieved initial success, our scholars have been aware of CAD designtechnology and the importance of international exchange and cooperation, and itsmeasures to be taken.Feature-based design methodology of knowledge The main features are: using acomputer can identify the language to describe the characteristics of the product andits design experts in the field of knowledge and experience to establish the appropriateknowledge base and inference engine, re-use of stored domain knowledge and theestablishment of the inference mechanism to bring computer-aided product design.The mechanical system design is mainly based on the characteristics of a product,and design experts in the field of knowledge and experience to push volume anddecision-making, the completion of body type, the number of synthesis. To achievethis stage of computer-aided design, must study the automatic acquisition ofknowledge, expression, integration, coordination, management and use. To this end,the design and scholars at home and abroad program for the mechanical systemdesign knowledge of the automated processing done a lot of research work, theapproach can be summarized into the following several.基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） 47摘 要机械手是在工业生产中得到广泛的使用，经常被用来对工件进行水平、垂直地移位，是现在自动化生产中不可缺少的设备。特别是在自动化程度高的工厂，不但提高了整体生产的精度，也大大提高了机械生产的效率，对现代化机械发展是有很大意义的。本文所阐述的机械手共有4个自由度，分别是夹紧工件、机械手腕的旋转、手臂的伸出与缩回、机身的旋转和升降，基本满足了工业生产线上传递工件并进行定位的需要，它的控制系统采用单片机进行控制，得益于单片机成熟的应用技术、低廉的价格，以及稳定的开发平台，工作人员可以很直观地通过按钮进行操作。关键词：机械手，单片机，步进电机ABSTRACTManipulator in industrial production is widely used in the movement of the work piece along the horizontal, vertical direction.It is now indispensable to the automated production equipment. The manipulator not only improves the accuracy of the overall production,but also greatly improves the efficiency of the machinery,especially in highly automated factories.Manipulators application is beneficial to the development of modern machinery. Manipulator described in this paper has four degrees of freedom for fixing the work piece, rotaing the mechanical wrist, extending and retracting the arm, as well as rotating and lifting the body. Thus, the needs of the transmission and locating of the work piece in the product line are basicly satisfied line to meet the industrial need to orient the work piece. Its control system adopts the microcomputer control. In terms of the application of SCM mature technology, low price, and a stable development platform, the manipulator can be operated very intuitively through pushing buttons. Key words: manipulator, SCM, stepping motor目 录1 绪论11.1课题的意义11.2国内外研究现状与发展趋势11.3 本论文主要任务32 机械手的总体设计52.1机械手的组成52.2机械手设计参数52.3机械手坐标系62.4机械手控制系统62.5小结63 机械手手部结构设计73.1手部机构73.2 手部结构设计及计算83.3 主要尺寸的确定93.4 气缸结构设计143.5步进电机的计算与选型143.6步进电机性能校核163.7小结164 机械手手臂机构的设计174.1机械手手臂的结构174.2机械手手臂电机的计算与选型174.3小结235 机械手腰部和基座结构设计245.1机械手腰部和基座的结构245.2机械手腰部的步进电机的计算与选型245.3步进电动机的性能校核265.4机械手底座的步进电机的计算与选型275.5步进电动机的性能校核295.6小结306 机械手控制系统设计316.1驱动器316.2接线图376.3步进电机原理376.4单片机的选用396.5控制原理图396.6机械手控制程序流程图406.7小结437 结论44参考文献45致谢461 绪论1.1 课题的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用1。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：（1）以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或部分代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产2。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.2 国内外研究现状与发展趋势 1.2.1 国内外研究现状机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓取，放下机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立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和柔性制造单元FMC中的重要一环。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位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。随着加工行业在我国的迅速发展，各行各业的自动化装备水平越来越高，现代化加工车间，常常配有机械手，以提高生产效率，代替工人完成恶劣环境下危险、繁重的劳动。目前，机械手常用于完成的工作有:注塑工业中用于从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序;机械加工行业中用于取料、送料;浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象，针对本文作者参与的工业取料用直角坐标机械手控制系统软、硬件进行了介绍和分析。目前市场上常见的工业取料直角坐标机械手主运动臂的控制方式主要采用液压或气压驱动。这种控制策略的优点在于结构简单，系统易于控制。但缺点是系统定位靠设定接近开关的位置来实现，定位精度低，而一旦用户要求改变取料工作类型，必须重新调节各液压或气压缸的定位开关，以适应新的工作任务，不利于生产过程的自动化。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。1.2.2 发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作业。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。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。此外，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。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光觉测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态3。1.3 本论文主要任务本论文主要完成的任务如下：（1）介绍了机械手的背景和意义；（2）介绍了机械手的总体框架；（3）详细描述了机械手的总体研究方案；（4）基于单片机完成了对机械手硬件部分的设计与完成。2 机械手的总体设计2.1 机械手的组成手部机构机 械 手机械系统控制系统执行机构手臂机构腰部机构驱动机构步进电机驱动单片机控制图2-1机械手的组成它主要由机械系统(执行机构、驱动机构)、控制系统组成。执行机构：执行机构是机械手完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、手臂、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）手臂：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。A. 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。B. 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,发出报警信号4-5。2.2 机械手设计参数机械手（重复）定位精度：0.5mm；机械手最大抓重：1kg；工件尺寸：直径约23cm，圆柱形，材料是铁质；支座旋转角度为：90度（最大速度：90度每秒）；物料盘（采用步进电机控制）每工步旋转角度：30度（最大转度：30度每秒）；手臂上下移动距离为：20cm（最大速度10cm/s）；手臂前后移动距离为：20cm（最大速度10cm/s）；手指开合角度为：60度（最大速度60度每秒），手爪旋转角度为360度。2.3 机械手坐标系本课题的机械手的坐标系采用极坐标系设计5。图2-2机械手坐标系2.4 机械手控制系统本课题采用单片机控制器对机械手进行控制，根据机械手的工作流程编制出单片机程序，预定工作流程如图2-3所示。归零物料盘转一个工步手臂伸出手臂向下手指夹紧手臂向上支座顺时针转手臂向下手指松开手臂向上图2-3机械手循环动作流程图2.5 小结本章节对机械手进行了总体介绍，对机械手的总体方案进行了详细介绍。对各个自由度的动作和实现作了详细的说明，根据设计综合参数确定设计方案，介绍了基于极坐标机械手的特点和原理。3 机械手手部结构设计3.1 手部机构本课题中采用夹持式手部结构，由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，课题中采用齿轮齿条式的传力机构4。其机构由图3-1所示。图3-1机械手手部3.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种。其中常用的有两指式、多指式和双手双指式。按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件5。3.1.2 设计时考虑的几个问题（1）具有足够的握力(即夹紧力)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。（2）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。（3） 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，选择相应的手指形状。（4） 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，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。（5） 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。3.2 手部结构设计及计算本课题气动机械手的手部结构设计，如图3-1所示：手部驱动力的计算：其工件重量G=1公斤，V形手指的角度，摩擦系数为。（1）根据手爪类别,计算夹紧力。图3-2手爪如图3-2所示，采用摩擦锁紧方式，故受力分析得： (3-1)式中： -工件质量，；-重力加速度，；-动态运动时产生的加速度，；-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；由于手爪与工件材料都采用45钢，查表得所以：=（2） 根据手部结构的传动示意图3-1，其驱动力为: (3-2)所以：（3）实际驱动力: (3-3)因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的为匀速取时，则:所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为345N。3.3 主要尺寸的确定（1） 气缸工作压力的确定由液压传动与气压传动表3-1取气缸工作压力表3-1 气压负载常用的工作压力负载F/N 50000工作压力p/MPa57（2） 气缸内径和活塞杆直径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，活塞右行时活塞杆产生拉力。 (3-4) (3-5)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；- 气缸工作压力，Pa；-活塞直径，m；-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、背压阻力、密封处摩擦力等。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： (3-6) (3-7)计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取，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。由以上分析得双向作用气缸的直径: (3-8)代入有关数据，可得查机械设计手册圆整，得D=40mm由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径d=12mm（3） 缸筒壁厚和外径的设计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: (3-9)式中：- 缸筒壁厚，mm；- 气缸内径，mm；- 气缸试验压力，一般取（Pa）；-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将己知数据代入式(3-9)，则壁厚为: 取，则缸筒外径为: （4）手部活塞杆行程长L计算活塞杆的位移量为： S (3-10)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10-20mm的行程余量。 (3-11)故查有关手册圆整为（5） 校核A. 活塞杆稳定性的验算：当活塞杆的长度较小时，可以只按强度条件校核计算活塞杆直径有: (3-12)其中，则:所以满足实际设计要求。B. 气缸推力验算：= =由以上计算可知气压缸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。（6）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为： (3-13)式中：-气缸缸径，m；-活塞杆直径，m；-活塞行程，m；-气缸活塞每分钟往复次数；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。 (3-14)（7）气缸进排口的计算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用下式计算： (3-15)式中：-工作压力下气缸的耗气量，；-空气流经进排气口的速度，一般取；把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照GB/T 1403893选择合适的气口螺纹7。故，（8） 手爪部分总质量估算 (3-16)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 ZL106的密度为 2.73手爪部分总质量约为 3.4 气缸结构设计（1） 缸筒和缸盖的连接缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等，对于双头螺栓和螺栓连接，一般是四根螺栓，但是对于工作压力高于时，一定要校核螺栓强度，必要时增加螺栓数量，例如6根8。查阅机械手册，选择拉杆式螺栓连接，采用4根螺栓。该结构简单，易于加工，易于装卸。由于工作压力小于，故无须校核螺栓强度。（2）活塞杆与活塞的连接结构活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接6。该气缸选择螺纹连接，结构简单，装卸方便，应用较多。（3） 密封气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和使用寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作非常重要。对密封元件的要求如下：A. 密封性好，耐磨损，使用寿命长。B. 稳定性好，不易膨胀和收缩，难于溶解，不易老化及软化。C. 摩擦力小。D. 密封件表面平整、光滑、无气泡、杂质、凹凸等缺陷。E. 结构简单，成本低。O型密封圈工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广。故采用O型密封圈。3.5 步进电机的计算与选型（1） 初选电机为45BF3-3A,参数如表3-2所示9。表3-2电机参数型号相数相电流步距角最大静转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量A度N.mHzHzKg.cm245BF3-3A321.50.1963000270000.015（2） 计算加在步进电机转轴上的总转动惯量为了使手部能够进行360度旋转，因此在手部一侧装上步进电机，初选步进电机型号为45BF3-3A,查表得该型号电动机转子的转动惯量=0.015kg.,气缸的转动惯量=0.65 kg.。 =+=0.665 kg. (3-17)（3） 计算加在步进电动机转轴上能够的等效负载转矩分快速空载运动和承受最大工作负载两种情况进行计算。快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式=可知，是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩。 根据式 =，考虑纵向链的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：=* (3-19)对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速； 步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间；其中： 空载最快移动速度，为2000r/min； 步进电动机步矩叫角，为1.5度； 脉冲当量，=0.025mm/脉冲。将以上各式带入式 (3-20)算得=333。设步进电动机由景致到加速至转速所需时间=0.4s，传动链总效率=0.7；则由式=* (3-21)求得=8.28*,因此=8.28*（4） 步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 4=3.3*对于前面预选的45BF3-3A行步进电动机，由表可知，其最大静转矩=0.196，可见完全满足式4的要求。综上所述，这里选用45BF3-3A步进电动机，可以满足设计要求。3.6 步进电机性能校核（1） 最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度=2000mm/min，对应的电动机运行频率=222Hz。查表的45BF3-3A的极限运行频率为27000Hz，可见没有超出范围。（2） 启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量=0.665kg，电动机转子自身的转动惯量=0.015kg，查表4-3可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率=27000Hz。则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为：=4010Hz。上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于4010Hz。实际上，在采用软件升降时，启动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，这里横向进给系统选用45BF3-3A步进电动机，可以满足设计要求10。3.7 小结 本章节对机械手手部进行了详细的设计，包括夹持器的选择、夹紧力的大小、手爪张开的角度、工件的定位精度、刚度强度校核、被抓取对象的考虑等设计，具体阐述了在此过程中机构的详细设计思路，进行了大量的夹紧力和外形尺寸的计算。还进行了步进电机的选型和校核。4 机械手手臂机构的设计4.1 机械手手臂的结构通过安装在末端上的步进电机以及连接轴带动滚珠丝杠，从而实现末端执行机构的前后运动。机械手手臂的机构图如图4-1所示。图4-1机械手手臂4.2 机械手手臂电机的计算与选型（1） 初选电机为90BYG2502，参数如表4-1所示10。表4-1电机参数型号相数相电流步距角最大静转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量A度N.mHzHzKg.cm290BYG250224.00.961800200004（2） 滚珠丝杠的选择根据电机以及末端执行机构负载重量 W=1kg最大行程 Smax=200mm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/minA. 设定螺距根据电机的最大转速与快速进给速度B. 计算基本动态额定负载各动作模式下的轴向负载的计算a. 加速时，加速度轴向负载 =3.5Nb. 匀速时轴向负载c. 减速时轴向负载表4-1 各动作模式1次循环所需的时间（s）动作模式ABC共需时间所需时间0.3s1.4s0.3s2s表4-2螺距为10的负载条件动作模式ABC轴向负载（N）3.50.81.9转 速300600300所需时间比例15%70%15%根据表4-2负载条件计算轴向品均负载Pm与平均转速Nm (4-5)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得因此选择FL2004丝杠C. 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 PkL=最大行程+螺母长度+余量+末端尺寸 =280mm下面就屈曲载荷进行讨论，设负载作用点间距：式中：开始引起压曲的负载；：负载作用点间距；E：杨氏模量；I：丝杠轴最小惯性矩 ；n：由丝杠的支撑方法决定的系数 单推单推 n=1 双推简支 n=2(选用) 双推双推 n=4 双推自由 n=0.25式中：屈曲载荷；： 安全系数（0.5）；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 ，需校核危险速度D. 最终选型结果：适合的滚珠丝杠的形式为：FL2004（3） 校核驱动电机A. 传动系统等效转动惯量计算a. 电机转子转动惯量=4kg.b. 滚珠丝杠转动惯量的折算c. 手臂转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的转动惯量可按下式进行计算： 式中，为丝杠导程（cm）；为工作台质量（kg）。所以：d. 中间轴转动惯量的折算e. 联轴器转动惯量f. 系统等效转动惯量计算B. 验算矩频特性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： 查得0.707。所以，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：式中：为空载启动力矩（N.cm）；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（N.cm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N.cm）； 有关的各项力矩值计算如下：a. 加速力矩式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，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。b. 空载摩擦力矩见机电综合设计指导公式（2-34）P35式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；为传动系数总效率，取0.9；为滚珠丝杠的基本导程。c. 附加摩擦力矩式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取0.9。所以，步进电机所需空载启动力矩：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 从上式可知电机初步满足要求。C. 启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。90BYG250C矩特性图4-2中，可查得： 图4-2电机特性曲线纵向：空载启动力矩对应的允许启动频率。步进电机90BYG2502启动频率，所以所选电机不会丢步。D. 运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率可按下式计算：式中：为运动部件最大快进速度。算得。快进力矩的计算公式：见机电综合设计指导公式（2-37）P37式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得：。从90BYG2502运行矩频特性图中，可知：快进力矩对应的允许快进频率；所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。综上所述，所选用的步进电机90BYG2502符合要求，可以使用10。4.3 小结本章节涉及了机械手臂的设计，进行了步进电机的选型和校核，根据给定参数，对机械手臂的工作状态进行了校核，并分类讨论了步进电机在加速、匀速和减速时的各个工作状态。5 机械手腰部和基座结构设计5.1 机械手腰部和基座的结构在腰部安装步进电机，使手臂能够上下摆动以实现上下运动的目的。底座安装步进电机，是旋转底座能够90度转动。结构如图5-1所示。图5-1机械手腰部5.2 机械手腰部的步进电机的计算与选型（1） 初选电机为PK296A1-SG9，电机的参数如表5-1所示。表5-1电机参数型号相数相电流步距角最大静转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量A度N.mHzHzKg.cm2PK296A1-SG924.00.961800200004（2） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq已知：初选的纵向步进电动机型号为PK296A1-SG9，从表查的该型号电动机转子的转动惯量。加上配重大约=10kg则工作台的转动惯量=则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为：=+=4+2.45=6.45 （3） 计算加在步进电动机转轴上能够的等效负载转矩快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式=,机转轴上的最大加速转矩则有=根据式 =，考虑纵向链的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：=*对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速。 步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间。其中：空载最快移动速度，任务书指定为6000mm/min；步进电动机步矩叫角，为； 脉冲当量，=0.025mm/脉冲。将以上各式带入式，算得=600。 设步进电动机由景致到加速至转速所需时间=0.4s，纵向传动链总效率=0.7；则由式=*求得=0.145，所以=0.145（4） 步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 4=0.58对于前面预选的PK296A1-SG9步进电动机，由表可知，其最大静转矩=6，可见完全满足式4的要求。5.3 步进电动机的性能校核（1） 最快工进速度时电动机输出转矩校核最快工进速度=600mm/min，脉冲当量=0.025mm/脉冲，由式求出电动机对应的运行频率=600/（60*0.025）Hz400Hz。从90BYG2502的运行矩频特性可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩19，远远大于最大工作负载转矩=0.145，满足要求。（2） 最快空载移动时电动机输出转矩校核最快空载移动速度6000mm/min，仿照式求出电动机对应的运行频率6000/（60*0.025）Hz4000 Hz。在此频率下电动机的输出转矩=20，大于快速空载启动时的负载转矩=0.145，满足要求。（3） 最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度=6000mm/min，对应的电动机运行频率=4000Hz。查表的90BYG2502的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出范围。（4） 启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量=，电动机转子自身的转动惯量=，查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率=1800Hz。则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为： =1113.64Hz。上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1113.64Hz。实际上，在采用软件升降时，启动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，这里纵向进给系统选用PK296A1-SG9步进电动机，可以满足设计要求。5.4 机械手底座的步进电机的计算与选型（1） 初选电机为110BYG3502表5-2电机参数型号相数相电流步距角最大静转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量A度N.mHzHzKg.cm2110BYG3502330.61627003000015（2） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：初选的纵向步进电动机型号为110BYG3502，从表查的该型号电动机转子的转动惯量=15。加上配重和腰部大约=137kg则转动惯量=61.82则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为：=+=15+61.82=76.82（3） 计算加在步进电动机转轴上能够的等效负载转矩快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式=，电机转轴上的最大加速转矩，则有=根据式 =，考虑纵向链的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：=*对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速。 步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间。其中：空载最快移动速度，任务书指定为7500mm/min；步进电动机步矩叫角，为；脉冲当量，=0.025mm/脉冲。将以上各式带入式，算得=500。 设步进电动机由景致到加速至转速所需时间=0.4s，纵向传动链总效率=0.7；则由式=*求得=1.436，所以=1.436（4） 步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 4=5.744对于前面预选的110BYG3502步进电动机，由表可知，其最大静转矩=16，可见完全满足式4的要求。5.5 步进电动机的性能校核（1） 最快工进速度时电动机输出转矩校核最快工进速度=500mm/min，脉冲当量=0.025mm/脉冲，由式求出电动机对应的运频率=500/（60*0.025）Hz333Hz。从110BYG3502的运行矩频特性可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩19 ，远远大于最大工作负载转矩=1.436，满足要求。（2） 最快空载移动时电动机输出转矩校核最快空载移动速度7500mm/min，仿照式求出电动机对应的运行频率7500/（60*0.025）Hz5000 Hz。在此频率下电动机的输出转矩=20，大于快速空载启动时的负载转矩=1.436，满足要求11。（3） 最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度=7500mm/min，对应的电动机运行频率=5000Hz。查表的110BYG3502的极限运行频率为30000Hz，可见没有超出范围。（4） 启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量=76.82，电动机转子自身的转动惯量=15，查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率=2700Hz。则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为： =1091.3Hz。上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1091.3Hz。实际上，在采用软件升降时，启动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，这里纵向进给系统选用110BYG3502步进电动机，可以满足设计要求。5.6 小结本章节涉及了机械手腰部和基座的结构设计，主要进行步进电机的计算与选型，步进电机正常运行时各项参数的校核。6 机械手控制系统设计本课题的机械手的控制部分采用单片机控制步进电机和气缸来实现的。6.1 驱动器通过步进电机的相数，电压，电流，频率等参数进行选择驱动器。分别选出驱动器的型号为两个HB306S和两个HB205S驱动器12。6.1.1 HB306S驱动器图6-1HB306S驱动器（1） 特点 AC2450V或DC3670V电源供电 最大6A相电流输出 采用交流伺服电机的电流控制方式，精确正弦电流输出，使步进电机各项运行性能指标接近交流伺服电机 驱动器性能对电机的依赖性极小，不同参数电机均可获得优异性能 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 （2） 适配电机此驱动器能与57、86、90BYG系列三相混合式步进电机相配合。（3） 输入输出端子表6-1输入输出端子端子标记功能说明CP+步进脉冲信号正输入端光耦开通沿有效，最小脉宽2usCP-步进脉冲信号负输入端DIR+方向控制信号正输入端光耦关断时为正转，开通时为反转DIR-方向控制信号负输入端FREE+脱机控制信号正输入端光耦开通时输出电流为0，电机无锁定转矩FREE-脱机控制信号负输入端POWER电源指示电源正常时发光管亮(红色)TIMING相原点指示相原点时发光管亮(绿色)ERROR故障指示驱动器故障时发光管亮(红色)AA相输出BB相输出CC相输出AC40V电源输入额定电压AC40V（AC2450V或DC36V70V），3A注：信号输入脚内部光耦和电阻适合于5V信号，非5V信号请在外部加相应电阻（4） 信号设置表6-2信号设置开关位置（DIP1）信号设置0CP+/CP-为正转脉冲信号，DIR+/DIR-为反转脉冲信号1CP+/CP-为脉冲信号，DIR+/DIR-为方向信号（电平控制）（5） 电流设置表6-3电流设置开关位置（DIP2 3 4）输出电流（峰值,单位：A）0006.00015.50105.00114.51004.01013.51103.01112.5（6） 细分设置表6-4细分设置开关位置（DIP5 6 7 8）细分设置（拍/齿）脉冲数/圈0000240120000001200100000010160800000111206000010010050000101804000011060300001115025001000482400100140200010103015001011241200110020100011011260011101050011116300注：拨动开关“ON”时为“0”；细分设置可根据用户要求定制（7） 硬件连接图6-2硬件连接6.1.2 HB205S驱动器图6-3HB205S驱动器（1） 特点 AC2450V或DC3670V电源供电 最大6A相电流输出 采用交流伺服电机的电流控制方式，精确正弦电流输出，使步进电机各项运行性能指标接近交流伺服电机 驱动器性能对电机的依赖性极小，不同参数电机均可获得优异性能 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 输入输出信号光电隔离 （2） 适配电机本驱动器与57、75、86、90BYG系列两相混合式步进电机相配合。（3） 输入输出端子表6-5输入输出端子端子标记功能说明CP+步进脉冲/正向脉冲正输入端脉冲+方向模式下：1） 脉冲光耦开通沿有效，最小脉宽2us2） 方向光耦关断时正转，开通时反转正/反脉冲模式见“信号设置”CP-步进脉冲/正向脉冲负输入端CW+方向信号/反向脉冲正输入端CW-方向信号/反向脉冲负输入端FRE+脱机控制信号正输入端光耦开通时输出电流为0，电机无锁定转矩FRE-脱机控制信号负输入端ERR-C故障信号正输出端光耦副边集电极开路输出（50V/20mA）。驱动器故障时ERR-C脚和ERR-E间三极管开通ERR-E故障信号负输出端COM信号公共端CP、CW、FRE内部光耦的公共地POWER电源指示电源正常时发光管亮(红色)TIMING相原点指示相原点时发光管亮(绿色)ERROR故障指示驱动器故障时发光管亮(红色)AA相头输出/AA相尾输出BB相头输出/BB相尾输出AC40V电源输入额定电压AC40V（AC2450V或DC3670V）,3A注：信号输入脚内部光耦和电阻适合于5V信号，非5V信号请在外部加相应电阻（4） 信号设置表6-6信号设置开关位置（DIP1）信号设置0CP+/CP-为正转脉冲信号，CW+/CW-为反转脉冲信号1CP+/CP-为脉冲信号，CW+/CW-为方向信号（电平控制）（5） 电流设置表6-7电流设置开关位置（DIP2 3 4）输出电流（峰值,单位：A）0006.00015.50105.00114.51004.01013.51103.01112.5（6） 细分设置表6-8细分设置开关位置（DIP5 6 7 8）细分设置（拍/齿）脉冲数/圈00002561280000012001000000101608000001112864000100100500001018040000110643200011150250010004020001001321600101025125010112010001100168001101105001110840011114200注：拨动开关“ON”时为“0”；细分设置可根据用户要求定制（7） 硬件连接图6-4硬件连接6.2 接线图本课题的接线图如图6-5所示，控制器提供电源、脉冲信号、方向信号以及允许信号，其信号的电平均为5V标准的TTL电平，该系统选择的步进电机为45BF003,110BYG3502,90BYG250213-14。图6-5接线图6.3 步进电机原理步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。说通俗点，就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一个角度或者前进一步，因此，步进电机也称脉冲电动机。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。在负载能力范围