毕业设计论文三自由度直角坐标机械手的设计.docx

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1、中国地质大学长城学院本科毕业设计题目直角坐标系机械手的设计系别工程技术系学生姓名专业机械设计制造及其自动化学号指导教师职称教授2015年4月摘要在工业上，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

2、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ABSTRACTIndustria11y,automaticcontro1systemshaveawiderangeofapp1ications,suchasautomationmachinetoo1co

3、ntro1,computersystems,robotics.Theindustria1robotisare1ative1ynewmachineryande1ectronicequipmentinthemodernindustry,itisp1ayingamoreandmoreimportantro1e.Fu11yautomatedindustria1machineryhandcanimitatehandandarmsomeactionfunction,withfixedprocedureshand1ing,graspinganobjectoroperationtoo1forautomatic

4、operationdevice,themanipu1atorismain1ycomposedofahandandthemovementmechanism.Accordingtothetransportingorcatchtoobjectshape,size,weight,materia1sandworkingenvironmentofthedifferentrequirements,handtherearesevera1structureforms,adsorption,supportingandc1ampingtype.Motionmechanismisthefunctionofthehan

5、dtocomp1eteavarietyofactions:moving,rotatingmovementtoachievetherequiredaction.Bodystretching,1iftingandrotatingmovement,knownasthedegreesoffreedommanipu1ator.Thedesignofthreedegreeoffreedomindustria1robotinCartesiancoordinatetype,whichiscomposedoffour1ineardirection,throughba11screwtorea1izesma11ar

6、mandthearmstretching,1ifting.Thesemovementsarea11basedonthesteppermotordrivenby.Undertheactionofthecontro11er,itwi11performaworkpiecefromoneproduction1inetocraw1andtransportedtoanother1ineofthissimp1eaction.Thispaperfocusesonthemanipu1atordriveportionoftheba11screwandthesteppingmotorwereca1cu1ated,c

7、a1cu1atethecontentmain1yinc1udesindustria1robotdesignofthetransmissionmechanism,andthemechanica1transmissiondevicese1ection.Inadditiontothecontro1partofthedescriptiontherearesing1e-chipmicrocomputercontro1scheme,thewiringdiagramandtheprogramf1owdiagram.Keywords：threedegreesoffreedom,Cartesiancoordin

8、ates,industria1robot1绪论111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

9、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351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

10、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

11、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

12、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。2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

13、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2.2 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：（2）工件尺寸：（3）自由度数：（4）坐标型式：（5）手指开合角度：（7） Y轴小臂上下移动距离为：（8） X轴小臂

14、伸缩距离为：（9） Z轴平移距离为：（10）机械手（重复）定位精度:5kg直径约80-150cm3个自由度直角坐标60。（最大速度:60度每秒）500mm（最大速度IOmmZS）800mm（最大速度20mms）1OOmm（最大速度1Omm/s）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直角坐标系

15、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21。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50