基于步進(jìn)電機(jī)的三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)【直角坐標(biāo)機(jī)器人型-單片機(jī)】

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機(jī)械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械手和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可以用于零部件組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 本課題主要應(yīng)用于生產(chǎn)加工車間，與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。通過對機(jī)械電子工程（機(jī)電一體化方向）專業(yè)大學(xué)本科的所學(xué)知識進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床送料機(jī)械手設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械電子工程（機(jī)電一體化方向）專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。 2 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： （1） 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。 （2） 工業(yè)機(jī)器人控制體系向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （3） 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、聲覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 （4） 關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)。 （5） 焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 3 研究內(nèi)容 3.1 機(jī)械部分 本設(shè)計(jì)機(jī)械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有3個(gè)自由度，兩個(gè)升降，兩個(gè)平移自由度，由手部、手臂、機(jī)身等主要部件組成。 手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工作要求而設(shè)計(jì)的。歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。由于本次設(shè)計(jì)的是流水線間工件自動搬運(yùn)工業(yè)機(jī)械手，因此使用夾持式手部，采用手部加緊缸。 手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運(yùn)動。因此，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用滾珠絲杠副，來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。因此，手抓伸縮采用伸縮缸，手臂的升降與平移采用滾珠絲杠 機(jī)身是直接支承和驅(qū)動手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況愈復(fù)雜。由于本次設(shè)計(jì)的流水線間工件搬運(yùn)工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行的是自動定點(diǎn)搬運(yùn)工件。所以機(jī)械手設(shè)計(jì)成固定的。 3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 機(jī)械手電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)勢是在于節(jié)能，因?yàn)闅鈩雍鸵簤候?qū)動的能量是二次轉(zhuǎn)化，能量消耗大約在35%左右。所以節(jié)能是今后機(jī)械手，機(jī)械自動化發(fā)展的一項(xiàng)重要的技術(shù)內(nèi)容。因此本課題選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。 3.3 控制系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序、應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動、手指的開閉動作，以及各個(gè)動作的時(shí)間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運(yùn)動部件沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動按照預(yù)先整定好的程序來實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”。因此本課題選用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制 4 研究方案 4.1總體方案 本機(jī)械手為專用機(jī)械手，因此相對于通用機(jī)械手來說，它動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)。 （1） 選取機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度。 （2） 設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括手部、手臂等部件的設(shè)計(jì)。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用夾持式手指來抓取棒料工件。 （3） 滾珠絲杠的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)，包括器件的選取，受力的校核等。 （4） 機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器單片機(jī)對機(jī)械手進(jìn)行控制，選取相應(yīng)的單片機(jī)型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程繪制單片機(jī)控制原理圖，編制出單片機(jī)程序，并畫出接線圖。 4.2預(yù)期能達(dá)到的目標(biāo) 通過本次課題的畢業(yè)設(shè)計(jì)將自己四年中所學(xué)到機(jī)械設(shè)計(jì)、絲杠傳動、單片機(jī)控制技術(shù)等等知識聯(lián)系起來，通過自己的努力，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)際工業(yè)項(xiàng)目的目的。 4.4可能遇到的困難以及應(yīng)對措施 機(jī)械手設(shè)計(jì)尺寸不合理，傳動計(jì)算不準(zhǔn)確，單片機(jī)不能完全實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制等等。應(yīng)對方法是參考大量書籍，查閱文獻(xiàn)，網(wǎng)上收集資料，及時(shí)與同學(xué)，老師溝通以尋求幫助。 5 進(jìn)度計(jì)劃 2011.11.01-2011.12.01：收集資料，研讀資料 2011.12.01-2012.01.15：擬訂總體設(shè)計(jì)方案 2012.01.15-2012.03.05：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、繪制總裝圖 2012.03.05-2012.03.10：主要零部件設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制零件工作圖 2012.03.10-2012.03.15：繪制接線原理圖 2012.03.15-2012.03.20：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2012.03.20-2012.03.25：撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 2012.03.25-2012.06.06：修改及答辯 參考文獻(xiàn) [1] 宋娟.上下料機(jī)械手PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù),2008,(8). 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[17] 胡學(xué)林.可編程控制器(基礎(chǔ)篇).北京:電子工業(yè)出版社,2003. 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 開題答辯小組意見 1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實(shí)用價(jià)值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。 4、設(shè)計(jì)或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。 5、學(xué)生對文獻(xiàn)資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。 6、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對論文選題報(bào)告的總體評價(jià)：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號“√”） 建議結(jié)論 評議小組組長簽名： 評議小組組員簽名： 年 月 日