机电一体化课程设计机械手

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1、机电一体化课程设计机械手一、机械手及其应用 机械手：mechanical hand，也被称为自动手，auto hand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持

2、物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。在中国工业韧带发展中，很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进，大大的提高了工作速度，产品的加工精度，降低了工作的劳动强度，所以大受欢迎。机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢

3、迎。工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高 劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁，单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情况采用机械手是很有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性，有着广阔的发展前途。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面。1. 热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的

4、作业就更需要采用机械手操作2. 冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3. 拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质

5、量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。机械手的应用意义。在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，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全部代替人安全地完

6、成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3. 可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，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地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。二、机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。（一）按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种

7、:1.专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。2通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服

8、型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。（二）按驱动方式分1液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2.气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。

9、但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3.机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运

10、动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制4。三、机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 1、执行机构手部 、腕部 、臂部、手臂等部件。 2、

11、驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。3、控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。四、机械手整体设计方案在现有生产线的基础上，设计一种机械手，该机械手能利用吸盘自动吸取工件，并将工件放到指定位置。该手运行路径合理，整个过程无人工操作，系统通过传感装置检测工件，工作结束后能自动

12、停止。机械手有上行/下行、左摆/右摆、放松/吸取几个运行方式，并且能够准确把握工件的起始、终止位置因素。总体设计框图1控制装置的选择本设计中用单片机取代PLC 控制。2.机械手坐标形式的选择本设计中精度要求较高，直角坐标式灵活性差，不利于提高工作效率。因此为了使其工作方式更加简单直观，机械手坐标类型选择为圆柱坐标机械手。3.传动机构的选择本设计要求传动方式为电机的转动带动机械手臂的上下、左右移动，由于设计精度要求较高，从零件的加工方面考虑，最终确定了加工较为简单的齿轮传动。4.抓取机构的选择目前工业上较长采用的抓取机构为真空吸盘，考虑到材质(表面光滑工件)，因此选择了真空吸盘作为抓取机构。通过

13、气缸活塞的上下运动来控制工件的抓取和放下，操作方便。5.驱动方式的选择选择驱动方式阶段，电机选择相对较为简单，由于步进电机有步距角误差，机械手在齿轮传动和摆动时会进一步放大该误差，因此选择伺服电机驱动。三维图如图所示：1 真空吸盘；2气缸；3小臂；4齿轮；5伺服电机；6大臂；7支撑座。抓取及放松工件的过程： 伺服电机带动大臂6绕着各自的旋转轴进行旋转，使工件在水平面内转动，通过伺服电机5和齿轮4传动，使小臂3也可在水平面内旋转。当移动到工件上方时，气缸2控制真空吸盘1吸取工件，然后通过大臂与小臂的旋转使工件到达指定位置，将工件放松。伺服电机的驱动芯片选用型号为LMD18200的芯片。它可以根据

14、PWM 控制信号的占空比来决定直流电机的转速和转向。采用一个增量型光电编码器来反馈电动机的实际位置，输出AB 两相，检测电机转速和位置，形成闭环位置反馈，从而达到精确控制电机。所设计的电路图如下图所示：五、总结与体会通过本次机械手的课程设计，使我对以前所学的理论知识有了更进一步的了解，同时学会了将所学过的知识技能应用到实际中去，能够系统的、全面的锻炼我的整体设计能力，并且能够将大学期间所学到的知识得到有效的复习和巩固。机械手的课程设计，要求内容更高，设计过程更加复杂。我们需要有充分专业知识，和良好的理解能力、掌握能力以及实际运用的灵活性。通过此次毕业设计，使我了解了很多机械手的相关知识。使我也

15、了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术。了解了机械手程序设计的一般过程，掌握了程序设计方面的基础，为以后的工作、学习打下了坚实的基础。同时我也认识到了自身控制方向的不足，以后仍需继续努力。附件1仿真程序#include#define TH0_TL0 (65536-1000)/设定中断的间隔时长unsigned char count0 = 0;unsigned char count1 = 0;bit Flag = 1;/电机正反转标志位,1 正转，0 反转sbit Key_add=P3 2; /电机减速sbit Key_dec=P3 3; /电机加速sbit Key_turn=P3 4

16、; /电机换向sbit PWM1=P3 6;/PWM 通道 1sbit PWM2=P3 7;/PWM 通道 2unsigned char Time_delay;/函数声明void Delay(unsigned char x);void Motor_speed_high(void);void Motor_speed_low(void);void Motor_turn(void);void Timer0_init(void);/*/void Delay(unsigned char x)/延时处理Time_delay = x;while(Time_delay != 0);/*/void Timer0

17、_int(void) interrupt 1 using 1/定时0 中断处理TR0 = 0;TL0 += (TH0_TL0 + 9) % 256;TH0 += (TH0_TL0 + 9) / 256 + (char)CY;TR0 = 1;if(Time_delay != 0)/延时函数用Time_delay-;if(Flag = 1)/电机正转PWM1 = 0;if(+count1 = 100)count1=0;else /电机反转PWM2 = 0;if(+count1 = 100)count1=0;/反转/*/void Motor_speed_high(void)/按键处理加pwm 占空比

18、，电机加速if(Key_add=0)Delay(10);if(Key_add=0)count0 += 5;if(count0 = 100)count0 = 100;while(Key_add = 0);/等待键松开/*/void Motor_speed_low(void)/按键处理减pwm 占空比，电机减速if(Key_dec=0)Delay(10);if(Key_dec=0)count0 -= 5;if(count0 = 0)count0 = 0;while(Key_dec = 0);/*/void Motor_turn(void)/电机正反向控制if(Key_turn = 0)Delay(10);if(Key_turn = 0)Flag = Flag;while(Key_turn = 0);/*/void Timer0_init(void)/定时器0 初始化TMOD=0x01;TH0=TH0_TL0 / 256;TL0=TH0_TL0 % 256;TR0=1;ET0=1;EA=1;/*/void main(void)/主函数Timer0_init();while(1)Motor_turn();Motor_speed_high();Motor_speed_low();