基于单片微机控制的机械手设计.doc

基于单片微机控制的机械手设计(机械结构)
摘 要
在工业生产中,机械手系统有着广泛的应用,如工件转移、工件装配、加工中心刀库换刀等,作为一种相对较新的机电一体化设备,它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机械手,其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。本机械手使用气动夹紧装置,两直线方向的运动由两对丝杠螺母机构完成,通过步进电机驱动,一个旋转方向的运动也由步进电机驱动,因为使用单片机可以较容易地控制步进电机。在控制器的作用下,机械手执行将工件从一个位置拿到另一个位置这一动作。本机械手系统具有较大的柔性:控制方面,因机械手可以较容易地与PC机通信;上位机程序通过VB语言编写,可以通过改写上位机程序,比如增加可以调用的子程序、数据库等,使机械手实现更加强大地功能;机械结构方面,本机械手的末端执行机构可以更换,可以通过更换末端执行机构使机械手完成不同的任务。
本文的主要内容包括:机械手总体结构方案的选型、机械手的动力学参数计算、机械手的运动学设计、运动部件的设计与校核、结构设计等。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。
关键词:机械手 自由度 结构
目 录
摘 要…………………………………………………………………………………………Ⅰ
目 录…………………………………………………………………………………………Ⅱ
第一章 前言 1
第二章 机械手总体结构的确定 4
2.1机械手自由度的确定 4
2.2工作空间和额定负载的确定 4
2.3确定分辨率、重复性 4
2.4机械手结构形式的确定 5
第三章 动力学参数计算 7
3.1末端夹持系统的设计 7
3.1.1手爪夹持装置的机构选型 7
3.1.2夹持气缸的选用 8
3.2水平运动机构动力学参数计算 10
3.2.1螺纹传动的强度设计与校核 10
3.2.2水平运动步进电机的选择 12
3.3竖直运动机构力学参数计算 13
3.3.1螺纹传动的强度设计与校核 13
3.3.2竖直运动步进电机的选型 14
3.4转盘运动机构动力学参数计算 15
第四章 运动学设计 18
4.1手爪部件及水平运动部件的设计 18
4.1.1手爪部件的设计与校核 18
4.1.2水平运动部件的设计与校核 19
4.2竖直运动部件的设计 23
第五章 传动部件的设计 25
5.1传动轴的设计与校核 25
5.1.1传动轴的结构设计 25
5.1.2传动轴的强度校核 25
5.2轴承的选用与校核 27
5.2.1 水平丝杆外端轴承的选用与校核 27
5.2.2竖直运动处丝杆与转盘连接处轴承的选用与校核 29
5.3键连接的选用与校核 31
5.3.1传动轴与转盘连接处键连接的选用与校核 31
5.3.2竖直运动处丝杆与齿轮处键连接的选用与校核 31
5.4传动齿轮的设计与校核 33
5.4.1水平运动传动齿轮副的设计与校核 33
第六章 机械手部件的结构设计 37
6.1水平运动部件结构设计 37
6.2运动箱体结构设计 38
第七章 总结 41
致 谢…………………………………………………………………………………………44
参考文献 ………………………………………………………………………………………45
第一章 前言
基于单片机控制的机械手,就其本质上来说,属于工业机器人的范畴,机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果,是当代科学技术发展最活跃的领域之一,也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平,是一个国家科技水平和经济实力的象征,正受到许多国家的广泛重视。
目前,工业机器人的定义,世界各国尚未统一,分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义:工业机器人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,来完成各种工作,主要用于搬运材料,传递工件。参考国外的定义,结合我国的习惯用语,对工业机器人作如下定义:
工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人的发展,由简单到复杂,由初级到高级逐步完善,它的发展过程可分为三代:
第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人,它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单,应用在线编程,即通过示教存贮信息,工作时读出这些信息,向执行机构发出指令,执行机构按指令再现示教的操作。
第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多,这种机器人从1980年开始进入了实用阶段,不久即将普及应用。
第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外,还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境,识别对象的有无及其状态,再根据这一识别自动选择程序进行操作,完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化,具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段,尚未大量投入工业应用。
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:
1.工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
2.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
3.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜越来越小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
4.机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
5.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
6.当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
7.机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出虚拟轴机床以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。
我国的工业机器人从80年代七五科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过七五、八五科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,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,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人约20