机电一体化课程设计机械手.docx

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机电一体化课程设计机械手

机电一体化课程设计---机械手

机电一体化课程设计机械手一、机械手及其应用

机械手:

mechanicalhand，也被称为自动手，autohand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2,3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:

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。

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

[4]复杂。

这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

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、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

#defineTH0_TL0（65536-1000）//设定中断的间隔时长unsignedcharcount0=0;unsignedcharcount1=0;bitFlag=1;//电机正反转标志位,1正转，0反转sbitKey_add=P3^2;//电机减速

sbitKey_dec=P3^3;//电机加速

sbitKey_turn=P3^4;//电机换向

sbitPWM1=P3^6;//PWM通道1

sbitPWM2=P3^7;//PWM通道2

unsignedcharTime_delay;//函数声明

voidDelay（unsignedcharx）;voidMotor_speed_high（void）;voidMotor_speed_low（void）;