機電一體化課程設(shè)計---機械手

1、<p>　　機電一體化課程設(shè)計機械手</p><p>　　一、機械手及其應(yīng)用 </p><p>　　機械手：mechanical hand，也被稱為自動手，auto hand</p><p>　　能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安

2、全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。</p><p>　　機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自

3、由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。</p><p>　　在中國工業(yè)韌帶發(fā)展中，很多高生產(chǎn)率高精度的機械加工設(shè)備從國外引進，大大的提高了工作速度，產(chǎn)品的加工精度，降低了工作的勞動強度，所以大受歡迎。機械手是一種模仿人體上肢運動的機器，它能按照預(yù)定要求輸送工種或握持

4、工具進行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。</p><p>　　工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，提高 勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁，單調(diào)的操作，如果沒有機械手那么工人的勞動強度是很高的，有時候還要用行車員工件，生產(chǎn)速度大大延緩，這種情況采用機械手是很有效

5、的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染環(huán)境條件上進行操作。更顯其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。</p><p>　　國內(nèi)外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應(yīng)用于以下幾方面。</p><p><b>　　熱加工方面的應(yīng)用</b></p><p>　　熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作

6、效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作</p><p><b>　　冷加工方面的應(yīng)用</b></p><p>　　冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床

7、、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。</p><p><b>　　3. 拆修裝方面</b></p><p>　　拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)

8、部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。</p><p>　　近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。</p><p><b>　　機械手的應(yīng)用意義。</b></p><p>　　在機械工業(yè)中，機械手的應(yīng)用意義可以概括如下：</p>

9、<p>　　1.可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度</p><p>　　應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。2.可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機

10、械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。</p><p>　　可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)</p><p>　　應(yīng)用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工

11、自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。</p><p><b>　　二、機械手的分類</b></p><p>　　工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。</p><p><b>　?。ㄒ唬┌从猛痉?lt

12、;/b></p><p>　　機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:</p><p><b>　　1.專用機械手</b></p><p>　　它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機床、自動線的上、下料機械手和‘加工中心”批量的

13、自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手。</p><p><b>　　2．通用機械手</b></p><p>　　它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。</p>&

14、lt;p>　　通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。</p><p><b>　?。ǘ┌打?qū)動方式分</b></p><p><b>　　1．液壓傳動機械手</b><

15、;/p><p>　　是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。</p><p>　　2.氣壓傳動機械手是以壓縮空

16、氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。</p><p><b>　　3.機械傳動機械手</b></p><

17、p>　　即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。</p><p><b>　　4．電力傳動機械手</b></p><p>　　即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直

18、接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。</p><p><b>　　(三)按控制方式分</b></p><p><b>　　1．點位控制</b></p><p>　　它的運動為空間點到點之間的移動，只

19、能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。</p><p><b>　　2．連續(xù)軌跡控制</b></p><p>　　它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工

20、業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制[4]。</p><p><b>　　三、機械手的組成</b></p><p>　　工業(yè)機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。 </p><p><b>　　1、執(zhí)行機構(gòu)</b></p><p>　　手部 、腕部 、臂部、手臂等部件。 </p>

21、<p><b>　　2、驅(qū)動機構(gòu)</b></p><p>　　驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。</p><p><b>　　3、控制系統(tǒng)分類</b></p><p&

22、gt;　　在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。</p><p>　　四、機械手整體設(shè)計方案</p><p>　　在現(xiàn)有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種機械手，該機械手能利用吸盤自動吸取工件，并將工件放到指定位置。該手運行路徑合理，整個過

23、程無人工操作，系統(tǒng)通過傳感裝置檢測工件，工作結(jié)束后能自動停止。機械手有上行/下行、左擺/右擺、放松/吸取幾個運行方式，并且能夠準確把握工件的起始、終止位置因素。</p><p><b>　　總體設(shè)計框圖</b></p><p><b>　　1．控制裝置的選擇</b></p><p>　　本設(shè)計中用單片機取代PLC 控制。&

24、lt;/p><p>　　2.機械手坐標形式的選擇</p><p>　　本設(shè)計中精度要求較高，直角坐標式靈活性差，不利于提高工作效率。因此為了使其工作方式更加簡單直觀，機械手坐標類型選擇為圓柱坐標機械手。</p><p><b>　　3.傳動機構(gòu)的選擇</b></p><p>　　本設(shè)計要求傳動方式為電機的轉(zhuǎn)動帶動機械手臂的上

25、下、左右移動，由于設(shè)計精度要求較高，從零件的加工方面考慮，最終確定了加工較為簡單的齒輪傳動。</p><p><b>　　4.抓取機構(gòu)的選擇</b></p><p>　　目前工業(yè)上較長采用的抓取機構(gòu)為真空吸盤，考慮到材質(zhì)(表面光滑工件)，因此選擇了真空吸盤作為抓取機構(gòu)。通過氣缸活塞的上下運動來控制工件的抓取和放下，操作方便。</p><p>&

26、lt;b>　　5.驅(qū)動方式的選擇</b></p><p>　　選擇驅(qū)動方式階段，電機選擇相對較為簡單，由于步進電機有步距角誤差，機械手在齒輪傳動和擺動時會進一步放大該誤差，因此選擇伺服電機驅(qū)動。</p><p><b>　　三維圖如圖所示：</b></p><p>　　真空吸盤；2—氣缸；3—小臂；4—齒輪；5—伺服電機；6—

27、大臂；7—支撐座。</p><p>　　抓取及放松工件的過程：</p><p>　　伺服電機帶動大臂6繞著各自的旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)，使工件在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，通過伺服電機5和齒輪4傳動，使小臂3也可在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。當移動到工件上方時，氣缸2控制真空吸盤1吸取工件，然后通過大臂與小臂的旋轉(zhuǎn)使工件到達指定位置，將工件放松。</p><p>　　伺服電機的驅(qū)動芯片選用型號為LMD

28、18200的芯片。它可以根據(jù)PWM 控制信號的占空比來決定直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。采用一個增量型光電編碼器來反饋電動機的實際位置，輸出AB 兩相，檢測電機轉(zhuǎn)速和位置，形成閉環(huán)位置反饋，從而達到精確控制電機。</p><p>　　所設(shè)計的電路圖如下圖所示：</p><p><b>　　五、總結(jié)與體會</b></p><p>　　通過本次機械手的課程

29、設(shè)計，使我對以前所學的理論知識有了更進一步的了解，同時學會了將所學過的知識技能應(yīng)用到實際中去，能夠系統(tǒng)的、全面的鍛煉我的整體設(shè)計能力，并且能夠?qū)⒋髮W期間所學到的知識得到有效的復習和鞏固。</p><p>　　機械手的課程設(shè)計，要求內(nèi)容更高，設(shè)計過程更加復雜。我們需要有充分專業(yè)知識，和良好的理解能力、掌握能力以及實際運用的靈活性。</p><p>　　通過此次畢業(yè)設(shè)計，使我了解了很多機械手的

30、相關(guān)知識。使我也了解了當前國內(nèi)外在此方面的一些先進生產(chǎn)和制造技術(shù)。了解了機械手程序設(shè)計的一般過程，掌握了程序設(shè)計方面的基礎(chǔ)，為以后的工作、學習打下了堅實的基礎(chǔ)。同時我也認識到了自身控制方向的不足，以后仍需繼續(xù)努力。</p><p><b>　　附件1</b></p><p><b>　　仿真程序</b></p><p>　

31、　#include<REG51.H></p><p>　　#define TH0_TL0 (65536-1000)//設(shè)定中斷的間隔時長</p><p>　　unsigned char count0 = 0;</p><p>　　unsigned char count1 = 0;</p><p>　　bit Flag = 1;//

32、電機正反轉(zhuǎn)標志位,1 正轉(zhuǎn)，0 反轉(zhuǎn)</p><p>　　sbit Key_add=P3 ^ 2; //電機減速</p><p>　　sbit Key_dec=P3 ^ 3; //電機加速</p><p>　　sbit Key_turn=P3 ^ 4; //電機換向</p><p>　　sbit PWM1=P3 ^ 6;//PWM 通道 1&

33、lt;/p><p>　　sbit PWM2=P3 ^ 7;//PWM 通道 2</p><p>　　unsigned char Time_delay;</p><p><b>　　//函數(shù)聲明</b></p><p>　　void Delay(unsigned char x);</p><p>　　v

34、oid Motor_speed_high(void);</p><p>　　void Motor_speed_low(void);</p><p>　　void Motor_turn(void);</p><p>　　void Timer0_init(void);</p><p>　　/****************************

35、*************************************</p><p><b>　　***/</b></p><p>　　void Delay(unsigned char x)//延時處理</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Time_delay = x;

36、</p><p>　　while(Time_delay != 0);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*****************************************************************</p><p><b>　　***/</b

37、></p><p>　　void Timer0_int(void) interrupt 1 using 1//定時0 中斷處理</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　TR0 = 0;</b></p><p>　　TL0 += (TH0_TL0 + 9) % 256

38、;</p><p>　　TH0 += (TH0_TL0 + 9) / 256 + (char)CY;</p><p><b>　　TR0 = 1;</b></p><p>　　if(Time_delay != 0)//延時函數(shù)用</p><p><b>　　{</b></p><

39、p>　　Time_delay--;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(Flag == 1)//電機正轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　PWM1 = 0;</b></p><p>

40、　　if(++count1 < count0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　PWM2 = 1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p>

41、<p><b>　　PWM2 = 0;</b></p><p>　　if(count1 >= 100)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　count1=0;</b></p><p><b>　　}</b>

42、</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else //電機反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　PWM2 = 0;</b></p><p>　　if(++count1 < count0)&l

43、t;/p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　PWM1 = 1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　PWM1 =

44、0;</b></p><p>　　if(count1 >= 100)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　count1=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b&g

45、t;　　}//反轉(zhuǎn)</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*****************************************************************</p><p><b>　　***/</b></p><p>　　

46、void Motor_speed_high(void)//按鍵處理加pwm 占空比，電機加速</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(Key_add==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Delay(10);</p><p&

47、gt;　　if(Key_add==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　count0 += 5;</p><p>　　if(count0 >= 100)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　count0 = 100;&

48、lt;/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(Key_add == 0);//等待鍵松開</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b>

49、;</p><p>　　/*****************************************************************</p><p><b>　　***/</b></p><p>　　void Motor_speed_low(void)//按鍵處理減pwm 占空比，電機減速</p><

50、p><b>　　{</b></p><p>　　if(Key_dec==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Delay(10);</p><p>　　if(Key_dec==0)</p><p><b>　　{</b>

51、</p><p>　　count0 -= 5;</p><p>　　if(count0 <= 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　count0 = 0;</p><p><b>　　}</b></p><p><

52、;b>　　}</b></p><p>　　while(Key_dec == 0);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/************************************************

53、*****************</p><p><b>　　***/</b></p><p>　　void Motor_turn(void)//電機正反向控制</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(Key_turn == 0)</p><p>

54、<b>　　{</b></p><p>　　Delay(10);</p><p>　　if(Key_turn == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Flag = ~Flag;</p><p><b>　　}</b><

55、;/p><p>　　while(Key_turn == 0);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*****************************************************************<

56、/p><p><b>　　***/</b></p><p>　　void Timer0_init(void)//定時器0 初始化</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD=0x01;</p><p>　　TH0=TH0_TL0 / 256;</p

57、><p>　　TL0=TH0_TL0 % 256;</p><p><b>　　TR0=1;</b></p><p><b>　　ET0=1;</b></p><p><b>　　EA=1;</b></p><p><b>　　}</b>

58、;</p><p>　　/*****************************************************************</p><p><b>　　***/</b></p><p>　　void main(void)//主函數(shù)</p><p><b>　　{</b&g

59、t;</p><p>　　Timer0_init();</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　Motor_turn();</p><p>　　Motor_speed_high();</p>