机械电子工程毕业设计：基于微机控制的工件自动搬运机械手设计.doc

1、 本科毕业论文 （ 20 届） 基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 所在学院 专业班级 机械电子工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 I - I - 摘 要 随着现代工业的发展，为了进一步提高加工的效率和自动化程度，柔性制造系统得到了快速的发展，尤其是工件的装卸和自动 交换系统的产生，使得柔性制造系统的效率得到了极大的提高，近年来。在许多行业，尤其是汽车制造等行业中，工业机器人得到了广泛的应用。本课题研究的是一种实现在工件自动交换系统和工件仓库间实现工件自动搬运的工业机械手。 本课题设计的工业机械手，是综合应用了机电一体化的相关技术的典

2、型设备，它采用步进电机驱动，具有检测环节，采用微机程序控制，从技术实现和理论研究两个方面着手，研究和开发一个性能优良的机械手用以实现可靠和精确地搬运和抓取。结构合理、性能完善的机械手，可以改善工人的劳动环境，降低工人的劳动强度，大大提高劳动 生产率，将加速产品化的进程，意味着生产的自动化。 关键词 ： 柔性化系统，机械手，开环，微机控制，自动交换系统 基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 II - II - ABSTRACT With the development of modern industry, in order to further improve the efficiency a

3、nd automation of processing, flexible manufacturing systems has been rapidly developed, especially to produce the work piece handling and automatic switching system , making great increasing of the efficiency of the flexible manufacturing system. In recent years, many industries, especially in the a

4、utomotive manufacturing industry, industrial robots have been widely used. This research is an implementation to achieve automatic work piece handling of industrial robots in automated exchange system between the work piece and the work piece warehouse. The research is designed for industrial robots

5、, a comprehensive application a typical electromechanical integration equipment related technology , which uses a stepper motor driver , with a detection part , using computer program control , proceed from the technology and theoretical studies two aspects of research and developing a good performa

6、nce for the robot to achieve reliable and accurate handling and crawl. Reasonable structure, perfect performance of robots can improve workers daily working environment, reduce labor intensity , which may lead to the greatly improvement of labor productivity, will accelerate the process of means of

7、production automation . Key words: flexible systems, robots, open-loop, microcomputer control, automatic switching system 基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 III - III - 目 录 1 绪论 .1 1.1 机械手的研究现状 . 1 1.2 机械手的国内外研究方向 . 1 2 伸缩机构滚珠丝杠副的选型 .3 2.1 最大工作载荷计算（ mF ） . 3 2.2 计算最大动负载荷（ QF ） . 3 2.3 滚珠丝杠副的选型 . 4 2.4 传动效率的计算 . 4 2

8、.5 刚度验算 . 5 3 齿轮传动比的设计计算 .7 3.1 伸缩机构传动比 i 的确定 . 7 3.2 底座机构传动比 i 的确定 . 7 3.3 底座圆锥齿轮的设计 . 8 4 步进电动机的计算以及选型 . 13 4.1 底座机构步进电机的计算与选型 . 13 4.2 伸缩机构步进电机的计算与选型 . 17 4.3 提升机构直线步进电机的计算和选型 . 21 4.4 手抓步进电机的计算和选型 . 22 5 底座机构轴的设计计算 . 26 5.1 底座高速轴的设计计算 . 26 基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 IV - IV - 5.2 底座低速轴的设计计算 . 28 6 键的选择与

9、校核 . 31 6.1 底座传动轴上键的选择与校核 . 31 7 轴承的选型以及校核 . 33 7.1 伸缩丝杠副轴承的选型 . 33 8 控制系统的选型以及设计 . 34 8.1 控制电动机需要考虑的控制量 . 34 8.2 机械手控制系统的选择 . 34 8.3 专用微机控制 系统的组成 . 34 8.4 微机的特点 . 35 8.5 控制应用系统的开发与选择 . 35 9 结论 . 45 参考文献 . 46 致谢 . 48 基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 1 1 绪论 工业机械手，是用于再现人类手的功能的机械装置，可以通过一定的设计，模仿人手所进行的动作进行操作，实现按照程序指令，

10、抓取、搬运、放置等操作。在工业生产中，还是一门新的学科，起源于上个实际的 50年代初，最 早的机械手是 Unimate和Versatran公司研发 的机械手，经历六十多年的发展，已逐渐成为了现代机械制造生产系统中一个成熟的重要的组成部分。机械手技术涉及力学、机械学、自动控制技术、测试技术等等学科，是一门多学科综合的技术 1。 机械手的出现，对实际的生产加工有着极大的作用，并逐步为人类所识，它的优点在于能够部分替代人类进行操作，大大改善人类的工作条件，特别是高温、高压、多粉尘、噪音、辐射、腐蚀性的环境或者人们所无法到达的月球等环境进行劳动操作。 2机械手的遵循工艺指令操作，动作灵敏，反应迅速，便

11、于 自动控制，不受温度变化影响，相对于人工也减少了废品的比例，提高生产率，降低企业生产成本。 1.1 机械手的研究现状 机械手，一般由机械部分，传感部分和控制部分三大部分组成。其中，最关键的是机械部分，包含运动机构和手部两个部分。其中，手部是用于抓取的工件的部件，其可以根据其在具体的工况的不同或者自身尺寸、形状、材料、体积、密度的不同，再细分成不同的部分，最常见的有夹持型机械手、吸附型机械手以及托持型机械手。 运动机构也可以按照其需要完成动作需要的独立运动方式（伸缩，升降，旋转，俯仰等）的数量上进行区分。一个完 整的可以到达空间任意位置和方位的机械手，需要 6个自由度。但是根据机械手所需要的实

12、际的工作情况，自由度一般会少于 6 个。一般，自由度数量越多，机械手就越灵活，但是其结构就会更加复杂，控制起来更加复杂。一般，如果不考虑机械手的通用性，可以将专用的定制手的自由度设置为 2至 3个，从而简化结构，降低控制难度以及成本。 1.2 机械手的国内外研究方向 1.2.1 国外研究方向 未来的工业手将会与电机计算机更加紧密的配合，从而进一步的发展成柔性制造系统 （ FMS） 以及柔性制造单元 （ FMU） 重要的一环。随着工业机器手研究的不断 深入，未来的机器人将不断向智能化方向发展，并且未来将由数以百计的机器人行程一个大群体，实现“网络化”制造，以适应多样化以及个性化的需求。在未来，随

13、着传感器研究的不断深入，将会有源源不断的新传感器产生，为机器人提供更多感觉功能，而数字控制方面的发展，将有利于系统不断完善系统集成化程度，减小系统体积，并且提高系统基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 2 的安全可靠性，更重要的是，将系统的移动操作变为可能。 2 有国外专家预测，在不远的将来，工业机器人将会有更多感觉功能，更智能化，移动化，集成化，微型化，更安全可靠 。 1.2.2 我国研究方向 我国的工 业机器人起步较晚，于 20 世纪 70 年代初期才开始萌芽，经过 80 年代的开发期和 90 年代的适用化期，已经取得了一大批的科研成果，成功研制了一大批特种机器人。自 90 年代初起，我国

14、国民经济进入了根本转变的时期，进入了经济体制改革和技术进步的热潮，先后制出了装配、喷漆、切割、包装等各种用途的工业机器人，将工业机器人形成产业化，为我国自己的机器人产业奠定了一定物质和技术基础。 1 在一份最新的国际机器人联合会统计中显示，目前全球能够正常工作的机器人总量约在 76 至 102 万台之间。而就我国实际的发展情况而言，自 1990 年开 始的技术进步热潮开始，到下一代机器人研究进入成熟期需要大约 30 年左右。 4也就是说，我国的工业机器人有望在 2020 年左右进入成熟期。 近年来，我国在机器人的研究方面，高校取得了重要的进展。哈工大的双自由度笛卡尔坐标式机器人码垛机，已经在全

15、自动包装码垛生产线上，取得了非常好的经济效益。上海交通大学的机器人研究所也在此获得了突破性的进展。 基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 3 2 伸缩机构滚珠丝杠副的选型 2.1 最大工作载荷计算（ mF ） 最大工作载荷 mF 是指滚珠丝杠副在驱动工作台所受的最大轴向力，它包括：滚珠丝杠副进给力、移动部件重力、以及作用在导轨上切向产生的摩擦力，最大工作载荷实验公式参见下表： 表 2-1 最大工作载荷 mF 的实验公式 导轨类型 实验公式 K 取值 取值 矩形导轨 )( GFFkFF zyxm 1.1 15.0 燕尾导轨 )2( GFFkFF zyxm 1.4 2.0 三角形或综合导轨 )(

16、GFkFF zxm 1.15 18.015.0 其中，滑动系 数均指滑动导轨。 本课题设计时选用矩形导轨。同时，由课题要求，搬运手最大抓取重量设为NG 491 ，机械手伸缩总重量 NG 492 ，水平工作台重量 NG 493 ，提升机构工作臂重量 NG 254 。 作用在丝杠上的工作载荷主要包括工作 在伸缩移动件的重量以及其作用在导轨上的摩擦力。 NfGF m 7.1415.049 （ 2-1） 2.2 计算最大动负载荷（ QF ） 计算公式如下： mHwQ FffLF 3 0 （ 2-2） 式中： 0L 滚珠丝杠寿命，由式 （ 2-3） 可得 wF 载荷系数，由参考文献 3表 3-3 得 1

17、.2 hF 硬度系数，由参考文献 3第 38 页，取 1.0 基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 4 60 1060 TnL （ 2-3） 式中： n 丝杠转速 (r/min)，由式（ 2-8）得 T 使用寿命，一般取 hT 15000 hsPVn 1000 （ 2-4） 式中： sV 最大负载下进给速度，设定为 6m/s m in )/(1 0 0 06 61 0 0 0 rn 故， 9006 1 5 0 0 0100060600 hPnTLNFffLF mHwQ 3.1707.140.12.190033 0 2.3 滚珠 丝杠副的选型 由参考文献 3表 3-33，根据本课题的任务书给出的

18、行程要求 650mm以及设计计算所得的最大动载荷 QF ，选择启东润泽机床附件厂有限公司生产的 7007502506FL 型滚珠丝杠副，其公称直径为 25mm，导程 6hP ，双螺母滚珠总圈数 3 2=6 圈，精度等级 4 级，额定动载荷 10.4KN。 2.4 传动效率的计算 计算公式如下： )tan(tan （ 2-5） 式中 丝杠螺旋长升角，由式（ 2-10）得； 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 0.003 0.004f ，其摩擦角约等于 /10 。 0arctan dPh （ 2-6） 故， 814256a r c t a na r c t a n0 dP h基于微机控制的工件自动搬

19、运机械手设计 5 %72.97)01814t a n ( 814t a n)t a n (t a n 2.5 刚度验算 采取双推 双推的支承方式，其支承间距 a 为 750mm，刚的弹性模量MPa.E 51012 ，查 3表 3-33 得，滚珠直径 mmDw 5.3 ，算得滚珠丝杠底径： mmddd w 5.215.32502 则丝杠截面积 : 2222 05.3 6 35.214141 mmdS （ 2-7） 忽略公式： IEMaESaFm 2 21 （ 2-8） 中的第二项，算的丝杠在工作载荷 Fm 的作用下产生的拉 /压变形量 1 ： mmES aF m 551 1040.505.3 6

20、 3101.2 6 0 07.14 （ 2-9） 根据公式 1935.3 25 Z (2-10)，该型号丝杠为双螺母，圈数 6，则滚珠总数114619 Z ，滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力 NFFmYJ 9.431 ，由式 3 22 10/100 0 1 3.0 ZFDFYJwm（ 2-11） 得 mmZFD F YJw m 53 23 22 1098.510/1 1 49.45.310 7.140 0 1 3.010/100 0 1 3.0 . 因为丝杠 有预紧 力， 且为轴 向负载 的 1/3 ，故 变形量 可减少 一半，取mm52 1049.2 将以上算的的 21 、 带入 21 总 （ 2-12），得丝杠总变形量： m 99.71049.2104.5 5521 总 。 由参考文献 3表 3-27， 4 级精度滚珠丝杠任意 300mm的轴向行程允许变动量为