毕业设计说明书单片机控制机械手.docx
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毕业设计说明书单片机控制机械手
毕业设计说明书
单片机控制机械手
学号06835223
姓名刘玲玲
班级068352
专业数控技术
系部机电工程系
指导老师梁矗军
完成时间2008年10月10日至2009年3月3日
目录
引言………………………………………………………………………1
第1章机械手的概况…………………………………………………2
1.1工业机械手的简史…………………………………………………2
1.2工业机械手在生产中的应用………………………………………3
1.3机械手的组成………………………………………………………4
1.3.1执行机构…………………………………………………………4
1.3.2驱动机构…………………………………………………………5
1.3,3控制系统的分类…………………………………………………5
1.4工业机械手的发展趋势……………………………………………5
1.5本章小结……………………………………………………………6
第2章机械手的总体设计方案………………………………………7
2.1设计方案的拟定……………………………………………………7
2.2收集资料……………………………………………………………8
2.3驱动源的选择………………………………………………………8
2.4控制系统的选择……………………………………………………8
第3章运用CAD绘制机械手…………………………………………10
3.1手腕的绘制…………………………………………………10
3.1.1腕节爪键的绘制………………………………………………10
3.1.2腕拉键的绘制……………………………………………12
3.2手爪的绘制…………………………………………………………14
3.21闸的绘制………………………………………………………14
第4章结论………………………………………………………………18
致谢…………………………………………………………………………19
参考文献……………………………………………………………………20
引言
用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。
机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为
。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。
机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。
工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。
他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:
其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。
尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到机械工业的
。
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。
随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
第1章机械手的概况
1.1工业机械手的简史
现代工业机械手起源于20世纪50年代初,是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化
。
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
他的结构是:
机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。
1962年,美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。
商名为Unimate(即万能自动)。
运动系统仿造坦克炮塔,臂回转、俯仰,用液压驱动;控制系统用磁鼓最存储装置。
不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。
同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司(Unimaton),专门生产工业机械手。
1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手,原意是灵活搬运。
该机械手的中央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动,控制系统也是示教再现型。
虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差可小于±1毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性,改进结构,降低成本。
如Unimate公司建立了8年机械手试验台,进行各种性能的试验。
准备把故障前平均时间(注:
故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。
它给出在第一次故障前的平均运行时间),由400小时提高到1500小时,精度可提高到±0.1毫米。
德国机器制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。
德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。
瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手,采用示教方法编制程序。
瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。
自1969年从美国引进二种典型机械手后,大力研究机械手的研究。
据报道,1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。
1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。
1979年日
本机械手的产值达443亿日元,产量为14535台。
其中固定程序和可变程序约占一半,达
222亿日元,是1978年的二倍。
具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元,比1978年增长50%。
智能机械手约为17亿日元,为1978年的6倍。
截止1979年,机械手累计产量达56900台。
在数量上已占世界首位,约占70%,并以每年50%~60%的速度增长。
使用机械手最多的是汽车工业,其次是电机、电器。
预计到1990年将有55万机器人在工作。
第二代机械手正在加紧研制。
它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具有感觉机能。
目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。
它与电子计算机和电视设备保持联系。
并逐步发展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingsystem)和柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。
随着工业机器手(机械人)研究制造和应用的扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
1.2工业机械手在生产中的应用
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。
机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常
。
在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。
各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工作。
可在机械工业中,加工、装配等生产很大程度上不是连续的。
据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在50件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。
从这里可以看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
目前在我国机械手常用于完成的工作有:
注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序;机械手加工行业中用于取料、送料;浇铸行业中用于提取高温熔液等等。
本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。
1.3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
。
1.3.1执行机构
(1)手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简单)。
手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于吸冷的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。
传力机构形式教多,常用的有:
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
(2)腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。
手腕有独立的自由度。
有回转运动、上下摆动、左右摆动。
一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
目前,应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压(气)缸,它的结构紧凑,灵巧但回转角度小(一般小于2700),并且要求严格密封,否则就难保证稳定的输出扭距。
因此在要求较大回转角的情况下,采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
(3)臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。
它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具),并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的:
把手部送到空间运动范围内任意一点。
如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的自由度加以实现。
因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运动较为多,受力复杂。
因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
(4)行走机构有的工业机械手带有行走机构,我国的正处于仿真阶段。
1.3.2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。
1.3.3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。
1.4工业机械手的发展趋势
(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,控制柜日见小巧,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,目前己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,弧焊机器人己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,我国己安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。
以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。
其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:
在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。
但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品。
1.5本章小结
本章简要的介绍了机械手的基本概念。
在机械手的组成上,系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。
比较细致的介绍了机械手的发展趋势,简要的叙述了本文研究的内容。
第2章运用CAD绘制机械手的总体设计方案
此次设计的总体方案:
该机器人有五个自由度(包括底座、肩、肘、手腕、手爪),共5个电机控制运动,使用控制器AVR单片机控制和舵机驱动机械手的运动。
工业机械手的设计涉及:
机械设计原理、proE制图、UG制图、CAD制图、DXP电路图的设计,机械传动及单片机等控制系统与基本理论知识。
我主要负责的是CAD绘制机械手。
2.1设计方案的拟定
五自由度机械手是一个进行复杂机电系统控制学习和研究以及进行机器人创新扩展应用的良好平台。
我们设计五自由度机械手模型的目地就是,锻炼我们的机械设计能力,扩展我们的知识结构,帮助我们培养综合运用能力。
五自由度的机械手仿照工业多自由度机械手,可模仿机械手臂的高难度动作。
我们此次的设计方案的拟定就是为了综合运用我们
所学的知识来锻炼我们的实践能力和拓展我们的思维能力。
2.2收集资料
到图书管或上网查阅相关机械手资料,了解CAD绘制机械手的具体过程。
2.3驱动源的选择
关于驱动系统,如果是中小负载中高工作速度,建议选用全电驱动或电气联合驱动,反之则可以考虑电液气混合驱动。
在本次设计的机械手比较小,是纯粹实验用的,所以我们选用的是全电驱动。
2.4控制系统的选择
在本次设计中,控制系统采用的是AVR单片机和舵机来驱动机械手运动的。
由于AVR单片机有简便易学、费用低廉、高速、低耗、保密I/O口功能强和具有A/D转换等电路有功能强大的定时器/计数器及通讯接口,所以我们采用了AVR单片机来作为控制系统。
舵机是航模、车模中常用的伺服机构,可用于控制方向舵、油门等机械装置。
舵机从控制信号上可以分为模拟舵机和数字舵机:
模拟舵机从通过输入的脉冲控制的角度,数字舵机的接口实现了完全的数字化。
虽然数字舵机在某些控制性能上优于模拟舵机,但价格低廉的模拟舵机仍然是模型迷们的首选。
堆积中带有控制电路,可以输入的脉冲信号转化为方向控制信号,每一个脉冲宽度对应着一个唯一的舵机旋转位置。
可以使用单片机的PWM功能实现舵机控制,为了尽可能提高舵机控制的灵活性,应尽可能减少脉冲宽度的步进量,使用相位修正的PWM模式符合这种控制要求。
2.5机械手的自由度与坐标形式选择
完全确定一个物体在空间位置所需要的独立坐标数目叫做这个物体的自由度。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
所以我们首先要考虑自由度的问题,
也就是工作空间范围的问题,自由度越多结构和控制系统越复杂,目前市场上销售的机械手以2~6个自由度的为多,当然,一般需要有3个自由度以上的才能称为机械手,3个或3个以下的一般称为坐标机器人。
对于机械手自由度的选择,我们一般选择5个比较适合。
所以此次设计的机械手为五个自由度,即底座、肩、肘、手腕和手爪五个自由度。
自由度的机械手仿照工业多自由度机械手,可模仿机械手臂的高难度动作。
五自由度机械手有5个电机,机械手的机械本体是采用硬质的塑料做成,基座是用旧的玩具直升飞机的底座,连接件是用铜丝穿孔连接。
坐标方式为圆柱与球坐标。
第3章运用CAD绘制机械手
3.1手腕的绘制
3.1.1腕节爪键的绘制
1.新建图层
打开CAD界面,点击“图层特性管理器”,新建“中心线—红色—CENTER—Default”,
“细实线—白色—Continuous—Default”,“粗实线—白色—Continuous—0.3mm”“尺寸线—绿色—Continuous—Default”,“虚线—青色—DASHED—Default”。
2.绘制腕节爪键
(1)在平面内建立直角坐标系,以(-10,0)为起点,画直线平行于Y轴,直线为20mm,
以上一条直线的终点为起点画一条长度为20mm且平行于X轴,再画一条10mm的直线,平行于X轴,到X轴的距离为7.5mm。
(如图所示)
(2)以(70,0)为起点画长度为7.5mm的直线,平终行于Y轴,以其终点为起点画一条直线于该直线成120°并于直线X=36相交于一点,以该点为起点,画于上一条直线成100°夹角的直线。
(如图所示)
(3)分别以点(40,0),(58,0)为圆心画R15,R5的圆,再画半径为34mm的圆弧,并于R15和R5的圆都相切。
(如图所示)
(4)画孔,孔心到直线X=-10的距离为2mm,到直线Y=20的距离为4.5mm,孔半径为1.5mm,并将直线倒角,倒角为1mm。
(如图所示)
(5)以点(38,20)为孔心,画R=1.5的孔,画R=1.5的孔,到X=70的距离为5mm,
到X的距离为6mm。
(如图所示)
(6)将上述所画的图关于X轴对称,以原点为中心画一半径为2.5的圆。
(如图所示)
(7)根据上述图画出相应的俯视图(如图所示)
3.1.2腕拉键的绘制
1.新建图层
打开CAD界面,点击“图层特性管理器”,新建“中心线—红色—CENTER—Default”,
“细实线—白色—Continuous—Default”,“粗实线—白色—Continuous—0.3mm”“尺寸线—绿色—Continuous—Default”,“虚线—青色—DASHED—Default”。
2.绘制腕拉键
(1)画一半径为5的圆,再两条平行于X轴,长度为30mm,且于圆相切的直线。
(如图所示)
(2)以点(39,8)为圆心画半径为4mm的圆,再以上两条直线的终点为起点画两条直线与半径为4的圆相切。
(如图所示)
(3)倒半径为5mm的角,分别以点(0,0),(30,0),(39,8)为圆心画直径为3mm的圆。
(如图所示)
(4)按照上面的视图画出相对应的俯视图。
(如图所示)
3.2手爪的绘制
3.2.1闸的绘制
1.新建图层
打开CAD界面,点击“图层特性管理器”,新建“中心线—红色—CENTER—Default”,“细实线—白色—Continuous—Default”,“粗实线—白色—Continuous—0.3mm”“尺寸线—绿色—Continuous—Default”,“虚线—青色—DASHED—Default”。
2.绘制闸
(1)建立直角坐标系,画平行于X轴,且到X轴的距离为7.5mm的直线,长度为65mm,以该直线的起点为起点画垂直于X轴的直线,长度为10mm.(如图所示)
(2)画长度为23mm的直线,到直线X=-10的距离为50mm,到X轴的距离为21mm。
(如图所示)
(3)以直线X=-10的终点为起点画直线,终点为(4,-18),再以该点为起点画直线,终点为(25,-8)。
(如图所示)
(4)以直线Y=65的终点为起点画一条与图中所示直线成135°夹角,以直线X=25的终点为起点画长度为50mm的直线,且平行与X轴。
再以该直线的终点为起点画垂直于X轴,长度为11.5mm的直线。
(如图所示)
(5)画长度为10mm的直线到直线X=25的距离为6mm。
再画相同高度的直线,到直线X=75的距离为5mm。
连接两直线的终点。
(如图所示)
(6)画半径为12.5的圆弧到直线X=25的距离为11mm,到直线X=75的距离为15mm(如图所示)
(7)分别以点(-23,3)(4,-12)为中心画直径为3mm的孔。
(如图所示)
(8)根据上述图画出相对应的俯视图(如图所示)
第4章结论
通过此次毕业设计,使我了解了机械手的很多相关知识。
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,了解了机械手设计的一般过程,通过对机械手的结构设计作了系统的设计,掌握了一定的机械设计方面的基础。
为以后的工作学习创造了一定基础。
本次毕业设计只是对搬运机械手的结构和驱动做了系统的计算设计,设计中没有涉及到机械手的控制问题,对这方面有点模糊,需要在以后的工作学习中了解和掌握。
1、本次设计的是轻型平动搬运机械手设计,相对于通用机械手,因此,动作固定,结构简单,同时成本低廉,专用性比较高,可实现车间内的一些搬运工作。
2、采用液压传动,液压出力大,臂力可达1000N以上,且可用电液伺服机构,实现连续控制,使机械手用途更广,定位精度一般非常高,在1mm内。
3、该机械手选择配置二指夹持手指,抓取一般棒料。
必要时可以更换手抓,抓取箱体等。
4、本次设计只对机械手的手部进行了运动模拟仿真,对虚拟样机还只是处于了解阶段,做的运动仿真难免有错误之处。
5、由于经验知识水平的局限,设计难免有不到之处,望读者见量,指正。
致谢
从论文选题到搜集资料,从写稿到反复修改,期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨,在写作论文的过程中心情是如此复杂。
如今,伴随着这篇毕业论文的最终成稿,复杂的心情烟消云散,自己甚至还有一点成就感。
那种感觉就宛如在一场盛大的颁奖晚会上,我在晚
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