基于步进电机的三自由度直角型机械手设计开题报告

基于步进电机的三自由度直角型机械手设计

1 选题背景及其意义

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械手和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可以用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

本课题主要应用于生产加工车间，与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。通过对机械电子工程（机电一体化方向）专业大学本科的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床送料机械手设计，能够比较好地体现机械电子工程（机电一体化方向）专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）

目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

（1）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；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。

（2）工业机器人控制体系向基于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。

（3）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、声觉等传感器，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决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。

（4）关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发。

（5）焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

3 研究内容

3.1 机械部分

本设计机械手的形式为圆柱坐标形式，具有3个自由度，两个升降，两个平移自由度，由手部、手臂、机身等主要部件组成。

手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多样的，大部分的手部结构是根据特定的工作要求而设计的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。由于本次设计的是流水线间工件自动搬运工业机械手，因此使用夹持式手部，采用手部加紧缸。

手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。因此，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用滚珠丝杠副，来实现直线往复运动。因此，手抓伸缩采用伸缩缸，手臂的升降与平移采用滚珠丝杠机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况愈复杂。由于本次设计的流水线间工件搬运工业机械手进行的是自动定点搬运工件。所以机械手设计成固定的。

3.2 驱动系统

机械手电机驱动的优势是在于节能，因为气动和液压驱动的能量是二次转化，能量消耗大约在35%左右。所以节能是今后机械手，机械自动化发展的一项重要的技术内容。因此本课题选用步进电机驱动。

3.3 控制系统

工业机械手的控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂上下移动、伸缩、回转及摆动、手指的开闭动作，以及各个动作的时间、速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的运动按照预先整定好的程序来实现的。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”。因此本课题选用单片机来实现机械手的控制

4 研究方案

4.1总体方案

本机械手为专用机械手，因此相对于通用机械手来说，它动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点。

（1）选取机械手的坐标型式和自由度。

（2）设计出机械手的各执行机构，包括手部、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，可以应用夹持式手指来抓取棒料工件。

（3）滚珠丝杠的传动系统的设计。本课题将设计出机械手的滚珠丝杠传动系统，包括器件的选取，受力的校核等。

（4）机械手的控制系统的设计。本机械手拟采用可编程序控制器单片机对机械手进行控制，选取相应的单片机型号，根据机械手的工作流程绘制单片机控制原理图，编制出单片机程序，并画出接线图。

4.2预期能达到的目标

通过本次课题的毕业设计将自己四年中所学到机械设计、丝杠传动、单片机控制技术等等知识联系起来，通过自己的努力，以实现设计实际工业项目的目的。

4.4可能遇到的困难以及应对措施

机械手设计尺寸不合理，传动计算不准确，单片机不能完全实现对机械手的控制等等。应对方法是参考大量书籍，查阅文献，网上收集资料，及时与同学，老师沟通以寻求帮助。