电动机械手控制系统设计

桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书第1页共35页引言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，比如数控车床和铣床等，还有把几种机床的功能集中在一起的加工中心等。总之这类CNC机床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。但是这类设备引进费用也是相当的昂贵，所以国内很多企业的技术人员在原先的旧机床上进行改进，来达到提高生产率和降低工人的劳动强度，实现工业自动化，这类改进同样也大受欢迎。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。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：（一）以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（二）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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，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的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书第2页共35页（三）可以减轻人力，并便于有节奏的生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1任务要求与总体设计方案1.1设计任务与要求许多娱乐场合设有投币手动抓物机械手。仿照娱乐场合中的手动抓物机械手，设计机械手的控制系统，能够配合机械手的机械结构实现手动抓物。要求：在资料调查和分析的基础上，对系统进行的分析和设计；要求完成如下主要功能：（1）机械手的控制可以用单片机或PLC；（2）通过按键，实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪张开、闭合；（3）可采用上位机，远程控制机械手的上升、下降、左移、右移、手爪张开、闭合。（4）采用电机驱动控制方式。1.2总体设计方案确定机械手的任务要求，根据任务要求初步拟定机械手的技术参数、运动形式、驱动方案、控制系统方案等。本课题主要涉及到一下三部分内容：第一，机械手的机械结构的设计；第二，使机械手摆动的设计及驱动手臂运动的选择。第三，控制系统的设计。实施方案：（1）机械手的机械结构设计按照模块化的设计方法，将机械手分为底座、大臂、中臂、前臂和手爪四个部分，共四个自由度（不包括爪开关自由度）。（2）机械手摆动的设计机械手根据手臂的动作形态，采用多关节型机械手结构紧凑，定位精度较高，控制灵活范围广，占地面积小，因此本设计采用多关节型机械手。（3）驱动手臂运动的选择机械手采用电动机构驱动机械手结构简单、控制方便，驱动力较大大等特点。（4）控制系统的设计本毕设采用机械手控制系统使用VB6.0编程软件编制作上位机操作界面，人工手动操作上位机输出控制信号通过RS232串口通信发送给ATmega64单片机，单片机接收到信号后使用内部定时器模拟输出伺服电机的控制脉冲，从而实现自动控制和远程控制机械手的目的。机械手由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书第3页共35页图1-1机械手系统组成要实现机械手所期望实现的功能，机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。图1-2机械手控制系统2机械结构设计机械结构是机械手的骨架，机械结构的好坏直接影响着机械手的功能。2.1机械手的主体机械设计桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书第4页共35页对于机械手的主体骨架的设计，机械部分底座、大臂、中臂、前臂和手爪。2.2机械手摆动的设计为实现机器人的末端执行器在空间的位置而提供的3个自由度，可以有不同的运动组合，通常可以将其设计成如下四种形式：表2-1机械手结构选型表结构形式方案特点优缺点结构简图1直角坐标型作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一2圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高3球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂4关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书第5页共35页根据本次设计的要求，工件要垂直升降、旋转、水平移动。考虑其复杂程度选择关节型。2.3机械手爪部设计夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。夹持式是最常见的一种方式，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。如图2-1所示为夹持式手部结构。图2-1夹持试机械爪其手指夹紧工件是由舵机中的齿轮带动另一手爪齿轮使手指开闭。手部结构中的齿轮齿条属于传力机构。设计时考虑的几个问题：(一)具有足够的握力(即夹紧力)。在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书第6页共35页(二)手指间应具有一定的开闭角。两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。(三)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。综合上述考虑，由于机械爪性能要求及加工精度要求都比较高，现有的工具无法完成其制作要求，故决定通过购买获得符合该要求机械爪。2.4材料与型材选择机械手的制作材料多种多样，因此有多种方案可以选择。方案一：使用及铝合金材料相对于通常使用的钢铁材料，铝有以下的重要特点和优点。基于这些特点和优点，铝及其铝合金在许多领域得到广泛的应用。（1）质量轻。铝的密度约为2.7g/cm2，只是钢铁的1/3。铝合金不仅用应用于飞机制造等方面，而且由于当前节约能源的需要，车辆与舟船等常用交通运输工具的轻量化更加突出，铝合金在这方面也得到更加广阔的应用。此外，在土木结构和建筑门窗等方面，铝合金制造的结构也已经被广泛采用。（2）耐腐蚀。铝及铝合金在大气中不会“生锈”，耐大气腐蚀性远优于钢铁。这是由于铝对于空气中的氧具有较大的亲和力，因此，当铝的表面曝露大气中时，其表面很快就能生成一层附着力强、致密的有一定保护下的自然氧化膜。尽管氧化膜的厚度很薄，只有0.01~0.05um，但这已经赋予铝及铝合金优良的耐大气腐蚀性。特别是铝的阳极氧化处理，由于铝的阳极氧化膜是透明膜，既可以保持铝原有的金属质感，而且又可大幅度的提高金属铝原表面的硬度。耐腐蚀性和耐磨损性，从而大大拓宽铝及铝合金的应用范围。（3）铝容易形成各种合金。铝合金可以满足多方面新的性能要求，尤其可以满足力学性能与腐蚀性能方面的需要。目前已经使用的工业铝合金品种以达400多种，形成8个系列，从延展性最好的低强度純铝1XXX系列到超高强度的7XXX系合金，极限抗拉强度已经高达690MPa。铝合金可以通过热处理进一步强化，其强度甚至可以和优质合结钢媲美。（4）加工成型性好。铝及铝合金的压力加工产品，如板、管、棒、型、线、箔和粉都可以生产，并且其产品都已近得到广泛的工业应用。另外，许多铝的零部件和工艺品还可以通过铸造工艺得到。铝合金还可以进行车、铣、镗、刨等机械加工。（5）热传导性高。铝的热传导性虽次于铜，其导热率相当高，约为铜的50%~60%，而单桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书第7页共35页位重量的导热性则优于铜。不论加热还是冷却，铝都是很好的金属介质。为此，在食品工业、化学工业、石油工业和航空工业中，铝材是被广泛采用的热交换器材料。此外，铝是生产金属厨具首选材料。（6）导电性好。铝是两个常用的高电导率金属之一，电导体级别的铝是IACS（国际退火铜标准）的62%，然而铝的密度只有铜的1/3，因此，单位重量的铝却是相同单位重量的铜导电性的两倍。（7）光反射性强。抛光的铝对于无线电波、可见光波，直至红外光波等所有电磁光波都具有极强的反射性。抛光的铝表面对于白光的反射率达到80%以上。（8）无低温脆性。铝的低温拉伸强度比较高，可以用于低温结构材料。（9）耐克辐射性。铝的热中子吸收截面小，仅为0.23x105Pa左右，适合与热中子可反应堆使用。（10）冲击吸收性比较好。铝及铝合金的冲击吸收性好，适于制作汽车的保险杠。（11）非磁性，冲击不产生火花。铝及铝合金是非磁性的，且受冲击时不产生火花。这一性能在某些特殊用途时是非常可贵的特性，由此可作为电器设备的屏蔽材料，或作为易燃易爆的器材、仪表材料等。（12）可焊接。铝及铝合金通过惰性气体电弧焊接后的外观、耐腐蚀性和力学性能都比较好，可以满足焊接结构件的需要。（13）无毒性。铝对于生物体是无毒的。铝的缺点：尽管铝具有上述优点和特点，但是铝也有其本身的缺点和弱点，其中有一些缺点可能就是从优点衍生的。其主要缺点是：（1）铝的硬度比较低，与此同时其耐磨性也比较差。（2）铝在凝固时体积收缩率比较大，大约为6.6%。（3）铝的线膨胀系数比较高。（4）铝的熔点比较低，铝和铝合金的使用温度不可能超过200摄氏度，因此起高温的使用受到限制。（5）铝的弹性模量只有刚的1/3。机械手使用的材料大部分是用于结构，一般应该是金属材料，而且所承载的力度