單片機控制三自由度圓柱坐標機械手設計
單片機控制三自由度圓柱坐標機械手設計,單片機,控制,節(jié)制,自由度,圓柱,坐標,機械手,設計
寧XX大學
畢業(yè)設計(論文)
單片機控制三自由度圓柱
坐標機械手設計
專 業(yè)：
班 級：
姓 名：
學 號：
指導教師：
年 月
摘 要
近代的工業(yè)機械手是由目標機械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設備。工業(yè)機械手對于提高和確保產品質量，提升生產的效率，改善工人的工作條件和快速更新產品起著非常重要的作用。工業(yè)機械手技術結合了多們學科的知識。包含機構學、計算機、控制論、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等。它是當代十分活躍，應用非常廣泛的領域。
機械手具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強，能長時間工作和工作精度高?？梢哉f機械手是工業(yè)進步的產物，它也發(fā)揮了在當今工業(yè)的至關重要的作用。如今，機械手工業(yè)已成為世界各國備受關注的產業(yè)。
隨著機械手技術的快速發(fā)展，工業(yè)機械手的應用范圍正在不斷擴大，提出了新要求，為提高機械手教學教育的水平，我們研制出一套以實驗教學為目的的機械手演示系統(tǒng)。
本文闡述了機械手的發(fā)展歷史，國內外的應用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機械手設計要求和進行了總體方案設計和各自由度的具體結構設計、計算。
關鍵詞：機械手；工業(yè)；傳動；強度
II
Abstract
From the industrial robot manipulator (Mechanical), controller, servo drive system and sensing device, a humanoid operation, automatic control, can repeat programming, three-dimensional space can be completed in the various operations of the electromechanical integration automatic production agency. It to stabilize, improve the product quality, improve production efficiency, plays a very important role in improving the rapid working conditions and product. Industrial robot technology is a high-tech integrated computer, control theory, mechanism, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics multidisciplinary and form, is the contemporary research is very active, more and more widely applied in the field.
The robot is on the environment of rapid response and the analysis judgment ability, and the machine can work continuously for long time, high precision, resistance to harsh environment capacity, in the sense that it is the product of the evolution of the machine, it is an important production and industrial and non-industrial sector, service equipment, automation equipment is indispensable the field of advanced manufacturing technology. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry.
With the rapid development of robot technology, the application field of industrial robot is constantly expanding, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system.
This assay describes the development process of the robot, the application status at home and abroad, robot based on the specific design requirements, the overall design of the degree of freedom, the concrete structure design and calculation;
Key Words: robot; industrial; transmission; strength
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 機械手概念 1
1.2 課題研究的背景和意義 1
1.3 國內機械手的研究 1
1.4機械手的應用 2
第2章 總體方案機構設計 3
2.1設計概念 3
2.2設計原理 3
第3章 X向結構及傳動設計 4
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 5
3.1.1導程確定 5
3.1.2確定絲桿的等效轉速 5
3.1.3估計工作臺質量及負重 5
3.1.4確定絲桿的等效負載 5
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 6
3.1.6精度的選擇 7
3.1.7選擇滾珠絲桿型號 7
3.2校核 7
3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 8
3.2.2臨界轉速驗證 9
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 9
3.3電機的選擇 10
3.3.1電機軸的轉動慣量 10
3.3.2電機扭矩計算 11
第4章 Y向結構設計 12
4.1 滾珠絲杠計算、選擇 12
4.2 步進電機慣性負載的計算 15
4.3步進電機的選用 16
第5章 手指的相關設計與計算 18
5.1 手指的相關設計與計算 18
5.2 機械手手抓夾持精度的分析計算 21
5.3 手爪扇形齒輪與齒條強度校核 22
5.4 機身與基座 23
第6章 單片機電氣控制系統(tǒng)設計 29
6.1 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計 29
6.1.1 硬件電路設計 29
6.1.2 軟件電路設計 31
6.2 8031單片機及其擴展 31
6.2.1 8031單片機的簡介 31
6.2.2 8031單片機的系統(tǒng)擴展 32
6.2.3 存儲器擴展 34
6.2.4 I/O口的擴展 36
6.2.5 步進電機驅動電路 37
6.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 38
6.2.7 光電隔離電路 38
6.2.8 功率放大器 38
6.2.9 其他輔助電路 39
總 結 41
參考文獻 42
致 謝 43
43
第1章 緒論
1.1 機械手概念
機械手（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產物。在工業(yè)、醫(yī)學、農業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要用途。
機械手是近50年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動化程度高的生產工具。在生產制造業(yè)中，機械手技術得到廣泛的應用。它自動化程度高，對改善勞動條件，確保產品質量和提升工作效率，起到非常重要的作用?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術革命。
1.2 課題研究的背景和意義
由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，無論是在工業(yè)生產中還是人類日常生活，機械手技術都得到廣泛的應用。研究智能類人機械手是近年科學家一致致力于的方向。類人機械手是以人類模型的，它能仿照人類各種動作和具有人類的外部特征。未來機械手管家將不是夢。
按機械手結構的不同，機械手又可以分很多種。輪式移動機械手、履帶機械手、機器手、步行機械手等等。值得一提的是步行機械手，他是近年來類人機器研究的重要成果。它的移動方式跟大多數(shù)動物一樣甚至可以跟人類一下。這是一種很復雜的自動化程度很高的運動。相對于傳統(tǒng)的輪式和履帶機械手，他對環(huán)境的適應性更強。能在很小的空間作業(yè)，在不平的道路上如履平地，上下樓梯等等。 將來不久，這項技術會得到非常廣泛應用。
在機械手研究、制作中，運用電腦對設計出來的機械手進行仿真是一項非常重要的過程。機械手仿真包含零件建模，零件裝配，最后進行運動仿真。通過仿真，設計員可以很直觀的觀察到各個機構的運動狀況，知道有沒有出現(xiàn)干涉；可以清楚知道各個部件的受力情況，得出各種模擬數(shù)據。這種方法大大節(jié)約了研制時間和成本。
1.3 國內機械手的研究
機械手在日本應用的歷史非常悠久。在七十年代時機械手首先得到應用，然后經過十年的發(fā)展，在八十年代的時候機械手已經得到普及。相應的他們工業(yè)年產值也得到了快速提高。1980年達到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時已達到了一萬八千五百億日元?？梢姍C械手在提高生產效益方面的重要性。
在國際方面，各個國家已經意識到機械手的重要性。所以機械手的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對于2002年增長了百分之10。此后機械手的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長多達90000多臺。平均年增長為7%。
國際機械手的發(fā)展方向:
機械手涉及到非常多學科的知識和領域。包括：計算機、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網絡、控制、機械等等。機械手的發(fā)展離不開上述學科的發(fā)展。正是由于各個學科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動化程度高的及其人。隨著科學技術的進步，機械手在應用得范圍越來越廣泛；技術也越來越得到調高，功能更加強大?，F(xiàn)在很對機械手的研究都往小型化發(fā)展。機械手將會更多的進入到人們的日常生活中去?？傮w的發(fā)展趨勢是模塊化、標準化、更加智能化。
機械手的廣泛應用，對提升產品的質量與產能、保障人員安全，改善勞動環(huán)境，降低勞動的強度，提高生產效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產成本，起著一個十分重要的作用。機械手的廣泛應用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。
1.4機械手的應用
機械手產業(yè)是在計算機、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術產業(yè)?，F(xiàn)代，機械手產業(yè)市場前景發(fā)展很好。從二十世紀起，世界機械手產業(yè)一直穩(wěn)步增長。到了二十世紀九十年代，機械手產品發(fā)展快速增長，年增長率平均在百分之十上下。2004年創(chuàng)記錄達到百分之二十。在亞洲機械手需求量更多，年增長率高達百分之四十三。經歷40多年的發(fā)展，機械手應用到很多領域中去了。機械手在制造業(yè)中應用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機械加工、裝配、檢測和倉庫堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，機械手替代了人工作業(yè)，并使得生產效益大大提高。
第2章 總體方案機構設計
2.1設計概念
機械手類型
三自由度圓柱坐標型
定位精度
±1mm
工件尺寸
直徑約2～3cm，圓柱形，材料是鐵質
自由度
3個（Y軸手臂升降，X軸手臂伸縮，機身旋轉）
X軸小臂
伸縮范圍25cm（最大速度10cm/s），步進電機驅動，單片機控制
Y軸小臂
升降范圍10cm（最大速度10cm/s），步進電機驅動，單片機控制
Y軸大臂
升降范圍20cm（最大速度10cm/s），步進電機驅動，單片機控制
末端執(zhí)行器
開合角度60（最大速度60度每秒）,液壓缸驅動
基座
旋轉范圍180°，步進電機驅動，單片機控制
機構簡圖
2.2設計原理
為了使工件保持準確的相對位置，必須根據要去選擇合適的定位機構。再者就是要有足夠的強度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到在運動過程中產生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強度和剛度可能會發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對于受力較大的進行強度、剛度計算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應考慮到產品零件變換的問題。為適應不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結構，迅速更換不同的部件及附件來擴大機構的使用范圍。
Y軸和X軸采用絲杠傳動：電動機—聯(lián)軸器—滾珠絲杠
第3章 X向結構及傳動設計
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡圖
特點
一端固定一端自由
結構簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動
需保證螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結構和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉動時帶動滾珠滾動。
X軸小臂伸縮距離：25cm （最大速度10cm/s）（100mm/s）(6m/min)
設X向最大行程為250mm,最快進給速度為100mm/s,大概質量為50kg,
假設工作臺大概質量為80kg,移動部件大概質量為30kg，工作臺最大行程為250mm。
3.1.1導程確定
電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機Y系列異步電動機的最高轉速，則絲杠的導程為
取Ph=12mm
3.1.2確定絲桿的等效轉速
基本公式
最大進給速度是絲桿的轉速
最小進給速度是絲桿的轉速
絲桿的等效轉速 式中取故
3.1.3估計工作臺質量及負重
工作臺重量
移動部件重量
3.1.4確定絲桿的等效負載
工作負載是指工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計算（式中取，）
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷
fw-------負載性質系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負載
nz-------等效轉速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計算得Car=17300N
表3-1-1各類機械預期工作時間Lh
表3-1-2精度系數(shù)fa
表3-1-3可靠性系數(shù)fk
表3-1-4負載性質系數(shù)fw
3.1.6精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對電氣的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導程誤差對定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求及其經濟性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，Z軸為4級。
3.1.7選擇滾珠絲桿型號
計算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=12mm
則選擇FFZD型內循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。
公稱直徑 d0=30mm 絲桿外徑d1=29.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=24.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
3.2校核
滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。
3.2.1 臨界壓縮負荷驗證
絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算：
式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）
LO-------最大受壓長度（m）
K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
式中do--------是絲桿公稱直徑（mm）
dw------------滾珠直徑（mm），
絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量
Lu=300+148+20X2=488mm
支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm
代入上式計算得出Fca=5.8X108N
可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。
3.2.2臨界轉速驗證
滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取18.9
經過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經計算得：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。
3.3電機的選擇
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉動慣量、負載轉矩和工作環(huán)境等因素。
3.3.1電機軸的轉動慣量
a、回轉運動件的轉動慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=29.5mm
L—長度=1m
P—鋼的密度=7800
經計算得
b、X向直線運動件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質量 X向直線運動件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經計算得
c、聯(lián)軸器的轉動慣量
查表得
因此
3.3.2電機扭矩計算
a、折算至電機軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經計算得
b、折算至電機軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動效率，η=0.90
I—傳動比，I=1
經計算得
c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠絲桿預加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9
經計算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動時所需的最大扭矩
根據以上計算的扭矩及轉動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉矩為6.7。
第4章 Y向結構設計
4.1 滾珠絲杠計算、選擇
初選絲杠材質：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：l0=5mm
強度計算
絲杠軸向力：(N)
其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。
取f=0.004,則:
壽命值：，其中絲杠轉速(r/min)
最大動載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。
查表得中等沖擊時則:
根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式.
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表
名稱
計算公式
結果
公稱直徑
――
20mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內徑（外循環(huán)）
20.7mm
（1） 傳動效率計算
絲杠螺母副的傳動效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗算
絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。
（3） 剛度驗算
滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm)
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算
絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差Δ為
E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
4.2 步進電機慣性負載的計算
根據等效轉動慣量的計算公式，有：
（1）等效轉動慣量的計算
折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為：
式中：為折算到電機軸上的慣性負載；為步進電機軸的轉動慣量；為齒輪１的轉動慣量；
為齒輪２的轉動慣量；為滾珠絲杠的轉動慣量；Ｍ為移動部件的質量。
對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。
所以有：
電機軸的轉動慣量很小，可以忽略，所以有：
4.3步進電機的選用
(１）步進電機啟動力矩的計算
設步進電機的等效負載力矩為Ｔ，負載力為Ｐ，根據能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如下的關系：
式中為電機轉角，Ｓ為移動部件的相應位移，為機械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動部件負載（N），G為移動部件質量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N），為導軌摩擦系數(shù)，為步進電機的步距角（rad）,T為電機軸負載力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ?？紤]到重力影響，Ｙ向電機負載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對于工作方式為三相６拍的步進電機：
(２） 步進電機的最高工作頻率
為使電機不產生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機最大靜轉矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應式步進電機.
電機有關參數(shù)如下:
型號
主要技術參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉矩
(n.m)
空載啟動頻率
空載運行頻率
分配方式
90BF001
4
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸(mm)
重量
kg
轉子轉動慣量
Kg.m
外直徑
長度
軸直徑
90
145
9
4.5
1764
第5章 手指的相關設計與計算
5.1 手指的相關設計與計算
設計手部時除了要滿足抓取要求外，還應滿足以下幾點要求：
（1）、手指握力的大小要適宜
確定手指的握力（即夾緊力）時，應考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落，但握力太大又會造成浪費并可能損壞工件。
（2）、應保證工件能順利地進入或脫開手指
開合式手指應具有足夠大的張開角度來適應較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開工件。移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。
（3）、應具有足夠的強度和剛度，并且自身重量輕
因受到被夾工件的反作用力和運動過程中的慣性力、振動等的影響，要求機械手具有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結構要簡單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉軸線上，使手腕的扭轉力矩最小。
（4）、動作迅速、靈活、準確，通用機械手還要求更換手部方便
根據用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。
經過分析和比較此設計采用夾持式手部。手部是機械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務的部件，因此手部的結構和尺寸應依據作業(yè)任務要求來設計，從而形成了多種的結構型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動作。
一 、夾持式手部
夾持式手部對抓取工件的形狀具有較大的適應性，故應用較廣。它的動作與鋼絲鉗或虎鉗相似。
二 、結構
夾持式手部是有驅動裝置、傳動機構和手指（或手爪）等組成。驅動裝置多半用活塞缸。傳動機構常用連桿機構、滑槽機構、齒輪齒條機構等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位，它的結構形狀取決于工件的形狀。手部結構按模仿人手手指的動作，可分為回轉型、移動型等形式。經分析和比較此設計選擇移動式的齒輪齒條手部。
工件尺寸：直徑約2～3cm，圓柱形，材料是鐵質。機械手最大抓重：2kg
根據所夾取的零件半徑（20-30的圓柱形棒料）經分析取扇型齒輪的齒頂模數(shù)m=2，=23。齒條齒數(shù)取=23。
1． 手指夾緊力的計算：
公式： (3-1)
為抓取的工件重量最大為2Kg ，為安全系數(shù)取1.22,暫取5，為工作情況系數(shù)，可按=1.12.5此取=2，為方位系數(shù)，即為當爪子處在不同位置夾取工件不同放置位置是的系數(shù)，根據查取的公式： =0.5tan，粗略計算約等于0.91.1此處取1。
根據公式（3-1）計算得:
1.52129.8N
=58.8N
因為此設計采用移動型齒輪齒條手部結構，查資料知其夾緊力為驅動力的一半，即:
=0.5 (3-2)
此處考慮其他因素取100N。
圖3-1機械手手部簡圖
(c)計算手部活塞桿行程長L,即
（3.4）
=25×tg30o
=23.1mm
經圓整取l=25mm
(d)確定“V”型鉗爪的L、β[3]。
取L/Rcp=3 （3.5）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3.6）
由公式（3.5）（3.6）得：L=3×Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉角β按最佳偏轉角來確定，
查表得：
β=22o39′
計算：設a=100mm,b=50mm,<<;機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力和驅動力和 驅動液壓缸的尺寸。
(1) 設
==1.02
根據公式，將已知條件帶入：
=1.5
（2）根據驅動力公式得：
=1378N
（3）取
（4）確定液壓缸的直徑D
選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa,
根據表4.1（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=63mm
則活塞桿內徑為:
D=630.5=31.5mm，選取d=32mm
為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。
手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖3.2（b）所示，最
大夾持半徑計算如下：
機械手的夾持半徑從20-30mm
（a） (b)
手抓張開示意圖
5.2 機械手手抓夾持精度的分析計算
機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、
小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定進行機械手的夾持誤差。
圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖
該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。
機械手的夾持范圍為80mm180mm。
一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：
工件的平均半徑：
手指長,取V型夾角
偏轉角按最佳偏轉角確定：
計算
當S時帶入有：
夾持誤差滿足設計要求。
5.3 手爪扇形齒輪與齒條強度校核
1、材料：齒輪：40 滲碳淬火 硬度5862
齒條：40 滲碳淬火 硬度 4855
2、因所受的力不大硬齒面扇形齒輪與齒條按接觸疲勞強度校核
查表計算
查表
查資料：
安全系數(shù)
由上面的公式知：
符合要求
5.4 機身與基座
通過安裝在支座上的步進電機和諧波齒輪直接驅動轉動機座轉動，從而實現(xiàn)機械手的旋轉運動，通過安裝在頂部的步進電機和聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉動實現(xiàn)手臂的上下移動。采用了雙導柱導向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉動，確保手臂隨機座一起轉動。支撐梁采用槽鋼，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結構如圖
該種設計采用了環(huán)形軸承的機械手支承結構。它由電動機2直接驅動一杯形柔輪諧波減速器。這種諧波減速器只有剛輪9、柔輪7和諧波發(fā)生器8三大件，而無單獨的外殼（這種結構有利于傳動系統(tǒng)的小型化、輕型化）。由柔輪7輸出低速的回轉運動帶動與之固聯(lián)的機座回轉殼體5實現(xiàn)手臂的回轉運動。齒形皮帶傳動4和位置傳感器6作為機座用來檢測手臂機座的角位移。
1——支座，2——電機，3——減速箱，4——轉動機座
5——支承冷拔管，6——滾珠絲杠，7——導向柱，8——錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器
1——支座，2——電機，3——軸承，4——帶傳動，5——殼體
6——位置傳感器，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——剛輪
圖 環(huán)形軸承的機械手機座
諧波齒輪傳動簡介
1.概述
五十年代，隨著空間科學、航天技術的發(fā)展，航天飛行器控制系統(tǒng)的機構和儀表設備對機械傳動提出了新的要求，如：傳動比大、體積小、重量輕、傳動精度高、回差小等。對于上述要求，新出現(xiàn)的諧波傳動滿足了這種要求，它是在薄殼彈性變形的基礎上發(fā)展起來的一種傳動技術。1959，1960，1955，1961
所謂諧波傳動是一種靠中間柔性構件彈性變形來實現(xiàn)運動和動力傳動的裝置的總稱。在諧波傳動出現(xiàn)后短短的幾十年中，世界各工業(yè)比較發(fā)達的國家都集中了一批研究力量，致力于這類新型傳動的研制，幾乎對該類傳動的整個領域中的全部問題均進行了程度不同的研究。當然，由于諧波傳動本身所涉及問題的復雜性和廣泛性，因而有不少問題目前尚未作最后定論。
圖1 諧波齒輪傳動系統(tǒng)
諧波齒輪傳動系統(tǒng)有三個基本構件組成，如圖2-1所示：剛輪1(Circular Spline)，柔輪2(Flexspline)和波發(fā)生器3(Wave Generator)。諧波齒輪傳動的原理就是在柔性齒輪構件中，通過波發(fā)生器的作用，產生一個移動變形波，并與剛輪齒相嚙合，從而達到傳動目的。
特點：
優(yōu)點：
(1)結構簡單，體積小，重量輕 3, 50%, 1/3
(2)傳動比范圍大 50~300, 3000~60000
(3)同時嚙合的齒數(shù)多 30%,正是由于同時嚙合齒數(shù)多這一獨特的優(yōu)點，使諧波傳動的精度高，齒的承載能力大，進而實現(xiàn)大速比、小體積。
(4)承載能力大
(5)運動精度高
(6)運動平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小
(7)齒側間隙可以調整
(8)齒面磨損小而均勻，傳動效率高
(9)同軸性好
(10)可實現(xiàn)向密閉空間傳遞運動及動力
缺點：
(1)柔輪周期性變形，易于疲勞損壞
(2)柔輪和波發(fā)生器的制造難度較大
(3)傳動比的下限值高，齒數(shù)不能太少
(4)起動力矩大，且速比越小越嚴重；
(5)諧波齒輪傳動沒有中間軸，因而不能獲得中間速度
(6)如果結構參數(shù)選擇不當或結構時機不良，發(fā)熱過大，降低傳動承載能力
目前，各國學者公認柔輪筒體的疲勞破壞是諧波傳動最為主要的失效形式。
參數(shù)選擇
齒形幾何參數(shù) 傳動嚙合參數(shù) 結構尺寸
表1 諧波齒輪齒形幾何參數(shù)計算公式
名稱
代號
計算公式
備注
波數(shù)
n
雙波時，n=2
波高
d
模數(shù)
m
齒距
p
柔輪齒數(shù)
剛輪固定：
柔輪固定：
剛輪齒數(shù)
剛輪固定：
柔輪固定：
齒頂高
齒根高
頂隙
分度圓齒厚
剛輪分度圓直徑
剛輪齒頂圓直徑
剛輪齒壓力角
雙波時，
柔輪分度圓直徑
柔輪齒頂圓直徑
柔輪齒壓力角
雙波時，
剛輪齒根圓直徑
柔輪齒根圓直徑
表2 諧波齒輪傳動的嚙合參數(shù)選擇及幾何計算
名稱
代號
計算公式
備注
齒頂高系數(shù)
頂隙系數(shù)
柔輪變位
系數(shù)
對于柔性軸承已按標準選定的，
--柔性軸承的外徑；
--壁厚；
對于動力傳動和傳遞運動的傳動，可按照《諧波齒輪傳動的理論和設計》（沈允文.1985）圖4-9選擇
剛輪變位
系數(shù)
大致可??；
對于齒嚙式輸出聯(lián)接的剛輪，大致?。?
；
根據具體情況可作適當調整
柔輪齒根圓直徑
為了防止齒頂變尖和嚙入瞬時產生齒頂干涉，因而采用縮短齒頂高的辦法
柔輪齒頂圓直徑
徑向變形
系數(shù)
一般可?。?
最大嚙入
深度
（又稱齒廓工作段高）
從提高傳動承載能力的角度出發(fā)，必須保證
對于的傳動，
受到齒頂變尖的限制，同時受到用插齒刀能否加工出所需剛輪齒根圓直徑的條件限制
剛輪齒頂圓直徑
剛輪的齒頂圓和齒根圓直徑是根據在齒輪嚙入深度處保證有必要的徑向間隙以及消除過度曲線干涉的條件下確定的
剛輪齒根圓直徑
基準齒形角
當時，與相對應的柔輪之節(jié)圓壓力角應為
采用壓力角時，柔輪中應力有所減小
柔輪基圓
直徑
柔輪分度圓直徑
柔輪分度圓齒厚
剛輪基圓
直徑
剛輪分度圓直徑
剛輪分度圓齒厚
測量用圓柱直徑
柔輪分度圓齒厚改變系數(shù)
剛輪分度圓齒厚改變系數(shù)
測量柔輪時量柱中心所在遠上的漸開線壓力角
測量剛輪時量柱中心所在遠上的漸開線壓力角
測量柔輪時用的量柱測量距
測量剛輪時用的量柱測量距
表3 圓柱形柔輪結構尺寸
名稱
代號
參數(shù)計算
備注
柔輪長度
一般，
；
對于齒式聯(lián)接結構的柔輪，可取
；
對于短筒柱形柔輪，
對于整體式柔輪，取偏大值；
輕載時d值可適當減小，重載時可適當增大；
塑性柔輪壁厚為鋼制柔輪的2~3倍
柔輪壁厚
或者：
柔輪光滑筒體部分的壁厚
或者
齒圈寬度
其中，
--齒寬系數(shù)，
對于動力傳動，
對于傳遞運動的傳動，
聯(lián)接齒圈的寬度
第6章 單片機電氣控制系統(tǒng)設計
6.1 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計
6.1.1 硬件電路設計
硬件是組成系統(tǒng)的基礎，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設計包括以下幾部分內容：
1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖
據總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。
機械手硬件電路由五部分組成：
（1） 主控制器，即中央處理單元CPU；
（2） 總線，包括數(shù)據總線、地址總線和控制總線；
（3） 存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據存儲器；
（4） 接口，即輸入/輸出接口電路；
（5） 外圍設備，如鍵盤、顯示器等。
機械手數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示：
圖6—機械手數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
2、 選擇中央處理單元CPU的類型
根據設計要求，CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機。
3、 存儲器擴展電路設計
存儲器擴展包括數(shù)據存儲器和程序存儲器擴展兩部分。
選擇EPROM作程序存儲器時，應考慮：
（1） 速度應與CPU時鐘匹配；
（2） 容量適中。
4、 I/O接口電路設計
設計內容包括：據外部要求選用I/O接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設計（如復位、掉電保護等）。這部分設計要求考慮系統(tǒng)的驅動能力。驅動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠。
在存儲器擴展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問題。
6.1.2 軟件電路設計
軟件是硬件的補充。確定硬件電路后，根據系統(tǒng)功能要求設計軟件。
1、 軟件設計步驟
軟件設計步驟分為以下幾步：
（3） 據軟件要求實現(xiàn)的功能，制定出軟件技術要求；
（4） 將整個軟件模塊化，確定個模塊的編制要求，包括個模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；
（5） 據硬件資源，合理分配好存儲單元；
（6） 分別對個模塊編程，并調試；
（7） 連接各模塊，進行統(tǒng)一調試及優(yōu)化；
（8） 固化到程序存儲器中。
2、 數(shù)控系統(tǒng)中常用的軟件模塊
（1） 軟件實現(xiàn)環(huán)形分配器；
（2） 插補運算模塊；
（3） 自動升降速控制模塊等。
6.2 8031單片機及其擴展
6.2.1 8031單片機的簡介
1、8031芯片引腳及片外總線結構
（1）8031芯片引腳功能
8031芯片有40個引腳，引腳配置見圖7：
圖7—8031芯片引腳
（2）各引腳按功能可分為三部分：
l I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個8位口；
l 控制口線：，ALE，，RST；
l 電源及時鐘：V、V；XTAL1，XTAL2。
（3）應用特性：
l I/O口線不能都用作用戶I/O口線；
l I/O口的驅動能力，P0口可驅動8個TTL門電路，P1，P2，P3則只能驅動4個；
l P3是雙重功能口。
2、8031單片機片內結構
8031單片機由7個部件組成，既微處理器（CPU）、數(shù)據存儲器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)，它們都是通過片內單一總線連接而成的。
6.2.2 8031單片機的系統(tǒng)擴展
8031單片機內無程序存儲器，如不擴展外部程序存儲器則不能工作，且片內僅有128字節(jié)數(shù)據存儲器，對于需要較多數(shù)據緩沖區(qū)的程序來說，片內RAM也不夠用，須擴展。8031片內四個I/O口中僅P1口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用，也須擴展，有些情況還須擴展定時/計數(shù)器等。
1、8031的片外總線結構
所有的外部芯片都通過三組總線進行擴展：
（1） 數(shù)據總線（DB）：由P0口提供，數(shù)據總線要連接到連接的所有外圍芯片上，但在同一時間只能夠有一個是有效的數(shù)據傳輸通道。
（2） 地址總線（AB）：16位，可尋址范圍為64K字節(jié)，AB由P0口提供低8位地址，與數(shù)據分時傳送，傳送數(shù)據時將低8位地址鎖存。高8位地址由P2口提供。
（3） 控制總線（CB）：系統(tǒng)擴展用控制總線有、、、ALE、。
2、系統(tǒng)擴展能力
據地址總線的寬度，在片外可擴展的存儲器最大容量為64K字節(jié)。
片外數(shù)據存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號。允許兩者的地址重復。故片外可擴展的數(shù)據存儲器與程序存儲器分別為64K。
擴展的I/O口與片外數(shù)據存儲器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。
3、地址鎖存器
8031擴展系統(tǒng)時，由P0口提供數(shù)據及低8位地址，分時傳送，故須地址鎖存。常用的地址鎖存器芯片是74LS373（帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器），其引腳及連接見圖8。
圖8—74LS373引腳及連接圖
圖中：
D~D：信號輸入端；
Q~Q：信號輸出端；
G：下降沿時，將D~D鎖存于內部；
E：使能端，E=0時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，輸出端Q~Q與輸入端D~D連通，當E=1時，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據鎖存。
4、地址譯碼
8031擴展電路中，都涉及到外部地址空間分配問題，即當8031數(shù)據總線分時與多個外圍芯片進行數(shù)據傳送時，首先要進行片選，然后再進行片內地址選擇。
地址譯碼實現(xiàn)片選的方法可分為三種：線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。這里選用部分地址譯碼法。這種方法是線選與地址譯碼相結合。圖9為74LS138碼器的引腳圖。
當G時，74LS138工作。C、B、A的輸出決定譯碼器的輸出引腳。
圖9—74LS138引腳圖
6.2.3 存儲器擴展
1、存儲器常用芯片
（1）EPROM芯片
常用的程序存儲器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、
27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均為28腳雙列直插式扁平封裝長片，圖10為常用EPROM引腳。
圖10—常用EPROM引腳排列
EPROM選用原則：
（a） 據控制對象和任務的復雜程度，以及是否需要大量計算來確定存儲系統(tǒng)容量（粗略估計，留有一定余地，以備系統(tǒng)的功能擴展用），為使電路簡化，盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合。
（b） 芯片的工作速度滿足系統(tǒng)的時序要求。8031訪問EPROM時，其所提供的讀取時間t與所選的晶體時鐘有關，約為3T，不同型號的EPROM工作速度一般為200~450ns，故選取芯片時，應使其工作速度小于t。
（2）數(shù)據存儲器
數(shù)據存儲器有動態(tài)和靜態(tài)之分，兩者相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持數(shù)據而設置的刷新電路，擴展簡單，在數(shù)據存儲器擴展電路中應用較廣泛。
常用的靜態(tài)RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它們都由單一的+5V電源供電，28腳雙列直插式扁平封裝，典型存取時間為150~200ns。其引腳如圖11所示：
圖11—常用RAM的引腳
2、存儲器的擴展
8031芯片與存儲器的連接
存儲器擴展實質是三總線的連接。
1） 據芯片存儲容量的大小確定數(shù)據、地址線的根數(shù)。
2） 數(shù)據線的連接：將8031芯片的P~P按位與RAM數(shù)據線D~D直連。
3） 地址總線的連接：據確定的地址線根數(shù)，將相應的低位地址線相連，剩余高位地址線作片選。
4） 控制總線的連接：對應控制線連接。
6.2.4 I/O口的擴展
MCS—51單片機共有四個8位并行I/O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免的要進行I/O端口的擴展。Intel公司常用的外圍接口芯片有：8155、8255及8279等。此外還有74LS系列的TTL電路和CMOS電路鎖存器、三態(tài)門電路也可以為擴展I/O口。
1、 I/O口擴展方法
據擴展并行I/O口時數(shù)據線的連接方式，I/O口擴展方式可分為三種：
1） 總線擴展方法
2） 串行口擴展方法
3） 通過單片機片內I/O口的擴展方法
2、 常用接口芯片
（1）8155芯片
8155芯片內具有256個字節(jié)RAM、2個8位、1個6位的可編程I/O口和1個14位計數(shù)器。
8155的結構和引腳見圖12：
（a） (b)
圖12—8155的邏輯結構與引腳
(2)8255芯片
8255具有3個8位的并行I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位（PC~PC）和低4位（PC~PC）。
（3）8279芯片
827
收藏