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1、摘 要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，由其控制系统执行预定的程序实现对工件的定位夹持。完全取代了人力，节省了劳动资源，提高了生产效率。本设计以实现铣床自动上下料为目的，设计了个水平伸缩距为200mm，垂直伸缩距为200mm具有三个自由度的铣床上下料机械手。机械手三个自由度分别是机身的旋转，手臂的升降，以及机身的升降。在设计过程中，确定了铣床上下料机械手的总体方案，并对铣床上下料机械手的总体结构进行了设计，对一些部件进行了参数确定以及对主要的零部件进行了计算和校核。以单片机为控制手段，设计了机械手的自动控制系统，实现了对铣床上下料机械手的准确控制。 关键词
2、：机械手；三自由度；上下料；单片机Abstract Manipulator , an automation equipment with function of grabbing and moving the workpiece ,is used in an automated production process.It perform scheduled program by the control system to realize the function of the positioning of the workpiece clamping. It completely replac
3、e the human, saving labor resources, and improve production efficiency. This design is to achieve milling automatic loading and unloading .Design a manipulator with three degrees of freedom and 200mm horizontal stretching distance, 120mm vertical telescopic distance. Three degrees of freedom of the
4、manipulator is body rotation, arm movements, as well as the movements of the body. In the design process, determine the overall scheme of the milling machine loading and unloading manipulator and milling machine loading and unloading manipulator, the overall structure of the design parameters of som
5、e components as well as the main components of the calculation and verification. In the means of Single-chip microcomputer for controlling, design the automatic control system of the manipulator and achieve accurate control of the milling machine loading and unloading. Key words: Manipulator; Three
6、Degrees of Freedom; Loading and unloading; single chip microcomputer目 录摘要I第1章 绪论1 1.1选题背景.1 1.2设计目的1 1.3国内外研究现状和趋势2 1.4设计原则2第2章 设计方案的论证32.1 机械手的总体设计3 2.1.1机械手总体结构的类型3 2.1.2 设计具体采用方案4 2.2 机械手腰座结构设计5 2.2.1 机械手腰座结构设计要求5 2.2.2 具体设计采用方案5 2.3 机械手手臂的结构设计6 2.3.1机械手手臂的设计要求6 2.3.2 设计具体采用方案7 2.4 设计机械手手部连接方式7 2
7、.5 机械手末端执行器（手部）的结构设计8 2.5.1 机械手末端执行器的设计要求8 2.5.2 机械手夹持器的运动和驱动方式9 2.5.3 机械手夹持器的典型结构9 2.6 机械手的机械传动机构的设计10 2.6.1 工业机械手传动机构设计应注意的问题10 2.6.2 工业机械手传动机构常用的机构形式10 2.6.3 设计具体采用方案12 2.7 机械手驱动系统的设计12 2.7.1 机械手各类驱动系统的特点12 2.7.2 机械手液压驱动系统13 2.7.3机身摆动驱动元件的选取13 2.7.4 设计具体采用方案14 2.8 机械手手臂的平衡机构设计14第3章 理论分析和设计计算16 3.
8、1 液压传动系统设计计算16 3.1.1 确定液压传动系统基本方案16 3.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路17 3.1.3 液压源系统的设计17 3.1.4 确定液压系统的主要参数17 3.1.5 计算和选择液压元件24 3.1.6 机械手爪各结构尺寸的计算26第4章 机械手控制系统的设计28 4.1 系统总体方案28 4.2 各芯片工作原理28 4.2.1 串口转换芯片28 4.2.2 单片机29 4.2.3 8279芯片30 4.2.4 译码器31 4.2.5 放大芯片.32 4.3 电路设计33 4.3.1 显示电路设计33 4.3.2 键盘电路设计33 4.4 复位电路设计33
9、4.5 晶体振荡电路设计34 4.6 传感器的选择34结论36致谢37参考文献38CONTENTSAbstract.IChapter 1 Introduction .1 1.1 background.1 1.2 design purpose.1 1.3 domestic and foreign research present situation and trends.2 1.4 design principles.2Chapter 2 Design of the demonstration.3 2.1manipulator overall design.3 2.1.1 manipulator
10、 overall structure type.3 2.1.2 design adopts the scheme.4 2.2 lumbar base structure design of mechanical hand.5 2.2.1 manipulator lumbar base structure design requirements.5 2.2.2specific design schemes.5 2.3mechanical arm structure design.6 2.3.1 manipulator arm design requirements.6 2.3.2 design
11、adopts the scheme.7 2.4 design of mechanical hand connection mode.7 2.5 the manipulator end-effector structure design.8 2.5.1 manipulator end-effector design requirements.8 2.5.2 manipulator gripper motion and driving method.9 2.5.3 manipulator gripper structure.9 2.6 robot mechanical transmission d
12、esign.10 2.6.1 industry for transmission mechanism of manipulator design should pay attention question.10 2.6.2 industrial machinery hand transmission mechanism commonly used form of institution.10 2.6.3 design adopts the scheme.12 2.7 mechanical arm drive system design.12 2.7.1 manipulator of vario
13、us characteristics of the drive system.12 2.7.2 hydraulic drive system for a manipulator.13 2.7.3 Body swing the selection of drive components.13 2.7.4 Design the specific use of the program.14 2.8 mechanical arm balance mechanism design.14Chapter 3 Theoretical analysis and design calculation.16 3.1
14、 hydraulic system design and calculation.16 3.1.1 the basic scheme of hydrauic transmission system.16 3.1.2 formulation of the hydraulic actuator control circuit.17 3.1.3 hydraulic source system design.17 3.1.4 determine the main parameters of the hydraulic system.17 3.1.5 calculation and selection
15、of hydraulic components.24 3.1.6 Manipulator calculation of the structural dimensions.26Chapter 4 The robot control system design.28 4.1 Overall scheme.28 4.2 Chip works.28 4.2.1 serial conversion chip.28 4.2.2 MCU.29 4.2.3 8279 chip.30 4.2 .4 decoder.31 4.2.5 amplifier chip.32 4.3 Circuit design.33
16、 4.3.1 show the circuit design.33 4.3.2 The keyboard circuit design.33 4.4 Reset circuit design.33 4.5 crystal oscillation circuit design.34 4.6 sensor selection.34Conclusion.36Acknowledgements.37References.38 VI第1章 绪论 1.1 选题背景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
17、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化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。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。 1.2 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年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上下料机械
18、手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化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。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率本机械手主要与数控铣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。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到
19、制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。1.3 国内外研究现状和趋势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。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础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）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。
20、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-Vicarm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，定位误差小于1毫米。联邦德国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。目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，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。1.4 设计原则在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计
21、目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、单片机、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。第2章 设计方案的论证2.1 机械手的总体设计2.1.1 机械手总体
22、结构的类型工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构，SCARA型五种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。1.直角坐标机械手结构 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。 直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。直角坐标机械手主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手
23、有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2.圆柱坐标机械手结构 圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3. 球坐标机械手结构 球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。4. 关节型机械手结构 关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。关节型机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械手在工业
24、中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手。关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 5. SCARA型机械手 SCARA型机械手有三个转动关节，其周线相互平行，可在平面内进行定位和定向。还有一个移动关节，用于完成手爪在垂直于平面的运动。如图2-1.e所示。 图2-1（坐标型机械手的五种形式）2.1.2 设计具体采用方案图2-2机械手工作布局图具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达8KG，且长度达95mm，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中
25、需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为机身的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2-2所示。2.2 机械手腰座结构的设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。2.2.1 机械手腰座结构的设计要求 工业机械手腰座，就是圆柱坐标机械手，球坐标机器手及关节型机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，机械手的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机械手的全部重量。在设计机械手腰
26、座结构时，要注意以下设计原则：1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。2.腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，此处选择液压马达。 4.腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器手手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。5.为了减轻机械手运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。2.2.2 设计具体采用方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求比较多，而我其他两个自由度的实现都是以液压形式，便于统一，降低成本，机身回转机构这里也采用液压形式，及液压马达驱动。腰座具体结构如图2-3所示：图2-3 腰座结构图2.3 机械手手臂的结构设计2.3.1 机械手手臂的设计要求 机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则； 1.机