【毕业论文】基于步进电机的三自由度直角型机械手毕业设计说明书

设计背景与应用意义机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。

它集中了机械工程电子工程计算机工程自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之。

装配机械手是种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。

并且由于装配所具有的重要意义，装配领域将是未来机器人技术发展的焦点之。

其重要性在机器人应用中将跃居第位。

因此，各大型工厂都需要装配机器人来提高其工作效率，需要设计建议。

工业机器人的总体设计工业机器人的组成及各部分关系概述图工业机器人的组成图它主要由机械系统执行系统驱动系统控制检测系统及智能系统组成。

执行系统执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部腕部机身等。

手部又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。

腕部又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。

臂部是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。

机身是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转升降或俯仰运动。

驱动系统为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。

常用的机械传动液压传动气压传动和电传动。

控制系统通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生或故障时发出报警。

检测系统作用是通过各种检测装置检测执行机构的整体运动情况，根据需要给控制系统以反馈，与规定要求进行比较，以保证运动符合要求。

由图表示机械手控制各部分关系。

图各部分关系图工业机器人的设计分析设计要求综合运用所学知识，搜集有关资料完成三自由度直角坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。

机械手最大抓重工件尺寸直径约自由度数个自由度坐标型式直角坐标手指开合角度最大速度度每秒轴大臂上下移动距离为最大速度轴小臂上下移动距离为最大速度轴小臂伸缩距离为最大速度轴平移距离为最大速度机械手重复定位精度总体方案拟定在装配机械手的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。

这两项功能实现的技术基础是完善的机械结构设计和精确的控制驱动。

本次设计就是在这思维下展开的。

根据设计内容和需求确定装配机械手，利用步进电机控制平移运动利用四台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在起的手臂实现上下及其前后运动末端夹持器则采用连杆式夹持器，用小型气压缸驱动夹紧。

由图显示机械手外形轮廓。

图机械手外形图工业机器人主要技术性能参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。

主要技术参数有如下抓取重量抓取重量是用来表明机器人所能承受负载能力的参数，这是项主要参数。

这项参数般是指在正常速度下所抓取的物体的重量。

工件的极限尺寸抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的重要参数，它表示手部所能抓取的最大的工件尺寸，是设计手部的基础。

坐标形式和自由度说明机器人机身手部基座等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。

运动行程范围指执行机构直线移动距离的范围，即各运动自由度的运动范围。

根据行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。

运动速度是反映机器人性能的重要参数。

通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。

它与定位精度，抓取的工件重量等参数有关，相互影响。

当今社会国内外机器人的最大直线移动速度为左右，回转速度的最大值为。

定位精度和重复定位精度定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的项重要指标。

编程方式和存储容量。

本课题设计中我采用的是三自由度直角坐标型机械手，其中机械手的小臂大臂基座与末端执行器分别通过步进电机气压缸与单片机控制。

机械手的有关技术参数见下表。

表三自由度直角坐标机器人机械手类型三自由度直角坐标型抓取重量自由度个个方向的移动机座伸缩运动，前后移动范围，步进电机驱动单片机控制大臂机构伸缩运动，升降范围，步进电机驱动单片机控制小臂机构伸缩运动，伸缩范围，步进电机驱动单片机控制末端执行器气压缸驱动单片机控制控制系统的设计分析本课题采用单片机对机械手进行控制，初定系列，根据机械手的工作流程编制出单片机程序可能在实际设计过程中会有改动。

机械手的工作流程图如图所示。

手指夹紧基座后移轴大臂向上轴小臂后移基座前移轴大臂向下轴小臂后移轴大臂向上手指松开轴小臂前移图机械手工作流程图工业机的机械系统设计工业机器人的运动系统分析机械手的运动，可从该机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。

机信号旋转，基座后移，至后限位开关动作。

单片机口输出控制信号，使轴大臂步进电机旋转，大臂下降，到达预定位置。

继电器断开，手爪电磁阀不通电，气压缸出气。

手爪放松，至限位开关动作。

单片机口输出控制信号，使轴大臂步进电机旋转，大臂上升，到达预定位置。

最后机械手停止，完成个流程。

启动基座前移停止大臂上升手爪松开大笔下降小臂伸出大臂下降小臂下降基座后移大臂上升小臂收缩手爪夹紧小臂上升图工作流程在这三个方案中，我选择第种方案，以相对后面两种方案第种方案动作顺序比较安全。

驱动器的选择驱动器根据电机型号选系列三项混合式步进电机，则根据步进电机我选择伺服驱动器型号均为。

如图驱动器的简单结构。

图驱动器特点或电源供电最大相电流输出采用交流伺服电机的电流控制方式，精确正弦电流输出，使步进电机各项运行性能指标接近交流伺服电机驱动器性能对电机的依赖性极小，不同参数电机均可获得优异性能具备多种细分模式，特殊细分要求可定制具备脱机控制信号电机位置停电记忆静止时自动半电流锁定输入输出信号光电隔离机械手单片机接线原理图的设计在机械手单片机接线原理图设计中，我选用的是单片机单片机控制，驱动器为，电机为步进电机。

机械手控制装置主要有单片机，电源电路，复位电路和时钟电路组成。

电源电路单片机的电源电路设计如图所示。

图电源电路其中为保险丝为电容，作用为整流。

时钟电路单片机的时钟电路设计如图所示。

图时钟电路其中电路中的电容和典型值通常选择为左右。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶振的振荡频率的范围通常是在之间。

晶振的频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也就越快。

为接外部晶体的个引脚。

该引脚内部是个反相放大器的输入端。

这个反相放大器构成了片内振荡器。

为接外部晶体的另端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。

复位电路单片机的复位电路设计如图所示。

图复位电路我所采用的复位电路为按键电平复位电路。

因为时钟频率选用时，取，，。

电平复位是通过端经电阻与电源接通而来实现的。

接线原理电路机械手接线原理图设计中光耦在机械手接线图中起到了分开供电减少干扰的作用。

高低速光耦如图所示。

图光耦其中脉冲需要高速光耦来分开供电减少干扰，因为脉冲需要不断输出，输出频率大，因此要求安装高速光耦。

机械手单片机程序流程图的设计机械手小臂伸缩子程序流程如图所示。

机械手控制中为机械手小臂收缩输入端，为机械手小臂伸出输入端，分别为机械手小臂伸缩输出端。

小臂伸出轴正转子程序小臂收缩轴反转子程序启动是否为延迟置零置零输出脉冲启动是否为延迟置置输出脉冲图小臂伸缩子程序机械手大臂上下子程序流程如图所示。

为机械手大臂下降输入端，为机械手大臂上升输入端，分别为机械手大臂上下输出端。

大臂上升轴大臂正转子程序大臂下降轴大臂反转子程序启动是否为延迟置零置零输出脉冲启动是否为延迟置置输出脉冲图大臂上下子程序控制机械手机体前后移动中，为机械手基座后移输入端，为机械手基座前移输入端，分别为机械手基座左右旋输出端，机械手基座左右旋子程序流程如图所示。

基座前移轴正转子程序基座后移轴反转子程序启动是否为延迟置零置零输出脉冲启动是否为延迟置置输出脉冲图基座前后平移子程序控制机械手手爪的夹紧与放松中，为机械手手爪夹紧输入端，为机械手手爪放松输入端，为机械手手爪输出端，机械手手爪子程序流程如图所示。

手爪夹紧气缸进气子程序手爪放松气缸出气子程序启动是否为延迟置零启动是否为延迟置图手爪子程序机械手小臂升降子程序流程如图所示。

机械手控制中为机械手小臂下降输入端，为机械手小臂上升输入端，分别为机械手小臂伸缩输出端。

小臂上升轴小臂正转子程序小臂下降轴小臂反转子程序启动是否为延迟置零置零输出脉冲启动是否为延迟置置输出脉冲图轴小臂升降子程序在基于单片机机械手控制中为机械手启动引脚，为机械手停止引脚。

汇编语言的设计在本课题中因为都是通过步进电机的正反装来控制整个机械手的运动，因此为了避免重复所以给出以小臂为列的汇编语言程序。

因步进电机的型号都取同样的，所以步距角为度，圈度，需要个脉冲完成。

，正转圈共脉冲，对的判断，当时则转到反转，反转圈个脉冲，步进电机的转速延时子程序正转表正转结束，反转表反转结束结论通过这次毕业设计，我收获了许多，首先把我在大学里所学的知识做了次系统的复习，更加深刻的进步了解了所学的知识，培养了我综合运用所掌握知识，解决问题和分析问题的能力，也使我学会怎样更好的利用周边的工具查找资料和运用资料，还使我学会如何与老师同学共同讨论问题。

这对我以后的工作将会有很大的帮助，今后我会在工作中不断的学习，努力的提高自己的水平。

经过本次设计，我切实体会到作为个优秀的设计人员的艰难性。

在设计过程中，我经常遇到各种各样的问题，有的是知识方面的不足导致的，有的是设计经验方面不足导致的。

这些问题有时使得我束手无措，不过在指导老师帮助和自己的努力下，终于使得我顺利完成了设计。

参考文献董欣胜，组合机床与自动化加工技术，年，周伯英工业机器人设计北京机械工业出版社，蔡自兴机械人学的发展趋势和发展战略，机械人技术北京机械工业出版社，王守城，容鸣液压与气动传动北京北京大学出版社，毛谦德，李振清机械设计课程设计手册第三版北京机械工业出版社，刘鸿文材料力学第四版北京高等教育出版社，张建明机电体化系统设计第三版北京高等教育出版社，濮良贵，纪名刚机械设计第八版北京高等教育出版社，王积伟，章宏甲，王谊液压与气压传动北京机械工业出版社，优