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1、201240140218 课程设计说明书课程名称单片机课程设计（机械手）教学院机电工程学院专 业械电子工程班 级12机械电子2班小组成员万明重指导教师李涛, 雷才洪2015年6月9日目 录摘要2第1章 概述31.1设计目的31.2课题的内容和要求41.3进度安排41.4设计进度安排41.5基本要求5第2章 课程设计的总体方案62.1总体方案的确定62.2 机械结构的设计62.3 软件设计6第3章 机械部分设计73.1 元器件选型73.2 机械结构构件及说明73.3 工作台外形尺寸及重量初步估算83.4 滚珠选择83.5滑块导轨的选择与校核83.6 弯曲应力m的计算93.7选择联轴器的考虑因素1
2、03.8 轴承的选用与校核11第4章 控制系统的设计144.1 控制系统硬件电路的设计144.2控制系统软件编程设计15参考资料17附录一：cad图纸18附录二：proe图19附录三：程序21摘要机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计过程，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。本课题以52单片机为核心设计，通过AutoCAD，proe技术对机械手进行结构设计，实现所需要的功能。关键词：机械手、52单片机、AutoCAD、Proe第1章 概述机械化、自动化
3、已成在现代工业中突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。 简而言之，机械手就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加
4、工。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其
5、结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式。 要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成1.1设计目的单片机原理及接口技术课程设计是机械电子工程专业的学生在完成单片机原理及接口技术等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设
6、计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提高，并运用所学理论，通过调研，设计一个单片机方面的系统，受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力。1. 能够正确运用单片机原理及接口技术等课程的基本理论和相关知识，复习单片机基本结构，了解一般应用系统的设计方法和步骤，掌握常用开发工具的使用方法。培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有单片机应用系统的初步设计能力。2. 通过控制电路的设计，掌握常用控制电路的设计方法。3. 通过控制系统方案设计，掌握单片机编程和调试的思想，方法，过程。4. 通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料
7、、使用资料的方法和能力。5. 通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。1.2课题的内容和要求采用合适的结构设计直线抓取机械手。该机械手应完成如下功能：（1）机械手爪可以夹紧、松开（2）机械手可以左右做直线运动，停止位置可调、可控（3）手爪可以升降运动（4）可以完成一次完整的货物运动过程（手爪到达货物位置下降抓取上升移动到指定位置下降手爪松开上升回原点）1.3进度安排成员分工表姓名工作任务吴朵课程设计说明书的编写、画cad和proe装配万明重程序编写与调试，部分proe图丁元志设计机械结构，画部
8、分零件proe（与戴军合作）戴军根据机械结构绘画部分部件零件Proe张敏借书、查资料严亚烈对各个细节纠检查和纠错1.4设计进度安排1. 熟悉任务，查阅资料； 1天2. 确定方案； 2天3. 详细设计（硬件原理图及软件程序） 5天4. 整理设计说明书，答辩。 2天1.5基本要求1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读课程设计任务书，明确题目及具体要求；3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5. 控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；6. 机械结构合理，标准件选择正确，图纸符合
9、国家标准；7. 控制系统电气原理，图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；8. 设计说明书手写和打印均可。课程设计第一天由各设计小组组长根据指导教师给的电子任务书拟定出适合本小组的课程设计任务书，并统一打印后分发各组员； 第2章 课程设计的总体方案2.1总体方案的确定 X-Z型机械手，两方向自由度。因为基于单片机STC89C52RC控制，从节约经济，注重性价比的角度考虑。 由于节点型两自由度机械手，需要两个步进电机（或两个伺服电机，或其组合），和相应的伺服驱动器，价格就会贵很多。全用气缸，位置容易发生移动，精度低。 本次课程设计采用一个步进电机驱动X方向，Z方向运动，手爪采用气缸驱动。X
10、方向还用到丝杆螺母，以及电磁阀控制气缸。2.2 机械结构的设计用PRO/E 3D软件造型2.3 软件设计用汇编语言编写程序，然后烧录到单片机里面第3章 机械部分设计3.1 元器件选型电磁阀选型：根据实验要求需要电磁阀控制气缸升降，机械手开合因为每个电磁阀有两种控制状态，选用2位3通且基于24V直流控制，因此我们选择的型号：3V 210-08-NC电源选型：单片机需要5V电源，所以我们选择5V直流电源，电机选用24V安全电压，也与电磁阀电源电压一致，因此我们选择了两个电源：5V电源,24V电源。限位开关选型：物理型，碰到限位强行停止单片机电源，因提供5V直流电压选择，所以我们选择的型号为：CMR
11、ON HL-5000定位开关选型：定位于不宜接触以免损坏，选择光电开关由5V直流电源控制，因此我们选择的型号为：S-120-24气缸选型：因为初步计算气缸的行程为100mm，所以我们选择的型号为：TN20*100继电器选型：因为需单片机程序控制气缸升降和机械手开合，则需用继电器实现控制电压5V直流，被控电压24V，因此我们选择的型号为：SRD-05VDC-5L-C机械手爪选型：基于手爪是气缸型和对被抓取物体尺寸考虑，我们选择的型号为：MHC2-200联轴器选型：由于电机输出轴外直径10mm，丝杆校核直径15mm，因此我们选择为联轴器1015mm电动机选型：直流电动选择的型号86BYGH450A
12、-06 配套驱动器选择2450V 型号为M452 5.03.2 机械结构构件及说明1.步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单2电磁阀，本次实验考虑到实验需求以及经费问题，选择二位三通电磁阀。两位三通电磁阀通常与单作用气动执行机构配套使用，两位是两个位置可控：开-关，三通是有三个通道通气，一般情况下1个通道
13、与气源连接，另外两个通道1个与执行机构的进气口连接，1个与执行机构排气口连接3.光电开关，光电开关即光电传感器如图3-4，是光电接近开关的简称，利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关是传感器的一种，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。4.限位开关，在实际生产中，将限位开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换如图3-5。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。限位开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行
14、终端限位保护。5.电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的3.3 工作台外形尺寸及重量初步估算底架，底架由铝合金材料搭建而成，高580mm宽180mm，长565mm。导轨，580mm，宽15mm轴承座，孔的直径为31.75mm3.4 滚珠选择滚珠丝杆传动具有摩擦阻力小，操作轻便灵活，运动平稳，精度高等优点。但滚珠丝杆的制造周期较长，能制造长度长、直径大、精度高的滚珠丝杆的企业较少; 另外长度较长的丝杆本身的自重引起的挠度较大，需要增加丝杆托持
15、机构等，使结构变得复杂。故当机械手的精度要求较高，且行程较短的话，采用滚珠丝杆比较适宜。滚珠丝杠的刚度与直径大小直接相关,直径大,刚度好,但直径大,转动惯量也大大增加。所以,一般是在兼顾二者的情况下选取最佳直径。推荐如下:小型加工中心采用32、40mm,中型加工中心采用40、50mm,大型加工中心采用50、63mm的滚珠丝杠。3.5滑块导轨的选择与校核滚动直线导轨副安装步骤及注意事项：导轨侧面的压紧方式设计：严禁将导轨用过盈配合的方式镶进一个非精密加工的槽内，那样导轨会被槽本身的误差强行扭曲而失去精度. 正确的方法是将导轨的基准侧面贴紧安装基面，导轨的另一个侧面用适当间隔的压块压紧。导轨行程的
16、确认：导轨长度L=期望的行程S+安全行程余量Sa+空余行程S0+全部滑块间的总间距LJ+全部滑块总长Lb ，其中空余行程S0按导轨规格最少取一个导轨孔距以上. 最好对行程加装限位装置，严禁滑块任何一个端面超出导轨运行。导轨边距的确认：导轨边距是指导轨最端部的安装孔中心到导轨端面的距离，分两端，分别记为L1 mm, L2 mm. 导轨总长记为Lmm, 导轨孔节距记为Fmm, 沉头孔直径记为Dmm.。安装导轨前，要先用油石打去轨道底座安装面和侧面安装面上的毛边和毛刺。导轨要在螺钉紧固状态下，才能进行平面及侧面精度检测。由机械设计课程设计手册查得角接触轴承的Cr=15.0KN，C0=10.0KN。3
17、.6 弯曲应力m的计算A:导轨的受力Fy，Fx的计算B：My,Mx弯矩的计算C:弯曲应力x,y的计算D:弯曲应力Gx的计算压弯应力k的计算A:轿厢作用于一根导轨的压弯力Fk的计算B:w值的计算的确定w的计算C:k的计算K3为冲击系数，依工作情况与查表取K3=1.5M可忽略，A为导轨的横向截面积，A=S=2890压弯和弯曲应力的计算弯曲和压缩应力的计算翼缘弯曲的计算其中为导向部分与底脚部分的密度挠度、所以：在安全装置动作的情况下，本类型滑块导轨的强度及挠度校核符合要求。3.7选择联轴器的考虑因素1、动力机的机械特性 动力机到工作机之间，通过一个或数个不同品种型号、规格的联轴器将主、从动端联接起来
18、，形成轴系传动系统。由于动力机工作原理和机构不同，其机械特性差别较大，对传动系统形成不等的影响。不同类别的动力机，由于其机械特性不同，应选取相应的动力机系数KW，选择适合于该系统的最佳联轴器。动力机的类别是选择联轴器品种的基本因素，动力机的功率是确定联轴器性能的主要依据之一，与联轴器转矩成正比。 2、纠偏能力 纠偏能力是指弹性联轴器其弹性体本身所具有的弹性能承受的径向、角向、轴向的恢复能力。根据机械和使用场合本身需求连接的精密度、误差的不同，选用不同纠偏能力的联轴器，来纠正机械产生的误差，达到延长电机和丝杆或其它传动器件的使用寿命。 3、载荷类别 由于结构和材料不同，用于各个机械产品传动系统的
19、联轴器，其载荷能力差异很大。载荷类别主要是针对工作机的工作载荷的冲击、振动、正反转、制动、频繁启动等原因而形成不同类别的载荷。传动系统的载荷类别是选择联轴器品种的基本依据。 4、联轴器的许用转速 联轴器的许用转速范围是根据联轴器不同材料允许的线速度和最大外缘尺寸，经过计算而确定。不同材料和品种、规格的联轴器许用转速的范围不相同，改变联轴器的材料可提高联轴器许用转速范围，这个取决于不同的机械类别。 5、工作环境 联轴器与各种不同主机产品配套使用，周围的工作环境比较复杂，如温度、湿度、水、蒸汽、粉尘、砂子、油、酸、碱、腐蚀介质、盐水、辐射等状况，选择联轴器时必须考虑的重要因素之一。环境的不同，所选
20、用的联轴器材料也不同。联轴器确定根据以上分析，选用有弹性元件的梅花联轴器。梅花联轴器结构简单、无需润滑、方便维修、便于检查、免维护，可连续长期运行。高强度聚氨酯弹性元件耐磨耐油，承载能力大，使用寿命长，安全可靠。工作稳定可靠，具有良好的减振、缓冲和电气绝缘性能。具有较大的轴向、径向和角向补偿能力。结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合。结构特点：1.中间弹性体联接2.可吸收振动、补偿径向、角向和轴向偏差3.抗油与电气绝缘4.顺时针与逆时针回转特性完全相同5.定位螺丝固定综上考虑：选择梅花形联轴器比较合适（右图）3.8 轴承的选用与校核旋转着的轴承，内外圈滚道及滚动体经受着迅
21、速变化的接触应力，当工作循环达到一定次数后，接触表面可能发生疲劳点蚀。这是滚动轴承的主要失效形式。对于静止的、极慢转动的轴承，在很大静载荷作用下，会因接触点处产生的局部应力超过材料的屈服点，导致滚动体或内、外圈滚道表面产生塑性变形。这是一种静强度不足的失效。此外，由于使用维护不当或润滑密封不良等，可能引起磨损、胶合、套圈断裂、保持架破坏等其他形式的失效。由失效分析知，对于一般转速(min/10rn)的轴承，应进行防止疲劳点蚀的寿命计算。已知轴颈直径d=30mm。该轴所承受的轴向载荷FA=350N。由上面可知轴承1，2所受的径向载荷R1=1100N,R2=375N。轴的转速20.4r/min。工
22、作中有中等冲击，工作温度125Co。要轴承的预期寿命L10h=15000小时，初选角接触轴承7213AC。轴承的受力分析其他： Ft =2800N Fr=1100N水平支反力： =550N垂直支反力： =1400N右侧轴承受力与左侧相同所以合成支反力为 R1=R2=R1=1230N计算当量动载荷由轴承的固定方式可知，轴向外载荷全部由轴承1承受A1=Fa=350N ，A2=0N查表，因为A1/C0=350/10000=0.0035插值确定e1=0.21由于A1/R1=350/1500=0.23e1=0.21所以 X1=0.56 Y1=2.09由表， =1.5 所以 P1= (XR+YA1)=1.
23、51(0.561500+2.09350)=3090NP1= R2=1.511230N=1845N校核轴承寿命因为P1 P2 ,按P1计算= = =15164.7 h.15000 h所以轴承7213AC满足要求第4章 控制系统的设计 4.1 控制系统硬件电路的设计 系统主要实现的功能有x轴的上下移动，z轴的上下移动及机械手的夹紧松开，具体如下：图4-1-1 机械手运动过程简图 由单片机控制步进电机通过丝杆实现机械手的x轴的移动，控制气缸的换向阀实现在轴的上下移动及机械手的夹紧松开；同时通过光电开关返回的信号来判断机械手现在所处的位置运动过程的控制原理逻辑图如下：图4-1-2 根据机械手运动过程的
24、控制原理逻辑图 单片机p0引脚用于控制过程的指示灯，p1引脚用于控制信号的输出，p2引脚口用于外部信号的采集。另外使用外部中断0作为紧急制动，定时器0为延时功能程序使用，T1用作看门狗。具体引脚使用情况如下图：图4-1-3接线图 步进电机借助驱动来控制，借24V电源；电磁阀借助继电器来控制，接24V电源。整体电路连接图如下：图4-1-4电路原理图4.2控制系统软件编程设计YYYYNNNN机械手下移机械手右移机械手上移结束机械手松开下限位开关触发右限位开关触发机械手夹紧上限位开关触发左限位开关触发机械手复位开始总结本次课程设计是继综合实验弄的一个配套的机械手课程设计。解决了综合实验的制作过程中时
25、间的不足，使得实验得以实现。这次课程设计是机械电子工程专业的学生在完成机电系统设计等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提高，并运用所学理论，通过调研，设计一个机电控制方面的系统，受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力。以上是课程设计的目的和意义，我们基本完成了设计的内容。下面来讲解课程设计遇到的一些问题和解决方法。这次我们先弄的接线和程序设计，但在老师的指导下我们还是先弄了机械结构的部分。首先我们用cad画的零件图，但装配图就比较困难。所以我们只画
26、了部分cad，然后用了proe画了所有零件图，这样装配起来就比较简单。三维图画出来后，我们将部分零件进行涂色使得装配图更加美观。然后我们就将硬件部分和程序对应的设计出来的。在这次课程设计中遇到了很多的困难，比如有些器件不知道怎么连接、机械结构设计怎么合理等。经过老师慢慢指导，我们解决了其中的种种问题。参考资料1 胡健，刘玉宾，朱焕立，单片机原理及接口技术，机械工业出版社，20042 何铭新，钱可强，徐祖茂，机械制图，高等教育出版社，20103 许志军工业控制组态软件及应用北京：机械工业出版社2005，192-1984 王承义机械手及其应用北京：机械工业出版社，1981，12-255 吴振顺，气
27、动传动与控制，哈尔滨：:哈尔滨工业大学出版社，1995.6 王永华现代电气及可编程序控制器技术北京：航空航天大学出版社，2003.7 胡竟湘，液压与气压传动.大连理工出版社，2009.8 吴宗泽，机械设计课程设计手册，高等教育出版社，2012.5.9 方华,许江淳，单片机原理及应用：嵌入式，重庆：重庆大学出版社，2009。10 蒋新松.机器人与工业自动化M.石家庄:河北教育出版社,2003.附录一：cad图纸 板板（气缸）电机座 底板轴承座附录二：proe图 底板 电机组合 轴承座 丝杠螺母 联轴器 导轨 导轨滑块 板 爪子气缸 板板 机械手 装配图 附录三：程序ORG 0000HAJMP M
28、AINORG 0003HAJMP INT_0ORG 001BHAJMP WDOGORG 0100HMAIN:MOV P2,#0FFH MOV A,P2 JNB ACC.0,$ MOV IE,#8FH MOV TMOD,#21H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV TH1,#0FFH MOV TL1,#0CFH MOV TCON,#51H MOV R5,#02H MOV R4,#00H MOV R3,#08H MOV R2,#00H AJMP ACT_0ACT_0:MOV A,P2 ;Z轴上升 JB ACC.3,ACT_1 MOV R0,64H MOV R1,#04H M
29、OV P0,#05H ACALL DELAY ;延时，直到机械手达到指定位置 AJMP ACT_0ACT_1:MOV A,P2 ;x轴复位 JB ACC.1,ACT_2 ACALL PWM_XL MOV P0,#06H AJMP ACT_1ACT_2:MOV A,P2 ;Z轴下降 JB ACC.4,ACT_3 MOV R0,64H MOV R1,#08H MOV P0,#05H ACALL DELAY ;延时，直到机械手达到指定位置 AJMP ACT_2 ACT_3:MOV R6,#32H ;机械手夹取 MOV P1,#10H MOV P0,#03H ACALL DELAY DJNZ R6,A
30、CT_3 ;延时2s，等待机械手夹紧 AJMP ACT_4ACT_4:MOV A,P2 ;Z轴上升 JB ACC.3,ACT_5 MOV R0,64H MOV R1,#04H MOV P0,#05H ACALL DELAY ;延时，直到机械手达到指定位置 AJMP ACT_4 ACT_5:MOV A,P2 ;X轴右移 JB ACC.2,ACT_6 ACALL PWM_XR MOV P0,#06H AJMP ACT_4ACT_6:MOV A,P2 ;Z轴下降 JB ACC.4,ACT_7 MOV R0,64H MOV R1,#08H MOV P0,#05H ACALL DELAY ;延时，直到机
31、械手达到指定位置 AJMP ACT_6 ACT_7:MOV R6,#32H ;机械手松开 MOV TH1,#0FFH MOV TL1,#8FH MOV P1,#20H MOV P0,#03H ACALL DELAY DJNZ R6,ACT_7 ;延时2s，等待机械手松开 AJMP ACT_0PWM_XL:MOV P1,R5 MOV TH1,#0FFH ;喂狗 MOV TL1,#0CFH JNB TF0,PWM_XL MOV A,R5 XRL A,#01H MOV R5,A RETPWM_XR:MOV P1,R4 MOV TH1,#0FFH ;喂狗 MOV TL1,#0CFH JNB TF0,P
32、WM_XR MOV A,R4 XRL A,#01H MOV R4,A RETPWM_ZH:MOV P1,R3 MOV TH1,#0FFH ;喂狗 MOV TL1,#0CFH JNB TF0,PWM_ZH MOV A,R3 XRL A,#04H MOV R3,A RETPWM_ZL:MOV P1,R2 MOV TH1,#0FFH ;喂狗 MOV TL1,#0CFH JNB TF0,PWM_ZL MOV A,R2 XRL A,#04H MOV R2,A RETDELAY:MOV R1,#0C8H ;延时40ms MOV R7,#0C8H DJNZ R7,$ MOV TH1,#0FFH ;喂狗100us MOV TL1,#09BH DJNZ R1,$-8 RETINT_0:MOV TCON,#00H ;紧急制动 AJMP $WDOG:AJMP 0000H ;看门狗END
