机械手-基于步进电机的四自由度机械手设计与控制单片机-说明书

机械手-基于步进电机的四自由度机械手设计与控制单片机-说明书内容摘要：

式是最常见的一种。 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 [5]。 设计时考虑的几个问题 （ 1） 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。 （ 2） 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。 对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 （ 3） 保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制 ） 9 应的手指形状。 （ 4） 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，当应 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。 （ 5） 考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V 型。 手部结构设计及计算 本课题气动机械手的手部结构设计，如图 31 所示： 手部驱动力的计算： 其工件重量 G=1 公斤， V 形手指的角度 1202  ， 30 m m 12 .5 m mbR  ，摩擦系数为 。 （ 1） 根据手爪类别 ,计算夹紧力。 图 32 手爪 如图 32 所示，采用摩擦锁紧方式，故受力分析得： () s in ( )2G m g aF S N   (31) 式中： m 工件质量， kg ； g 重力加速度， 2/sm ； a 动态运动时产生的加速度， 2/sm ； S 安全系数； 基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制 ） 10  V 型手爪张开的角度，  ；  气爪夹头与工件的摩擦因素；由于 手爪 与工件材料都采用 45 钢，查表得 所以： )(s i n2 )( NSagmF G    =     N45 （ 2） 根据手部结构的传动示意图 31，其驱动力为 : NRbF 2 (32) 所以： RbF 2 N )( 302 N （ 3） 实际驱动力 :  21KKFF 实际 (33) 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取  ，并取 K。 若被抓取工件的为匀速取 0a 时，则 : 112  gaK )(345)( NNF 实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 345N。 主要尺寸的确定 （ 1） 气缸工作压力的确定 由《液压传动与气压传动》表 31 取气缸工作压力 MPap  表 31 气压负载常用的工作压力 负载 F/N 5000 5000 ～10000 10000 ～20200 20200 ～30000 30000 ～50000 50000 工作压力 p/MPa ～ 1 ～ 2 ～ 3 3～ 4 4～ 5 5～ 7 基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制 ） 11 （ 2） 气缸内径 D 和活塞杆直径 d 的确定 本课题设计的气缸属于双向作用气缸。 单活塞杆双作用气缸是使用最为广泛的一种普通气缸。 因其只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等。 活塞左行时活塞杆产生推力 1F ，活塞右行时活塞杆产生拉力 2F。 zFpDF  421  (34) zFpdDF  4 )(222  (35) 式中： 1F 活塞杆上的推力， N； 2F 活塞杆的拉力， N； zF 气缸工作时的总阻力， N； p 气缸工作压力， Pa； D 活塞直径， m； d 活塞杆直径， m； 气缸工作时的总阻力 zF 与众多因素有关，如运动部件惯性力、背压阻力、密封处摩擦力等。 以上因素可以载荷率  的形式计入公式，如要求气缸的静推力 1F 和静拉力2F，则在计入载 荷率后：   421 pDF (36)   4 )( 222 pdDF (37) 计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。 若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取 ~ ，速度高时取小值，速度低时取大值。 若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取 ~。 由以上分析得双向作用气缸的直径 : 基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制 ） 12 pFD 14 (38) 代入有关数据，可得 D pF14  34546   ( )mm 查机械设计手册圆整， 得 D=40mm 由 Dd ,可得活塞杆直径 : mmDd 12~8)~(  圆整后，取活塞杆直径 d=12mm （ 3） 缸筒壁厚和外径的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。 一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算 : ][2/  pDP (39) 式中：  缸筒壁厚， mm； D 气缸内径， mm； pP 气缸试验压力，一般取 pPp  （ Pa）； p 气缸工作压力 （ Pa）； ][ 缸筒材料许用应力（ Pa）； 本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为 :铝合金 ZL106,[ ]=3MPa 将 己知数据代入 式 (39)，则壁厚为 : ][2/  pDP )(4 )1032/(65mm  取 mm4 ，则缸筒外径为 : 1 40 4 2 48 ( )D m m    （ 4） 手部活塞杆行程长 L 计算 活塞杆的位移量 为： S mmR   (310) 气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。 多数情况下不应使用满基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制 ） 13 行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。 为保证夹紧效果，必须按计算行程多加 1020mm 的行程余量。 mmL  (311) 故查有关手册圆整为 mml 27 （ 5） 校核 A. 活塞杆稳定性的验算： 当活塞杆的长度 L 较小时 ）（ dL 10 ， 可以只按强度条件校核计算活塞杆直径 d 有 : ])[/14( Fd  (312) 其中， [ ] MPa120 ， NF 3451  则 : )120/3454(  d  所以满足实际设计要求。 B. 气缸推力验算：   421 pDF = 62  = )(427N ）（ N345 由以上计算可知气压缸能产生的推力 NF 4271  大于夹紧工件所需的推力NF 345实际。 所以该气缸满足要求。 （ 6） 耗气量的计算 气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量 Q 为： 2 2 3( 2 ) ( / m in )4sQ n D d m (313) 式中： D 气缸缸径， m； d 活塞杆直径， m； s 活塞行程， m； 基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制 ） 14 n 气缸活塞每分钟往复次数； 此公式未考虑 气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。 m i n/4 322 mQ  ）（ (314) （ 7） 气缸进排口的计算 气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关，除特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。 气缸进排气口当量直径 0d 用下式计算： )(20 mQd  (315) 式中： Q 工作压力下气缸的耗气量， sm/3 ；  空气流经进排气口的速度，一般取 sm /15~10 ； 把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆 整后，按照 GB/T 14038—93气缸气口螺纹 选择合适的气口螺纹 [7]。 故， md  （ 8） 手爪 部分总质量估算 零件气缸手爪 mmmm  (316) 其中：手爪部分和活塞杆材料采用 45 钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金 ZL106 查相关手册， 45 号钢密度为 33 /10 mkg ZL106 的密度为 33 /10 mkg 手爪 部分总质量约为 2 . 3 6 8 2 k g11 . 1 1 9 10 . 2 4 9 1m  气缸结构设计 （ 1） 缸筒和缸盖的连接 缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等，对于双头螺栓和螺栓连接，一般是四根螺栓，但 是对于工作压力高于 MPa1 时，一定要校核螺栓强度，必要时增加螺栓数量，例如 6 根 [8]。 查阅机械手册，选择拉杆式螺栓连接，采用 4 根螺栓。 该结构简单，易于加工，易于装卸。 由于工作压力小于 MPa1 ，故无须校核螺栓强度。 基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制 ） 15 （ 2） 活塞杆与活塞的连接结构 活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。 组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接 [6]。 该气缸选择螺纹连接，结构简单，装 卸方便，应用较多。 （ 3） 密封 气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和使用寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作非常重要。 对密封元件的要求如下： A. 密封性好，耐磨损，使用寿命长。 B. 稳定性好，不易膨胀和收缩，难于溶解，不易老化。