基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） I
摘 要
机械手是在工业生产中得到广泛的使用，经常被用来对工件进行水平、垂直地移位，是现在自动化生产中不可缺少的设备。特别是在自动化程度高的工厂，不但提高了整体生产的精度，也大大提高了机械生产的效率，对现代化机械发展是有很大意义的。
本文所阐述的机械手共有4个自由度，分别是夹紧工件、机械手腕的旋转、手臂的伸出与缩回、机身的旋转和升降，基本满足了工业生产线上传递工件并进行定位的需要，它的控制系统采用单片机进行控制，得益于单片机成熟的应用技术、低廉的价格，以及稳定的开发平台，工作人员可以很直观地通过按钮进行操作。
关键词：机械手，单片机，步进电机
基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） II
ABSTRACT
Manipulator in industrial production is widely used in the movement of the work piece along the horizontal, vertical direction.It is now indispensable to the automated production equipment. The manipulator not only improves the accuracy of the overall production,but also greatly improves the efficiency of the machinery,especially in highly automated factories.Manipulator’s application is beneficial to the development of modern machinery. Manipulator described in this paper has four degrees of freedom for fixing the work piece, rotaing the mechanical wrist, extending and retracting the arm, as well as rotating and lifting the body. Thus, the needs of the transmission and locating of the work piece in the product line are basicly satisfied line to meet the industrial need to orient the work piece. Its control system adopts the microcomputer control. In terms of the application of SCM mature technology, low price, and a stable development platform, the manipulator can be operated very intuitively through pushing buttons.
Key words: manipulator, SCM, stepping motor
基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） III
目 录
1 绪论 ......................................................................................................................................................... 1
1.1课题的意义 ................................................................................................................................... 1
1.2国内外研究现状与发展趋势 ................................................................................................... 1 1.3 本论文主要任务 ......................................................................................................................... 3
2 机械手的总体设计 ......................................................................................................................... 5
2.1机械手的组成 ............................................................................................................................... 5 2.2机械手设计参数 .......................................................................................................................... 5 2.3机械手坐标系 ............................................................................................................................... 6 2.4机械手控制系统 .......................................................................................................................... 6 2.5小结 ................................................................................................................................................. 6
3 机械手手部结构设计 .................................................................................................................... 7
3.1手部机构 ........................................................................................................................................ 7 3.2 手部结构设计及计算 ................................................................................................................ 8 3.3 主要尺寸的确定 ......................................................................................................................... 9 3.4 气缸结构设计 ........................................................................................................................... 14 3.5步进电机的计算与选型 .......................................................................................................... 14 3.6步进电机性能校核.................................................................................................................... 16 3.7小结 ............................................................................................................................................... 16
4 机械手手臂机构的设计 ............................................................................................................ 17
4.1机械手手臂的结构.................................................................................................................... 17 4.2机械手手臂电机的计算与选型 ............................................................................................. 17 4.3小结 ............................................................................................................................................... 23
5 机械手腰部和基座结构设计 .................................................................................................. 24
5.1机械手腰部和基座的结构 ...................................................................................................... 24 5.2机械手腰部的步进电机的计算与选型 ............................................................................... 24 5.3步进电动机的性能校核 .......................................................................................................... 26 5.4机械手底座的步进电机的计算与选型 ............................................................................... 27 5.5步进电动机的性能校核 .......................................................................................................... 29 5.6小结 ............................................................................................................................................... 30
6 机械手控制系统设计 .................................................................................................................. 31
6.1驱动器 .......................................................................................................................................... 31 6.2接线图 .......................................................................................................................................... 37 6.3步进电机原理 ............................................................................................................................. 37
基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） IV
6.4单片机的选用 ............................................................................................................................. 39
6.5控制原理图 ................................................................................................................................. 39 6.6机械手控制程序流程图 .......................................................................................................... 40 6.7小结 ............................................................................................................................................... 43
7 结论 ....................................................................................................................................................... 44 参考文献 ................................................................................................................................................. 45 致谢 ............................................................................................................................................................ 46
基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） 1
1 绪论
1.1 课题的意义
随着科学技术的发展，机械手也越来越多的被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用[1]。
在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： （1）以提高生产过程中的自动化程度
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
（2）以改善劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或部分代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产
应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产[2]。
综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
1.2 国内外研究现状与发展趋势
1.2.1 国内外研究现状
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取，放下机构，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。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。