自动分拣机械手的设计.doc

毕 业 设 计（论 文）题 目： 自动分拣机械手的设计 作 者： 指导教师： 王稳 职称（讲师、工程师）专 业： 机电一体化技术 时 间： 二零一一年五六月 题目：自动分拣机械手的设计毕业设计共26页自动分拣机械手实物：1件完成日期：2011年4月30日答辩日期：2011年5月7日摘要机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。目前来讲，工业机械手可以代替人工的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作，更显其优越性，有着广阔的发展前途。虽然市场上机械手很多，但成本较高，一些小的行业或企业无力承担。正是基于此种考虑，本论文主要是研究设计了一种小型、廉价的自动分拣机械手。该机械手通过单片机控制使机械手具有智能化从而对件进行智能分拣，避免重复劳动，提高工作效率，尤其是成本较低。因此，非常适合小型企业单位的应用，具有良好的市场价值和应用前景。关键词：分拣；机械手；自动化；目 录前言11课题来源与现实意义21.1 机械手的概述21.2 自动分拣机械手的设计目的与意义21.3主要研究内容31.4 机械手的发展趋势32控制方案比较42.1 采用PLC控制42.2 采用单片机控制43机械手的组成63.1 执行机构63.1.1 执行机构各部分介绍63.1.2 设计机械手的要求83.1.3 机械手驱动力的计算83.2 驱动机构93.3 控制机构94机械手的基本结构114.1 STM32单片机114.2 舵机124.3 光电传感器134.4 红外测障传感器145机械手控制电路156系统设计166.1系统设计流程图166.2分拣过程176.2程序设计196.3推广及应用前景237总结24致谢25参考文献26前言目前工业自动化在工业控制中越来越普遍，这也极大地提高了的生产效率和产品质量。而工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技、自动化生产设备，工业机械手是工业机器人的一个重要分支。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。就机械手设计而言，它涉及到自动控制技术、传感器技术、系统设计、机械设计、力学基础、计算机技术等学科领域，是典型的跨学科综合技术。机械手的特点是，可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。通过各项数据调研发现，机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力已被普遍认可，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。本毕业设计的机械手是自动分拣作用，该项目是源于机电工程系与阿沃依自动化设备厂合作的校企科研项目“玉米棒自动分拣机的研究与开发”。通过市场调研发现，目前玉米棒分拣大多依赖于人工分拣来实现。采用人工分拣，一方面工作效率低，劳动强度大；另一方面，人力成本逐年上交，对中小企业造成很大的经济压力。因此，该毕业设计的自动分拣机械手，作用是代替人从事单调、重复的玉米分拣的体力劳动，实现生产的机械化和自动化。1课题来源与现实意义1.1 机械手的概述机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“上下料机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。 1.2 自动分拣机械手的设计目的与意义该毕业设计的自动分拣机械手属于搬运机械手。所谓搬运机械手，就是将机械手安装在移动平台之上。这种结构使机械手拥有很大的操作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机械手，因此在危险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用前景。但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在，都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战性。之所以选择该毕业设计项目，源于机电工程系与阿沃依自动化设备厂合作的校企科研项目“玉米棒自动分拣机的研究与开发”(该毕业设计是校企合作项目中的方案之一)。通过市场调研发现，目前玉米棒分拣大多依赖于人工分拣来实现，主要是根据玉米棒的重量大小和粗细程度来分类。对于中小类型的玉米棒生产企业来讲，均是采用人工分拣来实现玉米棒的分类。这样做，一方面工作效率低，劳动强度大；另一方面，人力成本逐年上升，对中小企业造成的经济压力逐年上升。该设计的自动分拣机械手，作用是代替人从事单调、重复的玉米分拣的体力劳动，它的优点是效率高，成本低，可开发性强，尤其符合中小企业的需求，具有良好的市场前景。1.3主要研究内容本文通过前期的市场调研，确定了分拣机械手的系统结构，完成了机械手的整体设计工作，包括传动部分、执行部分、驱动部分等；另外，根据系统结构，完成了自动分拣机械手样件的加工和组建。1.4 机械手的发展趋势现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。而机械手控制系统则逐步发展为与计算机互联，使机械手控制系统更加智能化，操作更加简单方便。随着自动化的发展，机械手（机器人）应用将更加普遍，尤其随着汽车行业和塑胶行业的发展，西欧、日本、苏联和中国等地域机械手开始百花争放，可以这样讲，未来的人类社会将是机械手的时代。2控制方案比较对于机械手来讲，控制是其核心，相当于我们人的大脑，缺少了控制，就不能实现任何动作。而对于自动分拣机械手控制而言，运行稳定，结构简单，价格便宜是我们选择控制方案的基本要求。基于实际需要，本控制方案有两种，分别是PLC控制和单片机控制。2.1 采用PLC控制可编程序控制器(PLC)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。它是以微处理器为核心,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点。PLC 在机床电气、食品工业、化学工业、陶瓷工业、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀的控制等领域已经得到了广泛的应用。所以，对于该分拣机械手首先想到的是PLC。采用PLC能灵活控制机械手的操作，而且操作简单方便；另外，PLC控制器的稳定性是其成为工控首选的原因。但是，它的价格昂贵。就本设计而言，主要是针对重量较轻、体积较小的物品进行分拣，面对的客户主要是一些中小企业。所以，设计的要求之一是将生产成本降到最低。PLC控制仅作为参考控制方案。2.2 采用单片机控制单片机（single chip)是将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口（并行I/O口、串行口、A/D转换器、脉冲调制器PWM等）集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，成为单片微型计算机。目前来讲，单片机控制具有如下特点。首先，种类多，型号全。很多单片机厂家逐年扩大适应各种需要，有针对性地推出一系列型号产品，使系统开发工程师有很大的选择余地。大部分产品有较好的兼容性，保证了已开发产品能顺利移植，较容易地使产品进行升级换代。其次，低功耗。现在新型单片机的功耗越来越小，供电电压从5V降低到了3.2V，甚至1V，工作电流从mA降到µA级。特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等。这非常符合当前我们所倡导的绿色环保低碳的号召。所以，对于本自动分拣机械手而言，采用单片机有体积小、质量轻、性价比高、灵活、方便、节省硬件开销等优点，能够实现智能的控制机械手。单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机，但由于本身无自开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件，以及对硬件系统进行诊断。另外，单片机内的ROM比较小，所以在设计中系统必须在外面配置EPROM电路和扩展电路，所以在该项目中运用该方案必须完成：1）硬件电路的设计、组装、调试；2）应用软件的编制、调试；3）应用软件的链接调试、固化、脱机运行。依据单片机目前的发展状况，采用单片机控制的优点是：1）成本较低。由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。尤其适合我们这种针对中小企业市场的产品。2）可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。由于该自动分拣机械手不仅针对一种产品，考虑到客户分拣不同产品的实际需求，我们可以对机械手的控制进行灵活的改进和更新。3）由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在软件系统设计中可以直接调用，减少较大工作量。当然，采用单片机控制也有缺点，它的缺点是：1）系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该系统硬件设计包含扩展电路部分和系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较大，影响系统开发的时间。2）系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，需要对芯片、器件选择，去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽都需要考虑。3）单片机稳定性不如PLC。4）维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。经过以上两种控制方案的分析比较，根据我们的实际控制需求，鉴于控制成本和智能化，综合多方面因素考虑，本设计采用单片机控制是最优控制方案。3机械手的组成机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。下面我们将分别介绍各部分的设计。3.1 执行机构3.1.1 执行机构各部分介绍1、手部：即直接与工件接触的部分。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手。本设计项目中采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛，本设计采用回转型。手部多为两指（也有多指，本设计采用两指）；指形也有不同设计，常用的指形有平面、V形面的和曲面的，本设计采用平面行的设计；手指有外夹式和内撑式，本设计采用外夹式；另外，根据需要分为外抓式和内抓式两种，本设计采用外抓式；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。具体情况见图3-1。 图3-1 自动分拣机械手手部图2、腕部： 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。我们设计的腕部具体见图3-2。图3-2自动分拣机械手碗部图3、臂部：手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动它们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能， 图3-3自动分拣机械手臂部图具体见图3-3。3.1.2 设计机械手的要求 1.机械手应承载能力大，刚性好，自重轻。 机械手的刚性直接影响到机械手抓取工件时动作的平稳性，运动的速度和定位精度。机械手一般都采用刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。 2.机械手的运动速度要恰当，惯性要小。 机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍来决定，但不宜盲目是追求高速度。机械手由静止状态达到正常的运动速度启动，以及由常速减到停止不动制动速度的变化过程为速度特性曲线。 机械手自重轻，其启动和停止的平稳性就好。 3.机械手动作要灵活。 机械手的结构要紧凑小巧，才能使机械手运动灵活、轻快。对于夹取式的机械手，就要计算机械手移动零件时的重量对回转、升降、支承中心的偏重力矩，偏重力矩过大，会引起机械手的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，也会影响运动的灵活性。 3.1.3 机械手驱动力的计算 机械手臂部伸缩运动时，需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式计算： Pq =Fm +Fq式中: FM -摩擦阻力，包括机械手与伸缩导机间的摩擦阻力； Fq -机械手在起动过程中的惯性力； 其大小可按下式计算: Fq=其中， G -机械手移动部件的重量； g -重力加速度; v -起动或制动前后的速度; t -起动或制动前后所需的时间，一般可取t =0,设腕部的总重量N= 0.3kg FM = f N =0.02×0.3=0.006kgf Fg = = =4.9kgf Pq= 0.006+4.9 = 4.906kgf 3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同， 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。本驱动机构是电动，具体见图3-4。图3-4自动分拣机械手驱动装置图3.3 控制机构在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性，具体见图3-5。图3-5自动分拣机械手控制图4机械手的基本结构机械手的基本结构由控制部分、执行部分、感知部分组成。采集感知信号及控制信号由光电传感器、角度传感器和测障传感器。采集的数据由控制器中相对应的程序来决定机械手的下一动作的执行。机械手整个分拣过程要求都能自动控制。在启动过程中能根据现场的明暗和所抓取的货物的颜色大小进行现场调试。系统启动前，机械手自动移动至原位。4.1 STM32单片机使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核,优异的实时性能,杰出的功耗控制,出众及创新的外设,最大程度的集成整合,易于开发。图4-1 STM32系统单片机结构主要性能参数：工作模式：0Hz-72MHz；主时钟振荡器8MHz；一片AT24C02 EEPROM；一个128x64点阵LCD显示； USB转USART芯片； 3V的电压工作；80个可编程I/O口线；USB 2.0全速传输 。4.2 舵机图4-2 舵机舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。4.3 光电传感器图4-3 光电传感器光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。4.4 红外测障传感器图4-4 红外测障传感器红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。红外传感器根据探测原理可分成为：光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。本款选用红外测障传感器 ，其探测原理为光子探测器。5机械手控制电路机械手控制电路如图5-1，其核心为STM32单片机。图5-1 机械手控制电路原理图6系统设计系统采用STM32单片机控制，程序灵活，调试方便。其系统的程序流程图如6-1所示，可以实现循环操作。6.1系统设计流程图图6-1为本机械手的整个工作流程，本系统具有智能化，可循环分拣。图6-1系统设计流程图具体工作方式如图6-2所示，为了体现机械手的智能分拣，一共制作了四种待分拣物件为其编号，表6-1为物件的详细参数。表6-1 分拣物件参数特征/编号尺寸1.75CM*2*3CM2.5CM*2*5CM3CM*3CM*3CM5CM*5CM*5CM形状圆柱圆柱正方体正方体颜色白色白色黑色黑色6.2分拣过程如图6-3、图6-4、图6-5所示物件被传送带运送至机械抓处，当物件经过红外测障传感器时，传送带继续运送一段时间后停止，使物件正好在机械爪的中心。当机械手抓取物件的同时，由舵机A的角度传感器判断物件的大小，由机械抓中的光电传感器判断物件的颜色，图6-3至图6-5分别是分拣物品示意图。角度传感器和光电传感器的数值由单片机处理，然后根据编写的程序由舵机B、C、D将物件放置到如图6-2规定区域，放置示意图见图6-6。 6.2程序设计#define S_VALUE AnalogIn(3)void catch()int temp;int start = 1900;TIM3->CCR1 = start;/Delay(1000);StartTimer();while(1)temp = S_VALUE;start += 45;TIM3->CCR1 = start;Delay(100);if(S_VALUE - temp < 3 && GetTimer() > 50)break;TIM3->CCR1 = start + 0;main(void)inthd,deg,cai1,cai2,gb,dx;HInit();gb=ReadEE(1);dx=ReadEE(2);while(1)TIM3->CCR1 = 1900;SMotor(2,20);SMotor(3,17);SMotor(4,83);Delay(800);DigitalOut(12,1);while(AnalogIn(1)>300);Delay(500);DigitalOut(12,0);Delay(100);cai1=AnalogIn(2);catch();hd=AnalogIn(2);deg=S_VALUE;ShowVar(0,0,AnalogIn(2);ShowVar(0,20,S_VALUE);SMotor(2,10);Delay(200);SMotor(3,70);Delay(800);cai2=AnalogIn(2);while(cai2<110)SMotor(2,20);/20SMotor(3,17);/17SMotor(4,85);Delay(800);TIM3->CCR1 = 1900;Delay(500);catch();hd=AnalogIn(2);deg=S_VALUE;ShowVar(0,0,AnalogIn(2);ShowVar(0,20,S_VALUE);SMotor(2,10);Delay(200);SMotor(3,70);Delay(800);cai2=AnalogIn(2);if(hd>gb)if(deg>dx) /bai xiaoSMotorPRO(4,60,2);SMotorPRO(3,45,2);SMotorPRO(2,48,2);else /bai daSMotorPRO(4,25,2);SMotorPRO(3,22,2);SMotorPRO(2,28,2);elseif(S_VALUE>dx) /hei xiaoSMotorPRO(4,120,2);SMotorPRO(3,42,2);SMotorPRO(2,50,2);else /hei daSMotorPRO(4,155,2);SMotorPRO(3,25,2);SMotorPRO(2,30,2);Delay(2100);TIM3->CCR1 = 1900;Delay(500);SMotor(3,45);Delay(100);TIM3->CCR1 = 1900;SMotorPRO(2,20,1);SMotorPRO(3,17,1);SMotorPRO(4,85,1);Delay(1000);/SMotor(4,130);/Delay(3000);/SMotorPRO(1,50,2);Time();while(1);6.3推广及应用前景 本智能系统拥有强大的分拣能力，可以根据物体的大小，颜色进行现场调试从而快速的进行调整和分拣。该系统具有良好的开放性能，可用来分拣材料、零件、工具等物件；为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专用系统。7总结单片机以其智能化、价格低廉、操作简便，在机械手控制系统的设计中起到了十分重要的作用，但在单片机控制的过程中，还有许多问题需要解决，本文就机械手自动控制系统的过程中的硬件的选择与设计以及软件的编程中的几项关键问题提出了自己的一些看法，经实践证明，可以有效地提高系统的抗干扰能力，对单片机读、写，事件响应等通信时问可进行精确控制，取得了良好的效果。在毕业设计过程中，我遇到了很多设计和组装、调试方面的问题。为了弄懂相关的知识，掌握相关技术，我翻阅了大量的书籍和资料，并积极利用互联网丰富的资源找取答案，从中的收获是非常丰富的。从这次设计中我有了很深的体会，任何事情都不是一蹴而就的，都需要付出很艰辛的努力。致谢经过将近半年时间的努力，在老师、同事们的悉心帮助和指导下，我终于完成了此次论文设计工作。在我的毕业设计的过程中，得到了众多老师、同学、同事，朋友的帮助与支持。此次毕业设计能够顺利的完成，是与他们的帮助与支持是分不开的。在此，我向他们致以最诚挚的谢意。导师渊博的学识，严谨的治学态度和工作作风将给我以后的学习和工作起模范和激励作用，在此对王稳老师表示衷心的感谢。另外，我还要感谢在这几年来对我有所教导的老师，他们孜孜不倦的教诲不但让我学到了很多知识，而且让我掌握了学习的方法，更教会了我做人处事的道理，在此表示感谢。同时感谢我所实习的公司，在这里我学到了许多宝贵的设计和加工方面的经验，并得到了关于本课题的很多必不可少的资料。一并对我在实习中有过帮助的师傅及同事们表示深切的谢意。 参考文献1 赵金荣,叶真编.可编程序控制器原理及应用，上海应用技术学院,20032 董儒胥主编. 电工电子选训教程，上海交通大学出版社，20063 王兆义主编. 可编程序控制器教程，机械工业出版社，20034 姜培刚编. 机电一体化系统设计，机械工业出版社，20045 赵松年、张奇鹏主编. 机电一体化系统设计，北京机械工业出版社，20076 郁汉琪主编. 机床电气及可编程序控制器实验、课程设计指导书，高等教育出版社，2001 7 易传禄主编. 可编程序控制器应用指南，电子工业出版社，20058 胡学林. 可编程控制器教程（实训篇），电子工业出版社，20059 易传禄. 可编程序控制器应用指南，上海科普出版社，200210 方承远. 工厂电气控制技术，机械工业出版社，2003