课程设计说明书2015 年 6 月9 日目录摘要 (2)第1章概述 (3)1.1设计目的 (3)1.2课题的内容和要求 (4)1.3进度安排 (4)1.4设计进度安排 (4)1.5基本要求 (5)第2章课程设计的总体方案 (6)2.1总体方案的确定 (6)2.2 机械结构的设计 (6)2.3 软件设计 (6)第3章机械部分设计 (7)3.1 元器件选型 (7)3.2 机械结构构件及说明 (7)3.3 工作台外形尺寸及重量初步估算 (8)3.4 滚珠选择 (8)3.5滑块导轨的选择与校核 (8)3.6 弯曲应力σm的计算 (9)3.7选择联轴器的考虑因素 (10)3.8 轴承的选用与校核 (11)第4章控制系统的设计 (14)4.1 控制系统硬件电路的设计 (14)4.2控制系统软件编程设计 (16)参考资料 (18)附录一：cad图纸 (19)附录二：proe图 (20)附录三：程序 (22)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“Mechanical Hand”，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、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：CMRON 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10~15mm电动机选型：直流电动选择的型号86BYGH450A-06配套驱动器选择24~50V 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。