检测工作台精密定位机械系统设计毕业论文

编号：毕业设计(论文)说明书题目：检测工作台精密定位机械系统设计学院：机电工程学院专业：机械电子工程学生姓名：学号：姓名：职称：2013年5月26日摘要随着科学技术不断进步，现代化高科技产品向着细小化、智能化、集成化发展，因而微小零件在工业上需求越来越大，和对微小零件的质量要求也不断提高，所以对微小零件的检测方法的探究越来越引起人们的注意。对零件精密测量是现代科技领域最为关键和共性的基础技术之一，在尖端工业生产和科学研究中占有极其重要的地位。其中在微小零件中，螺钉在我们日常生活中应用非常广，几乎所有的机械都有螺钉；螺钉广泛应用于连接、固定等，具有重要的作用，是我们生活、生产中不可缺少的一部分。所以螺钉的质量直接关系到与它相关的产品质量，从而对螺钉的检测就显得越来越重要。光电测量以其非接触、高精度和快速性等特点广泛应用于各种测量。对微小零件的外形尺寸进行光电自动检测，需要对微小零件进行精密定位，其定位精度直接决定了检测精度、检测速度和自动化程度。本文主要研究基于光电开关技术下对螺钉在工作台上的定位，从而实现对螺钉外形尺寸光电自动检测。在本文中，首先，依据零件在工作台上的功能要求，分析情况，选出符合要求的机构方案；接着对所选的方案进行机械系统设计，包括导轨、电机、丝杆、轴承、机械手等选择；最后对系统的控制系统进行分析。关键词：检测；机械设计；步进电机；控制

AbstractWiththeconstantprogressofscienceandtechnology,modernhigh-techproductsturntowardssmall,intelligent,integrateddevelopment.Therefore,thesmallpartsdemandisbiggerandbiggerinindustry,andthequalityforsmallpartsisalsorequiredtoimproveconstantly.Sopeopletakemoreandmoreattentiontotheresearchoftestingmethodonsmallparts.Precisionmeasurementforthepartsisoneofthekeyandcommonfoundationtechnologiesinmodernscience,anditoccupiesanextremelyimportantpositioninindustrialproductionandscientificresearch.Amongthesmallparts，thescrewiswidelyusedinourdailylife.Youcanseethescrewsinalmostallthemachinery.Thescrewiswidelyusedinconnection,fixinganditlikes.Itisanindispensablepartinourlifeandproduction.Sothescrewqualityisdirectlyrelatedtothequalityoftheproductsassociatedwithit，thenthedetectionforthescrewbecomesmoreandmoreimportant.Photoelectricmeasurementiswidelyusedinallkindsofmeasurementswithitsnon-contact,highprecisionandrapiditycharacteristics.Thephotoelectricautomaticdetectionforthedimensionofsmallpartsneedstheprecisionpositioningoftinyparts,andItspositioningaccuracydirectlydeterminesthedetectingprecision,speedandthedegreeofautomation.Thispapermainlystudiesthelocationforthescrewontheworkbench,whichisbasedonthephotoelectricswitchtechnology,soitcanrealizethephotoelectricautomaticdetectionforthescrewdimension.Inthisarticle,firstly，theinstitutionalprogramsthatmeetstherequirementsmustbeselectoutaccordingtothefunctionalrequirementsofpartsonthetableandtheanalyzingthesituation.Andthenthemechanicalsystemselectedshouldbedesigned,includingitsselectingguiderail,motor,wirerod,bearings,manipulator,etc.Finally,thecontrolsystemwillbeanalyzed.Keywords:Detection；Mechanicaldesign；Steppermotor；Control目录1引言 11.1课题研究的背景 11.2课题研究目的和意义 11.3研究的任务 22总体方案选择 22.1机械部分总方案 22.2控制部分的总方案 32.2.1PLC特点 3单片机特点 4方案选用 42.3送料机构方案选择 42.4夹具机构选择 5方案选择 5材料选择 93机械系统设计 103.1工作台面外形设计 113.2导轨选择 123.3丝杠选择、计算 16丝杆选择 16滚珠丝杠计算 173.4电机选择 18电机类型 18工作台电机选择 19出料机构电机选择 22夹具机构的电机选择 233.5联轴器的选用 243.6轴承选择 243.7机械手设计 254控制系统分析 274.1单片机选择 284.2控制过程 305结论 31谢辞 32参考文献 33附录 341引言随着科学技术的高速发展,在航天技术、计量科学技术、微电子工程、精密工程、生物工程、光学与光电子工程、纳米科学与技术等领域中,仪器和设备越来越细小化、智能化,对微小零件的检测要求越来越高，因此要求在线检测平台对零件的精密定位要求越来越高，以实现在线自动检测。本章从现在国内外对零件的检测情况入手，分别主要介绍现在工业上对微小零件的检测发展概况和本课题研究的内容和意义。1.1课题研究的背景产品的质量检测是工业生产的一个重要的一个环节，检测的效率和质量直接影响到公司的效益和产品的最终质量。当今世界，提高检测效率已成为制造业面临的一个重大课题，检测技术也随之掀起了不断革新的浪潮。在这种注重自动高速精确检测的创新前提下，对测量仪器行业也提出了更高的要求，即量仪产品必须实现高速、高精度和系统化，而且必须与自动化产业的发展相对应，同时应进一步提高对产品的质量检测。比如在过去，一些零配件尺寸的检测，很多产品的质量检测都是靠人工来完成，所以在过去工厂的生产流水线需要数以百计的检测工人，这样的检测方法给工厂增加了工人的劳务成本和管理成本，但是仍然无法保证100%地选择出次品率。当前，制造业省人化、自动化趋势进展迅猛异常，生产的效率原来越高，对于用传统的检测方法来检测零件，尤其是微小的零件，由于零件的外形和尺寸都很小，很难用人工进行检测，再加上效率和效益底下，因此这已经远远不能达到生产的要求。因此，越来越需要研究出一些快速而又准确的方法来对微小零件的质量进程检测。所以，本课题是基于在精密工作台上对螺钉进行精确定位，以实现对小螺钉小零件的外形进行检测。1.2课题研究目的和意义目前,国内大多数螺钉生产企业还只能采用抽检方式对螺钉进行尺寸检测,即抽取部分螺钉用卡尺或光学放大仪测量其尺寸。对于有全检要求的螺钉，企业不得不使用大量人力进行手工筛选。对于大批量生产、尺寸较小的螺钉,人工检测相当困难和繁琐，耗时费力,且存在许多技术漏洞,检测精度不高,难以保证螺纹质量。随着定位技术的飞速发展，目前国内外有很多精密的微动平台，如压电式的微动平台、xyz三自由度精密工作台、柔性铰链式二维微动平台。其中，在这些精密工作台中，有相当一部分就是采用精密丝杆进行传动、用光栅或压电式进行精密定位。针对螺钉尺寸检测现状，我们探讨在利用这些精密工作台能实现精密定位的基本功能上，在利用光电开关、单片机系统等一些工具实现自动化光电非接触式螺钉在线检测系统。该系统采样精密丝杆进行传动，利用光电开关进行对螺钉零件的定位；在检测中该系统将才CCD和数字图像处理技术应用于螺钉的大批量检测,对螺钉的各个尺寸参数进行自动在线测量,并根据预先设定的各参数检验合格标准,自动完成对螺钉的在线筛选,并统计出检测数量、不合格数、合格率等检测数据。该检测技术不仅可实现螺钉的在线检测,而且测量速度快，精度高，代表了螺纹检测的发展方向,具有广阔的发展和应用空间。1.3研究的任务对零件实现检测，那么工作台具有精密传动和准确定位是实现对零件精密定位的关键部分，所以本设计旨在探求主要内容有：（1）课题的调研、资料的获取、有关知识的准备等，了解检测工作台精密定位的基本知识；了解检测工作台精密定位系统基本构成，选取合适的运动机构和控制方案；（3）学习Solidworks或PRO/E三维软件，掌握三维建模技术，对检测工作台精密定位系统进行建模；（4）了解和掌握检测工作台精密定位系统控制电路，并进行分析。2总体方案选择本设计的工作台要能实现检测功能，要具备对零件实现精密定位的性质，所以该系统中既要有工作台的基本部分，包括电机、丝杆、导轨、联轴器、轴承等；同时也要有能实现定位功能的控制部分，它可以是基于PLC为核心的控制，也可以是基于单片机下控制系统，由于系统要能实现定位，所以必须还要有光电开关和行程开关；考虑到这是一个完整的系统，那么就必须有送料机构和出料机构以及在对螺钉检测中实现对螺钉进行固定的机构以便实现精密的检测。2.1机械部分总方案综合该检测工作台精密定位机械系统的总体要求，可以初步得到该系统机械部分的基本构成为：图2-1机械总方案注释：工作台上是有夹紧螺钉的夹具机构该系统的执行步序如下：（1）工作台向右运到行程开关处，由于行程开关的作用，工作台停止在此处；（2）由送料机构送料螺钉，螺钉在进入工作台上的夹紧机构，此时夹紧机构动作，把螺钉固定住；（3）接下来就是步进电机运动，在丝杆的传动下，工作台面进行向左运动，当运动到光电开关处，由于光电开关作用，工作台停止下来；（4）CCD检测镜头对螺钉进行拍照和数据传输给后续计算机进行比较，比较完之后，给出螺钉质量检测结果的信号，从而在此驱动步进电机，使得工作台向左运动；（5）工作台向左运动到行程开关处，就会停下来，那么此时出料机构开始工作，把检测好的螺钉按照质量的好坏给拿走到具体的收集箱中；（6）在螺钉被拿走之步进电机再次得到向右的信号，使工作台向右运动到右边的行程开关处，从而实现一次工作循环。2.2控制部分的总方案该检测工作台精密定位系统的控制部分可以是PLC为核心下的控制，也可以是单片机为核心下的控制。PLC和单片机的控制各有其特点。2.2.1PLC特点PLC，又ProgrammableLogicController的简称，就是可编程逻辑控制器，PLC是一种数字运算操作的电子系统，广泛应用于现代化工业控制。它采用可编制程序的存储器，用来存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等一系列操作的指令，而且还可以以数字或模拟的方式输入和输出，控制各类机械运动或生产过程；PLC具有：（1）可靠性高，抗干扰能力强：采用LSI，开关是无触点的，并且硬继电器采用机械触点开关，可靠程度无法比拟，具有软硬件抗干扰措施。（2）编程软件，简单易学：从清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图程序容易学易懂易修改，深受电器工作人员的欢迎。

（3）适应性好，具有柔性：当生产工艺或设备改变时，不必要改变硬设备，只需改变相应的软件或编程就可满足新的控制要求。产品现在已标准化、系列化和模块化，可以适应不同的控制要求。PLC是工业控制领域中的一种通用控制器。

（4）功能完善，接口多样：除基本单元外，还可选配各种特殊适配器，满足不同的需要，如数字量/模拟量输入输出，定时计数，A/D与D／A转换，数据处理，通信联网等功能。

（5）易于操作，维护方便。安装方便：具有DIN标准导轨安装用卡扣。

连接方便：具有输入/输出端子排，只要用螺丝刀就可以与不同的控制设备连接。

调试方便：输入信号可用开关来模拟，输出信号可观察面板发光二极管。

维护方便：完善的自诊断功能和运行故障指示装置（6）体积小、重量轻、功耗低：产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低。如FX1S－20MT型PLC：外形尺寸：75mm×90mm×87mm，重量：400g，功耗：20W2.2.2单片机特点单片机是集成在一个芯片内的计算机系统，它具有计算机的全部功能。单片机具有：（1）小巧灵活、成本低、易于产品化，它能方便地组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪表。（2）具有面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，从而实现获得最佳性价比。（3）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣条件下都能可靠地工作，这是其它机型所无法比拟的。（4）可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个系统的效率和可靠性大为提高2.2.3方案选用PLC可编程逻辑控制器，语言简单，可图形编程，多用于大功率电器的工作，如电梯，大型户外广告灯、工业上大型控制等。

单片机是小型中央处理器，可用汇编或C语言编程，可扩展性好，可以做各种微型，智能控制，各种智能电器都有单片机的身影。综合PLC和单片机各自的特点和使用范围，可以知道，在实现控制上，用这两个都能实现。但在这里考虑到本设计的微小性、小功率性，同时为了节省成本，可以选用单片机来控制。2.3送料机构方案选择现在工业上送料机构多种多样，有转盘式、传送带式、机械手式等。它们各有各的特点，一般来说传送带式多用于那些外形比较对称的方块状的零件，因为这些零件在传送带上由于摩擦力的原因一直保持相对静止的状态、不会发生翻滚地向目标送料；而机械手式送料机构一般用在零件的外形比较特别，不能用常规的方式来传输的零件。这里的送料机构是要实现对外形不匀称、在传送带上会发生翻滚的螺钉的传送，所以一般情况下可以考虑用机械手进行送料，但考虑到机构的复杂性和成本性，可以对螺钉进行分析，找出其外形结构特点，设计一种特殊的机构来进行送料。图2-2检测的螺钉假设如图2-2所示的为要检测的螺钉，它的外形是可以发生滚动的，就可以利用它在重力作用下会发生滚动，从而实现送料；同时考虑到螺钉的两头大小不一样和在滚动中螺钉不会发生方向性的偏移，那么就要设计的机构就要对这些方面进行充分的考虑。图2-3送料机构模型图2-4送料机构尺寸该送料机构如图2-3、图2-4中设计它与水平方向夹角为20QUOTE，那么螺钉就会由于重力的作用向下滑落到指定的地方；考虑到螺钉的速度不能太大以至于难以控制它的稳定性，所以在设计该斜板与水平方向夹角不能太大，一般在10-25度之间为宜，同时与螺钉接触的板面应该有一定的摩擦，这样就能保证螺钉能准确到达预定的位置。（其中d应该比螺钉的长度稍长，h比螺钉头尺寸稍大，a比螺钉头的厚度也要稍大一点）2.4夹具机构选择2.4.1方案选择在现代加工或者检测中，无论是在传统制造业还是现代柔性制造系统中或者是现代化自动在线检测中，都需要夹具。夹具设计在检测系统中就显得非常重要,它直接影响检测质量，检测效率和检测成本。在一个检测系统中,夹具设计制造的费用占到整个系统费用的10-15%夹具在单件、成批、大量生产中得到了广泛的应用，它是在检测过程中根据设计说明书，在合理的位置定位和牢固装夹零件，从而完成所要求检测过程的一种装置。在现代夹具中，按照原理和结构都有创新的柔性夹具可分为：真相或伪相变式柔性夹具、适应性夹具、模块化程控式夹具。在传统夹具中又可分为可调整夹具(adjustablefixtures)和组合夹具(modularfixture)。可调整夹具包括通用可调整夹具和专用的可调整夹具，在后者中主要是以成组技术(GT)为技术工具。在本设计中，由于零件时比较微小的,外形也比较特殊；所以针对螺钉可以自行设计一个简单而又能实现装夹功能的夹具；考虑到螺钉的外形和送料机构的特点，很容易就可以得到夹具的底部的部分为图2-5图2-5夹具底部依据送料机构容易得到夹具底部的面QUOTE的夹角应该与送料机构的夹角相一致，所以得到夹角QUOTE=20QUOTE，槽p的尺寸与送料机构的板上的槽的尺寸相一致。该夹具底部实现了把送来的螺钉进行初步的定位，要把螺钉固定不动，必须要继续找一个机构来实现对螺钉进行压住。那么很容易可以知道，这个机构必须实现上下运动就可以啦，这样结合机械原理里的知识，能实现上下运动的机构很多，但经常使用的就是连杆机构和凸轮机构。平面连杆机构具有以下传动特点：（１）连杆机构中一般均为低副，低副两元素为面接触，在承受同样载荷的条件下

压强较低，承载能力较大，润滑好，磨损小，因而可用来传递较大的动力；又由于低副元素的几何形状比较简单（如平面、圆柱面），故容易制造加工。（２）构件运动形式具有多样性。连杆机构中既有绕定轴转动的曲柄，绕定轴往复摆动的摇杆，又有作平面一般运动的连杆、作往复直线移动的滑块等，利用连杆机构可以获得各种形式的运动，这在工程实际中具有重要价值。（３）在主动件运动规律不变的情况下，只要改变连杆机构各构件的相对长度，从而从动件可以实现不同的运动规律和运动要求。（４）连杆曲线具有多样性。连杆机构中的连杆，可以看作是在所有方向上无限扩展的一个平面，该平面称为连杆平面。在机构的运动过程中，固接在连杆平面上的各点，将描绘出各种不同形状的曲线。连杆机构存在的一些缺点为：（1）由于连杆机构的运动必须经过中间构件的传递，将会造成传递路线较长，容易产生较大的误差积累，同时也会降低机械传递效率；（2）连杆机构中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般的平衡方法加以消除，所以连杆机构不宜用在高速运动中。结合上面夹具底部的数据和特征，结合连杆机构中的知识我们可以得到通过改变运动副的尺寸得到一个偏心轮机构，如图2-6图2-6夹板机构在图2-6中，通过偏心轮的运动，可以实现外边的矩形框的上下运动，再在矩形框的下面加上一个形如夹具底部形状的压板，那么矩形框的上下运动就可以实现对螺钉的压紧和松开，从而实现对螺钉的固定以便检查和螺钉松开以便取走螺钉，从而进行下一次循环检查螺钉。通过对图2-6机构的分析以及结合图2-5夹具底部的分析，那么运用三维软件solidworks进行建模可以得到夹具的三维模型为图2-7。图2-7夹具机构模型1凸轮机构是由具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触带动从动件从而实现预期运动规律的一种机构，凸轮机构广泛地应用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线中，是工程实际中用于实现机械化和自动化的一种常用机构。按照凸轮的形状分为盘形凸轮、圆柱凸轮；按推杆的形状分为尖顶凸轮、滚子凸轮、平底凸轮。凸轮机构具有的特点：

凸轮机构具有极少的活动构件，并且构件占据的空间也比较小，是一种结构十分简单、紧凑的机构。凸轮机构实在的特征就是它具有多用性和灵活性，从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状，只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件获得各种预期的运动规律。几乎对于任意要求的从动件的运动规律，都可以毫无困难地设计出凸轮廓线来实现，是这种机构的最大优点。凸轮机构的缺点在于：凸轮廓线与从动件之间是点或线接触的高副，易于磨损，所以多用在传动力不是很大的场合中。综合上面夹具底部的数据和特征，我们在结合凸轮中的知识，可以容易得到对心直动尖顶盘形凸轮就可以满足上下运动的要求。在这里选择尖顶推杆作为从动件，虽然尖顶推杆在一定程度上存在磨损，但是由于这里的整个机构都是受力很小，那么在小的受力下，这种凸轮机构是可以采用的。然后采用solidworks进行三维建模，可以得到图2-8的模型：图2-8夹具机构模型2因此本设计中的夹具有两种方案，方案一为演化的连杆机构，方案二为凸轮机构。方案一中的机构虽然可以实现上下运动，但它的外形尺寸相对比较大，还有它与夹具底部的机构是在同一直线上，那么它就会很可能在检测中会发生于送料机构或CCD检测头发生相碰，从而造成仪器的损坏；方案二中，凸轮机构机构简单，体积小并能实现把回转运动变成往复直线运动，虽然存在一定的摩擦而造成的磨损，但在这里的机构中由于是低载荷，所以磨损小，在这里机构中考虑的整个系统都是微型的，同时不会发生于送料机构和CCD检测头相碰，所以在本设计中，可以采用凸轮机构。综合分析可得应该选择方案二的凸轮机构，既能实现所要求的动作，又能减少机构的体积。2.4.2材料选择本系统是用来检测螺钉，那么再对零件螺钉的定位上采用了对射式光电开关，也就是利用螺钉是否挡住光电开关发射出来的光线来判别螺钉是否到达预定的位置，从而得到电路的通断的信号以来实现对电机工作的控制，那么又与系统具有这一特性，那么在这里选择的夹具机构就必须是透明的，不能挡住光电开关的光线，所以可得到该夹具机构的材料（夹具底部和运动部分的凸轮、压板）可选投光的材料。按照材料的透光率大小，可以透光材料其分为：透明材料：波长400nm-800nm可见光的透光率在80%以上；半透明材料：400nm-800nm可见光的透光率在50%-80%之间；不透明材料：400nm-800nm可见光的折射率在50%以下。依据上述透光材料的分类，可以将树脂分为透明性树脂，主要包括PMMA、PC、PS、PET、PES、J.D系列、CR-39、SAN(又称AS)、TPX、HEMA、BS（又称K树脂）等；半透明树脂：PP、PA；不透明树脂：ABS、POM、PTFE、PF等。由于系统性能的需要，在这里夹具机构的材料明显要选透明树脂。而在我们日常生活中比较常用的热塑树脂PMMA树脂、PC树脂、PS树脂、PET树脂，它们的特性为表2-1：表2-1透光材料比较名称特性用途PMM树脂透光性好，可透过9996以上的太阳光，着色性佳。有一定的强度，比普通玻璃高7～8倍。耐紫外线及大气老化，耐腐蚀，电绝缘性好，可在-60～100℃下使用。在一定条件下尺寸稳定，容易成型。缺点：质较脆，易溶于有机溶剂中，作为透光材料，表面硬度不够，易擦伤起毛透明件，装饰件PC树脂综合性能优良，突出的抗冲击强度和抗蠕变性，在这方面是热甥性塑料中最优异的；可在-60～120℃温度内长期使用，吸水性低，尺寸稳定性好，成型收缩率低；电绝缘性优良，无色透明，着色性佳。但自润滑性差，耐磨性低于尼龙，不耐碱、酮、胺及芳香烃，有应力开裂倾向仪器仪表零件，耐冲击件，透明件，绝缘件PS树脂无色透明，透光率仅次于有机玻璃，着色性好；有一定的机械强度，耐水及耐化学腐蚀性能好，能耐强酸强碱；电绝缘性优良，尤其是高频绝缘性。易于成型，价格低廉。但质脆而硬，不耐冲击，耐热性低（80℃），耐有机溶剂性较差高频绝缘件、透明件、装饰件、耐腐蚀件PET树脂具有突出的耐磨性，可与尼龙、聚甲醛比美，韧性与聚甲醛相似，抗蠕变，刚性和尺寸稳定性也很高，电性能良好，线胀系数小，吸湿性低，耐老化，长期使用温度为-40～120℃；可耐稀酸、漂白粉、有机溶剂及石油产品，但不耐碱和热水。缺点是冲击韧度和热强度差。一般用玻璃纤维增强后使用减摩耐磨零件，绝缘件，薄膜。用玻纤增强的线型聚酯可作高温（H级）高强度绝缘材料由表中可知，PC树脂（聚碳酸酯）具有良好的机械性能和透光性，价格也比较低，所以机构材料选用PC树脂。3机械系统设计为了保证所设计的系统能够安全可靠的工作，那么在零件设计过程中就要满足它的一些要求：(1)满足使用功能要求：零件的设计首先是能够按照预期的技术要求顺利地执行机械的全部功能；其次是能在预定的寿命期限内可靠地工作但又不发生被破坏，不致因过度的磨损或产生过度的变形而导致机械系统的失效，也不会因机械的运转不准确，以及强烈的冲击振动等而从而影响机械的正常工作质量。(2)满足经济性要求：机械的经济性是指在设计、制造上要求上成本要低、制造周期要短；在使用上要求生产率要高，效率好，适应使用范围要大；能源和辅助材料消耗少，操作方便；以及维护费用低廉等。(3)满足工艺性要求：零件的工艺性要求是指在不影响机械工作性能的前提下，应使机械的结构尽可能简化，选用最简单合理的机构组合方案，尽量采用标准的零部件，并要求制造装配的劳动量最少，装拆维修方便。(4)满足劳动保护和环境的要求：劳动保护是指机械操作的安全性，要最大限度地减少工人操作时的体力和脑力消耗，改善操作者的工作条件，降低噪声等，同时要把环境保护提高到一个重要的位置，改善机械及操作者周围的环境条件，如防止有毒、有害的介质渗漏及对废水、废气和废液进行有效的治理以满足环境保护法提出对环境的要求。(5)满足其他专用特殊要求：有些机械各自还有本身的特殊要求，如航空航天产品要求重量轻，经常搬动的机械要便于拆、装和运输等。针对机械设计中的要求，在本章中对设计的零件，如工作台面、导轨、丝杆、电机、联轴器、轴承等系统中关键的零件进行设计。3.1工作台面外形设计图3-1检测螺钉该系统是要求对微小零件进行定位以便进行光电自动检测，在此假设以M530的圆头螺钉（图3-1）为检测对象进行设计的系统。由于要检测的零件时微小的，要求的测量为比较精密，因此整个工作台的机构也是比较细小；再考虑到检测零件时是全自动的过程，所以在设计工作台的尺寸是要加上进料和出料所要占据的空间，综合可以取工作台的尺寸为150（长）150（宽）5（厚），在整个工作流程中的有效行程为100mm。重量：按重量=体积×材料比重估算m=15015057.8=877.5g=0.8775kgQUOTE8.8N工作台面上考虑到上面有夹具部分以及后面的导轨滑块和丝杆底座的一些零件相连，所以面板上应该有相对应的螺钉孔或螺纹孔，因此得到工作台面的外形为：图3-2工作台台面3.2导轨选择工作台的直线导向是由导轨来实现的,导轨的主要作用是支撑和引导工作台面运动部件沿着一定的轨迹运动,这是工作台实现直线轨迹运动的基础,因此导轨的质量直接影响工作台的精度,是工作台实现精确定位的一个重要部分。在我们日常中常用的导轨副有普通滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、动压导轨等。表3-2各种导轨的对比特性名称导向精度运动平稳性承载能力耐磨性使用环境成本适用范围滑动导轨较高较好大差要求不高低普通机床、冶金设备上应用普遍滚动导轨高较好较低较好要求较高较高各类精密机床、数控机床纺织机械液体静压导轨高好较大好要求高高各种大型、重型机床、精密机床空气静压导轨高好较低好要求高高精密、轻载、高速机械由于滚动导轨具有如下特性：(1)导轨的定位精度高，可重现性好

直线导轨平滑的滚动运动方式，摩擦系数特别小，尤其静摩擦力与动摩擦力的差距很小，即使在微量进给时也不会有空转打滑的现象，解析能力与重现性最佳，因此可以实现μm级的定位精度。

(2)低摩擦阻力，可长时间维持精度

直线导轨的滚动摩擦阻力可减小至滑动导轨摩擦阻力的1/20-1/40，尤其润滑结构简单，润滑容易，润滑效果优良，摩擦接触面的磨耗最低，因此可以长时间维持行走精度。

(3)可承受四个方向的高负荷能力

几何力学结构的优化设计，可同时承受径向、反径向与横方向的负荷，并保持其行走精度，同时可轻易地藉由施于预压与增加滑块数量，就可以提高其刚性与负荷能力。由施于预压与增加滑块数量，就可以提高其刚性与负荷能力。(4)适合高速化之应用

摩擦阻力小的特性，对设备的驱动马力需求低，节省能源效果大，尤其运动磨耗小，温升效应低，可同时实现机械小型化与高速化的需求。(5)组装容易并具互换之特性

滚动导轨的互换之特性，可以将滑块任意配装在同型号的导轨上，同时又保持相同的顺畅度与精密度，机台组装最容易，维修保养最简便。所以滚动导轨广泛用于各类精密机床、数控机床纺织机械等。再结合机械手册可选择决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。图3-3导轨受力分析导轨为水平安装、卧式导轨、滑块座移动、工作台质量均匀分布，重心在中间，其受力情况如图3-3所示，G工作台面和导轨滑块的总重量，初步设其为20N，外力F的作用点和工作台重心重合，工作台为匀速运动或静止。因为工作台在工作时受到外力F的冲击很小，因此F20N，所以有+F=5+20=25N所以最大工作载荷为：Fmax=25N取安全系数为：，则基本动载荷=25×4=100N可以初选微型直线滚动导轨副的型号：MSC7M其额定动载荷Ca=0.94N，额定静载荷C0a=1.28kN；工作台面的尺寸为150mm×150mm，行程为100mm，选导轨的长度要有一定的余量，因此可选导轨的长度为300mm，查表有MSC7M得一些参数为：表3-3导轨参数型号导轨尺寸基本额定负荷容许静力矩重量宽度W1高度H1节距PEStd.动负荷CkN静载荷C0kNMpN-mMYN-mMBN-m滑块g导轨Kg/m单单MSC7M70-0.054.71550.941.2130.22MSC系列微型导轨具有的特性为：图3-4导轨特点MSC不锈钢系列直线导轨采用2列歌德圆弧接触式及45°接触角的钢珠设计（如图3-4），提供径向、反径向及横方向四方向的相同额定负荷能力，无论X、Y、Z等轴的各种安装方式都可以使用。超小型化与低摩擦阻力的设计，适合小型化设备使用。配合润滑油路设计，能够均匀的将润滑油脂注入每个循环回路，无论那种安装方式都可以获得最佳的润滑效果，并且提升整体的行走顺畅度与使用寿命，实现高精度、高可靠度及平滑稳定的直线运动需求。（1）钢珠钢丝保持器设计：具有钢珠钢丝保持器设计，可有效防止钢珠不当脱落。（2）导轨行走顺畅度佳：噪音低简单圆滑的钢珠回流路径设计，并采用耐冲击的强化合成树脂之钢珠循环配件，运转顺畅度佳，噪音度低。（3）导轨具很好的互换性：在严密的制造精度管控下，尺寸能够维持在稳定的公差内，所以对于互换型直线导轨，组装时可将滑块任意配装在同型号的导轨上，并且保持其相同的顺畅度、预压及精度，组装与维修最容易选取的MSC7M型导轨副的相关参数：滚道硬度为HRC60，工作温度不超过100℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为3级，工作速度较低，载荷很小。查表机械手册，分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度系数=0.9，载荷系数=1.5，代入，得距离寿命（3-1）所以L=294374km，远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。导轨润滑使用直线导轨时进行良好的润滑是非常必要的，如果导轨没有得到充分的润滑，运作时滚动体与滚动面之间的摩擦会增加，并有可能成为寿命缩短的主要原因。保证导轨的良好的润滑，是减少导轨的摩擦和磨损的一个有效措施。选择导轨润滑油的主要原则是载荷越大、速度越低，则油的粘度应越大；垂直导轨的润滑油粘度，应比水平导轨的润滑油的粘度大些。在工作温度变化时，润滑油的粘度变化要小。润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度，不侵蚀机件，油中的杂质应尽量少。对于精密机械中的导轨，应根据使用条件和性能特点来选择润滑油，常用的润滑油有机油、矿物油、精密机床液压导轨油和变压器油等。还有少数精密导轨，选用润滑脂进行润滑。在这里由于系统的运动速度不是很快，同时考虑到润滑的经济性，所以在这里可以选择用专用的导轨油进行润滑，润滑的方法为手工定时润滑，依据该厂家产品的特性，润滑油的粘度选择在30-150cst。其中：cst数值指的是100摄氏度时该油的运动粘度3.3丝杠选择、计算3.3.1丝杆选择这里的传动为电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，从而实现工作台的来回运动，因此有滑动螺旋和滚珠螺旋。滑动螺旋的特点：①结构简单，加工方便；②易于实现逆行程自锁，工作安全可靠；③摩擦阻力大，传动效率低；④容易磨损，轴向刚度较差。滚动螺旋的特点：①摩擦阻力小，传动效率高；②磨损小、寿命长、工作可靠性好；③具有运动的可逆性，应设防逆动装置；④轴向刚度较高，抗冲击性能较差；⑤结构复杂，加工制造较难；⑥预紧后得到很高的定位精度（约达5um/300㎜）和重复定位精度（可达1~2um）。本设计是细小精密机械，要求效率和精度相对来说较高，因此选用滚动螺旋较佳，先考虑用滚珠丝杆副传动。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。为保证工作台可靠稳定的运行和要求的精度，丝杠应满足以下条件图3-5丝杆机构1.具有足够的刚度，力变形要小。仪器和工件的重量及支撑的自重会引起的变形，被测件的质量的改变会引起载荷力的变形。2.稳定性好，内应力变形小。由于材料的内应力会造成丝杠的缓慢的变形。选择材料时一定要进行时效处理，消除内应力，减小力变形，提高精度。3.热变形要小，对于尺寸较大，精度要求较高的仪器，热变形是造成误差的一个重要因素。如对于较长的丝杠来说，温度变形会引起凸凹的变形。4.有良好的抗震性。在精密和超紧密的测量中，震动的测量不可忽略的，它不仅造成整机的晃动还可能造成零件与部件之间相互位置变动或者产生弯曲与扭曲，从而对仪器精度产生影响。在满足感性的要求情况下，尽量减轻重量，提高固有频率，防止共振；合理的进行结构设计，如合理的选择截面形状和尺寸，提高固有频率，避免产生共振；采用减震或隔振设计，如弹簧隔振、橡胶隔振、气垫隔振等。3.3.2滚珠丝杠计算1.最大动载荷的计算（3-2）查机械手册有，取载荷系数.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数，寿命值：，其中丝杠转速(r/min)设工作台在承受最大力时的最快进给速度:v=2000mm/min，初选丝杠导程:Ph=4mm，则此时丝杠转速:n=v/Ph=500r/min。

取滚珠丝杠的使用寿命：T=15000h，代入L=450得丝杠寿命系数:L=450最大工作载荷计算：（3-3）其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003-005，Fx=(0.1-0.6)Fz，可取Fx=0.5Fz，f=0.005,=20N；=1.150.520+0.005(20+21.1)=11.71N所以最大动载荷为：==111.53N根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为:14-04T4-FSIC其基本参数为：表3-4丝杠参数型号dIDaDABLWHXYZQnCaC0aKSFK0100410422646103436284.584.5M6346880517其中：d为导程，Da为珠径；K为刚性，Ca为动额定载荷，C0a为静额定载荷。其额定动载荷为4586N>足够用。2.传动效率计算公称直径：=10mm，导程：Ph=4mm，螺旋升角λ=

将摩擦角φ=，代入η=tanλ/tan(λ+φ)（3-4）

得传动效率：η=94.8%3.稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。4.刚度验算丝杠的两端各采用一对深沟球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为：a=300mm；钢的弹性模量：，丝杆底径为d=8.3mm滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)（3-5）F=11.71，，S=1.02=0.223cm丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差Δ为=5.57cmE级精度丝杠允许的螺距误差[Δ]=15μm/m，所以刚度符合要求。3.4电机选择3.4.1电机类型在日常生活中常用的电机有三相异步电机、直流电机和微特电机。其中微特电机包括小功率异步电机、伺服电机、步进电机、自角电机等。三相异步电机具有效率水平较高，起动性能较好，噪声低振动小，防护性能较好，运行可靠使用寿命长，外形美观大方，所以三相异步电机常用于工业上控制。但在控制小功率的系统中，我们常用直流电动机或步进电机，它们具有不同的特点。直流电机——直流电机加上适当减速比的减速器，那么直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单，直流电机只需要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电源电压的大小就可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放大器。常用的驱动方式是pwm方式，即采用单片机产生具有一定脉宽的pwm信号然后通过驱动放大电路从而来控制电机转速，这种方法性能较好，电路和控制都比较简单。步进电机——步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，所以可以实现精确的位置控制。它与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定。而且其电机的转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关。但步进电机的驱动电路相对较复杂，必须要由控制器和功率放大器组成。直流电机和步进电机的区别如下表3-5电机控制方式对比直流电机步进电机调速性能较好较差位置控制精度较差好驱动简单复杂稳定性较好好，仅与控制脉冲有关由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机能进行精确的位置控制，但驱动电路麻烦。本设计中要用到三个电机，它们分别是工作台部分传动的电机，夹具机构中带动凸轮上下运动的电机和出料机构中带动机械手运动的电机它们要求电机的特点有有所不同，下面就进行选择。3.4.2工作台电机选择任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等；同时直流电机的位置控制精度比较差，达不到理想的控制效果，从而无法实现对零件进行精密定位。所以综合电动机的特性可以得到，本设计中的工作台可以选用步进电动机，就可以达到控制的效果。转动惯量折算对于轴、轴承、联轴器、丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式，当钢材材料密度为时，有其中：D为圆柱体直径，L为圆柱体长度。（1）根据滚珠丝杠惯量折算到电机轴上为：，为丝杠与电机轴之间的总传动比。根据滚珠丝杠的公称直径d=10mm，其长度L=300mm，i=1。则=0.0234（2）工作台等效转动惯量折算工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进：（3-6）其中：为丝杠导程，为工作台总质量，则其等效工作台转动惯量：=0.081（3-7）所以折算到电动机上的转矩为：J=++（3-8）电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：J=0.10442）步进电机的选用计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq电动机转轴所承受的负载转矩Teq（3-9）式中：Tamax——快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，N.mTf——移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，N.mT0——滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，N.m因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对Tamax和Tf很小，T0可以忽略不计；则有：（3-10）（3-11）式中：J——步进电动机转轴上的总转动惯量，kg.m2ε——电动机转轴的角加速度，rad/s2nm——电动机转速，r/minta——电动机加速所用时间，s,一般在0.3～1s之间选取。(这里取0.4s)η——齿轮组总效率，取η=0.9式中：Vmax——空载最快移动速度，取2000mm/min;α——步进电机步距角，预选电动机为1.5°δ——脉冲当量，取0.01mm/脉冲由式2-10得（3-12）移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：式中F摩——导轨的摩擦力，NPh——滚珠丝杠导程，mη——总效率，取η=0.95i——总的传动比，i=nm/ns，其中nm为电动机转速，ns为丝杠的转速，这里为i=1；μ——导轨摩擦因数（滑动导轨取0.15~0.18）,滚动导轨取0.003～0.005）；这里取0.005Fz——垂直方向的工作载荷，取Fz=20N=0.0043Nm（3-13）考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：（3-14）步进电机的最高工作频率（3-15）为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择45BF003型三相反应式步进电机。其参数为：表3-6步进电机1参数型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式45BF00331.56020.1963700120003相6拍外形尺寸(mm)重量kg0.38外直径长度82453.4.3出料机构电机选择在这个机构中，电机的主要任务是带动小机械手中小齿轮的转动，从而小齿轮在外啮合的条件下带动另一个小齿轮转动，使得于两小齿轮成为一体的连杆一起运动，最终实现小机械手的运动，达到夹取小螺钉，从而实现把小螺钉从工作台上取下来。在分析这机构运动可以得到，夹取小螺钉的机械手是一个比较精密的运动，在每一次循环中小齿轮都是转过一个很小的角度。由步进电机的工作原理——当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，所以可以实现精确的位置控制。所以在这里选用步进电机来控制机械手是合适的。由于机械手是小型的，整体加起来初步估算不超过0.5kg，并且机械手夹取螺钉的力也很小。所以总的加起来该机构需要的转矩不大，比上面工作台运动需要的转矩的要小得多，所以可以选择与工作台的电机要小一点的同类型的电机，那么查机械手册可得到，出料机构电机型号为：36BF003表3-7步进电机2参数型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式45BF00331.5271.50.07831003相6拍外形尺寸(mm)重量kg＜0.22外直径长度43363.4.5夹具机构的电机选择由上面夹具机构方案选择中可以知道，夹具的材料为聚碳酸酯PC，它的密度大概是玻璃的密度的一半，而玻璃密度为QUOTE=2.5g/QUOTE，那么可得到聚碳酸酯PC密度为QUOTE=1.25g/QUOTE，由于夹具机构也尺寸也很小，那么初步估算它是不会超过200g，又因为J=rQUOTE知道，凸轮的转动惯量将很小，同时由该机构只要完成上下运动，压板压紧螺钉即可，从而知道该机构中对位置的精度要求不是很高，比较表4的内容可知道可选择直流电机。为了减小机构的外形，使得整个系统结构更简单而又实现功能，可以选择直流减速电机，那么就可以省去减速箱部分，使得整个机构更加简单。因为直流减速电机具有高精度、低噪音、长寿命、体积小、重量轻、力矩大、控制能力强、结构紧凑、运行可靠等优点，完全可替代同型号的高品质的进品产品，广泛应用于办公自动化、家庭自动化、生产自动化、医疗器械、金融机械、游戏机等领域，如：自动开窗机、银行ATM机、自动点钞机、纸币分捡机、自动售货机、自动麻将机等各种自动机器。所以夹具机构可选择直流减速电机，产品型号:JGA25-370。表3-8直流减速电机参数电压空载NoLoad负载LoadTorque堵转Stall减速器Reducer重量额定转速电流转速电流扭矩功率扭矩电流减速比尺寸WeightRatedSpeedCurrentSpeedCurrentTorqueOutputTorqueCurrentRatioSize单位Volt.Vrpmmarpmmakg.cmWkg.cmma1:00mm约g125050402404.78418120017125913.5联轴器的选用（1）联轴器类型选择联轴器可分为：刚性联轴器和挠性联轴器刚性联轴器常用的有：凸缘联轴器（最常用）、套筒式联轴器夹壳式联轴器凸缘联轴器特点及应用：结构简单，成本低，无补偿性能，不能缓冲减振，对两轴安装精度要求较高，用于振动很小的工况条件，联接中、高速和刚性不大的且要求对中性较高的两轴。挠性联轴器常用的有：鼓形齿式联轴器、滚子链联轴器、十字轴式万向联轴器和轮胎式联轴器。特点及应用：工作可靠、承载能力大，具有少量补偿性能。与其他类型联轴器相比较，尺寸相同时传递转矩最大。但是构造复杂、制造困难、有噪声、成本高、不能减振。经济型梅花联轴器具有重量轻，低惯性动量，结构简单，安装容易，经济实惠具有铸铝和铸铁两种材料，中间体有弹性丁晴橡胶聚荌脂等多种选择，应用范围及其广泛等特点。它多用在微型的系统中，如各种精密仪器、机械等。在本设计中考虑的整个系统都是小型并且受力不大，所以可以选择LK20系列（经济型）夹紧螺丝固定型梅花联轴器，它的型号为：LK20-C25夹紧螺丝固定型梅花联轴器，它的型号为：LK20-C25图3-6联轴器（2）载荷计算由上面计算电动机中的转矩有公称转矩T0.0043Nm，取工况系数为=1.3有：0.00431.3=0.006Nm因为LK20系列（经济型）夹紧螺丝固定型梅花联轴器公称转矩：2.2~860（N.m）许用转速：3400~19000r/min，所以选择LK20-C25夹紧螺丝固定型梅花联轴器符合要求。3.6轴承选择现代机械中广泛使用滚动轴承作为支承件，工作时依靠主要组成元件间的滚动来支承转动零件。滚动轴承具有摩擦阻力小、效率高、启动灵活、轴向尺寸小、安装和维修方便，价格较便宜等优点，比滑动轴承应用更广泛。其缺点是承受冲击载荷能力较差，高速重载荷下轴承寿命较低，振动及噪声较大，径向尺寸比滑动轴承大。滚动轴承己经标准化，常用规格的滚动轴承由专业工厂大量生产，在机械设计中可根据工作条件选用合适的滚动轴承类型型号进行组合结构设计。在我们日常中常用的轴承有深沟球轴承、调心球轴承、推力球轴承、推力圆柱滚子轴承，它们的性能与它们各自的结构有关，在不同的受力下表现出不同的性能，它们的特点为表3-9所示：表3-9各类滚动轴承性能和价格比较轴承类型径向承载轴向承载高速性调心性调隙性价格比单向双向深沟球轴承良差良中中1调心球轴承中中中优差1.8推力球轴承无优无差无无1.1推力圆柱滚子轴承无优无差无无差依据上面的表及上节中计算的丝杆所受的最大动载荷及电动机的受到的转矩，可得到该系统受到的力很小，因此可得到轴承要受到的轴向力和径向力都较小。由于深沟球轴承比较经济，大量生产，价格最低，并且由于滚动丝杆既要承受一定量径向载荷，又能少量承受轴向载荷；查《机械零件设计手册》，并依据丝杆的公称直径d=10mm,因此可选比10mm稍小的内径为8mm的特轻系列的深沟球轴承，其代号为：608表3-10轴承608参数型号dDDBDD2Rsmind2zDw608822718.20.311.894.483.7机械手设计工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构型式亦各不相同，技术复杂程度也有很大差。但是它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能，一般都能按预定程序自动地、重复循环地进行工作。此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。机械手在工业生产中的应间，几乎遍及各行各业，尤其是在制造加工业中和现代化检测技术中，机械手已经起到了不可估量的作用。主要应用于（1）配合单机实现自动化生产上出现的许多高效专用加工设备(如各种专用机床等)，如果工件的装卸等辅助作业，继续用人工操作，不仅会增加工人劳动强度同时亦不能允外发挥专用设备的效能，必然合影响劳动生产率的提高、若采用机械手代替人工上、下料，则可改变上述不相适应的情况，实现单机白动化生产。（2）组成自动生产线在单机自动化的基础上，若采用机械手自动装卸和输送零部件可使一些单机连接成自动生产线。（3）高温作业自动化在高温环境下作业(如热处理、铸造和锻造等)，工人的劳动强度大并且劳动条件差，采用机械手操作，更具有现实意义。（4）操作工具用机械手握持工具，在高温、粉尘及有害气体环境下进行自动化操做可以使人脱离恶劣的劳动条件并减轻劳动强度，从而提高劳动生产率和保证产品质量（5）进行特殊作业在现代科学技术中，原子能的应用，海底资源的开发，星际探索等等都已为人们所熟悉。但放射性辐射，或海底、宇宙等环境常常是人体不能直接接触或难以接近的，采用遥控机械手代替人们进行这种作业，既能完成这些特殊作业又能长时间地安全地进行工作，成为人类向新的自然领域进军的一种有效手段。针对机械手的作用，和本设计对螺钉进行下料的要求，在这里采用机械手来进行出料是很有必要的。因为如果采用一般的方法，是很难从夹具底部的孔中把螺钉给取出来的，或者说可以实现，但它的机构必定会尤其而变得很复杂，在实际工程中很难得到使用，所以这里采用机械手作为初料机构。在设计机械手中，依据系统要求实现的动作，明显知道机械手必须能实现的动作为：夹取——释放——夹取——这样连续的动作，为了使机械手的动作对系统其它的动作不产生影响和整个系统的循环性，那么机械手的动作实际应该要能做到：向下运动是夹取螺钉，然后向上运动时才释放螺钉。结合连杆机构、齿轮传动、机构的自由度的知识，可以初步设计机械手的草图为图3-7图3-7机械手草图设计步骤为：（1）由机构的大小特性，先初步假设齿轮为模数为1、齿数为20，齿轮杆a为33mm，约束杆b为30mm，假设两a、b两杆在与竖直线成QUOTE时两杆d是合并夹取螺钉的，那么利用软件solidworks中的绘制草图命令就基本上得到图3-7的关系；（2）在得到图3-7的草图关系后，在厉害软件中的智能尺寸就很容易得到连杆c和爪d的基本尺寸，以及它们之间的关系；（3）时间上图3-7就是机械手的一个缩小、简化的小模型，从这个小缩略图中我们可以基本上机械手的实际模型的轮廓；（4）在上面的基础上，利用三维软件solidworks和已经初步知道的关系进行初步建模，得到实际的模型Q；（5）由于在建模中是利用图3-7的平面图，它与实际的模型在尺寸相比是被放大的，如在图3.7中的线会被扩大为一个如长方体一样的小板块连杆b；所以实际得到的模型Q并不一定就是在QUOTE时就刚好就是夹取螺钉的位置，那么这时可以再得到的模型Q进行反向修改，直到它们在一个合适的角度相贴合也夹取螺钉为止；（6）这样经过反复的修改即可得到机械手的实际模型为图3-8。图3-8机械手模型4控制系统分析检测工作台精密定位控制系统硬件主要包括单片机、传动驱动、传感器、人机交互界面。在设计硬件系统时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。4.1单片机选择（1）随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片也很多，如目前应用最广的8位单片机AT89S51，价格低廉，而性能优良，功能强大。因此硬件单片机选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。(2)单片机要实现的功能在本设计中，用到了三个电动机，它们分别是工作台的步进电机、夹具机构的直流减速电机、出料机构的步进电机。单片机在控制直流电机和步进电机中，它们所要考虑的因素是有所区别的。单片机控制步进电机要素控制步进电动机的转动需要三个要素：转角﹑方向和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法来实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率（为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。②单片机控制直流电机要素直流电机的控制非常简单，当直流电机通电时，电动机就会转动起来，当给电机反向通电时，电机就反转。直流电机转动的快慢直接于加在它两端的电压有关，如两端的电压高，那么电机的转速就会大，反之，则转速小。对于直流电动机的转速控制可以有很多种方法，可以使用晶闸管调整导通角从而调整输出来电压来调整直流电动机的转速，也可以通过D/A输出不同的电压来控制直流电动机的转速，目前在实际应中用的比较多的是PWM（脉冲宽度调制）.PWM利用脉冲冲量等效原理，通过一系列周期相等但宽度可以调节的脉冲来等效理想的电压波形，例如一个恒为3V的电压波形可以用幅值为5V的PWM脉冲序列等效。图4-1单片机外部接口示意图AT89S51要完成的任务：（1）将行程开关、光电开关的状态读入CPU，通过信息处理从而控制电机的运转。（2）通过程序实时控制电机运行。（3）接受键盘中断指令，并响应指令，对电机实行控制，实现人机交互作用。（4）P1.0-P1.5控制两个步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。（5）P1.6口控制直流减速电机的运动。（6）P3.2和P3.3两个中断源，它读入人机界面读入的信息并触发中断（7）P0.0-P0.2口读取两个行程开关和光电开关的信息，并发生中断。P1.0-P1.2P0.0P1.3-P1.5P0.