基于單片機控制的工業(yè)機械手控制系統(tǒng)課程設計

1、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1機械手的概述</b></p><p>　　1.1.1機械手的簡介</p><p>　　機械手是模仿著人手的部分動作，按照給定程序、軌跡和要求能實現(xiàn)自動抓取、搬運的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手叫做“工業(yè)機械手”。在實際生產中，應用

2、機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率，可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。隨著生產的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機械加工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等領域得到了越來越廣泛的應用。</p><p>　　國內外對機器人及機械手所作的定義不盡相同

3、。國際標準化組織對機器人的定義:機器人是一種能自動定位、可控的可編程的多功能操作機。這類操作機具有幾個軸在可編程序操作下，能處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務。</p><p>　　美國國家標準(NBS)對機器人的定義:“一種可編程，并在自動化控制下執(zhí)行某種特定操作和移動作業(yè)任務的機械裝置?！比毡竟I(yè)機器人協(xié)會對工業(yè)機器人的定義:“一種裝備有記憶裝置和最終執(zhí)行裝置，能夠完成各種移動來代替人類勞動的

4、通用機器。”它又分為以下兩種情況來定義:(1)工業(yè)機器人:“一種能執(zhí)行與人的上肢類似動作的多功能機器?！?2)智能機器人:“一種具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機器?！?lt;/p><p>　　機械手由執(zhí)行機構、驅動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如下圖所示。</p><p>　　1.1.2機械手的類型</p><p>　　機械手一般分為三類。第一類是不需要人

5、工操作的通用機械手，它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號操作機械手來進行探測月球、火星等。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mech

6、anical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。</p><p>　　第二章 機械手總體方案的設計</p><p>　　2.1機械手的基本結構</p><p>　　機械手是一個水平、垂直運動的機械設備，用來將工件由左工作臺搬到右工作臺。有上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制。簡易機械手在各類全

7、自動和半自動生產線上應用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動，替代人工作業(yè)，實現(xiàn)生產自動化。本設計中的機械手采用上下升降加平面轉動式結構，機械手的動作由氣動缸驅動，氣動缸由相應的電磁閥來控制，電磁閥由單片機控制驅動執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產線中。圖2-1為機械手簡圖,其中SQ1-上限開關，SQ2-左限，SQ3-下限開關，SQ4-光電開關，SQ5-夾緊，SQ6-右限。</p><p&g

8、t;　　圖2-1 機械手簡圖</p><p>　　這個機械手具有二個直線運動和一個旋轉運動自由度用于將源工作臺上的物品搬到其左側或右側目的工作臺上。機械手的直線動作由氣缸驅動，氣缸由電磁閥控制，整個機械手在工作中能實現(xiàn)上升/下降、左傳/右轉、夾緊/放松功能，是目前較為簡單的、應用比較廣泛的一種機械手。其升降運動通過升降氣缸、垂直導柱、滑動導柱、垂直導軌及升降位置微動開關相互配合完成，升降工作行程為0～100mm、

9、轉動是通過旋轉氣缸實現(xiàn)、轉動工作行程為0～90°；手爪是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調節(jié)彈簧的預壓縮調整。 </p><p>　　機械手的基本結構由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。采集感知信號及控制信號均由氣動缸驅動。主機部分采用了標準型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機械手能拓展成系列化、標準化的產品。</p><p>　　圖2-1中工件所處位

10、置為原點位置，根據(jù)要求：機械手初始位置在原點位置，每次循環(huán)動作都從原點位置開始，完成上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制，并能實現(xiàn)手動操作和自動操作方式。當機械手在原點位置下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，左傳送帶運轉。當光電開關檢測到物品后，左傳送帶停止運行。根據(jù)分析可得出機械手的工作流程圖，如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 機械手工作流程圖</p><p>　　根

11、據(jù)以上分析，機械構造方案基本固定。整個機械手一共用到三個氣缸，單片機需要控制每個氣缸的動作：橫梁長氣缸的內外調，執(zhí)行氣爪的夾持與放松、豎導桿氣缸的升降、各氣缸的定位控制和旋轉軸的定位控制，另外兩個是工件計數(shù)和故障報警。</p><p>　　2.2機械手的控制要求</p><p>　　機械手的操作方式分為手動操作和自動操作，自動操作又分為單周期操作和連續(xù)操作方式。手動操作是指用按鈕對機械手的

12、每一步運動單獨進行控制；單周期操作指機械手從原點開始，按啟動按鈕，機械手自動完成1個周期的動作后停止；連續(xù)操作指機械手從原點開始，按啟動按鈕，機械手的動作將自動地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成1個周期的動作后，回到原點自動停止。</p><p>　　（1）機械手的自動運行：</p><p>　?、?下降：當機械手檢測到傳送帶A上有工件時，有原點位置開始下降，

13、下降到位時，碰到下極限開關，機械手停止下降，同時接通加緊電磁閥線圈。</p><p>　　② 加緊工件：當機械手加緊到位時，壓力繼電器動合觸電閉合，接通上升電磁閥線圈。</p><p>　?、?上升：當機械手夾緊到位時，機械手開始上升，上升到位時，碰到上極限開關，機械手停止上升，同時接通右移電磁閥線圈。</p><p>　　④ 右移：當機械手上升到位時，機械手開始右

14、移，右移到位時，碰到有極限開關，機械手停止右移，同時接通下降電磁閥線圈。</p><p>　?、?下降：當機械手右移到位時，機械手重新開始下降，下降到位時，碰到下極限開關，機械手停止下降，同時釋放加緊電磁閥線圈。</p><p>　　⑥ 放松工件：放松動作為時間控制，設為2秒。</p><p>　?、?上升：工件放松后，機械手開始上升，上升到位時，碰到上極限開關，機

15、械手停止上升，同時接通左移電磁閥線圈。</p><p>　?、?左移：機械手上升到位后，開始左移，左移到位時，碰到左極限開關，機械手停止左移。</p><p>　?、?回到原位：機械手左移到位后，回到原點位置，再次自動啟動傳送帶A，當光電開關檢測到工件后，又開始新的工作循環(huán)周期。</p><p><b>　　機械手的手動運行</b></p

16、><p>　　（2）手動運行是指機械手的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過對應的手動操作按鈕控制，與操作順序無關。</p><p>　　單片機模塊選擇：電源模塊，CPU模塊，輸入模塊，輸出模塊。其中輸入和輸出模塊都選用數(shù)字量的類型，輸入量較多，選擇32路模塊，輸出量較少選擇16路的模塊。</p><p>　　2.3 機械手的控制方案設計</p><

17、p>　　考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可單片機對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變單片機程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。</p><p>　　2.4 機械手的手部結構</p><p>　　為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。本文設計的是抓握直徑為ø

18、5~ ø20的零件。按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。手臂的伸縮、升降運動由伸縮氣缸來實現(xiàn)，回轉由回轉氣缸實現(xiàn)。</p><p>　　第三章 機械手硬件電路設計</p><p>　　根據(jù)任務要求，機械手系統(tǒng)電路設計可主要分為三個模塊：單

19、片機主控模塊、矩陣按鍵模塊、串口通訊模塊。圖3-1為硬件電路設計方框圖。圖3-2 單片機整體模塊設計原理圖。</p><p>　　圖3-1硬件電路設計方框圖</p><p>　　圖3-2 單片機整體模塊設計原理圖</p><p><b>　　3.1 單片機模塊</b></p><p>　　3.1.1 單片機方案選擇<

20、;/p><p>　　單片機體積小巧，內部包括中央處理器，數(shù)據(jù)存儲器，程序存儲器及輸入輸出設備。對于需要靈活機動，精度要求不高，有可擴展性及程序可擦寫和簡單成熟的編程平臺等要求，單片機不失為最合適的選擇。現(xiàn)有兩種單片機AT89S51和AVR可供選擇。 </p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　采用常見的 89S51作為米粉

21、機點餐系統(tǒng)的控制核心。傳統(tǒng)的51 單片機具有價格低廉，輸入輸出接口多，使用簡單等特點，容易開發(fā)。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　采用AVR單片機，AVR單片機在一個芯片內將增強性能的RISC 8位CPU與可下載的FLASH相結合使其成為適合于許多要求。具有高度靈活性的嵌入式高效微控制器。</p><p>　　

22、從機械手的功能實現(xiàn)來說，單片機主要能夠多路模擬輸出精確的PWM功能上，實現(xiàn)上位機串口通訊，S51單片機與AVR單片機相比，AVR單片機擁有內置多路的PWM輸出而且AVR單片機具有更好的穩(wěn)定性和程序處理效率，實現(xiàn)起來也比較方便，因此采用方案二的AVR單片機。</p><p>　　3.1.2單片機主控電路設計</p><p>　　ATmega64是基于增強的AVR RISC機構的低功耗8位CM

23、OS微控制器。由于其先進的指令執(zhí)行時間，ATmega64的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。</p><p>　　主控電路的設計是以ATmega64單片機和RS232通信模塊為核心，外接矩陣按鍵模塊和電源等硬件電路。ATmega64單片機工作在8MHZ的頻率下，采用+5V的直流電源供電。圖3-3為單片機最小系統(tǒng)設計圖。</p><p>　　圖3-

24、3 ATmega64處理器</p><p>　　在單片機系統(tǒng)模塊中，還包括有外部晶振電路、復位電路。</p><p>　　3.1.3AVR晶振電路的設計</p><p>　　與傳統(tǒng)的51單片機相比，AVR單片機內置RC振蕩電路。出廠時，未進行時鐘源設置的AVR，其時鐘源使用的是內部RC振蕩，一般情況使用的是1M頻率。</p><p>　　通過

25、對熔絲位的設置，可以設置MCU的內部RC振蕩頻率。例如：4M、8M等。</p><p>　　不過，內置RC振蕩，在一致性方面存在差異，它因生產的批次有所差異，亦與溫度等因素有較大的相關性。所以，在一些對時鐘要求較高的場合，如：精確定時，RS232通信等，這些場合，建議使用外部的晶振線路。圖3-4為外部晶振電路：</p><p><b>　　圖3-4晶振電路</b>&l

26、t;/p><p>　　3.1.4AVR復位電路的設計</p><p>　　AVR單片機內置復位電路，并且在熔絲位里，可以控制復位時間，所以，AVR單片機可以不設外部上電復位電路，依然可以正常復位，穩(wěn)定工作。 </p><p>　　若是系統(tǒng)需要設置按鍵復位電路，那么注意，AVR單片機是低電平復位，圖3-5為設計的按鍵復位電路： </p><p>　

27、　圖3-5復位電路 </p><p>　　3.2 矩陣按鍵模塊</p><p>　　單片機通過動態(tài)掃描識別矩陣按鍵，可大大減少單片機IO口的使用。使用按鍵時注意由於這種按鍵是機械式的開關，當按鍵被按下時，鍵會震動一小段時間才穩(wěn)定，為了避免讓8051誤判為多次輸入同一按鍵，我們必須在偵測到有

28、按鍵被按下，就延遲一小段時間，使鍵盤跳過抖動狀態(tài)以達穩(wěn)定狀態(tài)，再去判讀所按下的鍵，就可以讓鍵盤的輸入穩(wěn)定。圖3-6為矩陣按鍵電路圖：</p><p><b>　　圖3-6矩陣按鍵</b></p><p><b>　　圖3-7矩陣鍵盤</b></p><p><b>　　3.3串口通信模塊</b><

29、;/p><p>　　RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）正式公布的，在異步串行通信中應用最廣泛的標準總線。它規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程?，F(xiàn)在，計算機上的串行通信端口（RS-232）是標準配置端口，已經得到廣泛應用。圖3-7為串口通信模塊，</p><p>　　圖3-8 RS232串口通信</p><p>　　第四章 單片機總程序設計<

30、/p><p>　　根據(jù)設計的的要求，進行AVR單片機C語言編程，編程思路方框圖如圖4-1。</p><p>　　圖4-1單片機程序框圖</p><p><b>　　第五章 系統(tǒng)調試</b></p><p>　　在硬件和軟件都完成后，需要對硬件和軟件分別調試。只有當硬件中的各個模塊工作測試穩(wěn)定好后，才能進行系統(tǒng)總體調試。這里將

31、調試的過程及在調試的過程中所遇到的問題提出來進行討論，以便能夠進一步的掌握設計工作的要領，積累經驗。</p><p>　　經過一個多星期的調試，作品正式完成，它能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)畢設要求功能。</p><p><b>　　作品參數(shù)：</b></p><p><b>　　臂長為40cm；</b></p><p

32、>　　機體質量：1.5Kg；</p><p>　　額定工作電壓：5V；</p><p>　　最大抓起質量：300g</p><p><b>　　第六章 總結</b></p><p>　　機械手控制系統(tǒng)經過一段時間的制作，在要求的時間內把整個大系統(tǒng)制作完成，它能夠按照任務書中的要求穩(wěn)定地實現(xiàn)各個功能。在整個設計過程中

33、，無論是對于系統(tǒng)的機械部分還是電路部分，都通過了各種方案優(yōu)缺點比較從而確定最終采用方案，整個設計思路清晰。在機械方面：主要由有機玻璃制作系統(tǒng)框架，用螺釘及熱熔膠固定，盡量用簡單易實現(xiàn)的機械結構，來完成設計要求。</p><p>　　樣機調試中出現(xiàn)了很多問題，例如定時中斷的時間過短，兩PWM信號發(fā)送的延遲時間過長，機械臂軸心不在一條線上等問題。但根據(jù)翻閱書籍和上網(wǎng)收索及設計理論分析，反復檢查程序，才發(fā)串口無法通信，

34、現(xiàn)一些存在的問題使得系統(tǒng)不能正常運行。</p><p>　　通過本次畢業(yè)設計，我對以前所學的理論知識有了更進一步的了解，同時能更加合理的查閱及利用資料，為達到課題要求而對在大學期間所學習的課程進行了全面、綜合的鞏固和加深。</p><p>　　這次畢業(yè)設計不同與以往任何一次課程設計，它耗時更長，獨立性更高，要求更加嚴格細致。它不僅要求我們能充分利用在校期間所學的課程的專業(yè)知識，同時也要求我

35、們有良好的理解力、掌握力和實際運用的靈活度。在設計過程中給我印象最深的是作為一名設計人員，面對一項設計任務時，不僅要能夠熟練的運用相關專業(yè)知識，同時還要考慮到在實際應用中所面對的場地、環(huán)境、資金和實際加工等一系列問題。</p><p>　　通過這次畢設，大大提高了自己獨立查閱科技資料的能力、動手能力以及分析問題能力，并體會到科技制作的樂趣。</p><p><b>　　謝 辭&

36、lt;/b></p><p>　　在山東理工大學電氣與電子工程學院已學習三年，回首既往，自己一生最寶貴的時光能于這樣的校園之中，能在眾多學富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實是榮幸之極。</p><p>　　感謝山東理工大學電氣與電子工程學院對我的培養(yǎng)，是學校的培養(yǎng)讓我學到了專業(yè)的科學文化知識，同時也提升了我的多方面的能力，塑造了我的人格，使我在未來的人生道路上能夠更加信心百倍的

37、走下去。百年鄭安，春風化雨，教我育我，永不能忘。</p><p>　　本設計是在孫凱老師的親切關懷和悉心指導下完成的。在此衷心感謝孫凱老師對我在學習上的指導和幫助。孫凱老師淵博的知識、敏銳的洞察力、嚴謹求實的工作作風和治學精神都給我留下了深刻的印象，值此設計完成之際，謹向恩師致以衷心的感謝和崇高的敬意。</p><p>　　在本次設計中，遇到問題時，指導老師有問必答，給我們耐心講解，悉心指

38、導，同時也和我們一起討論，解決了很多實際問題。設計期間，劉飛同學、李杰同學在學習上給了本人很多幫助，在此一并感謝。</p><p>　　通過此次的論文，我學到了很多知識，跨越了傳統(tǒng)方式下的教與學的體制束縛，在論文的寫作過程中，通過查資料和搜集有關的文獻，培養(yǎng)了自學能力和動手能力。并且由原先的被動的接受知識轉換為主動的尋求知識，這可以說是學習方法上的一個很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學習模式下，我們可能會記住很多的書本

39、知識，但是通過畢業(yè)論文，我們學會了如何將學到的知識轉化為自己的東西，學會了怎么更好的處理知識和實踐相結合的問題。</p><p>　　在此，祝老師們，以及所有關心我的人和我所關心的人身體健康，工作順利，心情愉快，幸福平安！</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　PCB圖和原理圖</b><

40、;/p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1．蔣輝平, 周國雄，單片機原理與應用設計，北京：航空航天大學出版社，2007。</p><p>　　2．吳振順，氣動傳動與控制，哈爾濱：:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995。</p><p>　　3．方華, 許江淳，單片機原理及應用：嵌入式，重慶：重慶大學出版社

41、，2009。</p><p>　　4. 蔣新松. 機器人與工業(yè)自動化[M] . 石家莊: 河北教育出版社,2003.</p><p>　　5. 王耀南. 機器人智能控制工程[M] . 北京:科學出版社,2004.</p><p>　　6. 倪星元,等. 傳感器敏感功能材料及應用[M] . 北京:化學工業(yè)出版社,2005.</p><p>　　

42、7. 雨宮好文. 傳感器入門[M] . 北京:科學出版社,2000.</p><p><b>　　摘 要</b></p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造

43、和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。</p><p>　　機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加

44、快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的。 </p><p>　　機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。</p><p>　　機械

45、手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Manipulator hand

46、and arm can imitate the certain movements function, according to fixed program to grab, transporting or operating tool for automatic operation of the device. It can replace the hard labor in order to realize people the m

47、echanization of manufacturing and automation, can in harmful environment operation to protect the personal safety and so widely used. </p><p>　　The type of manipulator, according to drive mode can be divided

48、 into hydraulic, pneumatic, electric and mechanical manipulator; According to applicable range can be divided into robots for and general manipulator two; According to the trajectory control mode can be divided into posi

49、tion control and continuous track control robots. </p><p>　　The design of the manipulator and add plane rotation type and structure, the action of the manipulator by pneumatic cylinder driving, pneumatic cyl

50、inder of the corresponding electromagnetic valve to control, electromagnetic valve controlled by MCU. Drive the implementation of the component finish, can very convenient embedded in all kinds of industrial production l

51、ine. Manipulator used MCU control, and has high reliability, change program flexible, and other advantages, whether for time control </p><p>　　Keywords: manipulator electromagnetic valve MCU </p>&l

52、t;p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 緒論···························

53、;····································

54、83;1</p><p>　　1.1機械手的概述······························

55、3;·······························1</p><p>　　第二章 機械手總

56、體方案的設計···································

57、3;··········3</p><p>　　2.1機械手的基本結構····················

58、83;····································&

59、#183;3</p><p>　　2.2機械手的控制要求······························

60、····························4</p><p>　　2.3機械手的控制方案設計··

61、83;····································&

62、#183;··············5</p><p>　　2.4機械手的手部結構················

63、····································

64、3;·····5</p><p>　　第三章 機械手硬件電路設計·························&

65、#183;······················6</p><p>　　3.1單片機模塊········

66、83;····································&

67、#183;·················6</p><p>　　3.2矩陣按鍵模塊·············&

68、#183;····································

69、;············9</p><p>　　3.3串口通信模塊···················

70、····································

71、3;·····10</p><p>　　第四章 單片機總程序設計·························&

72、#183;························11</p><p>　　第五章 系統(tǒng)調試······&#

73、183;····································

74、················11</p><p>　　第六章 總結···············

75、83;····································&

76、#183;··········12</p><p>　　謝辭·····················&#

77、183;····································

78、·············13</p><p>　　附錄···················&

79、#183;····································

80、;···············14</p><p>　　參考文獻················

81、3;····································&#