基于单片机控制的工业机械手控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于单片机控制的工业机械手控制系统设计毕业设计论文
基于单片机控制的工业机械手控制系统设计
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。
本设计以AT89C51单片机为核心，采用LMD18200电机控制芯片达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了筛选机械手基本要求和发挥部分的要求。
在筛选机械手设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
【关键词】：
筛选机械手，AT89C51单片机，LMD18200电机控制芯片，PWM
技术，电机控制。
Abstract
Themanipulatortechnologyinvolvestotheelectron,mechanics,theautomaticcontroltechnology,thesensortechnologyandthecomputertechnologyandsoonscientificfield,isaninterdisciplinarycomprehensivetechnology.Alongwiththeindustrialautomationneedtodevelop,themanipulatorisgettingmoreandmoreimportantintheindustrialapplication.Thearticlemainlynarratedmanipulator'sdesignprocess,inthearticleintroducedmanipulator'sdesigntheoryandthemethod.
Thisdesigntakeat89C51monolithicintegratedcircuitasacore,usestheLMD18200motor
controlchiptoachievethecontroldirectcurrentmachinetoopenstops,thespeedandthedirection,completedhasscreenedthemanipulatoressentialrequirementsandthedisplaypartrequest.Inscreensthemanipulatortodesign,usedthePWMtechnologytocarryonthecontroltotheelectricalmachinery,throughthecomputationachievedtheprecisevelocitymodulationtothedutyfactorthegoal.
【Keywords】Screeningmanipulator,AT89C51monolithicintegratedcircuit,LMD18200,motorcontrolchip,PWMtechnology,motorcontrol.
第一章绪论…………………………………………………………………………………1
1.1机械手的概述………………………………………………………………………………1
1.2机械手的基本结构…………………………………………………………………………2
1.3机械手的类型………………………………………………………………………………3
第二章机械手总体方案的设计……………………………………………………………4
2.1设计要求……………………………………………………………………………………4
2.2基本设计思路………………………………………………………………………………5
第三章硬件结构设计………………………………………………………………………6
3.1机械手尺寸的确定…………………………………………………………………………6
3.2传动部分设计………………………………………………………………………………6
第4章软件电路部分设计…………………………………………………………………9
4.1单片机的选择………………………………………………………………………………9
4.2驱动芯片的选择……………………………………………………………………………11
4.3传感器的确定………………………………………………………………………………13
4.4接口电路……………………………………………………………………………………14
4.5电路图绘制…………………………………………………………………………………16
4.6程序流程框图………………………………………………………………………………18
参考文献…………………………………………………………………………………………20
第一章绪论
1.1机械手的概述
1.机械手的简介
机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。
在实际生产中，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下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。
国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。
国际标准化组织对机器人的定义:
机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。
这类操作机具有几个轴在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。
美国国家标准（NBS）对机器人的定义:
“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。
”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:
“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
”它又分为以下两种情况来定义:
（1）工业机器人:
“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。
”
（2）智能机器人:
“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。
”
2.结构框图：
机械手由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如下图所示。
1.2机械手的基本结构
工作原理
机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作台。
有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。
简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。
本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由单片机控制驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。
图2-1为机械手简图,其中SQ1-上限开关，SQ2-左限，SQ3-下限开关，SQ4-光电开关，SQ5-夹紧，SQ6-右限。
图2-1机械手简图
这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度用于将源工作台上的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。
机械手的直线动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左传/右转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。
其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为0～100mm、转动是通过旋转气缸实现、转动工作行程为0～90°；手爪是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩调整。
机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。
采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。
主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。
图2-1中工件所处位置为原点位置，根据要求：
机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。
当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。
当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行。
根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-2所示。
机械手工作流程图
根据以上分析，机械构造方案基本固定。
整个机械手一共用到三个气缸，单片机需要控制每个气缸的动作：
横梁长气缸的内外调，执行气爪的夹持与放松、竖导杆气缸的升降、各气缸的定位控制和旋转轴的定位控制，另外两个是工件计数和故障报警。
1.3机械手的类型
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，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。
它的特点是除具备普通机械的物理性能外，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。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。
第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，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。
第二章机械手总体方案的设计
2.1设计要求
下图为机械手动作示意图，机械手将传送带A上的物品搬运到传送带B上，机械手按照下述动作顺序周而复始的搬运货物。
（1）机械手的初始状态为：
机械手放松、处于左限位置（SQ2为左限位开关）、上限位置（SQ1为上限位开关）；
（2）传送带A和B分别由两台电动机控制，初始状态为停止；
（3）按动启动按钮后，传送带A和B开始输送物品，同时其他检测、控制部分也开始或准备工作，此时：
（a）光电开关SQ4检测到传送带A输送来的物品后，停止传送带A的运动；
（b）机械手抓取传送带A上的物品。
机械手由气动阀控制，当气动阀开关SQ5=1时，机械手夹紧；当SQ5=0时，机械手放松；
（c）机械手往上移动，到达上限位置，上限位置由上限限位开关SQ1检测。
机械手上移和下移的动作由气动阀控制，需要另外设置一个该气动阀的开关，如SQ10，若SQ10=1，则上移；若SQ10=0，则下移。
（d）机械手向右旋转，到达右限位置，右限位置由右限限位开关SQ6检测；
（e）机械手向下移动，到达下限位置，下限位置由下限位置开关SQ3检测。
机械手的左右移动由气动阀控制，需要另外设置一个该气动阀的开关，如SQ11，若SQ11=1，则左移；若SQ11=0，则右移。
（f）机械手放松，将抓取的物品放在传送带B上；
（g）机械手往上移动，到达上限位置，上限位置由上限限位开关检测；
（h）机械手向左旋转，到达左限位置，左限位置由左限限位开关检测；
（i）启动传送带A，进行下一个周期的动作；
2.2基本设计思路
总体设计框图如下：
图2-1总体设计框图
1.CPU的选择
由于单片机体积小，价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因此本
设计中用单片机取代PLC控制。
2.机械手坐标形式的选择
由于本设计中精度要求较高，首先排除了极坐标式和关节坐标式，而且它们
还存在平衡问题，直角坐标式灵活性差，不利于提高工作效率。
因此为了使其工
作方式更加简单直观，机械手坐标类型选择为圆柱坐标机械手。
3.传动机构的选择
本设计要求传动方式为电机的转动带动机械手臂的上下、左右移动，即圆周
运动转换为直线运动，首先排除了带传动。
与此同时，由于设计精度要求较高，
所以链条传动也不作考虑。
剩下丝杆传动和齿轮传动，从零件的加工方面考虑，
最终确定了加工较为简单的齿轮传动。
4.抓取机构的选择
目前工业上较长采用的抓取机构为手爪。
但是本次设计要求的工件为直径2cm厚1cm的圆形铁片，抓取精度要求高，操作难度较大。
考虑到材质，因此选
择了电磁阀作为抓取机构。
通过电磁阀的通断来控制工件的抓取和放下，操作方
便。
5.驱动方式的选择
在选择驱动方式阶段，我首先考虑的是液压、气压传动，但方案存在一定缺
陷。
其中，液压装置体积太过庞大，需要专门配置一套液压系统，且对密封性要
求高，不宜在高温、低温下工作。
而气压传动由于空气的可压缩性导致工作速度、
稳定性较差，且有一定噪音。
电机选择相对较为简单，由于步进电机有步距角误
差，机械手在齿轮传动和摆动时会进一步放大该误差，因此选择伺服电机驱动。
第三章硬件结构设计
3.1机械手尺寸的确定
由于本次设计对工作场地要求并没有明确的限制，因此机械手的尺寸也就没
有明确的规定，为了设计的方便，将机械手大臂有效距离长为280mm，小臂有效
距离长为170mm
3.2传动部分设计
1.机械手是有三台伺服电机驱动
电机M1控制大臂在Z轴旋转摆动，电机M2控制小臂在Z轴的旋转摆动，电机C控制末端执行器在Z轴的上下移动。
为了设计的方便，控制方式采用点位控制。
通过分别控制三台电机的正反转来确定末端执行器在空间上的具体位置。
由于三台电机不是同时控制，因此不存在相互间的干扰，从而增强了整个系统的稳定性。
2.具体传动环节
基座部分装有服电机M1，通过齿轮传动控制大臂旋转，基座与大臂底座用轴承连接；大臂座装有伺服电机M2，通过齿轮、传动控制小臂的旋转摆动；末端执行器部分装有伺服电机M3，同样通过齿轮、丝杆传动控制末端执行器的上下移动。
3.伺服电机
一个伺服电机内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。
其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低
4.微行伺服马达的工作原理
一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示：
伺服电机原理图
减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。
5.伺服马达的控制
标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：
电源、地及控制。
电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V—6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。
甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。
输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms—2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格，下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系：
6.选用的伺服马达
此处选用的伺服马达为TowPro的，型号为SG303。
其主要技术参数如下：
转速：
0.23秒／60度。
力矩：
3.2kg•cm。
尺寸：
40.4mm×19.8mm×36mm。
重量：
0.6kg。
12V和24V电源供电。
控制周期脉冲宽度为20ms。
送出不同的正脉冲宽度是，就可以得到不同的控制效果。
控制正脉冲宽度如下：
7.增量式编码器
编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。
前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“０”。
按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。
增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。
绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。
这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。
解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。
在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。
为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。
比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。
增量式编码器特点：
增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。
编码器轴转一圈会出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。
需要提高分辨率时，可利用90度相位差的A、B两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。
8.丝杆及螺母副
主要确定丝杆的外径d，及长度，选择螺纹的类型，牙型角β，计算出螺
纹中径d2，螺纹升角φ，定出螺距P，求出螺纹导程S。
9.滚动轴承
滚动轴承的类型、尺寸和公差等级均已制定有国家标准，在机械设计中只需根据工作条件选择合适的轴承类型，尺寸和公差等级等，并进行轴承的组合结构设计。
按滚动轴承承受载荷的作用方向，常用轴承可分为三类，即径向接触轴承、向心角接触球轴承和轴向接触轴承。
在机械手的设计中，通常使用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承和
推力球轴承的组合件。
选择轴承要根据它所支承的轴的粗度（一般轴径的设计要
先由计算的强度来确定基本尺寸，再根据GB/T2822-81来选取标准尺寸，也可以
根据标准件如轴承等决定）来决定的，选定轴承后，还要进行轴承的寿命计算。
第四章软件电路部分设计
4.1单片机的选择
1.单片机的概念
单片机是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机。
通常在芯片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断控制系统、系统时钟及系统总线等。
2.单片机特点
1）优异的性能价格比。
2）高、体积小、可靠性高。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采
用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了计算机的可靠性与抗
干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在
恶劣环境下工作。
3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统种均有极
丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作及位处理功能，单片机的逻辑控制功
能及运行速度均高于同一档次的微机。
4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
5）单片机的系统扩展和系统配置叫典型、规范，容易构成各种规模的应用系
统。
3.单片机硬件结构
1）89C52系列单片机基本配置如下：
a）微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括
了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，
还可以进行位变量的处理。
b）数据存储器
片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储
器。
c）程序存储器
由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器
的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。
d）中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。
e）定时器/计数器
片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。
f）串行口
1个全双工的串行口，具有四种工作方式。
可用来进行串行通讯，扩展并行
I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更
广。
g）P1口、P2口、P3口、P4口
为4个并行8位I/O口。
h）特殊功能寄存器
共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
2）引脚及其功能
a）电源及时钟引脚
VCC：
接+5V电源正端；
VSS：
接+5V电源地端；
X1：
接外部晶体振荡器的一端；
X2：
接外部晶体振荡器的另一端。
b）控制引脚
RESET：
单片机上电复位端。
ALE：
当访问外部存储器时，ALE一每机器周期两次的信号输出，用于
锁存出现在P0口的低8位地址。
PSEN：
为片外程序存储器读选通信号输出端。
EA：
为访问外部程序存储器控制信号，低电平有效。
c）输入/输出引脚
P3口的第二功能：
P3.0：
RXD，串行输入通道；
P3.1：
TXD，串行输出通道；
P3.2：
INT0，外部中断0；
P3.3：
INT1，外部中断1；
P3.4：
T0，计数器0外部输入；
P3.5：
T1，计数器1外部输入；
P3.6：
WR，外部数据存储器写选通；
P3.7：
RD，外部数据存储器读选通。
图4-189c51引脚图
4.2驱动芯片的选择
在微机控制系统中，还要处理另一类数字量，即开关信号、脉冲信号。
它们是以二进制的逻辑“1”和“0”，即电平的高和低出现的。
如开关触电
的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器和接触器的吸合和释放，马达的启
动和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭等，我们称为开关量。
开关
量所控制的执行器所要求的控制电压一般都比较高，电流一般都较大，有的
是直流驱动，有的是交流驱动，必须根据具体对象采用适当的接口。
开关量
的输出接口实质上是利用计算机做“弱电”控制“强电”。
它需要解决两个
重要问题：
隔离和驱动。
用单片机控制各种各样的高压、大电流负载，如电动机、电磁铁、继电
器、灯泡等时，不能用单片机的I/O线来直接驱动。
P0、P1、P2、P3四个口
都可以做输出口，但其驱动能力不同。
P0口的驱动能力较大，当其输出高电
平时，可提供400mA的电流；当其输出低电平（0.45V）时，则可提供3.2mA
的灌电流，如低电平允许提高，灌电流会相应加大。
P1、P2、P3口的每一位只能驱动四个LSTTL，即可提供的电流只有P0口的一半。
所以，用低电平输出可获得比高电平输出更大的驱动能力。
目前，一些MCS-51系列单片机的引脚驱动能力有所提高，如89C2051，一些引脚可提供20mA的灌入电流。
但大多数场合，单片机I/O口的驱动能力是不够的，必须通过各种驱动电路的开关电路来提高驱动能力。
电机驱动芯片LMD18200原理及应用
LMD18200是美国国家半导体公司（NS）推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件。
同一芯片上集成有CM
升级会员 