基于单片机控制的工业机械手控制综合系统优秀课程设计.doc

（摘要 和目录在最终）第一章 绪论1.1机械手概述1.1.1机械手介绍机械手是模拟着人手部分动作，根据给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运自动机械装置。在工业生产中应用机械手叫做“工业机械手”。在实际生产中，应用机械手能够提升生产自动化水平和劳动生产率，能够减轻劳动强度、确保产品质量、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环境下，它替换人进行正常工作，意义更为重大。伴随生产发展，功效和性能不停改善和提升，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配和轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛应用。中国外对机器人及机械手所作定义不尽相同。国际标准化组织对机器人定义:机器人是一个能自动定位、可控可编程多功效操作机。这类操作机含有多个轴在可编程序操作下，能处理多种材料、零件、工具和专用装置，以实施多种任务。美国国家标准(NBS)对机器人定义:“一个可编程，并在自动化控制下实施某种特定操作和移动作业任务机械装置。”日本工业机器人协会对工业机器人定义:“一个装备有记忆装置和最终实施装置，能够完成多种移动来替换人类劳动通用机器。”它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一个能实施和人上肢类似动作多功效机器。”(2)智能机器人:“一个含有感觉和识别能力，并能够控制本身行为机器。”机械手由实施机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，以下图所表示。1.1.2机械手类型机械手通常分为三类。第一类是不需要人工操作通用机械手，它是一个独立不隶属于某一主机装置。它能够依据任务需要编制程序，以完成各项要求工作。它特点是除含有一般机械物理性能外，还含有通用机械、记忆智能三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是经过操作机来完成特定作业，以后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，关键隶属于自动机床或自动线上，用于处理机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务，由主机驱动，除少数外，工作程序通常是固定，所以是专用。第二章 机械手总体方案设计2.1机械手基础结构机械手是一个水平、垂直运动机械设备，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，关键用于零部件或成品在固定位置之间移动，替换人工作业，实现生产自动化。本设计中机械手采取上下升降加平面转动式结构，机械手动作由气动缸驱动，气动缸由对应电磁阀来控制，电磁阀由单片机控制驱动实施元件完成，能十分方便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含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物品搬到其左侧或右侧目标工作台上。机械手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/放松功效，是现在较为简单、应用比较广泛一个机械手。其升降运动经过升降气缸、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0100mm、转动是经过旋转气缸实现、转动工作行程为090；手爪是经过气缸、弹簧作用来夹持物品，夹持力是靠调整弹簧预压缩调整。 机械手基础结构由感知部分、控制部分、主机部分和实施部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。主机部分采取了标准型材辅以模块化装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化产品。图2-1中工件所处位置为原点位置，依据要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作全部从原点位置开始，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法。当机械手在原点位置下开启按钮，系统开启，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。依据分析可得出机械手工作步骤图，图2-2所表示。原位下降夹紧上升右移停止左移上升松开下降下限延时上限左限开启右限图2-2 机械手工作步骤图依据以上分析，机械结构方案基础固定。整个机械手一共用到三个气缸，单片机需要控制每个气缸动作：横梁长气缸内外调，实施气爪夹持和放松、竖导杆气缸升降、各气缸定位控制和旋转轴定位控制，另外两个是工件计数和故障报警。2.2机械手控制要求机械手操作方法分为手动操作和自动操作，自动操作又分为单周期操作和连续操作方法。手动操作是指用按钮对机械手每一步运动单独进行控制；单周期操作指机械手从原点开始，按开启按钮，机械手自动完成1个周期动作后停止；连续操作指机械手从原点开始，按开启按钮，机械手动作将自动地、连续不停地周期性循环。在工作中若按停止按钮，机械手将继续完成1个周期动作后，回到原点自动停止。（1）机械手自动运行： 下降：当机械手检测到传送带A上有工件时，有原点位置开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时接通加紧电磁阀线圈。 加紧工件：当机械手加紧到位时，压力继电器动合触电闭合，接通上升电磁阀线圈。 上升：当机械手夹紧到位时，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通右移电磁阀线圈。 右移：当机械手上升到位时，机械手开始右移，右移到位时，碰到有极限开关，机械手停止右移，同时接通下降电磁阀线圈。 下降：当机械手右移到位时，机械手重新开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时释放加紧电磁阀线圈。 放松工件：放松动作为时间控制，设为2秒。 上升：工件放松后，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通左移电磁阀线圈。 左移：机械手上升到位后，开始左移，左移到位时，碰到左极限开关，机械手停止左移。 回到原位：机械手左移到位后，回到原点位置，再次自动开启传送带A，当光电开关检测到工件后，又开始新工作循环周期。机械手手动运行（2）手动运行是指机械手上升、下降、左移、右移及夹紧操作经过对应手动操作按钮控制，和操作次序无关。单片机模块选择：电源模块，CPU模块，输入模块，输出模块。其中输入和输出模块全部选择数字量类型，输入量较多，选择32路模块，输出量较少选择16路模块。2.3 机械手控制方案设计考虑到机械手通用性，同时使用点位控制，所以我们采取可单片机对机械手进行控制。当机械手动作步骤改变时，只需改变单片机程序即可实现，很方便快捷。2.4 机械手手部结构为了使机械手通用性更强，把机械手手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。本文设计是抓握直径为5 20零件。根据抓取工件要求，本机械手手臂有三个自由度，即手臂伸缩、左右回转和升降运动。手臂回转和升降运动是经过立柱来实现，立柱横向移动即为手臂横移。手臂多种运动由气缸来实现。手臂伸缩、升降运动由伸缩气缸来实现，回转由回转气缸实现。第三章 机械手硬件电路设计依据任务要求，机械手系统电路设计可关键分为三个模块：单片机主控模块、矩阵按键模块、串口通讯模块。图3-1为硬件电路设计方框图。图3-2 单片机整体模块设计原理图。图3-1硬件电路设计方框图图3-2 单片机整体模块设计原理图3.1 单片机模块3.1.1 单片机方案选择单片机体积小巧，内部包含中央处理器，数据存放器，程序存放器及输入输出设备。对于需要灵活机动，精度要求不高，有可扩展性及程序可擦写和简单成熟编程平台等要求，单片机不失为最适宜选择。现有两种单片机AT89S51和AVR可供选择。 方案一：采取常见 89S51作为米粉机点餐系统控制关键。传统51 单片机含有价格低廉，输入输出接口多，使用简单等特点，轻易开发。方案二：采取AVR单片机，AVR单片机在一个芯片内将增强性能RISC 8位CPU和可下载FLASH相结合使其成为适合于很多要求。含有高度灵活性嵌入式高效微控制器。从机械手功效实现来说，单片机关键能够多路模拟输出正确PWM功效上，实现上位机串口通讯，S51单片机和AVR单片机相比，AVR单片机拥有内置多路PWM输出而且AVR单片机含有愈加好稳定性和程序处理效率，实现起来也比较方便，所以采取方案二AVR单片机。3.1.2单片机主控电路设计ATmega64是基于增强AVR RISC机构低功耗8位CMOS微控制器。因为其优异指令实施时间，ATmega64数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而能够缓减系统在功耗和处理速度之间矛盾。主控电路设计是以ATmega64单片机和RS232通信模块为关键，外接矩阵按键模块和电源等硬件电路。ATmega64单片机工作在8MHZ频率下，采取+5V直流电源供电。图3-3为单片机最小系统设计图。图3-3 ATmega64处理器在单片机系统模块中，还包含有外部晶振电路、复位电路。3.1.3AVR晶振电路设计和传统51单片机相比，AVR单片机内置RC振荡电路。出厂时，未进行时钟源设置AVR，其时钟源使用是内部RC振荡，通常情况使用是1M频率。经过对熔丝位设置，能够设置MCU内部RC振荡频率。比如：4M、8M等。不过，内置RC振荡，在一致性方面存在差异，它因生产批次有所差异，亦和温度等原因有较大相关性。所以，在部分对时钟要求较高场所，如：正确定时，RS232通信等，这些场所，提议使用外部晶振线路。图3-4为外部晶振电路：图3-4晶振电路3.1.4AVR复位电路设计AVR单片机内置复位电路，而且在熔丝位里，能够控制复位时间，所以，AVR单片机能够不设外部上电复位电路，仍然能够正常复位，稳定工作。 若是系统需要设置按键复位电路，那么注意，AVR单片机是低电平复位，图3-5为设计按键复位电路： 图3-5复位电路 3.2 矩阵按键模块单片机经过动态扫描识别矩阵按键，可大大降低单片机IO口使用。使用按键时注意由於这种按键是机械式开关，当按键被按下时，键会震动一小段时间才稳定，為了避免让8051误判為数次输入同一按键，我们必需在侦测到有按键被按下，就延迟一小段时间，使键盘跳过抖动状态以达稳定状态，再去判读所按下键，就能够让键盘输入稳定。图3-6为矩阵按键电路图：图3-6矩阵按键图3-7矩阵键盘3.3串口通信模块RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布，在异步串行通信中应用最广泛标准总线。它要求连接电缆和机械、电气特征、信号功效及传送过程。现在，计算机上串行通信端口（RS-232）是标准配置端口，已经得到广泛应用。图3-7为串口通信模块，图3-8 RS232串口通信第四章 单片机总程序设计依据设计要求，进行AVR单片机C语言编程，编程思绪方框图图4-1。开始初始化检测矩阵按键按下串口中止判定键值发送指令接收数据输出控制信号图4-1单片机程序框图第五章 系统调试在硬件和软件全部完成后，需要对硬件和软件分别调试。只有当硬件中各个模块工作测试稳定好后，才能进行系统总体调试。这里将调试过程及在调试过程中所碰到问题提出来进行讨论，方便能够深入掌握设计工作要领，积累经验。经过一个多星期调试，作品正式完成，它能够稳定地实现毕设要求功效。作品参数：臂长为40cm；机体质量：1.5Kg；额定工作电压：5V；最大抓起质量：300g第六章 总结机械手控制系统经过一段时间制作，在要求时间内把整个大系统制作完成，它能够根据任务书中要求稳定地实现各个功效。在整个设计过程中，不管是对于系统机械部分还是电路部分，全部经过了多种方案优缺点比较从而确定最终采取方案，整个设计思绪清楚。在机械方面：关键由有机玻璃制作系统框架，用螺钉及热熔胶固定，尽可能用简单易实现机械结构，来完成设计要求。样机调试中出现了很多问题，比如定时中止时间过短，两PWM信号发送延迟时间过长，机械臂轴心不在一条线上等问题。但依据翻阅书籍和上网收索及设计理论分析，反复检验程序，才发串口无法通信，现部分存在问题使得系统不能正常运行。经过此次毕业设计，我对以前所学理论知识有了更深入了解，同时能愈加合理查阅及利用资料，为达成课题要求而对在大学期间所学习课程进行了全方面、综合巩固和加深。这次毕业设计不一样和以往任何一次课程设计，它耗时更长，独立性更高，要求愈加严格细致。它不仅要求我们能充足利用在校期间所学课程专业知识，同时也要求我们有良好了解力、掌握力和实际利用灵活度。在设计过程中给我印象最深是作为一名设计人员，面对一项设计任务时，不仅要能够熟练利用相关专业知识，同时还要考虑到在实际应用中所面正确场地、环境、资金和实际加工等一系列问题。经过这次毕设，大大提升了自己独立查阅科技资料能力、动手能力和分析问题能力，并体会到科技制作乐趣。谢 辞在山东理工大学电气和电子工程学院已学习三年，回首既往，自己一生最宝贵时光能于这么校园之中，能在众多学富五车、才华横溢老师们熏陶下度过，实是荣幸之极。感谢山东理工大学电气和电子工程学院对我培养，是学校培养让我学到了专业科学文化知识，同时也提升了我多方面能力，塑造了我人格，使我在未来人生道路上能够愈加信心百倍走下去。百年郑安，春风化雨，教我育我，永不能忘。本设计是在孙凯老师亲切关心和悉心指导下完成。在此衷心感谢孙凯老师对我在学习上指导和帮助。孙凯老师渊博知识、敏锐洞察力、严谨求实工作作风和治学精神全部给我留下了深刻印象，值此设计完成之际，谨向恩师致以衷心感谢和高尚敬意。在此次设计中，碰到问题时，指导老师有问必答，给我们耐心讲解，悉心指导，同时也和我们一起讨论，处理了很多实际问题。设计期间，刘飞同学、李杰同学在学习上给了本人很多帮助，在此一并感谢。经过此次论文，我学到了很多知识，跨越了传统方法下教和学体制束缚，在论文写作过程中，经过查资料和搜集相关文件，培养了自学能力和动手能力。而且由原先被动接收知识转换为主动寻求知识，这能够说是学习方法上一个很大突破。在以往传统学习模式下，我们可能会记住很多书本知识，不过经过毕业论文，我们学会了怎样将学到知识转化为自己东西，学会了怎么愈加好处理知识和实践相结合问题。在此，祝老师们，和全部关心我人和我所关心人身体健康，工作顺利，心情愉快，幸福平安！附录PCB图和原理图参考文件1蒋辉平, 周国雄，单片机原理和应用设计，北京：航空航天大学出版社，。2吴振顺，气动传动和控制，哈尔滨：:哈尔滨工业大学出版社，1995。3方华, 许江淳，单片机原理及应用：嵌入式，重庆：重庆大学出版社，。4. 蒋新松. 机器人和工业自动化M . 石家庄: 河北教育出版社,.5. 王耀南. 机器人智能控制工程M . 北京:科学出版社,.6. 倪星元,等. 传感器敏感功效材料及应用M . 北京:化学工业出版社,.7. 雨宫好文. 传感器入门M . 北京:科学出版社,.摘 要【摘要】工业机械手是近几十年发展起来一个高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人一个关键分支。她特点是能够经过编程来完成多种预期作业，在结构和性能上兼有些人和机器各自优点，尤其表现在人智能和适应性。机械手作业正确性和环境中完成作业能力，在国民经济领域有着广泛发展空间。机械手发展是因为它主动作用正日益为大家所认识：其一、它能部分替换人工操作；其二、它能根据生产工艺要求，遵照一定程序、时间和位置来完成工件传送和装卸；其三、它能操作必需机具进行焊接和装配，从而大大改善了工人劳动条件，显著提升了劳动生产率，加紧实现工业生产机械化和自动化步伐。所以，受到很多国家重视，投入大量人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音和带有放射性和污染场所，应用更为广泛。在中国近几年也有较快发展，而且取得一定效果，受到机械工业。 机械手是一个能自动控制并可从新编程以变动多功效机器，她有多个自由度，能够搬运物体以完成在不一样环境中工作。 机械手结构形式开始比较简单，专用性较强。 伴随工业技术发展，制成了能够独立按程序控制实现反复操作，适用范围比较广“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。因为通用机械手能很快改变工作程序，适应性较强，所以它在不停变换生产品种中小批量生产中取得广泛引用。ABSTRACTManipulator hand 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 mechanization of manufacturing and automation, can in harmful environment operation to protect the personal safety and so widely used. The type of manipulator, according to drive mode can be divided 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 position control and continuous track control robots. The design of the manipulator and add plane rotation type and structure, the action of the manipulator by pneumatic cylinder driving, pneumatic cylinder 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 line. Manipulator used MCU control, and has high reliability, change program flexible, and other advantages, whether for time control or travel control or mixed control, can be set to realize through MCU program. According to the order of the manipulator action can modify the program, so that more of the manipulator strong generality. Keywords: manipulator electromagnetic valve MCU 目录第一章 绪论11.1机械手概述1第二章 机械手总体方案设计32.1机械手基础结构32.2机械手控制要求42.3机械手控制方案设计52.4机械手手部结构5第三章 机械手硬件电路设计63.1单片机模块63.2矩阵按键模块93.3串口通信模块10第四章 单片机总程序设计11第五章 系统调试11第六章 总结12谢辞13附录14参考文件15