基于单片机的机械手运动控制系统设计样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。

毕业论文( 设计) 材料

题 目: 基于单片机的机械手运动控制系统设计

学生姓名: 刘韬
学生学号: 08080 9
系 别: 电气信息工程系
专 业: 自动化
届 别:
指导教师: 苗磊

填 写 说 明

1、 本材料包括淮南师范学院本科毕业论文( 设计) 任务书、 开题报告以及毕业论文( 设计) 评审表三部分内容。
2、 本材料填写顺序依次为:
( 1) 指导教师下达毕业论文( 设计) 任务书;
( 2) 学生根据毕业论文( 设计) 任务书的要求, 在文献查阅的基础上撰写开题报告, 送交指导教师审阅并签字认可;
( 3) 毕业论文( 设计) 工作后期, 学生填写毕业论文( 设计) 主要内容, 连同毕业论文( 设计) 全文一并送交指导教师审阅, 指导教师根据学生实际完成的论文( 设计) 质量进行评价;
( 4) 指导教师将此表连同学生毕业论文( 设计) 全文一并送交评阅教师评阅。
3、 指导教师、 评阅教师对学生毕业论文( 设计) 的成绩评定均采用百分制。
4、 毕业论文( 设计) 答辩记录不包括在此表中。

一、 毕业论文( 设计) 任务书
要求完成的主要任务及达到的目标
本课题要求设计一个基于单片机的机械手运动控制系统, 其要完成的主要任务为:
1. 了解当前机械手的发展现状;
2. 选用步进电机, 设计基于单片机的机械手控制系统, 能够实现二维搬运物体的功能。
3. 设计控制硬件电路图, 编写控制程序。

要达到的目标:
了解步进电机的控制原理, 掌握基于单片机对步进电机的控制电路, 掌握机械手的位置检测方式。
工作进度要求
(1) /12/1- /12/30
查阅相关资料, 完成任务书以及开题报告的撰写;
(2) /1/1- /4/30
查阅、 收集资料, 开展理论和实验研究, 撰写毕业论文;
(3) /5/1- /5/30
修改、 完善毕业论文, 并将定稿后的论文按照统一格式打印。

指导教师签名: 12月28日
二、 毕业论文( 设计) 开题报告
课题研究目的

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, 经过对占空比的计算达到精
确调速的目的
课题研究计划
.01.01～ .01.31、 收集资料; 在指导老师的指导下完成开题报告。复习单片机课程及其编程知识, 并查阅收集机械手的相关资料。
.02.1～ .02.15、 总体方案设计, 选择器件, 绘制出电气连接图。
.02.16～ .03.31、 编写调试程序, 征求指导老师意见, 对方案存在的不足, 进行修改。
.03.01～ .04.30、 撰写毕业论文, 交给指导老师做进一步修改。
.05.01～ .05.14、 准备毕业答辩。

本课题研究现状( 需附适量参考文献)
研究现状:
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。当前
中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
。
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, 能够根据任务的需要
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
( Manipulator) 。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
种机械手在国外一般被称之为”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运动的
机械手的性能。一般而言, 机械手一般就是由执行机构、 驱动－传动系统和控制。
对于现代智能机械手而言, 还具有智能系统, 主要是感觉装置、 视觉装置和
语言识别装置等。当前研究主要集中在赋予机械手”眼睛”, 使它能识别物体和躲
避障碍物, 以及机械手的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的,
或者说并不是简单的叠加在一起, 从而构成一个机械手的。要实现机械手所期望
实现的功能, 机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、 相互影响和相互制约。
机械手的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机械
手赖以完成工作任务的实体, 一般由连杆和关节组成, 由驱动－传动系统提供动
力, 按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动
系统。驱动机构提供机械手各关节所需要的动力, 传动系统则将驱动力转换为满
足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机械手分为机
械系统、 驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机
(Manipulator), 相当于本文中的执行机构部分。
能模仿人手和臂的某些动作功能, 用以按固定程序抓取、 搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化, 能在有害环境下操作以保护人身安全, 因而广泛应用于机械制造、 冶金、 电子、 轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件( 或工具) 的部件, 根据被抓持物件的形状、 尺寸、 重量、 材料和作业要求而有多种结构形式, 如夹持型、 托持型和吸附型等。运动机构, 使手部完成各种转动( 摆动) 、 移动或复合运动来实现规定的动作, 改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、 伸缩、 旋转等独立运动方式, 称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体, 需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多, 机械手的灵活性越大, 通用性越广, 其结构也越复杂一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手的种类, 按驱动方式可分为液压式、 气动式、 电动式、 机械式机械手; 按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种; 按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手一般见作机床或其它机器的附加装置, 如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件, 在加工中心中更换刀具等, 一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵, 如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、 搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手能够代替人从事单调、 重复或繁重的体力劳动, 实现生产的机械化和自动化, 代替人在有害环境下的手工操作, 改进劳动条件, 保证人身安全, 因而广泛应用于机械制造、 冶金、 电子、 轻工和原子能等部门。
20世纪40年代后期, 美国在原子能实验中, 首先采用机械手搬运放射性材料, 人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后, 机械手逐步推广到工业生产部门, 用于在高温、 污染严重的地方取放工件和装卸材料, 也作为机床的辅助装置在自动机床、 自动生产线和加工中心中应用, 完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。
　　机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件( 或工具) 的部件, 根据被抓持物件的形状、 尺寸、 重量、 材料和作业要求而有多种结构形式, 如夹持型、 托持型和吸附型等。运动机构, 使手部完成各种转动( 摆动) 、 移动或复合运动来实现规定的动作, 改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、 伸缩、 旋转等独立运动方式, 称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体, 需有 6个自由度 。自由度是机械手设计的关键参数 。自由 度越多, 机械手的灵活性越大, 通用性越广, 其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。
　　机械手的种类, 按驱动方式可分为液压式、 气动式、 电动式、 机械式机械手; 按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种; 按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
　　机械手一般见作机床或其它机器的附加装置, 如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件, 在加工中心中更换刀具等, 一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵, 如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

参考文献:
[1]、 张建民.机电一体化系统设计.北京: 北京理工大学出版社, 1996:108-110
[2]、 陈光东.单片微型计算机原理与接口技术.武昌: 华中理工大学出版社, 1999:1
[3]、 刘鑫.工业控制基选集的设计技术。自动化博览, ( 6) : 9-11
[4]、 孙克梅.直流伺服电机的单片机控制及应用.沈阳航空工业学院学报, ( 2) : 50-52
[5]、 邓星钟.机电传动控制.武昌: 华中科技大学出版社, :349-351
[6]、 张建民.机电一体化系统设计.北京: 北京理工大学出版社, :15-26
[7]、 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用.重庆: 重庆大学出版社, :102-106
[8]、 Jae Wook Jeon.Efficient acceleration and deceleration technique for short distance movement in CNC machine tools.ELECTRONICS LETTERS,13th April :16-17
[9]、 Jae Wook Jeon,Yun-Ki Kim.FPCA based acceleration and deceleration
Circuit for industrial robots and CNC machine tools.
Mechatronics,12( ):63-65
[10]、 周凯.精密数控机床的转角-线位移双闭环位置控制系统.中国机械工程.1998( 8) : 12-16
[11]、 Todd J,Schuett. Advanced controls for high speed
milling.Proceeding of SME"High Speed Machining"Conference,Chicago,
1996:14-16
[12]、 刘群山, 李志勇, 王勇.冲床送料装置的单片机自适应控制.组合机床与自动化加工技术.1999( 3) : 38-40
[13]、 Sungkwun Kim.Performance evaluation of software
Acceleration and deceleration algorithms in machining and
contouring.IndustrialElectronics.Control,Instrumentation,and
Automation,1992.Power ELectronics and Motion Control,Proceedings of
The
1992 International Conference,Nov 1992,Vol.3:9-13
[14]、 刘敏, 尤波, 絮延河.平面关节型装配机器人控制系统的开发. 黑龙江电力, ,26(3):190~193
[15]、 LM628/629 programming guide. National semiconductor application note 693, 1999
[16]、 孙迪生,楼喜中.位置伺服控制板的设计与应用. 制造业自动化, ,23(4):34~37
[17]、 李学海.PIC单片机实用教程—进步篇. 北京: 北京航空航天大学出版社, (end)
[18]、 何力民.MCS-51单片机应用系统设计.北京: 北京航空航天大学出版社, 1990年
[19]、 李朝青.单片机原理及接口技术.北京: 北京航空航天大学出版社, 1999年
[20]、 赵德安等.单片机原理与应用.北京: 机械工业出版社,
[21]、 夏路易 石宗义.电路原理图与电路板设计教程Protel 99SE.北京: 北京希望电子希望出版社,

学生签名: 　　　　　　　　 12月 28 日
指导教师意见

指导教师签字: 年 月 日

三、 毕业论文( 设计) 评审表
毕业论文( 设计) 主要内容

指导教师评语

成绩
评定

指导教师签字:
年 月 日
评阅教师评语

成绩
评定

评阅教师签字:
年 月 日
系论文工作小组意见
成绩
评定

系主任签字( 盖章) :
年 月 日