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XX大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 題目： 機(jī)械手的單片機(jī)控制 學(xué)院（系）： 電院自動(dòng)化系 年級(jí)專業(yè)： XXXXXX 學(xué) 號(hào)： 09 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：王振臣 陳志旺 教師職稱： 教授 講師 XX大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 院（系）： 基層教學(xué)單位： 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 專業(yè)（班級(jí)） 設(shè)計(jì)題目 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù) 設(shè) 計(jì) 要 求 工 作 量 工 作 計(jì) 劃 參 考 資 料 指導(dǎo)教師簽字 基層教學(xué)單位主任簽字 說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。 年 月 日 摘要 摘 要 機(jī)械手技術(shù)涉及到電子、機(jī)械學(xué)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù) 等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越重要。文章主要敘述了機(jī)械手的設(shè)計(jì)過(guò)程 ，文章中介紹了機(jī)械手的設(shè)計(jì)理論與方法。 本設(shè)計(jì)以AT89C51 單片機(jī)為核心，采用L298 電機(jī)控制芯片達(dá)到控制直流電機(jī)的啟停和方向，完成了篩選機(jī)械手基本要求和發(fā)揮部分的要求。 【關(guān)鍵詞】：篩選機(jī)械手，AT89C51 單片機(jī)，L298 電機(jī)控制芯片，電機(jī)控制。 目 錄 目 錄 摘要.....................................................................I 第一章 緒論............................................................. 1 1．1機(jī)械手概述.....................................................1 1.1.1 機(jī)械手當(dāng)代應(yīng)用........................................... 1 1.1.2 機(jī)械手工作方式...........................................1 1.1.3 機(jī)械手的分類.............................................1 1.2 機(jī)械手的一般組成..............................................1 第二章 總體方案設(shè)計(jì)......................................................3 2.1 設(shè)計(jì)要求......................................................3 2.2 基本設(shè)計(jì)思路..................................................3 2．2．1 CPU....................................................3 2．2．2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)...............................................3 2．2．3 機(jī)械手.................................................4 2．2．3．1 機(jī)械手組成.....................................4 2．2．3．1 機(jī)械手分類.....................................4 2．2．4抓取機(jī)構(gòu)...............................................5 2．2．5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式.......................................6 2．3 設(shè)計(jì)方案的總結(jié)...............................................8 2．3．1 CPU的選擇.............................................8 2．3．2 機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇...................................8 2．3．3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇.........................................8 2．3．4 驅(qū)動(dòng)方式的選擇.........................................8 第三章 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)......................................................9 3．1 機(jī)械手尺寸的確定.............................................9 3．2 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì).................................................9 3．3 硬件部分總結(jié).................................................9 第四章 軟件電路部分設(shè)計(jì).................................................10 4．1 單片機(jī)的選擇................................................10 4．1．1單片機(jī)的概念...........................................10 4．1．2單片機(jī)特點(diǎn).............................................10 4．1．3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu).........................................11 4．1．3．1 89C51基本配置................................11 4．1．3．2 引腳及其功能................................. 12 4．2 驅(qū)動(dòng)芯片選擇.................................................13 4．2．1 驅(qū)動(dòng)芯片概念...........................................13 4．2．2 驅(qū)動(dòng)芯片原理...........................................13 4．3 流程圖......................................................13 4．4 匯編程序...................................................... 4．5 本章小結(jié)...................................................... 結(jié)論..................................................................... 參考文獻(xiàn)................................................................. 第一章 緒論 1.1 機(jī)械手概述 1．1．1 機(jī)械手的當(dāng)代應(yīng)用 機(jī)械化、自動(dòng)化已成在現(xiàn)代工業(yè)中突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自 動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的，機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 機(jī)械手，多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具 的裝置（國(guó)內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)械手或通用機(jī)械手）。 1．1．2 機(jī)械手工作方式 機(jī)械手是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)械 手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)械手稱為專用機(jī)械手，而把工業(yè)機(jī)械手稱為通用機(jī)械手。 1．1．3 機(jī)械手的分類 簡(jiǎn)而言之，機(jī)械手就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作 位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。 機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手，也即本文所 研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機(jī)械手按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)械手以其結(jié)構(gòu) 緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周?chē)囊恍┱系K物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)械手中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。 1．2 機(jī)械手的一般組成 要機(jī)械手像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、 臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手的性能。一般而言，機(jī)械手通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。 圖1-1 機(jī)械手的一般組成 對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)械手而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和 語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)械手“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)械手的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)械手的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)械手的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械 手賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)械手各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)械手各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)械手分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù) 2.1 設(shè)計(jì)要求 工廠某處有一批不同型號(hào)的零件，設(shè)計(jì)一種機(jī)械手，該手能在識(shí)別零件類型后按照其類別自動(dòng)放置在規(guī)定的地點(diǎn)。機(jī)械手有上行/下行、左行/ 右行運(yùn)行方式。機(jī)械手能根據(jù)信號(hào)將零件運(yùn)送到制定地點(diǎn)后放下，自動(dòng)歸位。回到原點(diǎn)后自動(dòng)校正位置。等待下一次信號(hào)的到來(lái)。開(kāi)機(jī)后，不論機(jī)械手處于什么位置，它能在上電后自動(dòng)歸到原點(diǎn)。有指示燈可以指示機(jī)械手目前的位置，方便控制人員管理。 2.2 基本設(shè)計(jì)思路 總體設(shè)計(jì)框圖如下： 圖2-1 總體設(shè)計(jì)框圖 2.2.1 CPU CPU 部分有兩種選擇:單片機(jī)控制和PLC 控制。 2.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)種類繁多，常見(jiàn)的有齒輪傳動(dòng)、齒條傳動(dòng)、絲桿傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)。 由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有： （1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕； （2）傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)； （3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； （4）壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。 2.2.3 機(jī)械手 2．2．3．1 機(jī)械手的組成 機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)部分組成。 （1）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1) 手腕 手腕是聯(lián)接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的方 位和姿態(tài)。 2) 手臂 手臂是支承手腕和末端執(zhí)行器的部件。它由動(dòng)力關(guān)節(jié)和連桿組 成，用來(lái)改變末端執(zhí)行器的位置。 3) 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)的載荷，機(jī)座分為固定式 和移動(dòng)式兩類。 （2）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)用來(lái)控制機(jī)械手按規(guī)定要求動(dòng)作，可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制 系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手采用計(jì)算機(jī)控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級(jí)，策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)三級(jí)：決策級(jí)的功能是識(shí)別環(huán)境、建立模型、將工作任務(wù)分解為基本動(dòng)作序列；策略級(jí)將基本動(dòng)作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級(jí)給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。 （3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令將信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng) 裝置。常用的由電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械等四種驅(qū)動(dòng)方式。 除此之外，機(jī)械手可以配置多種傳感器（如位置、力，觸覺(jué)，視覺(jué)等傳感器）， 用以檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)位置和工作狀態(tài)。 2．2．3．2 機(jī)械手的分類 機(jī)械手按坐標(biāo)形式、控制方式、驅(qū)動(dòng)方式和信號(hào)輸入方式四種分類方法。 （1）按坐標(biāo)形式分 坐標(biāo)形式是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式。 1) 直角坐標(biāo)式 直角坐標(biāo)機(jī)械手的末端執(zhí)行器在空間位置的改變式通過(guò)三 個(gè)互相垂直的軸線移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即沿X 軸的縱向移動(dòng)、沿Y 軸的橫向 移動(dòng)及沿Z 軸的升降。這種機(jī)械手位置精度最高，控制無(wú)耦合，比較簡(jiǎn)單， 避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差。 2) 圓柱坐標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手是通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí) 行器空間位置的改變，其手臂的運(yùn)動(dòng)由在垂直立柱的平面伸縮和沿立柱升 降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。這種機(jī)械手位置精度較高， 控制簡(jiǎn)單，避障性好，但結(jié)構(gòu)也較龐大。 3) 極坐標(biāo)式 極坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)式由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)組成，即沿 手臂方向X 的伸縮，繞Y 軸的俯仰和繞Z 軸的回轉(zhuǎn)。這種機(jī)械手占地面 積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，但避障性差，有平衡問(wèn)題。 4) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式 關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)械手主要是由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞Z 軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，立柱和大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂形成肘關(guān)節(jié)， 大臂和小臂作俯仰運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械手工作范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好， 但位置精度低，有平衡問(wèn)題，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來(lái)越多。 （2）按控制方式分 1) 點(diǎn)位控制 采用點(diǎn)位控制的機(jī)械手，其運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn) 動(dòng)，不涉及兩點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡，只在目標(biāo)點(diǎn)處控制機(jī)械手末端執(zhí)行器 的位置和姿態(tài)。這種控制方式簡(jiǎn)單，適用于上下料、點(diǎn)焊等作業(yè)。 2) 連續(xù)軌跡控制 采用連續(xù)軌跡控制的機(jī)械手，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的 任意連續(xù)曲線。機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程都要控制，末端執(zhí)行器在 空間任何位置都可以控制姿態(tài)。 （3）按驅(qū)動(dòng)方式分 1) 電力驅(qū)動(dòng) 電力驅(qū)動(dòng)式目前采用最多的一種。早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也得到了 迅速發(fā)展。這類驅(qū)動(dòng)單元可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，也可以通過(guò)諧波減速 器裝置減速后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。 2) 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手具有很大的抓起能力，可抓取質(zhì)量達(dá)上百 公斤的物體，油壓可達(dá)7MPa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性 要求較高，不宜在高溫或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。 3) 氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空 氣可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性差，氣源壓力一般為0.7MPa，因此抓 取力小，只能抓取重量為幾公斤到十幾公斤的物體。 （4）按信號(hào)輸入方式分 1) 人操作機(jī)械手 是一種由操作人員直接進(jìn)行操作的具有幾個(gè)自由度的 機(jī)械手。 2) 固定程序操作機(jī)械手 按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí) 行給定的作業(yè)任務(wù)的機(jī)械手。 3) 可變程序操作機(jī)械手 它與固定程序機(jī)械手基本相同，但其工作次序等 信息易于修改。 4) 程序控制機(jī)械手 它的作業(yè)指令是由計(jì)算機(jī)程序向機(jī)械手提供的，其控 制方式與數(shù)控機(jī)床一樣。 5) 示教再現(xiàn)機(jī)械手 這類機(jī)械手能夠按照記憶裝置存儲(chǔ)的信息來(lái)復(fù)現(xiàn)由 人示教的動(dòng)作，其示教動(dòng)作可自動(dòng)地重復(fù)執(zhí)行。 6) 智能機(jī)械手 采用傳感器來(lái)感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其 自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。 2.2.4 抓取機(jī)構(gòu) 抓取機(jī)構(gòu)是機(jī)械手執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。抓取 機(jī)構(gòu)可分為機(jī)械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。 2.2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式 該機(jī)械手一共具有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要 三個(gè)動(dòng)力源。機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。 這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表： 表2-1 三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： （1） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； （2） 反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻 繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換； （3） 驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； （4） 安全可靠； （5） 操作和維護(hù)方便； （6） 對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要?。? （7） 經(jīng)濟(jì)上合理。 2.3 設(shè)計(jì)方案的總結(jié) 2．3．1 CPU 的選擇 由于單片機(jī)體積小，價(jià)格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾能力，因此本 設(shè)計(jì)中用單片機(jī)取代PLC 控制。 2．3．2 機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇 由于本設(shè)計(jì)中精度要求較高，首先排除了極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式，而且它們 還存在平衡問(wèn)題?？紤]到工廠應(yīng)用要易于擴(kuò)展其功能，本機(jī)械手采用直角坐標(biāo)形式。 2．3．3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求傳動(dòng)方式為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手臂的上下、左右移動(dòng)，適合采用帶傳動(dòng)。 2．3．4 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 在選擇驅(qū)動(dòng)方式階段，我首先考慮的是液壓、氣壓傳動(dòng)，但方案存在一定缺 陷。其中，液壓裝置體積太過(guò)龐大，需要專門(mén)配置一套液壓系統(tǒng)，且對(duì)密封性要求高，不宜在高溫、低溫下工作。而氣壓傳動(dòng)由于空氣的可壓縮性導(dǎo)致工作速度、穩(wěn)定性較差，且有一定噪音。電機(jī)選擇相對(duì)較為簡(jiǎn)單，由于步進(jìn)電機(jī)有步距角誤差，機(jī)械手在齒輪傳動(dòng)和擺動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)一步放大該誤差，因此選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 第三章 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械手尺寸的確定 由于本次設(shè)計(jì)對(duì)工作場(chǎng)地要求并沒(méi)有明確的限制，因此機(jī)械手的尺寸也就沒(méi) 有明確的規(guī)定，為了設(shè)計(jì)的方便，將機(jī)械手橫向有效距離長(zhǎng)為280mm，縱向有效距離長(zhǎng)為170mm。 3.2 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) （1） 機(jī)械手是有2臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)：電機(jī)M1 控制機(jī)械手縱向運(yùn)動(dòng)，電 機(jī)M2 控制機(jī)械手在橫向運(yùn)動(dòng)。 為了設(shè)計(jì)的方便，控制方式采用限位器限位控制。由于2臺(tái)電機(jī)不是同時(shí)控制，因此不存在相互間的干擾，從而增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （2） 具體傳動(dòng)環(huán)節(jié)：基座部分裝有服電機(jī)M1和電機(jī)M2，通過(guò)齒輪傳動(dòng)控制帶條運(yùn)動(dòng)。 （3）直流電機(jī)： （i）調(diào)速性能好，電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載條件下，根據(jù)需要，人為改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)均勻平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。調(diào)速范圍寬。 （ii）起動(dòng)力矩大可以均勻而經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，故凡是在重負(fù)載條件下啟動(dòng)的機(jī)械都用直流電機(jī)拖動(dòng)。 3．3 硬件部分總結(jié)： 為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)能準(zhǔn)確的將部件送到制定的位置，我采用了限位器控制機(jī)械手的位置。機(jī)械手碰到限位器，限位器返回信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，從而達(dá)到機(jī)械手到位停止。電動(dòng)機(jī)采用的是直流電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠湫阅軆r(jià)格比較高，適合工作在對(duì)輸出力矩比較大的環(huán)境下。通過(guò)齒條傳送裝置，使機(jī)械手在電機(jī)的控制下能夠精準(zhǔn)的到達(dá)規(guī)定的位置。并且易于將來(lái)擴(kuò)展其工作方式。 第四章 軟件電路部分設(shè)計(jì) 4.1 單片機(jī)的選擇 4．1．1 單片機(jī)的概念 單片機(jī)是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。通常在芯片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O 口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。 4．1．2 單片機(jī)特點(diǎn) 1) 優(yōu)異的性能價(jià)格比。 2) 高、體積小、可靠性高。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了計(jì)算機(jī)的可靠性與抗 干擾能力。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在 惡劣環(huán)境下工作。 3) 控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)種均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O 口的邏輯操作及位處理功能，單片機(jī)的邏輯控制功 能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。 4) 低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。 5) 單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置叫典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 4．1．3 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 4．1．3．1 89C51 系列單片機(jī)基本配置 1) 微處理器 該單片機(jī)中有一個(gè)8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括 了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。 2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為128 個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至64k 字節(jié)，用來(lái)存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 3) 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器 的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k 字節(jié)。 4) 中斷系統(tǒng) 具有5 個(gè)中斷源，2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 5) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有2 個(gè)16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式。 6) 串行口 1 個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕?lái)進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行 I/O 口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 7) P1 口、P2 口、P3 口、P4 口 為4 個(gè)并行8 位I/O 口。 8) 特殊功能寄存器 共有21 個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM 區(qū)。 4．1．3．2 引腳及其功能 1) 電源及時(shí)鐘引腳 VCC：接+5V 電源正端； VSS：接+5V 電源地端； X1：接外部晶體振蕩器的一端； X2：接外部晶體振蕩器的另一端。 2) 控制引腳 RESET：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電復(fù)位端。 ALE：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 一每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，用于 鎖存出現(xiàn)在P0 口的低8 位地址。 PSEN：為片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端。 EA ：為訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)，低電平有效。 3) 輸入/輸出引腳 P3 口的第二功能： P3.0：RXD，串行輸入通道； P3.1：TXD，串行輸出通道； P3.2：INT0，外部中斷0； P3.3：INT1，外部中斷1； P3.4：T0，計(jì)數(shù)器0 外部輸入； P3.5：T1，計(jì)數(shù)器1 外部輸入； P3.6：WR ，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通； P3.7： RD，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通。 圖4-1 89c51 引腳圖 4.2 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 4．2．1 驅(qū)動(dòng)芯片概念 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，還要處理另一類數(shù)字量，即開(kāi)關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)。 它們是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”，即電平的高和低出現(xiàn)的。如開(kāi)關(guān)觸電 的閉合和斷開(kāi)，指示燈的亮和滅，繼電器和接觸器的吸合和釋放，馬達(dá)的啟 動(dòng)和停止，晶閘管的通和斷，閥門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉等，我們稱為開(kāi)關(guān)量。開(kāi)關(guān) 量所控制的執(zhí)行器所要求的控制電壓一般都比較高，電流一般都較大，有的 是直流驅(qū)動(dòng)，有的是交流驅(qū)動(dòng)，必須根據(jù)具體對(duì)象采用適當(dāng)?shù)慕涌?。開(kāi)關(guān)量 的輸出接口實(shí)質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)做“弱電”控制“強(qiáng)電”。它需要解決兩個(gè) 重要問(wèn)題：隔離和驅(qū)動(dòng)。 用單片機(jī)控制各種各樣的高壓、大電流負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電 器、燈泡等時(shí)，不能用單片機(jī)的I/O 線來(lái)直接驅(qū)動(dòng)。P0、P1、P2、P3 四個(gè)口都可以做輸出口，但其驅(qū)動(dòng)能力不同。P0 口的驅(qū)動(dòng)能力較大，當(dāng)其輸出高電平時(shí)，可提供400 m A的電流；當(dāng)其輸出低電平（0.45V）時(shí)，則可提供3.2mA的灌電流，如低電平允許提高，灌電流會(huì)相應(yīng)加大。P1、P2、P3 口的每一位只能驅(qū)動(dòng)四個(gè)LSTTL，即可提供的電流只有P0 口的一半。所以，用低電平輸出可獲得比高電平輸出更大的驅(qū)動(dòng)能力。目前，一些MCS-51 系列單片機(jī)的引腳驅(qū)動(dòng)能力有所提高，如89C2051，一些引腳可提供20mA 的灌入電流。但大多數(shù)場(chǎng)合，單片機(jī)I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力是不夠的，必須通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)電路來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力。 4．2．2 L298芯片原理 L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)。L298N 之接腳如圖所示，Pin1 和Pin15 可與電流偵測(cè)用電阻連 接來(lái)控制負(fù)載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)；input1~input4 輸入控制電位來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。 4．3流程圖： 4．4 匯編程序 org 0000h ljmp start org 0100h start: lcall m2l ；使2電機(jī)反轉(zhuǎn)，達(dá)到回歸原點(diǎn)的目的 lcall m1u ；先X軸方向電機(jī)反轉(zhuǎn)，后Y軸方向電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) mov a,#0ffh mov p0,a xjac: jnb p1.6,goa ；循環(huán)監(jiān)測(cè)去向信息 jnb p1.7,goc ajmp xjac goa: lcall m1d ；去A處 lcall delay ；在A處等待2秒，方便添加中斷，執(zhí)行中斷 lcall m1u ljmp start goc: lcall m2r ；去C處 lcall m1d lcall delay lcall m1u lcall m2l ljmp start ;*-------------------------------------------------------------------------------------- ；M1正轉(zhuǎn)子程序 m1d: mov a,#00010001b mov p0,a loop: jnb p1.0,stopm1 jnb p1.5,stopm1 mov b,#2 ajmp loop stopm1: lcall sdelay djnz b,loop mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret ;*------------------------------------------------------------------------------------- ；M1反轉(zhuǎn)子程序 m1u: mov a,#00010010b mov p0,a loop1: jnb p1.1,stopm2 jnb p1.4,stopm2 mov b,#2 ajmp loop1 stopm2: lcall sdelay djnz b,loop1 mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret ;*----------------------------------------------------------------------------------- ；M2正轉(zhuǎn)子程序 m2r: mov a,#00100100b mov p0,a loop2: jnb p1.3,stopm3 mov b,#2 ajmp loop2 stopm3: lcall sdelay djnz b,loop2 mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret ;*-------------------------------------------------------------------------------- ；M2 反轉(zhuǎn)子程序 m2l: mov a,#00101000b mov p0,a loop3: jnb p1.2,stopm4 mov b,#2 ajmp loop3 stopm4: lcall sdelay djnz b,loop3 mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret ;*-------------------------------------------------------------------------------- ；延遲2s子程序 delay: mov r7,#100 dell1: mov r6,#100 dell2: mov r5,#100 dell3: djnz r5,dell3 djnz r6,dell2 djnz r7,dell1 ret ;*------------------------------------------------------------------------------ ；消抖延遲程序 sdelay: mov r7,#25 del2: mov r6,#20 del1: djnz r6,del1 djnz r7,del2 ret ;*----------------------------------------------------------------------------- 結(jié)論 本文全面介紹了機(jī)械手的軟件與硬件的設(shè)計(jì)思路，并且按照工廠應(yīng)用的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)。利用本機(jī)械手可以輕松做到多類別零件的分類，故本機(jī)械手采用了直流電機(jī)，其可控性優(yōu)越且容易通過(guò)設(shè)計(jì)算法消除外來(lái)干擾信號(hào)，調(diào)速范圍大，靜態(tài)性能好。同時(shí)，直流電機(jī)的帶動(dòng)負(fù)載的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。適合應(yīng)用于工廠車(chē)間。程序采用匯編語(yǔ)言編程，在功能實(shí)現(xiàn)上基本滿足要求，采用子程序結(jié)構(gòu)，使程序的可讀性有了較大的提高。本機(jī)械手考慮到實(shí)際應(yīng)用情況，作為搬運(yùn)機(jī)械手，對(duì)位置的精確性要求并非特別嚴(yán)格，所以并未增加電機(jī)部分轉(zhuǎn)速的回饋。節(jié)約了生產(chǎn)成本，但硬件結(jié)構(gòu)與軟件程序?yàn)樵黾愚D(zhuǎn)速回饋留有修改位置。方便將來(lái)對(duì)該搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行精確性改進(jìn)。在電機(jī)的控制按鈕處，我考慮到有抖動(dòng)的情況會(huì)致使電機(jī)誤操作，故設(shè)計(jì)了消抖的環(huán)節(jié)，以便于更精確的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，防止由于電壓或電流不穩(wěn)定造成的誤觸發(fā)。設(shè)計(jì)更為合理。 參考文獻(xiàn) [1] 劉丁.自動(dòng)控制理論,高等教育出版社2005,40~53. 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