机械手控制设计

山东华宇职业技术学院毕业设计 山东华宇职业技术学院高职毕业生毕业设计（论文）课题名称 机械手控制设计 专业： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目： 机械手控制设计 专业： 机电一体化 姓名： 毕业设计（论文）工作起止时间：2011年10月10日2011年11月10日毕业设计（论文）的内容要求： 生产线上有红黑两种直径为2cm 厚1cm 的圆铁片，设计一种机械手，该手能自动筛选出红色铁片，并把红色铁片放到指定位置。机械手有上行/下行、左行/右行、放松/夹紧几个运行方式，并要求机械手有判别铁片颜色的功能，且能准确把握铁片位置、重量、形状等因素。该手运行路径合理，接近指定位置时能够减速运行。整个过程无人工操作，系统通过传感装置检测工件，工作结束后能自动停止。自动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，通常由连杆和关节组成，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。 指导教师（签名）： 年 月 日毕业设计开题报告一、课题设计（论文）目的及意义工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：1、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。2、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势二、课题设计（论文）提纲1、机械手概述2、机械手总体方案设计主要包括机械手设计要求和基本设计思路3、硬件结构设计主要包括机械手尺寸的确定、传动部分的设计、单片机的选择、驱动芯片的选择、传感器的确定、接口电路、电路图绘制等。软件电路部分设计 电路图绘制 4、设计过程、序流程框图、考程序、片机装置安装与调试的注意事项三、课题设计（论文）思路、方法及进度安排思路：主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。1.机械手的工艺流程: 机械手原位机械手前伸机械手上升机械手抓取并夹紧机械手后退机械手前进（小车）小车停止机械手左转90°机械手前伸机械手松开机械手后退（小车）机械手下降机械手右转90°小车后退退至原位2.毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活运用。现在的发展趋势是机电一体化，因此，我们的毕业设计是要我们将“机”、“电”、“液”三者合并起来。“机”即是指机械，机械手的动作过程可以分为：机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的加紧放松、机械手的左转右转。这几部分中我们靠机械完成机械手的上升下降动作。进度安排：第一周 准备开题报告会；第二周 据课题进展情况完成中期检查表，并口头汇报工作；第三周 基本完成设计工作，交由老师审阅。第四周 根据老师提出的意见，进行论文修改，并提交答辩小组审阅。四、课题设计（论文）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,1996:108-1102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,1999:13刘鑫.工业控制计算机的设计技术.自动化博览,2001(6):9-114 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,2003(2):50-525邓星钟.机电传动控制.武昌:华中科技大学出版社,2001:349-3516张建民.机电一体化系统设计.北京:北京理工大学出版社,2000:15-267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,2001:102-10610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):12-1611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目录第1章 机械手设计概述21.1 机械手概述2第2章 机械手总体方案设计42.1 设计要求42.2 基本设计思路42.2.1 CPU42.2.2 传动机构52.2.3 机械手52.2.4 抓取机构72.2.5 机械手的驱动方式82.2.6 设计方案的定型10第3章 硬件结构设计113.1 机械手尺寸的确定113.2 传动部分的设计113.3 单片机的选择153.4 驱动芯片的选择173.5 传感器的确定223.6 接口电路22第4章 控制电路部分设计及程序调试264.1电路图绘制264.2设计过程284.3 程序流程框图294.4参考程序：314.5 单片机装置安装与调试的注意事项37全文总结38致谢39参考文献40机械手控制设计姓名：XXX 学号：XXXXXXXXXXX 班级：XXXXXXXXXX指导教师：XXX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以及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，电机控制第1章 机械手设计概述1.1 机械手概述机械化、自动化已成为现代工业中突出的主题。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现和应用，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。目前我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手。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，可以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。这种机械手在国外通常被称之为“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，机械手通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。机械手执行机构驱动-传动系统控制系统手部腕部臂部腰部基座部（固定或移动）电、液或气动驱动装置单关节伺服控制器关节协调及其他信息交换计算机图1-1 机械手的一般组成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。目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。机械手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。机械手的各部分之间必然存在着相互关联、相互影响和相互制约的关系。它们之间的相互关系如图1-2 所示。第2章 机械手总体方案设计2.1 设计要求生产线上有红黑两种直径为2cm 厚1cm 的圆铁片，设计一种机械手，该手能自动筛选出红色铁片，并把红色铁片放到指定位置。机械手有上行/下行、左行/右行、放松/夹紧几个运行方式，并要求机械手有判别铁片颜色的功能，且能准确把握铁片位置、重量、形状等因素。该手运行路径合理，接近指定位置时能够减速运行。整个过程无人工操作，系统通过传感装置检测工件，工作结束后能自动停止。自动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，通常由连杆和关节组成，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2.2 基本设计思路总体设计框图如下所示： 、单片机光电传感器独立键盘计算机机械手电磁铁机械手抓手驱动芯片伺服电机增量式光电编码器传动部件机械手手臂 图2-1 总体设计框图2.2.1 CPUCPU 部分有两种选择:单片机控制和PLC 控制。2.2.2 传动机构传动机构种类繁多，常见的有齿轮传动、齿条传动、丝杆传动、链条传动。由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机械手的传动机构的一般要求有：（1）结构紧凑，即具有相同传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长、价格低。2.2.3 机械手1.机械手的组成机械手一般由执行机构、控制系统、驱动系统三个部分组成。（1）执行机构1) 手腕 手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。2) 手臂 手臂是支承手腕和末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的位置。3) 机座 机座是机械手的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式和移动式两类。（2）控制系统控制系统用来控制机械手按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制系统。大多数工业机械手采用计算机控制，这类控制系统分为决策级，策略级和执行级三级：决策级的功能是识别环境、建立模型、将工作任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。（3）驱动系统驱动系统是按照控制系统发出的指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。常用的有电气、液压、气动和机械等四种驱动方式。除此之外，机械手可以配置多种传感器（如位置、力，触觉，视觉等传感器），用以检测其运动位置和工作状态。2.机械手的分类机械手按坐标形式、控制方式、驱动方式和信号输入方式四种方法分类。（1）按坐标形式分坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。1) 直角坐标式 直角坐标机械手的末端执行器在空间位置的改变是通过三个互相垂直的轴线移动来实现的，即沿X 轴的纵向移动、沿Y 轴的横向移动及沿Z 轴的升降。这种机械手位置精度最高，控制无耦合，比较简单，避障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差。2) 圆柱坐标式 圆柱坐标机械手通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变，其手臂的运动由在垂直立柱的平面伸缩和沿立柱升降两个直线运动及手臂绕立柱转动复合而成。这种机械手位置精度较高，控制简单，避障性好，但结构也较庞大。3) 极坐标式 极坐标机械手的运动由一个直线运动和两个转动组成，即沿手臂方向X轴的伸缩，绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这种机械手占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题。4) 关节坐标式 关节坐标机械手主要是由立柱、大臂和小臂组成，立柱绕Z轴旋转，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，大臂和小臂作俯仰运动。这种机械手工作范围大，动作灵活，避障性好，但位置精度低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。（2）按控制方式分1) 点位控制 采用点位控制的机械手，其运动为空间点到点之间的直线运动，不涉及两点之间的移动轨迹，只在目标点处控制机械手末端执行器的位置和姿态。这种控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。2) 连续轨迹控制 采用连续轨迹控制的机械手，其运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。机器人在空间的整个运动过程都要控制，末端执行器在空间任何位置都可以控制姿态。（3）按驱动方式分1) 电力驱动 电力驱动是目前采用最多的一种。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服电动机，现在交流伺服电动机的应用也得到了迅速发展。这类驱动单元可以直接驱动机构运动，也可以通过谐波减速器装置减速后驱动机构运动，结构简单紧凑。2) 液压驱动 液压驱动的机械手具有很大的抓取能力，可抓取质量达上百公斤的物体，油压可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求较高，不宜在高温或低温现场工作，需配备一套液压系统。3) 气压驱动 气压驱动的机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩性，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7MPa，因此抓取力小，只能抓取重量为几公斤到十几公斤的物体。（4）按信号输入方式分1) 人操作机械手 是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的机械手。2) 固定程序操作机械手 按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定作业任务的机械手。3) 可变程序操作机械手 它与固定程序机械手基本相同，但其工作次序等信息易于修改。4) 程序控制机械手 它的作业指令是由计算机程序向机械手提供的，其控制方式与数控机床一样。5) 示教再现机械手 这类机械手能够按照记忆装置存储的信息来复现由人示教的动作，其示教动作可自动地重复执行。6) 智能机械手 采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其自身的决策能力，完成相应的工作任务。2.2.4 抓取机构抓取机构是机械手执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。抓取机构可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。2.2.5 机械手的驱动方式该机械手一共具有三个独立的运动关节，连同末端机械手的运动，一共需要三个动力源。机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表：内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为50140pa大，压力范围为4860pa较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，表2-1 三种驱动方式的特点对照如下：安全性防爆性能好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kpa（10个大气压）时应注意设备的抗压缩性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机械手中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手，如冲压机械手本体的气动平衡及装配机械手气动夹具适用于中小负载 ，要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机携手、装配机械手等。成本维修及使用液压元件成本较高方便，但油液对环境温度有一定的要求成本低，方便成本高较复杂机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机械手的驱动系统的要求有：（1） 驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；（2） 反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；（3） 驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（4） 安全可靠；（5） 操作和维护方便；（6） 对环境无污染，噪声要小；（7） 经济上合理。2.2.6 设计方案的定型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式机械手。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3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定为280mm，小臂有效距离长定为170mm，机械手3D 图如下：图3-1机械手3D 图3.2 传动部分的设计（1） 机械手由三台伺服电机驱动：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：基座部分装有伺服电机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、丝杆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。 图3-2 伺服电机图（4）微型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： 图3-3 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做位置检测，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4V6V 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1ms2ms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）选用的伺服马达我选用的伺服马达为TowPro ，型号为SG303。其主要技术参数如下：转速：0.23 秒60 度。力矩：3.2kgcm。尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。重量：0.6kg。电压：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，就可以得到不同的控制效果。（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。前者称码盘，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“”还是“”；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“”还是“”。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用的就是增量式编码器原理，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。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，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(1).主要确定丝杆的外径d及长度，选择螺纹的类型，牙型角，计算出螺纹中径d2，螺纹升角，定出螺距P，求出螺纹导程S。可用下式进行计算此公式也用来计算齿轮等圆形零件的转动惯量i -由电机轴到丝杠一级齿轮减速器的传动比（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，选定轴承后，还要进行轴承的寿命计算3.3 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） 单片机的特点1) 优异的性能价格比。2) 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中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较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。（3） 单片机硬件结构1) 89C51 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，片外最多可扩展至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，片外最多可扩展至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) 并行I/O端口 4个8位并行I/O端口P0 口、P1 口、P2 口、P3 口。共有21个可寻址的特殊功能寄存器，用于对片内的各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；XTAL1：接外部晶体振荡器的一端；XTAL2：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，用于锁存出现在P0口的低8位地址，以实现低8位地址和数据的隔离。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3-1 89c51 引脚图3.4 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400 mA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 原理及应用摘要 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CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200 广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。本文介绍了 LMD18200 芯片的结构、原理及其典型应用。（1）主要性能峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；工作电压高达55V；Low RDS(ON) typically 0.3W per switch；TTL/CMOS 兼容电平的输入；无 “shoot-through” 电流；具有温度报警和过热与短路保护功能；芯片结温达145，结温达170时，芯片关断；具有良好的抗干扰性。（2） 典型应用l 驱动直流电机、步机电机2 伺服机构系统位置与转速3 应用于机器人控制系统4 应用于数字控制系统5 应用于电脑打印机与绘图仪（3） 内部结构和引脚说明LMD18200 外形结构如图1所示，内部电路框图如图2所示。它有11个引脚,采用TO-220 和双列直插式封装。各引脚的功能如下：引脚名称功能描述1、11桥臂1，2的自举输入电容连接端在脚1与脚2、脚10与脚11之间接入10uf的自举电容2、10H桥输出端3方向输入端转向时输出驱动电流方向见表1.该脚控制输出1与输出2（脚2、10）之间电流的方向，从而控制马达旋转方向4刹车输入端刹车时，输出驱动电流方向见表1，通过该端将马达绕组短路而使其刹车。刹车时，将该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端（脚5）置逻辑高电平，3脚的逻辑状态决定于短路马达所用的器件。3脚为逻辑高电平时，H桥中2个高端晶体管导通；3脚为逻辑低电平时，H桥中2个低端晶体管导通。脚4置逻辑高电平、脚5置逻辑低电平时，H桥中所有晶体管关断，此时，每个输出端只有很小的偏流（1.5mA）。5PWM信号输入端PWM信号与驱动电流方向的关系见表1.该端与3脚（方向输入）如何使用决定于PWM信号类型。6、7电源正端与负端8电流取样输出端提供电流源取样信号，典型值为377uA/A。9温度报警输出温度报警输出，提供温度报警信号。芯片结温达145摄氏度时,该端变为低电平;结温达170摄氏度时芯片关断。表1LMD18200逻辑真值表PWM转向刹车实际输出驱动电流电机工作状态HHL流出1，流入2正转HLL流入1，流出2反转LXL流出1，流出2停止HHH流出1，流出2停止HLH流入1，流入2停止LXHNONELMD18200的工作原理：内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路有一个300kHz 左右的工作频率。可在引脚1、11 外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率也就越高。引脚 2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9 输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号3.5 传感器的确定颜色传感器，通过一种特殊的三色方式发挥作用。传感器把光（红、蓝、绿）投射到将被检测的物体上，计算来自反射辐射的色度坐标，并与之前存储的三色值进行比较。当三色值在设定的允许偏差范围内，就会产生一个交换输出。传感器使用白炽灯做光源，使用光电池做接收器，直到后来发明了高效的可见光LED。现在，多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器。经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离，这是因为检测距离是一个非常重要的参数。未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体，这些场合要求的响应速度都非常快。但是，现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度，能满足大多数的检测应用。图 4-2 CSSRE（M18 颜色识别传感器）颜色值或颜色 模拟量输出0-10V最大颜色选择度导向光束（红色）响应时间，典型值：100s自检功能独立放大器，1种颜色自学功能物体尺寸>5mm信号强度0-10V距离：5-200mm白色光源达到32色自学功能的FSK存储卡任选附件防护等级IP 65 光源，自适应颜色传感器和放大器3.6 接口电路1.串行通信的基本原理计算机的数据传送有并行和串行两种方式。并行数据传送的特点是：各数据同时传送，传送速度快，效率高。但并行数据传送有多少数据位就需要多少根数据线，因此传送成本高。并行数据传送的距离通常小于30 米，计算机内部的数据传送通常都是并行的；串行数据传送的特点是：数据传送按位顺序进行，最少只需一根线即可完成，成本低但速度慢。计算机与外界的数据传送大多是串行的，其传送的距离可以从几米到几千公里。串行通信又分为异步和同步两种方式。单片机中使用的串行通信通常都是异步方式的。（1）串行通信的数据传送格式异步串行通信以字符为单位，即一个字符一个字符地传送。其字符格式通常表示如下：它用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束构成一帧。异步通信的特点是每次只传送一个字符，每个字符由起始位（规定为低电平）、数据位、奇偶校验位、停止位（规定为高电平12 位）组成。由于单片机的停止位规定为1位，为了与单片机相匹配，PC机的一帧数据的停止位我们也采用1位。（2）串行通信的收发过程发送方发送数据时，通过发送低电平起始位开始一个字符的传送，起始位之后便按特定的速率发送数据位（包括奇偶校验位），当最后一位数，对于采用奇偶个高电平停止位用以标志一个字符传送结束，这样就完成了一帧数据发送。如果不再发送新数据或数据尚未准备好，就将传输线钳在高电平状态。接收方不断检测传输线的电平状态，当发现传输线由高电平变为低电平时（起始位标志位），即认为有数据传入，进入接收状态，然后以相同的速率检测传输线的电平状态，接收随后送来的数据位，奇偶校验位和停止位。可见在异步通信方式中，发送方是靠控制传输线的电平状态来完成数据的发送。接收方通过不断检测数据线的状态来完成数据的接收，只要发送率和接收检测速率相同，即能准确接收和发送数据。发送与接收设备可以使用各自的时钟源完成数据的发送与接收，无需使用相同的时钟信号。（3）串行通信的传送速率传送速率用于说明数据传送的快慢。在串行通信中，数据是按位进行传送的，因此传送速率用每秒钟传送二进制数码的位数来表示，称之为波特率。在串行通信中常用波特率来衡量通信速率的快慢，每秒钟传送一位就是一波特，一般异步通信波特率为1109600KHZ。在选择通信的波特率时，不要盲目追高，要以满足数据传输要求为原则。因为波特率越高，对发送和接收时钟信号频率的一致性要求就越高。（4）串行通信的电平转换PC 机与单片机是通过串行口进行通信的。由于单片机的输入、输出是TTL 电平（+5V 表示逻辑1，电平低于2V 便不能被识别为逻辑1；0V 表示逻辑0），TTL电平一般不能用于远距离传输，因为传输过程中电平的衰减会使传输数据不准确。而PC机配置的是RS232串行接口，因此，单片机与PC机之间进行通信时，要进行电平的转换，需要将TTL电平转换为RS232 电平（-5V-15V 表示逻辑1，+5V+15V 表示逻辑0），在传输线上传送的RS232 电平可高达 12V，比TTL 电平有更强的抗衰减能力及抗干扰能力，可用于远距离传输。常用的电平转换芯片为MAX232，此芯片能实现以上两种电平的相互转换。另外，信号传输的介质最好使用双绞线，有利于抑制外界共模信号的干扰。2.单片机与PC机串行通信的实现手段由于PC机中集成了串行异步通信的可编程芯片8250，我们可以通过PC机的串行通信口COM1或COM2对它进行控制，因而不需要再单独做实验板。我们可以把单片机的内部电平转换接口与PC机的串行通信口COM1或COM2通过串行连接线连接起来，然后用软件对它们进行初始化，使它们运行各自的接收或发送程序。在具体编程的时候，我们可以实现很多的功能。例如，我们可以从PC机和单片机中读其RAM 或ROM 的内容，对它们进行在线修改。PC机的程序可以用汇编程序MASM6.0、VB、C+Bilder 或VC+进行编写。控制电路与计算机通讯能够在计算机上作监控界面，使机械手控制更加人性化。 图4-3 串行通讯电路第4章 控制电路部分设计及程序调试4.1电路图绘制（1） 系统控制电路图如下： 图4-4 系统控制电路图（2） 电路图说明：PC 机通过电频转换器将程序传送至单片机，单片机通过驱动芯片控制步进电机正反转，使传感器到达指定位置。传感器检测工件颜色，并发射相应信号给单片机（红色，进行下一步；黑色，停止、延时；无反射，程序结束），单片机通过已设定的程序完成相应步骤。（3） 单片机电路1) 看门狗复位电路复位操作通常有两种基本形式：上电复位和按键复位。本电路中采用的是上电复位，其工作原理为：上电瞬间，RC 电路充电，RST 引脚端出现正脉冲，只要RST 端保持两个时钟周期以上的高电平，就能使单片机有效的复位。看门狗又叫 watchdog timer,是一个定时器电路, 一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到MCU 的RST 端,MCU 正常工作的时候,每隔一段时间输出一个信号到喂狗端,给 WDT 清零,如果超过规定的时间不喂狗(一般在程序跑飞时),WDT 定时超过,就会给出一个复位信号到MCU使MCU复位，防止MCU死机。看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环，或者说PC指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复位。看门狗复位电路图如下所示：图4-1 看门狗复位电路2) 晶振电路MCS-51 系列单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2端外接晶体振荡器，就构成了内部振荡电路，如下图所示。图中C3、C4 起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般为530pF。晶振常选用频率为6MHz、12MHz 或24MHz 的，采用串口时常使用频率为11.0592MHz 的晶振。内部振荡方式所得到的时钟信号比较稳定，应用较多。 图4-1 振荡电路 主机模块电源模块传感器模块继电器模块 智能物料搬运装置 显示模块4.2设计过程（1）外部电路连接图如图2所示图2外部电路连接图（2）实验接线：物料搬运装置 传感器配接模块 主机模块 继电器模块 物料搬运 （端子号4） IN0 OUT0 P3.0 （5） IN1 OUT1 P3.1（6） IN2 OUT2 P3.2（7） IN3 OUT3 P3.3（8） IN4 OUT4 P3.4（9） IN5 OUT5 P3.5（11） IN6 OUT6 P3.6 （12） IN7 OUT7 P3.7（10） IN0 OUT0 P2.0NO （端子号13） P1.0 K2 NO （14） P1.1 K3 NO （15） P1.2 K4NO （16） P1.3 K5 NO （17） P1.4 K6物料搬运装置 传感器配接模块 继电器模块 红端24V COM 24V COM+ 5V COM 24V地 黑端0V COM- 0V 4.3 程序流程框图程序开始运行后，系统初始化，机械手回到原始位置。传送带将工件运送过来，到达指定位置后延时1s。这时传感器开始检验，向工件位置发射光线，通过是否有收到反射光来判断工件是否到达指定位置。如果有发射光，则运行下一步程序，开始搬运工件。如此循环，直到传感器不再接受到反射光，则加工停止，程序结束。程序流程图如下：414.4参考程序：RS EQU P1.7 RW EQU P1.6 E EQU P1.5 CS1 EQU P3.1 CS2 EQU P3.5 RES EQU P3.4 COM EQU 20H DAT EQU 30H DATA_ORA EQU P2