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1、 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 高職畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 課題名稱 機(jī)械手控制設(shè)計(jì) 專業(yè)： 班級： 學(xué)號： 姓名： 指導(dǎo)教師： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)

2、書 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 機(jī)械手控制設(shè)計(jì) 專業(yè)： 機(jī)電一體化 姓名： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作起止時(shí)間： 2011年10月10日—2011年11月10日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容要求： 生產(chǎn)線上有紅黑兩種直徑為2cm 厚1cm 的圓鐵片，設(shè)計(jì)一種機(jī)械手，該手能自動(dòng)篩選出紅色鐵片，并把紅色鐵片放到指定位置。機(jī)械手有上行/下行、左行/右行、放松/夾緊幾個(gè)運(yùn)行方式，并要求機(jī)械手有判別鐵片顏色的功能，且能準(zhǔn)確把握鐵片位置、重量、形狀等因素。該手運(yùn)行路徑合理，接近指定位置

3、時(shí)能夠減速運(yùn)行。整個(gè)過程無人工操作，系統(tǒng)通過傳感裝置檢測工件，工作結(jié)束后能自動(dòng)停止。 自動(dòng)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。

4、 指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 一、課題設(shè)計(jì)（論文）目的及意義 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高

5、技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： 1、以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 2、以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒

6、性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢 二、課題設(shè)計(jì)（論文）提

7、綱 1、機(jī)械手概述 2、機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械手設(shè)計(jì)要求和基本設(shè)計(jì)思路 3、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械手尺寸的確定、傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)、單片機(jī)的選擇、驅(qū)動(dòng)芯片的選擇、傳感器的確定、接口電路、電路圖繪制等。軟件電路部分設(shè)計(jì) 電路圖繪制 4、設(shè)計(jì)過程、序流程框圖、考程序、片機(jī)裝置安裝與調(diào)試的注意事項(xiàng) 三、課題設(shè)計(jì)（論文）思路、方法及進(jìn)度安排 思路：主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 1.機(jī)械手的工藝流程: 機(jī)械手原位→機(jī)械手前伸→機(jī)械手上升→機(jī)械手抓取并夾緊→機(jī)械手后退→機(jī)械手前進(jìn)（小車）→小車停止→機(jī)械手左轉(zhuǎn)90°→機(jī)械手前伸→機(jī)械手松開→機(jī)械手后退（小車）→

8、機(jī)械手下降→機(jī)械手右轉(zhuǎn)90°→小車后退→退至原位 2.畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的就是要把我們所學(xué)的比較分散的知識綜合起來，并進(jìn)行靈活運(yùn)用。現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機(jī)電一體化，因此，我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)是要我們將“機(jī)”、“電”、“液”三者合并起來?！皺C(jī)”即是指機(jī)械，機(jī)械手的動(dòng)作過程可以分為：機(jī)械手的上升下降、機(jī)械手的前伸后縮、機(jī)械手的加緊放松、機(jī)械手的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。這幾部分中我們靠機(jī)械完成機(jī)械手的上升下降動(dòng)作。 進(jìn)度安排： 第一周 準(zhǔn)備開題報(bào)告會； 第二周 據(jù)課題進(jìn)展情況完成中期檢查表，并口頭匯報(bào)工作； 第三周 基本完成設(shè)計(jì)工作，交由老師審閱。 第四周 根據(jù)老師提出的意見，進(jìn)行論文修改，并提交答辯小組審閱

9、。 四、課題設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn) [1]張建民機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:北京理工大學(xué)出版社,1996:108-110 [2]陳光東. 單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù).武昌: 華中理工大學(xué)出版社,1999:1 [3]劉鑫.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù).自動(dòng)化博覽,2001(6):9-11 [4] 孫克梅. 直流伺服電機(jī)的單片機(jī)控制及應(yīng)用. 沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003(2):50-52 [5]鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制.武昌:華中科技大學(xué)出版社,2001:349-351 [6]張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:北京理工大學(xué)出版社,2000:15-26 [7]廖常初.可編程序控制器的編程方法

10、與工程應(yīng)用.重慶:重慶大學(xué)出版社,2001:102-106 [10]周凱.精密數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)角-線位移雙閉環(huán)位置控制系統(tǒng).中國機(jī)械工程.1998(8):12-16 [11]劉群山, 李志勇, 王勇.沖床送料裝置的單片機(jī)自適應(yīng)控制.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù).1999(3):38-40 目錄 第1章 機(jī)械手設(shè)計(jì)概述 2 1.1 機(jī)械手概述 2 第2章 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1 設(shè)計(jì)要求 4 2.2 基本設(shè)計(jì)思路 4 2.2.1 CPU 4 2.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5 2.2.3 機(jī)械手 5 2.2.4 抓取

11、機(jī)構(gòu) 7 2.2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式 8 2.2.6 設(shè)計(jì)方案的定型 10 第3章 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1 機(jī)械手尺寸的確定 11 3.2 傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 11 3.3 單片機(jī)的選擇 15 3.4 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 17 3.5 傳感器的確定 22 3.6 接口電路 22 第4章 控制電路部分設(shè)計(jì)及程序調(diào)試 26 4.1電路圖繪制 26 4.2設(shè)計(jì)過程 28 4.3 程序流程框圖 29 4.4參考程序： 31 4.5 單片機(jī)裝置安裝與調(diào)試的注意事項(xiàng) 37 全文總結(jié) 38 致謝 39 參考文獻(xiàn) 40 機(jī)械手控制設(shè)計(jì) 姓名：XXX 學(xué)

12、號：XXXXXXXXXXX 班級：XXXXXXXXXX 指導(dǎo)教師：XXX 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)用中越來越重要。文章主要敘述了機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程以及機(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LMD18200 電機(jī)控制芯片達(dá)到控制直流電機(jī)的啟停、速度和方向，完成了篩選機(jī)械手基本要求和發(fā)揮部分的要求。在篩選機(jī)械手設(shè)計(jì)中，采用了PWM 技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制，通過對占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。 關(guān)鍵詞：篩選機(jī)械手，AT89C51 單片機(jī)，L

13、MD18200 電機(jī)控制芯片，PWM技術(shù)，電機(jī)控制 第1章 機(jī)械手設(shè)計(jì)概述 1.1 機(jī)械手概述 機(jī)械化、自動(dòng)化已成為現(xiàn)代工業(yè)中突出的主題。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)和應(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（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)械手或通用機(jī)械手）。 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)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)械手稱為專用機(jī)械手，而把工

14、業(yè)機(jī)械手稱為通用機(jī)械手。 簡而言之，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)械手在國外通常被稱之為“Mechanic

15、al 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，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)械手中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。要機(jī)械手像人一樣拿取東西，最簡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。

16、 機(jī)械手 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 手部 腕部 臂部 腰部 基座部（固定或移動(dòng)） 電、液或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置 單關(guān)節(jié)伺服控制器 關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其他信息交換計(jì)算機(jī) 圖1-1 機(jī)械手的一般組成 對于現(xiàn)代智能機(jī)械手而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)械手“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機(jī)械手的觸覺裝置。機(jī)械手的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)械手的。機(jī)械手的各部分之間必然存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約的關(guān)系。它們之間的相互關(guān)系

17、如圖1-2 所示。 第2章 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 生產(chǎn)線上有紅黑兩種直徑為2cm 厚1cm 的圓鐵片，設(shè)計(jì)一種機(jī)械手，該手能自動(dòng)篩選出紅色鐵片，并把紅色鐵片放到指定位置。機(jī)械手有上行/下行、左行/右行、放松/夾緊幾個(gè)運(yùn)行方式，并要求機(jī)械手有判別鐵片顏色的功能，且能準(zhǔn)確把握鐵片位置、重量、形狀等因素。該手運(yùn)行路徑合理，接近指定位置時(shí)能夠減速運(yùn)行。整個(gè)過程無人工操作，系統(tǒng)通過傳感裝置檢測工件，工作結(jié)束后能自動(dòng)停止。 自動(dòng)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，

18、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 2.2 基本設(shè)計(jì)思路 總體設(shè)計(jì)框圖如下所示： 、單片機(jī) 光電傳感器 獨(dú)立鍵盤 計(jì)算機(jī) 機(jī)械手電磁鐵 機(jī)械手抓手 驅(qū)動(dòng)芯片 伺服電機(jī) 增量式光電編碼器 傳動(dòng)部件 機(jī)械手手臂

19、 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，需要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對機(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；

20、 （4）壽命長、價(jià)格低。 2.2.3 機(jī)械手 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)用來控制機(jī)械手按規(guī)定要求動(dòng)作，可分為開環(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，策略級和執(zhí)行級三級：決策級的功能是識別

21、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。常用的有電氣、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，視覺等傳感器），用以檢測其運(yùn)動(dòng)位置和工作狀態(tài)。 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)方式和信號輸入方式四種方法分類。 （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

22、末端執(zhí)行器在空間位置的改變是通過三個(gè)互相垂直的軸線移動(dòng)來實(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，控制無耦合，比較簡單，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)械手通過兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(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)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軸的伸縮，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，

23、位置精度尚可，但避障性差，有平衡問題。 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，有平衡問題，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多。 （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

24、。機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都要控制，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)是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)械手具有很大的抓取能力，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，但對密封性要求較高，不宜在高溫或低溫現(xiàn)場工作，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)簡單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空氣

25、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的信息來復(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)

26、行。 6) 智能機(jī)械手 采用傳感器來感知工作環(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，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表： 內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 輸出功率 很大，壓力范圍為50—140pa 大，壓力范圍

27、為48—60pa 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。 伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置， 表2-1 三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對照如下：

28、 安全性 防爆性能好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn) 防爆性能好，高于1000kpa（10個(gè)大氣壓）時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓縮性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 對環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時(shí)有噪聲 無 在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)械手，如沖壓機(jī)械手本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)械手氣動(dòng)夾具 適用于中小負(fù)載 ，要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械

29、手、弧焊機(jī)攜手、裝配機(jī)械手等。 成本維修及使用 液壓元件成本較高方便，但油液對環(huán)境溫度有一定的要求 成本低，方便 成本高較復(fù)雜 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對機(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??； （4） 安全可靠； （5） 操作和維護(hù)方便； （6） 對環(huán)境無污染，噪聲要?。? （7） 經(jīng)濟(jì)上合理。 2.2.6 設(shè)計(jì)方案的定型 1.CPU 的選擇 由于單片

30、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.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題，直角坐標(biāo)式靈活性差，不利于提高工作效率。因此為了使其工作方式更加簡單直觀，機(jī)械手坐標(biāo)類型選擇為圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。 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)，即圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，首先排除了帶傳動(dòng)。與此同時(shí)，由于設(shè)計(jì)精度要求較高，所以鏈條傳動(dòng)也不作考慮。剩下絲桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，從零件的加工方面考慮，最終確定了加工較為簡單的齒輪傳動(dòng)。 4.抓取機(jī)構(gòu)的

31、選擇 目前工業(yè)上較長采用的抓取機(jī)構(gòu)為手爪。但是本次設(shè)計(jì)要求的工件為直徑2cm厚1cm 的圓形鐵片，抓取精度要求高，操作難度較大?？紤]到材質(zhì)，因此選擇了電磁閥作為抓取機(jī)構(gòu)。通過電磁閥的通斷來控制工件的抓取和放下，操作方便。 5.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，液壓裝置體積太過龐大，需要專門配置一套液壓系統(tǒng)，且對密封性要求高，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)選擇相對較為簡單，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)會進(jìn)一步放大該誤差，因此選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

32、第3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)對工作場地要求并沒有明確的限制，因此機(jī)械手的尺寸也就沒有明確的規(guī)定，為了設(shè)計(jì)的方便，將機(jī)械手大臂有效距離長定為280mm，小臂有效距離長定為170mm，機(jī)械手3D 圖如下： 圖3-1機(jī)械手3D 圖 3.2 傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) （1） 機(jī)械手由三臺伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)： 電機(jī)M1控制大臂在Z軸旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，電機(jī)M2控制小臂在Z軸的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，電機(jī)C控制末端執(zhí)行器在Z軸的上下移動(dòng)。為了設(shè)計(jì)的方便，控制方式采用點(diǎn)位控制。通過分別控制三臺電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來確定末端執(zhí)行器在空間上的具體位置。由于三臺電機(jī)不是同時(shí)控制，因此不存在相互間的干擾，從而增強(qiáng)

33、了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （2） 具體傳動(dòng)環(huán)節(jié)： 基座部分裝有伺服電機(jī)M1，通過齒輪傳動(dòng)控制大臂旋轉(zhuǎn)，基座與大臂底座用軸承連接；大臂座裝有伺服電機(jī)M2，通過齒輪、絲桿傳動(dòng)控制小臂的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)；末端執(zhí)行器部分裝有伺服電機(jī)M3，同樣通過齒輪、絲桿傳動(dòng)控制末端執(zhí)行器的上下移動(dòng)。 （3） 伺服電機(jī) 一個(gè)伺服電機(jī)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)，一組變速齒輪組，一個(gè)反饋可調(diào)電位器及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。

34、 圖3-2 伺服電機(jī)圖 （4）微型伺服馬達(dá)的工作原理 一個(gè)微型伺服馬達(dá)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示： 圖3-3 伺服電機(jī)原理圖 減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端（輸出端）帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器做位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于0，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。 （5）伺服馬達(dá)的控制 標(biāo)準(zhǔn)的微型

35、伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V—6V 之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)會產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)比例必須合理。輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號，這個(gè)周期性脈沖信號的高電平時(shí)間通常在1ms—2ms之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在5ms 到20ms 之間，并不很嚴(yán)格，下表表示出一個(gè)典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系： （6）選用的伺服馬達(dá) 我選用的伺服馬達(dá)為TowPro ，型號為SG303。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

36、 轉(zhuǎn)速：0.23 秒／60 度。 力矩：3.2kg?cm。 尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。 重量：0.6kg。 電壓：12V 和24V 電源供電。 控制周期脈沖寬度為20ms，送出不同的正脈沖寬度，就可以得到不同的控制效果。 （7）增量式編碼器 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。前者稱碼盤，后者稱碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”。按照工作原

37、理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)，當(dāng)來電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考

38、點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開機(jī)找零等方法。比如，打印機(jī)掃描儀的定位用的就是增量式編碼器原理，每次開機(jī)，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。 增量式編碼器特點(diǎn)：增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無限累加和測量。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。需要提高分辨率時(shí)，可利用90度相位差的 A、B 兩路信號進(jìn)行倍頻或更換高分辨率編碼器。 （8）絲桿及螺母副 (1).主要確定絲桿的外徑d及長度，選擇螺紋的類型，牙型角β，計(jì)

39、算出螺紋中徑d2，螺紋升角φ，定出螺距P，求出螺紋導(dǎo)程S?？捎孟率竭M(jìn)行計(jì)算此公式也用來計(jì)算齒輪等圓形零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 i ------由電機(jī)軸到絲杠一級齒輪減速器的傳動(dòng)比 （9）滾動(dòng)軸承 滾動(dòng)軸承的類型、尺寸和公差等級均已制定有國家標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中只需根據(jù)工作條件選擇合適的軸承類型，尺寸和公差等級等，并進(jìn)行軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 按滾動(dòng)軸承承受載荷的作用方向，常用軸承可分為三類，即徑向接觸軸承、向心角接觸球軸承和軸向接觸軸承。在機(jī)械手的設(shè)計(jì)中，通常使用角接觸球軸承、圓錐滾子軸承或深溝球軸承和推力球軸承的組合件。選擇軸承要根據(jù)它所支承的軸的粗度（一般軸徑的設(shè)計(jì)要先由計(jì)算的強(qiáng)度來確定基本尺寸

40、，再根據(jù)GB/T2822-81 來選取標(biāo)準(zhǔn)尺寸，也可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件如軸承等決定）來決定，選定軸承后，還要進(jìn)行軸承的壽命計(jì)算 3.3 單片機(jī)的選擇 （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。 （2） 單片機(jī)的特點(diǎn) 1) 優(yōu)異的性能價(jià)格比。 2) 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，對于強(qiáng)磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在

41、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)中均有極豐富的轉(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)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 （3） 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 1) 89C51 系列單片機(jī)基本配置如下： a) 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。 b) 數(shù)據(jù)存儲器

42、 片內(nèi)為128 個(gè)字節(jié)，片外最多可擴(kuò)展至64k 字節(jié)，用來存儲程序在運(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)存儲器。 c) 程序存儲器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲器，片外最多可擴(kuò)展至64k 字節(jié)。 d) 中斷系統(tǒng)具有5個(gè)中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。 e) 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。 f) 串行口1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進(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。

43、 g) 并行I/O端口 4個(gè)8位并行I/O端口P0 口、P1 口、P2 口、P3 口。共有21個(gè)可尋址的特殊功能寄存器，用于對片內(nèi)的各功能的部件進(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)。 2) 引腳及其功能 a) 電源及時(shí)鐘引腳 VCC：接+5V 電源正端； VSS：接+5V 電源地端； XTAL1：接外部晶體振蕩器的一端； XTAL2：接外部晶體振蕩器的另一端。 b) 控制引腳 RESET：單片機(jī)上電復(fù)位端。 ALE：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址，以實(shí)現(xiàn)低8位地址和數(shù)據(jù)的隔離。 PSEN：為片外程序

44、存儲器讀選通信號輸出端。 EA ：為訪問外部程序存儲器控制信號，低電平有效。 c) 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)存儲器寫選通； P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通。 圖3-1 89c51 引腳圖 3.4 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，還要處理另一類數(shù)字量，即開關(guān)信號、脈沖信號。它們是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”，即電平的高

45、和低出現(xiàn)的。如開關(guān)觸電的閉合和斷開，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，閥門的打開和關(guān)閉等，我們稱為開關(guān)量。開關(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)具體對象采用適當(dāng)?shù)慕涌?。開關(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4

46、00 mA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)場合，單片機(jī)I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力是不夠的，必須通過各種驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)電路來提高驅(qū)動(dòng)能力。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200 原理及應(yīng)用 [摘要] LMD18200 是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組

47、件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。LMD18200 廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域。本文介紹了 LMD18200 芯片的結(jié)構(gòu)、原理及其典型應(yīng)用。 （1）主要性能 峰值輸出電流高達(dá)6A，連續(xù)輸出電流達(dá)3A； 工作電壓高達(dá)55V； Low RDS(ON) typically 0.3W per switch； TTL/CMOS 兼容電平的輸入； 無 “shoot-through” 電流； 具有溫度報(bào)警和過熱與短路保護(hù)功能； 芯片結(jié)溫達(dá)145℃，結(jié)溫達(dá)170℃時(shí)，

48、芯片關(guān)斷； 具有良好的抗干擾性。 （2） 典型應(yīng)用 l 驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步機(jī)電機(jī) 2 伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)位置與轉(zhuǎn)速 3 應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng) 4 應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng) 5 應(yīng)用于電腦打印機(jī)與繪圖儀 （3） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳說明 LMD18200 外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部電路框圖如圖2所示。它有11個(gè)引腳,采用TO-220 和雙列直插式封裝。 各引腳的功能如下： 引腳 名稱 功能描述 1、11 橋臂1，2的自舉輸入電容連接端 在腳1與腳2、腳10與腳11之間接入10uf的自舉電容 2、10 H橋輸出端 3 方向輸入端 轉(zhuǎn)向時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見表1.該腳控制輸出1

49、與輸出2（腳2、10）之間電流的方向，從而控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向 4 剎車輸入端 剎車時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見表1，通過該端將馬達(dá)繞組短路而使其剎車。剎車時(shí)，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號輸入端（腳5）置邏輯高電平，3腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達(dá)所用的器件。3腳為邏輯高電平時(shí)，H橋中2個(gè)高端晶體管導(dǎo)通；3腳為邏輯低電平時(shí)，H橋中2個(gè)低端晶體管導(dǎo)通。腳4置邏輯高電平、腳5置邏輯低電平時(shí)，H橋中所有晶體管關(guān)斷，此時(shí)，每個(gè)輸出端只有很小的偏流（1.5mA）。 5 PWM信號輸入端 PWM信號與驅(qū)動(dòng)電流方向的關(guān)系見表1.該端與3腳（方向輸入）如何使用決定于PWM信號類型。 6、7 電源正端與

50、負(fù)端 8 電流取樣輸出端 提供電流源取樣信號，典型值為377uA/A。 9 溫度報(bào)警輸出 溫度報(bào)警輸出，提供溫度報(bào)警信號。芯片結(jié)溫達(dá)145攝氏度時(shí),該端變?yōu)榈碗娖?結(jié)溫達(dá)170攝氏度時(shí)芯片關(guān)斷。 表1LMD18200邏輯真值表 PWM 轉(zhuǎn)向 剎車 實(shí)際輸出驅(qū)動(dòng)電流 電機(jī)工作狀態(tài) H H L 流出1，流入2 正轉(zhuǎn) H L L 流入1，流出2 反轉(zhuǎn) L X L 流出1，流出2 停止 H H H 流出1，流出2 停止 H L H 流入1，流入2 停止 L X H NONE LMD18200的工作原理：

51、內(nèi)部集成了四個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路有一個(gè)300kHz 左右的工作頻率?？稍谝_1、11 外接電容形成第二個(gè)充電泵電路，外接電容越大，向開關(guān)管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時(shí)間越短，工作頻率也就越高。引腳 2、10接直流電機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳2到引腳10；反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳8可以接一個(gè)對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為10A，當(dāng)超過該值時(shí)會自動(dòng)封鎖輸出，并周期性的自動(dòng)恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時(shí)間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個(gè)輸出。過熱

52、信號還可通過引腳9 輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145度時(shí)引腳9有輸出信號 3.5 傳感器的確定 顏色傳感器，通過一種特殊的三色方式發(fā)揮作用。傳感器把光（紅、藍(lán)、綠）投射到將被檢測的物體上，計(jì)算來自反射輻射的色度坐標(biāo)，并與之前存儲的三色值進(jìn)行比較。當(dāng)三色值在設(shè)定的允許偏差范圍內(nèi)，就會產(chǎn)生一個(gè)交換輸出。傳感器使用白熾燈做光源，使用光電池做接收器，直到后來發(fā)明了高效的可見光LED。現(xiàn)在，多數(shù)的色標(biāo)傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見光LED發(fā)射器。經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應(yīng)速度以獲取更長的檢測距離，這是因?yàn)闄z測距離是一個(gè)非常重要的參數(shù)。未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來檢測小的物體或動(dòng)作非?？斓奈矬w，這些場合要求

53、的響應(yīng)速度都非?？臁５?，現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非?？斓捻憫?yīng)速度，能滿足大多數(shù)的檢測應(yīng)用。圖 4-2 CSS—RE—（M18 顏色識別傳感器）顏色值或顏色 模擬量輸出0-10V 最大顏色選擇度導(dǎo)向光束（紅色）響應(yīng)時(shí)間，典型值：100μs自檢功能獨(dú)立放大器，1種顏色自學(xué)功能物體尺寸>5mm信號強(qiáng)度0-10V距離：5-200mm白色光源達(dá)到32色自學(xué)功能的FSK存儲卡任選附件防護(hù)等級IP 65 光源，自適應(yīng)顏色傳感器和放大器 3.6 接口電路 1.串行通信的基本原理 計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送有并行和串行兩種方式。并行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)是：各數(shù)據(jù)同時(shí)傳送，傳送速度快，效率高。但并行數(shù)據(jù)傳送有多少

54、數(shù)據(jù)位就需要多少根數(shù)據(jù)線，因此傳送成本高。并行數(shù)據(jù)傳送的距離通常小于30 米，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送通常都是并行的；串行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳送按位順序進(jìn)行，最少只需一根線即可完成，成本低但速度慢。計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送大多是串行的，其傳送的距離可以從幾米到幾千公里。串行通信又分為異步和同步兩種方式。單片機(jī)中使用的串行通信通常都是異步方式的。 （1）串行通信的數(shù)據(jù)傳送格式 異步串行通信以字符為單位，即一個(gè)字符一個(gè)字符地傳送。其字符格式通常表示如下：它用一個(gè)起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束構(gòu)成一幀。異步通信的特點(diǎn)是每次只傳送一個(gè)字符，每個(gè)字符由起始位（規(guī)定為低電平）、數(shù)據(jù)位、奇偶

55、校驗(yàn)位、停止位（規(guī)定為高電平1~2 位）組成。由于單片機(jī)的停止位規(guī)定為1位，為了與單片機(jī)相匹配，PC機(jī)的一幀數(shù)據(jù)的停止位我們也采用1位。 （2）串行通信的收發(fā)過程 發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過發(fā)送低電平起始位開始一個(gè)字符的傳送，起始位之后便按特定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)位（包括奇偶校驗(yàn)位），當(dāng)最后一位數(shù)，對于采用奇偶個(gè)高電平停止位用以標(biāo)志一個(gè)字符傳送結(jié)束，這樣就完成了一幀數(shù)據(jù)發(fā)送。如果不再發(fā)送新數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)尚未準(zhǔn)備好，就將傳輸線鉗在高電平狀態(tài)。接收方不斷檢測傳輸線的電平狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳輸線由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)（起始位標(biāo)志位），即認(rèn)為有數(shù)據(jù)傳入，進(jìn)入接收狀態(tài)，然后以相同的速率檢測傳輸線的電平狀態(tài)，接收隨后送來的

56、數(shù)據(jù)位，奇偶校驗(yàn)位和停止位?？梢娫诋惒酵ㄐ欧绞街?，發(fā)送方是靠控制傳輸線的電平狀態(tài)來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。接收方通過不斷檢測數(shù)據(jù)線的狀態(tài)來完成數(shù)據(jù)的接收，只要發(fā)送率和接收檢測速率相同，即能準(zhǔn)確接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送與接收設(shè)備可以使用各自的時(shí)鐘源完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，無需使用相同的時(shí)鐘信號。 （3）串行通信的傳送速率 傳送速率用于說明數(shù)據(jù)傳送的快慢。在串行通信中，數(shù)據(jù)是按位進(jìn)行傳送的，因此傳送速率用每秒鐘傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)來表示，稱之為波特率。在串行通信中常用波特率來衡量通信速率的快慢，每秒鐘傳送一位就是一波特，一般異步通信波特率為110～9600KHZ。在選擇通信的波特率時(shí)，不要盲目追高，要以滿足

57、數(shù)據(jù)傳輸要求為原則。因?yàn)椴ㄌ芈试礁?，對發(fā)送和接收時(shí)鐘信號頻率的一致性要求就越高。 （4）串行通信的電平轉(zhuǎn)換 PC 機(jī)與單片機(jī)是通過串行口進(jìn)行通信的。由于單片機(jī)的輸入、輸出是TTL 電平（+5V 表示邏輯1，電平低于2V 便不能被識別為邏輯1；0V 表示邏輯0），TTL電平一般不能用于遠(yuǎn)距離傳輸，因?yàn)閭鬏斶^程中電平的衰減會使傳輸數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。 而PC機(jī)配置的是RS—232串行接口，因此，單片機(jī)與PC機(jī)之間進(jìn)行通信時(shí)，要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，需要將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS—232 電平（-5V～-15V 表示邏輯1，+5V～+15V 表示邏輯0），在傳輸線上傳送的RS—232 電平可高達(dá) 12V，比TT

58、L 電 平有更強(qiáng)的抗衰減能力及抗干擾能力，可用于遠(yuǎn)距離傳輸。常用的電平轉(zhuǎn)換芯片為MAX232，此芯片能實(shí)現(xiàn)以上兩種電平的相互轉(zhuǎn)換。另外，信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)最好使用雙絞線，有利于抑制外界共模信號的干擾。 2.單片機(jī)與PC機(jī)串行通信的實(shí)現(xiàn)手段 由于PC機(jī)中集成了串行異步通信的可編程芯片8250，我們可以通過PC機(jī)的串行通信口COM1或COM2對它進(jìn)行控制，因而不需要再單獨(dú)做實(shí)驗(yàn)板。我們可以把單片機(jī)的內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換接口與PC機(jī)的串行通信口COM1或COM2通過串行連接線連接起來，然后用軟件對它們進(jìn)行初始化，使它們運(yùn)行各自的接收或發(fā)送程序。在具體編程的時(shí)候，我們可以實(shí)現(xiàn)很多的功能。例如，我們可以從PC

59、機(jī)和單片機(jī)中讀其RAM 或ROM 的內(nèi)容，對它們進(jìn)行在線修改。PC機(jī)的程序可以用匯編程序MASM6.0、VB、C++Bilder 或VC++進(jìn)行編寫。控制電路與計(jì)算機(jī)通訊能夠在計(jì)算機(jī)上作監(jiān)控界面，使機(jī)械手控制更加人性化。 圖4-3 串行通訊電路 第4章 控制電路部分設(shè)計(jì)及程序調(diào)試 4.1電路圖繪制 （1） 系統(tǒng)控制電路圖如下： 圖4-4 系統(tǒng)控制電路圖 （2） 電路圖說明： PC 機(jī)通過

60、電頻轉(zhuǎn)換器將程序傳送至單片機(jī)，單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)芯片控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使傳感器到達(dá)指定位置。傳感器檢測工件顏色，并發(fā)射相應(yīng)信號給單片機(jī)（紅色，進(jìn)行下一步；黑色，停止、延時(shí)；無反射，程序結(jié)束），單片機(jī)通過已設(shè)定的程序完成相應(yīng)步驟。 （3） 單片機(jī)電路 1) 看門狗復(fù)位電路 復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。本電路中采用的是上電復(fù)位，其工作原理為：上電瞬間，RC 電路充電，RST 引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST 端保持兩個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。看門狗又叫 watchdog timer,是一個(gè)定時(shí)器電路, 一般有一個(gè)輸入,叫喂狗,一個(gè)輸出到MCU 的RST 端

61、,MCU 正常工作的時(shí)候,每隔一段時(shí)間輸出一個(gè)信號到喂狗端,給 WDT 清零,如果超過規(guī)定的時(shí)間不喂狗(一般在程序跑飛時(shí)),WDT 定時(shí)超過,就會給出一個(gè)復(fù)位信號到MCU使MCU復(fù)位，防止MCU死機(jī)?？撮T狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。工作原理：在系統(tǒng)運(yùn)行以后也就啟動(dòng)了看門狗的計(jì)數(shù)器，看門狗就開始自動(dòng)計(jì)數(shù)，如果到了一定的時(shí)間還不去清看門狗，那么看門狗計(jì)數(shù)器就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。所以在使用有看門狗的芯片時(shí)要注意清看門狗。硬件看門狗是利用了一個(gè)定時(shí)器，來監(jiān)控主程序的運(yùn)行，也就是說在主程序的運(yùn)行過程中，我們要在定時(shí)時(shí)間到之前對定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說P

62、C指針不能回來。那么定時(shí)時(shí)間到后就會使單片機(jī)復(fù)位。看門狗復(fù)位電路圖如下所示： 圖4-1 看門狗復(fù)位電路 2) 晶振電路 MCS-51 系列單片機(jī)的時(shí)鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2端外接晶體振蕩器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩電路，如下圖所示。圖中C3、C4 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般為5—30pF。晶振常選用頻率為6MHz、12MHz 或24MHz 的，采用串口時(shí)常使用頻率為11.0592MHz 的晶振。內(nèi)部振蕩方式所得到的時(shí)鐘信號比較穩(wěn)定，應(yīng)用較多。 圖4-1 振

63、蕩電路 主 機(jī) 模 塊 電源模塊 傳感器模塊 繼電器模塊 智 能 物 料 搬 運(yùn) 裝 置 顯 示 模 塊 4.2設(shè)計(jì)過程 （1）外部電路連接圖如圖2所示 圖2外部電路連接圖 （2）實(shí)驗(yàn)接線： 物料搬運(yùn)裝置 傳感器配接模塊 主機(jī)模塊 繼電器模塊 物料搬運(yùn) （端子號4） IN0 OUT0 P3.0 （5） IN1 OUT1 P3.1

64、 （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）

65、 IN0 OUT0 P2.0 NO （端子號13） P1.0 K2 NO （14） P1.1 K3 NO （15） P1.2 K4 NO （16） P1.3 K5 NO （17） P1.4 K6 物料搬運(yùn)裝置 傳感器配接模塊 繼電器模塊

66、 紅端24V COM 24V COM+ 5V COM 24V地 黑端0V COM- 0V 4.3 程序流程框圖 程序開始運(yùn)行后，系統(tǒng)初始化，機(jī)械手回到原始位置。傳送帶將工件運(yùn)送過來，到達(dá)指定位置后延時(shí)1s。這時(shí)傳感器開始檢驗(yàn)，向工件位置發(fā)射光線，通過是否有收到反射光來判斷工件是否到達(dá)指定位置。如果有發(fā)射光，則運(yùn)行下一步程序，開始搬運(yùn)工件。如此循環(huán)，直到傳感器不再接受到反射光，則加工停止，程序結(jié)束。 程序流程圖如下： 41 4.4參考程序： 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