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
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1、(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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、。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
11、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
12、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
13、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
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