单片机控制机械手三轴联动.docx

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单片机控制机械手三轴联动

江苏城市职业学院

毕业设计（论文）

（2014届）

设计（论文）题目工业机械手结构设计

及其控制系统

办学点（系）江苏城市职业学院张家港办学点

专业机械设计与制造

班级11机械（普）

学号110404350507

学生姓名朱涛

起讫日期2013年11月1日至2014年3月8日

地点江苏城市职业学院张家港办学点

指导教师王益飞职称讲师

一工业机械手的发展趋势………………………………………………….3

二机械手的概述……………………………………………………………..3

三机械手总体方案的设计………………………………………………….4

3.1机械手的执行机构………………………………………………………………….4

3.2机械手的驱动要求………………………………………………………………….5

3.3机械手的控制方案………………………………………………………………….6

四机械手的受力分析及尺寸确定…………………………………………..6

五驱动机构的设计与计算…………………………………………………..9

六控制系统的设计与编程………………………………………………….12

6.1单片机控制电路的设计……………………………………………………………12

6.2控制面板的设计……………………………………………………………………19

6.3控制程序的设计……………………………………………………………………20

七机械手控制系统的调试…………………………………………………..22

八设计总结…………………………………………………………………..22

参考文献………………………………………………………………………..23

工业机械手结构设计及其控制系统

朱涛

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，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，控制步进电机的启停、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：

四相步进电机，AT89C51单片机，电机控制

一、机械手的发展趋势

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。

工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。

他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：

其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。

尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。

在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重用。

二、机械手的概述

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、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的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

步进电机的技术的日益成熟和广泛应用，使其定位精度高，便于控制的优势得以发挥，将步进电机与气动组合应用，使机械手的性能大大提高。

同时，随着单片机性能价格比的不断提高，单片机的应用领域非常广泛，目前，单片机已在国内外广泛应用于冶炼、机械、石油、交通运输等各个方面。

一般来说，单片机是自动生产线上不可缺少的控制部件。

单片机作为一种通用的工业控制器，适用于工业机械手的控制。

在该设计中，机械手的手爪的抓紧、放松采用气压驱动，手臂的上升、下降由步进电机来驱动，底盘的旋转由直流电机驱动，控制部分采用51单片机，型号为ST89C51。

目前，机械手向越来越紧凑，越来越快，越来越强力的方向发展，因为，紧凑的设计可便于在车间中安装。

较快的速度可提高生产量，而提高有效载荷能力，可以操作更大的零件。

三机械手总体方案的设计

3.1机械手的执行机构

3.1.1手部

手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。

机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。

钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。

其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。

3.1.2手腕

腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。

设计腕部时要注意以下几点：

1结构紧凑，重量尽量轻。

2转动灵活，密封性要好。

3注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题

4要适应工作环境的需要。

另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。

3.1.3手臂

臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。

手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。

；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。

手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。

手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。

同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。

因此设计臂部时一般要注意下述要求：

①刚度要大为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。

弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。

所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。

②导向性要好为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。

③偏重力矩要小所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。

为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。

④运动要平稳、定位精度要高由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。

故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。

3.1.4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

3.1.5、机座

机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

3.2机械手的驱动要求

3.2.1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。

3.2.2机械手驱动系统的要求有：

（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。

3.3机械手的控制方案

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。

四机械手的受力分析及尺寸确定

4.1机械手的手部设计

我们假设机械手抓取得重物为0.25千克，用Q表示，机械手手部的尺寸用L,l,a表示。

为了计算的方便，我们先不考虑机构本身的重量，摩擦力，以及运动的惯性，计算以后用系数进行补偿。

如下图所示，物体重力方向垂直向下，依靠手指对重物接触部位的摩擦力F，与重物的重力Q，相平衡而约束住重物。

下图为我们设计的机械手的手部示意图

图4.1杠杆式手指

4.2机械手的受力分析

下图为机械手的手部和物件的受力分析图

图4.2手指的受力情况

图4.3物体的受力情况

4.3机械手的受力分析计算

由受力分析图得知，手指受力平衡的条件是：

4F-Q=0（以为手指与物件有四处接触，所以为4F）

因为F=N1f所以4N1f=Q

N1=N1计/2sina

由上式得N1计=Q/2fsina

K=K1K2

式中：

F———物件与手指接触处的摩擦力

N1------物体与手指接触处的正压力

f------物体与手指接触处的摩擦系数，一般为0.1---0.25接触比较光不滑时取小值，接触面比较粗糙时取大值。

N1计-----手指应该具有的握紧力

a------手指的抓取角，一般为45—75度

需要的握紧力为

N1需=N1计K/η=Qksina/2fη

式中：

η-----手部的机械效率，一般为0.85---0.9

K1----安全系数，一般为1.1---1.5

K2----工作情况系数，一般为1.2---2.5

假定传动力P需分别作用在两个手指上，每个手指上的所得到的传动力各为P需/2，根据其力矩平衡条件得：

P需l/2-N1需L=0

P需=2LN1需/l

P需=LKQsina/lfη

我们取l=10mmL=45mma=60度Q=0.25kgη=0.9K1=1.3

K2=2.0f=0.2

将数值带入上式

P需=54mm×1.2×2.0×0.25×sin60/15mm×0.2×0.9=9.45N

取整P需=10N

五驱动机构的设计与计算

5.1、根据动作的要求制定驱动机构的设计方案。

该电力机械手进行抓紧，旋转及升降运动。

因为该机械手的结构简单，所以搬运的工件较轻，总体重量比较轻，为减小系统的总体积，以及利于与外部的连接。

我们采用步进电机带动丝杠旋转实现手臂在垂直方向的运动，利用两齿轮的啮合，由步进电机带动齿轮，从而实现机械手的旋转运动。

手部通过步进电机带动连杆机构通过拔叉的运动实现夹紧，放松运动。

总体结果如图5.1

图5.1机械手简单结构图

图5.2齿轮齿条配合驱动简图

图5.3配合结构效果图

图5.4三齿轮配合不变向机构

（手臂旋转）

5.2、工作程序图：

该机械手电力驱动动作顺序要求为：

原点→立柱上升→手臂左转→立柱下降→机械手夹紧→立柱上升→手臂右转→立柱下降→机械手放下物件→原点

步进电机的动作顺序为：

原点→D步进电机正转上升→C步进电机正转（左转）→D步进电机反转下降→A步进电机正传（夹紧）→D步进电机正转上升→C步进电机反转（右转）→D步进电机反转下降→A步进电机反转（放松）→原点

5.3步进电机的工作原理

该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图5.5是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图5.5四相步进电机步进示意图

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图5.6a、b、c所示：

图5.6a.单四拍 b.双四拍 c八拍

六控制系统的设计与编程

6.1单片机控制电路的设计

6.1.1AT89C51主要特性：

●与MCS-51兼容

●4K字节可编程闪烁存储器

●寿命：

1000写/擦循环，数据保留时间：

10年

●全静态工作：

0HZ-24HZ

●三级程序存储器锁定

●128*8位内部RAM

●32可编程I/O线

●两个16位定时器/计数器

●5个中断源

●可编程串行通道

●低功耗的闲置和掉电模式

●片内振荡和时钟电路

6.1.2AT89C51管脚说明

AT89C51管脚图如下：

如图6.1所示：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

 P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

端口管脚 备选功能

P3.0  RXD（串行输入口）

P3.1  TXD（串行输出口）

P3.2  /INT0（外部中断0）

P3.3  /INT1（外部中断1）

P3.4  T0（记时器0外部输入）

P3.5  T1（记时器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）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

6.1.3振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

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5—30pF。

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6.2振荡电路

6.1.4复位电路

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

图6.3所示的RC复位电路可以实现上述基本功能，图3为其输入-输出特性。

但解决不了电源毛刺（A点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题而且调整RC常数改变延时会令驱动能力变差。

左边的电路为高电平复位有效，右边为低电平Sm为手动复位开关，Ch可避免高频谐波对电路的干扰。

图6.3复位电路

6.1.5单片机最小系统

要使用单片机工作首先要知道单片机的最小系统。

单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位开关和电源部分

图6.4单片机的最小系统

单片机最小系统构成，振荡电路、时钟电路。

如图所示，外部时钟振荡电路由晶体振荡器和电容C3、C4构成并联谐振电路，连接在XTAL1、XTAL2脚两端。

对外部C3、C4的取值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。

C3、C4通常取值C3=C4=30PF左右（看到取30uf12m）；8051的晶振最高振荡频率为12M，AT89C51的外部晶振最高频率可到24M。

89C51正常工作时的连线：

1、电源：

单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。

2、振蒎电路：

单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。

只要买来晶振，电容，连上就可以了，按图接上即可。

3、复位引脚：

按图6.4中画法连好即可。

4、EA引脚：

EA引脚接到正电源端（接电源表示使用内部ROM,接地表示扩展外部ROM，现在一般是使用内部ROM）。

至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。

6.1.651单片机驱动步进电机的方法。

驱动电压12V，步进角为7.5度.一圈360度,需要48个脉冲完成!

!

!

该步进电机有6根引线，排列次序如下：

1:

红色、2:

红色、3:

橙色、4:

棕色、5:

黄色、6:

黑色。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

采用51单片机控制机械手局部电路图如图6.5：

图6.5单片机驱动局部电路图

、

6.2控制面板的设计

控制面板设置，利用单刀双掷开关控制不同的方向，实现需要的效果，控制面板如图6.6：

图6.6控制面板

1、开关S1控制步进电机A，利用齿条的伸缩，实现机械手的放松与夹紧，原理如图5.3，步进电机A反转，拉杆伸长，根据杠杆原理，以划销（图4.1）为支点机械手放松。

相反，步进电机A正传拉杆收缩，根据杠杆原理，以划销（图4.1）为支点机械手夹紧。

2、开关S2控制步进电机B，利用齿条的伸缩，实现机械手臂的前后伸展，控制工件和立柱的距离，方便空间距离比较大的运动，原理如图5.3，步进电机B正转，手臂伸长向前运动，图5.1。

步进电机B反转手臂收缩，向后运动。

3、开关S3控制步进电机C，利用齿轮组的啮合控制手臂在xoy平面上做旋转运动，齿轮组如图5.4，实现机械手臂的左右旋转，改变工件的放置位置，步进电机C正转实现手臂以立柱为中心向左面的旋转（图5.1）。

相反步进电机C反转实现手臂的以立柱为中心向右面旋转。

4、开关S4控制步进电机D，利用齿条的运动，实现机械手臂的抬高与降落，实现工件在Z轴方向的改变，步进电机D正传立柱上升，原理如图5.3，步进电机D反转，实现手臂下降，在空间上改变机械手的位置，从而实现工件的运动。

通过开关S1、S2、S3、S4的配合，实现工件的空间位置改变，机械手的作用得以体现。

6.3控制程序的设计

本程序设计两种控制方式，点动操作和自动运行

1、点动操作：

点动操作，顾名思义，就是一点一动，根据个人的操作控制机械手的运动，实现工件在空间位置的改变。

点动设计机械手的夹紧、手臂的伸缩、立柱的升降，等一系列的运动，具体的程序流程图如图6.7：

图6.7点动流程图

2、自动运行

自动运行，顾名思义，打开自动开关，按照程序的设定，自动完成一系列的运动，实现自动搬运物体到目标地点，体现机械手的自动化，智能化，有利于生产线的工作效率，更好的反映出机械手的全能性。

机械手工作流程：

工件经传送带传到指