基于单片机的机械手系统设计Word文档格式.docx
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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，迅速发展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。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、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。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
1.2机械手的发展和现状
河北师范大学职技学院学士学位论文
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
它的结构是：
机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。
1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。
商名为Unimate（即万能自动）。
运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；
控制系统用磁鼓作为存储装置。
不少球坐标通用机械手就
是在这个基础上发展起来的。
同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 ,专门生产工业机械手。
1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。
该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。
虽然这两种机械手
出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±
1毫米。
联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。
自 1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。
目前，随着单片机和PLC等控制器的发展，工业机械手在自动控制和定位精度上有了很大提高[10]。
1.3本课题所要做的主要内容及意义
目前，大多数生产线上的搬运，装箱工作仍由人工进行。
为了提高劳动生产率，降低劳动强度，需研制出一种简单、实用的机械手来取代这种紧张且繁重枯燥
的体力劳动，特别是在某些粉尘、噪声、污染严重的场合尤为迫切。
虽然至今国内外已为自动生产线研制出了各种工业机器人， 但大多数结构复杂（以求具备多种功能），造价较高，而且工人也不容易掌握，难于推广。
根据某工厂生产过程的要求，采用以51单片机为核心控制装箱机械手，代替人工装箱。
机械手由电机驱动，采用最佳升降频的控制方法，为了保证机械手的可
靠性和安全性对其控制系统建立相应的故障白诊断系统以寻找和排除控制系统在运行过程中出现的故障。
其操作是将工件从左工作台搬到右工作台，示意图如图 1—1所示。
机械手每个工作臂都有上下限位和左右限位开关，而其夹持装置不带限位开关。
一旦控制夹持开始，定时器开始记时，定时结束，夹持动作随即完成。
机械手到达B后，将工件松开的时间也是由定时器控制的，定时结束时，表示工件已松开。
2
机械手的动作过程如下：
搬取工件时，按下启动开关，机械手先由原点下降，碰到下限位开关后，停止下降；
同时接通定时器，机械手开始夹紧工件，定时结束，夹紧完成。
机械手上升，上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。
机械手右移，至碰到右限位开关时，右移停止。
机械手下降，下降到底时，碰到下限位开关，下降停止。
同时接通定时器，机械手放松工件，定时结束，工件已松开。
机械手上升，上升到顶，碰到上限位开关时，上升停止。
机械手左移，左移到原点，碰到左限位开关时，左移停止。
于是机械手动作的一个周期结束。
搬运工件的机械手动作过程示意图，如图1—2所示[4]。
下上
降升
放松夹紧
工件
A
B
左移右移
图1—1工作台示意图
起动
3
左限位X4
原点
左移Y48
右位
4
X26
上限位Y3右移
上限位
X2
Y0 13
右限位X35 7X2
下 上 Y0下 上Y2
下限位降 升Y2
下降 升
X1 2夹紧A
限 6
位 放松 B
Y1ON
X1 Y1OFF
图1—2 机械手动作过程示意图
第2章单片机机械手系统的总体结构
2.1控制系统的总体结构
根据机械手控制系统可知，其总体结构包括：
单片机用户系统、驱动电路、供电电源、执行元件和反馈元件 （接近开关）等。
P1
步进电机
驱动电路
AT89C51
P0
D/A转换器
图2—1控制系统的总体结构
2.2单片机用户系统
2.2.1AT89C51的基本结构
单片机的基本结构组成中包含中央处理器 CPU、程序存储器、数据存储器、输入/输出接口部件、还有地址总线、数据总线和控制总线等。
2.2.2AT89C51的基本特性及引脚定义
1、AT89C51单片机的主要性能参数：
*与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
*8K字节可重擦写Flash闪速存储器
*1000次擦写周期
*全静态操作：
0Hz——24MHz
*三级加密程序存储器
*256×
8字节内部RAM
*32个可编程I/O口线
*3个16位定时/计数器
*8个中断源
2、AT89C51的引脚功能说明：
（引脚图如图2—2所示）Ⅰ、主电源VCC和GND
VCC：
电源端，工作电源和编程校验（+5V）。
GND；
接地端。
第2章单片机机械手系统的总体结构
Ⅱ、时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。
若采用外部振荡电路，则XTAL2用于输入外部振荡脉冲，该信号直接送至内部时钟电路，而XTAL1必须接地。
Ⅲ、控制信号引脚RST/VPP、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP
RST/VPP：
RST是复位信号输入端，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
第二功能 VPP为内部RAM的备用电源输入端。
主电源VCC一旦发生断电（称掉电或失电），降到一定低电压值时，可通过VPP为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使上电后能继续正常运行。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当
访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的
8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置复位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN：
程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C52由外部程序存储器取指令或数据时，每个机器周期两次 PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需要注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP[1]。
Ⅴ、4个8位I/O端口P0、P1、P2、P3
P0口：
P0口是一组8为漏极开路型双向I/0口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分
时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问器件激活内部上拉电阻。
在 Flash
5
编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，
某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（
IIL）。
P1.0和P1.1还可分别作为定时
/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，
在访问外部程序存储器或
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