基于单片机控制的工业机械手控制系统设计
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，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。
Abstract
The manipulator technology involves to the electron, mechanics, the automatic control technology, the sensor technology and the computer technology and so on scientific field, is an interdisciplinary comprehensive technology. Along with the industrial automation need to develop, the manipulator is getting more and more important in the industrial application. The article mainly narrated manipulator's design process, in the article introduced manipulator's design theory and the method.
This design take at89C51 monolithic integrated circuit as a core, uses the LMD18200 motor control chip to achieve the control direct current machine to open stops, the speed and the direction,completed has screened the manipulator essential requirements and the display part request. In screens the manipulator to design, used the PWM technology to carry on the control to the electrical machinery, through the computation achieved the precise velocity modulation to the duty factor the goal.
【Key words】Screening manipulator, AT89C51 monolithic integrated circuit, LMD18200 ,motor control chip, PWM technology, motor control.
目录
第一章绪论 (1)
1.1机械手的概述 (1)
1.2机械手的基本结构 (2)
1. 3机械手的类型 (3)
第二章机械手总体方案的设计 (4)
2. 1设计要求 (4)
2. 2基本设计思路 (5)
第三章硬件结构设计 (6)
3. 1机械手尺寸的确定 (6)
3. 2传动部分设计 (6)
第四章软件电路部分设计 (9)
4.1 单片机的选择 (9)
4.2 驱动芯片的选择 (11)
4.3 传感器的确定 (13)
4.4 接口电路 (14)
4.5 电路图绘制 (16)
4.6 程序流程框图 (18)
参考文献 (20)
第一章绪论
1.1机械手的概述
1.机械手的简介
机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，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下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。
国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。国际标准化组织对机器人的定义:机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。这类操作机具有几个轴在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。
美国国家标准(NBS)对机器人的定义:“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。”它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。”(2)智能机器人:“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。”
2.结构框图：
机械手由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如下图所示。
1.2机械手的基本结构
工作原理
机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，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，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由单片机控制驱动执行元件完成，能十分方便的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
这个机械手具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的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。机械手的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/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。其升降运动通过升降气缸、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0～100mm 、转动是通过旋转气缸实现、转动工作行程为0～90°；手爪是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩调整。
机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。
图2-1中工件所处位置为原点位置，根据要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，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式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，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。根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-2所示。
机械手工作流程图 根据以上分析，机械构造方案基本固定。整个机械手一共用到三个气缸，单片机需要控制每个气缸的动作：横梁长气缸的内外调，执行气爪的夹持与放松、竖导杆气缸的升降、各气缸的定位控制和旋转轴的定位控制，另外两个是工件计数和故障报警。
1.3机械手的类型
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，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工原位
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 启
动
右限
作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，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。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来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，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决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。
第二章机械手总体方案的设计
2.1设计要求
下图为机械手动作示意图，机械手将传送带A上的物品搬运到传送带B上，机械手按照下述动作顺序周而复始的搬运货物。
（1）机械手的初始状态为：机械手放松、处于左限位置（SQ2为左限位开关）、上限位置（SQ1为上限位开关）；
（2）传送带A和B分别由两台电动机控制，初始状态为停止；
（3）按动启动按钮后，传送带A和B开始输送物品，同时其他检测、控制部分也开始或准备工作，此时：
（a）光电开关SQ4检测到传送带A输送来的物品后，停止传送带A的运动；
（b）机械手抓取传送带A上的物品。机械手由气动阀控制，当气动阀开关SQ5=1时，机械手夹紧；当SQ5=0时，机械手放松；
（c）机械手往上移动，到达上限位置，上限位置由上限限位开关SQ1检测。机械手上移和下移的动作由气动阀控制，需要另外设置一个该气动阀的开关，如SQ10，若SQ10=1，则上移；若SQ10=0，则下移。
（d）机械手向右旋转，到达右限位置，右限位置由右限限位开关SQ6检测；
（e）机械手向下移动，到达下限位置，下限位置由下限位置开关SQ3检测。机械手的左右移动由气动阀控制，需要另外设置一个该气动阀的开关，如SQ11，若SQ11=1，则左移；若SQ11=0，则右移。
（f）机械手放松，将抓取的物品放在传送带B上；
（g）机械手往上移动，到达上限位置，上限位置由上限限位开关检测；
（h）机械手向左旋转，到达左限位置，左限位置由左限限位开关检测；
（i）启动传送带A，进行下一个周期的动作；
2.2 基本设计思路
总体设计框图如下：
图2-1 总体设计框图
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。
第三章硬件结构设计
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为280mm，小臂有效距离长为170mm
3.2 传动部分设计
1.机械手是有三台伺服电机驱动
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、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
4.微行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：
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作位置检测，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，令纠正脉冲趋于为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4V—6V 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的比例必须合理。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1ms—2ms 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
此处选用的伺服马达为TowPro 的，型号为SG303。其主要技术参数如下：转速：0.23 秒／60 度。
力矩：3.2kg?cm。
尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。
重量：0.6kg。
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是，就可以得到不同的控制效果。控制正脉冲宽度如下：
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。前者成为码盘，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“１”还是“０”；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“１”还是“０”。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就是用
的增量式编码器原理，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
主要确定丝杆的外径d，及长度，选择螺纹的类型，牙型角β，计算出螺
纹中径d2，螺纹升角φ，定出螺距P，求出螺纹导程S。
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）来决定的，选定轴承后，还要进行轴承的寿命计算。
第四章软件电路部分设计
4.1 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. 单片机特点
1) 优异的性能价格比。
2) 高、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种均有极
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叫典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
3. 单片机硬件结构
1) 89C52 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，片外最多可外扩至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，片外最多可外扩至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) P1 口、P2 口、P3 口、P4 口
为4 个并行8 位I/O 口。
h) 特殊功能寄存器
共有21 个，用于对片内的个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；
X1：接外部晶体振荡器的一端；
X2：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，ALE 一每机器周期两次的信号输出，用于
锁存出现在P0 口的低8 位地址。
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4-1 89c51 引脚图
4.2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 m A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
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。下面介绍 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
l 伺服机构系统位置与转速
l 应用于机器人控制系统
l 应用于数字控制系统
l 应用于电脑打印机与绘图仪
（3）内部结构和引脚
LMD18200 外形结构如图1 所示，内部电路框图2 如图所示。它有11 个引脚,采用TO-220 和双列直插式封装。
(4) LMD18200 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，充电泵电路由一个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，工作频率可以更高。引脚 2、10 接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚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。
4.3 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。
如上图： CSS—RE—（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：100μs
自检功能
独立放大器，1 种颜色自学功能
物体尺寸> 5 mm
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
4.4 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1~2 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110～９６００KHZ。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RS—232 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RS—232 电平（-5V～-15V 表示逻辑1，+5V～+15V 表示逻辑0），在传输线上传送的RS—232 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MAX2232，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
4.5 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：上电复位和按钮复位。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,每隔一端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,就回给出一个复位信号到MCU,是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。
图4-5 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 外接晶体振荡器，就构成了内部振荡电路，如下图所示。图中C1、C2 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4-6 振荡电路
4.6 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：
物料分拣机械手自动化控制系统设计
物料分拣机械手自动化控制系统设计 摘要 机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。 关键词:机械手；可编程控制器；自动化控制；物料分拣
目录 第一章前言 (1) 1.1研究的目的及意义 (1) 1.2主要研究的内容 (1) 第二章控制系统的组成结构和性能要求 (2) 2.1控制系统的组成结构 (2) 2.2控制系统的性能要求 (2) 第三章传感器的选择 (4) 第四章控制系统PLC的选型及控制原理 (6) 4.1 PLC控制系统设计的基本原则 (6) 4.2 PLC种类及型号选择 (10) 4.3 I/O点数分配 (10) 4.4 PLC外部接线图 (11) 4.5机械手控制原理 (12) 第五章 PLC程序设计 (14) 5.1总体程序框图 (14) 5.2初始化及报警程序 (15) 5.3手动控制程序 (16) 5.4自动控制程序 (16) 第六章总结与展望 (19) 参考文献 (20) 谢辞 (21)
(完整版)基于plc的机械手控制系统设计
前言 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 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。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。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大等特点，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，生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；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。 本文将通过西门子PLC控制机械手，PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。该系统利用西门子PLC，在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。
基于西门子S7_200PLC控制的机械手项目技术报告
概要 本文介绍了用PLC S7-200为控制电路主元件，外加电器系统，输入输出电路，构成了整体的实训项目。通过PLC控制机械手来模拟工业生产过程中机电设备的工作原理。工业机械手的任务是搬运物品，要求把物品从一个工位搬到另一个工位，如下图所示。机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制，这样使我们能更近距离地了解工业生产过程。 左移
目录 前言 第一章机械手简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1．1 机械手概念 1．2 机械手总体结构 第二章PLC介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 2．1 PLC发展史 2．2 PLC应用 2．3 PLC特点 第三章汽缸简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 3．1汽缸概念与汽缸分类 3．2汽缸结构与工作原理 第四章相关元气件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 4．1电磁阀介绍 4．2传感器介绍 第五章项目的实施. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 5．1机械手的控制要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .11 5．2机械手总体设计方案. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .11
基于PLC控制的机械手控制电路设计
摘要 在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。 本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行了总体方案设计。确定了机械手用三自由度和圆柱坐标型式。设计了机械手的夹持式手部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，回转三个自由度及手爪的开合。驱动方式由气缸来实现手臂伸缩和升降，异步电机来实现机械手的旋转。 运用了FX 系列可编程序控制器（PLC）对上下料机械手进行控制, 论述了电气控制系统的硬件设计, 控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。 关键词：机械手，气缸，可编程序控制器
目录 摘要............................................................................. I 1 绪言 (1) 1.1 机械手的概述 (1) 1.2 我国机械手的发展 (1) 1.3 气动机械手的应用现状及发展前景 (3) 1.4 PLC概念的由来和产生 (5) 1.5 本课题设计要求 (8) 2 机械手的总体设计方案 (9) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (9) 2.2 机械手基本形式的选择 (10) 2.3 驱动机构的选择 (11) 2.4 机械手的技术参数列表 (11) 3 机械手的机械系统设计 (13) 3.1 机械手的运动概述 (13) 3.2 机器人的运动过程分析 (14) 4 机械手手部结构设计及计算 (15) 4.1 手部结构 (15) 4.2 手部结构设计及计算 (16) 4.3 夹紧气缸的设计 (18) 5 机械手手臂机构的设计 (24) 5.1 手臂的设计要求 (24) 5.2 伸缩气压缸的设计 (24) 5.3 导向装置 (29) 6 机械手腰部和基座结构设计及计算 (30) 6.1 结构设计 (30) 6.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计 (30) 6.3 导向装置 (34) 6.4 平衡装置 (34) 6.5 基座结构设计 (35)
示教机械手控制系统设计
百度文库- 让每个人平等地提升自我 0前言 / 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到 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。因为，它能大大地 改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单 位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的 场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受 到各工业部门的重视。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开 发物料搬运机械手，采用的德 结束语 目录 0前言 0 1 课程设计的任务和要求 ...................................................................... 1 课程设计的任务 ............................................................................ 1 课程设计的基本要求 (3) 2总体设计 (3) PLC 的选型 端子分配图 3 PLC 程序设计 设计思想... 顺序功能图 4程序调试说明 参考文献
国西门子S7-200系列PLC对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。我们利用可编 程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产 机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件。 、1课程设计的任务和要求 课程设计的任务 1）示教机械手控制系统设计 2）示教机械手系统示意图如下图所示
基于单片机控制的工业机械手控制系统课程设计.docx
（摘要与目录在最后） 第一章绪论 1.1机械手的概述 1.1.1机械手的简介 机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，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下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。 国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。国际标准化组织对机器人的定义:机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。这类操作机具有几个轴在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。 美国国家标准(NBS)对机器人的定义:“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。”它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。”(2)智能机器人:“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。” 机械手由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如下图所示。 1.1.2机械手的类型 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，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，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。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来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，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，
注塑机机械手控制电路设计
目录 题目：模具注塑机机械手控制电路设计 (1) 前言 (3) 引言 (3) 一、机械手的发展与应用现状 (3) 二、机械手的前景及方向 (5) 三、本课题的研究意义 (6) 第一章机械手硬件设计 (7) 一、机械手的总体设计 (7) 二、机械手的动作过程 (8) 三、主要部件及零件及要求 (8) 四、运动方式和工作过程 (8) 五、PLC控制方式 (8) 第二章电路设计 (9) 一、主线路 (9) 二、PLC控制及I/O分配 (9) 第三章软件设计 (12) 一、编程工具 (12) 二、梯形图如下 (13) 三、指语句令表 (15) 第四章整机调试 (18) 一、手动控制过程 (18) 二、自动运行控制过程 (18) 总结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (21)
题目：模具注塑机机械手控制电路设计 作者：王家欢 【摘要】 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。 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。 机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的机械手属于混合式机械手,它综合了电动式和气动式机械手的优点,既节省了行程开关和PLC的I/O 端口,又达到了简便操作和精确定位的目的。 【关键字】 气动机械手、注塑机机械手、机械手控制电路设计、PLC控制
机械手控制系统设计(完整版).doc
机械手控制系统设计 摘要 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。 本次设计根据课题的控制要求,确定了搬运机械手的控制方案,设计控制系统的电气原理图，对控制系统进行硬件和软件选型,完成PLC（可编程控制器）用户程序的设计。设计中使用了德国西门子公司生产的S7-200系列的CPU 226。该系列PLC具有功能强大，编程方便，故障率低，性价比高等多种优点。机械手的开关量信号直接输入PLC，使用CPU 226来完成全部的控制功能，包括：手动/自动控制切换，循环次数设定，状态指示，手动完全操控等功能。机械手完成下降、伸出、加紧工件、上升、右旋、再下降、放松工件、缩回、放松、左旋十个动作。通过模拟调试，有序的控制物料从生产流水线上安全搬离，提高搬运工作的准确性、安全性，实现一套完整的柔性生产线，使制造过程变的更有效率。 通过本次毕业设计，对PLC控制系统的设计建立基本的思想：能提出自己的应用心得；可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识，进一步培养和训练分析问题和解决问题的能力，进一步提高自己的设计、绘图、查阅手册、应用软件以及实际操作的能力，从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训练。 关键词：机械手；PLC（可编程控制器）；CPU；梯形图
II The Design of Manipulator Control System ABSTRACT In industrial manufacturing and other fields, due to the demand of work, many workers are compelled to expose in harmful circumstance like high temperature, corrosion, toxic gases harm and so on, that increased labor intensity, even imperial their lives. However, since the manipulator came out, many knotty problems are smoothly solved. The design requirements under the control of the subject to determine the handling robot control program, designed control system electrical schematic diagram, the control system hardware and software selection, complete the design of the user program in the PLC (programmable controller). Design used in the German company Siemens S7-200 series CPU 226. The series PLC with powerful, easy programming and low failure rate, and cost advantages. Robot switch signal input to the PLC, the CPU 226 to complete all the control functions, including: manual / automatic control switch, set the number of cycles, status indicator, manual complete control and other functions. the production line on the safe move out, so that the manufacturing process becomes more efficient. The graduation project, the design of PLC control system to establish the basic idea: to make their own application experience; can strengthen and deepen the most of the former continued the basic theory and professional knowledge, further training and training to analyze and solve problems the ability to further improve their design, drafting, inspection manuals, application software, as well as the actual ability to operate, and ultimately related jobs and job base in key skills and basic skills training. Key Words: Manipulator;PLC;CPU;Ladder-diagram
机械手及控制系统设计
河北工程大学 课程设计指导说明书 课程题目: 机械手及控制系统设计 专业: 机械设计制造及其自动化—机电方向 班级: 机制11班 姓名: 唐科 学号 110070118 指导老师: 杨玉敏 目录 第一章绪论 1、1 题目要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、2 题目概况。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、3 气动机械手。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、4 气动机械手的发展趋势。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、5 课题的现实意义。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 第二章气动机械手的操作要求及功能 2、1 机械手移动动作示意图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2、2 机械手操作面板图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2、3 机械手的输入\输出信号定义图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 2、4 机械手顺序动作的要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 第三章机械部分设计 3、1 气动搬运机械手的结构。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3、2 机械手的主要部件及运动。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3、3 驱动机构的选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、4 机械手的技术参数列表。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、5 气动回路的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、6 末端执行器的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 3、7 升降手臂的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12 3、8 平移手臂的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。14 第四章机械手控制设计
51单片机机械手控制C程序
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机械手电气设计说明书
（一）、基本情况介绍 机械手结构、动作与控制要求 机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。 机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 图8-13 机械手的外形及其与料架的配置 1-手部 2-手腕 3-小臂 4-工件 5-大臂 6料架 (二)、拖动情况介绍 具体动作顺序是： 原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）——手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——松卡盘——手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）——小手臂上摆——大手臂下摆——手指松开（工件放回料架）——小手臂收缩——料架转位——小手臂伸出——手指夹紧（抓住未加工零件）——大手臂上摆（取送零件）——小手臂下摆——手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）——卡盘收紧——手指松开，等待加工。
（三）、设计要求 1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。 2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。 3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。 4）油泵电机（采用）及各电磁阀运行状态应有指示。 5）应有必要的电气保护与联锁环节。 二、设计过程 （一）、总体方案选择说明 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 2按驱动方式分 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
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机械手电气控制系统设计
目录 一、机械手设计任务书 (1) 1机械手结构、动作与控制要求 (1) 2设计任务 (1) 二、电器控制部分 (2) 1.电器元件目录表 (2) 2.机械手主电路接线图 (3) 3.继电器控制电路 (4) 4.接线图 (4) 5.电器板元件布置图 (5) 6.控制面板 (5) 三、PLC控制部分 (6) 1.PLC的选型 (6) 2.PLC I/O图 (6) 3.状态转移图 (7) 4.梯形图 (7) 5.指令表 (10) 四、参考文献 (14) 一、机械手设计任务书 1机械手结构、动作与控制要求
机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产的自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统，动作时间需要可调。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等待料架转过一定角度后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 设计要求 1.1加工中上料和下料各动作采用自动循环。 1.2各动作之间应有一定的延时（由时间继电器调定） 1.3机械手各部分应单独动作，以便调整及维修。 1.4液压泵电动机（Y100L2-4.3KW）及各电磁阀运行状态应有指 示。 1.5应有必要的电气保护与联锁环节。 2设计任务： 2.1绘制电气控制原理线路图，选用电器元件，制订元件目录表。 2.2设计并绘制以下工艺图样中的一种： 电器板元件布置图与底板加工零件图；电器板接线图；控制面 板元件布置图、接线图及面板加工图；电气箱及系统总接线图。 2.3编制设计，使用说明书，设计小结，列出设计参数资料目录。
机械手电气控制系统设计
机械手电气控制系统设计 1.机械手及其应用 机械手：mechanical hand，也被称为自动手，auto hand 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。 1.1 国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面 1.热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 3. 拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 1.2机械手的应用意义 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，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地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.可以减少人力，便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，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地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。
基于单片机的机械手运动控制系统设计
毕业论文（设计）材料 题目：基于单片机的机械手运动控制系统 设计 学生姓名：刘韬 学生学号： 0808020119 系别：电气信息工程系 专业：自动化 届别： 2012届 指导教师：苗磊
填写说明 1、本材料包括淮南师范学院本科毕业论文（设计）任务书、开题报告以及毕业论文（设计）评审表三部分内容。 2、本材料填写顺序依次为： （1）指导教师下达毕业论文（设计）任务书； （2）学生根据毕业论文（设计）任务书的要求，在文献查阅的基础上撰写开题报告，送交指导教师审阅并签字认可； （3）毕业论文（设计）工作后期，学生填写毕业论文（设计）主要内容，连同毕业论文（设计）全文一并送交指导教师审阅，指导教师根据学生实际完成的论文（设计）质量进行评价； （4）指导教师将此表连同学生毕业论文（设计）全文一并送交评阅教师评阅。 3、指导教师、评阅教师对学生毕业论文（设计）的成绩评定均采用百分制。 4、毕业论文（设计）答辩记录不包括在此表中。
一、毕业论文（设计）任务书 要求完成的主要任务及达到的目标 本课题要求设计一个基于单片机的机械手运动控制系统，其要完成的主要任务为： 1. 了解目前机械手的发展现状； 2. 选用步进电机，设计基于单片机的机械手控制系统，能够实现二维搬运物体的功能。 3. 设计控制硬件电路图，编写控制程序。 要达到的目标： 了解步进电机的控制原理，掌握基于单片机对步进电机的控制电路，掌握机械手的位置检测方式。 工作进度要求 (1)2011/12/1-2011/12/30 查阅相关资料，完成任务书以及开题报告的撰写； (2) 2012/1/1-2012/4/30 查阅、收集资料，开展理论和实验研究，撰写毕业论文； (3) 2012/5/1-2012/5/30 修改、完善毕业论文，并将定稿后的论文按照统一格式打印。 指导教师签名： 2011年12月28日 二、毕业论文（设计）开题报告
机械手电气设计说明书
设计的任务 （一）、基本情况介绍 机械手结构、动作与控制要求 机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。 机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 图8-13 机械手的外形及其与料架的配置 1-手部2-手腕3-小臂4-工件5-大臂6料架 (二)、拖动情况介绍 具体动作顺序是： 原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）——手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——松卡盘——手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）——小手臂上摆——大手臂下摆——手指松开（工件放回料架）——小手臂收缩——料架转位——小手臂伸出——手指夹紧（抓住未加工零件）——大手臂上摆（取送零件）——小手臂下摆——手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）——卡盘收紧——手指松开，等待加工。
表8-4 电磁阀状态表 （三）、设计要求 1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。 2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。 3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。 4）油泵电机（采用）及各电磁阀运行状态应有指示。 5）应有必要的电气保护与联锁环节。 二、设计过程 （一）、总体方案选择说明 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通
机械手控制系统的设计
PLC课程设计 课题：机械手控制系统的设计 作者： 学号： 专业： 班级： 指导教师：
任务要求 1.1 设计任务与要求 许多娱乐场合设有投币手动抓物机械手。仿照娱乐场合中的手动抓物机械手，设计机械手的控制系统，能够配合机械手的机械结构实现手动抓物。 要求：在资料调查和分析的基础上，对系统进行的分析和设计；要求完成如下主要功能： （1）机械手的控制可以用单片机或PLC； （2）通过按键，实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪张开、闭合； （3）可采用上位机，远程控制机械手的上升、下降、左移、右移、手爪张开、闭合。 （4）采用电机驱动控制方式。 机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制，可以完成俩个工作台之间的工件搬运，完成动作包括左右，上下及工件的夹紧和放松六个动作过程，并可实现手动和自动两个操作过程。本课题结合学生的将来的职业岗位，主要要求学生根据机械手的工作原理及控制特点，设计该类型机械手的PLC控制过程，包括PLC的选型，即采用的类型。确定输入输出端口的个数。完成左右，上下及工件的夹紧和放松六个动作过程梯形图。
实验二：机械手控制系统的设计 机械手PLC控制设计 摘要 随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。 本论文可编程控制器(PLC)选用西门子（SIEMENS）公司S7-200系列的CPU224.机械手的开关量信号直接输入PLC，PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制,而电磁阀通过控制相应的汽缸，完成俩个工作台之间的工件搬运，包括左右，上下及工件的夹紧和放松六个动作过程，并可实现手动和自动两个操作过程。 关键词：PLC,可编程控制器，机械手
示教机械手控制系统设计
机床电器与PLC课程设计说明书 示教机械手控制系统设计 专业机械设计制造及其自动化 班级 081016 学号叉叉 组别 10 姓名叉叉 指导教师叉叉叉 日期 2011.6.2 成绩 目录 前言 (3) 摘要 (5) 第一部分
PLC概述 (6) 设计任务书 (12) 第二部分 示教机械手元器件选择 (13) 方案及控制过程 (13) I/O分配图 (14) 原理接线 (15) 流程图 (16)
梯形图 (17) 语句表 (20) 总结 (22) 参考文献 (23) 前言 在现在化的生产中，生产机械的自动化程度反映了工业生产发展的水平。现代化的生产设备与系统已不再是传统意义上单纯的机械系统，而是机电一体化的综合系统电气传动与控制系统已经成为现代生产机械的重要组成部分。机与电，传动与控制已经成为不可分割的整体。 所谓的机电传动，是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称，它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。 机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备，生产线，车间，甚至整个工厂都实现自动化；从狭义上讲，则指通过控制电动机驱
动生产机械，实现生产产品数量的曾加，质量的提高，生产成本的降低，工人劳动的条件的改善的以及能量的合理利用。 机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以，现在化机电传动基本上均采用这种拖动形式。 随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。本设计就PLC在机械控制上的应用作了详细阐述。 摘要
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- 机械手上料的综合控制系统设计
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- 基于PLC简单机械手控制系统设计
- 基于PLC的机械手控制系统设计
- 搬运机械手电气控制系统设计
- 码垛机械手控制系统设计 附录
- -机械手电气控制系统设计.doc
- -机械手电气控制系统设计
- 基于PLC机械手控制系统设计
- 机械手自动控制系统用PLC实现的程序设计
- 示教机械手控制系统设计
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