工业机器手自动控制系统

1、长春大学工业机器手自动控制系统目录第1章绪论 31.1机器手系统概述 31.3本课题所要做的主要内容、目的及意义 51.3.1本论文主要研究物料分拣机器手以下几个方面的内容： 51.3.2研究工业机器手自动控制系统的目的及意义 5第2章单片机机器手系统的总体结构 72.1控制系统的总体结构 72.2机器手控制系统 82.3单片机系统 82.3.1 AT89C51的基本结构 82.3.2 AT89C51的基本特性及引脚定义 92.3.3 AT89C51的引脚功能说明 92.4系统主程序程序 132.4.1 硬件选择 132.4.2 系统主要程序构成 132.5驱动电路 142.6供电电源 15第

2、3章 机器手系统的总体设计 173.1总体设计方案 173.2硬件电路设计 173.2.1步进电机的结构原理和特点 173.2.2机器手的组成 193.2.3机器手的结构原理 19第4章系统的程序设计 214.1主程序软件设计 214.2子程序软件设计 214.3系统电路原理图设计 234.3.1电源模块 234.3.2旋转底盘、机器手爪模块 234.3.3指示灯模块 244.3.4限位开关模块 244.3.5机器手臂步进电机驱动模块 25436底盘光电对射耦合器模块 26437微控制器核心模块 26:438系统整体原理图 27|第5章总结 28丨参考文献 29|致谢 30丨附录 31装共 3

3、9页 第 11页第1章绪论1.1机器手系统概述机械工业是国民的装备部， 是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐 用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机 械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术 进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。工业机器手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机器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

4、现了人的智能和适应性。机器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。机器手是在机械化，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，机器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，它更加促进了机器手的发展，使得机器手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机器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，机器手已受到许多部 门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机器手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感

5、 器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机器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机器手的发展和现状机器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器。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 教再现型机器手。商名为 Uni mate （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。不少球坐标通用机器手就是在

6、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，专门生产工业机器手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran机器手。该机 器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。虽然这两种机器手出现在六十年代初，但都是国外工业机器手发展的基础。1978年美国Uni mate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Uni mate-Vicarm 型工业机器手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配 作业，定位误差小于土 1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机器手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。日本是工业机器手发展最快

7、、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机器手后大力从事机器手的研究。目前，随着单片机等控制器的发展，工业机器手在自动控制和定位精度上有了很大提高。机器手是近几十年发展起来的一种高科技自动化的生产设 备。机器手是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的优点。尤其体现了人的智能和适 应性。机器手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在全国经济各领域 有着广阔的发展前景，随着工业自动化的发展，出现了数控加工中心，它在减 轻工人的劳动强度的同时，大大提高了劳动生产率，但是数控加工中心加工中 常见的上下料工序，通常乃采用人工操作或传统继电

8、器控制的半自动化装置。 前者费时费工，效力低；后者因设计复杂，需要较多继电器，接线复杂。容易 车体震动干扰，而存在可靠性差，故障多，维修困难等问题。可编程控制器单 片机控制的上下料机器手控制系统动作简便，线路设计合理，具有较强的抗干 扰能力。保证了系统运行的可靠性，降低了维修率。提高了工作效率。机器手技术涉及到力学，单片机，自动控制技术，传感器技术计算机技术 等科学领域，是一门跨学科综合技术。机器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，他 又多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，分拣行业尽管仍属于劳动密集型，机器手的使用 已经越来越普及，

9、那些电子和汽车业的奥美跨国公司很早就在它们设在中国的 工厂中引进了自动化生产。但现在的变化时那些分布在工业密集的华南，华东 沿海地区也开始对机器手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失 率高，以及交带来的挑战。随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，输送或分拣流程越来越节约劳动力，可见机器手 的大力发展有着很重要的意义。1.3本课题所要做的主要内容、目的及意义1.3.1本论文主要研究物料分拣机器手以下几个方面的内容：（1）物料分拣机器手执行系统的分析与选择执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机器手赖以实现各种运动的实 体。主要包括机身、手臂、末端执行器

10、3部分组成，其中每一部分都可以具有若 干的自由度。执行系统的设计主要是对机器手的手部、手臂和机座进行设计。（2）物料分拣机器手控制系统的设计控制系统是机器手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要 求和时序进行工作。本机器手采用可编程控制器（单片机）对机器手进行控制， 主要包括对单片机的型号选择、传感器类型进行选择、I/O 口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。1.3.2研究工业机器手自动控制系统的目的及意义米用以51单片机为核心控制装箱机器手，代替人工装箱。机器手由电 机驱动，采用最佳升降频的控制方法，为了保证机器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

11、统以寻找和排除控制系统在运行过程 中出现的故障。!机器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线I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。|机器手到达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。机器手的动作过程如下：搬取工件时，按下启动开关，机器手先I由原点下降，碰到下限位开关后，停止下降；同时接通定时器，机器手开始夹；紧工件，定时结束，夹紧完成。机器手上升，上升到顶时，碰到上限位开关，I上升停止。机器手右移，至碰到右限位开关时，右移停止。机器手下降，下降1到底时，碰到下限位开关，下降停止。同时接通定时器，机器手放松工

12、件，定I时结束，工件已松开。机器手上升，上升到顶，碰到上限位开关时，上升停止。I机器手左移，左移到原点，碰到左限位开关时，左移停止。于是机器手动作的一个周期结束。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，甚至于危及生命。工业机器手就这样诞生了 ，机器手是 工业机器人系统中任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其电气方面有步 进电机、开关电源、电磁阀等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术， 位置控制技术、气动技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的 机器手是由单片机输出五路来分别驱动手臂上下直线运动，手臂左右直线运动，手腕旋转运动，机器

13、手整体旋转运动，手爪夹紧动作的精确定位，微动开关将 位置信号传给单片机；电机拖动手爪和底盘旋转；电磁阀控制气阀的开关来控 制机器手手爪的张合，从而实现机器手精确运动的功能。本课题拟开发的工业 机器手模型可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作 业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。工业机器手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。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。机器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。随着工业自动化的

14、发 展，出现了数控加工中心，它在减轻工人的劳动强度的同时，大大提高了劳动生 产率。但数控加工中常见的上下料工序，通常仍采用人工操作或传统继电器控 制的半自动化装置。前者费时费工、效率低；后者因设计复杂，需较多继电器， 接线繁杂，易受车体振动干扰，而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可 编程序控制器单片机控制的上下料机器手控制系统动作简便、线路设计合理、 具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，提高了工作 效率。机器手技术涉及到力学、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。机器手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变

15、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。在工资水平较 低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机器手的使用已经越来越 普及。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、实用的机器手来取代这种紧张 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。第2章 单片机机器手系统的总体结构2.1控制系统的总体结构机器手一般由两个运动机构组成，即手部和

16、肘部。手部是实现抓持工件（或 工具）功能，按工件不同的结构形式有夹持型、托持型和吸附型机器手。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。另外，机器手自由度也是设计的关键参数。自由度多，机器手 结构越复杂，其灵活性越大，其功能也越强大。本设计是由单片机控制的机器手模型。单片机选用了 AT89C51芯片，机器 手具有三自由度，可以完成上下升降、左右 90度旋转、前后伸缩、夹紧松开的 简单动作。根据机器手控制系统可知，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。系统结构原理图，如图2-1所示，工作过程如下：2

17、-1机器手工作控制图机器手主要由机械系统（执行机构、驱动机构）、控制系统构成。执行机构：执行机构是机器手完成抓去工件，实现各种运动所必需的机械 部件，它包括手部、手臂、腕部、机身等。（1）手部：又称手爪或者抓取机构，它直接抓取工件或者夹取。（2）腕部：又称手腕，连接手部和臂部之间的部件，其作用是改变手部的 工作方位。(3) 手臂：是支撑腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并且把它传送到1预定的位置。:(4)机身：是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动1A、驱动系统：未执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的1机械传动、液压传动、气压传动和电机传动。1B、控制系统：通过对

18、驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工1作，当发生错误或故障时，发出报警信号12.2机器手控制系统1(1系统上电，机器手在原位。装(2)检测上料位有无工件，若有工件，将信号送入单片机。1(3)机器手通过单片机控制的电机，实现抓取、搬运和放下工件的工序1(4)如此往复，直到系统断电。1系统中选用光电传感器检测工件，机器手由步进电机控制，机器手在运动订过程中，通过触碰行程开关转换状态。此系统兼有故障诊断的功能，在系统出1现故障(如电路故障)时，系统可将信号经电路保护单元反馈给单片机，实现1对应的保护措施。工作流程如下图 2-2所示：线2-2机器手工作流程图2.3单片机系统2.3.1 AT8

19、9C51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。2.3.2 AT89C51的基本特性及引脚定义1、AT89C51单片机的主要性能参数：（1）与MCS-51产品指令和引脚完全兼容（2）8K字节可重擦写Flash闪速存储器（3）1000次擦写周期（4）全静态操作：0Hz 24MHz（5）三级加密程序存储器（6）256X8字节内部RAM（7）32个可编程I/O 口线（8）3个16位定时/计数器（9）8个中断源2.3.3 AT89C51的引脚功能说明（引脚图如图 2-3所示）：（1）主电源VCC和GNDVCC电

20、源端，工作电源和编程校验（+5V）。GND接地端。（2）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，贝U 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。（3） 控制信号引脚 RST/ VPR 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

21、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 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8E

22、H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MOV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

23、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VPR当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP（4）4 个 8 位 I/O 端口 PO、P1、P2、P3P0 口： P0 口是一组8为漏极开路型双向I/O 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“T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

24、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。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

25、，此时可作输入口，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。在访问外部程序存储器或 16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2 口送出高8位地址数据。在访问 8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXR1指令）时，P2 口输出P2锁存器的内容。Flash编程和程 序校验期间，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3 口： P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8位双向I/O 口，P3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 P3写“T时， 它们被上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻

26、输出电流。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 2-1所示。此外，P3 口还接收一些用于 Flash闪速存储器 编程和程序校验的控制信号。端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INTO （外中断0）P3.3INT1 （外中断1）P3.4TO （定时/计数器0）P3.5T1 （定时/计数器1）长春大学工业机器手自动控制系统P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD （外部数据存储器读选通）表2-1 P3 口的第二功能共 39页 第 13页装丨图2 3 AT89C51的引脚图'2.4系统主程序程序订丨2.4.

27、1硬件选择|系统主要控制对象为机器手，其动力系统为气动式。系统主要由采样放大I单元、模数转换单元和控制单元、驱动单元和执行单元组成。信号采集选用漫线反射式光电传感器；信号放大选用 AD522芯片；模数转换采用8位串行A/D转:换器TLC549芯片；控制单元选用AT89C51单片机；步进电机由UCN5804集成I电路芯片驱动。:2.4.2系统主要程序构成：机器手控制系统软件设计主要由主程序、转换子程序、报警子程序、定时I子程序组成。1系统主程序主要实现自检初始化、外部中断及启动机器手搬运的功能。用I户可以通过它监控系统的工作。主程序流机器手的运动主要由 4个步进电机实1现。步进电机经驱动芯片与单

28、片机 P2 口依次连接，行程开关与单片机的 P0 口1依次连接。为使程序编写方便，将机器手的运动形式分解，划分为 11个步骤，与驱动的电机的工作状态相对应，列出真值表。再根据真值表编写机器手控制 程序。另外，单片机实现对机器手运动控制，可对步进电机转角精确控制，因此必须能够产生PWM脉冲调制）周期信号，并且能够调节脉冲信号的占空比。采用的控制方式是使用定时器设置初值，定时时间为20ms在程序运行时通过改变定时器中断的初值，使其输出指定占空比的脉冲信号。此脉冲信号宽度是微 秒级单位，这样既能提高系统控制精度，又能保证系统可靠工作。长春大学工业机器手自动控制系统243其它子程序（1）A/D转换子程

29、序是将传感器输出信号放大后，经 A/D转换器送入单片 机内部数据存储器中，将数据按照指定格式存放在对应的位置。（2）报警子程序是将当系统采集、数字滤波后的数据（比如电机温度）超 过给定值的的上、下限时，系统发出声光报警，使程序转而处理故障。（3）定时子程序是设定PWM脉冲调制）周期信号的宽度，从而控制步进 电机的转角精度。2.5驱动电路步进电动机和步进电动机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电动机驱动 系统的性能，不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器 的优劣。对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。 步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用

30、的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控 制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电 机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。因为步进电机是靠单片子产生 脉冲来控制转矩的，单片机本身驱动电流较小，驱动不了电机绕组，要用驱动 电路产生较大电流，直接驱动会烧坏单片机。在此只对驱动电路做简单说明（如 图 2-4 ）。图2 4驱动电路模块2.6供电电源单片机、机器手、各个芯片要工作，就必须为其提供电源，他们的电源 电压都是5V。因此就需要将 220V的交流电降压整流为 5V的直流电源。其 电路如图2-5所示。这就是一个简单的整流电路

31、，220V的交流电经过变压器（220/9V ）后输出9V的交流电，再经过单相桥式整流、电容滤波，最后由7805稳压输出5V的电压供给整个电路板使用。此设计中用到了单片机，而单片机的抗干 扰能力很差，所以电源板与单片机的电路板是分开的。电源板由按键开关控制输出，由发光二极管显示工作状态，C4、C5的使用是为了提高抗干扰能力。共39页 第15页长春大学工业机器手自动控制系统图2 5单片机的电源共39页 第19页第3章机器手系统的总体设计3.1总体设计方案机器手的重要指标有快速性、定位精度和平稳性等。而运用 AT89C51单片机时，有价格低廉、体积小、结构简单、抗干扰能力强和可靠性高等 优点。因此煤

32、饼的装箱采用了单片机控制机器手和走箱工作台相配合的方 式，机器手工作轨迹固定，而工作台可做定向移动。为提高装箱速度，在机 器手卸完煤饼返回的同时，使工作台完成相应的位移量。机器手从A点抓去工件右行至B点，放下工件，然后返回到 A点抓取下个工件，依次反复。步 进电机作为机器手左右运行的执行机构。图3-1总体设计方案3.2硬件电路设计3.2.1步进电机的结构原理和特点步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。即电机的总转动角度由输入脉冲数决定， 而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、动作灵敏、中低速时具备

33、高转矩、高信赖性、小型、高功率 等特征，使其具有广泛的应用。步进电动机是一种控制用的特种电机， 作为执行元件，步进电机是机电 控制中一种关键的执行机构， 它的驱动电路根据控制信号工作， 控制信号由 单片机产生。当步进驱动器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照 一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作， 必须使用专用的驱动电源 （步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器） 可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的

34、；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若 按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一 个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔 越短，步进电机就转得越快。 同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度 和加速度，从而达到调速的目的。选择步进电机的转速为1500r/min。1、步进电机的一些特点：（1）一般步进电机的精度为步进角的 3-5%,且不累积。（2）步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至 于失

35、步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点； 一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130度以上，有的甚至高达摄氏200度 以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90度完全正常。（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越 高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流 减小，从而导致力矩下降。（4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有 啸叫声。2、步进电机的换向控制一般来说，驱动器的输入共有 3路，它们是：步进脉冲信号 CP方向电平 DIR、脱机信号FREE它们在

36、驱动器内部分别通过限流电阻接入光藕的负输入端， 且电路形式完全相同，在这三路输入信号的共同的控制下，驱动器将输入合适 的电流来控制步进电机完成指定的操作。 另外，驱动器一般有一个接入端OPTO 该端口为三路信号的公共正端。三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所 以OPTC端须接外部系统的VCC并在需要的情况下加限流电阻 R,保证驱动器 内部光藕提供合适的驱动电流。A. 步进脉冲信号CP步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置与速度，也就是说：驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机一个旋转的步距角，CP脉冲的频率改变则会使步长春大学工业机器手自动控制系统进电机的转速改变，控制 CP脉冲的个数，则

37、可以使步进电机精确定位。B. 方向电平DIR方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向，此端为高电平时，电机 一个转向，此端为低电平时，电机转向另外一个方向，电机转相必须在电机停 机后进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个 CP脉冲结束后以及下 一个方向的第一个脉冲前发出。C. 脱机电平信号FREE当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态（未施加 CP脉冲时）或者运行状 态（施加CP脉冲时），但当用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这 时就可以用到此信号，当此信号起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩 状态，当此信号为高电平时或悬空不接时，取消脱机状态。此信号用户可选用， 如果

38、不需要此功能，此端不接即可。3、步进电机的位置控制步进电机的位置控制是指要求电机从当前位置转过一个给定的步数。电机 不丢步数这一控制的实际。就是要求精确地发出定量的步进脉冲，例如，机器 手再现工作时的启动信号后，要走到示教时给出的初始作业位置，就是用到位 置控制。不过不带加/减速控制，位置控制很容易实现的。将发给电机的脉冲， 用计数器通道计数，到最后通过 CPU亭发脉冲就是了。但是这种不带加/减速的 位置控制，除非速度特别低，否则会在起停时造成器械冲击、失步。3.2.2机器手的组成机器手主要由手部、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、

39、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 器手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机器手设计的关键参数。自由度越多，机器手的灵活性越大，通用 性越广，其结构也越复杂。一般专用机器手有23个自由度。现使用为机器手模型，模型装置主要由底盘、主机模块、运动机械、电 气控制及一些电缆电线等部分组成。机器手模型装置的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸等机械器件组成 ；电气方面有步进电机、交流伺服电

40、机、驱 动模块、开关电源、电磁阀等电子器件组成。3.2.3机器手的结构原理根据图3-1可得：（1）在机器手臂的前端安装由交流伺服电机驱动可上下左右移动的电 控机械抓手；（2） 由两台步进电机驱动两组丝杠组件分别构成该系统运动方向的X 轴和Y轴,机器手臂沿X轴做伸缩运动，沿Y轴做升降运动（含x、y轴限位开 关）；（3）在丫轴的底部安装可回旋=270°的转盘机构,由转盘带动机器手臂做水平方向上的旋转动作 （其电气部分由直流电动机、限位开关等组成）。共 39页 第 # 页长春大学工业机器手自动控制系统第4章系统的程序设计4.1主程序软件设计硬件电路完成以后，必须为单片机编写程序才能使整个电

41、路完成预计的 功能，单片机输出脉冲信号用以驱动电机正反转运行和高速低速的相互转 换。因此单片机程序需要分为主程序和子程序两大部分组成。主程序是核心部分，安排调度各部分的运行。首先是初始化，然后再读入外部的输入，接着是由定时器中断调度三个任务，然后是运行逻辑功能模块和输出结果。主程序流程图如图4-1所示。上电按键按下工作等待命令结束图4-1主程序流程图4.2子程序软件设计子程序是中断响应程序，它的调用是系统执行过程中采用中断事件触 发产生.中断是周期性发生的。子程序是整个系统的核心代码 ，这段代码不光 涉及到显示，还涉及到系统计时，这段代码的优劣关系到整个系统的可靠性 后面还将详细讨论。为初步减

42、小系统误差，置定初值一定要在程序开始时就设置。机器手先由原点下降， 碰到下限位开关后，停止下降；同时接通定时器, 机器手开始夹紧工作，定时结束，夹紧完成。机器手上升，上升到顶时，碰 到上限位开关，上升停止。机器手右移，至碰到右限位开关时，右移停止。 机器手下降，下降到底时，碰到下限位开关，下降停止。同时接通定时器， 机器手放松工件，定时结束，工件已松开。机器手上升，上升到顶，碰到上 限位开关时，上升停止。机器手左移，左移到原点，碰到左限位开关时，左 移停止。机器手工作流程图如图4-2所示。共 39页 第 39 页否4.3系统电路原理图设计431电源模块1 " - 1*八八JH专图4-

43、3-1电源模块4.3.2旋转底盘、机器手爪模块图4-3-2旋转底盘、机器手爪模块433指示灯模块434限位开关模块4.3.5机器手臂步进电机驱动模块C2IvIotoT 蠶irnl Mat&r Anfil Mot&i Aitft Motor AlmlIB 13T3LrLW2CiO3A4B 42B2C3B3C4B4C5B5C6B6C3B7C1C15ssr r123456CON63COM6si51312机橄手臂横向步进电机GHD V(JC1C至4C煮7CCCV- D1B2B3B4B孟需U2LTLN2DO3AMotorMotor1-BMotoi Arm2 3BMotor Aim2 dE

44、一11Dio15机械手臂步进电机驱动模块|丨丨十丨-图4-3-5机器手臂步进电机驱动模块436底盘光电对射耦合器模块437微控制器核心模块图4-3-7微控制器核心模块438系统整体原理图SOcnzMinCT"* I I yrn*F丁;叩；inf i?WXJai71ftiir AiiS ituiEiTi-rI Wi6 Of!IJTarTtPHH I削 IL.4I M ,U UZaZErrHT rCh制岂h 丄*M = i!- iT；: ST1wmnswn. tan斗an . ti:EE严 i IFFR *£1灯AllIE2,：MRD7 ! 3 AZ1 ''7J

45、7r图4-3-8系统整体原理图第5章总结此次我们做的毕业设计是单片机应用于机器手，通过3个月的努力，设计终于顺利完成。这次设计给了我一个很好的机会，使我了解了设计工作的基本流程的方法以及理念。在此次的毕业设计中， 我遇到了许多以前从未遇到过的问题，但是通过指导教师的指导和我的努力，这些问题都得到了很好地解决。虽然我设计的只是机器手的简单动作，但是需要完成机器手的行走、抓取和翻转等各种功能，对应分别要有行走机构，抓取机构，提升机构，翻转 机构来实现。通过这些机构的设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化 了所学过的专业理论知识。系统的功能完全符合设计任务的要求，经过大量的测试数据显示，系统的可靠

46、性已经完全达到了实际机器手的设计要求.同时系统具有很强的扩展性，即扩充串口的功能可以得到很好的计算机控制系统毕业设计使对大学四年所学知识的一次综合运用的考察，又是对所学知识的融会贯通，做到了学以致用。 通过此次设计将课本上的知识运用到实践 中，使我了解到了理论和实践的差异以及实际生产中所需要的精神和能力， 为今后走向工作岗位打下了一个好的基础。由于本人自身经验和时间有限，本设计还存在不足之处， 今后还需继续努力，恳请各位老师和同学提出宝贵意见。参考文献1 常文平电气控制与单片机原理及应用 西安：电子科技大学出版社，2006. P352 王耀南机器人智能控制工程科学出版社，2004. P85-9

47、03 常晓玲电气控制系统与可编程控制器 北京：机械工业出版社，2004. P20-594 陈建明电气控制与单片机运用北京：电子工业出版社，20065 廖常初单片机基础及应用北京：机械工业出版社， 2004. P12-43.吴丽电气控制与单片机应用技术 M.北京：机械工业出版社,2008.7 汤以范电气与可编程控制技术M.北京：机械工业出版社,2004.8 王兆义可编程控制器教程M.北京:机械工业出版社,2003.9 高钦和可编程控制器应用技术与设计实例.M.北京：人民邮电出版社，2004.10 周继功单片机在机器手中的应用研究，河北北方学院学报，2005.8.11 Lozano,R.(Roge

48、lio).Adaptive control systemsM .Fresno:Witerwoof Inc.,1999.12 A water pumping control system with a programmable logic controller (Single Chip Microcomputer) and in dustrial wireless modules for in dustrial pla nts An experime ntal setup.13 Katsuhiko Ogata. Modern Control Engineering. Fourth Edition

49、. Publishing House of Electro nics In dustry,2007.10.14 John G. Kassakian. Principles of Power Electronics M. Addis on Wesley publishing compa ny,. 1991:473-48215 Bose B K. Power Electronics and AC J. Prentice-Hall. 2006.(12)致谢四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力 支持下，走得辛苦

50、却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久 久不能平静。伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美 献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识 渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不 如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想 观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定 到论文写作的指导，经由您悉心的点拨，再经思考后的领悟,常常让我有“山 重水复疑无路，柳暗花明又一村”。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境.感谢我的老师、同学以及所有帮助我的人

51、，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可 敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！最后 再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。附录项目名称：工业机器手自动控制系统 院 系：长春大学电子信息工程学院 指导教师：于存江（副教授） 代码作者：高亮编写时间：2013-05-11修改日期：修改内容：最终版本：V1.0项目描述：要求动作过程如下：抓起f向前0.5米f左转90度后向前0.5米f右转90度后向前0.5米f右转90度后后退0.5米f放下。*#in

52、 elude <reg51.h>#defi ne uint un sig ned int#defi ne uchar un sig ned char#defi ne True 1#defi ne False 0 uchar Limi nt-Up,Limi nt-Dow n,Limi nt-Lift,Limi nt-Right;uchar MotorR90 , MotorL90,Motor;uchar Arm1,Arm2;I'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k

53、9;k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k步进电机采用单双八拍方式，即 A