自动输送带及机械手的设计与制作

1、昆明冶金高等专科学校应用电子技术专业2005届毕业设计自动输送带及机械手的设计与制作院 系：机械与电气工程系指导教师：周遐 金瑞 张洁专 业：应用电子技术班 级：电子0202班姓 名：陆关树 陈佳 陈进林 王军 二OO五年六月目 录一、前 言2二、设 计3（一）单片机简介（二）自动输送带1、硬件设计2、软件设计（三）机械手1、硬件设计2、软件设计三、制作过程22四、特点与价值24五、总 结 .25摘要：在现代化生产中，如烟厂的生产流水线和码头的集装箱吊运等场合，自动输送带和机械手的应用越来越广泛，本毕业设计课题就是模拟实际工程现场的设备而设计制作的。该设计综合运用了单片机技术、光电检测技术、电

2、气控制技术和机械传动技术，以单片机为控制核心，可实现输送带的自动起动、停止和对产品的自动计数显示等功能；当产品运送到输送带末端时，能自动起动完全由同学自行设计制作的机械手，将产品吊运到指定位置。该课题充分体现了同学综合运用所学知识的能力、创新能力和实际动手能力。关键词：自动输送带 机械手 设计制作一、前 言随着经济的发展，在各行各业的生产及运输过程中，自动运输带及机械手的使用已经相当普及了，如我们所见过码头集装箱的装卸等等。也正是因为这些现代化设备的使用，大大节省了人力、物力资源，极大地提高了生产效率。我们可以看到，在不同的场合，传送带的方式有许多种，机械手也一样，输送带和机械手的复杂程度不同

3、，随着生产工艺和自动化程度的不同，控制方式各异，然而，虽然存在以上差别，但是，在控制思想和电路方面，有很多的共同之处，中间都少不了检测输入、数据处理、决策判断、驱动控制等环节，所以，由于这些，我们做了一套模拟生产线的输送带及机械手，相当于是把规模庞大的设备成倍缩小。在整个设计过程中，我们使用了模拟、数字电子技术，单片机技术，光电检测技术，电气控制技术。虽然我们是应用电子技术的学生，但是这次毕业设计的制作，我们把三年中所学的理论知识全部都联系起来，理论联系实际使我们三年中所学的理论知识得到了升华。本次我们毕业设计的课题主要分两个部分：输送带和机械手。输送带上我们采用光电检测技术，在开始端我们检测

4、有没有产品，如果有，使之运行;在末尾，如果检测到有产品，同时使之停止。产品停止后，机械手旋转到产品上方，向下接触到产品，电磁铁通电，机械手将产品提起，而后将产品送到指定位置。二、设 计（一）单片机简介1、单片机的发展史 1974 年,美国仙童(Firchild)公司研制的世界第一台单片微型机F8.该机有两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视.从此,单片机开始迅速发展,应用领域也在不断扩大.现已成为微型计算机的重要分支,单片机的发展过程通常可以分为一下几个发展过程.（1）第一代单片机(1974-1976):这是单片机发展的起步阶段.在这个时

5、期生产的单片机特点是,制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形式.典型的代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等.（2） 第二代单片机(1976-1978):这是单片机的第二发展阶段.这个时代生产的单片机随眼已能在单块芯片内集成CPU,并行口,定时器,RAM和ROM等功能部件,但性能低,品种少,应用范围也不是很广,典型的产品有Inrel公司的MCS-48系列机.（3）第三代单片机(1979-1982):这是八位单片机成熟的阶段.这一代单片机和前两代相比,不仅存储容量和寻址范围大,而且中断源,并行I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成

6、了全双工穿行通信接口电路.在指令系统方面,普遍增设了惩处法和比较指令.这一时期生产的单片机品种齐全,可以满足各种不同领域的需要.代表产品有Intel公司的MCS-51系列机,Motorola公司的MC6801系列机,TI公司的TMS7000系列机,此外,Rockwell,NS,GI和日本松下等公司也先后生产了自己的单片机系列.（4）第四代单片机(1983年以后):这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代,十六位机的特点是,工艺先进,集成度高和内部功能强,加法运算速度可达到1us以上,而且允许用户采用面向工业控制的专用语言,如PL/MPLUS C和Forth语言等.代便产品有intel公

7、司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900,NEC公司的783××系列和NS公司的HPC16040等.然而,由于十六位单片机价格比较贵, 销售量不大,大量应用领域需要的是高性能,大容量和多功能新型八位单片机.这些单片机有Intel公司的88044(双CPU工作),Zilog公司的Super8(含DMA通道),Motorola公司的MC68CH11(内含E2prom及A/D电路)和WDC公司的65C124(内含网络接口电路),等等.目前,八位高性能单片机以成为主流,单片机发展具体体现在以下几个方面:1.CPU功能增强;2.内部资源增多.3.引脚的多功能化.4.低电压低功耗

8、.2、单片机的发展方向计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：巨型化，单片化，网络化。以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器（embedded microcontroller）。单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。 在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。 内部结构的进步单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如

9、：定时器，比较器，A/D转换器，D /A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。例如，Infineon公司的C 505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ 系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，

10、这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola 公司的MC68HC08MR16、MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。特别引人注目的是：现在有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。这是一种建立在系统级芯片（System on a chip）概念上的结构。这种单片机由三个核组成：一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。虽然从结构定义上讲，DSP是单片机的一种类型，但其

11、作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。这是目前单片机最大的进步之一。这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP；Hitachi公司的SH7410，SH7612等。这些单片机都是高档单片机，MCU都是32位的，而DSP采用16或32位结构，工作频率一般在60MHz以上。 功耗、封装及电源电压的进步现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5 mA，而在节

12、电方式中，其功耗只有0.5mA。而在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430系列，它是一个 16位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4三种。当电源为3V时，如果工作于 LMP1方式，即使外围电路处于活动，由于CPU不活动，振荡器处于14MHz，这时功耗只有50?A。在LPM3 时，振荡器处于32kHz，这时功耗只有1.3?A。在LPM4时，CPU、外围及振荡器32kHz都不活动，则功耗只有0.1?A。现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。在这种形势中，Microchip公

13、司推出的8引脚的单片机特别引人注目。这是PIC12CXXX系列。它含有0.52K程序存储器，25128字节数据存储器，6个I/O端口以及一个定时器，有的还含4道A/D ，完全可以满足一些低档系统的应用。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。目前，一般单片机都可以在3.35.5V的条件下工作。而一些厂家，则生产出可以在2.26V的条件下工作的单片机。这些单片机有Fujitsu公司的MB8919189195，MB89121125A，MB89130系列等，应该说该公司的F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足2.26V的工作电压条件。而TI公司的MSP430X11X系列

14、的工作电压也是低达2.2V的。 工艺上的进步现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6?m以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35?m甚至是0.25?m技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。 AT89C2051单片机简介 我们设计的自动输送带及机械手的设计与制作主要由AT89C2051这块单片机控制，因为 AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生

15、产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。 同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至

16、系统被硬件复位方可继续运行。 这块芯片的主要功能特性： · 兼容MCS51指令系统 · 2k可反复擦写(）1000次）Flash ROM · 15个双向I/O口 · 6个中断源 · 两个16位可编程定时/计数器 · 2.7-6.V的宽工作电压范围 · 时钟频率0-24MHz · 128x8bit内部RAM · 两个外部中断源 · 两个串行中断 · 可直接驱动LED · 两级加密位 · 低功耗睡眠功能 · 内置一个模拟比较放大器 · 可编程UARL

17、通道 · 软件设置睡眠和唤醒功能 （二） 自动输送带1、硬件设计我们的输送带，是链板运输机的模型，采用的是交流单相异步电动机，利用蜗杆蜗轮传动带动齿轮传动，使输送带缓速运行，从而满足了我们的要求。同时，我们采用光电检测，作为输送带各项功能控制的检测输入，在开始端，我们检测有没有产品。如果有，单片机发出通电指令，输送带通电开始工作，到了末尾，同样，检测到了产品以后，单片机发出断电指令，让输送带断电停止工作。同时，进行计数。（1）计数的过程：设定好一定的产品数量，进行减计数，到末端进行打包，再进行加计数，从而可以容易的得到产品的产量、打了多少包，实现了统计自动化。到了生产线末端，产品由机

18、械手从生产线上搬送到货车上。（2）自动输送带实物图（3）自动输送带控制电路图（4）自动输送带显示部分（5）光电传感器电路图2、软件设计T BIT P3.7LIGHT BIT P1.2START BIT P1.3STOP BIT P1.4RUN BIT P1.7SETC BIT P1.5 ORG 0000H SETB START SETB STOP SETB SETC SETB T MOV 30H,#03H MOV R0,#00H;BAG MOV R1,30H;TIME ACALL DISPLAYWAIT: JB START,KEY1 ACALL TIME10MS JB START,KEY1 L

19、JMP TURNKEY1: LCALL KEY SJMP WAITKEY: JB SETC,NOKEY ACALL TIME10MS JB SETC,NOKEY MOV A,30H ADD A,#01H DA A CJNE A,#10H,ROOT1 CLR AROOT1: MOV 30H,A MOV R1,30H;TIME MOV R7,#20HROOT2: ACALL TIME10MS DJNZ R7,ROOT2 ACALL DISPLAYNOKEY: RETTURN: CLR T LCALL TIME10MS ACALL DISPLAYTURN1: JB STOP,$ LCALL TIME

20、10MS JB STOP,TURN1 SETB T LCALL TIME10MS ACALL DISPLAY CLR RUN CLR C MOV A,#99H ADD A,R1 DA A MOV R1,A JNZ BAG MOV R1,30H MOV A,R0 ADD A,#01H DA A MOV R0,ABAG: ACALL DISPLAYROOT10:JNB STOP,$LCALL TIME10MS JNB STOP,ROOT10 SETB RUN CLR T LCALL TIME10MS ACALL DISPLAY LJMP TURN1DISPLAY:MOV SCON,#00H MOV

21、 A,R1 MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI MOV A,R0 MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI NOP RETTIME10MS:NOP MOV TMOD,#01H MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F1H SETB TR0 JNB TF0,$ CLR TF0 RET END（三） 机械手 1、硬件设计（1）机械手实物图： （2）机械手的工作过程：（3）机械手控制电路图：（三） 机械手的软件设计 up bit P1.0 down bit P1.1 left bit P1.2 right bit p1.3 start bit p1.4 tv

22、bit p1.5 tvs bit p1.6 th bit p1.7 l bit p3.7 org 0000h ljmp main org 0030hmain: clr l mov p1,#1fh mov a,#16h cjne a,p1,reset ajmp waitreset:setb tvs setb tv jb up,$ clr tv clr tvs setb th jb right,$ clr th sjmp wait auto: setb th jb left,$ clr th setb tv jb down,$ clr tv setb l acall wait2 setb tvs

23、setb tv jb up,$ clr tv clr tvs setb th jb right,$ clr th setb tv jb down,$ clr tv clr l acall wait2 setb tvs setb tv jb up,$ clr tv clr tvs ajmp waitwait: jb start,$ sjmp autowait2:mov a,#0ahwait20:mov tmod,#01h mov th0,#3ch mov tl0,#0b0h setb tr0 jnb tf0,$ dec a jnz wait20 ret end三、制作过程在制作当中，我们考虑了诸

24、多因素，比如：产品的检测，我们采用了红外对射管，开始由于可见光含有较强的红外线，对单片机的输入信号造成干扰，使单片机产生误动作的信号造成电路不能稳定工作。后来，我们采用了NE567集成电路对输入信号的频率进行检测，因为可见光与红外发射管产生的红外线频率有所不同，所以检测它们的频率后，很有效的解决了干扰问题，保证了单片机系统的正常稳定运行。我们的输送带，是链板运输机的模型，采用的是交流单相异步电动机，一个蜗轮蜗杆传动和齿轮传动，这样有助于降低电动机的输出力矩和转速，使输送带缓速运行，从而满足了我们的要求。在机械手的制作过程当中，一开始我们就考虑了很多种方案，后来，结合我们的实际情况，我们采用了很

25、简单的螺杆传动，因为这样做有很多好处：1、 它很有效的降低了电动机的输出转速；2、 很大程度的增加了输出力矩；3、 制作成本低，材料易购同时，为了保证机械手的牢固可靠，我们在起重臂上加了两根不锈钢支杆，采用不锈钢是因为他表面光滑，省去了这一道加工工序。同时，为了保证接触面积足够大，我们还在不锈钢支杆上加了铜套管，避免了起重臂上下运动时卡死的现象。机械手的左右旋转：我们采用了一个4W的交流同步电机用来驱动，虽然只有4W，但其里面有齿轮减速机构，大大的增强了输出的力矩，所以它很容易地带动整个机械手臂的旋转。同时，为了保证左右停止的精确定位，我们除了加上限位开关之外，还加了左右定位销子，从而保证了机

26、械手能在左右两个方向精确停止。为了满足要求，我们可以调整定位销子及行程开关接触连杆的位置，从而实现了不同角度的旋转及停止定位。在抓取产品时，我们一开始就设想采用电磁铁，在开始试验的时候，我们试过交流电磁铁，主要是因为交流电磁铁在断电后没有剩磁，产品和电磁铁的分离干脆，但其有一个缺点：就是交流磁场有趋肤效应。在提起产品的时候，产生了磁力线都集中在产品的轮廓边缘，有可能在运行过程当中产生的震动就会使产品从电磁铁上脱落，造成工作不可靠。后来，经过反复试验，采用了直流电磁铁，因为直流电磁铁是一个均衡的磁场，容易将产品磁化。在断电后，会产生剩磁现象，造成机械手与产品分离不干脆。后来，我们想到采用软磁体包装产品因为软磁体不易被磁化，避免了上述问题。由于市场上很难买到符合我们要求的直流电磁铁，所以，我们采用变压器改制。改制方法如下：将变压器铁心全部拆除，只留下E字型的