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1、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容、目的与意义51.3.1 本论文主要研究物料分拣机器手以下几个方面的容：51.3.2 研究工业机器手自动控制系统的目的与意义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92.3.1 AT89C51的基本结构92.3.2 AT89C51的基本特性与引脚定义92.3.3 AT89C51的引脚功能说明92.4系统主程序程序122.4.1 硬件选择122.4.2 系统主要程序构成122.5驱动电路132.6供电电源14第3章 机器手系统的总体设计163.1总
2、体设计方案163.2硬件电路设计163.2.1 步进电机的结构原理和特点163.2.2 机器手的组成183.2.3 机器手的结构原理19第4章 系统的程序设计204.1主程序软件设计204.2子程序软件设计204.3系统电路原理图设计224.3.1电源模块224.3.2旋转底盘、机器手爪模块224.3.3指示灯模块234.3.4限位开关模块234.3.5机器手臂步进电机驱动模块244.3.6底盘光电对射耦合器模块254.3.7微控制器核心模块254.3.8系统整体原理图26第5章 总结27参考文献28致29附录30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
3、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
4、。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，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。机器手技术涉与到力学、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动的多功能
5、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。不少球坐标通用机器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,专门生产工业机器手。1962年美国机械制造公司也实验成功一
6、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、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
7、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
8、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。机器手技术涉与到力学，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与，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
9、他们要面对工人流失率高，以与交带来的挑战。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容、目的与意义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
10、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容。1.3.2 研究工业机器手自动控制系统的目的与意义采用以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，
11、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，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。于是机器手动作的一个周期结束。在工业生产和其他领域，由于工作的需要，人们经常受到高温、
12、腐蚀与有毒气体等因素的危害，甚至于危与生命。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
13、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与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
14、,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。机器手技术涉与到力学、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与。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
15、研制出一种简单、实用的机器手来取代这种紧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：2-1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
