機(jī)械手的單片機(jī)控制設(shè)計(jì)

1、摘 要在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文主要介紹了平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手用于給設(shè)備運(yùn)送物料。機(jī)械手的大、小手臂分別在互相垂直的兩個(gè)平面內(nèi)擺動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。采用機(jī)械手后速度提高，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，并保證了安全生產(chǎn)。該設(shè)計(jì)包括各控制系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)、伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及單片機(jī)控制電路等內(nèi)容

2、，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)功能。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 機(jī)械手 伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 單片機(jī)控制電路AbstractIn today's large-scale manufacturing enterprises to improve production efficiency, protect the quality of products, the general emphasis on the degree of automation of production processes, industrial robots, automated production line as an imp

3、ortant member of gradually recognized and adopted by enterprises. Industrial robot technology and applications to some extent reflect the extent of a country's level of industrial automation, at present, industrial robot is mainly responsible for the welding, coating, handling, and stacking and

4、other repetitive, and the labor-intensive work, work approach generally adopted way of teaching-playback. This paper describes the planar articulated robot to the device used for transportation of materials. Manipulator large and small arms perpendicular to each other respectively in the two plane s

5、wing, compact structure, small footprint. After the mechanical hand speed, reducing labor intensity, and to ensure safety in production. The design including the composition and structure of control system, servo motion control system design and MCU control circuit etc., and ultimately the advantage

6、s of robot capabilities.Key words: Industrial Robot Robot Servo Motion Control Systems MCU control circuit目 錄摘 要1Abstract.21 緒論52機(jī)械手的產(chǎn)生與發(fā)展62.1機(jī)械手的歷史62.2 應(yīng)用簡(jiǎn)況72.3 發(fā)展趨勢(shì)72.4機(jī)械手的分類82.5機(jī)械手的組成和動(dòng)力源的比較92.5.1機(jī)械手的組成92.5.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)92.5.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)102.5.4控制系統(tǒng)112.6應(yīng)用機(jī)械手的意義112.6.1以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度112.6.2以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故112.6.3可以

7、減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)123機(jī)械手的設(shè)計(jì)123.1機(jī)械手的選定123.2動(dòng)作分析143.2.1手部143.2.2手臂的前后伸縮部分153.2.3手臂的上下升降部分153.2.4腰轉(zhuǎn)部分153.3傳動(dòng)部件選定153.4選擇臂部回轉(zhuǎn)遠(yuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩幾電動(dòng)機(jī)的選擇153.4.1臂部驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算163.4.2升/下降電動(dòng)機(jī)163.4.3部件設(shè)計(jì)立柱的設(shè)計(jì)163.4.4絲杠的計(jì)算184伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)194.1系統(tǒng)總體方案194.2各模塊工作原理194.2.1運(yùn)動(dòng)控制芯片194.2.2單片機(jī)204.2.3功率放大芯片204.2.4增量式光電編碼器204.2.5直流伺服電機(jī)204.2.6通信模

8、塊204.3運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)214.4驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)214.5位置檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)224.6直流電機(jī)調(diào)速234.6.1直流電機(jī)工作原理234.6.2 PWM調(diào)速244.7通信模塊設(shè)計(jì)254.7.1顯示電路設(shè)計(jì)264.7.2鍵盤電路設(shè)計(jì)264.8復(fù)位電路設(shè)計(jì)274.9晶體震蕩電路設(shè)計(jì)275伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)285.1軟件功能概述285.2主程序設(shè)計(jì)285.2.1主程序流程285.2.2初始化程序305.2.3任務(wù)處理循環(huán)315.3控制系統(tǒng)的程序316總結(jié)34參考文獻(xiàn)35致謝361 緒論機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù),并且成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。機(jī)械手是一種能模擬人

9、的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工作或操縱工具的自動(dòng)化裝置。而可編程邏輯控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、編程方便、易于使用和修改、易于擴(kuò)展和維護(hù)、環(huán)境要求低、體積小巧、安裝測(cè)試方便等性能在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用。這種新技術(shù)發(fā)展很快逐漸形成一門新興的學(xué)科機(jī)械手工程。機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。圖1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

10、圖注：1機(jī)身；2大臂電機(jī)；3光電編碼器；4大臂；5小臂電機(jī)6同步帶；7光電編碼器；8小臂；9手腕升降電機(jī)；10手抓電機(jī)；11手抓。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人民所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，

11、顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)國(guó)家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)部門的重視。2機(jī)械手的產(chǎn)生與發(fā)展2.1機(jī)械手的歷史機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也制造出一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型

12、。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。目前，工

13、業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。2.2 應(yīng)用簡(jiǎn)況現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化，自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)

14、這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。國(guó)內(nèi)機(jī)械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。國(guó)外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機(jī)床共同組成一個(gè)綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更始目前研究的重點(diǎn)，國(guó)外已研究采用攝象機(jī)和力傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)連在一起，能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的。2.3 發(fā)展趨勢(shì)目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞

15、動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快

16、。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。此外，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺(jué)功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作

17、，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺(jué)作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。2.4機(jī)械手的分類機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操

18、作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國(guó)外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手，國(guó)外稱為機(jī)器人。本課題所做的機(jī)械手是屬于第三類機(jī)械手。2.5機(jī)械手的組成和動(dòng)力源的比較2.5.1機(jī)械手的組成機(jī)械手由以下結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)智能系統(tǒng)四部分組成。其組成及相互關(guān)系如下圖：圖2.1機(jī)械手的組成機(jī)械手的設(shè)計(jì)構(gòu)想是以人

19、的手為基礎(chǔ)，以機(jī)械拉來(lái)實(shí)現(xiàn)人的動(dòng)作，它的動(dòng)作由以下四部分來(lái)實(shí)現(xiàn)：1、自由度的旋轉(zhuǎn) 2、肩的前后動(dòng)作 3、肘的上下動(dòng)作 4、腕(手)的動(dòng)作2.5.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)1 手部手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可把動(dòng)作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動(dòng)、伸屈手腕，開(kāi)閉手指。機(jī)械手手部的機(jī)構(gòu)系模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。2 手臂手臂有無(wú)關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精

20、確的定位。本課題所做的機(jī)械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個(gè)方向的定位均采用行程開(kāi)關(guān)控制，以保證定位的精度。由于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此，它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線油缸、擺動(dòng)油缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)等。2.5.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓氣動(dòng)用的最多，占90%以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積

21、小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無(wú)級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到8-10個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。電氣驅(qū)動(dòng)采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動(dòng)則用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動(dòng)機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交

22、流的伺服電機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動(dòng)力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。2.5.4控制系統(tǒng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間和加速度等。圖2.2控制順序圖控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。2.6應(yīng)用機(jī)械手的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來(lái)越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加

23、工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：2.6.1以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。2.6.2以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手

24、代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。2.6.3可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒(méi)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。由上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。3機(jī)械手的設(shè)計(jì)3.1機(jī)械手的選定工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由

25、于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類：1.式取料手2.式取料手3.操作器及轉(zhuǎn)換器4.多指靈巧手本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開(kāi)和夾緊工件，是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如下圖所示 圖3.1機(jī)械手手指形狀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖3.1為初步設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（只畫出了一半，另外一半關(guān)于中心線對(duì)稱

26、）。 圖3.2機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖在上圖中，O為電機(jī)輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)DE的來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。圖3.2中的黑線和藍(lán)線表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。為便于手指的順利合攏，可以在兩個(gè)手指之間設(shè)置一個(gè)彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。機(jī)械手的工藝流程：機(jī)械手原位機(jī)械手前伸機(jī)械手上升機(jī)械手抓取并夾緊機(jī)械手后退機(jī)械手前進(jìn)小車停止機(jī)械手左轉(zhuǎn)90°機(jī)械手前伸機(jī)械手松開(kāi)機(jī)械手后退機(jī)械手下降機(jī)械手右轉(zhuǎn)90°小車后退退至原位。這幾部分中我們靠機(jī)械完成機(jī)械手的上升下降

27、動(dòng)作，即本課題所做的機(jī)械手。機(jī)械手的上升與下降主要是靠滾珠螺旋傳動(dòng)來(lái)完成的。滾珠螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。絲桿傳動(dòng)是帶動(dòng)滾珠沿螺紋軌道滾動(dòng)。滾珠螺旋傳動(dòng)與滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)或者其他直線運(yùn)動(dòng)副相比，有以下特點(diǎn)：1傳動(dòng)效率高 一般滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率達(dá)85%-98%，為滑動(dòng)絲杠副的3-4倍。2 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 滾動(dòng)摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動(dòng)與工作摩擦力矩差別很小。啟動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊，低速時(shí)無(wú)爬行。3 能源預(yù)緊 預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過(guò)盈，提高接觸剛度和傳動(dòng)精度。同時(shí)增加的摩擦力矩相對(duì)不大。4 工作壽命長(zhǎng) 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度、高精度，具有較長(zhǎng)的工作壽命和精度保持性。壽

28、命約為滑動(dòng)絲杠副的4-10倍以上。5 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升小、無(wú)爬行、無(wú)間隙，通過(guò)預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸的補(bǔ)償?shù)呐蛎洠虼?，可以達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。6 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)部件。可以得到較好的同步運(yùn)動(dòng)。7 可靠性高 潤(rùn)滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。8 不自鎖 用于垂直運(yùn)動(dòng)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動(dòng)裝置。9 經(jīng)濟(jì)性差，成本高 由于結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，故制造成本高價(jià)格往往以 mm計(jì)。3.2動(dòng)作分析工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械機(jī)構(gòu)是指它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機(jī)械手抓持工件、進(jìn)行操作及各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件。機(jī)械部件主要包括手部，手臂前后伸縮部分，手臂上下升

29、降部分腰轉(zhuǎn)部分以及機(jī)座和行走機(jī)構(gòu)。3.2.1手部手部：包括杠桿手指，單向作用式握緊油缸等。其工作原理：物體進(jìn)入手指后，拉桿手油缸作用，通過(guò)拉桿帶動(dòng)杠桿手指回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)握緊或松開(kāi)動(dòng)作。3.2.2手臂的前后伸縮部分手臂的前后伸縮部分由直線油缸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)直線油缸工作時(shí)通過(guò)活塞桿行程的變化，完成手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。3.2.3手臂的上下升降部分手臂的上下升降部分是由電動(dòng)機(jī)、絲桿傳動(dòng)副、立柱等部分組成。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過(guò)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿，由于絲桿螺母周受到立柱的徑向轉(zhuǎn)動(dòng)限制，使得螺母及手臂架只能作上下運(yùn)動(dòng)。3.2.4腰轉(zhuǎn)部分腰轉(zhuǎn)部分主要由轉(zhuǎn)盤和回轉(zhuǎn)油缸組成。當(dāng)壓力油進(jìn)入回轉(zhuǎn)油缸時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，通過(guò)活

30、塞桿的伸縮帶動(dòng)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的左右轉(zhuǎn)動(dòng)。3.3傳動(dòng)部件選定由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有：1結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕。2傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)。3回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度。4壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)

31、行過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)。3.4選擇臂部回轉(zhuǎn)遠(yuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩幾電動(dòng)機(jī)的選擇3.4.1臂部驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算臂部回轉(zhuǎn)遠(yuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩公式：M驅(qū)=M慣+M摩M慣=（G/g+J）W/tM驅(qū)-臂部驅(qū)動(dòng)力矩M慣-轉(zhuǎn)動(dòng)慣量其中J=ml/3，把手臂視為均質(zhì)等截面細(xì)直桿對(duì)通過(guò)桿端與桿垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，M為手臂的自重，L為手臂垂心到軸的距離。G為工件垂量。為工件垂心到軸的距離手臂自重G為200N, 為0.6, g為9.8，t為18M慣=（200/9.8+200×

32、0.6/3m）×/18=（20.4+2.45）×/18=3.99N·M考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)時(shí)還要克服摩擦阻力，故M慣系以安全系數(shù)K=1.2，M驅(qū)=1.2 M慣=1.2×3.99=4.788初選左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)為110BF004，其最大轉(zhuǎn)距為4.9N·M3.4.2升/下降電動(dòng)機(jī)P=arctg P/D(其中P的數(shù)值即為L(zhǎng)，D為公稱直徑) =arctg 10/39=4.67Fx=F×tg=400×tg4.67=32.68N考慮手臂升降時(shí)主要克服摩擦阻力，慣性和遠(yuǎn)動(dòng)部件重力。取安全系數(shù)K=3Fx=3×32.68=98.04

33、NT=Fxd/2=98.04×20×10=1.96N·M初用上升/下降電機(jī)為90BF001，其中最大靜轉(zhuǎn)距為3.92N·M3.4.3部件設(shè)計(jì)立柱的設(shè)計(jì) ACBFbRb GQD圖3.3AC=1200 CD=550立柱主要實(shí)現(xiàn)手臂的上升與下降，選用滾珠絲桿的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，傳動(dòng)效率高，制造加工復(fù)雜，適合于形狀規(guī)則的大型工件做升降遠(yuǎn)動(dòng)的手臂結(jié)構(gòu)。1.立柱的計(jì)算：如圖3.3CD為絲杠（Z軸上下即手臂的上升/下降）最大行程550mmAC為手臂伸縮（R軸伸縮），最大行程400mm,由于R軸伸縮由液壓來(lái)控制，AC最小應(yīng)為800mm，再夾緊缸，手爪

34、等因素，設(shè)AC=1200mm其中B點(diǎn)為AC中點(diǎn)，假設(shè)手臂自重G為200N，作用在B點(diǎn)。AD= = =1320mmBD= = =814mm將作用在A、B兩點(diǎn)的力如圖分解，求R、R550/1320=200/ R 解得R=480N550/814=200/ R 解得R=296N求R、R對(duì)D點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)變距M= R×（0 X 1320） = R×1320 =480×1320 =633600N.mm R與R對(duì)點(diǎn)總的翻轉(zhuǎn)變距為M=M+M=633600+240944=874544N.mm2設(shè)計(jì)立柱的直徑：當(dāng)手臂剛度很大，不發(fā)生變形時(shí)，可認(rèn)為兩立柱承受大小相等的翻轉(zhuǎn)彎距。立柱的材料選用

35、45鋼，其=190MPa（45鋼屬于常用材料應(yīng)首先考慮）M=1/2M=1/2×874544N.mm=437272N.mm= M/Wz=286mm考慮到手臂在運(yùn)動(dòng)中平穩(wěn)，乘以安全系數(shù)K=2d=2×28.6=57.2mm 取d=60mm3.4.4絲杠的計(jì)算因?yàn)槭直鄣纳仙?下降（即Z軸上下）的最大運(yùn)動(dòng)速度為100mm/S絲杠轉(zhuǎn)速n=60V/S=60×100/10=600r/min絲杠導(dǎo)程選P=100mm等效負(fù)荷Fm=400×3=1200N 其中3為安全系數(shù)手臂作垂直升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，除要克服慣性之外，還要克服摩擦力和臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故乘以安全系數(shù)3初選絲杠：取T

36、h=15000h根據(jù)工作條件查得：ft=1,fa=1,fw=2.5, fh=1Cao=Fmfw/f f f (60Lh.nm/100) =1200×2.5/1×1×1（60×15000×600） =24429.8N選絲杠為4010-5為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。氣驅(qū)動(dòng)采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動(dòng)則用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動(dòng)機(jī)。通用機(jī)械手則考慮采用同一種形式的動(dòng)力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿

37、機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。4伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總體方案機(jī)械手的總體框圖如圖4-1所示，運(yùn)動(dòng)控制芯片接受來(lái)自PC機(jī)的命令，經(jīng)過(guò)功率放大芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，光電編碼器把位置信號(hào)反饋給運(yùn)動(dòng)控制芯片，經(jīng)過(guò)PID控制器的運(yùn)算，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。 通信模塊單片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制芯片直流電機(jī)功率放大芯片位置反饋增量式光電編碼器 圖4.1機(jī)械手的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖4.2各模塊工作原理4.2.1運(yùn)動(dòng)控制芯片運(yùn)動(dòng)控制芯片通過(guò)8位數(shù)據(jù)線和6根控制線與單片機(jī)的I/O口相連。運(yùn)動(dòng)芯片輸出的脈寬調(diào)制幅度信號(hào)和方向信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)功率放大芯片,經(jīng)過(guò)功率放大后驅(qū)動(dòng)直

38、流電機(jī)。運(yùn)動(dòng)芯片在進(jìn)行位置控制的同時(shí),還對(duì)速度進(jìn)行控制。運(yùn)動(dòng)芯片在接受到主機(jī)送來(lái)的位置信號(hào)后,按梯形圖生成加速、勻速、減速的速度曲線,曲線與坐標(biāo)橫軸所包圍的面積就是指定的位置。PID算法中的比例、積分和微分系數(shù)有時(shí)需要進(jìn)行修改,因此將它們存儲(chǔ)在單片機(jī)的EEPROM中。4.2.2單片機(jī)單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線向運(yùn)動(dòng)芯片發(fā)送位置或速度命令、設(shè)定PID調(diào)節(jié)參數(shù),并從運(yùn)動(dòng)芯片中讀取速度、加速度等數(shù)值。同時(shí)，單片機(jī)為運(yùn)動(dòng)控制芯片提供加速度、速度和目標(biāo)位置量,在每個(gè)采樣周期用這些值來(lái)計(jì)算出新的命令和位置給定值,將其作為指令值。4.2.3功率放大芯片功率放大芯片是雙極性H橋功率放大電路,與運(yùn)動(dòng)控制芯片的輸出信號(hào)PW

39、MM和PWMS通過(guò)一個(gè)邏輯門電路相連,控制直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停止。4.2.4增量式光電編碼器增量式光電編碼器提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號(hào)(A、B、IN),梯形圖發(fā)生器計(jì)算出位置或速度模式下所需控制的運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)，增量式光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際位置,其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)控制芯片四倍頻后進(jìn)行解碼,形成位置反饋值。指令值與反饋值的差值作為數(shù)字PID校正環(huán)節(jié)的輸入。通過(guò)數(shù)字調(diào)節(jié)器PID計(jì)算,運(yùn)動(dòng)控制芯片輸出脈寬調(diào)制信號(hào)PWMM和方向信號(hào)PWMS用于控制功率芯片,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定的位置。4.2.5直流伺服電機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)又叫控制電動(dòng)機(jī),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)是一個(gè)執(zhí)行元件，它的作用是把信號(hào)（

40、控制電壓或相位）變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號(hào)變?yōu)殡姍C(jī)的一定轉(zhuǎn)速或角位移。其容量一般在0.1100W,常用的是30W以下。4.2.6通信模塊通信模塊包括顯示電路和鍵盤電路。顯示部分采用共陰LED數(shù)碼管，可對(duì)行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)、操作數(shù)等進(jìn)行顯示。鍵盤部分用來(lái)向單片機(jī)輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)。4.3運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)模塊主要由運(yùn)動(dòng)控制芯片LM629構(gòu)成，它與單片機(jī)PIC16F877的連接如圖4-2所示。圖4.2運(yùn)動(dòng)模塊單片機(jī)與LM629通過(guò)數(shù)據(jù)總線和控制線相連，LM629的D0D7分別與單片機(jī)的RD0RD7相連，LM629的、分別與單片機(jī)的、相連。LM629的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)自于單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，其目的是使系統(tǒng)的時(shí)

41、鐘同步，同時(shí)減少元器件的數(shù)目，提高系統(tǒng)可靠性。LM629是單片機(jī)的外設(shè)，當(dāng)端為低電平時(shí)，LM629被選中。為程序/數(shù)據(jù)選通端，當(dāng)為高電平時(shí)，單片機(jī)通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線從LM629讀數(shù)據(jù)或向LM629寫數(shù)據(jù)。當(dāng)為高電平時(shí)，LM629向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，LM629有6個(gè)中斷源，分別是命令錯(cuò)、運(yùn)動(dòng)完成、Index脈沖、位置信息錯(cuò)、位置超差和斷點(diǎn)到，所有中斷源都是通過(guò)該引腳申請(qǐng)中斷，單片機(jī)通過(guò)讀取狀態(tài)字來(lái)判斷具體產(chǎn)生中斷的中斷源，相應(yīng)的中斷處理程序就對(duì)該中斷進(jìn)行處理。LM629的、A、B引腳用來(lái)接收增量式光電編碼器的輸出信號(hào)。LM629的PWM MAG和PWM SIGN引腳分別輸出PWM幅值和方向信號(hào)，用來(lái)

42、控制直流電機(jī)。4.4驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊主要由L298N芯片和電流泄放回路組成，它與電機(jī)的連接電路如圖4-3所示。圖4.3驅(qū)動(dòng)模塊L298N是雙極性H橋功率放大電路,與LM629輸出信號(hào)PWMM和PWMS通過(guò)一個(gè)邏輯門電路相連,控制直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停止。由前文中的圖3.2知，當(dāng)V1、V4導(dǎo)通時(shí)，電流從2腳流進(jìn)，從3腳流出，最后從1腳流出；當(dāng)V2、V3導(dǎo)通時(shí)，電流從3腳流進(jìn)，從2腳流出，最后也從1腳流出。不管線圈中的電流是正向還是反向，電流都是1腳流出，這就很容易測(cè)出通過(guò)線圈的電流大小。圖3.3中的RS為一小電阻大功率的采樣電阻，電阻上端的電壓與通過(guò)電阻的電流大小成正比，所以如果需要測(cè)量線圈

43、的電流只需間接地測(cè)量1腳的電壓。驅(qū)動(dòng)模塊中，7407與電阻串聯(lián)以增加門電路負(fù)載，驅(qū)動(dòng)功率放大模塊。在芯片LM629和L298N之間增加光電耦合器4N25,進(jìn)行電氣隔離,保護(hù)單片機(jī)和運(yùn)動(dòng)芯片并減少?gòu)?qiáng)電干擾。由于直流電機(jī)是感性負(fù)載,因此選用功率二極管DIN5391組成電流泄放回路,以保護(hù)功率芯片L298N。4.5位置檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)位置檢測(cè)模塊主要通過(guò)檢測(cè)與電機(jī)軸相連的增量式光電編碼器(此處選用PHB-1傳感器),從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)并獲取各關(guān)節(jié)電機(jī)軸位置的目的,如圖4.4所示。圖4.4位置檢測(cè)模塊由光電編碼器輸出的信號(hào)A、B是兩路正交的方波，IN為碼盤每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖所形成的脈沖信號(hào)。電路將增量式光電編

44、碼器輸出的差動(dòng)信號(hào)(A+、A-、B+、B-、IN+、IN-)經(jīng)過(guò)BL1502合成單端信號(hào)A、B、IN。合成后的單端信號(hào)A、B、IN分別與LM629的引腳A、B、IN相連。利用差動(dòng)信號(hào)傳輸,可以有效地解決干擾和遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題。為了進(jìn)一步消除干擾,在輸入端每根線上都加上了一個(gè)濾波電容，用來(lái)濾除交流成分，使輸出的直流更平滑。在兩根差動(dòng)的信號(hào)線之間接了一個(gè)用于線路阻抗匹配的電阻，負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。為減少計(jì)數(shù)誤差，LM629對(duì)編碼器的計(jì)數(shù)進(jìn)行了4倍頻，提高了分辨率。A和B的邏輯狀態(tài)每改變一次,LM629的位置寄存器就加(減)1。當(dāng)碼盤的A、B、IN都為低電

45、平時(shí),產(chǎn)生一個(gè)Index信號(hào)送入寄存器,記錄電機(jī)的絕對(duì)位置。4.6直流電機(jī)調(diào)速4.6.1直流電機(jī)工作原理直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做得細(xì)長(zhǎng)一些。它的勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電。也有永磁式的，即磁極是永久磁鐵。通常采用電樞控制，就是勵(lì)磁電壓一定，建立的磁通量也是定值，而將控制電壓Uc加在電樞上，其接線圖如圖4-5所示圖4.5直流伺服電動(dòng)機(jī)接線圖直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)特性（n=f(T)）和直流激勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣，也用下式表示：n=Uc/KE·-Ra/KE·KT··T圖4-6是直流伺服電動(dòng)機(jī)在不同控制電壓下（Uc為額定

46、控制電壓）的機(jī)械特性曲線。由圖可見(jiàn)：在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，如果升高電樞電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就升高；反之，降低電樞電壓，轉(zhuǎn)速就下降；當(dāng)Uc0時(shí)，電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。要電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，可改變電樞電壓的極性。圖4.6直流伺服電動(dòng)機(jī)的n=f(T)曲線4.6.2 PWM調(diào)速由LM629輸出的信號(hào)PWMM、PWMS經(jīng)電氣隔離后輸出A、B信號(hào)，其經(jīng)過(guò)與非門構(gòu)成的邏輯門電路后，輸出信號(hào)C、D，信號(hào)C、D經(jīng)過(guò)功率放大芯片輸出E、F信號(hào)，作用于直流電機(jī)，如圖4-7所示。圖4.7PWM調(diào)速原理圖由圖4-7知:E=C=,F=D=,在每個(gè)PWM周期里，當(dāng)有L298N的OUT1端口輸出的控制信號(hào)E為高電平，OUT2輸出F為

47、低電平時(shí)，二極管D10與D11導(dǎo)通，D9與D12截止，電樞繞組承受從E到F的正向電壓；當(dāng)有OUT1輸出的控制信號(hào)E為低電平，OUT2輸出F為高電平時(shí)，D9與D12導(dǎo)通，D10和D11截止，電樞繞組承受從F到E的反向電壓。當(dāng)E、F都為高電平時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。4.7通信模塊設(shè)計(jì)單片機(jī)的許多應(yīng)用都需要進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，鍵盤是解決計(jì)算機(jī)輸入的簡(jiǎn)單手段；借此可以向計(jì)算機(jī)輸入程序、置數(shù)、送操作命令、控制程序的執(zhí)行等等，人機(jī)交互接口采用鍵盤和LED顯示器方式,本系統(tǒng)中采用SPI串行通信接口分時(shí)復(fù)用方式擴(kuò)展鍵盤電路和顯示電路，如圖4-8所示。圖4.8通信模塊4.7.1顯示電路設(shè)計(jì) 顯示部分采用共陰LED數(shù)碼管，可

48、對(duì)行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)、操作數(shù)等進(jìn)行顯示。顯示時(shí)采用串行口輸出段碼，用4片74LS164來(lái)驅(qū)動(dòng)4個(gè)數(shù)碼管。74LSl46為TTL單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中A、B為串行數(shù)據(jù)輸入端，CLK為時(shí)鐘輸入端，分別連接到SPI串行口的SDO、SCK端。RCO與RC3相與為高電平時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164中，在給出了8個(gè)脈沖后，最先進(jìn)入74LS164的第1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到達(dá)了最高位。再來(lái)一個(gè)脈沖，第1個(gè)脈沖就會(huì)從最高位移出，進(jìn)入下一片74LS164的第1位。4片74LS164首尾相串，而時(shí)鐘端則接在一起。這樣，當(dāng)?shù)?個(gè)8個(gè)脈沖到來(lái)后，第1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)

49、就進(jìn)入了第4片了4LS164。其它數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在第3至第1片74LS164中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在74LS164 中的串行輸入，并行輸出。4.7.2鍵盤電路設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械手的功能要求，將鍵盤的按鍵規(guī)劃為以下幾個(gè)部分:功能鍵:功能鍵3個(gè):Fl、F2和F3，功能鍵主要用于菜單功能選擇；操作鍵:操作鍵包括確定鍵、復(fù)位鍵、返回鍵和翻屏鍵，其中確定鍵用于對(duì)所設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行確定操作，復(fù)位鍵用于控制系統(tǒng)軟件復(fù)位，返回鍵用于菜單返回，翻屏鍵用于在動(dòng)作示教、參數(shù)設(shè)置時(shí)，一屏無(wú)法顯示全部?jī)?nèi)容，采用翻屏的方式顯示下面的內(nèi)容；動(dòng)作鍵:10個(gè)動(dòng)作鍵對(duì)應(yīng)于機(jī)械手的10個(gè)基本動(dòng)作，在有些情況下，這10個(gè)鍵還對(duì)應(yīng)于09的10個(gè)數(shù)字按鍵

50、；方向鍵:4個(gè)方向鍵用于控制光標(biāo)移動(dòng)，完成相關(guān)設(shè)置和選擇功能。綜上所述，系統(tǒng)共使用了21個(gè)按鍵，完成控制系統(tǒng)中所有的設(shè)置和選擇。由于按鍵數(shù)量較多，選擇了3行8列的行列式鍵盤。本系統(tǒng)采用RB端口高4位電平變化中斷功能實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤的實(shí)時(shí)監(jiān)控。減少了CPU對(duì)鍵盤不斷掃描的實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程，提高了對(duì)CPU資源的利用。 RB4、RB5、RB6和74LS164的8位輸出線構(gòu)成3*8鍵盤，其中只用到21位鍵，其它空接。設(shè)置74LS164的8位輸出線為行掃描線，RB4、RB5、RB6為輸入列掃描線。74LS164初始化輸出全為低電平，RB4、RB5、RB6、RB7初始化輸入高電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的列輸入線變?yōu)榈?/p>

51、電平，由于RB4RB7具有電平變化中斷功能，發(fā)生中斷。故可準(zhǔn)確的判斷功能鍵，以做出正確處理。4.8復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路如圖4-9所示，復(fù)位狀態(tài)可以由系統(tǒng)上電時(shí)，把輸入拉為低電平。振蕩啟動(dòng)定時(shí)器OST作用或輸入為低時(shí)，單片機(jī)將保持復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位時(shí)，單片機(jī)狀態(tài)被設(shè)定如下：振蕩器工作或啟動(dòng)，包括電源上升啟動(dòng)或睡眠啟動(dòng)；I/O控制寄存器設(shè)定為全“1”，使所有的I/O引腳處于高阻狀態(tài)（即輸入態(tài)）；程序計(jì)數(shù)器PC設(shè)為全“1”；狀態(tài)寄存器F3的程序頁(yè)面選擇位（最高2位）清零。圖4.9復(fù)位電路4.9晶體震蕩電路設(shè)計(jì)石英晶體震蕩電路如圖4-10，它的三個(gè)端口分別與PIC單片機(jī)的引腳OSC1/CLKIN、OSC2

52、/CLKOUT以及運(yùn)動(dòng)控制芯片LM629N的CLK引腳相接。圖4.10晶體震蕩電路在單片機(jī)采用石英晶體振蕩器時(shí)，所采用的電容器和產(chǎn)生的頻率有所不同。電容值取大有利于震蕩的穩(wěn)定，但卻會(huì)延長(zhǎng)起振時(shí)間。本論文選用高速（HS）振蕩器，頻率為8MHZ，故PIC的指令周期為0.5，相應(yīng)電容選擇30PF。OSC1為單片機(jī)的振蕩信號(hào)輸入端，這個(gè)端用于外部震蕩信號(hào)輸入。OSC2為振蕩信號(hào)輸出端，在RC振蕩器中當(dāng)作CLKOUT（CLKOUT=/4）輸出。5伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1軟件功能概述控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括初始化模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、位置檢測(cè)模塊和通信模塊。單片機(jī)根據(jù)位置檢測(cè)模塊獲取的信息,確定機(jī)

53、械手各關(guān)節(jié)的速度、加速度和位置,將這些信息傳入LM629,由速度梯形圖生成速度曲線,進(jìn)行位置控制。PID調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入指令和反饋信息來(lái)補(bǔ)償閉環(huán)系統(tǒng)。在程序編制過(guò)程中,通常采用增量式PID算法。通信模塊建立單片機(jī)和PC機(jī)之間的通信。在PC機(jī)端,利用Visual C+編寫串行通信程序和參數(shù)輸入界面。在PIC16F877端,用匯編語(yǔ)言編寫通信程序,實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)之間的雙向通信。5.2主程序設(shè)計(jì)5.2.1主程序流程主程序的基本任務(wù)就是在對(duì)單片機(jī)和各外設(shè)進(jìn)行初始化后，接收上位機(jī)輸入命令，完成一定的電機(jī)控制任務(wù)。另外在機(jī)械手臂上電后和工作過(guò)程中定期進(jìn)行關(guān)節(jié)歸零工作，保證手臂的關(guān)節(jié)處于正確的初始位置。手

54、臂部的任何動(dòng)作都可以分解成若干個(gè)臂部關(guān)節(jié)的定位過(guò)程，關(guān)節(jié)定位過(guò)程要控制兩個(gè)量:速度和位置。在主程序的前面，必須要設(shè)置中斷向量表?？刂葡到y(tǒng)用到的中斷有外部中斷、串口中斷和軟件中斷。中斷服務(wù)程序可以放在地址空間的任意位置(除系統(tǒng)保留的空間外)，但每一種中斷服務(wù)程序的起始地址需要放在相應(yīng)的中斷向量單元中。在程序的最前端，將系統(tǒng)使用的專用寄存器定義為符號(hào)表示，同時(shí)將程序中需要使用的變量和常量也采用符號(hào)表示，以便使程序更具有可讀性。圖5-1是主程序流程圖，主程序分為初始化模塊和任務(wù)處理循環(huán)模塊，下面分別加以介紹。開(kāi) 始設(shè)置堆棧寄存器清零初始化I/O口子程序初始化電機(jī)控制輸出口設(shè)置中斷和波特率關(guān)節(jié)歸零子程序任務(wù)處理循環(huán)圖5.1主程序流程圖5.2.2初始化程序初始化程序主要完成堆棧指針設(shè)置、通用寄存器清零、初始化I/0,A /D轉(zhuǎn)換設(shè)置、中斷設(shè)置以及串口通訊設(shè)置等。因堆棧向下增長(zhǎng)，故將堆棧指針值設(shè)置為通用寄存器頂端附近的地址，盡可能擴(kuò)大堆棧可使用空間，這樣可以避免在多級(jí)調(diào)用子程序后堆棧進(jìn)入已定義變量使用的寄存器空間，以免造成錯(cuò)誤。在將通用 寄存器清