【正文】 畢業(yè)設計說明書　　　　　題 目：單片機控制的機械手　作 者： 張超龍 學號：0203100204 　　系 別： 機電工程 　　　專 業(yè)： 機電設備維修與管理 　指導教師： 湯光華 專業(yè)技術職務：高工　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　目錄　1 引言6　　　 機械手的概述6　 機械手的組成6　 機械手的分類8　2 設計要求 10　3 系統(tǒng)硬件設計 12　　　 單片機核心模塊13　　　 鍵盤模塊13　 計數(shù)系統(tǒng)模塊14　 電磁閥模塊14　 顯示模塊14　 外圍驅動模塊16　　4 軟件系統(tǒng)設計 21　 流程圖21　　　 源程序22　5 整機電路圖 35　 原理圖35　　　 PCB圖 38　6 元件明細表39　　　7 總結與致謝40　　　8 參考文獻44　　　　 引言　 機械手的概述　　　機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 　　機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。 　機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 　機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。 　　以上即為機械手的概述說明和應用范圍及其特點的綜述！　　　　　　　　　 機械手的組成　　工業(yè)機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。 　　執(zhí)行機構　（1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤?！髁C構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 　?。?）腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 　　目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 ?。?）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 　臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。 　手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 　?。?）行走機構 有的工業(yè)機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。 　　　驅動機構　　驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便?！】刂葡到y(tǒng)分類　在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性?！　　　　　?機械手的分類　　機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等?！　　∮脖凼街C械手　　硬臂式助力機械手與氣動平衡吊和軟索式助力機械手一樣都具有全行程“漂浮”功能，區(qū)別是在有扭矩產生的情況下無法使用氣動平衡吊或是軟索式助力機械手，而必須選用硬臂式助力機械手。比如在工件重心遠離臂懸掛點，或是工件需要翻轉或傾斜情況下，必須選用硬臂式助力機械手，還有在廠房高度有限情況下，可以選用硬臂式助力機械手。　　　硬臂式助力機械手可以實現(xiàn)提升最大500Kg的工件，半徑最大可以達到3000mm，提升高度最大1800mm。根據(jù)起吊工件重量不同，應選擇符合最大工件重量的最小型號的機器，如果我們用最大負載200Kg的機械手來搬運30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感覺很笨重?！　≤浰魇綑C械手　　　軟索式機械手的功能與氣動平衡吊類似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位移比氣動平衡吊要小，最大只有1800mm，而且最大負載只有100Kg?！∮捎谲浰魇街C械手有雙關節(jié)的機械臂來實現(xiàn)水平位移，工作半徑可以達到2500mm，所以它比氣動平衡吊具有操作更靈活、速度更快的 功能。適合于工件重量輕，但搬運節(jié)拍非?？斓膱龊?。但是和氣動平衡吊一樣，由于軟索式助力機械手用鋼絲繩來起吊，所以工件重心必須位于鋼絲繩正下方?！型助力機械手　區(qū)別于硬臂式助力機械手的是T型助力機械手沒有雙關節(jié)機械臂，它的前后左右位移靠導軌來實現(xiàn)。由于T型助力機械手沒有機械臂，因而它比硬臂式顯得小巧，更適合于操作空間狹小的場合?！　型助力機械手的最大負載要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根據(jù)客戶要求設計，而且搬運范圍要比硬臂式大的多?！　　　　　　　? 設計要求　　　氣動機械手的示意圖如圖1所示?！　　D1 氣動機械手圖　　機械手不工作時停在原位（即處在左限位、上限位，且機械手未抓物體）只要按下啟動按鈕，機械手就會連續(xù)循環(huán)工作，直至按下停止按鈕為止。開始工作時，機械手下降，當機械手下降到下限位時，下限位開關閉合，機械手停止下降，這時夾緊電池閥得電，開始夾緊，延時2S后，物體夾緊結束，機械手夾著物體上升，當上升到上限位時，上限位開始閉合，機械手右行，當右行到右限位時，右限位開始閉合，機械手下行，當下行到下限位時，下限位開始閉合，機械手松開物體，2S鐘后，物體松開結束，機械手開始上升，當機械手上升到上限位時，上限位開始閉合，機械手左行，當機械手左行到達原位時，機械手完成一個周期的工作，進而轉向下一個循環(huán)。機械手工作過程方框圖如圖2所示?！　　　　　　　　　　　　　≡弧∠陆怠　　A緊　上升　　　右行　下降　　松開　　　上升　左行　　　　　　圖2 機械手工作過程方框圖　　　　　　3 系統(tǒng)硬件設計　　 單片機核心模塊　?。?）核心器件的選擇　　單片機是本設計的核心器件，因此單片機的選擇決定了該設計的穩(wěn)定和性能，目前單片機市場種類繁多，有幾千種不同型號，單片機的選擇應遵循在能滿足性能條件下盡可能的選擇功耗小資源少價格低，而且貨源充足的。目前已投放市場的主要單片機產品多達70 多個系列，500多個品種。這其中還不包括那些系統(tǒng)或整機廠商定制的專用單片機，及針對專門業(yè)務、專門市場的單片機品種。這里僅對部分常見的和常用的單片機系列進行介紹。 　　　8051 單片機 　最早由Intel 公司推出的8051/31 類單片機也是世界上用量最大的幾種單片機之一。由于Intel公司在嵌入式應用方面將重點放在1838奔騰等與PC 類兼容的高檔芯片的開發(fā)上，隨后Intel公司將80C51內核使用權以專利互換或出讓給世界許多著名IC制造廠商，如 Philips 、NEC、Atmel、AMD、Dallas、siemens、Fujutsu、OKI、華邦、LG等。在保特與80C51單片機兼容的基礎上，這些公司容入了自身的優(yōu)勢，擴展了針對滿足不同測控對象要求的外圍電路，如滿足模擬量輸入的A/D、滿足伺服驅動的PWM、滿足高速輸入/輸出控制的HSL/HSO、滿足串行擴展總線I2C、保證程序可靠運行的的WDT、引入使用方便且價廉的Flash ROM等，開發(fā)出上百種功能各異的新品種。這樣80C51單片機就變成了眾多芯片制造廠商支持的大家族，統(tǒng)稱為80C51系列單片機?？陀^事實表明，80C51已成為8位單片機的主流，成了事實上的標準MCU芯片。 　MOTOROLA 單片機 　MOTOROLA 是世界上最大的單片機廠商，品種全、選擇余地大、新產品多是其特點。在8 位機方面有68HC05 和升級產品68HC08。68HC05有30 多個系列，200 多個品種，產量已超過20 億片。16 位機68HC16 也有十多個品種。32位單片機的683XX 系列也有幾十個品種。MOTOROLA 單片機特點之一是在同樣速度下所用的時鐘頻率較Intel 類單片機低得多，因而使得高頻噪聲低、抗干擾能　力強，更適合用于工業(yè)控制領域及惡劣的環(huán)境。 　　Microchip 單片機 　　　Microchip單片機是市場份額增長最快的單片機。它的主要產品是16C系列8位單片機，CPU 采用RISC 結構，僅33 條指令，其高速度，低電壓，低功耗，大電流LCD 驅動能力和低價位OTP 技術等都體現(xiàn)出單片機產業(yè)的發(fā)展新趨勢。且以低價位著稱，一般單片機價格都在一美元以下。由美國Microchip 公司推出的PIC 單片機系列產品，已有三種系列多種型號的產品問世，從電腦的外設，家電控制，電訊通信，智能儀器，汽車電子到金融電子的各個領域都得到廣泛的應用。Microchip 單片機沒有掩膜產品，全都是OTP 器件（近年已推出FLASH型單片機——編者注）。M