【正文】 ................. 41 附 錄 ......................................................................................................... 42 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào) 告用紙 第 1 頁(yè) 共 62 頁(yè) 引言 裝箱機(jī)械手的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究作為近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù) ,已經(jīng)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 ,近年來(lái)，機(jī)械手的積極作用正日益為人們所認(rèn)同，雖然我國(guó)許多行業(yè)仍屬于勞動(dòng)力密集型，但機(jī)械手的使用卻已經(jīng)越來(lái)越普及，機(jī)械手也得到了迅速的發(fā)展，目前機(jī)械手在我國(guó)已 廣泛使用于飲料、啤酒、化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè) ， 根據(jù)裝箱要求， 機(jī)械手能 自動(dòng)對(duì)瓶罐類、盒類袋類系列產(chǎn)品整理排列后自動(dòng)裝箱 ，不僅 外形美觀新穎 ，結(jié)構(gòu)緊湊獨(dú)特， 而且 維修方便 ，但我國(guó)在機(jī)械手方面的研究工作卻仍處于較落后的階段。雖然至今國(guó)內(nèi)外已經(jīng)為自動(dòng)化生產(chǎn)線研制出了各種工業(yè)機(jī)器人 ,但大多數(shù)重的裝箱機(jī)械手都采用的是單片機(jī)或 PLC控制器控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有操作界面簡(jiǎn)單直觀，易于 操作等優(yōu)點(diǎn)，用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制能夠達(dá)到兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，使得機(jī)械手更方便控制。 現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)和新 材料 、新 工藝 的發(fā)展 也 為 自動(dòng)控制 系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了 許多巨大的飛躍 。 機(jī)械手分類部分 機(jī)械部分 傳感部分 控制部分 基本結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)源 模塊式機(jī)械手 柔軟臂式機(jī)械手 球坐標(biāo)式機(jī)械手 直角坐標(biāo)式機(jī)械手 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)械手 平面關(guān)節(jié)式機(jī)械手 冗余自由度式機(jī)械手 氣動(dòng)式 液壓式 電動(dòng)式 視覺(jué)傳感器 觸覺(jué)傳感器 接近覺(jué)傳感器 智能機(jī)械手 人工操作機(jī)械手 固定程序機(jī)械手 可變程序機(jī)械手 重演式示教機(jī)手 計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)械手 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào) 告用紙 第 3 頁(yè) 共 62 頁(yè) 圖 11 機(jī)械手的一般組成 1)人 機(jī)交互系統(tǒng) 人 機(jī)交互系統(tǒng)是指使操作 人員參與 機(jī)械手控制與機(jī)械手進(jìn)行聯(lián)系的裝置。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要可分為三種，分別是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)，也可以把它們結(jié)合起來(lái)成綜合系統(tǒng)應(yīng)用?，F(xiàn)如今，機(jī)械手不僅能從事點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，而且在電子行業(yè)、核工業(yè)、深海、外太空機(jī)械手也發(fā)揮著重要的作用。在同一年，該公司和另一家公司合并，成立了萬(wàn)能自動(dòng)公司 ,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 的發(fā)展是與組成該控制系統(tǒng)的核心部分 —— 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密相連的。 5）工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將向有線和無(wú)線相結(jié)合的方向發(fā)展。目前，柔性制造單元 FMC 和柔性制造系統(tǒng) FMS 中一個(gè)非常重要的組成部分就是機(jī)械手的研制。主要要求如下： 計(jì)算機(jī)采用 工控微機(jī)，機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)機(jī)械手。阻尼效果差。因?yàn)?AT89S51 相對(duì) AT89C51 來(lái)說(shuō)價(jià)格不變，甚至更便宜，并且在性能上更好。 5） 直流電機(jī)通過(guò)直流驅(qū)動(dòng)器的 AB端來(lái)控制其是否工作和正反轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的公共端，脈沖接收端和方向控制端來(lái)控制其工作整個(gè)接口電路主要由最小復(fù)位電路，串口電路以及電源控制電路組成。 如圖所示，機(jī)械手、取瓶位置、放瓶位置的擺放位置分別為 A、 B、 C，取一瓶放至指定位置的過(guò)程為機(jī)械手臂伸長(zhǎng) —— 機(jī)械手手臂下降 —— 機(jī)械手抓瓶 —— 機(jī)械手臂上升 —— 機(jī)械手底盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn) —— 機(jī)械手臂縮回到指定位置 —— 機(jī)械手臂下降 —— 機(jī)械手放瓶 —— 機(jī)械手復(fù)位。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)必須使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，不能直接接在工頻交流或者直流電源上工作，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由脈沖發(fā)生功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元、控制單元等組成。 電流通過(guò)轉(zhuǎn)子上的線圈 來(lái) 產(chǎn)生洛倫茲力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈 平行于 磁場(chǎng)時(shí)， 如 繼續(xù)轉(zhuǎn) 其 受到的磁場(chǎng)方向?qū)?會(huì) 改變，此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片 會(huì) 交替接觸， 進(jìn)而使 線圈上的電 流方向 發(fā)生 改變， 但 產(chǎn)生的洛倫茲力方向 卻 不變， 因此 電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。接近對(duì)接近它的物件有“感知”能力。 光耦 TLP5211：本設(shè)計(jì)用到光耦的主要作用是隔離和抗擾。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào) 告用紙 第 20 頁(yè) 共 62 頁(yè) 表 31 TLP5211GB(TLP5211)型號(hào)標(biāo)識(shí)及主要參數(shù)表 TLP5211GB(TLP5211) 型號(hào)標(biāo)識(shí) TLP521 基本型號(hào) 1 通道數(shù) GB CTR 等級(jí) TLP5211GB(TLP5211) 主要參數(shù) 集電極 發(fā)射極電壓 55 V 隔離電壓 2500 Vrms 電流轉(zhuǎn)換率 100%600%5mA 該光耦的 1 腳是發(fā)光二極管的正端， 2腳是發(fā)光 二極管的負(fù)端， 3腳接的是發(fā)射極，4腳接的是集電極。發(fā)光二極管是電源指示燈，當(dāng)通電后 LED燈就會(huì)亮，以便確定整塊電路板是否有電。當(dāng)四三態(tài) RS鎖存觸發(fā)器 (低電平觸發(fā) )當(dāng) EN 為邏輯 1或高電平時(shí)， Q端輸出內(nèi)部鎖存器的狀態(tài)；當(dāng) EN邏輯 0或低電平時(shí)， Q端呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。其中 13腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11腳（ T1IN）、 14腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 “ Visual” 是指開(kāi)發(fā)圖形用戶界面的方法 —— 不需要編寫大量代碼去描述界面元素的位置和外觀，只需要把預(yù)先建立好的對(duì)象 add 到屏幕上的一 點(diǎn)即可。 C 語(yǔ)言還可以直接對(duì)系統(tǒng)硬件 進(jìn)行控制，為軟件開(kāi)發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。它能夠把 高級(jí)語(yǔ)言 的基本結(jié)構(gòu)和語(yǔ)句和低級(jí)語(yǔ)言的實(shí)用性結(jié)合起來(lái)，可以像 匯編語(yǔ)言 一樣對(duì)計(jì)算機(jī)最基本的工作單元位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作。 機(jī)械手計(jì)算機(jī)控系統(tǒng)界面的主要設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是簡(jiǎn)潔美觀、使用方便，本設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制界面一目了然，并且易于操作，可適用性高。 取瓶位置 A 機(jī)械手位置 B 放瓶位置 C 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào) 告用紙 第 28 頁(yè) 共 62 頁(yè) 圖 43 裝箱動(dòng)作示意 圖 44 裝箱動(dòng)作角度 機(jī)械手動(dòng)作的伸縮量與旋轉(zhuǎn)角度 假設(shè)醋瓶底部外徑 1r ，高為 1h ，如圖所示，可以計(jì)算出每只醋瓶裝箱時(shí)的底盤旋轉(zhuǎn)角度以及手臂的伸縮量。本次裝箱機(jī)械手的控制采用圓柱坐標(biāo)機(jī)械手來(lái)設(shè)計(jì)，它可以控制轉(zhuǎn)角θ、半徑 r 和高度 h 以 到達(dá)三維空間的任意一點(diǎn)。 上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì) 該機(jī)械手的控制通過(guò)計(jì)算機(jī)界面進(jìn)行控制，其編程主要通過(guò) VB 軟件進(jìn)行，控制界面如下圖所示。其計(jì)算功能、 邏輯判斷 功能也很強(qiáng)大； （ 2）適用范圍廣。 單片機(jī)編程 C 語(yǔ)言是一種 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 ，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)， 又具有 匯編語(yǔ)言 的特點(diǎn) ,還 具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)， 。由于默認(rèn)的屬性方法已經(jīng)有一部分定義在了組件中，因此不需要寫多少代碼就可以完成一個(gè)簡(jiǎn)單的程序。因?yàn)殡娔X串口輸出電壓高達(dá) 12V，所以直接與單片機(jī)連接必將會(huì)燒壞芯片，因此要用 MAX232 來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 Q輸桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào) 告用紙 第 22 頁(yè) 共 62 頁(yè) 出有三態(tài)功能，由公共的三態(tài)控制輸入端 EN控制。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào) 告用紙 第 21 頁(yè) 共 62 頁(yè) 晶振電路設(shè)計(jì) 圖 37 晶振電路原理圖 由于 的晶振可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波特率 ，所以電路采用 的石英晶振和兩個(gè) 22pf 的電容構(gòu)成最基本的石英晶體振蕩電路，石英晶振具有省電的優(yōu)點(diǎn)，并且頻率穩(wěn)定性高。又由于光耦合器的輸入端屬 于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。由于機(jī)械的運(yùn)動(dòng)慣性，行程開(kāi)關(guān)具有有一定的“超行程”以保護(hù)開(kāi)關(guān)不受損壞。 接近開(kāi)關(guān)：接近開(kāi)關(guān)又稱為無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)，它除了可以完成限位保護(hù)外和行程控制，還是一種非接觸型的檢測(cè)裝置，可以用作檢測(cè)零件尺寸和測(cè)速等。但不管自己設(shè)計(jì)還是選型購(gòu)買，驅(qū)動(dòng)器都應(yīng)由推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)、信號(hào)處理級(jí)、環(huán)形分配器等幾個(gè)部分組成。不同類型的單片機(jī)所要編制的程序不同，其控制字也有所不同。 Z軸步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手臂上升，同時(shí) X軸步進(jìn)電 機(jī)控制機(jī)械手向前運(yùn)動(dòng)；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手底盤旋轉(zhuǎn)到放 瓶的位置， Z軸步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手臂向下運(yùn)動(dòng)， 然后放氣，機(jī)械手爪放開(kāi)醋瓶。由于抓瓶的位置不變，放瓶的位置在一個(gè)周期內(nèi)的 12 次都要變化，所以要計(jì)算每一次放瓶的位置，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡也是變化的。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào) 告用紙 第 13 頁(yè) 共 62 頁(yè) 圖 25 最終方案控制框圖 最終方案的說(shuō)明 1） 工控微機(jī)與單片機(jī)之間可以通過(guò)串口、并口和控制卡連接，并口連接只需電纜線轉(zhuǎn) USB 接口即可，而串口連接則需單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳送，控制卡只能用于工控機(jī)，所以采用并口連接比較方便并且即可用于工控微機(jī)也可用于普通計(jì)算機(jī)，但由于并未買到合適的 USB 接口線，為便于演示，最終決定采用串口連接。 驅(qū)動(dòng)方式的比較與選擇 對(duì)于機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)通常有以下要求： (1）安全可靠； (2）操作、維護(hù)方便； (3）對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲?。? (4）經(jīng)濟(jì)合理，要盡量減少占地面積； (5）驅(qū)動(dòng)要盡可能靈活，位移偏差及速度偏差要小； (6) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量要盡可能要輕，效率要高，單位質(zhì)量的輸出功率要高； 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以按照動(dòng)力源分為液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電動(dòng)傳動(dòng)三大類，現(xiàn)將三類驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)列表如下： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào) 告用紙 第 10 頁(yè) 共 62 頁(yè) 表 21 各驅(qū)動(dòng)方式比較表 特性 結(jié)構(gòu)性能 輸出功率和使用范圍 控制性能和安全性 安裝和維護(hù)要求 效率和制造成本 液壓驅(qū)動(dòng) 相比氣壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)較 小，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，易于標(biāo)準(zhǔn)化，需注意密封問(wèn)題 油壓高，可獲得較大的輸出功率適用于重型，低速驅(qū)動(dòng)器 液體不可壓縮，壓力、流量易控制，反應(yīng)靈敏，可無(wú)級(jí)調(diào)速、能實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，傳動(dòng)平穩(wěn)，泄漏對(duì)環(huán)境污染 安裝要求高（防泄漏），要配置液壓元設(shè)備，安裝面積大，維護(hù)要求較高 效率中等為~，管路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高 氣壓驅(qū)動(dòng) （方案一） 結(jié)構(gòu)體積較大，結(jié)構(gòu)易于標(biāo)準(zhǔn)化。 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求 本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)一個(gè)裝箱機(jī)械手的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要控制領(lǐng)域是工業(yè)控制，為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要，發(fā)展起了一門專業(yè)技術(shù) —— 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制主要研究如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制應(yīng)用在生產(chǎn)過(guò)程中，并且將需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)。 3）控制系統(tǒng)正向現(xiàn)場(chǎng)總線（ FCS ）方向發(fā)展。 計(jì)算機(jī)控制是自動(dòng)控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興學(xué)科，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。它的結(jié)構(gòu)是：在機(jī)械手機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部上面裝有工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 在現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展的今天，機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。如果機(jī)身具備行走系統(tǒng)，那么則構(gòu)成行走機(jī)器人 4）傳感系統(tǒng) 內(nèi)部傳感模塊和外部傳感器模塊組成傳感系統(tǒng)，可以獲取內(nèi)部與外部環(huán)境狀態(tài)中非常有意義的信息。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 報(bào) 告用紙 第 2 頁(yè) 共 62 頁(yè) 1 機(jī)械手及計(jì)算機(jī)概述 機(jī)械手的分類 機(jī)械手是一種能模擬人的手臂動(dòng)作，按照設(shè)定程序、 軌跡和要求，代替人手進(jìn)行抓取、搬運(yùn)工件或操持工具的機(jī)電一體化自動(dòng)裝置，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。 Boxing robot。它是綜合了機(jī)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制論、人工智能、仿生學(xué)、信息和傳感技術(shù)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究中十分活躍，應(yīng)用十分廣泛的領(lǐng)域。因此，對(duì)裝箱機(jī)械手的計(jì)算機(jī)控制研究顯得極其重要。 自動(dòng)控制系統(tǒng) 就像 人的大腦和四肢 ， 能夠代替 人類 完成許多復(fù)雜、繁瑣和難度高的工作，甚至能夠完成人工所不能完成的工作 。 2）機(jī)械 手 環(huán)境交互系統(tǒng) 機(jī)械手與外部環(huán)境設(shè)備相聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)稱為機(jī)械手 環(huán)境交互系統(tǒng)。直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)是兩種主要驅(qū)動(dòng)方式，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接和動(dòng)力連接稱為直接驅(qū)動(dòng)，而間接驅(qū)動(dòng)是指通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。此外，機(jī)械手在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用。 伴隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)需求，能夠獨(dú)立按程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作的機(jī)械手被研制出來(lái)，這種適用范圍比較廣的機(jī)械手稱為“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱為通用機(jī)械手。微型計(jì)算機(jī)和