【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)器人的研發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)成為了一門非常重要的新興技術(shù)，它加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使機(jī)械手能夠更好地實現(xiàn)自動化和機(jī)械化的有機(jī)結(jié)合。 計算機(jī)的一個重要控制領(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) —— 計算機(jī)控制技術(shù)，計算機(jī)控制主要研究如何將計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制應(yīng)用在生產(chǎn)過程中，并且將需要的計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計出來。計算機(jī)控制技術(shù)是一門以電子技術(shù)、 自動控制技術(shù) 、 計算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 為基礎(chǔ)，以計算機(jī)控制技術(shù)為核心，綜合 可編程控制技術(shù) 、 單片機(jī)技術(shù) 、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)的精密化、生產(chǎn)設(shè)備的信息化、生產(chǎn)過程的自動化及機(jī)電控制系統(tǒng)的最佳化的專門學(xué)科 機(jī)械手能夠代替人類完成危險的、重復(fù)枯燥的工作，近年來，機(jī)械手的應(yīng)用也越來越廣泛，它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用也極為普遍。目前，柔性制造單元 FMC 和柔性制造系統(tǒng) FMS 中一個非常重要的組成部分就是機(jī)械手的研制。目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)處于一個相對較落后的階段，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平也較低，我國自動化生產(chǎn)水平受到機(jī)械手研究和開發(fā)的直接影響，特別是在機(jī)械手的控 制方面，高效率、高質(zhì)量、全自動的控制系統(tǒng)能夠提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動強(qiáng)度、提高包裝質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn) ,因此研制裝箱機(jī)的計算機(jī)控制系統(tǒng)是具有重要意義的。 醋廠灌裝生產(chǎn)線調(diào)研 經(jīng)過上網(wǎng)查找資料，了解到現(xiàn)在在許多醋廠灌裝生產(chǎn)生線上，裝箱機(jī)械手都是某醋廠灌裝生產(chǎn)線要求裝箱機(jī)器人每次抓住多只瓶醋按照一定的運(yùn)動軌跡放在兩個箱子里，并且送瓶，裝箱，送箱一體化，機(jī)械手的運(yùn)動軌跡保持不變，達(dá)到了高效率的目的，而本次畢業(yè)設(shè)計只需設(shè)計機(jī)械手的裝箱控制系統(tǒng)，并且裝箱過程也是每次只抓取一只醋瓶，因此若想本次設(shè) 計能夠真正投入生產(chǎn)過程恐怕還需做很大的改進(jìn)和進(jìn)一步的研究，但其設(shè)計過程卻是能夠達(dá)到綜合大學(xué)四年所學(xué)，鍛煉思維能力和設(shè)計能力，做到學(xué)以致用的目。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 7 頁 共 62 頁 圖 21 醋廠生產(chǎn)線 通過調(diào)查了解到，市場上的瓶裝醋主要有有玻璃瓶和塑料瓶兩種，目前的瓶裝醋多以玻璃瓶為主，并且一般高 22 厘米，瓶底外直徑為 8 厘米左右，了解到這些，在裝箱過程中，我們就可以計算出醋瓶的相對位置，將每個醋瓶的放瓶坐標(biāo)計算出來即可準(zhǔn)確的將瓶按照 3行 4列的位置進(jìn)行放置。 調(diào)研還了解到了電源方面的問題，醋廠灌裝生產(chǎn)線裝箱過程各系統(tǒng)用電設(shè)備所需電壓各不相 同，例如電磁閥用電為直流 24 V，傳送帶用電為交流 380 V，而單片機(jī)及接口等是需要 5 V的直流電源，因此在實際的生產(chǎn)過程中系統(tǒng)電源較復(fù)雜。 AC 380V可直接由電網(wǎng)供電，因此還要設(shè)計 +5 V和 +24 V直流電源，通過集成穩(wěn)壓器，把不穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的輸出電壓。 設(shè)計內(nèi)容與要求 本次設(shè)計主要設(shè)計一個裝箱機(jī)械手的計算機(jī)控制系統(tǒng)。在深入了解醋廠灌裝生產(chǎn)線裝箱過程、機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)成和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成裝箱機(jī)械手計算機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計、電路設(shè)計、程序設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試。主要要求如下： 計算機(jī)采用 工控微機(jī)，機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)機(jī)械手。 機(jī)械手每次從生產(chǎn)線上固定位置抓取一只醋瓶，放入箱內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢茫?12 次裝滿一箱，完成一個控制周期。包裝箱放置的高度和方位固定不變，箱底平面比取瓶位置的瓶底平面低 150mm，醋瓶在箱內(nèi)放置成 3行 4列。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 8 頁 共 62 頁 設(shè)計方案比較 根據(jù)設(shè)計要求的分析以及對醋廠生產(chǎn)線上的調(diào)研，設(shè)計了兩種控制方案，其方案圖如圖。 方案一中，計算機(jī)與機(jī)械手的連接方式采用并口連接，驅(qū)動方式采用氣壓傳動；方案二中，計算機(jī)與機(jī)械手的連接方式采用串口連接，驅(qū)動方式采用電機(jī)傳動，機(jī)械手的升降 、伸縮都采用步進(jìn)電機(jī)來控制，底盤的旋轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)來控制，橫軸和豎軸的限位保護(hù)采用限位開關(guān)，底盤的限位保護(hù)采用接近開關(guān)，其旋轉(zhuǎn)角度用旋轉(zhuǎn)碼盤來控制。 圖 22 方案一系統(tǒng)框圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 9 頁 共 62 頁 圖 23 方案二系統(tǒng)框圖 通過上面方案圖比較可知，兩種方案的主要不同在于驅(qū)動方式的不同和計算機(jī)接口的不同，另外，由于醋瓶結(jié)構(gòu)和材料的特殊性，還需考慮手爪的控制方式，那么最終要用那種方案則需對驅(qū)動方式和接口連接方式進(jìn)行比較，通過其優(yōu)缺點(diǎn)并且聯(lián)系實際情況，最終確定較優(yōu)方案。 驅(qū)動方式的比較與選擇 對于機(jī)械手的驅(qū)動系 統(tǒng)通常有以下要求： (1）安全可靠； (2）操作、維護(hù)方便； (3）對環(huán)境無污染，噪聲??； (4）經(jīng)濟(jì)合理，要盡量減少占地面積； (5）驅(qū)動要盡可能靈活，位移偏差及速度偏差要?。? (6) 驅(qū)動系統(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)動系統(tǒng)可以按照動力源分為液壓傳動、氣壓傳動和電動傳動三大類，現(xiàn)將三類驅(qū)動方式的特點(diǎn)列表如下： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 10 頁 共 62 頁 表 21 各驅(qū)動方式比較表 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 相比氣壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)較 小，易實現(xiàn)直接驅(qū)動，易于標(biāo)準(zhǔn)化，需注意密封問題 油壓高，可獲得較大的輸出功率適用于重型，低速驅(qū)動器 液體不可壓縮，壓力、流量易控制，反應(yīng)靈敏，可無級調(diào)速、能實現(xiàn)速度、位置的精確控制，傳動平穩(wěn)，泄漏對環(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 （方案一） 結(jié)構(gòu)體積較大，結(jié)構(gòu)易于標(biāo)準(zhǔn)化。易實現(xiàn)直接驅(qū)動，密封問題不突出 氣壓較低，輸出功率小，當(dāng)輸出功率增大時，結(jié)構(gòu)尺寸將過大只適用于小型，快速驅(qū)動 壓縮性大，對速度、 位置精確控制困難。阻尼效果差。低速不易控制，排氣有噪音 安裝要求不高，能在惡劣環(huán)境種工作，維護(hù)方便 效率低，（為~）氣源方便，結(jié)構(gòu)簡單，成本低 電機(jī)傳動 交直流普通電動機(jī)，步進(jìn)、伺服電動機(jī) （方案二） 電動機(jī)驅(qū)動以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，需減速裝置，傳動體積較大 適用于抓其重量較大而速度低的中、重型機(jī)器人的驅(qū)動 輸出力較大， 步進(jìn)電動機(jī)輸出力較小、伺服電機(jī)可大一些 適用于運(yùn)動控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)器人 控制性能差，慣性大，不易精確定位 對環(huán)境無影響 控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實現(xiàn)速度、位置的精確 控制，對環(huán)境無影響 安裝維修方便 維修使用較復(fù)雜 成本低 效率為 左右 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 11 頁 共 62 頁 通過以上對各驅(qū)動方式的特點(diǎn)比較，根據(jù)機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求，本次設(shè)計最終選定電機(jī)傳動對機(jī)械手進(jìn)行控制。 手爪的控制方式選擇 手爪的控制方式有許多種，其中較常用的有機(jī)械手爪，吸盤式，和電磁式，可以通過液壓、氣壓或者電動控制，在實際的醋廠灌裝生產(chǎn)線上，手爪控制采用氣動傳動，但由于現(xiàn)有條件和時間的限制，因此在演示過程中用的是電磁鐵來抓放物體，下面的軟硬件設(shè)計也以電磁鐵來設(shè)計。 圖 24 手爪的控制方式 計算機(jī)連接方式的選擇 工控微機(jī)與單片機(jī)之間可以通過串口、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。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 12 頁 共 62 頁 表 22 串并口特點(diǎn)比較 接口類型 基本概念 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 分類 串行接口 只需一對傳輸線，數(shù)據(jù)的各位按時間順序依次傳送 節(jié)省通信設(shè)備和傳輸線，能夠?qū)Χ鄶?shù)據(jù)、遠(yuǎn)距離進(jìn)行傳輸 傳輸速度、傳輸效率較低 異 步串行通信、同步串行通信 并行接口 并行接口所謂的“并行”不是指接口與系統(tǒng)線側(cè)的并行數(shù)據(jù)線，而是指接口與 I/O設(shè)備或被控制對象側(cè)并行數(shù)據(jù)線。 傳輸速度快，信息率高，可以方便地將主機(jī)與各種外設(shè)組成一個高速系統(tǒng)；具有充分的選擇性；具有廣泛的適應(yīng)性和很高的靈活性 所用電纜線較多，常用在短距離傳輸，多微機(jī)系統(tǒng)中各微機(jī)相聚較遠(yuǎn)時一般不能使用，且線路費(fèi)用較昂貴，易發(fā)生線路故障 簡單接口、可編程接口 最終方案的確定與說明 通過兩種方案的比較，結(jié)合實際情況的考慮，最終決定選用方案一，其系統(tǒng)方案示意圖如 圖所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 13 頁 共 62 頁 圖 25 最終方案控制框圖 最終方案的說明 1） 工控微機(jī)與單片機(jī)之間可以通過串口、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。 2） 單片機(jī)采用 51 系列單片機(jī)， AT89S51 或 AT89C51 都可，本次設(shè)計采用的是AT89S51。因為 AT89S51 相對 AT89C51 來說價格不變，甚至更便宜，并且在性能上更好。特別是它的 ISP 在線編程功能，該功能使得改寫單片機(jī)存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從單片機(jī) 計算機(jī) 驅(qū)動器 X 軸步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動器 驅(qū)動器 Z 軸步進(jìn)電機(jī) Θ 軸直流電機(jī) 繼電器 電磁鐵 機(jī)械手 上限位行程開關(guān) 下限位行程開關(guān) 左限位行程開關(guān) 右限位行程開關(guān) 順時針光電開關(guān) 旋轉(zhuǎn)角度編碼盤 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 14 頁 共 62 頁 工作環(huán)境中剝離。因此選用 AT89S51。 3） 機(jī)械手的定位保護(hù)系統(tǒng)采取開關(guān)控制和接近開關(guān)系統(tǒng)，在設(shè)定位置裝置觸點(diǎn)式行程開關(guān)，底盤采用接近開關(guān)，并用編碼盤控制底盤的旋轉(zhuǎn)角度。 4） 由于電腦串口輸出電壓高達(dá) 12V，直接與單片機(jī)連接會燒壞芯片?？梢杂?MAX232或 MAX3232 來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，其中還要用到旋轉(zhuǎn)碼盤來檢測機(jī)械手的轉(zhuǎn)動角度。由于抓瓶的位置不變，放瓶的位置在一個周期內(nèi)的 12 次都要變化，所以要計算每一次放瓶的位置，機(jī)械手的運(yùn)動軌跡也是變化的。查有關(guān)資料可得醋瓶外徑的大小一般在 8cm 到10cm，我們將醋瓶的外徑定為 8cm。 5） 直流電機(jī)通過直流驅(qū)動器的 AB端來控制其是否工作和正反轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的公共端，脈沖接收端和方向控制端來控制其工作整個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。 特別要說明的一點(diǎn)是，實際裝箱過稱的機(jī)械手爪采用氣動控制，而本次 設(shè)計的演示過程采用電磁鐵來吸取硬幣，并且沒有傳感器反饋是否有硬幣的信號，因為其主要目的是看放瓶的位置是否正確，能否擺成 3行 4列。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 15 頁 共 62 頁 3 硬件電路設(shè)計 機(jī)械手裝箱動作分析 本次畢業(yè)設(shè)計要求采用圓柱坐標(biāo)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計，演示所用的機(jī)械手為實驗室現(xiàn)有的 TVT99D 機(jī)械手模型，機(jī)械手每次從生產(chǎn)線上固定位置抓取一只醋瓶，放入箱內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢茫?12次裝滿一箱，完成一個控制周期。包裝箱放置的高度和方位固定不變，箱底平面比取瓶位置的瓶底平面低 150mm，醋瓶在箱內(nèi)放置成 3 行 4 列。由于包裝箱放置的高度和方位固定不 變，所以機(jī)械手每次放瓶的位置將會發(fā)生變化，這是設(shè)計中的一個難點(diǎn)，坐標(biāo)的變化較小且是極坐標(biāo)發(fā)生變化，需要精確的算出每次的放瓶位置，因此，理論上的計算也并不能準(zhǔn)確的計算出放取坐標(biāo)，而是要通過不斷地調(diào)試，才能夠找出最準(zhǔn)確的放取位置。 圖 31 機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)設(shè)計要求，機(jī)械手的活動范圍應(yīng)該如下： 1） 水平的移動范圍： 0— 3mm 2） 垂直的移動范圍： 0— 3） 底盤的旋轉(zhuǎn)角度： 0— 270度 4） 旋轉(zhuǎn)手臂的范圍： 0— 270度 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 報 告用紙 第 16 頁 共 62 頁 圖 32 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手 機(jī)械手在動作過程的原點(diǎn)判斷及限位保護(hù)都是采用微 動開關(guān)來進(jìn)行設(shè)計，機(jī)械手臂