1、 摘要機(jī)械手技術(shù)涉與到電子、機(jī)械學(xué)、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(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越重要。文章主要敘述了機(jī)械手的設(shè)計(jì)過(guò)程 ，文章中介紹了機(jī)械手的設(shè)計(jì)理論與方法。 本設(shè)計(jì)以AT89C51 單片機(jī)為核心，采用LMD18200 電機(jī)控制芯片達(dá)到控制直流電機(jī)的啟停、速度和方向，完成了篩選機(jī)械手基本要求和發(fā)揮部分的要求。在篩選機(jī)械手設(shè)計(jì)中，采用了PWM 技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。 關(guān)鍵詞：篩選機(jī)械手，AT89C51 單片機(jī)，LMD18200 電機(jī)控制芯片，PWM技術(shù)，電機(jī)控制。AbstractThe

2、manipulator technology involves to the electron, mechanics, the automatic control technology,the sensor technology and the computer technology and so on scientific field, is an interdisciplinarycomprehensive technology. Along with the industrial automation need to develop, the manipulator isgetting

3、more and more important in the industrial application. The article mainly narratedmanipulator's design process, in the article introduced manipulator's design theory and the method.This design take at89C51 monolithic integrated circuit as a core, uses the LMD18200 motorcontrol chip to achiev

4、e the control direct current machine to open stops, the speed and the direction,completed has screened the manipulator essential requirements and the display part request. Inscreens the manipulator to design, used the PWM technology to carry on the control to the electricalmachinery, through the com

5、putation achieved the precise velocity modulation to the dutyfactor thegoal. Key wordsScreening manipulator, AT89C51 monolithic integrated circuit, LMD18200 ,motor control chip, PWM technology, motor control.22 / 25 目錄第一章 緒論11.1機(jī)械手的概述11.2機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)21. 3機(jī)械手的類(lèi)型3第二章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)42. 1設(shè)計(jì)要求42. 2基本設(shè)計(jì)思路5第三章 硬件結(jié)

6、構(gòu)設(shè)計(jì)63. 1機(jī)械手尺寸的確定63. 2傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)6第4章 軟件電路部分設(shè)計(jì)94.1 單片機(jī)的選擇94.2 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇114.3 傳感器的確定134.4 接口電路144.5 電路圖繪制164.6 程序流程框圖18參考文獻(xiàn)20 第一章 緒論1.1機(jī)械手的概述1.機(jī)械手的簡(jiǎn)介 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手叫做“工業(yè)機(jī)械手”。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它

7、代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機(jī)械加工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以與輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。國(guó)外對(duì)機(jī)器人與機(jī)械手所作的定義不盡一樣。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)機(jī)器人的定義:機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位、可控的可編程的多功能操作機(jī)。這類(lèi)操作機(jī)具有幾個(gè)軸在可編程序操作下，能處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(NBS)對(duì)機(jī)器人的定義:“一種可編程，并在自動(dòng)化控制下執(zhí)行某種特定操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。”日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義:“一種裝備有記憶裝置和最終執(zhí)行裝置，能夠完成各種

8、移動(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng)的通用機(jī)器。”它又分為以下兩種情況來(lái)定義:(1)工業(yè)機(jī)器人:“一種能執(zhí)行與人的上肢類(lèi)似動(dòng)作的多功能機(jī)器。”(2)智能機(jī)器人:“一種具有感覺(jué)和識(shí)別能力，并能夠控制自身行為的機(jī)器。”2.結(jié)構(gòu)框圖：機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如下圖所示。1.2機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)工作原理 機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來(lái)將工件由左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)。有上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。簡(jiǎn)易機(jī)械手在各類(lèi)全自動(dòng)和半自動(dòng)生產(chǎn)線上應(yīng)用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動(dòng)，替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面

9、轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)線中。圖2-1為機(jī)械手簡(jiǎn)圖,其中SQ1-上限開(kāi)關(guān)，SQ2-左限，SQ3-下限開(kāi)關(guān)，SQ4-光電開(kāi)關(guān)，SQ5-夾緊，SQ6-右限。圖2-1 機(jī)械手簡(jiǎn)圖這個(gè)機(jī)械手具有二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度用于將源工作臺(tái)上的物品搬到其左側(cè)或右側(cè)目的工作臺(tái)上。機(jī)械手的直線動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)機(jī)械手在工作中能實(shí)現(xiàn)上升/下降、左傳/右轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前較為簡(jiǎn)單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。其升降運(yùn)動(dòng)通過(guò)升降氣缸、垂直導(dǎo)柱、滑動(dòng)導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌與升降位置微動(dòng)開(kāi)

10、關(guān)相互配合完成，升降工作行程為0100mm、轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)動(dòng)工作行程為090°；手爪是通過(guò)氣缸、彈簧的作用來(lái)夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮調(diào)整。 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。采集感知信號(hào)與控制信號(hào)均由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動(dòng)機(jī)械手能拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。圖2-1中工件所處位置為原點(diǎn)位置，根據(jù)要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開(kāi)始，完成上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟

11、動(dòng)，左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物品后，左傳送帶停止運(yùn)行。根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖，如圖2-2所示。原位下降夾緊上升右移停止左移上升松開(kāi)下降下限延時(shí)上限左限啟動(dòng)右限機(jī)械手工作流程圖根據(jù)以上分析，機(jī)械構(gòu)造方案基本固定。整個(gè)機(jī)械手一共用到三個(gè)氣缸，單片機(jī)需要控制每個(gè)氣缸的動(dòng)作：橫梁長(zhǎng)氣缸的外調(diào)，執(zhí)行氣爪的夾持與放松、豎導(dǎo)桿氣缸的升降、各氣缸的定位控制和旋轉(zhuǎn)軸的定位控制，另外兩個(gè)是工件計(jì)數(shù)和故障報(bào)警。1.3機(jī)械手的類(lèi)型機(jī)械手一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)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)定工作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理

12、性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電信號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球、火星等。第三類(lèi)是專(zhuān)用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱(chēng)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)外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。 第二章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求下圖為機(jī)械手動(dòng)作示意圖，機(jī)械手將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B上，機(jī)械手按照下述動(dòng)作順序周而復(fù)始的搬運(yùn)貨物。（1） 機(jī)械手的初始狀態(tài)為：機(jī)械手放松、處于

13、左限位置（SQ2為左限位開(kāi)關(guān)）、上限位置（SQ1為上限位開(kāi)關(guān)）；（2） 傳送帶A和B分別由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制，初始狀態(tài)為停止；（3） 按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，傳送帶A和B開(kāi)始輸送物品，同時(shí)其他檢測(cè)、控制部分也開(kāi)始或準(zhǔn)備工作，此時(shí)：（a）光電開(kāi)關(guān)SQ4檢測(cè)到傳送帶A輸送來(lái)的物品后，停止傳送帶A的運(yùn)動(dòng)；（b）機(jī)械手抓取傳送帶A上的物品。機(jī)械手由氣動(dòng)閥控制，當(dāng)氣動(dòng)閥開(kāi)關(guān)SQ5=1時(shí)，機(jī)械手夾緊；當(dāng)SQ5=0時(shí)，機(jī)械手放松；（c）機(jī)械手往上移動(dòng)，到達(dá)上限位置，上限位置由上限限位開(kāi)關(guān)SQ1檢測(cè)。機(jī)械手上移和下移的動(dòng)作由氣動(dòng)閥控制，需要另外設(shè)置一個(gè)該氣動(dòng)閥的開(kāi)關(guān)，如SQ10，若SQ10=1，則上移；若SQ10=0，則

14、下移。（d）機(jī)械手向右旋轉(zhuǎn)，到達(dá)右限位置，右限位置由右限限位開(kāi)關(guān)SQ6檢測(cè)；（e）機(jī)械手向下移動(dòng)，到達(dá)下限位置，下限位置由下限位置開(kāi)關(guān)SQ3檢測(cè)。機(jī)械手的左右移動(dòng)由氣動(dòng)閥控制，需要另外設(shè)置一個(gè)該氣動(dòng)閥的開(kāi)關(guān)，如SQ11，若SQ11=1，則左移；若SQ11=0，則右移。（f）機(jī)械手放松，將抓取的物品放在傳送帶B上；（g）機(jī)械手往上移動(dòng)，到達(dá)上限位置，上限位置由上限限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)；（h）機(jī)械手向左旋轉(zhuǎn)，到達(dá)左限位置，左限位置由左限限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)；（i）啟動(dòng)傳送帶A，進(jìn)行下一個(gè)周期的動(dòng)作；2.2 基本設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)框圖如下： 圖2-1 總體設(shè)計(jì)框圖1.CPU 的選擇 由于單片機(jī)體積小，價(jià)格便宜且具有高

15、穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾能力，因此本設(shè)計(jì)中用單片機(jī)取代PLC 控制。2.機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇 由于本設(shè)計(jì)中精度要求較高，首先排除了極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式，而且它們還存在平衡問(wèn)題，直角坐標(biāo)式靈活性差，不利于提高工作效率。因此為了使其工作方式更加簡(jiǎn)單直觀，機(jī)械手坐標(biāo)類(lèi)型選擇為圓柱坐標(biāo)機(jī)械手。3.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求傳動(dòng)方式為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手臂的上下、左右移動(dòng)，即圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，首先排除了帶傳動(dòng)。與此同時(shí)，由于設(shè)計(jì)精度要求較高，所以鏈條傳動(dòng)也不作考慮。剩下絲桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，從零件的加工方面考慮，最終確定了加工較為簡(jiǎn)單的齒輪傳動(dòng)。4.抓取機(jī)構(gòu)的選擇 目前工業(yè)上較長(zhǎng)采用的抓取機(jī)構(gòu)為手爪。但

16、是本次設(shè)計(jì)要求的工件為直徑2cm厚1cm 的圓形鐵片，抓取精度要求高，操作難度較大。考慮到材質(zhì)，因此選擇了電磁閥作為抓取機(jī)構(gòu)。通過(guò)電磁閥的通斷來(lái)控制工件的抓取和放下，操作方便。5.驅(qū)動(dòng)方式的選擇 在選擇驅(qū)動(dòng)方式階段，我首先考慮的是液壓、氣壓傳動(dòng)，但方案存在一定缺陷。其中，液壓裝置體積太過(guò)龐大，需要專(zhuān)門(mén)配置一套液壓系統(tǒng)，且對(duì)密封性要求高，不宜在高溫、低溫下工作。而氣壓傳動(dòng)由于空氣的可壓縮性導(dǎo)致工作速度、穩(wěn)定性較差，且有一定噪音。電機(jī)選擇相對(duì)較為簡(jiǎn)單，由于步進(jìn)電機(jī)有步距角誤差，機(jī)械手在齒輪傳動(dòng)和擺動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)一步放大該誤差，因此選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第三章 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械手尺寸的確定 由于本次設(shè)

17、計(jì)對(duì)工作場(chǎng)地要求并沒(méi)有明確的限制，因此機(jī)械手的尺寸也就沒(méi)有明確的規(guī)定，為了設(shè)計(jì)的方便，將機(jī)械手大臂有效距離長(zhǎng)為280mm，小臂有效距離長(zhǎng)為170mm3.2 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)1. 機(jī)械手是有三臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)M1 控制大臂在Z 軸旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，電機(jī)M2 控制小臂在Z 軸的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，電機(jī)C 控制末端執(zhí)行器在Z 軸的上下移動(dòng)。為了設(shè)計(jì)的方便，控制方式采用點(diǎn)位控制。通過(guò)分別控制三臺(tái)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)確定末端執(zhí)行器在空間上的具體位置。由于三臺(tái)電機(jī)不是同時(shí)控制，因此不存在相互間的干擾，從而增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2. 具體傳動(dòng)環(huán)節(jié) 基座部分裝有服電機(jī)M1，通過(guò)齒輪傳動(dòng)控制大臂旋轉(zhuǎn)，基座與大臂底座用軸承連接；大臂座

18、裝有伺服電機(jī)M2，通過(guò)齒輪、傳動(dòng)控制小臂的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)；末端執(zhí)行器部分裝有伺服電機(jī)M3，同樣通過(guò)齒輪、絲桿傳動(dòng)控制末端執(zhí)行器的上下移動(dòng)。3. 伺服電機(jī) 一個(gè)伺服電機(jī)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；與一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也愈大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低4.微行伺服馬達(dá)的工作原理 一個(gè)微型伺服馬達(dá)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示：伺服電機(jī)原理圖 減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端（輸出端）帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電

19、位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。5.伺服馬達(dá)的控制 標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源、地與控制。電源線與地線用于提供部的直流馬達(dá)與控制線路所需的能源，電壓通常介于4V6V 之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào)，這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在1ms2ms

20、之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在5ms 到20ms 之間，并不很?chē)?yán)格，下表表示出一個(gè)典型的20ms 周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系：6.選用的伺服馬達(dá) 此處選用的伺服馬達(dá)為T(mén)owPro 的，型號(hào)為SG303。其主要技術(shù)參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速：0.23 秒60 度。l 力矩：3.2kgcm。l 尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。l 重量：0.6kg。l12V 和24V 電源供電。 控制周期脈沖寬度為20ms。送出不同的正脈沖寬度是，就可以得到不同的控制效果。控制正脈沖寬度如下：7.增量式編碼器 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。前者成為碼盤(pán)，后

21、者稱(chēng)碼尺按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類(lèi)。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的部記憶來(lái)記

22、住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)，當(dāng)來(lái)電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過(guò)程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，而且這種偏移的量是無(wú)從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。 解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開(kāi)機(jī)找零等方法。比如，打印機(jī)掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開(kāi)機(jī)，我們都能聽(tīng)到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。增量式編碼器特點(diǎn)：增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無(wú)限累加和

23、測(cè)量。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會(huì)出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。需要提高分辨率時(shí)，可利用 90 度相位差的 A、B 兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻或更換高分辨率編碼器。8.絲桿與螺母副 主要確定絲桿的外徑d，與長(zhǎng)度，選擇螺紋的類(lèi)型，牙型角，計(jì)算出螺紋中徑d2，螺紋升角，定出螺距P，求出螺紋導(dǎo)程S。9.滾動(dòng)軸承 滾動(dòng)軸承的類(lèi)型、尺寸和公差等級(jí)均已制定有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中只需根據(jù)工作條件選擇合適的軸承類(lèi)型，尺寸和公差等級(jí)等，并進(jìn)行軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按滾動(dòng)軸承承受載荷的作用方向，常用軸承可分為三類(lèi)，即徑向接觸軸承、向心角接觸球軸承和軸向接觸軸承。 在機(jī)械手的設(shè)計(jì)中，通常使用角接觸球軸承、圓錐滾子軸承或深溝

24、球軸承和推力球軸承的組合件。選擇軸承要根據(jù)它所支承的軸的粗度（一般軸徑的設(shè)計(jì)要先由計(jì)算的強(qiáng)度來(lái)確定基本尺寸，再根據(jù)GB/T2822-81 來(lái)選取標(biāo)準(zhǔn)尺寸，也可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件如軸承等決定）來(lái)決定的，選定軸承后，還要進(jìn)行軸承的壽命計(jì)算。第四章 軟件電路部分設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)的選擇1. 單片機(jī)的概念 單片機(jī)是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。通常在芯片含有CPU、ROM、RAM、并行I/O 口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘與系統(tǒng)總線等。2. 單片機(jī)特點(diǎn)1) 優(yōu)異的性能價(jià)格比。2) 高、體積小、可靠性高。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯

25、片之間的連線，大大提高了計(jì)算機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。3) 控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)種均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O 口的邏輯操作與位處理功能，單片機(jī)的邏輯控制功能與運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。4) 低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。5) 單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置叫典型、規(guī)，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。3. 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)1) 89C52 系列單片機(jī)基本配置如下：a) 微處理器 該單片機(jī)中有一個(gè)8 位的微處理器，與通用的微處理器基本一樣，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的

26、處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。b) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片為128 個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至64k 字節(jié)，用來(lái)存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱(chēng)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。c) 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制，片只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k 字節(jié)。d) 中斷系統(tǒng) 具有5 個(gè)中斷源，2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。e) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片有2 個(gè)16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式。f) 串行口1 個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來(lái)進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O 口，甚至與多個(gè)單片

27、機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。g) P1 口、P2 口、P3 口、P4 口 為4 個(gè)并行8 位I/O 口。h) 特殊功能寄存器 共有21 個(gè)，用于對(duì)片的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM 區(qū)。2) 引腳與其功能a) 電源與時(shí)鐘引腳VCC：接+5V 電源正端；VSS：接+5V 電源地端；X1：接外部晶體振蕩器的一端；X2：接外部晶體振蕩器的另一端。b) 控制引腳RESET：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電復(fù)位端。ALE：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 一每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0 口的低8 位地址。PSEN：為片外程序

28、存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端。EA ：為訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)，低電平有效。c) 輸入/輸出引腳P3 口的第二功能：P3.0：RXD，串行輸入通道；P3.1：TXD，串行輸出通道；P3.2：INT0，外部中斷0；P3.3：INT1，外部中斷1；P3.4：T0，計(jì)數(shù)器0 外部輸入；P3.5：T1，計(jì)數(shù)器1 外部輸入；P3.6：WR ，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通；P3.7： RD，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通。 圖4-1 89c51 引腳圖4.2驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，還要處理另一類(lèi)數(shù)字量，即開(kāi)關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)。它們是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”，即電平的高和低出現(xiàn)的。如開(kāi)關(guān)觸電的閉合和斷開(kāi)，指示燈的亮

29、和滅，繼電器和接觸器的吸合和釋放，馬達(dá)的啟動(dòng)和停止，晶閘管的通和斷，閥門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉等，我們稱(chēng)為開(kāi)關(guān)量。開(kāi)關(guān)量所控制的執(zhí)行器所要求的控制電壓一般都比較高，電流一般都較大，有的是直流驅(qū)動(dòng)，有的是交流驅(qū)動(dòng)，必須根據(jù)具體對(duì)象采用適當(dāng)?shù)慕涌凇ｉ_(kāi)關(guān)量的輸出接口實(shí)質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)做“弱電”控制“強(qiáng)電”。它需要解決兩個(gè)重要問(wèn)題：隔離和驅(qū)動(dòng)。 用單片機(jī)控制各種各樣的高壓、大電流負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電器、燈泡等時(shí)，不能用單片機(jī)的I/O 線來(lái)直接驅(qū)動(dòng)。P0、P1、P2、P3 四個(gè)口都可以做輸出口，但其驅(qū)動(dòng)能力不同。P0 口的驅(qū)動(dòng)能力較大，當(dāng)其輸出高電平時(shí)，可提供400 m A的電流；當(dāng)其輸出低電平（0.45

30、V）時(shí)，則可提供3.2mA的灌電流，如低電平允許提高，灌電流會(huì)相應(yīng)加大。P1、P2、P3 口的每一位只能驅(qū)動(dòng)四個(gè)LSTTL，即可提供的電流只有P0 口的一半。所以，用低電平輸出可獲得比高電平輸出更大的驅(qū)動(dòng)能力。目前，一些MCS-51 系列單片機(jī)的引腳驅(qū)動(dòng)能力有所提高，如89C2051，一些引腳可提供20mA 的灌入電流。但大多數(shù)場(chǎng)合，單片機(jī)I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力是不夠的，必須通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)電路來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200 原理與應(yīng)用 LMD18200 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專(zhuān)用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H 橋組件。同一芯片上集成有CMOS 控制電路和DMOS 功率器件

31、，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。LMD18200 廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域。下面介紹 LMD18200 芯片的結(jié)構(gòu)、原理與其典型應(yīng)用。（1）主要性能峰值輸出電流高達(dá)6A，連續(xù)輸出電流達(dá)3A；工作電壓高達(dá)55V；Low RDS(ON) typically 0.3W per switch；TTL/CMOS 兼容電平的輸入；無(wú) “shoot-through” 電流；具有溫度報(bào)警和過(guò)熱與短路保護(hù)功能；芯片結(jié)溫達(dá)145，結(jié)溫達(dá)170時(shí)，芯片關(guān)斷；具有良好的抗干擾性。（2） 典型應(yīng)用l 驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步機(jī)電機(jī)l 伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)位置與轉(zhuǎn)速l 應(yīng)用于機(jī)器

32、人控制系統(tǒng)l 應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)l 應(yīng)用于電腦打印機(jī)與繪圖儀（3） 部結(jié)構(gòu)和引腳 LMD18200 外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示，部電路框圖2 如圖所示。它有11 個(gè)引腳,采用TO-220 和雙列直插式封裝。(4)LMD18200 工作原理： 部集成了四個(gè)DMOS 管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H 型驅(qū)動(dòng)橋。通過(guò)充電泵電路為上橋臂的2 個(gè)開(kāi)關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個(gè)300kHz 左右的工作頻率。可在引腳1、11 外接電容形成第二個(gè)充電泵電路，外接電容越大，向開(kāi)關(guān)管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時(shí)間越短，工作頻率可以更高。引腳 2、10 接直流電機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳步到引腳10；反

33、轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳10 到引腳2。電流檢測(cè)輸出引腳8 可以接一個(gè)對(duì)地電阻，通過(guò)電阻來(lái)輸出過(guò)流情況。部保護(hù)電路設(shè)置的過(guò)電流閾值為10A，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)會(huì)自動(dòng)封鎖輸出，并周期性的自動(dòng)恢復(fù)輸出。如果過(guò)電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，過(guò)熱保護(hù)將關(guān)閉整個(gè)輸出。過(guò)熱信號(hào)還可通過(guò)引腳9 輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145 度時(shí)引腳9 有輸出信號(hào)。4.3 傳感器的確定 顏色傳感器， 通過(guò)一種特殊的三色方式發(fā)揮作用。傳感器把光（紅、藍(lán)、綠）投射到將被檢測(cè)的物體上，計(jì)算來(lái)自反射輻射的色度坐標(biāo)，并與之前存儲(chǔ)的三色值進(jìn)行比較。當(dāng)三色值在設(shè)定的允許偏差圍，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交換輸出。傳感器使用白熾燈做光源，使用光電池接收器，直到后來(lái)發(fā)明了高效的可

34、見(jiàn)光。現(xiàn)在，多數(shù)的色標(biāo)傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見(jiàn)光發(fā)射器。經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應(yīng)速度，以獲取更長(zhǎng)的檢測(cè)距離，這是因?yàn)闄z測(cè)距離是一個(gè)非常重要的參數(shù)。 未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來(lái)檢測(cè)小的物體或動(dòng)作非常快的物體，這些場(chǎng)合要求的響應(yīng)速度都非常快。但是，現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非常快的響應(yīng)速度，能滿足大多數(shù)的檢測(cè)應(yīng)用。如上圖： CSSRE（M18 顏色識(shí)別傳感器）顏色值或顏色 模擬量輸出0-10V最大顏色選擇度導(dǎo)向光束（紅色）響應(yīng)時(shí)間，典型值：100s自 檢功能獨(dú)立放大器，1 種顏色自學(xué)功能物體尺寸> 5 mm信號(hào)強(qiáng)度0-10V距離：5-200mm白色光源達(dá)到32 色自學(xué)功能的

35、FSK 存儲(chǔ)卡任選附件防護(hù)等級(jí)IP 65光源，自適應(yīng)顏色傳感器和放大器4.4 接口電路1.串行通信的基本原理 計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送有并行和串行兩種方式。并行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)是：各數(shù)據(jù)同時(shí)傳送，傳送速度快，效率高。但并行數(shù)據(jù)傳送有多少數(shù)據(jù)位就需要多少根數(shù)據(jù)線，因此傳送成本高。并行數(shù)據(jù)傳送的距離通常小于30 米，計(jì)算機(jī)部的數(shù)據(jù)傳送通常都是并行的；串行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳送按位順序進(jìn)行，最少只需一根線即可完成，成本低但速度慢。計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送大多是串行的，其傳送的距離可以從幾米到幾千公里。串行通信又分為異步和同步兩種方式。單片機(jī)中使用的串行通信通常都是異步方式的。（1）串行通信的數(shù)據(jù)傳送格式 異

36、步串行通信以字符為單位，即一個(gè)一個(gè)字符地傳送。其字符格式通常表示如下：它用一個(gè)起始位表示字符的開(kāi)始，用停止位表示字符的結(jié)束構(gòu)成一幀。異步通信的特點(diǎn)是每次只傳送一個(gè)字符，每個(gè)字符由起始位（規(guī)定為低電平）、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位（規(guī)定為高電平12 位）組成。由于單片機(jī)的停止位規(guī)定為1 位，為了與單片機(jī)相匹配，PC 機(jī)的一幀數(shù)據(jù)的停止位我們采用1 位。（2）串行通信的收發(fā)過(guò)程 發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)發(fā)送低電平起始位開(kāi)始一個(gè)字符的傳送，起始位之后便按特定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)位（包括奇偶校驗(yàn)位），當(dāng)最后一位數(shù)（對(duì)于采用奇偶個(gè)高電平停止位用以標(biāo)志一個(gè)字符傳送結(jié)束，這樣就完成了一幀數(shù)據(jù)發(fā)送。如果不再發(fā)送新數(shù)據(jù)

37、或數(shù)據(jù)尚未準(zhǔn)備好，就將傳輸線鉗在高電平狀態(tài)。接收方不斷檢測(cè)傳輸線的電平狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳輸線由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)（起始位標(biāo)志位），即認(rèn)為有數(shù)據(jù)傳入，進(jìn)入接收狀態(tài)，然后以一樣的速率檢測(cè)傳輸線的電平狀態(tài)，接收隨后送來(lái)的數(shù)據(jù)位，奇偶校驗(yàn)位和停止位。可見(jiàn)在異步通信方式中，發(fā)送方是靠控制傳輸線的電平狀態(tài)來(lái)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。接收方通過(guò)不斷檢測(cè)數(shù)據(jù)線的狀態(tài)來(lái)完成數(shù)據(jù)的接收，只要發(fā)送率和接收檢測(cè)速率一樣，即能準(zhǔn)確接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送與接收設(shè)備可以使用各自的時(shí)鐘源完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，無(wú)需使用一樣的時(shí)鐘信號(hào)。（3）串行通信的傳送速率 傳送速率用于說(shuō)明數(shù)據(jù)傳送的快慢。在串行通信中，數(shù)據(jù)是按位進(jìn)行傳送的，因此傳送速率用每

38、秒鐘傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)來(lái)表示，稱(chēng)之為波特率。在串行通信中常用波特率來(lái)衡量通信速率的快慢，每秒鐘傳送一位就是一波特，一般異步通信波特率為110KHZ。在選擇通信的波特率時(shí)，不要盲目追高，要以滿足數(shù)據(jù)傳輸要求為原則。因?yàn)椴ㄌ芈试礁撸瑢?duì)發(fā)送和接收時(shí)鐘信號(hào)頻率的一致性要求就越高。（4）串行通信的電平轉(zhuǎn)換 PC 機(jī)與單片機(jī)是通過(guò)串行口進(jìn)行通信的。由于單片機(jī)的輸入、輸出是TTL 電平（+5V 表示邏輯1，電平低于2V 便不能被識(shí)別為邏輯1；0V 表示邏輯0），TTL電平一般不能用于遠(yuǎn)距離傳輸，因?yàn)閭鬏斶^(guò)程中電平的衰減會(huì)使傳輸數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。而PC 機(jī)配置的是RS232 串行接口，因此，單片機(jī)與PC 機(jī)之間進(jìn)

39、行通信時(shí)，要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，需要將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232 電平（-5V-15V 表示邏輯1，+5V+15V 表示邏輯0），在傳輸線上傳送的RS232 電平可高達(dá) 12V，比TTL 電平有更強(qiáng)的抗衰減能力與抗干擾能力，可用于遠(yuǎn)距離傳輸。常用的電平轉(zhuǎn)換芯片為MAX2232，此芯片能實(shí)現(xiàn)以上兩種電平的相互轉(zhuǎn)換。另外，信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)最好使用雙絞線，有利于抑制外界共模信號(hào)的干擾。2.單片機(jī)與PC 機(jī)串行通信實(shí)現(xiàn)手段 由于PC 機(jī)中集成了串行異步通信的可編程芯片8250，我們可以通過(guò)PC 機(jī)的串行通信口COM1 或COM2 對(duì)它進(jìn)行控制，因而不需要再單獨(dú)做實(shí)驗(yàn)板。我們可以把單片機(jī)的部電平轉(zhuǎn)換接口與PC 機(jī)的串行通信口COM1 或COM2 通過(guò)串行連接線連接起來(lái)，然后用軟件對(duì)它們進(jìn)行初始化，使它們運(yùn)行各自的接收或發(fā)送程序。在具體編程的時(shí)候，我們可以實(shí)現(xiàn)很多的功能。例如，我們可以從PC 機(jī)和單片機(jī)中讀其RAM 或ROM 的容，對(duì)它們進(jìn)行在線修改。PC 機(jī)的程序可以用匯編程序MASM6.0、VB、C+Bilder 或VC+進(jìn)行編寫(xiě)。 控制電路與計(jì)算機(jī)通訊能夠在計(jì)算機(jī)上作