基于单片机控制的工业机械手控制系统课程设计

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1、1 第一第一章章 绪论绪论 1.11.1 机械手的概述机械手的概述 1.1.11.1.1 机械手的简介机械手的简介 机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、 搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手” 。在实际生产 中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保 证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒 气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生 产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热 处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通

2、运输业等领域得到了越来越广泛的应用。 国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。国际标准化组织对机器人的定 义:机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。这类操作机具有几个 轴在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。 美国国家标准(NBS)对机器人的定义:“一种可编程，并在自动化控制下执行某 种特定操作和移动作业任务的机械装置。 ”日本工业机器人协会对工业机器人的定义: “一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用 机器。 ”它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一种能执行与人的上肢类 似动作的多功能机器。 ”(2

3、)智能机器人:“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自 身行为的机器。 ” 机械手由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如下图所示。 2 1.1.21.1.2 机械手的类型机械手的类型 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立 的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工 作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元 机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通 过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、 火星等。第三类是专用机械手，主要附属于

4、自动机床或自动线上，用于解决机床上 下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand” ，它是为主机服务的， 由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 3 第二章第二章 机械手总体方案的设计机械手总体方案的设计 2.2.1 1 机械手的基本结构机械手的基本结构 机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作 台。有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。简易机械 手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定 位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升 降加平面

5、转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制， 电磁阀由单片机控制驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 图 2-1 为机械手简图,其中 SQ1-上限开关， SQ2-左限， SQ3-下限开关， SQ4-光电开关， SQ5-夹紧，SQ6-右限。 图 2-1 机械手简图 4 这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度用于将源工作台上的物品 搬到其左侧或右侧目的工作台上。机械手的直线动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控 制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左传/右转、夹紧/放松功能，是目前较 为简单的、应用比较广泛的一种机械手。其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、

6、滑 动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为 0100mm、 转动是通过旋转气缸实现、转动工作行程为 090；手爪是通过气缸、弹簧的作用 来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩调整。 机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。 采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。主机部分采用了标准型材辅以模块化的 装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。 图 2-1 中工件所处位置为原点位置，根据要求：机械手初始位置在原点位置， 每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、 放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下 启动按钮，系统启动，左传送带运转。当光电开关检测到物品后，左传送带停止运 行。根据分析可得出机械手的工作流程图，如图 2-2 所示。 图 2-2 机械手工作流程图 根据以上分析，机械构造方案基本固定。整个机械手一共用到三个气缸，单片 机需要控制每个气缸的动作：横梁长气缸的内外调，执行气爪的夹持与放松、竖导 杆气缸的升降、各气缸的定位控制和旋