AbstractThemanipulatortechnologyinvolvestotheelectron,mechanics,theautomaticcontroltechnology,thesensortechnologyandthecomputertechnologyandsoonscientificfield,isaninterdisciplinarycomprehensivetechnology.Alongwiththeindustrialautomationneedtodevelop,themanipulatorisgettingmoreandmoreimportantintheindustrialapplication.Thearticlemainlynarratedmanipulator'sdesignprocess,inthearticleintroducedmanipulator'sdesigntheoryandthemethod.Thisdesigntakeat89C51monolithicintegratedcircuitasacore,usestheLMD18200motorcontrolchiptoachievethecontroldirectcurrentmachinetoopenstops,thespeedandthedirection,completedhasscreenedthemanipulatoressentialrequirementsandthedisplaypartrequest.Inscreensthemanipulatortodesign,usedthePWMtechnologytocarryonthecontroltotheelectricalmachinery,throughthecomputationachievedtheprecisevelocitymodulationtothedutyfactorthegoal【Keywords】Screeningmanipulator,AT89C51monolithicintegratedcircuit,LMD18200motorcontrolchip,PWMtechnology,motorcontrol.摘要機械手技術涉及到電子、機械學、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。隨著工業自動化發展的需要，機械手在工業應用中越來越重要。文章主要敘述了機械手的設計過程 ，文章中介紹了機械手的設計理論與方法。本設計以AT89C51單片機為核心，采用 LMD18200電機控制芯片達到控制直流電機的啟停、速度和方向，完成了篩選機械手基本要求和發揮部分的要求。在篩選機械手設計中，采用了 PWM技術對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調速的目的。【關鍵詞】：篩選機械手，AT89C51單片機，LMD18200電機控制芯片，PWM技術，電機控制。前言機械手概述機械化、自動化已成在現代工業中突出的主題。化工等連續性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的，機器人的出現并得到應用，為這些作業的機械化奠定了良好的基礎。機械手，多數是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業機械手或通用機械手）。機械手是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機械手具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優勢，但功能較少，適應性較差。目前

我國常把具有上述特點的機械手稱為專用機械手，而把工業機械手稱為通用機械手。簡而言之，機械手就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機Manipulator）。工業中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業機械手，主要附屬于自動機床或自動生產線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這□□□□□□□□□□□□□MechanicalHand”,□□□□□□□□,□□□驅動。除少數外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□——□□□□；□□□□□□□□□□□□□□；□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□系統這三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1機械手的一般組成對于現代智能機械手而言，還具有智能系統，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機械手“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機械手的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機械手的。要實現機械手所期望實現的功能，機械手的各部分之間必然還存在著相互關聯、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖 1-2所示。機械手的機械系統主要由執行機構和驅動－傳動系統組成。執行機構是機械手賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節組成，由驅動－傳動系統提供動力，按控制系統的要求完成工作任務。驅動－傳動系統主要包括驅動機構和傳動系統。驅動機構提供機械手各關節所需要的動力，傳動系統則將驅動力轉換為滿足機械手各關節力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機械手分為機械系統、驅動系統和控制系統三大部分。其中的機械系統又叫操作機(Manipulator,相當于本文中的執行機構部分。2總體方案設計設計要求生產線上有紅黑兩種直徑為 2cm厚1cm的圓鐵片，設計一種機械手，該手能自動機械手的機械系統主要由執行機構和驅動－傳動系統組成。執行機構是機械手賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節組成，由驅動－傳動系統提供動力，按控制系統的要求完成工作任務。驅動－傳動系統主要包括驅動機構和傳動

系統。驅動機構提供機械手各關節所需要的動力，傳動系統則將驅動力轉換為滿足機械手各關節力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機械手分為機械系統、驅動系統和控制系統三大部分。其中的機械系統又叫操作機(Manipulator,相當于本文中的執行機構部分。2總體方案設計設計要求生產線上有紅黑兩種直徑為 2cm厚1cm的圓鐵片，設計一種機械手，該手能/下行、左行 /下行、左行 /右行、放松 /夾緊幾個運行方式。并要求機械手有判別鐵片顏色的功能，且能準確把握鐵片位置、重量、形狀等因素。該手運行路徑合理，接近指定位置時能夠減速運行。整個過程無人工操作，系統通過傳感裝置檢測工件，工作結束后能自動停止。基本設計思路總體設計框圖如下：圖2-1總體設計框圖如下：圖2-1總體設計框圖CPUCPU部分有兩種選擇:單片機控制和PLC控制。傳動機構傳動機構種類繁多，常見的有齒輪傳動、齒條傳動、絲桿傳動、鏈條傳動。由于一般的電機驅動系統輸出的力矩較小，需要通過傳動機構來增加力矩，提高帶負載能力。對機械手的傳動機構的一般要求有：（1）結構緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕；（2）傳動剛度大，即由驅動器的輸出軸到連桿關節的轉軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動；（3）回差要小，即由正轉到反轉時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度；（4）壽命長、價格低。機械手1.機械手的組成機械手一般由執行機構、控制系統、驅動系統三個部分組成。（1）執行機構手腕 手腕是聯接手臂與末端執行器的部件，用以調整末端執行器的方位和姿態。手臂 手臂是支承手腕和末端執行器的部件。它由動力關節和連桿組成，用來改變末端執行器的位置。機座 機座是機械手的基礎部件，并承受相應的載荷，機座分為固定式和移動式兩類。（2）控制系統控制系統用來控制機械手按規定要求動作，可分為開環控制系統和閉環控制系統。大多數工業機械手采用計算機控制，這類控制系統分為決策級，策略級和執行級三級：決策級的功能是識別環境、建立模型、將工作任務分解為基本動作序列；策略級將基本動作變為關節坐標協調變化的規律，分配給各關節的伺服系統；執行級給出各關節伺服系統的具體指令。（3）驅動系統驅動系統是按照控制系統發出的指令將信號放大，驅動執行機構運動的傳動裝置。常用的由電氣、液壓、氣動和機械等四種驅動方式。除此之外，機械手可以配置多種傳感器（如位置、力，觸覺，視覺等傳感器），用以檢測其運動位置和工作狀態。2.機械手的分類機械手按坐標形式、控制方式、驅動方式和信號輸入方式四種分類方法。（1）按坐標形式分坐標形式是指執行機構的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。直角坐標式 直角坐標機械手的末端執行器在空間位置的改變式通過三個互相垂直的軸線移動來實現的，即沿 X軸的縱向移動、沿 Y軸的橫向移動及沿 Z軸的升降。這種機械手位置精度最高，控制無耦合，比較簡單，避障性好，但結構較龐大，動作范圍小，靈活性差。圓柱坐標式 圓柱坐標機械手是通過兩個移動和一個轉動來實現末端執行器空間位置的改變，其手臂的運動由在垂直立柱的平面伸縮和沿立柱升降兩個直線運動及手臂繞立柱轉動復合而成。這種機械手位置精度較高，控制簡單，避障性好，但結構也較龐大。極坐標式 極坐標機械手的運動式由一個直線運動和兩個轉動組成，即沿手臂方向 X的伸縮，繞 Y軸的俯仰和繞 Z軸的回轉。這種機械手占地面積小，結構緊湊，位置精度尚可，但避障性差，有平衡問題。4關節坐標式關節坐標機械手主要是由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞Z軸旋轉，形成腰關節，立柱和大臂形成肩關節，大臂和小臂形成肘關節，大臂和小臂作俯仰運動。這種機械手工作范圍大，動作靈活，避障性好，但位置精度低，有平衡問題，控制耦合比較復雜，目前應用越來越多。（2）按控制方式分點位控制采用點位控制的機械手，其運動為空間點到點之間的直線運動，不涉及兩點之間的移動軌跡，只在目標點處控制機械手末端執行器的位置和姿態。這種控制方式簡單，適用于上下料、點焊等作業。連續軌跡控制采用連續軌跡控制的機械手，其運動軌跡可以是空間的任意連續曲線。機器人在空間的整個運動過程都要控制，末端執行器在空間任何位置都可以控制姿態。（3）按驅動方式分電力驅動電力驅動式目前采用最多的一種。早期多采用步進電機驅動，后來發展了直流伺服電動機，現在交流伺服電動機的應用也得到了迅速發展。這類驅動單元可以直接驅動機構運動，也可以通過諧波減速器裝置減速后驅動機構運動，結構簡單緊湊。液壓驅動液壓驅動的機械手具有很大的抓起能力，可抓取質量達上百公斤的物體，油壓可達7MPa,液壓傳動平穩，動作靈敏，但對密封性要求較高，不宜在高溫或低溫現場工作，需配備一套液壓系統。氣壓驅動氣壓驅動的機械手結構簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮性，導致工作速度穩定性差，氣源壓力一般為0.7MPa，因此抓取力小，只能抓取重量為幾公斤到十幾公斤的物體。（4）按信號輸入方式分人操作機械手是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的機械手。固定程序操作機械手按預先規定的順序、條件和位置，逐步地重復執行給定的作業任務的機械手。可變程序操作機械手它與固定程序機械手基本相同，但其工作次序等信息易于修改。程序控制機械手它的作業指令是由計算機程序向機械手提供的，其控制方式與數控機床一樣。示教再現機械手這類機械手能夠按照記憶裝置存儲的信息來復現由人示教的動作，其示教動作可自動地重復執行。智能機械手采用傳感器來感知工作環境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應的工作任務。抓取機構抓取機構是機械手執行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。抓取機構可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。機械手的驅動方式該機械手一共具有三個獨立的運動關節，連同末端機械手的運動，一共需要三個動力源。機械手常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。

這三種方法各有所長，各種驅動方式的特點見表：虎小川 "馬中西 'limnUi口！k.'I-UR四4?HiJUKMAMJ.XMl|401'..■IHiifiil'ji-M,人MftJ.njAH，ir.-1-hi14卡?氣悼片喈FlJU附MM朝點落,>i4L1中th愛制牯底校igJL &用制n用m**出舊*A.蛤t率N4M4ituUki'iir^qAs,E上情白小?賴以%*啟益，tin口精電的連地&亦恰-??川力?4卜1席帕/H航看網制Mr川中外『M，府w&f?制Mfi世UG用叫電用mn—玷由M般:盤+自構序,.ftTiR靖梅電力?ft（jR軒修電H機1T標事他學IHM+商1匕ffiV相叫血心由用牝rHl4ftMU.電it.ntnAitw①u<Ann：H★瓜,旭國凱的工咻44?iptk咻斗明怪?比商耳城國鵬■上除剛砧kfl城律If,叫wwnnt-w，i'4iT巾備nq七以訃Hi-）,安全和扈Hi修也此題介iiNnkF^Ho小L*t虻址Rhri浦f|明電N）,也盤上#下FM時時住直血占橘料帔軻Hfi火11,h,火'尤弗-通的1AH和樣斗電的髀爆和胱仙時跖腫觸■值升i企埒聒a成.FIH時懺啤小用MW電燈片電A；1#KM州R］興疆，itLJ.AHtF'l'4-fett*靖用『中小色猩ra不中W川范+，機電獻司9J后劭.貝東獨也小（Hi般桶的位置控M統通用子他第MM的"用在值得3匕?帝應他*拄帛附F.山許機俄「和HM平t也沖味解逑理粒鼻的機械花后機或手WLMF小降的氣5F.小即同情嘀聲機平渤地找配機修干修手.AIYMMF.H4AI1儡擲山情手,將/帆成本植加元FI曜木掂商時總帆成立蜀*佳.莫他出岑林.他鬲的幽與建里封患以沿吁h定魯就方便較復雜表2-1三種驅動方式的特點對照機械手驅動系統各有其優缺點，通常對機械手的驅動系統的要求有：驅動系統的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高；反應速度要快，即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉切換；驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小；安全可靠；操作和維護方便；對環境無污染，噪聲要小；經濟上合理。2.2.6設計方案的定型.CPU的選擇由于單片機體積小，價格便宜且具有高穩定性和很強的抗干擾能力，因此本設計中用單片機取代 PLC控制。2.機械手坐標形式的選擇由于本設計中精度要求較高，首先排除了極坐標式和關節坐標式，而且它們還存在平衡問題，直角坐標式靈活性差，不利于提高工作效率。因此為了使其工作方式更加簡單直觀，機械手坐標類型選擇為圓柱坐標機械手。3.傳動機構的選擇本設計要求傳動方式為電機的轉動帶動機械手臂的上下、左右移動，即圓周運動轉換為直線運動，首先排除了帶傳動。與此同時，由于設計精度要求較高，所以鏈條傳動也不作考慮。剩下絲桿傳動和齒輪傳動，從零件的加工方面考慮，最終確定了加工較為簡單的齒輪傳動。.抓取機構的選擇□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ 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，因此選擇了電磁閥作為抓取機構。通過電磁閥的通斷來控制工件的抓取和放下，操作方便。.驅動方式的選擇在選擇驅動方式階段，我首先考慮的是液壓、氣壓傳動，但方案存在一定缺

陷。其中，液壓裝置體積太過龐大，需要專門配置一套液壓系統，且對密封性要求高，不宜在高溫、低溫下工作。而氣壓傳動由于空氣的可壓縮性導致工作速度、穩定性較差，且有一定噪音。電機選擇相對較為簡單，由于步進電機有步距角誤差，機械手在齒輪傳動和擺動時會進一步放大該誤差，因此選擇伺服電機驅動。3硬件結構設計3.1機械手尺寸的確定由于本次設計對工作場地要求并沒有明確的限制，因此機械手的尺寸也就沒280mm，小臂有效距離長為 170mm,機械手 3D圖如下：280mm，小臂有效距離長為 170mm,機械手 3D圖如下：圖3-1機械手3.2傳動部分設計3D圖機械手是有三臺伺服電機驅動：電機 M1控制大臂在 Z軸旋轉擺動，電機M2控制小臂在 Z軸的旋轉擺動，電機 C控制末端執行器在 Z軸的上下移動。為了設計的方便，控制方式采用點位控制。通過分別控制三臺電機的正反轉來確定末端執行器在空間上的具體位置。由于三臺電機不是同時控制，因此不存在相互間的干擾，從而增強了整個系統的穩定性。2）□□□□□□：□□□□□□□□□ M1,□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□；□□□□□□□□□ M2,□□□□□□□□□□□□□□□；□□□□□□□□□□□□□ M3,□□□□□□□□□□動控制末端執行器的上下移動。伺服電機一個伺服電機內部包括了一個小型直流馬達；一組變速齒輪組；一個反饋可調電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉動的直流馬達提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉動的速度也愈低圖3-2伺服電機圖（4）微行伺服馬達的工作原理一個微型伺服馬達是一個典型閉環反饋系統，其原理可由下圖表示：圖3-3伺服電機原理圖減速齒輪組由馬達驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉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比較，產生糾正脈沖，并驅動馬達正向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服馬達精確定位的目的。（5）伺服馬達的控制標準的微型伺服馬達有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內部的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V—6V之間，該電源應盡可能與處理系統的電源隔離（因為伺服馬達會產生噪音）。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統的電源供應的比例必須合理。輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms—2ms之間，而低電平時間應在5ms到20ms之間，并不很嚴格，下表表示出一個典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達的輸出臂位置的關系：（6）選用的伺服馬達我選用的伺服馬達為TowPro的，型號為SG303。其主要技術參數如下：轉速：0.23秒／60度。力矩：3.2kgum。尺寸：40.4mmx19.8mmx36mm。重量：0.6kg。12V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換成電信號的一種裝置。前者成為碼盤，后者稱碼尺．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，一電刷接觸導電區或絕緣區來表示代碼的狀態是

□□□□□□□□;□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□a按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□,□□□□□□□□□□,□□□□□□,□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□,□□,□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□有每次操作先找參考點，開機找零等方法。□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□,□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□:□□□□□□□□□□,□□□□□□□□,□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□ 90□□□□□ A、B□□□□□□□□□□□□□□□□□□（8）絲桿及螺母副（1.□□□□□□□□□ d,□□□,□□□□□□□,□□□ P,□□□□紋中徑d2,螺紋口角P,求出螺紋導程S。可用下式進行計算此公式也用來計算齒輪等圓形零件的轉動慣量i 由電機軸到絲杠一級齒輪減速器的傳動比，HI舊島佗田井地惆。/ 功的知Ullf也■電機蝴I：一用時41鐘崗kl/一必見11d的曲坨中再㈣：U'IIIIII:,I-，■:科邛」打，. UJ"r3fE;a;"Mif*jt中 口 修叼的組UliftJ!!。卜必￡/ )比卜IWI的k小3二， 依山了”.I小：UUiltiH1，扎搐"H公什的用甘>W ,F冉- (3:1從中 F 血悔小W叫 卸IUJL*I>.wv:J?.My片用fflJL附就畀的FrJJtC值QZHk工也inqqCbr3u5IMn.口眼iMhbk,[Fr]uu仔二，RM3D》-加10田2￡1的一信Kin-JJHll?ilNk 里Ig州主;1■山聘噂巾*的加口在屯竹生岫乩料初*小電機舊?上箕41機期.科加，步地區冊I限端傳I國Jt4￡M，也峭H1的界地卡卡眄才內布代他已界岫唱中酎，*i」一4i4.1/L*.__』島.店 6.?[BI.「1. .:1陽，止中 人一IT臂楙MT*博怡可猛削^^信用典 。竹粕據祖的岫亂“卜的骷口侑界』七中Ji——既世粒用&|1IffJjjJiffJKJj57l,iJ- 心.』mh什的曲it府km.歸上心-*'，IjwZ?ppiib-rjjVIl **—叱汕國h?，，如仃附法a小 他Im小￥.r力1升叫 出??.的齒帕注中-小中小m%mN.叫我地的融動口廣的i?中耳u.,?i＜晌w止川H-1,tr；nr-,:一MH；曲片制-qliMWtlr,亡L上乩%j,f-肛…:]&IIL如她*中曲總機*看I?UF（許地明網4柏（10）滾動軸承滾動軸承的類型、尺寸和公差等級均已制定有國家標準，在機械設計中只需根據工作條件選擇合適的軸承類型，尺寸和公差等級等，并進行軸承的組合結構設計。按滾動軸承承受載荷的作用方向，常用軸承可分為三類，即徑向接觸軸承、向心角接觸球軸承和軸向接觸軸承。在機械手的設計中，通常使用角接觸球軸承、圓錐滾子軸承或深溝球軸承和推力球軸承的組合件。選擇軸承要根據它所支承的軸的粗度（一般軸徑的設計要先由計算的強度來確定基本尺寸，再根據 GB/T2822-81來選取標準尺寸，也可以根據標準件如軸承等決定）來決定的，選定軸承后，還要進行軸承的壽命計算，可以根據下面的經驗公式來計算。

“命中歌，j仙日葉.『產-；i..1門上右m，ki.%?kl 卜k,l-'JVi-c.%ni亡ni?而hi.,.t.-,1-./：1匕二也匕愉地襦而出向率A-V訃卜|死白，.酊，0K在十Elte帆*Efl中『1修』，.'生MMKQK也庠咽，2口|Atk軸承的壽命：就詞件比暴就?#n?機械書伸中槍迅口開山電動機-克MUjfcW1,'fr-1-4*肘1”由前壇卦1H'i.*電機-陰刖t，-嚷機，基不Ly—L5后地E卜■厚抑可科F■氣坤h迫TIRil.K*.* 度比?耳機?惘片.如出》4部而」打上制的電機迨If力俾,1.■ ，，LS^jinin.-'■*=. ■???ami.t-..，,H.ftFjHtHfrt4Ji門L式豆精「Wl|Fh白MI7,EN.HM^ji'hli拈?WML1tM，串曲It.1網W*用二3的沏?分社計it*用113.6；U.Wrp.A--"v u.,,,.r.'Pl^U^ID^r ； ?”」*，，河11歸*^我命“的lllU忖/#電電機可dI，I^lLfIU.'.iii'J.AllirCEJB皿“恤0(114,l0.￡：J|itL*Jj|iLin6ift.Uk'■時聃懦（1如■時時材hM同壇齡■叫占收種Uftliw層鼾較值電風慵IH#*AM-Mj*咯■＜1.#?]Bsw.?^寓奸mHIHM野加岫聃HUHWH中帆iHWHIM“HI”川舉4球軻13）代輕攝動，典《機械改計IniLQrRHU吊坨如"iipirnn\is刖AttI工小hJ齒-n,-J-/.--!1L-H：；「l”r■■=弟:#3FmM由輪I航的43湘43湘逋過.比我;I13用半山機值出材3慍年:」用半山機值出材3慍年:」 i_4巴i_*4『小*個用為［他式中，式中，與熊的懷3GB世尺月地“口小%-DJ噸J,--m.f,1-O.nat；4FJkientJJF工 -%當包H-手/ I|.|ili--IirjiU：＞：I1'.-..-^--?l Qghin蜘H，/J/.I..m劃，時M電ML的覲pdtU、r-仙』卜工一:cimxw4軟件電路部分設計4.1單片機的選擇單片機的概念單片機是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機。通常/計數器、中斷控制系□□□□□□CPU、ROM、RAM、并行I/O□□□□□□□□統、系統時鐘及系統總線等。/計數器、中斷控制系單片機特點優異的性能價格比。高、體積小、可靠性高。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了計算機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環境下工作。控制功能強。為了滿足工業控制的要求，一般單片機的指令系統種均有極豐富的轉移指令、 I/O口的邏輯操作及位處理功能，單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品。單片機的系統擴展和系統配置叫典型、規范，容易構成各種規模的應用系統。單片機硬件結構89C52系列單片機基本配置如下：a微處理器該單片機中有一個 8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數據，還可以進行位變量的處理。b數據存儲器64k字節，用來存儲程序在運行期間的工片內為12864k字節，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數據暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數據存儲器。c程序存儲器由于受集成度限制，片內只讀存儲器一般容量較小，如果片內的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至 64k字節。d中斷系統具有5個中斷源，2級中斷優先權。e定時器/計數器片內有2個16位的定時器/計數器，具有四種工作方式。f串行口個全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構成多機系統，從而使單片機的功能更強且應用更廣。gP1口、P2口、P3口、P4口為4個并行8位I/O口。h特殊功能寄存器共有21個，用于對片內的個功能的部件進行管理、控制、監視。實際上是一些控制寄存器和狀態寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM區。引腳及其功能a電源及時鐘引腳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：單片機上電復位端。ALE：當訪問外部存儲器時， ALE□□□□□□□□□□□□□,□□鎖存出現在P0口的低8位地址。PSEN：為片外程序存儲器讀選通信號輸出端。EA：為訪問外部程序存儲器控制信號，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,計數器 0外部輸入；P3.5：T1,計數器 1外部輸入；P3.6：WR，外部數據存儲器寫選通；P3.7：RD,外部數據存儲器讀選通。

1PIO PODP1L POLP12 P02P13 Pn>PJ4 PO4P15 PQ5Plfi POfiH17 PO7INTI P2DINTO P2L總已T1 P33TC P24_ P25而VP P26P27xi vssa- VUGRE^ET 電9_ TXDRD ALEJPWR PSEM39238337436535C3473332212223242531215271923皿IS41910上IL3DO394-1ATS9C5L89c51引腳圖4.2驅動芯片的選擇在微機控制系統中，還要處理另一類數字量，即開關信號、脈沖信號。它們是以二進制的邏輯“ 1”和“ 0”，即電平的高和低出現的。如開關觸電的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器和接觸器的吸合和釋放，馬達的啟動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關閉等，我們稱為開關量。開關量所控制的執行器所要求的控制電壓一般都比較高，電流一般都較大，有的是直流驅動，有的是交流驅動，必須根據具體對象采用適當的接口。開關量的輸出接口實質上是利用計算機做“弱電”控制“強電”。它需要解決兩個重要問題：隔離和驅動。用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等時，不能用單片機的I/O線來直接驅動。P0、P1、P2、P3四個口口的驅動能力是不夠的，必須通過各種驅動電路的開關電路來提高驅動LMD18200口的驅動能力是不夠的，必須通過各種驅動電路的開關電路來提高驅動LMD18200原理及應用2mA都可以做輸出口，但其驅動能力不同。□□,□□□ 400mA的電流;當其輸出低電平口的灌電流，如低電平允許提高，灌電流會相應加大。能驅動四個LSTTL,即可提供的電流只有得比高電平輸出更大的驅動能力。目前，一些有所提高，如 89C2051，一些引腳可提供片機I/O能力。電機驅動芯片

P0口的驅動能力較大，當其輸出高電0.45V■，則可提供 3.P1、P2、P3口的每一位只P0口的一半。所以，用低電平輸出可獲MCS-51系列單片機的引腳驅動能力20mA的灌入電流。但大多數場合，單（NS□□□□□□□□□□□□□□ H橋組件。（NS□□□□□□□□□□□□□□ H橋組件。DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電LMD18200廣泛應用于打印機、LMD18200芯片的結構、原理及其典型應3A；switch；170℃時，芯片關斷；LMD18200是美國國家半導體公司同一芯片上集成有 CMOS控制電路和機和增量型編碼器構成一個完整的運動控制系統。機器人和各種自動化控制領域。下面介紹用。（1）主要性能□□□□□□□□ 6A,連續輸出電流達工作電壓高達 55V；LowRDS（ONtypically0.3WperTTL/CMOS兼容電平的輸入；無“shoot-through”電流；具有溫度報警和過熱與短路保護功能；芯片結溫達 145℃，結溫達具有良好的抗干擾性。典型應用l驅動直流電機、步機電機l伺服機構系統位置與轉速l應用于機器人控制系統l應用于數字控制系統l應用于電腦打印機與繪圖儀內部結構和引腳說明LMD18200外形結構如圖1所示，內部電路框圖 2如圖所示。它有11個引腳,采用TO-220和雙列直插式封裝。各引腳的功能如下打虹和加修工IL>w?.2W力用m心片」*巾Hu*1」之舊%笫蛻翼p.iK'j：lN>nM?兒上卻附拒幫，U!出T『■?晤可輪甲■fl?■電?史中|金?M嚙事取利！*田?R離嘲催*?周阜愀N而仃H4AMUfKHVVUh,崔川山電??指激河蝴?111壯雹叫■.加?牙力EjIlTi用士（1加工時?2H小附%ILlbl^lFEIHflfl*LMD18200工作原理：內部集成了四個DMOS管，組成一個標準的 H型驅動橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個開關管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個 300kHz左右的工作頻率。可在引腳1、11外接電容形成第二個充電泵電路，外接電容越大，向開關管柵極2、2、10接直流電機電樞，正轉時電流的方向應該從引腳步到引腳 10；反轉時電流的方向應該從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳 8可以接一個對地電阻，通過電阻□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ 10A,當超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性的自動恢復輸出。如果過電流持續時間較長，過熱保護將關閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳 9輸出，當結溫達到 145度時引腳9有輸出信號。4、典型應用LMD18200典型應用電路如圖3所示。圖LMD18200典型應用電路如圖3所示。圖1采用即眨加口單極捌B助電動機的實際夜用電珞LMD18200提供雙極性驅動方式和單極性驅動方式。雙極性驅動是指在一個 PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性可逆系統雖然有低速運行平穩性的優點，但也存在著電流波動大，功率損耗較大的缺點，尤其是必須增加死區來避免開關管直通的危險，限制了開關頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機的□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ PWM周期內電動機電樞只承受單極性的電壓。該應用電路是Motorola68332CPU與LMD18200接口例子，它們組成了一個單極性驅動直流電機的閉環控制電路。在這個電路中， PWM控制信號是通過引腳 5輸入的，而轉向信號則通過引腳 3輸入。根據PWM控制信號的占空比來決定直流電機的轉速和轉向。采用一個增量型光電編碼器來反饋電動機的實際位置，輸出 AB兩相，檢測電機轉速和位置，形成閉環位置反饋，從而達到精確控制電機。方冏5V 1DIHtnr3) 點轉n I5inrnnr-?ji_rjLnr5inrnnr-?ji_rjLnr電機固度;mv<suwnsiffiJURCVWtMlHLWSFBW

0UVU11mOflFUT￡jujLnrITLITULSL5VKIHJMFASTMMfiCCWPDHROWSFtW

DVWUV2TOKHJWn14.3傳感器的確定顏色傳感器， 通過一種特殊的三色方式發揮作用。傳感器把光（紅、藍、綠）投射到將被檢測的物體上，計算來自反射輻射的色度坐標，并與之前存儲的三色值進行比較。當三色值在設定的允許偏差范圍內，就會產生一個交換輸出。傳感器使用白熾燈做光源，使用光電池接收器，直到后來發明了高效的可見光口口口。現在，多數的色標傳感器都是使用經調制的各種顏色的可見光口口□發射器。經調制的傳感器往往犧牲了響應速度以獲取更長的檢測距離，這是因為檢測距離是一個非常重要的參數。未經調制的傳感器可以用來檢測小的物體或動作非常快的物體，這些場合要求的響應速度都非常快。但是，現在高速的調制傳感器也可以提供非常快的響應速度，能滿足大多數的檢測應用。圖4-2CSS—RE—（M18顏色識別傳感器）顏色值或顏色模擬量輸出0-10V最大顏色選擇度導向光束（紅色）□□□□,□□□： 100ps自檢功能獨立放大器，1種顏色自學功能物體尺寸>5mm信號強度0-10V距離：5-200mm白色光源達到32色自學功能的 FSK存儲卡任選附件防護等級IP65光源，自適應顏色傳感器和放大器4.5接口電路.串行通信的基本原理計算機的數據傳送有并行和串行兩種方式。并行數據傳送的特點是：各數據同時傳送，傳送速度快，效率高。但并行數據傳送有多少數據位就需要多少根數據線，因此傳送成本高。并行數據傳送的距離通常小于 30米，計算機內部的數據傳送通常都是并行的；串行數據傳送的特點是：數據傳送按位順序進行，最少只需一根線即可完成，成本低但速度慢。計算機與外界的數據傳送大多是串行的，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。單片機中使用的串行通信通常都是異步方式的。（1）串行通信的數據傳送格式異步串行通信以字符為單位，即一個一個字符地傳送。其字符格式通常表示如下：它用一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結束構成一幀。異步通信的特點是每次只傳送一個字符，每個字符由起始位（規定為低電平）、數據位、奇偶校驗位、停止位（規定為高電平 1~2位）組成。由于單片機的停止位規定為1位，為了與單片機相匹配， PC機的一幀數據的停止位我們采用 1位。（2）串行通信的收發過程發送方發送數據時，通過發送低電平起始位開始一個字符的傳送，起始位之后便按特定的速率發送數據位（包括奇偶校驗位），當最后一位數（對于采用奇偶個高電平停止位用以標志一個字符傳送結束，這樣就完成了一幀數據發送。如果不再發送新數據或數據尚未準備好，就將傳輸線鉗在高電平狀態。接收方不斷檢測傳輸線的電平狀態，當發現傳輸線由高電平變為低電平時（起始位標志位），即認為有數據傳入，進入接收狀態，然后以相同的速率檢測傳輸線的電平狀態，接收隨后送來的數據位，奇偶校驗位和停止位。可見在異步通信方式中，發送方是靠控制傳輸線的電平狀態來完成數據的發送。接收方通過不斷檢測數據線的狀態來完成數據的接收，只要發送率和接收檢測速率相同，即能準確接收和發送數據。發送與接收設備可以使用各自的時鐘源完成數據的發送與接收，無需使用相同的時鐘信號。（3）串行通信的傳送速率傳送速率用于說明數據傳送的快慢。在串行通信中，數據是按位進行傳送的，因此傳送速率用每秒鐘傳送二進制數碼的位數來表示，稱之為波特率。在串行通信中常用波特率來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□□□□□ 110口口口口 KHZ。在選擇通信的波特率時，不要盲目追高，要以滿足數據傳輸要求為原則。因為波特率越高，對發送和接收時鐘信號頻率的一致性要求就越高。（4）串行通信的電平轉換PC機與單片機是通過串行口進行通信的。由于單片機的輸入、輸出是 TTL電平（+5V表示邏輯 1，電平低于 2V便不能被識別為邏輯 1；0V表示邏輯0），TTL電平一般不能用于遠距離傳輸，因為傳輸過程中電平的衰減會使傳輸數據不準確。而PC機配置的是 RS—232串行接口，因此，單片機與 PC機之間進行通信時，要□□□□□□,□□□ TTL□□□□□RS-232□□□ -5VD-15V表示邏輯1，+5V1+15V表示邏輯0）,在傳輸線上傳送的 RS-232□□□□□ 12V,比TTL電平有更強的抗衰減能力及抗干擾能力，可用于遠距離傳輸。常用的電平轉換芯片為MAX2232,此芯片能實現以上兩種電平的相互轉換。另外，信號傳輸的介質最好使用雙絞線，有利于抑制外界共模信號的干擾。.單片機與PC機串行通信實現手段由于PC機中集成了串行異步通信的可編程芯片 8250，我們可以通過 PC機的串行通信口COM1或COM2對它進行控制，因而不需要再單獨做實驗板。我們可以把單片機的內部電平轉換接口與 PC機的串行通信口 COM1或COM2通過串行連接線連接起來，然后用軟件對它們進行初始化，使它們運行各自的接收或發送程序。

PCPC機的程序可以用匯編

控制電路與計算機通訊機和單片在具體編程的時候，我們可以實現很多的功能。例如，我們可以從機中讀其 PCPC機的程序可以用匯編

控制電路與計算機通訊機和單片在具體編程的時候，我們可以實現很多的功能。例如，我們可以從機中讀其 RAM或ROM的內容，對它們進行在線修改。程序MASM6.0、VB、C++Bilder或VC++進行編寫。能夠在計算機上作監控界面，使機械手控制更加人性化。圖4-3串行通訊電路（1）系統控制電路圖如下：圖系統控制電路圖4-4（1）系統控制電路圖如下：圖系統控制電路圖電路圖說明：PC機通過電頻轉換器將程序傳送至單片機，單片機通過驅動芯片控制步進電機正反轉，使傳感器到達指定位置。傳感器檢測工件顏色，并發射相應信號給單片機（紅色，進行下一步；黑色，停止、延

時；無反射，程序結束）。單片機通過已設定的程序完成相應步驟。單片機電路看門狗復位電路復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和按鈕復位。本電路中采用的是上電復位，其工作原理為：上電瞬間， RC電路充電，RST引腳端出現正脈沖，只要RST端保持兩個時鐘周期以上的高電平，就能使單片機有效的復位。看門狗又叫watchdogtimer,是一個定時器電路 ,一般有一個輸入,叫喂狗,一個輸出到MCU的RST端，MCU正常工作的時候 ，每隔一端時間輸出一個信號到喂狗端,給WDT清零,如果超過規定的時間不喂狗 ,（一般在程序跑飛時，WDT定時超過，就回給出一個復位信號到 MCU,是MCU復位.防止MCU死機.看門狗的作用就是防止程序發生死循環，或者說程序跑飛。工作原理：在系統運行以后也就啟動了看門狗的計數器，看門狗就開始自動計數，如果到了一定的時間還不去清看門狗，那么看門狗計數器就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統復位。所以在使用有看門狗的芯片時要注意清看門狗。硬件看門狗是利用了一個定時器，來監控主程序的運行，也就是說在主程序的運行過程中，我們要在定時時間到之前對定時器進行復位如果出現死循環，或者說 PC指針不能回來。那么定時時間到后就會使單片機復位。看門狗復位電路圖如下。4-5看門狗復位電路

4-5看門狗復位電路2晶振電路MCS-51系列單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳 XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器，就構成了內部振蕩電路，如下圖所示。圖中 C1、C2起穩定振蕩頻率、快速起口的作用，電容值一般為 5—30pF。晶口常選用頻率為 6MHz、12MHz或24MHz的，采用串口時常使用頻率為 11.0592MHz的晶振。內部振蕩方式所得到的時鐘信號比較穩定，應用較多。圖4-6圖4-6振蕩電路4.7程序流程框圖程序開始運行后，系統初始化，機械手回到原始位置。傳送帶將工件運送過來，到達指定位置后延時1s。這時，傳感器開始檢驗，向工件位置發射光線，通來，到達指定位置后延時過是否有收到反射光來判斷工件是否到達指定位置。如果有發射光，則運行下一步程序，開始搬運工件。如此循環，直到傳感器不再接受到反射光，則加工停止，程序結束。程序流程圖如下：5通過protel對程序的仿真5.1仿真圖如下KS5-1仿*RJ總結與體會通過本次畢業設計，我對以前所學的理論知識有了更進一步的了解，同時能更加合理的查閱及利用資料，為達到課題要求而對在大學期間所學習的課程進行了全面、綜合的鞏固和加深。這次畢業設計不同與以往任何一次課程設計，它耗時更長，獨立性更高，要求更加嚴格細致。它不僅要求我們能充分利用在校期間所學的課程的專業知識，同時也要求我們有良好的理解力、掌握力和實際運用的靈活度。在設計過程中給我印象最深的是作為一名設計人員，面對一項設計任務時，不僅要能夠熟練的運用相關專業知識，同時還要考慮到在實際應用中所面對的場地、環境、資金和實際加工等一系列問題。我考慮到采用液壓、氣壓傳動。但是，液壓、氣壓系統對環境要求高，且對密封性要求嚴格，同時要求配置液壓泵、氣壓泵等相關裝置。而氣體的可壓縮性導致了整個裝置的精度較低。于是改用伺服電機驅動。在確定了電機驅動后，相應的設計思路也逐漸清晰了。于是，我設計了一套驅動電路，本以為這樣電路設計主要部分就基本完成。但是，老師在審查后指出了電路的一些缺點，并提醒我可以通過相應的驅動芯片進行驅動。這套方案不但極大程度上簡化了整個電路部分，同時驅動能力還有了一定的提高。我選擇了這一課題來作為我的畢業設計不僅是對我四年知識的考察，也是對我應用這些能力的考察，我盡力使自己的設計減少錯誤，但是由于知識和能力的欠缺，這套設計依然不夠完善。在硬件設計部分由于設計之初忽略了實際裝配問題，導致電機安放位置不夠理想，但由于時間的緊迫，加上整套設計的基本定型而未能加以修正。通過本次設計我學到的不僅僅是對機械手這單一方面的了解，同時也讓我熟悉了關于設計的各個方面的流程，學會了吧自己在大學期間所學的知識運用到實際工作中的方法。從前總感覺學的許多科目沒有實際意義，到現在才覺得以前的專業知識不夠扎實，從而給自己的設計過程帶來了很大的麻煩。這次設計培養了我的綜合能力、自學能力，讓我在以后走上工作崗位能夠更快的適應。致謝詞本設計是在鄭亮老師的親切關懷和悉心指導下完成的。在此衷心感謝鄭亮老師三個多月來對我在學習上的指導和幫助。鄭亮老師淵博的知識、敏銳的洞察力、嚴謹求實的工作作風和治學精神都給我留下了深刻的印象，值此設計完成之際，謹向恩師致以衷心的感謝和崇高的敬意。在本次設計中，遇到問題時，指導老師有問必答，給我們耐心講解，悉心指導，同時也和我們一起討論，解決了很多實際問題。設計期間，陳廣發同學、付志鵬同學在學習上給了本人很多幫助，在此一并感謝。參考文獻[1]張建民 .機電一體化系統設計 .北京:北京理工大學出版社 ,1996:108-110[2]陳光東.單片微型計算機原理與接口技術 .武昌:華中理工大學出版社,1999:1

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