基于单片机的机械手运动控制设计毕业论文.doc
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1、编号: 毕业设计(论文)说明书 题 目:基于单片机的机械手运动控制设计学院: 机电工程学院 专 业: 机械电子工程 学生姓名: 学 号: 指导教师单位: 机电工程学院 姓 名: 职 称: 题目类型:理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2013年5月20日 摘 要机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。随着
2、工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要,机械手在工业应用中越来越重要。本设计以AT89C51单片机为核心,采用L298电机控制芯片达到控制直流电机的启停、速度和方向,完成了机械手基本要求和发挥部分的要求。在机械手设计中,采用了PWM技术对电机进行控制,通过对占空比的计算达到精确调速的目的。关键词
3、:机械手;AT89C51单片机;L298电机控制芯片;电机控制。Abstract A robot is developed in recent decades a high-tech automated production equipment. Industrial robots is an important branch of industrial robots. It features can be programmed to perform a variety of jobs expected in the structure and performance of the respe
4、ctive merits of both people and machines, particularly evident in human intelligence and adaptability. The accuracy of manipulators and the environments ability to complete the job in the field of the national economy has a broad space for development. Starting the robot structure is relatively simp
5、le, highly specific.With the development of industrial technology, made by program control can be achieved independent of repeated operations, and broad scope of the Program Control Universal Manipulator,referred universal manipulator.Because generic robot can quickly change the working procedures,
6、adaptability, so it is constantly changing variety of small batch production to obtain a wide range of references. Robotic technologies related to electronics, mechanics, automatic control technology, sensor technology and computer technology and other scientific fields, is a multidisciplinary integ
7、rated technology. With the needs of the development of industrial automation, robots and more important in industrial applications. The design AT89C51 microcontroller as the core, using L298 motor control chip to control the DC motor start and stop, speed and direction, completing the basic requirem
8、ents and Manipulator play a part requirements.In the Manipulator design, using a PWM motor control technology, through the calculation of the duty cycle to achieve accurate speed control purposes.Keywords:Manipulator;AT89C51 microcontroller;L298 motor control chip;Motor Control.目 录引言11 绪论31.1 机械手概述3
9、1.1.1机械手的当代应用41.1.2机械手工作方式41.1.3机械手的分类41.2 机械手的一般组成42 任务要求与总体设计方案62.1 设计任务与要求62.2 总体设计方案62.3 基本设计思路62.2.1 CPU62.2.2传动机构62.2.3机械手组成72.2.4抓取机构92.2.5机械手的驱动方式92.3 设计方案的总结112.3.1 CPU的选择112.3.2机械手坐标形式的选择112.3.3传动机构的选择112.3.4驱动方式的选择112.3.5电机类型的选择113 机械手结构设计133.1 机械手尺寸的确定133.2 传动部分设计133.3 机械手结构部分总结134 硬件电路部
10、分设计134.1 单片机的选择134.1.1单片机的简介144.1.2 89C51简介174.1.3 89C51系列单片机基本配置174.1.4 89C51单片机引脚及其功能184.1.5单片机的I/O口结构204.1.6 A/D转换204.2 驱动芯片的选择204.2.1驱动芯片概念204.2.2 L298的简介214.2.3 L298芯片引脚及其功能214.2.4 L298芯片原理224.3 直流电机224.3.1直流机简介224.4 主控电路的设计234.4.1晶振电路设计244.4.2复位电路的设计244.4.3时钟电路设计254.4.4复位电路设计254.4.5矩阵按键模块264.4
11、.6串口通信模块264.4.7开关量采集电路285 软件设计295.1 软件流程图295.2 主从机信息交换流程图305.3 软件抗于扰315.3.1输入输出的软件抗干扰315.3.2程序执行过程中的软件抗于扰325.3.3系统的恢复366 总结39谢 辞40参考文献41附 录42附录一 程序清单42附录二 原理图46附录三 PCB图47第 48 页 共 47页桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 引言 基于单片机控制的机械手,就其本质上来说,属于工业机器人的范畴,机器人工程师近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最
12、新研究成果,师当代科学技术发展最活跃的领域之一,也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平,师一个国家科技水平和经济实力的象征,正受到许多国家的广泛重视。 本毕业设计是基于单片机控制的机械手的设计,机械手各活动部件采用直流电机驱动,单片机发送的控制信号经过功率放大,转换后,控制直流电机转动与停止,各个电机的协调转动,完成机械手的升降,左右旋转,伸缩等功能。工业机械手可以代替人手的繁重劳动,显著减轻工人的劳动强度,提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁,单调的操作,如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的,有时候还要用行车员工件
13、,生产速度大大延缓,这种情况采用机械手是很有效的。此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性,有着广阔的发展前途。机械手是一种模仿人体上肢运动的机器,它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力,受到人们的广泛重视和欢迎。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种
14、环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械人的研制和生产已成为高技术邻域内,迅速发殿起来的一门新兴的技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用在机械工业中,应用机械手的意义可以概括如下: (一)以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工
15、件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度,从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 (二)以改善劳动条件,避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的,而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业,使劳动条件得以改善。在一些简单、重复,特别是较笨重的操作中,以机械手代替人进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。可以减轻人力,并便于有节奏的生产。综上所述,有效的应用机械手,是发展机械工业的必然趋势。1 绪论1.1 机械手概述随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人
16、所涵盖的内容越来越丰富,机器人的定义也不断充实和创新。美国机器人协会(RIA-Robot Institute of American):“一种用于搬运材料、部件、工具或其它特种装置的可重复编程的多功能的操作机。”日本工业机器人协会(JIRA-Japanese Industrial Robot Association):“一种带有存储器件和末端执行器的通用机械,它能够通过自动化的动作替代人类劳动。”1987年国际标准化组织对工业机器人进行了统一的定义:“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机。”我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器,所不同的是
17、这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在国外,机器人技术已经走在了前面,机器人的应用范围越来越广,使用的数量也越来越多。1968年,日本川崎重工引进美国UNIMATION公司的UNIMATE机器人制造技术,开始了日本机器人时代。1970年,在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议,此后,机器人的研究得到迅速广泛的普及。1979年UNIMATION公司推出了PUMA系列工业机器人。到1990年已有30万台的机器人在全世界使用,其中高性能的机器人所占比例不断增加,特别是各种装配机器人的产量增加较快,和机器人配套使用的
18、机器视觉技术和装备也得到迅速发展。进入20世纪90年代后,装配机器人及柔性装配技术进入了大发展时期。日本一直拥有全世界机器人总数的60%左右。到1998年,美国拥有机器人8万台,德国为7万多台,分别占世界机器人总数的15%和13%左右。到2000年,服役的机器人总数约100万台。我国机器人起步于70年代初期,经过20多年的发展,大致经历了3个阶段:70年代的萌芽期,80年代的开发期和90年代的应用期。“七五”期间,国家投入资金,对工业机器人及其零部件进行攻关,完成了“示教”再现式工业机器人成套技术的开发。1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施,智能机器人主题跟踪世界机器人技术的
19、前沿,经过几年的研究,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件取得了一大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起,我国的工业机器人又在实践中迈进一大步,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是,由于起步较晚以及受到投入研究资金的影响,我国的工业机器人和国外还是存在较大的差距,在机器人的使用数量和使用行业领域方面还需要有很大的提高。机器人技术涉及很多学科领域,是多学科
20、综合交叉的边缘学科,机器人技术的发展依赖于很多相关技术的进步。1.1.1机械手的当代应用 机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的,机器人的出现并得到应用,为这些作业的机械化奠定了良好的基础。机械手多数是指程序可变(编)的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置(国内称作工业机械手或通用机械手)。1.1.2机械手工作方式 机械手是一种具有人体上肢的部分功能,工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势,但功能较少,适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手,而把工业
21、机械手称为通用机械手。1.1.3机械手的分类 简而言之,机械手就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操纵工件进行加工。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,也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外,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(Manipulator)。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械手,主要附属于自动机床或自动生产线上,用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为
22、“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。机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机械手以其结构紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点,成为机械手中使用最多的一种结构形式。1.2 机械手的一般组成要机械手像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构;像肌肉那样使手臂驱动传动系统;像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了运动的机械手的性能。一般而言,机械手通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三
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