基于单片机控制的工业机械手控制系统设计

基于单片机控制的工业机械手控制系统设计内容摘要：

座部分装有服电机 M1，通过齿轮传动控制大臂旋转，基座与大臂底座用轴承连接；大臂座装有伺服电机 M2，通过齿轮、传动控制小臂的旋转摆动；末端执行器部分装有伺服电机 M3，同样通过齿轮、丝杆传动控制末端执行器的上下移动。 3. 伺服电机 一个伺服电机内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。 其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈 大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低 一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示： 伺服电机原理图 减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为 0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。 标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源、地及控制。 电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于 4V— 6V 之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。 甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。 输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在 1ms— 2ms 之间，而低电平时间应在 5ms 到 20ms 之间，并不很严格，下表表示出一个典型的 20ms 周期性脉冲的正脉冲宽度 与微型伺服马达的输出臂位置的关系： 山东理工大学 8 此处 选用的伺服马达为 TowPro 的，型号为 SG303。 其主要技术参数如下： 转速： 秒／ 60 度。 力矩： •cm。 尺寸： 36mm。 重量：。 12V 和 24V 电源供电。 控制周期脉冲宽度为 20ms。 送出不同的正脉冲宽度是，就可以得到不同的控制效果。 控制正脉冲宽度如下： 编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。 前者成为码盘 ，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“０”。 按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。 增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。 绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。 旋 转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。 这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。 解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。 在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。 为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。 比如，打印机扫 描仪的定位就是用 山东理工大学 9 的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。 增量式编码器特点：增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。 编码器轴转一圈会出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。 需要提高分辨率时，可利用 90 度相位差的 A、 B 两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。 主要确定丝杆的外径 d，及长度，选择螺纹的类型，牙型角β，计算出螺 纹中径 d2，螺纹升角φ，定出螺距 P，求出螺纹导程 S。 滚动轴承的类型、尺寸和公差等级均已制定有国家标准，在机械设计中只需根据工作条件选择合适的轴承类型，尺寸和公差等级等，并进行轴承的组合结构设计。 按滚动轴承承受载荷的作用方向，常用轴承可分为三类，即径向接触轴承、向心角接触球轴承和轴向接触轴承。 在机械手的设计中，通常使用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承和 推力球轴承的组合件。 选择轴承要根据它所支承的轴的粗度（一般轴径的设计要 先由计算的强度来确定基本尺寸，再根据 GB/T282281 来选取标准尺寸，也可以 根据标准件如轴承等决定） 来决定的，选定轴承后，还要进行轴承的寿命计算。 第四章 软件电路部分设计 单片机的选择 1. 单片机的概念 单片机是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机。 通常在芯片内含有 CPU、 ROM、 RAM、并行 I/O 口、串行口、定时 /计数器、中断控制系统、系统时钟及系统总线等。 2. 单片机特点 1) 优异的性能价格比。 2) 高、体积小、可靠性高。 单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采 用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了计算机的可靠性与抗 干扰能力。 另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在 恶劣环境下工作。 3) 控制功能强。 为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统种均有极 丰富的转移指令、 I/O 口的逻辑操作及位处理功能，单片机的逻辑控制功 能及运行速度均高于同一档次的微机。 4) 低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 5) 单片机的系统扩展和系统配置叫典型、规范，容易构成各种规模的应用系 统。 山东理工大学 10 3. 单片机硬件结构 1) 89C52 系列单片机基本配置如下： a) 微处理器 该单片机中有一个 8 位的微处理器，与 通用的微处理器基本相同，同样包括 了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据， 还可以进行位变量的处理。 b) 数据存储器 片内为 128 个字节，片外最多可外扩至 64k 字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储 器。 c) 程序存储器 由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器 的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至 64k 字节。 d) 中断系统 具有 5 个 中断源， 2 级中断优先权。 e) 定时器 /计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 /计数器， 具有四种工作方式。 f) 串行口 1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。 可用来进行串行通讯，扩展并行 I/O 口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更 广。 g) P1 口、 P2 口、 P3 口、 P4 口 为 4 个并行 8 位 I/O 口。 h) 特殊功能寄存器 共有 21 个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。 实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个 具有特。