机械手液压系统控制系统设计.doc

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1、课程设计任务书课程设计题目机械手液压系统控制系统设计学生姓名导师姓名主要内容及目标 机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。本文简要地介绍了工业机器人的概念，本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构;设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机

2、械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。具有的设计条件1 PC机一台，教学实验箱一台;计划学生数及任务5人（1）：明确课题功能。（2）：把复杂问题分解为若干模块，确定各模块处理方法，画出流程图。（3）：存储器资源分配（4）：编制程序，根据流程图来编制源程序（5）：对程序进行汇编，调试和修改，直到程序运行结果正确为止。计划设计进程一、 总体方案设计二、 控制系统的建模和数字控制器设计三、 硬件的设计和实现1、 选择计算机字长(选用 51内核的单片机)2、 设计支持计算机工作的外围

3、电路(EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等)；3、 设计输入信号接口电路；4、 设计输出控制电路；5、 设计串行通讯接口；6、 其它相关电路的设计或方案(电源、通信等)。四、 软件设计1、 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；2、 编写A/D转换和位置检测子程序框图；3、 编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；4、 其它程序模块(显示与键盘等处理程序)框图。五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图。目 录引言31设计任务与要求31.1设计题目31.2工艺要求31.3要求实现系统基本功能32总体方案设计32.1.系统设计方案的提出32.2.方案比较及确定42.

4、3. 控制系统方框图43系统硬件设计53.1.系统硬件电路设计73.2单元模块设计73.2.1.电源模块73.2.2. 控制模块83.2.3.执行模块93.2.4.温度采集模块93.2.5.显示模块113.3.元器件清单124.系统软件设计114.1.软件流程图124.2.软件代码（见附录）135.调试部分135.1.调试中遇到的问题145.2.调试过程155.3.调试结果与分析146.总结167.参考文献168.致谢169.附录16引言1设计任务与要求1.1设计题目 工业机械手是能够模仿人手部的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置，在工业上生产中应用的工业

5、机械手简称为“机械手”。在本设计的机械手主要是用来抓取工件，再把工件放到预定的位置，根据机械手的要求，该机械手可采用五自由度。主要是手臂的上下升降运动、回转运动、手腕的回转运动、左右伸缩运动、手部的夹紧和松开。这就是机械手的机械原理。1.2工艺要求1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻2）臂部运动速度要高，惯性要好3）手臂动作应该灵敏4)位置精度高1.3要求实现系统基本功能采样功能：能够对温度进行采集。控制功能：能够使系统按照一定的工艺曲线进行升温和保温。显示功能：显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出值。机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合

6、成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下： 手腕回转角度115手臂伸长量150mm手臂回转角度115手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm2总体方案设计2.1.系统设计方案的提出本设计是基于AT89C52单片机的控制及显示电路设计，从系统的设计功能上看，系统可分为五大部分，即控制部分、传感器部分、数字显示部分、电源部分和执行部分，对于每一个部分都有不同的设计方案，起初我们组拟订了下面两种方案：1控制部分(1)AT89C52单片机（2）其他 2传感器部分(1) （J型热电偶）铁-铜镍热电偶(2) （T型热电偶）铜

7、-铜镍热电偶3.数字显示部分(1) 采用LED 数码管显示，利用多个数码管来显示数字。(2)LCD液晶屏显示。4电源部分：(1)购买开关电源。（2）自制电源。5.执行部分（1）用交流电机。（2）用直流电机，采用集成芯片LM298与LM297组成驱动电路。2.2.方案的确定（1）本设计中我们采用AT89C52单片机作为主控芯片。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，而且可编程性好。（2）J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用。其温度范围为0750，符合要求。（3）若用LED数码管显示，LED数码管亮度高、小巧轻便，但

8、是电路复杂，显示信息量较小；LCD的优点是：工作电流较小、功耗很低，而且可以清晰显示大量信息，趣味性强。所以选用LCD液晶显示。（4）购买的开关电源带负载的能力比较好，比较稳定，但是为了提升自己的动手能力，我们选择自己焊接所需的电路。（5）选用集成芯片LM298驱动直流步进电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。其水平最高转速可达4050/秒，垂直可达1024/秒。这种电路通过芯片产生正反向电压.开关速度很快.稳定性极强.效率也非常高。2.3. 控制系统方框图图1 控制系统方框图AT89C52单片机作为主控模块，通过传感器进行温度的采集，采集的数据经过A/D转换变成计算

9、机能够接收的数字信号，然后在经过D/A转换将数字信号转变成模拟信号去控制执行机构（直流电机）的转动，并且电机的转动分为三个阶段：第一阶段：当采集到的数据在（0400）范围内时，单片机就会控制直流电机转动，而且转动的非常快。电机转动带动阀门，从而控制阀门的开度，使温度快速升高。 第二阶段：当采集到的数据在（400700）范围内时，单片机就会控制直流电机转动，而且转动速度减慢。电机转动带动阀门，从而控制阀门的开度，并且使速率控制在4575/h之间，温度由400升温到700。 第三阶段：当采集的数据达到700时，电机就停止转动。同时系统整个过程都通过LCD液晶屏对温度进行实时跟踪与显示。3系统硬件设

10、计3.1.系统硬件电路设计图2 系统硬件电路图3.2单元模块设计根据系统要实现的功能，本系统分为五个模块：电源模块、控制模块、执行模块、温度采集模块和显示模块。分别将各单元模块功能介绍如下：3.2.1.电源模块稳压电源模块我们采用三端集成线性稳压集成块：L7805CV芯片。本设计中我们所需的5V电源使用L7805CV芯片完成。因为它的外围电路比较简单，并且工作比较稳定。它的稳压精度为2%，工作电流1.5A，封装为TO-220(A)，工作温度也很不错，并且具有过温保护和短路保护，最大输入电压为35V，能对电路的长时间工作有很大的保障，故用其作为稳压芯片。3.2.2. 控制模块本设计中我们采用AT

11、89C52单片机作为主控芯片，AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其引脚图如下所示：图3 引脚图主要功能特性： 兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个

12、串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 3.2.3.执行模块 执行机构我们采用直流电机作为被控对象，直流电机是电机的主要类型之一。在本实验中直流电机的作用是：根据电动机转动的快慢来反映煤气退火炉温度上升的快慢。在0400时，电动机快速转动打开供气阀门快速供气，使火炉在最短的时间内快速升温到400；从400700为火炉的保温点，此时直流电机的转速将慢慢降低；当温度上升到700时，阀门供气量将会下降，使火炉进入保温阶段。这时直流电机将停止转动3.2.4.温度采集模块在本次实验中用到的A/D转换器是A

13、DC0808，其原理图及控制原理如下：（1）模拟量输入； A/D 转换器；数据输出 图4 ADC0808的原理框图 （2）引脚介绍： ：主电源输入端。 REF （ + ）、 REF （ - ）：基准电源输入端，使用中 REF （ - ）一般接地， REF （ + ）最大可接 ，要求不高时， REF （ + ）接 的 电源。 GND ：模拟地数字地共用的接地端。 CLK ：时钟输入引脚，时钟频率范围 ，典型值 ，此时转换时间约为 。 ： 8 路模拟量单极性电压的输入引脚。 ADD A 、 ADD B 、 ADD C ： 8 选 1 模拟开关的三位通道地址输入端。用来选择对应的输入通道，其对应关系

14、如图 9-4 所示。比如 CBA=011 ，则选中 引脚的输入电压。 C 、 B 、 A 通常与系统数据总线的 、 、 连接。但也有与系统地址总线相连的，此种用法需小心处理端口地址的组织。 ALE ：为通道地址锁存允许选通控制端，输入上跳沿有效；它有效时， C 、 B 、 A 的通道地址值才能进入通道地址锁存器， ALE 下跳为低电平（无效）时，锁存器锁存进入的通道地址。 START ：启动 A/D 转换控制引脚，由高电平下跳为低电平时有效；即对该引脚输入正脉冲下跳沿后， ADC 开始逐次比较；也可将 START 与 ALE 连接在一起使用，安排一个 CPU 写端口地址；正脉冲上升沿通道地址（

15、码）被写入通道地址锁存器，下降沿启动 A/D 转换。 EOC ： ADC 转换状态输出信号引脚；未启动转换时， EOC 为高电平，启动转换后，正在逐次逼近比较期间 EOC 为低电平，低电平持续时间为 A/D 转换时间，约 （与时钟频率有关），一旦转换完毕， EOC 端上跳为高电平，此信号可供 CPU 查询或向 CPU 发中断。 ： 8 位数字量输出引脚， 为 （ MSB ）， 为 （ LSB ），它是三态输出数据锁存器的输出引脚，未被选通时， 8 个引脚对片内均为高阻断开；因此可与系统数据总线 直接相连。 OE ：数字量输出允许控制端，输入正脉冲有效；它有效时，数据输出三态门被打开，转换好的数

16、字量各位被送到 引脚上；它无效时， 浮空（高阻隔离）；显然 OE 端必须设置一个 CPU 读数据的端口地址，未访问时，必须为低电平。 （3）公式 单极性 图5 ADC0808/9 芯片的引脚图 双极性 可见此系列 ADC 本身是单极性转换器，也可以通过外偏置电路方法，变成双极性输入电压的 A/D 转换器。 3.2.5.显示模块功能说明。图6 引脚说明1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚功能如下：表1 引脚功能引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）

17、3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8DB1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双

18、向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光电源正极16BLK背光 电源负极3.3.元器件清单表2 器件清单器件名称个数单片机1A/D转换器1D/A转换器1LCD16021滑动变阻器1运算放大器1电流源5直流电动机1温度传感器14.系统软件设计4.1.软件流程图开始系统初始化温度传感器采样A/D转换AT89C52LCD显示D/A转换执行机构（直流电机）图7 软件流程图4.2.软件代码（见附录）5.调试部分5.1.调试过程 我们通过传感器对炉温进行数据采集，采集到的数据会在LCD液晶显示屏上

19、进行显示。当采集到的数据在（0400）范围内时，单片机就会控制直流电机转动，而且转动的非常快。电机转动带动阀门，从而控制阀门的开度，由于此时阀门的开度很大，从显示屏上可以看出温度的变化很快，很快的就达到了400。 当采集到的数据在（400700）范围内时，单片机就会控制直流电机转动，而且转动速度减慢。电机转动带动阀门，从而控制阀门的开度，从显示屏上可以看出温度的变化也减缓，并且速率在4575/h之间，温度由400升温到700。 当采集的数据达到700时，电机就停止转动。LCD显示屏上的数字停止在700不变。5.2.调试结果与分析1. 当采集到的数据在（0400）范围内时，仿真图如下：图8 控制

20、系统硬件仿真图2. 当采集到的数据在（400700）范围内时，仿真图如下：图9 控制系统硬件仿真图3. 当采集到的数据为700范围内时，仿真图如下：图10 控制系统硬件仿真图4. 停止温度控制，系统进入自由降温阶段。5. 把系统的四个阶段合并起来，得到如下的工艺曲线：图11 温度曲线图从曲线上可以看出：在400温度内，气体温度在供气阀门开到最大的情况下，以自由升温的速率在最短的时间（图中为2小时）内升到了400。从400开始到700的保温点，温度按60/h速率上升，此段为升温段，到达700点，则开始进入保温段，以700为恒值温度进行保温，钢卷保温t1时间后停火，进入降温段，而降温过程为自由降温

21、，在此段中温控系统停用了。符合设计系统的要求，使温度在升温、保温过程中都能按照一定的工艺曲线进行了升温和保温。 通过调试，我们看到整个系统能够按照题目的要求完成相应的功能。能够对炉内的温度进行控制，使其按照要求的曲线进行升温和保温。从而达到了预期的效果。6 PLC控制回路的设计6.1电磁铁动作顺序表1 电磁铁的动作顺序表序号动作 电磁铁 1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14DT1插定位销+2手臂前伸+3手指张开+4手指闭合+5手臂上升+6手臂回缩+7立柱横移+8手腕回转+9拔定位销10手臂回转+11插定位销+12手臂前伸 +13手臂中停、大

22、泵卸荷+14手指张开+15手指闭合+16手臂缩回+17手臂下降+18手腕反转+19拔定位销 20手臂反转+21立柱回移+22待料卸荷+23注：+表示电磁铁线圈通电6.2 根据机械手的动作顺序表，选定电磁阀、开关等现场器件相对应的PLC内部等效继电器的地址编号，其对照表如下：表 2 现场器件与PLC内部等效继电器对照表 现 场 器 件内部继电器地址说 明输入 1SB2SB3SB1ST2ST3ST4ST5ST6ST7ST8ST9ST10STX000X001X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X014启动按扭连续启动按扭连续停止按扭手腕回转限位开关手腕反转

23、限位开关手臂回转限位开关手臂反转限位开关手臂上升限位开关手臂下降限位开关手臂前伸限位开关手臂缩回限位开关立柱横移限位开关立柱移回输出 1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14DTHLY000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y010Y011Y012Y013Y014Y015Y016手臂前伸电磁阀手臂缩回电磁阀手指张开电磁阀手臂上升电磁阀手臂下降电磁阀手腕回转电磁阀手腕反转电磁阀定位油缸电磁阀手臂回转电磁阀手臂反转电磁阀卸荷电磁阀卸荷电磁阀立柱横移电磁阀立柱移回电磁阀工作指示灯6.3 PLC与现场器件的实际连接图 根据表2画出

24、PLC与现场器件的实际连接图，如下所示 图13 PLC与现场器件的实际连接 6.4 梯形图满足机械手工艺流程的梯形图如下图所示 ： 图14 上料机械手梯形图 6.5指令程序 根据梯形图编写的指令程序如下：0 LD X0011 OR M02 OUT M03 OUT Y0164 LD X0015 OR M16 ANI M27 ANI M38 OUT M19 LD X00210 OR M211 ANI M112 OUT M813 LD M114 OR T715 AND M016 ANI M217 OUT M318 LD M319 OR Y00720 ANI M421 ANI M522 OUT T0

25、K225 OUT Y00726 LD T027 OR Y00128 ANI X01129 OUT Y00130 LD X01131 OR Y00232 ANI T133 OUT Y00234 OUT T1 K237 NOP38 NOP39 NOP40 NOP41 NOP42 LD T143 OR Y00344 AIN X007 45 OUT Y00346 LD X00747 OR Y00148 ANI X01249 OUT Y00150 LD X01251 OR Y01452 ANI X01353 OUT Y01454 LD X01355 OR Y00556 ANI X00357 OUT Y0

26、0558 LD X00359 MPS60 ANI T261 OUT T2 K264 MPP65 ANI X00566 OUT M467 LD T268 OR Y01069 ANI X00570 OUT Y01071 LD X00572 ANI T373 OUT T376 LD T377 OR Y00078 ANI X01179 OUT Y00080 LD X01181 OUT T484 ANI T485 OUT Y01286 LD T487 OUT T590 ANI T591 OUT Y00292 LD T593 OR Y00194 ANI X01295 OUT Y00196 LD X0129

27、7 OR Y00498 ANI X01099 OUT Y004100 LD X010101 OR Y006102 ANI X004103 OUT Y006104 LD X004105 MPS106 ANI T7107 OUT M5108 MPP109 OUT T6 K2112 LD T6113 OR Y011114 ANI X006115 OUT Y011116 LD X006117 OR Y015118 ANI X014119 OUT Y015120 LD X014121 OUT Y011122 OUT Y012123 OUT T7 K57 结束语此次我做的毕业设计是工业机械手的设计，通过3

28、个多月努力，设计终于完成。这次设计给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。在此次的毕业设计中，我遇到了许多以前从未遇到过的问题，但过通过指导教师的指导和我的努力，这些问题都得到了较好的解决。虽然我们设计的只是个简单的上料机械手，但需要完成伸缩、升降、回转、横移等功能，对应分别要对这些机构进行设计和计算，以及对油路及其部件的选择、控制回路和电气控制的设计。通过这些机设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识。在设计的过程中我不断探索、不断学习和修改。自学了许多相关学科的内容，求教了多位专业老师，上网和在图书馆查阅大量相关资料。由于时间问题，

29、对于本次机械手的设计还存在许多问题，许多地方都还有待改进和提高，希望各位专家评审多多指教。6.总结课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对课程设计的过程做一下简单的总结。第一，题目确定后就是找资料了。查资料是做设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。第二，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。第三，有了研究方向，就应该动手实

30、现了。其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。我们小组既有明确的分工，又有很好的合作。通常团队的合作是至关重要的，它往往决定了一个比赛的成败。没有完美的个人，只有完美的团队。在我们的默契的配合下，终于圆满完成了设计。通过这次设计，我们对数字电路设计和单片机有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分及单片机方面的内容。在这次比赛中也使我们的同学关系更进一步了，队友之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解

31、知识，所以在这里非常感谢我的队友，我从他们身上学到了很多东西。希望以后有更多这样锻炼的机会。7.参考文献【1】潘新民、王燕芳.微型计算机控制技术.北京:高等教育出版社,2001.7【2】周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.北京:化学工业出版社,2002.9【3】徐科军.传感器与检测技术.北京:电子工业出版社,2004.9【4】于海生 计算机控制技术 北京:机械工业出版社2007.59.附录 9.1 #include voidLcd_WriteData(unsignedcharTempData); voidLcd_WriteCmd(unsignedcharTempData,unsignedchar

32、BuysC); void Lcd_ReadStatus(void); void Lcd_Init(void); /LCM初始化 unsigned char Lcd_ReadData(void); void DisplayString(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char *DData); void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData); void Delay(unsignedintdelaytime); sbitLcd_RS=P20;

33、sbitLcd_RW = P21; sbitLcd_E = P22; unsigned int dianya11=0,50,100,150,200,250,300,350,400,450,500;/0-5V #defineLcd_DataP0 #defineDA_Data P3 /-sbit ST=P25;sbit EOC=P26;sbit OE=P27; sbit CLK=P24;#define ADC_OUT P1/-unsigned char b;unsigned int temp;unsigned char table3; /=DAC转换输出控制电热丝加热功率=voidDAConver

34、t(unsignedlongintVoltage)Voltage=255*Voltage/500;DA_Data=Voltage;/-unsigned int ADC0808(); /- void main(void) Lcd_Init(); / lcd初始化 while(1) temp=ADC0808(); /temp=100; table2=temp%10; table1=(temp/10)%10; table0=(temp/100)%10; DisplayString(0,1, T:); DisplayOneChar(10,1,table0+0x30); DisplayOneChar(1

35、1,1,table1+0x30);/LCD显示测量值 DisplayOneChar(12,1,table2+0x30); DisplayOneChar(13,1,C); if(temp400&temp=700) DAConvert(dianya5); else DAConvert(dianya0); unsigned int ADC0808() unsigned int adc; unsigned longint getdata; ST=0; OE=0; ST=1; ST=0; while(1) CLK=CLK ; if(EOC=1) break; /AD时钟脉冲 OE=1; getdata=

36、ADC_OUT; OE=0; adc=getdata*704/255; / adc=adc; return(adc);voidLcd_WriteData(unsignedcharTempData)Lcd_ReadStatus(); Lcd_Data = TempData;Lcd_RS = 1;Lcd_RW = 0;Lcd_E = 0; Lcd_E = 0; Lcd_E = 1;Lcd_E = 0;/写指令voidLcd_WriteCmd(unsignedcharTempData,unsignedcharBuysC)if (BuysC) Lcd_ReadStatus(); Lcd_Data = TempData;Lcd_RS = 0;Lcd_RW = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 1;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;/读数据unsigned char Lcd_ReadData(void)Lcd_RS = 1;Lcd_R