机械手毕业论文(pdf 44页).pdf

目 录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 机械手的研究背景 1 1 1 1 机械手的选题背景 1 1 1 2 国内外工业机器人的发展状况 1 1 2 机械手的设计目的 2 1 3 机械手发展趋势 3 第 2 章 机械手的总体设计 5 2 1 机械机构设计 5 2 2 单片机的选型 6 2 3 驱动芯片的选型 9 2 4 电机的选型 11 2 4 1 步进电机的工作原理 12 2 4 2 步进电机的选择 14 第 3 章 控制电路的硬件设计 17 3 1 硬件电路设计 17 3 1 1 电源模块设计 17 3 1 2 单片机控制电路 19 3 1 3 光电隔离电路和驱动电路 21 3 2PCB 板电路设计 23 3 2 1 简介 23 3 2 3 PCB 图设计 26 第 4 章 控制电路的软件设计 27 4 1 主程序 27 4 2 自动程序 28 4 3 电机转动程序 28 4 4 键盘扫描程序 29 第 5 章 结论 31 致谢 32 参考文献 33 附录 机械手 C 语言控制程序 34 I 摘 要 本文简要介绍了工业机械手的研究背景 组成和分类 机械手发展趋势以及 自己设计的机械手结构模型 它主要是对机械手电路部分进行设计 在总体结构 方案设计好的基础上 确定了电源电路的技术参数 选择以 AT89C51 单片机作为 控制电路的核心 完成了光电隔离电路及驱动电路的设计 其中 电机是选择了 步进电机 它靠时序脉冲来实现正反转 因此很方便 本例设计了自动按钮 手 动按钮和停止按钮 自动按钮按下后 机械手能自动的去抓取物体并放在特定的 位置上 手动按钮能单个的控制每个电机的正反转 停止按钮能够使整个机械手 停止运动 本例设计了矩阵键盘 减少了所需的接口 利用限位开关来实现机械 手的抓取物体时的定位 根据机械手的工作流程制定了单片机的控制方案 画出 了机械手的工作时序图 并绘制单片机的控制程序 关键词 机械手 单片机 步进电机 矩阵键盘 II Abstract At first the background of the industrial robot the composition classification trend and Manipulator model that I design are introduced in this paper it is part of design the circuit of the manipulator to determine the technical parameters of the power circuit select AT89C51 SCM as centre of control circuit design optical isolation circuit and driver circuit circuit Among them the motor is to choose a step motor it is achieved by reversing the timing pulse so it is convenient Automatic manual and stop button are designed in this program Auto button is pressed the robot can automatically go to grab objects manual button is to control each individual motor reversing Stop button is pressed Manipulator will stop move Matrix keyboard isdesigned to reduce the required interface Using of limit switches to automatically grab realized by the positioning of objects according to the workflow to develop robot control program the microcontroller the work of the manipulator to draw timing diagram and draws the microcontroller control program KEYWORDS Manipulator SCM step motor Matrix keyboard 1 第 1 章 绪 论 1 1 机械手的研究背景 1 1 1 机械手的选题背景 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动 化装置 它是在机械化 自动化生产过程中发展起来的一种新型装置 1 近年来 随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用 机器人的研制和生产已成为高技术 领域内迅速发展起来的一门新兴技术 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 机械手能代替人类完成危险 重复 枯燥的工作 减轻人类劳动强度 提高劳动生产力 机械手越来越广泛的得到了 应用 在机械行业中它可用于零部件组装 加工工件的搬运 装卸 特别是在 自动化数控机床 组合机床上使用更普遍 目前 机械手已发展成为柔性制造系 统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分 把机床设备和机械手共同构成一 个柔性加工系统或柔性制造单元 它适应于中 小批量生产 可以节省庞大的工 件输送装置 结构紧凑 而且适应性很强 当工件变更时 柔性生产系统很容易 改变 有利于企业不断更新适销对路的品种 提高产品质量 更好地适应市场竞 争的需要 而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定 的距离 应用规模和产业化水平低 机械手的研究和开发直接影响到我国自动化 生产水平的提高 从经济上 技术上考虑都是十分必要的 因此 进行机械手的 研究设计是非常有意义的 2 1 1 2 国内外工业机器人的发展状况 1962年 1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性 人们试着在机器人 上安装各种各样的传感器 包括1961年恩斯特采用的触觉传感器 托莫维奇和博 尼1962年在世界上最早的 灵巧手 上用到了压力传感器 而麦卡锡1963年则开 始在机器人中加入视觉传感系统 并在1965年 帮助MIT推出了世界上第一个带 有视觉传感器 能识别并定位积木的机器人系统 1965年约翰 霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人 Beast已经 能通过声纳系统 光电管等装置 根据环境校正自己的位置 20世纪60年代中期 开始 美国麻省理工学院 斯坦福大学 英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实 验室 美国兴起研究第二代带传感器 有感觉 的机器人 并向人工智能进发 1968 年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人 Shakey 它带有视觉 传感器 能根据人的指令发现并抓取积木 不过控制它的计算机有一个房间那么 大 Shakey 可以算是世界第一台智能机器人 拉开了第三代机器人研发的序幕 1969 年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器 人 加藤一郎长期致力于研究仿人机器人 被誉为 仿人机器人之父 日本专 家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长 后来更进一步 催生出本田 2 公司的 ASIMO 和索尼公司的 QRIO 我国工业机器人起步于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年代的适用化期 进入80年代后 在高技术浪潮的冲击下 随着改革开放的不断深入 我国机 器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持 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 研制出了喷涂 点焊 弧焊和搬运机器人 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前沿 经过几年 的研究 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 我国的国民经济进入实现两个根本转变时期 掀起了新一 轮的经济体制改革和技术进步热潮 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 虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中 但和国际同行相比 差距依旧 明显 从市场占有率来说 更无法相提并论 工业机器人很多核心技术 目前我 们尚未掌握 这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈 1 2 机械手的设计目的 本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行 整合 完成一个特定功能 特殊要求的多工位冲床上下料机械手的设计 能够比 较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平 实践动手能力 以及专业精神和态度 具有较强的针对性和明确的实施目标 能够实现理论和实 践的有机结合 目前 在国内很多工厂的生产线上多工位冲床装卸工件仍由人工完成 劳动 强度大 生产效率低 为了提高生产加工的工作效率 降低成本 并使生产线发展 成为柔性制造系统 适应现代自动化大生产 针对具体生产工艺 利用机器人技术 设计用一台装卸机械手代替人工工作 以提高劳动生产率 随着科学技术的发展 机械手也越来越多的地被应用 在机械工业中 铸 焊 铆 冲 压 热处理 机械加工 装配 检验 喷漆 电镀等工种都有应用的实 理 其他部门 如轻工业 建筑业 国防工业等工作中也均有所应用 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 3 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 三 可以减轻人力 并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作 这是直接减少人力的一个侧面 同时由于应用 机械手可以连续的工作 这是减少人力的另一个侧面 因此 在自动化机床的综 合加工自动线上 目前几乎都没有机械手 以减少人力和更准确的控制生产的节 拍 便于有节奏的进行工作生产 综上所述 有效的应用机械手 是发展机械工业的必然趋势 3 本机械手主要与多工位冲床组合最终形成生产线 实现加工过程 上料 加工 下料 的自动化 无人化 目前 我国的制造业正在迅速发展 越来越多的资金 流向制造业 越来越多的厂商加入到制造业 本设计能够应用到加工工厂车间 从而减轻工人劳动强度 节约加工辅助时间 提高生产效率和生产力 1 3 机械手发展趋势 1 重复高精度 精度是指机械手达到指定点的精确程度 它与驱动器的分辨率以及反馈装置 有关 重复精度是指如果动作重复次数多 机械手到达同样位置的精确程度 重 复精度比精度更重要 如果一个机械手定位不够精确 通常会显示一个固定的误 差 这个误差是可以预测的 因此可以通过编程予以校正 重复精度限定的是一 个随机误差的范围 它通过一定次数地重复运行机械手来测定 随着微电子技术 和现代控制技术的发展 机械手的重复精度将越来越高 它的应用领域也将更广 阔 如核工业和军事工业等 2 模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术 而把模块 化拼装的机械手称为现代传输技术 模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更 具灵活的安装体系 它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置 使机械手动 作自如 模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能 扩 大了机械手的应用范围 是机械手的一个重要的发展方向 3 节能化 为了适应食品 医药 生物工程 电子 纺织 精密仪器等行业的无污染要 求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世 随着材料技术的进步 新型材料的出 现 构造特殊 用自润滑材料制造的无润滑元件 不仅节省润滑油 不污染环境 而且系统简单 摩擦性能稳定 成本低 寿命长 4 4 机电一体化 由 可编程控制器 传感器 液压元件 组成的典型的控制系统仍然是自动 化技术的重要方面 发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件 使液压技术 从 开关控制 进入到高精度的 反馈控制 节省配线的复合集成系统 不 仅减少配线 配管和元件 而且拆装简单 大大提高了系统的可靠性 而今 电 磁阀的线圈功率越来越小 而PLC的输出功率在增大 由PLC直接控制线圈变得越 来越可能 国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手 使它具有一定的 传感能力 能反馈外界条件的变化 作相应的变更 如位置发生稍许偏差时 即 能更正并自行检测 重点是研究视觉功能和触觉功能 目前已经取得一定成绩 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机 工作是 电视照相机将物体形象变成视频信号 然后送给计算机 以便分析物体的种类 大小 颜色和位置 并发出指令控制机械手进行工作 触觉功能即是在机械手上 安装有触觉反馈控制装置 工作时机械手首先伸出手指寻找工作 通过安装在手 指内的压力敏感元件产生触觉作用 然后伸向前方 抓住工件 手的抓力大小通 过装在手指内的敏感元件来控制 达到自动调整握力的大小 总之 随着传感技 术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高 更重要的是将机械手 柔性制 造系统和柔性制造单元相结合 从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态 随着科学与技术的发展 机械手的应用领域也不断扩大 目前 机械手不仅 应用于传统制造业 如采矿 冶金 石油 化学 船舶等领域 同时也已开始扩 大到核能 航空 航天 医药 生化等高科技领域以及家庭清洁 医疗康复等服 务业领域中 4 5 第 2 章 机械手的总体设计 2 1 机械机构设计 机械手的主体部分是由底座 支架 手臂和手爪组成 机械手靠四个步进电 机驱动 靠AT89C51单片机控制 经过光电隔离装置和驱动电路来使步进电机按 需要转动 机械手手臂的转动采用了蜗轮蜗杆传动的方式 它有一定的自锁功能 能够使机械手在断电的情况下保证手臂不下垂 使物体避免因下垂坠落损坏 手 爪关节采用的是锥齿轮的传动方式 能够实现垂直传动 手爪有两个方向的转动 一个是向下转动 另一个是沿手臂的方向转动 这样可以方便的改变被抓物体的 方向和位置 在机械手的转动过程中 靠限位开关对机械手进行位置的检测 机 械手碰到限位开关后 电机的运动状态就会发生改变 这样就实现了机械手的换 向运动 图2 1 机械手的整体结构 机械手主要由执行机构 驱动系统 控制系统以及位置检测装置等所组成 其中位置检测为反馈 系统中有了反馈 才能使系统更加智能 5 各系统相互之 间的关系如方框图2 2所示 6 图2 2 机械手组成方框图 2 2 单片机的选型 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能CMOS 8位微处理器 俗称单片 机 AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的 可擦除只读存储器可以反复擦除1000次 该器件采用ATMEL高密度非易失存储器 制造技术制造 与工业标准的MCS 51指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能8 位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器 AT89C2051是它的一种精简版本 AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种 灵活性高且价廉的方案 5 AT89C51的主要功能如下 1 与MCS 51 兼容 2 4K字节可编程FLASH存储器 3 寿命 1000写 擦循环 4 数据保留时间 10年 5 全静态工作 0Hz 24MHz 6 三级程序存储器锁定 7 128 8位内部RAM 8 32可编程I O线 9 两个16位定时器 计数器 10 5个中断源 11 可编程串行通道 12 低功耗的闲置和掉电模式 13 片内振荡器和时钟电路 AT89C51 单片机各引脚功能介绍 7 图 2 3 AT89C51 单片机引脚图 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P0 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储 器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入 口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作 为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于 内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行 存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输 入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 8 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外 部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果 微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个 机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信 号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于 施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为 片内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信 号的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 51系列单片机的集成了两个可编程的定时器 计数器 即定时 计数器0和1 9 简称 T0 和 T1 有 4 种工作方式可供选择 单片机内部通过专用寄存器 TMOD TCON 来设置定时 计数器工作的参数 例如方式选择 定时计数选择 运行控制 溢 出标志 触发方式等控制字 定时器 计数器结构如图 2 14 所示 其核心是一个 16 位的加 1 计数器 其 中 16 位的定时器 计数器 T0 由 2 个 8 位计数器 TH0 和 TL0 构成 16 位的定时 器 计数器 T1 由 2 个 8 位计数器 TH1 和 TL1 构成 另外 寄存器 TMOD 主要用于 指定各定时器 计数器的功能和工作模式 寄存器 TCON 用于控制定时器 计数器 的启动和停止计数 同时也设置定时器 计数器的状态 寄存器 TCON 的功能是在定时器溢出时设定标志位 并控制定时器的运行 停止和中断请求 寄存器 TCON 的单元地址为 88H 中断控制寄存器 TCON 的组成 其包含 3 个部分 TF1 和 TR1 位用于控制 T1 TF0 和 TR0 位用于控制 T0 其它的 为中断控制 单片机内部的定时器 计数器是加法计数 其在计数溢出时才申请中断 为 了实现自定义的计数值或定时值 需要从计数最大值计算得出需要设置的初值 在不同的工作模式中 计数最大值不同 可以为 213 216 和 218 假设计数最 大值为 MAX 则初值 X 计算方法如下 在计数方式下 X MAX 计数值 在定时方式下 X MAX 定时值 T 式中 T 为单片机的计数周期 也就是单片机的机器周期 例如 当单片机的机器周期 T 0 5 s 时 如果定时器 计数器工作于模式 0 MAX 213x0 5 s 4 096ms 如果定时器 计数器工作于模式 1 则最大定时值为 MAX 216x0 5 s 32 768ms 单片机的定时器 计数器是可编程控制的 在使用之前需要先通过如下步骤 进行初始化 一 指定定时器 计数器的工作模式 通过赋值 TMOD 寄存器来实现 二 装入定时器 计数器的初值 通过赋值 TH0 TL0 或 TH1 TL1 来实现 三 启动定时器 计数器中断 通过赋值 IE 来实现 如果程序中不使用 中断 则可以省略此步骤 四 启动定时器 计数器 通过置位 TR0 TR1 来实现 置位后 定时器 计数器将按规定的工作模式和初值进行计数或开始定时 单片机与上位机可以通过串口进行通讯 使用 MAX232 进行电平转换 2 3 驱动芯片的选型 10 L298N 是 SGS 公司的产品 比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N 内部同 样包含 4 通道逻辑驱动电路 可以方便的驱动两个直流电机 或一个两相步进电 机 L298N 芯片可以驱动两个二相电机 也可以驱动一个 四相电机 输出电压最高可达 50V 可以直接通过电 源来调节输出电压 可以直接用单片机的 IO 口提供 信号 而且电路简单 使用比较方便 L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS VSS可接 4 5 7 V 电压 4 脚 VS接电源电压 VS电压范围 VIH 为 2 5 46 V 输出电流可达 4A 可驱动电感性 负载 1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便 接入电流采样电阻 形成电流传感信号 L298 可驱 动 2 个电动机 OUT1 OUT2 和 OUT3 OUT4 之间可分 别接电动机 本实验装置我们选用驱动一台电动机 5 7 10 12 脚接输入控制电平 控制电机的正反 转 EnA EnB接控制使能端 控制电机的停转 其 EN 和 IN 引脚通电后 电机的 运行情况如表 2 1 表 2 1 L298N 芯片驱动表 EN A B IN1 IN3 IN2 IN4 电机运行情况 H H L 正转 H L H 反转 H 同 IN2 IN4 同 IN1 IN3 快速停止 L X X 停止 控制使能引脚 ENA 或者 ENB 就可以实现 PWM 脉宽速度调整 1 脚和 15 脚可单独引出连接电流采样电阻器 形成电流传感信号 也可以直接接地 在可设计中就将它们直接接地 引脚 8 为芯片的接地引脚 它与 L298N 芯片的散热片连接在一起 由于本芯片的工作 电流比较大 发热量也比较大 所以在本芯片的散热片上又连接了一块铝合金 以增大它的 散热面积 L298N 芯片的各引脚符号与功能 如表 2 2 图 2 4 L298N 引脚图 11 表 2 2 L298N 引脚功能表 引脚 符号 功能 1 15 SENSING A SENSING B 此两端与地连接电流检测电阻 并向驱动芯片反 馈检测到的信号 2 3 OUT 1 OUT 2 此两脚是全桥式驱动器 A 的两个输出端 用来连 接负载 4 Vs 电机驱动电源输入端 5 7 IN 1 IN2 输入标准的 TTL 逻辑电平信号 用来控制全桥式 驱动器 A 的开关 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端 输入标准 TTL 逻辑电平信号 低电平 时全桥式驱动器禁止工作 8 GND 接地端 芯片本身的散热片与 8 脚相通 9 Vss 逻辑控制部分的电源输人端口 10 12 IN 3 IN 4 输入标准的 TTL 逻辑电平信号 用来控制全桥式 驱动器 B 的开关 13 14 OUT 3 OUT 4 此两脚是全桥式驱动器 B 的两个输出端 用来连 接负载 2 4 电机的选型 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件 在非超载 的情况下 电机的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受 负载变化的影响 即给电机加一个脉冲信号 电机则转过一个步距角 这一线性 关系的存在 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点 使得在速度 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 7 虽然步进电机已被广泛地应用 但步进电机并不能象普通的直流电机 交流 电机在常规下使用 它必须由双环形脉冲信号 功率驱动电路等组成控制系统方 可使用 因此用好步进电机却非易事 它涉及到机械 电机 电子及计算机等许 多专业知识 12 目前 生产步进电机的厂家的确不少 但具有专业技术人员 能够自行开发 研制的厂家却非常少 大部分的厂家只一 二十人 连最基本的设备都没有 仅 仅处于一种盲目的仿制阶段 这就给用户在产品选型 使用中造成许多麻烦 签 于上述情况 我们决定以广泛的感应子式步进电机为例 叙述其基本工作原理 望能对广大用户在选型 使用 及整机改进时有所帮助 2 4 1 步进电机的工作原理 一 反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单 下面先叙述三相反应式步进电机原 理 1 结构 电机转子均匀分布着很多小齿 定子齿有三个励磁绕阻 其几何轴线依次分 别与转子齿轴线错开 0 1 3 2 3 相邻两转子齿轴线间的距离为齿距 以 表示 即 A 与齿 1 相对齐 B 与齿 2 向右错开 1 3 C 与齿 3 向右错开 2 3 A 与齿 5 相对齐 A 就是 A 齿 5 就是齿 1 下面是定转子的展开图 图 2 5 定转子的展开图 2 旋转 如 A 相通电 B C 相不通电时 由于磁场作用 齿 1 与 A 对齐 转子不受 任何力以下均同 如 B 相通电 A C 相不通电时 齿 2 应与 B 对齐 此时转子向右移过 1 3 此时齿 3 与 C 偏移为 1 3 齿 4 与 A 偏移 1 3 2 3 如 C 相通电 A B 相不通电 齿 3 应与 C 对齐 此时转子又向右移过 1 3 此时齿 4 与 A 偏移为 1 3 对齐 如 A 相通电 B C 相不通电 齿 4 与 A 对齐 转子又向右移过 1 3 这样经过 A B C A 分别通电状态 齿 4 即齿 1 前一齿 移到 A 相 电机 转子向右转过一个齿距 如果不断地按 A B C A 通电 电机就每步 每 脉冲 1 3 向右旋转 如按 A C B A 通电 电机就反转 由此可见 电机的位置和速度由导电次数 脉冲数 和频率成一一对应关系 而方向由导电顺序决定 13 不过 出于对力矩 平稳 噪音及减少角度等方面考虑 往往采用 A AB B BC C CA A 这种导电状态 这样将原来每步 1 3 改变为 1 6 甚至于通过二 相电流不同的组合 使其 1 3 变为 1 12 1 24 这就是电机细分驱动的 基本理论依据 不难推出 电机定子上有 m 相励磁绕阻 其轴线分别与转子齿轴线偏移 1 m 2 m m 1 m 1 并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 这是 步进电机旋转的物理条件 只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进 电机 出于成本等多方面考虑 市场上一般以二 三 四 五相为多 3 力矩 电机一旦通电 在定转子间将产生磁场 磁通量 当转子与定子错开一定 角度产生力 F 与 d d 成正比 图 2 6 转子与定子的分析图 其磁通量 Br S Br 为磁密 S 为导磁面积 F 与 L D Br 成正比 L 为 铁芯有效长度 D 为转子直径 Br N I RN I 为励磁绕阻安匝数 电流乘匝数 R 为磁阻 力矩 力 半径力矩与电机有效体积 安匝数 磁密 成正比 只考虑线性状态 因此 电机有效体积越大 励磁安匝数越大 定转子间气隙越小 电机力矩 越大 反之亦然 二 感应子式步进电机 1 特点 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比 结构上转子加有永磁体 以提供软磁材料的工作点 而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工 作点的耗能 因此该电机效率高 电流小 发热低 因永磁体的存在 该电机具 有较强的反电势 其自身阻尼作用比较好 使其在运转过程中比较平稳 噪音低 低频振动小 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机 一个四相电机可以 作四相运行 也可以作二相运行 必须采用双极电压驱动 而反应式电机则 不能如此 例如 四相 八相运行 A AB B BC C CD D DA A 完全可以采用二 相八拍运行方式 不难发现其条件为 C D 14 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致 小功率电机一般直接接为二 相 而功率大一点的电机 为了方便使用 灵活改变电机的动态特点 往往将其 外部接线为八根引线 四相 这样使用时 既可以作四相电机使用 可以作二 相电机绕组串联或并联使用 2 4 2 步进电机的选择 机械手的参数 根据 solidworks 计算得出 其中 X 的单位为 mm 转动惯量的单位为 kg m2 底座 材料铝合金 密度 2 712kg m3 质量 m1 5 34kg 中心的横坐标为 X1 14 4 对 Z 轴的转动惯量 P1 0 08 支架 材料铝合金 密度 2 712kg m3 质量 m2 8 82kg 中心的横坐标为 X2 14 4 对 Z 轴的转动惯量 P2 0 062 蜗杆 材料碳素钢 密度 7 85kg m3 质量 m3 2 88kg 中心的横坐标为 X3 18 18 对 Z 轴的转动惯量 P3 0 008 蜗轮 材料铸锡青铜 密度 8 6kg m3 质量 m4 4 55kg 中心的横坐标为 X4 14 35 对 Z 轴的转动惯量 P4 0 011 轴 3 材料碳素钢 密度 7 85kg m3 质量 m5 2 64 中心的横坐标为 X5 14 27 对 Z 轴的转动惯量 P5 0 011 关节 1 2 材料铝合金 密度 2 712kg m3 质量 m6 2 04kg 中心的横坐标为 X6 41 93 对 Z 轴的转动惯量 P6 0 079 手臂 材料铝合金 密度 2 712kg m3 质量 m7 8 18kg 中心的横坐标为 X7 248 59 对 Z 轴的转动惯量 P7 0 174 手臂板 材料铝合金 密度 2 712kg m3 质量 m8 1 68kg 中心的横坐标为 X8 234 68 对 Z 轴的转动惯量 P8 0 019 三个锥齿轮 材料碳素钢 密度 7 85kg m3 质量 m9 1 13kg 中心的横坐标为 X9 437 23 对 Z 轴的转动惯量 P9 0 003 关节二 材料铝合金 密度 2 712kg m3 质量 m10 1 367 中心的横坐标为 X10 478 84 对 Z 轴的转动惯量 P10 0 008 手抓 材料铝合金 密度密度 2 712kg m3 质量 m11 3 66 中心的横坐标为 X11 663 对 Z 轴的转动惯量 P11 0 06 1 步进电机 1 的选择 步进电机 1 是通过小齿轮带动大齿轮传动 其中传动比 i 3 且传动中扭矩 为 M P 2 1 15 其中 P 为转动惯量 为角加速度 由设计 机械手底盘传动一周 T 4s W 2 T 0 5 从加速到 W 需要 0 2s W 0 2 2 5 由所学的知识我们了解到 物体对 X1 轴和 X2 轴的转动惯量分别为 P1 P2 得 P1 P2 md2 2 2 其中 X1 轴离物体更远 d 为两轴的间距 故 P 11 1 m3 X3 X1 2 m4 X4 X1 2 m5 X5 X1 2 m6 X6 X1 2 m7 X7 X1 2 m8 X8 X1 2 m9 X9 X1 2 m10 X10 X1 2 m11 X11 X1 2 2 3 由 2 3 得 P 0 901kg m2 由 2 1 得扭矩 M 0 901 2 5 3 14 7 07 故步进电机所需的扭矩 M1 M i 2 36 考虑到有有些小零件没算进来 加上传动效率的问题 选取的电机为 86BYG250 98 北京时代超群电器科技有限公司生产 具体参数如下 图 2 7 电机 86BYG250 系列立体图 16 图 2 8 电机 86BYG250 系列结构尺寸图 表 2 3 86BYG250 参数表 2 步进电机 2 的选择 步进电机 2 是带动齿轮后驱动蜗杆转动继而带动蜗轮轴转动 由设计手臂转动一周 T 5s W 2 T 0 4 从加速到 W 需要 0 2s W 0 2 2 转动惯量 P 11 6 m6 X6 X1 2 m7 X10 X1 2 m8 X8 X1 2 m9 X9 X1 2 m10 X10 X1 2 m11 X11 X1 2 2 4 由 2 1 得扭矩 M 0 535 2 0 3 14 3 36 蜗轮蜗杆的传动比为 i 19 M2 M i 0 18 考虑到传动效率和小零件没算进来 选取的电机为 86BYG250 65 北京时代超群电器科技有限公司生产 参数如表 2 3 3 步进电机 3 和四的的选择 由设计手臂转动一周 T 3s W 2 T 2 3 从加速到 W 需要 0 3s W 0 3 6 98 P P10 P11 m10 X10 X1 2 m11 X11 X1 2 2 5 由 2 5 得 P 0 21 由 2 1 扭矩M1 0 21 6 98 1 47 由于零件少 传动效率又高 故选择 86BYG250 80 北京时代超群电器科技有限 公司生产 参数如表 2 3 17 第 3 章 控制电路的硬件设计 3 1 硬件电路设计 3 1 1 电源模块设计 电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器 其特点是可为专用 集成电路 ASIC 数字信号处理器 DSP 微处理器 存储器 现场可编程门 阵列 FPGA 及其他数字或模拟负载提供供电 一般来说 这类模块称为负载点 POL 电源供应系统或使用点电源供应系 统 PUPS 由于模块式结构的优点甚多 因此模块电源广泛用于交换设备 接 入设备 移动通讯 微波通讯以及光传输 路由器等通信领域和汽车电子 航空 航天等 尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广 模块电 源的增幅已经超出了一次电源 随着半导体工艺 封装技术和高频软开关的大量 使用 模块电源功率密度越来越大 转换效率越来越高 应用也越来越简单 8 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件 边开发爱浦电子电源 模块 4 张 开关变频技术 两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的 增长率向着轻 小 薄 低噪声 高可靠 抗干扰的方向发展 开关电源可分为 AC DC 和 DC DC 两大类 DC DC 变换器现已实现模块化 且设计技术及生产工艺 在国内外均已成熟和标准化 并已得到用户的认可 但 AC DC 的模块化 因其自 身的特性使得在模块化的进程中 遇到较为复杂的技术和工艺制造问题 以下分 别对两类开关电源的结构和特性作以阐述 一 36V 电源设计 图 3 1 36V 电源模块 TR2 变压器 变压器利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置 主要构 18 件是初级线圈 次级线圈和铁心 通过改变初级线圈和次级线圈的圈数比 便可 以把家庭用的 220V 电压转变成我们所需要的电压 FU2 熔断器 熔断器是一种短路保护器 广泛用于配电系统和控制系统 主要进行短路保护或严重过载保护 VD6 VD9 普通二极管 组成滤波电路 某一瞬时 VD6 和 VD8 同时导通 VD7 和 VD9 不导通 当电压的极性变反时 VD7 和 VD9 同时导通 VD6 和 VD8 不 导通 这样把交流电变成直流电 C5 电容 与二极管组成电容滤波电路 且能向负载提供电流 R7 R11 电阻 起稳定电路的左右 DZ2 稳压管 外界电流在合适的范围内变化时 此稳压管能把它自己两端 得电压稳定在 5 3V 左右 LED3 发光二极管 电源模块正常时 二极管能正常发光 T3 T4 三极管 起放大的作用 图中 R9 和 R10 组成取样网络 产生一个合适的取样电压 U10 即 10 两 端的电压 此电压送到 T4 放大 从负反馈放大电路的角度来看 取样电压V 是 放大管输入量 T3 是调整管 通过负反馈的原理控制 电压来稳定输出电压 T4 起比较放大作用 9 由于稳压管的电压在 5 3V 加上三极管基极和发射极之间的电压差 0 7V R10 两端的电压 U10 为 6V R9 的电阻为 R10 的 5 倍 故 R10 两端的电压也为 的 倍 即为 30 故输出的电压为 36V 二 24V 和 5V 电源电源设计 图 3 2 24V 和 5V 的电源模块 此电源模块中 TR1 FU1 VD1 VD4 C1 分别为变压器 熔断器 普通二 极管和电容 左右与前面的电源一样 起着把家用交流电压 220V 转变为所需的 19 电压 并通过整流使其变成直流电 稳压管 DZ1 的稳压电压为 5 3V 加上 T2 管基极和发射极之间的电压差 R4 两端的电压 U4 5 3 0 7 6V R3 的电阻是 R4 的 3 倍 而经过 R3 和 R4 的电流 几乎是相等的 故U3 18V 故输出的电压为R3和 R4 两端电压之和 U 18 6 24V 其中 T1 是调整管 通过负反馈的原理控制电压 来稳定输出电压 T2 起比较 放大作用 W7805 为三端稳压器 它有三个引线端 即不稳定的电压输入端 稳定的电 压输出端 公共接地端 它的稳定的电压输出端可以输入端得电压变为所需的稳 定的 5V 电压 在 W7805 的引线周围 C3 和 C4 是用来防止自激震荡 减小高频噪声和改善 负载的瞬态响应的 二极管 VD5 起保护作用 当输入短路时 给 C2 一个放电回路 以免调整管 发射极被击穿 此外 应防止稳压器接线端开路 因为当稳压管接地端开路时 其输出电位趋近于输入电位 可使负载过压受损 3 1 2 单片机控制电路 单片机是一种集成在电路芯片 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处 理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 多种 I O 口和中断 系统 定时器 计时器等功能 通过单片机来实现对步进电机的自动和手动控制 使机械手更具智能化 单片机自动完成赋予它的任务的过程 也就是单片机执行 程序的过程 即一条条执行的指令的过程 所谓指令就是把要求单片机执行的各 种操作用的命令的形式写下来 这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的 一 条指令对应着一种基本操作 单片机所能执行的全部指令 就是该单片机的指令 系统 不同种类的单片机 其指令系统亦不同 为使单片机能自动完成某一特定 任务 必须把要解决的问题编成一系列指令 这些指令必须是选定单片机能识别 和执行的指令 这一系列指令的集合就成为程序 程序需要预先存放在具有存 储功能的部件 存储器中 存储器由许多存储单元 最小的存储单位 组成 就像大楼房有许多房间组成一样 指令就存放在这些单元里 单元里的指令取出 并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样 每一个存储单 元也必须被分配到唯一的地址号 该地址号称为存储单元的地址 这样只要知道 了存储单元的地址 就可以找到这个存储单元 其中存储的指令就可以被取出 然后再被执行 如下图是本例的控制图 10 20 图 3 3 单片机控制电路图 S20 复位按钮 按下此按钮 单片机能回到程序执行前的状态 XTAL1和XTAL2处连接的电路为外时钟电路 C1 和 C2 为电容器 Y1 为晶振 它们共同为单片机提供振荡电路 P0 口在此电路中当作键盘扫描电路的接口 在本例中 矩阵键盘的四列依 次接到单片机的 P0 0 P0 3 四行依次接到单片机的 P0 4 P0 7 同时 将列线 上拉 通过 10K 电阻接电源 此键盘扫描电路的工作原理为 一个一个地查找 先第一行输出 0 检查列线是否非全高 否则第二行输出 0 检查列线是否非全 高 否则第三行输出 0 检查列线是否非全高 如果某行输出 0 时 查到列线非 全高 则该行有按键按下 根据第几行线输出 0 与第几列线读入为 0 即可判断 在具体什么位置的按键按下 S01 机械手的启动按钮 当机械手通电后 按下此按钮 机械手会自动运 行去抓取实物 然后放到固定的位置 周而复始 S02 机械手的停止按钮 按下此按钮后 机械手的一切运动全部停止 S03 步进电机 1 的正转按钮 按下此按钮后 步进电机正转 碰到限位开 关停止 S04 步进电机 1 的反转按钮 按下此按钮后 步进电机反转 碰到限位开 21 关停止 S05 步进电机 2 的正转按钮 按下此按钮后 步进电机正转 碰到限位开 关停止 S06 步进电机 2 的反转按钮 按下此按钮后 步进电机反转 碰到限位开 关停止 S07 步进电机 3 的正转按钮 按下此按钮后 步进电机正转 碰到限位开 关停止 S08 步进电机 3 的反转按钮 按下此按钮后 步进电机反转 碰到限位开 关停止 S09 步进电机 4 的正转按钮 按下此按钮后 步进电机正转 碰到限位开 关停止 S010 步进电机 4 的反转按钮 按下此按钮后 步进电机反转 碰到限位开 关停止 S011 S016 限位开关 当机械手碰到这些限