基于单片机机械手的毕业设计

目录1 引言--------------------------------------------------61.1 机械手的概述-------------------------------------61.2 机械手的组成-------------------------------------61.3 机械手的分类-------------------------------------82 设计要求--------------------------------------------- 103 系统硬件设计----------------------------------------- 123.1 单片机核心模块----------------------------------133.2 键盘模块----------------------------------------133.3 计数系统模块------------------------------------143.4 电磁阀模块--------------------------------------143.5 显示模块----------------------------------------143.6 外围驱动模块------------------------------------164 软件系统设计----------------------------------------- 214.1 流程图------------------------------------------214.2 源程序------------------------------------------225 整机电路图------------------------------------------- 355.1 原理图------------------------------------------355.2 PCB图------------------------------------------ 386 元件明细表-------------------------------------------397 总结与致谢-------------------------------------------408 参考文献---------------------------------------------44引言1.1 机械手的概述机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

以上即为机械手的概述说明和应用范围及其特点的综述！1.2 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

执行机构（1）手部即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。

手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2）腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。

手腕有独立的自由度。

有回转运动、上下摆动、左右摆动。

一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。

因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。

它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。

如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。

因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。

因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

（4）行走机构有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。

驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。

根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。

采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。

控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。

大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。

主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.3 机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

硬臂式助力机械手硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。

比如在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。

硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以达到3000mm，提升高度最大1800mm。

根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。

软索式机械手软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位移比气动平衡吊要小，最大只有1800mm，而且最大负载只有100Kg。

由于软索式助力机械手有双关节的机械臂来实现水平位移，工作半径可以达到2500mm，所以它比气动平衡吊具有操作更灵活、速度更快的功能。

适合于工件重量轻，但搬运节拍非常快的场合。

但是和气动平衡吊一样，由于软索式助力机械手用钢丝绳来起吊，所以工件重心必须位于钢丝绳正下方。

T型助力机械手区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂，它的前后左右位移靠导轨来实现。

由于T型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。

T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。

2 设计要求气动机械手的示意图如图1所示。

图1 气动机械手图机械手不工作时停在原位（即处在左限位、上限位，且机械手未抓物体）只要按下启动按钮，机械手就会连续循环工作，直至按下停止按钮为止。

开始工作时，机械手下降，当机械手下降到下限位时，下限位开关闭合，机械手停止下降，这时夹紧电池阀得电，开始夹紧，延时2S后，物体夹紧结束，机械手夹着物体上升，当上升到上限位时，上限位开始闭合，机械手右行，当右行到右限位时，右限位开始闭合，机械手下行，当下行到下限位时，下限位开始闭合，机械手松开物体，2S钟后，物体松开结束，机械手开始上升，当机械手上升到上限位时，上限位开始闭合，机械手左行，当机械手左行到达原位时，机械手完成一个周期的工作，进而转向下一个循环。

机械手工作过程方框图如图2所示。

图2 机械手工作过程方框图3 系统硬件设计3.1 单片机核心模块（1）核心器件的选择单片机是本设计的核心器件，因此单片机的选择决定了该设计的稳定和性能，目前单片机市场种类繁多，有几千种不同型号，单片机的选择应遵循在能满足性能条件下尽可能的选择功耗小资源少价格低，而且货源充足的。

目前已投放市场的主要单片机产品多达70 多个系列，500多个品种。

这其中还不包括那些系统或整机厂商定制的专用单片机，及针对专门业务、专门市场的单片机品种。

这里仅对部分常见的和常用的单片机系列进行介绍。

8051 单片机最早由Intel 公司推出的8051/31 类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。

由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC 类兼容的高档芯片的开发上，随后Intel公司将80C51内核使用权以专利互换或出让给世界许多著名IC制造厂商，如 Philips 、NEC、Atmel、AMD、Dallas、siemens、Fujutsu、OKI、华邦、LG等。

在保特与80C51单片机兼容的基础上，这些公司容入了自身的优势，扩展了针对满足不同测控对象要求的外围电路，如满足模拟量输入的A/D、满足伺服驱动的PWM、满足高速输入/输出控制的HSL/HSO、满足串行扩展总线I2C、保证程序可靠运行的的WDT、引入使用方便且价廉的Flash ROM等，开发出上百种功能各异的新品种。

这样80C51单片机就变成了众多芯片制造厂商支持的大家族，统称为80C51系列单片机。