计算机技术课程设计-机械手臂定位控制系统设计

计算机控制技术课程设计课题题目： 学生姓名：学号： 学院：机械手臂定位控制系统设计目录第一章 绪论31.1 .设计背景31.2 .设计目的和意义31.3 .国内外技术现状和发展31.4 .设计内容及技术路线3第二章 系统总体设计42.1 测控对象简介52.2 测控要求分析52.2.1 测控要求52.2.2 检测52.3 系统整体结构与工作原理52.3.1 结构框图52.3.2 工作过程6第三章 硬件子系统设计73.1 PC 机的选型与配置73.2 远程 I/O 模块的选型73.3 输入输出装置选型93.4 传感器选型与电路设计93.5 执行机构与驱动电路设计10第四章 系统软件设计114.1 总体设计114.2 开发工具简介114.3 程序架构114.4 主程序设计124.4.1 KingView 编写程序124.4.2 位移监测停止程序154.4.3 建立动画连接15第五章 设计总结175.1 系统设计总结175.2 设计过程总结17参考文献18第一章 绪论1.1 .设计背景随着机械控制技术的不断发展进步，机械手在工业生产领域中的应用逐渐广泛，对于推动工业生产发挥了重要的作用。机械手是机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置。 在工业制造，医学治疗，娱乐服务，军事半导体制造及太空探索等领域都有广泛的应用。1.2 .设计目的和意义随着我国工业自动化程度的不断提升, 机械手在工业科技中的应用时间较长， 随着工业生产的不断发展进步，机械手的控制技术也得到了较为快速的发展。人们在很早以前就希望能够借助其他的工具替代人类自身的手去从事重复性的工作，或者具有一定危险性的工作，从而提高工业的生产效率，同时也能规避人们在生产实际生产中碰到的危险情况。此外，在一些特殊的场合中，必须要依靠机械手才能加以完成。机械手具有很多的优点，比如机械手比人的手具有更大的力气，能够干很多人手所无法干的事情，这样也能提高工业生产中的效率，同时采用机械手进行工业生产时的成本相对而言也会得到一定程度上的降低。机械手通常由三部分组成，即机械部分，传感部分和控制部分。其中，手部安装在手臂的前端，用来抓持物件，这是执行机构的主体， 可根据被抓持物件的形状、重量、材料以及作业要求不同而具有多种结构形式。1.3 .国内外技术现状和发展即使我国的科技水平以及自动化近几年有了很大的进步，但是与发达国家仍然有一定的差距。 国外的研究现状国外对机械手技术的研究起步非常早。在 20 世纪 60 年代初期就出现的工业机器人(机械手系统)。而在美国于 1962 年研究出世界上第- -台型工业机器人 UNIMATE(尤尼梅特)后，机械手在世界上备受关注。20 世纪 70 年代中期，科学家们首次提出人工智能算法，这就为机械手的快速发展带来了无限生机。 早期的机械手主要应用在焊接、喷漆、上下料和搬运等各个方面。机械手可以代替人类从事低温、高热、有害和有毒、危险等恶劣环境中的工作;除此之外，它还常常被用来 代替人们来完成单调重复、任务繁重的劳动，并且可以大大提高劳动生产率以及保证产品质量。日本是世界机械手第一大国，它研发的机械手数量为 90 万台，几乎占全球机械手系统总数的一半。美国作为机器人的诞生地，虽然它的机械手数量没有日本多，但它的应用方向和核心技术和远比日本先进，所以占有很强的优势。除了美国和日本之外，俄罗斯，德国，英国等发达国家的机械手系统也迅速发展起来。而在亚洲，除了日本之外，韩国也开始快速发展机械手行业，现在已经排名世界的前列。近年来国外才迅速发展特种机器人，它是机器人和机械手系统的-一个重要的研究和发展方向。 时至今日，特种机器人主要有以下几类:空间机器人，水下机器人，医用机器人，建筑机器人，军事自动排雷机器人等等。1.4 .设计内容及技术路线选择电感接近式开关，将检测到的非电量转为电量送给输入端。输入端口为数据采集卡，数据采集就是对数据采集卡进行设置并使其按设置工作，进行数据的采集。数据处理则是将采集到的数据送至计算机进行运算处理等等。为了满足 PC 用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各种各样的数据采集。用户只要把这类板卡插人计算机主板上相应的 IO (ISA 或 PCI) 扩展槽中，就可以迅速、方便地构成一个数据采集系统，既节省大量的硬件研制时间和投资，又可以充分利用计算机的软、硬件资源，还可以使用户集中精力对数据采集与处理中的理论和方法、系统设计以及程序编制等进行研究。在各种计算机控制系统中， 插卡式是最基本的构成形式。第二章 系统总体设计2.1 测控对象简介机械臂的功能就是代替正常人完成一些动作，通常情况下，机械手臂的组合主要包括机械手组合和机械 臂组合两大重要部分，机械手组合又进一步分为夹爪取轴、夹 爪倾斜轴和手部旋转轴三大内容，在工人工作的时候，同时也要保证机械臂的正常运行，在设计机械臂的大致过程中，我们需要其可以接收指令，精确的定位到三维或者二维空间的某一点进行定位。2.2 测控要求分析2.2.1 测控要求要求机械手接受指令后移动到精确位置，机械手应该由以下几个部分组成：（1）运动元件，如油缸气缸，齿条，凹轮等是驱动手臂运动的部分。（2）导向装置，保证手臂的正确方向及承受的由于工件的重量所产生的弯曲和扭曲的力矩。（3）手臂，起着连接和承受外力的作用，如油缸，导向杆，控制键等都安装在手臂上。（4）此外，根据机械手臂运动的工作要求，管线，冷却装置，行程定位装置和自动检测装置等 也一般安装在手臂上。2.2.2 检测本次设计采用电感接近开关和红外激光发射装置用于检测机械手臂距离障碍的距离。同时采用检测电路和驱动电路驱动电机运行进行沿轨迹运动。本次设计中采用电感接近开关用于检测机械手臂和障碍的距离，检测其距离。2.3 系统整体结构与工作原理2.3.1 结构框图该系统由 7 个部分组成。输入信号、检测信号和距离信号作为前端信号采集单元，将信号输入到数据采集卡，经过数据采集卡的判断输出信号控制电动机，进而控制机械手的移动。如果在紧急的情况下，需要将停止或者开启，可以按下强制按钮令机械手臂停止工作。并且该强制按钮不会影响到系统的正常运行。系统总体框图如图 2-2 所示。图 2-2 系统总体框图2.3.2 工作过程机械手臂在电动机带动下沿着导轨向右平行移动，当移动到停止位处，电感接近开关感应到机械手臂靠近，产生开关信号，由检测电路检测到，经输人装置送人计算机显示、判断，计算机发出控制指令，由输出装置输出开关控制信号，驱动电动机停止转动，机械手臂停止移动。停止按钮不受环境因素影响，仅由人来控制。当遇到紧急情况时按下按钮来是机械手臂停止工作，当按钮弹起时，机械手臂检测电路正常工作。计算机控制系统硬件组成框图如图 2-3 所示。图 2-3 计算机控制系统硬件组成框图第三章 硬件子系统设计3.1 PC 机的选型与配置目前计算机的串口通信应用十分广泛，串口已成为计算机的必需部件和接口之-。串行接口技术 简单成熟，性能可靠，价格低廉，所要求的软硬件环境或条件都很低，广泛应用于计算机控制相关领域，遍及各种监控模块、PLC、数控机床、单片机及各种智能设备。当两台串口设备通信距离较近时，可以直接连接，最简单的情况，在通信中只需三根线(发送线、 接收线、信号地线)便可实现全双工异步串行通信。在 PC 主机箱后面板上，有各种各样的接口，其中有两个 9 针的接头区,如图 2-19 所示，这就是RS-232 串行通信端口。PC 上的串行接口有多个名称:232 口、串口、通信口、COM 口、异步口等本次设计使用 PC 机（带 RS232 串口）的 COM1 端口进行连接。如下图所示。图 3-1PC 机 COM1 端口图 3-2串口通讯线3.2 远程 I/O 模块的选型远程 I/O 模块，是工业级远程采集与控制模块，该模块提供了无源节点的开关量输入采集，继电器输出，高频计数器等功能。本次设计分别采用 ADAM-4520 模块、ADAM-4012 模块、ADAM-4050 模块。其中 ADAM-4520 模块负责与 PC 机进行通讯的转化，ADAM-4012 模块负责检测模拟电压，ADAM-4050 模块负责控制输出信号与驱动电路相连接。下面分别介绍上述三个远程 I/O 模块：ADAM-4520/4522 是有源的 RS-232 到 RS-422/485 的转换器，无须任何 软件驱动，硬件配置正确即可实现转换功能。RS-485 端带有硬件自动数据流控 制（自动流控， Automatic data flow ）， 使用时无须额外进行软件自动流控； 信号端具有 3000VDC 隔离保护，这样就有效的防止模块在收到高压冲击时而损坏。ADAM-4520/4522 外观与 ADAM-4000 系列数据采集模块完全相同，安装 方式有导轨安装、壁挂安装等，也可以与 ADAM-4000 数据采集模块叠加在一起。 波特率最高可以达到 115.2kbps ，使用 10V-30V 直流电源供电。ADAM-4012 模拟量输入模块提供信号调理、 隔离、调整量程、A/D 转换、数据比较及 RS-485数据通讯功能。A/D 输入的光隔离和 3000V 以上的电压隔离可以有效的防止对地环流和高压冲击。ADAM-4012 模拟量输入模块提供两个数字输出和一个数字输入。事件计数器与数字输入通 道相连， 可测外部低速脉冲，最大记数达 65535，可以由主机读出，每次模块重启或加电时都 被清零。ADAM-4012 模拟量输入模块包含上下限报警，上下限由主机下载到模块的 EEPROM。报警功能遥控允许或禁止，当它激活时，两个数字输出通道用来指示上限和下限报警状态。数字 输出通道 1 显示上限报警状态，数字输出通道 0 显示下限报警状态，主机可以随时读出上下限 报警状态。每次A/D 转换之后接着进行报警上、下限值比较，当输入量超出其中一个量值时， 上限或下限报警状态就被置 ON。用数字量输出通道的输出线连接报警装置的上下限端可以用来构成脱离主机干预的开关控制器。 有两种报警方式可供选择：瞬态方式的和锁存方式。处于瞬态方式，只要输入值恢复到极 限范围内，报警就关闭；处于锁存方式，即使输入值回到范围内也不能解除报警状态，主机发出“报警清除”命令才能将报警状态置成 OFF。当相反方向的报警状态被设置时，模块就将原 来的锁存报警状态清除。例如：报警为锁存方式，上限报警状态为 ON，当模块接收到输入量低 于报警下限时，该模块就将上限报警状态置为 0，而将下限报警置成 ON。ADAM-4050 提供 7 路数字量输入和 8 路数字量输出， 输入支持干节点和湿节点， 对湿节点输入 电压+3.5V-30V 为高电平；低电平为 0-+1V。输出 0-30V 集电极开路输出。ADAM-4520 连接示意图如图 3-3 所示。图 3-3 ADAM-4520 连接示意图ADAM-4520/4522 连接一般 PC 机时，RS-232 端应该使用串口直连线。 由图 1 可知，一般 PC 机的 DB-9 针串口，管脚 2 为 Rx，管脚 3 为 Tx；而 4520 的管脚 2 为 Tx，管脚 3 为 Rx 根据 RS-232 需要交叉 Rx 与 Tx 的要求，一般 PC