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1、摘要机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自 动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。单旋臂式注塑机取模机械手是一 种抓取注塑工件的机械手，该机械手占用空间小，稳定性好、效率高，是注塑行业抓取注塑工件不 可缺少的自动化设备，该机械手以气动方驱动，简单可靠，操作、维修方便。有较好的市场应用 前景。本文主要介绍基于单片机的单旋臂式取模机械手的控制板的设计，采用直接控制结构，完成了硬件电路设计，包括时钟复位电路、输入输出通道、液晶接口、键盘接口、串口下载等，包括 菜单、机械手动作位置监督、故障报警等相关功能。整个控制系统结构简洁、各模块功能明
2、确。b5E2RGbCAP机械手采用的不同硬件结构，针对目前开发的单悬臂式注塑机取模机械手控制板提出了相应 解决方案。该控制板采用模块化的电路设计各部分功能明确。同时，考虑到注塑机取模机械手恶 劣的工作环境，在硬件上加入了抗干扰设计，有效提高系统的抗干扰能力。在软件方面，不但满 足了机械手的动作要求，也加入了抗干扰设计，弥补硬件抗干扰的不足。整个控制系统调试完成， 基本完成机械手的各功能要求。p1EanqFDPw关键词:单片机;注塑机取模机械手；模块化；抗干扰AbstractThe take-out robot for Plastie injection15 arobot for grabat
3、work Pieceof Plasticinjection .The robot take uPthesmallsPaee，goodStability， highefficieney， it 15 indispensable automation equip ments inplastie injection fleld.The robot drive with theair pressure，simple andere dibility would beser vieeeon venienee.DXDiTa9E3dDirecteontrolstrueture15usedintheeontro
4、lsysten, asatake一 outrobotforPlastieinjection, hardwaredesi gnincludetheinPut， outPut， LCDdisPlay， keyboard， ISP， soflwaredesignineludealarm， malfunetion reasondisPlay， teaeh， Rt.TCrpUDGiT AfterinirodueethePresenteonditionandexistentProblemoftak» outrobotfor5PCzVD7HxAPlastieinjeetion， thearticl
5、eillustrateddifferenthardwarestructureandProPosedthjLeBHrnAILg waytosolVeProblem.ThehardwarePartoftheeontrolsystemchoosesdireeteontrolstruetu，rexHAQX74J0X meanwhile;thePlanforconsideranti一 inierferencedesignareusedforcancelingthAWRyKfE badenvironmentoftherobotworking.Also， Providefriendlyinierfaeefo
6、rshortenthetimeofstudyabouttherobotandZzz6ZB2Ltk softwareanii interfereneedesignformakeuPthewe比 essofthePartofhardwarevzfvkwMI1 design.ComPletethesystemadjustsandRealizationfunetionoftheroborqt.yn14ZNXIKeyWords:MCU:take-out robot for Plastieinjeetion;anti-inierfereneeeEmxvxOtOco目录第一章 绪论1.1 注塑机取模机械手的
7、发展历程与现状1.2 课题的来源及任务1.2.1 课题的来源1.2.2 课题完成的任务1.3 课题的意义 第二章 注塑机取模机械手控制板的总体设计2.1 控制板的总体方案2.1.1 机械手控制板典型方案2.1.2 常用核心处理器2.1.3 本控制板采用的方案及选用的核心处理器2.2 控制板功能及基本解决方案2.2.1 控制板功能要求2.2.2 控制板基本解决方案2.3 系统的组成框图第三章 注塑机取模机械手控制系统的硬件设计3.1 引言3.2 硬件模块设计 3.3CPU、ISP、急停、输入、输出通道模块及其电路设计3.3.1 CPU 选用及其性能介绍3.3.2 ISP 及其电路设计3.3.3
8、急停电路设计3.3.4 输入通道及其电路设计3.3.5 输出通道及其电路设计3.4 键盘端口和状态灯及其电路设计3.4.1 键盘、状态灯及其电路设计3.4.2 键盘接口及其电路设计3.5 液晶显示端口及其电路设计第四章 注塑机取模机械手控制系统的软件设计4.1 引言4.2 软件总体设计4.2.1 功能性设计4.2.2 可靠性设计4.2.3 运行管理设计4.3 机械手控制系统的软件模块设计和开发平台、编程语言4.3.1 软件模块设计4.3.2 开发平台和开发语言4.4 机械手急停程序设计4.5 机械手动作程序设计4.6 键盘扫描和键盘读取模块4.6 液晶显示模块 第五章 注塑机取模机械手控制系统
9、的软、硬件抗干扰设计5.1 引言5.2 挑选合适的元器件5.2.1 元器件的失效机理5.2.2 元器件的选择5.2.3 降额设计5.3 抗干扰措施5.3.1 光电隔离5.3.2 去祸电容、旁路电容、磁珠5.3.3 地线安排5.3.4 看门狗技术 第六章 总结致谢参考文献附录第一章 绪论本章简要介绍了国内外注塑用机械手的发展历程和未来的发展方向在深入分析目前国内对 于注塑机用机械手技术现状和市场需求之间的关系和矛盾的基础上介绍了本课题的来源并描述了 本课题的意义和及所要完成的具体工作。 SixE2yXPq51.1 工业机械手的发展历程与现状机械手是能够模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬运物
10、件或操作工具的自动操作 装置。它可以部分或全部代替人力，从事一些单调、繁重的重复性劳动，实现生产的机械化和自 动化，能在有害环境中操作得以保护人身安全当前正广泛用于机械制造、冶金、电子、轻工和原 子能等部门。 6ewMyirQFL工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸 和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的 工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业 中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数 控加工中心，自动搬运小车与自
11、动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生 产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高， 机械手的应用领域日益扩大。 kavU42VRUs 早在上个世纪 40 年代，美国在原子能实验中，率先采用机械手搬运 放射性材料， 工作人员在安全室操纵机械手完成各种动作和实验， 其控制 系统采用遥控操作方式。遥控操作方式是一种最简单的机械手控制形式， 机械手 （执行机构 ）通过机械或电动等仿形机构， 跟踪操作人员的手臂 （ 操作 机）动作。其突出特点是机械手工作过程中需要人的参与，能够充分发挥 人的视觉、 听觉等器官的传感与检测能力， 以及人脑的思维、 判断与决策 能力。但因为其对
12、人的依赖，自动化程度不高。 y6v3ALoS8950 年代后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装 卸材料，也作为机床的辅助装置，在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从 刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。在这些机械手系统中，普遍采用了继电逻辑控制 或计算机逻辑控制，机械手按照事先编制好的控制逻辑，自动完成顺序动作。 M2ub6vSTnP 进入 20 世纪 90年代，由于具有一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和，而许多复杂操 作或特种应用却需要具有一定智能的机器人参与，使智能机器人获得较为迅速的发展。智能机器 人的机械部分与机械手并无本质
13、区别，但控制系统发生了根本性的变化。智能机器人不仅能够根 据事先编制的程序实现预定的动作，同时能够探测工作过程中周围工作条件的变化，自动修正运 动参数或运动规律。 0YujCfmUCw近几年，中国注塑机发展迅猛，每年都以超过 30%的速度增长。随着产业的发展，用户对注塑机自动化程度的要求也越来越高。一个大型的注塑企业通常会有几十甚至几百台注塑机需要管 理，无论是从生产安全、生产效率还是从产品品质的角度来看，都不可能用人手来取产品，这个 时候就迫切需要用到注塑机取模机械手采用该机械手取工件，不仅大大提高了生产效率，而且大 量节省了操作员工，提高了操作人员的安全性和舒适程度。目前，我国内地仅有少数
14、几个企业通 过仿制的方式在生产注塑机机械手，大量的产品依靠台湾、日本和欧美进口。进口机械手不仅成 本高昂，其设计思路更适合西方人的思维却不太适合中国人的操作习惯。目前国内开发的机械手 控制系统在稳定性方面有所欠缺，而作为控制部件的主要部分的控制板的要求更高，研制与开发 一种工作效率高、成本低，性能稳定的注塑机取模机械控制板难度加大。eUts8ZQVRd1.2课题的来源及任务课题的来源中国改革开放20多年来，塑料加工行业得到了迅猛的发展，同时，注塑成型设备的自动化程度也越来越高。为了适应这种发展趋势，越来越多从事塑料加工行业的厂商在其注塑机上都配备 了注塑机取模机械手，以减轻繁重的体力劳动、改善
15、劳动条件和安全生产、提高注塑成型机的生 产效率、稳定产品品质、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力。机械手可以完成注塑 生产过程中的多个工序。在我国，目前注塑机取模机械手主要用于快速地从模具中取出工件并且 送到下一个工位上。一个注塑用机械手通常可由执行系统、驱动系统和控制系统等部分组成其 中.sQsAEJkW5T1）执行系统是机械手抓取或释放工件、实现机械手动作的系统，通常由臂部、腕部和手部等 部件组成。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
16、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。GMsIasNXkA2）驱动系统是为执行系统的各个部件提供动力的系统，有气动、液压、电动和机械等形式。气动式速度快、成本低、结构相对简单而且有较高的重复定位精度；而液压式臂力大，定位精度高， 可以实现连续控制，但是容易漏油，造成污染。RGchYzg3）控制系统对驱动系统进行控制，使执行系统按照预定的要求而运动。主控制板的设计是系统的主要控制部件，包括位置检测装置和程序控制两部分，通常采用点位控制和连续轨迹控制两 种方式。注塑机取模机械手的技术参数影响到机械手的整体工作性能BEqZcWLZNX1）抓重是指机械手
17、抓取制品的额定重量或载荷，通常，注塑机取模机械手的最大抓重是2千克（包 括夹具重量）o 7IGf02E2）机械手臂的运动参数是指机械手的上下行程、引拔行程、旋入旋出角度等参数。3）定位精度是指机械手的位置设定精度和重复定位精度。以上的几个技术参数主要通过机械的方式来达到，作为注塑机取模机械手控制板的设计，主要关注以下的几个问题:zvpgeqJ1hk1）机械手的工作效率在很大程度上决定了工厂生产注塑工件的效率，机械手完成一套动作的时间成为循环时间，循环时间越短，机械手工作效率越高，单位时间内完成的取模动作就越多，当 然，在具体工作过程中，这个时间还要取决于注塑机的注塑周期。NrpoJac3v12
18、）随着注塑机取模机械手的普及化，其市场需求量剧增，整体价格不断下调，为了占领国内的注塑机取模机械手市场，在开发机械手控制板时，必须在满足机械手性能的前提下，尽量降低成本。1nowfTG4KI3）机械手在抓取工件时，一个典型的工作循环可能是 ：机械手收到注塑机开模完信号，机械手 下降、前进、机械手夹取工件、机械手后退、上升、检测是否夹住了工件、机械手收到一次上位信号，注塑机关模、机械手旋出、下降、机械手放工件、机械手上升、触发二次上位信号、机械 手旋入，然后等待注塑机的开模信号。机械手与注塑机配合工作，保证机械手运行的稳定性至关 重要，如果出现注塑机关模时机械手还停留在下行位置，或者注塑机还没有
19、完全开模，机械手已 开始下行等情况，就会发生机械手与注塑机的直接触碰，造成注塑模具或机械手的损坏，严重危 及人身及设备财产安全。而控制板开发则遇到了比较大的困难，主要表现在以下几个方面:fjnFLDa5Zo1）可靠性问题由于注塑用机械手在工厂车间里工作，且机械手直接安装在注塑机上。注塑机开关模时，负 荷变化比较大，会造成很大的浪涌电压。这种大电流的涌动会严重影响控制系统的正常运行。国 内仿制的控制系统的抗干扰能力不能完全满足工作现场的需要，程序紊乱、死机、设备损坏等情 况时常发生。tfnNhnE6e52）工作效率工作效率的好坏取决于注塑机的注塑周期、机械手各运动导轨、气路中各支路气压和软件延时
20、，当多种因素调节合理才能达到理想的工作效率。HbmVN777sL3）开发成本作为一种面向市场的产品，在满足设计要求的前提下，在产品开发阶段就致力于成本控制， 这对该产品的市场生存能力至关重要。VgRBSHs4）人机交互由于国内生产的注塑机取模机械手控制系统仿制国外产品时，主要注重功能实现而忽视了人 机交互能力的研究，操作界面不够人性化，同时对操作人员的素质要求比较高。83lcPA59W95）系统升级能力控制系统的软件通过烧写器写入单片机，不支持在系统编程能力，软件升级比较困难。因为 注塑机取模机械手可以在很大程度上提高生产率和降低生产成本，能够稳定和提高注塑产品的质 量，避免因为人为的操作失误
21、而造成不必要的损失，所以，注塑机取模机械手在注塑生产中的作用将会变得越来越重要。随着我国注塑工业的迅猛发展，将会有越来越多的机械手用于上料、混 合、自动装卸模具、回收废料等各个工序上，并且将向着智能化的方向发展。mZkklkzaaP课题完成的任务由于本设计主要是对机械手控制板的设计，设计仅为主要控制电路的设计，不需要单独设计 电源部分和驱动部分，任务量大为减少。作为系列注塑机取模机械手控制板设计的第一阶段，主 要针对单旋臂式注塑机取模机械手的控制要求而展开，具体研究内容包括：硬件电路设计和软件编程两大部分。其中，硬件电路包括时钟复位电路模块、开关量输入输出模块、液晶显示模块、键 盘模块、ISP
22、模块、串口通讯模块；软件部分包括液晶菜单设计、机械手固定动作程序设计、声光 报警设计、机械手动作状态设计。AVktR43bpw本课题所设计的单旋臂注塑机取模机械手控制板的主要特点是：1）硬件部分采用模块化设计，自行设计通用接口，尽可能的减小电路板空间占有量，在电气、 机械性能上得以增强，可靠性高。ORjBn°wcEd2）采用增强型单片机，大容量的程序存储器、数据存储器和闪存都集成在一块单片机内，减少 了电路板上的元器件数目。 皿口皿昉3）从硬件和软件两个方面加入抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力。4）在电路板上特别增加了 ISP模块和软件的模块化编程都方便程序调试和以后的软件升级。1.
23、3课题的意义本课题涉及到单片机技术、模拟电子技术、数字电子技术、计算机控制等多个学科。通过本 课题的工作，不仅可以实现注塑机取模机械手的单片机控制，而且对于多学科交叉、渗透与交流 有积极的促进作用。目前，国内厂商所用的注塑用机械手的控制部分，大部分是购买国外的控制 板，国内的控制板由于稳定性和抗干扰效果不理想，运行故障率比较高。本课题以加强稳定性和 抗干扰能力为切入点，注重成本的降低。希望通过这一课题的研究，了解机械手的有关知识和中 国现代工业的发展状况，达到对以前所学知识进行了解和巩固并熟练应用，使注塑用机械手在我 国得以推广。同时，通过毕业设计，了解设计某项系统的具体思想和操作步骤，为以后
24、更深一部 的研发创造打下良好的基础。gIiSpiue7A第二章注塑机取模机械手控制板的总体设计2.1控制板的总体方案目前，在市场上的注塑用机械手的种类主要有单悬臂式机械手、双悬臂式机械手、双臂横走式变频机械手、单轴伺服双臂横走式机械手、三轴伺服双臂横走式机械手等，对于不同的注塑用 机械手，其动作要求略有不同。详细要求见表2.1、2.2 uEh0U1Yfmh表2.1不同机械手的动作要求型号单旋臂式双旋臂式司服横走式上下1/引拔进退1/旋入旋出1/1/横走IZ吸夹1X（无吸）1Z定点放置位置1/IZ表2.2机械手动作行程要求序号动作名称范围1上下行程（mm）550mm2前后行程（mm）120mm3
25、旋出角度（° ）50 90本文主要研究的是单旋臂式爪注塑机取模机械手，这种注塑机取模机械手需要完成的动作有：上行，下行、前进、后退、旋入最大旋取负夹。这几个动作相互组合，完成相应的动作安排。WwghWvVhPE这几个单步动作并不是任意的组合都可以进行，为了机械手的正常、安全工作，必须妥善处 理以下动作之间的联锁控制：asfpsfpi4k1）在机械手下行位置时，机械手不能进行旋入、旋出动作。2）机械手在完成一套动作后必须回到原始位置。3）由于机械手是和注塑机配合工作，所以在机械手开始第一个动作之前，要等待注塑机开模完信号。换句话说，在开模完信号到来后，机械手工作，在开模完信号没有到来时
26、，机械手等待。oeyYZTjjl.BkeGulnkxl4）在机械手同时处在旋入状态和下行位置时，不能向注塑机发允许关模信号。当发现以上错误寸，根据当时机械手和注塑机的不同情况，机械手给注塑机不同的控制方案I）机械手在上行位置时按下急停按钮， 机械手立即停止工作，并使允许关模信号无效，此时如 果注塑机没有关模，则由于注塑机没有收到允许关模信号而处在待机状态。 如果注塑机己经关模,则注塑机在正常完成一次注塑工作后开模，等待允许关模信号。PgdO0sRlMo2)如果机械手在下行和旋入位置时按下机械手急停按钮，机械手立即停止工作，并给注塑机发机械手急停信号，此时注塑机立即停止工作。3cdXwckm15
27、机械手总体控制方案：机械手的整体控制部分主要有电源、电控箱、气阀箱和执行结构，具体图形如下：图2.1控制结构框图在这种结构设计中，硬件部分只要分为主控制板、中继板、键盘板和液晶显示电路板，对机 械手的控制是通过主控制板直接对中继板发控制信号，中继板上的继电器根据主控制板的控制信 号对气阀箱进行控制，从而对机械手进行相应的动作控制。主控制板、键盘板和液晶显示模块经 过合理设计后被安装在控制盒中，继承性好，外部通过一根电缆连到中继板上，实现对机械手的 直接控制。这种硬件结构的优点是：硬件结构简单，主CPU寸机械手的各运动机构进行直接控制， 适用于单旋臂式注塑用机械手和双旋臂式注塑用机械手。这种硬件
28、结构的不足之处是：由于硬件结构相对简单，唯一的控制单元核心要负责检测键盘、液晶显示、输出机械手的动作和检测输入点 等大量的工作，这对处理器的处理能力和即时性提出了挑战，而且输入输出点有限，控制集中， 只能适用于悬臂式机械手等紧凑系统，而对于相对大型的横走式机械手则无法适用。h8c52WOngM因此，对它的总体方案了解后，才能具体设计它的控制板的设计方案。常用核心处理器1)单片机单片机具有较高的集成度，特别是当前比较流行的增强型单片机，一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EEPROM或EPROM)、时钟，定时器。外部中断、模数转换、数模转换、SPI、PWM、 PCA、ISP、IAP等诸多功能，价格从几圆到几十圆不等，但总体来说比较便宜。其缺点是处理速