4.1 电气控制系统简介
工业机械手的电气控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序，应达到的位置，如手臂上下移动，伸缩，回转及摆动，手腕上下，左右摆动和回转，手指的开闭动作，以及各个动作的时间，速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的动作按照预先整定好的程序来实现的。
一般机械设备的控制系统，多着眼于自身运动的控制，而机械手的控制系统更注意本部与操作对象的关系。因此，对于机械手的控制系统来说，无论多么高级的系统，如果不能按置，都是毫无意义的。控制系统的结构一般分为开环系统和闭环系统两种．闭环控制系统也叫反馈控制系统，是一种不断把给定值和各控制量进行比较，使其偏差为零的控制系统。而开环控制系统，即使有局部的小的闭环存在，但主要控制量是不用反馈控制的。对比两者，通常闭环系统的抵抗外部干扰和系统中主要单元的特性变化和能力强，而开环系统较弱。
机械手的闭环系统控制受各种因素的影响，如外部负荷力，活动部分的内部摩擦，伺服阀的漂移，滞后，比较仪，伺服放大器的漂移，随动系统的粘滞性摩擦，反向电动势的影响等导致闭环控制系统产生静态误差。因而闭环控制的精度和定位时间等控制性能也有一定限度，要超过闭环控制系统的控制性能的界限必须采用由最佳控制理论所规定的控制结构，其中有时采用开环控制。因此要提高机械手的性能，应不局限于开环或闭环的系统而吸收两者之长。
运动控制方式有点位控制和连续控制两种。点位控制方式就是由点到点的控制方式，只对机械手运动部件（手腕、臂）所应到达空间点的定位进行控制，而对两个定位点之间的运动轨迹则不加控制。这种方式可达到较高的重复定位精度。点位控制又分为两点控制和多点控制两种。如果机械手抓取和放置工件的位置都是准确而固定的，如上下料专用机械手，可由挡块，行程开关等来定位，采用起点的终点的“两点控制方式”。通用工业机械手则要求多点定位，而且要经常更换设定位置，这时一般装有位置检测器作为运动位置的反馈，即采用“多点式控制”。

4.2 机械手的电气控制
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。本次设计采用步进控制的方式来实现对机械手工作过程的控制。
步进控制工作流程

 
图4-1 步进控制工作流程图
 
4.3电动机与联轴器的选择
4.3.1电动机的选择
  步进电动机也叫脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移得执行元件。步进电动机输出得角位移与输入得脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。因此，只要控制输入脉冲得数量，频率和电动机绕组得通电顺序，便可以获得所需得转角，转速以及转动方向。当无脉冲输入时，在绕组电流得激励下，步进电动机可以锁相。
  步进电动机结构简单，制造容易，价格低廉。转子转动惯量小，动态响应快，易于起停，正反转和无级变速也容易实现。缺点是低频时有振荡，速度不够均匀，在高速时输出转矩减小。
  步进电动机分类：
   1反应式步进电动机
   2永磁式步进电动机
   3混合式步进电动机
由式（3-9）可知电动机转轴上的总转动惯量
                            J=2.7342N•m
所以选Y100L1-4型三相步进电动机

4.3.2联轴器的选择
   弹性柱销联轴器结构简单，制造容易，装拆更换方便。不需要润滑，并有较好的耐磨性。但尼龙易潮变形，尺寸稳定性较差，导热率低，使用时应注意环境的影响。适用于对工作可靠性要求不高的传动系统。
   由于Y100L1-4型三相异步电动机的输出轴直径为12mm，所以选择Y100LI-4型弹性联轴器。
4.4控制部分硬件设计 
构成微机控制部分的硬件电路概括起来由以下四个部分组成：
（1）主控制器——即中央处理单元CPU，采用 系列的单片机
（2）总线——包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）
（3）存储器——包括可编成存储器EPROM和随机读写数据存储器RAM
（4） 接口电路及步进电机电路、检测电路等外围接口电路。
   其中CPU是整个电路的核心，其控制其它各部分协调工作的“大脑”，存储器则用于存放系统软件（即有相应的程序）以及运行过程中的各种数据， 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁，三总线则是CPU与存储器、接口以及其它各种转换电路的纽带，是CPU与各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。

4.4.1主控制器CPU的选择
      在微机应用系统中，CPU的选择应该考虑以下要素：时钟频率和字长（控制数据处理的速度）可扩展存储器（RAM/ROM）的容量、指令系统功能是否很强（即编程的灵活性）、I/O扩展的功能（即对外部控制的能力）、开发手段（包括支持开发的软件的硬件电路）。除此之外，还应根据系统应用场合控制对象以及各种参数的要求来选择CPU。
 目前，在我过的数据系统中，常用的芯片有8086、8088、80386、8098、8096等16位机的CPU，也有8080、Z80、MCS-48、MCS-51系列的8位机的CPU，但是应用最多的还是Intel公司的MCS-51系列单片机作为主控制器。
 MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品8031、8051、8751。该系列产品是集中CPU I/O端口及部分RAM等为一体的功能性很强的控制器，它的主要特点是集成度高可靠性好、运算速度快，另外，该系列产品只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，硬件资料也很丰富，是较为理想的主选控制器芯片。目前，工业控制中应用最多的是8031单片机，下面介绍一下8031单片机的基本性能及使用方法。
（1） 单片机的基本性能
① 具有一个8位微处理器（CPU）
② 片内具有时钟发生器（6MHZ或12MHZ）执行指令时间为2 或1
③ 128字节数据存储器（RAM）、4K/8K字节程序存储器（ROM/EPROM）
④ 具有21个特殊功能寄存器
⑤ 具有2个16位可编程定时/计数器
⑥ 32跟I/O线，4个I/O端口
⑦ 5个中断源，可编程为2个优先级
⑧ 一个全双工的可运行于同步/异步方式的串行口
⑨ 具有位寻址功能，位寻址空间00H~FFH，适用逻辑运算
⑩它使用单一的+5V电源，在主振频率为6MHZ时机器同期为2 ，              有四组工作寄存器，每组有8个8位的工作寄存器，根栈可设置于单片机数据存储器的任何处，堆栈深度最多可达120/248个单元。
（2） MCS-51系列单片机的引脚及功能
  MCS-51单片机是一个具有40根引脚的双列直插式（CPU）器件，这40只引脚大致分为电源（ 、 、 、 ）时钟（XTA 、XTA ）I/O口（ ~ ）地址总线和控制总线（ALE、RST、PROG、）等六大部分它们的功能简述如下：
1） 电源线： （20），电源地线
            （40）芯片主电源（+5V）
2） 时钟： XTA （18）：震荡器反向放大器输入端，HMOS芯片使用外部震荡器时，此端必须接地。
          XTA （19）：震荡器反向放大器输出和内部时钟发生器的输入端，HMOS芯片使用外部震荡器时，此端用于输入外部震荡信号。
3） 控制总线
ALE/PROG（30）：地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定
时信号，在它的下降适用于外部程序存储器或外部数据存储器的底8位地址锁存。使 分时作用为地址总线（低8位）和数据总线。此信号在每个机器周期出现2次，只是访问外部数据存储器期间才会输出ALZ，在任何可使用外部数据在存储器的系统中，ALE以1/6震荡频率的固定速率输出，用作外部时钟定时，当8751片内编程时，此端输入编程脉冲信号（PROG）。
  RST/ （9）：复为输入信号。震荡器工作时，该引脚上两个机器周期的高电平，可实现复为操作。在掉电情况下，后备电源加到此脚，将只给片内RAM供电。
  EA/ （31）：该访问外部程序存储器控制信号输入端，当EA为低电平时，CPU仅执行外部存储器的程序。

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