以AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心的備料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

為滿足機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需要，購(gòu)置了機(jī)電一體化自動(dòng)裝配教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一套完整、靈活、模塊化、易擴(kuò)展的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，包含多種機(jī)械、氣壓傳動(dòng)方式，模擬現(xiàn)代化裝配過(guò)程的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用PLC控制，展現(xiàn)了實(shí)際生產(chǎn)中的傳感器檢測(cè)、電氣控制、組態(tài)控制、工業(yè)總線控制等技術(shù)應(yīng)用。學(xué)生可以借助該系統(tǒng)，學(xué)習(xí)理解機(jī)械傳動(dòng)、液壓與氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)與PLC控制、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、傳感器及多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。但隨著技術(shù)的發(fā)展，基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)也日益成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的又一主要形式，因此，在原機(jī)械手結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)系統(tǒng)、傳感器和電機(jī)控制電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)另外的單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制，以此促進(jìn)學(xué)生對(duì)單片機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用的感性認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)其單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、綜合分析與故障診斷與排除的能力就日顯迫切。

目前市售的單片機(jī)產(chǎn)品繁多，功能各異，而AT89C52為較為常見(jiàn)的、性價(jià)比較高的一款單片機(jī)，并可實(shí)現(xiàn)在線燒結(jié)編程，使用方便。為不失一般性，機(jī)械手的單片機(jī)控制系統(tǒng)即以該芯片為控制核心，進(jìn)行了接口擴(kuò)展，軟件設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口電路及外部電路。

1 備料機(jī)械手單元

機(jī)電一體化自動(dòng)裝配教學(xué)生產(chǎn)線模擬了一個(gè)工件在工業(yè)裝配線的運(yùn)行過(guò)程，分為備料、加蓋、模擬噴漆、烘干和通風(fēng)、集中檢測(cè)、分揀、升降電梯、多層貨架等8個(gè)模塊，其中備料、加蓋和分檢單元采用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)動(dòng)作要求。整個(gè)生產(chǎn)線的控制由各單元控制模塊和一個(gè)總

控平臺(tái)構(gòu)成，可分別實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)時(shí)用Profibus總線連接總控和各分站的通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配。

備料機(jī)械手單元的作用是將放在工件平臺(tái)上的工件主體搬運(yùn)到下料單元的料斗中。

運(yùn)動(dòng)方式包括：機(jī)械手臂的上、下（用上、下動(dòng)作的雙作用氣缸）；工件的吸放（氣缸桿頂端裝有電磁鐵）；機(jī)械手回轉(zhuǎn)90°（直流電機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)內(nèi)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)）；機(jī)械手臂的抬起和降落（直流電機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)后驅(qū)動(dòng)齒條和齒輪機(jī)構(gòu)經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)抬起工件）；工件的前進(jìn)和后退（右移和左移也是直流電機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)后驅(qū)動(dòng)齒輪齒條使整個(gè)機(jī)械手移動(dòng)），該單元使用PLC驅(qū)動(dòng)6個(gè)繼電器（實(shí)現(xiàn)3個(gè)直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制），驅(qū)動(dòng)電磁閥控制雙作用氣缸和直流電磁鐵實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)的控制，位置的檢測(cè)以微動(dòng)開(kāi)關(guān)、舌簧繼電器、光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。該單元的控制臺(tái)可以進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)、急停等功能控制。

該機(jī)械化手相當(dāng)于具有5自由度的機(jī)械手，通過(guò)調(diào)整限位開(kāi)關(guān)或傳感器的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置控制。

1．1 備料機(jī)械手的動(dòng)作控制要求

（1）置工件與工件檢測(cè)平臺(tái)后，備料檢測(cè)傳感器檢測(cè)到工件，在手動(dòng)情況下，按下啟動(dòng)按鈕，備料機(jī)械手開(kāi)始準(zhǔn)備工作，延時(shí)1 s后，止動(dòng)氣缸下移，同時(shí)直流電磁吸鐵得電。

（2）止動(dòng)氣缸下移到位后，氣缸上的磁感應(yīng)傳感器得到信號(hào)，直流電磁吸鐵將工件吸起來(lái)，止動(dòng)氣缸上移到位（復(fù)位），氣缸上的另一磁感應(yīng)傳感器得到信號(hào)，進(jìn)行下一步工作。

（3）止動(dòng)氣缸復(fù)位后，正行電機(jī)正轉(zhuǎn)，使備料機(jī)械手轉(zhuǎn)向底盤(pán)傳送帶方向，正轉(zhuǎn)到位信號(hào)由轉(zhuǎn)盤(pán)的檔塊碰撞微動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)出，并將信號(hào)傳送到PLC。

（4）正行電機(jī)正轉(zhuǎn)到位后，上行電機(jī)得電，機(jī)械手提升工件向上移動(dòng)，當(dāng)杠桿機(jī)構(gòu)的撞塊碰到上行到位微動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，上行完畢。

（5）上行到位后，PLC控制右行電機(jī)，使機(jī)械手向右移動(dòng)，由機(jī)械手撞塊碰撞底盤(pán)傳送帶內(nèi)外側(cè)的右行到位微動(dòng)開(kāi)關(guān)，右行結(jié)束，這時(shí)機(jī)械手的電磁鐵已經(jīng)將工件搬運(yùn)到下一工作站料斗的上方。

（6）止動(dòng)氣缸再次下移，將工件準(zhǔn)確放到料斗內(nèi)側(cè)的齒形槽內(nèi)，直流電磁斷電。

（7）止動(dòng)氣缸復(fù)位，機(jī)械手左行，下降、回轉(zhuǎn)到位，最后止動(dòng)氣缸上限位，回轉(zhuǎn)復(fù)位、左行復(fù)位，這就是備料機(jī)械手的初始位置。

（8）備料機(jī)械手因?yàn)槟撤N原因，急停后上電啟動(dòng)后應(yīng)回到初始位置。

1．2 氣動(dòng)系統(tǒng)

圖1是教學(xué)生產(chǎn)線氣壓系統(tǒng)和備料單元?dú)鈮褐吩韴D。空氣壓縮機(jī)將大氣壓縮后，通過(guò)油氣分離凈化干燥后，通過(guò)氣壓調(diào)節(jié)閥調(diào)整到0．4～0．6 MPa的壓力，通過(guò)干路氣管通到各個(gè)支路。備料機(jī)械手單元來(lái)自干路氣壓通過(guò)分支頭后，經(jīng)過(guò)手動(dòng)截止閥控制，再通過(guò)兩位五通電磁閥控制，YA1不通電左位時(shí)，經(jīng)過(guò)單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)氣流控制流量，使氣缸復(fù)位，止動(dòng)氣缸下降時(shí)，YA1得電，電磁閥右位通（如圖示位置），通過(guò)單向節(jié)流閥4推動(dòng)氣缸下降?；貧饣芈芳佑邢羝饕苑乐归y的回氣引起的噪聲。

2 AT89C52控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 接口與內(nèi)存地址的映像關(guān)系

備料單元PLC-I／O接口與AT89C52控制系統(tǒng)的并行8255地址及內(nèi)存輸入／輸出映像關(guān)系見(jiàn)表1。

2．2 AT89C52控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

從I／O接口表可知，該備料機(jī)械手的輸入有15點(diǎn)，輸出有9點(diǎn)，所以系統(tǒng)要擴(kuò)展1片8255，并定義PA口，PB口為輸入，PC口為輸出，利用P1．0作為輸出接口作為輸出指示燈?？紤]到上位機(jī)的控制需要，設(shè)計(jì)了由MAX 232組成的串行通信電路，AT89C52內(nèi)部有8 KB的ROM，地址范圍由0000H～1FFFH，可以滿足控制的需要，故外部不再擴(kuò)充存儲(chǔ)器。電路如圖2所示。設(shè)計(jì)8255的／CS、P2．7端為邏輯零，其他未用到的地址線為邏輯1，則8255的PA口地址為7FFC，8255的PB口地址為7FFD，8255的PC口地址為7FFE，8255的控制寄存器地址為7FFF。

2．3 系統(tǒng)I／O接口電路設(shè)計(jì)

原系統(tǒng)由PLC作為控制器，故其信號(hào)均為24 V直流電壓信號(hào)。為適應(yīng)單片機(jī)控制系統(tǒng)的需要，需將機(jī)械手側(cè)的24 V信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠接受的TTL電平，同時(shí)能夠消除傳感器、開(kāi)關(guān)的突動(dòng)干擾的影響。所以設(shè)置光電隔離器件實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和消除干擾。光電隔離器件采用TLP521-4，輸入由LED指示電路反映輸入的實(shí)際情況，以檢測(cè)輸入故障。輸入接口電路如圖3所示。

輸出接口電路的作用主要是進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)和消除干擾和電平轉(zhuǎn)換，電路如圖4所示，由TLP521-4進(jìn)行光電隔離，將計(jì)算機(jī)與機(jī)械手電路側(cè)隔離，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)集成電路ULN2003A和達(dá)林頓晶體管驅(qū)動(dòng)后，分別驅(qū)動(dòng)繼電器或指示燈，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作控制。

2．4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)的工作電流比較大，輸出接口電路不能直接驅(qū)動(dòng)，需要用繼電器進(jìn)行功率放大，即先驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，再由繼電器觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的24 V供電。對(duì)于永磁式直流電機(jī)，可利用改變電樞繞組的電流方向?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停的控制，如機(jī)械手上升，KA0通電、KA1斷電，這時(shí)24 V通過(guò)KA0常開(kāi)（閉合）通過(guò)上下限位開(kāi)關(guān)到電機(jī)電樞繞組，從另一對(duì)常開(kāi)回到24 V地。機(jī)械手下降時(shí)KA0斷電，KA1通電，其過(guò)程類(lèi)似于機(jī)械手上升，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖5所示。電樞回路串聯(lián)了兩個(gè)方向的超程限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)由于軟件或其他故障引起限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將切斷電樞回路電源，電機(jī)停止，實(shí)現(xiàn)了電氣保護(hù)。

2．5 軟件設(shè)計(jì)

利用串行通信，將目前機(jī)械手狀態(tài)（單片機(jī)內(nèi)存26H，27H，28H的內(nèi)容）發(fā)送到上位機(jī)，并將上位機(jī)的命令接受后，存儲(chǔ)到25H單元。

初始化串行通信異步、雙工，8255初始化PA，PB和P1．0為0，機(jī)械手處于停止?fàn)顟B(tài)。

機(jī)械手的工作方式分為手動(dòng)或自動(dòng)狀態(tài)。手動(dòng)由本工作站的控制按鈕控制，自動(dòng)采用串行通信接收上位機(jī)命令，并控制本位的機(jī)械手動(dòng)作。若起動(dòng)后機(jī)械手沒(méi)有在初始位置，則機(jī)械手應(yīng)先回到初始位置，系統(tǒng)初始化見(jiàn)圖6所示。隨后，系統(tǒng)接受指令，按照指令要求運(yùn)行，程序流程見(jiàn)圖7所示。

因?yàn)槌绦蛞煌５恼{(diào)用輸入和輸出程序，故將8255的輸入采樣和輸出編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的子程序：

8255INPUT：MOV DPTR#7FFCH；

MOVX A，@DPTR；

MOV 20H，A

INC DPTR

MOVX A，@DPTR；

MOV 21H，A

RET

8255OUT： MOV DPTR#7FFEH

MOV A，23H

MOVX@DPTR，A

MOOV P1．0，24．0

RET

驅(qū)動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作的電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)進(jìn)行了互鎖設(shè)計(jì)，以免短路電源。順序動(dòng)作程序略。

3 調(diào)試

為保證機(jī)械手的安全運(yùn)行，調(diào)試時(shí)用開(kāi)關(guān)模擬機(jī)械手的狀態(tài)信號(hào)，按機(jī)械手的動(dòng)作控制模擬輸入，觀察輸入接口板的狀態(tài)指示和輸出接口板的繼電器動(dòng)作情況，待控制功能與機(jī)械手的控制要求吻合時(shí)，再連接機(jī)械手的實(shí)際輸入和輸出信號(hào)。配備開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源輸出24 V／20 A，5 V／2 A。急停信號(hào)要對(duì)電源進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)接板，將機(jī)械手和本位操作臺(tái)上的輸入和輸出信號(hào)分離，然后輸入／輸出到輸入接口和輸出接口板上，以便于切換PLC和單片機(jī)的控制。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)了雙向通信功能，為利用上位機(jī)的組態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)再現(xiàn)等提供了極大方便。該系統(tǒng)體現(xiàn)了單片機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)方面的控制能力，展現(xiàn)了單片機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用，為開(kāi)展機(jī)械手的控制實(shí)驗(yàn)、機(jī)電一體化和電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)又建立了一個(gè)新平臺(tái)。