摘要：結(jié)合自動裝配教學(xué)生產(chǎn)線中備料機(jī)械手的動作控制要求，實(shí)現(xiàn)了基于AT89C52單片機(jī)的備料機(jī)械手控制。先進(jìn)行了主控芯片和并行接口8255的地址定義，然后進(jìn)行輸入／輸出接口電路及電機(jī)控制電路等系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并給出了軟件的設(shè)計(jì)思路和流程圖。系統(tǒng)采用串行通信方式，利用手動和自動選擇，可分別實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)控制。該系統(tǒng)展現(xiàn)了單片機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用，成為機(jī)械手的控制、機(jī)電一體化和電氣自動化專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的又一平臺。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；控制要求；AT89C52控制系統(tǒng)；I／O接口；電機(jī)控制
0 引言
為滿足機(jī)電一體化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需要，我校2003年購置了機(jī)電一體化自動裝配教學(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、氣壓傳動方式，模擬現(xiàn)代化裝配過程的柔性生產(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、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、液壓與氣動、電氣傳動與PLC控制、工業(yè)現(xiàn)場總線、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)場控制的又一主要形式，因此，在原機(jī)械手結(jié)構(gòu)、氣動系統(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)對機(jī)械手的控制，以此促進(jìn)學(xué)生對單片機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用的感性認(rèn)識、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為較為常見的、性價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)電一體化自動裝配教學(xué)生產(chǎn)線模擬了一個工件在工業(yè)裝配線的運(yùn)行過程，分為備料、加蓋、模擬噴漆、烘干和通風(fēng)、集中檢測、分揀、升降電梯、多層貨架等8個模塊，其中備料、加蓋和分檢單元采用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)動作要求。整個生產(chǎn)線的控制由各單元控制模塊和一個總
控平臺構(gòu)成，可分別實(shí)現(xiàn)手動和自動運(yùn)行，自動時用Profibus總線連接總控和各分站的通信，實(shí)現(xiàn)自動裝配。
備料機(jī)械手單元的作用是將放在工件平臺上的工件主體搬運(yùn)到下料單元的料斗中。
運(yùn)動方式包括：機(jī)械手臂的上、下(用上、下動作的雙作用氣缸)；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)齒輪傳動機(jī)構(gòu)帶動機(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)動齒輪齒條使整個機(jī)械手移動)，該單元使用PLC驅(qū)動6個繼電器(實(shí)現(xiàn)3個直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制)，驅(qū)動電磁閥控制雙作用氣缸和直流電磁鐵實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動的控制，位置的檢測以微動開關(guān)、舌簧繼電器、光電檢測開關(guān)實(shí)現(xiàn)。該單元的控制臺可以進(jìn)行手動、自動、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，通過調(diào)整限位開關(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)械手的動作控制要求
(1)置工件與工件檢測平臺后，備料檢測傳感器檢測到工件，在手動情況下，按下啟動按鈕，備料機(jī)械手開始準(zhǔn)備工作，延時1 s后，止動氣缸下移，同時直流電磁吸鐵得電。
(2)止動氣缸下移到位后，氣缸上的磁感應(yīng)傳感器得到信號，直流電磁吸鐵將工件吸起來，止動氣缸上移到位(復(fù)位)，氣缸上的另一磁感應(yīng)傳感器得到信號，進(jìn)行下一步工作。
(3)止動氣缸復(fù)位后，正行電機(jī)正轉(zhuǎn)，使備料機(jī)械手轉(zhuǎn)向底盤傳送帶方向，正轉(zhuǎn)到位信號由轉(zhuǎn)盤的檔塊碰撞微動開關(guān)發(fā)出，并將信號傳送到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，當(dāng)杠桿機(jī)構(gòu)的撞塊碰到上行到位微動開關(guān)時，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，由機(jī)械手撞塊碰撞底盤傳送帶內(nèi)外側(cè)的右行到位微動開關(guān)，右行結(jié)束，這時機(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)止動氣缸復(fù)位，機(jī)械手左行，下降、回轉(zhuǎn)到位，最后止動氣缸上限位，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，急停后上電啟動后應(yīng)回到初始位置。
1．2 氣動系統(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?？諝鈮嚎s機(jī)將大氣壓縮后，通過油氣分離凈化干燥后，通過氣壓調(diào)節(jié)閥調(diào)整到0．4～0．6 MPa的壓力，通過干路氣管通到各個支路。備料機(jī)械手單元來自干路氣壓通過分支頭后，經(jīng)過手動截止閥控制，再通過兩位五通電磁閥控制，YA1不通電左位時，經(jīng)過單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)氣流控制流量，使氣缸復(fù)位，止動氣缸下降時，YA1得電，電磁閥右位通(如圖示位置)，通過單向節(jié)流閥4推動氣缸下降。回氣回路加有消音器以防止閥的回氣引起的噪聲。
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，故其信號均為24 V直流電壓信號。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信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠接受的TTL電平，同時能夠消除傳感器、開關(guān)的突動干擾的影響。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)動集成電路ULN2003A和達(dá)林頓晶體管驅(qū)動后，分別驅(qū)動繼電器或指示燈，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動作控制。
2．4 直流電機(jī)驅(qū)動電路設(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，需要用繼電器進(jìn)行功率放大，即先驅(qū)動繼電器線圈，再由繼電器觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的24 V供電。對于永磁式直流電機(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24 V通過KA0常開(閉合)通過上下限位開關(guān)到電機(jī)電樞繞組，從另一對常開回到24 V地。機(jī)械手下降時KA0斷電，KA1通電，其過程類似于機(jī)械手上升，直流電機(jī)驅(qū)動電路見圖5所示。電樞回路串聯(lián)了兩個方向的超程限位開關(guān)，當(dāng)由于軟件或其他故障引起限位開關(guān)動作，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或自動狀態(tài)。手動由本工作站的控制按鈕控制，自動采用串行通信接收上位機(jī)命令，并控制本位的機(jī)械手動作。若起動后機(jī)械手沒有在初始位置，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專門的子程序：
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)動機(jī)械手動作的電機(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)試時用開關(guān)模擬機(jī)械手的狀態(tài)信號，按機(jī)械手的動作控制模擬輸入，觀察輸入接口板的狀態(tài)指示和輸出接口板的繼電器動作情況，待控制功能與機(jī)械手的控制要求吻合時，再連接機(jī)械手的實(shí)際輸入和輸出信號。配備開關(guān)型穩(wěn)壓電源輸出24 V／20 A，5 V／2 A。急停信號要對電源進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)一個專門的轉(zhuǎn)接板，將機(jī)械手和本位操作臺上的輸入和輸出信號分離，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，為開展機(jī)械手的控制實(shí)驗(yàn)、機(jī)電一體化和電氣自動化專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)又建立了一個新平臺。