基于51單片機(jī)的三自由度氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳林祥，王正初

（臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。機(jī)械手是近些年發(fā)展起來(lái)的一種高端科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。近年來(lái)，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到應(yīng)用，特別在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸等等。

1 3自由度氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)要求

3自由度氣動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)如圖1 所示。3 自由度分別是指機(jī)械手的順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手的水平伸縮，機(jī)械手的垂直運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能控制機(jī)械手手爪的張開(kāi)和閉合。機(jī)械手旋轉(zhuǎn)是靠控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)來(lái)帶動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)裝在基座上，機(jī)械手水平、垂直以及手爪的打開(kāi)和閉合，是靠電磁閥控制氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)。三個(gè)氣缸分別裝在機(jī)械手手臂水平位置、垂直位置以及手爪上?？刂葡到y(tǒng)的基本要求為：能獨(dú)立控制各個(gè)關(guān)節(jié)；具有示教功能，機(jī)械手能進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行；步進(jìn)電機(jī)速度可調(diào)；系統(tǒng)分別采用本地控制和上下位機(jī)結(jié)構(gòu)形式的控制。

圖1 3 自由度氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 3 degree freedom pneumatic robotic arm

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了以stc89c52rc 單片機(jī)核心控制系統(tǒng)硬件電路，系統(tǒng)的硬件框圖和單片機(jī)IO 端口分配分別如圖2和表1 所示。為減少編程工作，系統(tǒng)采用獨(dú)立的按鍵。主要包括電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制按鍵、電機(jī)調(diào)速按鍵、三個(gè)電磁閥獨(dú)立控制按鍵、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按鍵、系統(tǒng)學(xué)習(xí)按鍵、演示按鍵等等。E2PROM 采用了ATMEL24C08，主要存儲(chǔ)系統(tǒng)示教過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)，液晶屏采用1602，繼電器主要是為驅(qū)動(dòng)電磁閥。系統(tǒng)采用的電源主要包括5V 和24V 兩種，其中24V 的電源主要用于驅(qū)動(dòng)電磁閥和步進(jìn)電機(jī)，其余均采用5V 電源。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of control system

表1 單片機(jī)端口分配Tab.1Mcuportassignment

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為三種狀態(tài)：點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)、學(xué)習(xí)狀態(tài)、示教狀態(tài)。按下?tīng)顟B(tài)切換鍵，能實(shí)現(xiàn)各個(gè)狀態(tài)的切換。在點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與步進(jìn)電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，即按下按鍵實(shí)現(xiàn)機(jī)械手順時(shí)針和逆時(shí)針點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，如果長(zhǎng)按鍵能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手順時(shí)針和逆時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)。還能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)，垂直運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械手手爪張開(kāi)和閉合；在學(xué)習(xí)狀態(tài)下可保存繼電器的狀態(tài)參數(shù)以及步進(jìn)電機(jī)的位置參數(shù)，在液晶屏中能顯示保存參數(shù)的個(gè)數(shù)；在示教狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)繼電器及步進(jìn)電機(jī)依次回放學(xué)習(xí)狀態(tài)所保存的一系列動(dòng)作。程序編寫(xiě)采用模塊化方式，即對(duì)各個(gè)模塊單獨(dú)調(diào)試，調(diào)試完成后，考慮如何用最小系統(tǒng)把各個(gè)部分有效串聯(lián)起來(lái)，最終將各個(gè)模塊串聯(lián)起來(lái)，達(dá)到控制要求。

系統(tǒng)軟件的主程序包括程序初始化和主循環(huán)。初始化主要針對(duì)定時(shí)器、AT24C08、繼電器、液晶顯示等硬件進(jìn)行初始化。軟件部分主程序主要包括系統(tǒng)初始化程序、步進(jìn)電機(jī)控制程序、學(xué)習(xí)保存（外部中斷）程序、按鍵處理程序、液晶顯示程序、示教程序和上下位機(jī)串口中斷程序等等。主程序流程如圖3 所示。定時(shí)器T0 中斷主要用于按鍵定時(shí)掃描、步進(jìn)電機(jī)發(fā)脈沖等等。定時(shí)器T1則用于串口中斷。在系統(tǒng)初始化的時(shí)候，將 TMOD =0x21，SCON=0X50，設(shè)置波特率9600，所以將TH1=TL1=0xFD，設(shè)定串行口工作方式1 允許接收。下位機(jī)采用串口中斷實(shí)現(xiàn)，串行通信部分通信協(xié)議詳見(jiàn)表2。上下位機(jī)通訊時(shí)，將上位機(jī)傳送下來(lái)的數(shù)據(jù)用htd ()函數(shù)將十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，然后采用switch 語(yǔ)句，將不同的數(shù)對(duì)應(yīng)不同的操作。系統(tǒng)的上位機(jī)采用VB 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)的界面如圖4 所示。

表2 系統(tǒng)上下位機(jī)通訊協(xié)議Tab.2System communication protocolofupper-lowercomputer

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

圖4 上位機(jī)控制界面Fig.4 Control interface of upper computer

4 結(jié)束語(yǔ)

三自由度機(jī)械手采用單片機(jī)直接控制，可以在本地用按鍵操作和PC 機(jī)進(jìn)行控制，提高了機(jī)械手操作的靈活性，提供了一種新的機(jī)械手的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。

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