基于AT89C52的備料機械手控制系統設計

摘要：結合自動裝配教學生產線中備料機械手的動作控制要求，實現了基于AT89C52單片機的備料機械手控制。先進行了主控芯片和并行接口8255的地址定義，然后進行輸入／輸出接口電路及電機控制電路等系統設計，并給出了軟件的設計思路和流程圖。系統采用串行通信方式，利用手動和自動選擇，可分別實現下位機和上位機控制。該系統展現了單片機在工業控制系統中的綜合應用，成為機械手的控制、機電一體化和電氣自動化專業學生的綜合實驗實訓的又一平臺。
關鍵詞：機械手；控制要求；AT89C52控制系統；I／O接口；電機控制

0 引言
為滿足機電一體化專業的實驗實訓需要，我校2003年購置了機電一體化自動裝配教學系統。該系統是一套完整、靈活、模塊化、易擴展的教學實訓系統，包含多種機械、氣壓傳動方式，模擬現代化裝配過程的柔性生產系統。該系統主要采用PLC控制，展現了實際生產中的傳感器檢測、電氣控制、組態控制、工業總線控制等技術應用。學生可以借助該系統，學習理解機械傳動、液壓與氣動、電氣傳動與PLC控制、工業現場總線、傳感器及多種技術的綜合應用。但隨著技術的發展，基于單片機的控制系統也日益成為工業現場控制的又一主要形式，因此，在原機械手結構、氣動系統、傳感器和電機控制電路的基礎上，設計另外的單片機控制系統，實現對機械手的控制，以此促進學生對單片機在工業生產上的應用的感性認識、培養其單片機系統的設計、綜合分析與故障診斷與排除的能力就日顯迫切。
目前市售的單片機產品繁多，功能各異，而AT89C52為較為常見的、性價比較高的一款單片機，并可實現在線燒結編程，使用方便。為不失一般性，機械手的單片機控制系統即以該芯片為控制核心，進行了接口擴展，軟件設計，并設計了相應的接口電路及外部電路。

1 備料機械手單元
機電一體化自動裝配教學生產線模擬了一個工件在工業裝配線的運行過程，分為備料、加蓋、模擬噴漆、烘干和通風、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械手實現動作要求。整個生產線的控制由各單元控制模塊和一個總
控平臺構成，可分別實現手動和自動運行，自動時用Profibus總線連接總控和各分站的通信，實現自動裝配。
備料機械手單元的作用是將放在工件平臺上的工件主體搬運到下料單元的料斗中。
運動方式包括：機械手臂的上、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)；機械手回轉90°(直流電機經減速機構內齒輪傳動機構帶動機械手回轉)；機械手臂的抬起和降落(直流電機經減速機構后驅動齒條和齒輪機構經杠桿機構抬起工件)；工件的前進和后退(右移和左移也是直流電機經減速機構后驅動齒輪齒條使整個機械手移動)，該單元使用PLC驅動6個繼電器(實現3個直流電機的正、反轉控制)，驅動電磁閥控制雙作用氣缸和直流電磁鐵實現上述運動的控制，位置的檢測以微動開關、舌簧繼電器、光電檢測開關實現。該單元的控制臺可以進行手動、自動、急停等功能控制。
該機械化手相當于具有5自由度的機械手，通過調整限位開關或傳感器的位置，實現機械手的位置控制。
1．1 備料機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，備料機械手開始準備工作，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(復位)，氣缸上的另一磁感應傳感器得到信號，進行下一步工作。
(3)止動氣缸復位后，正行電機正轉，使備料機械手轉向底盤傳送帶方向，正轉到位信號由轉盤的檔塊碰撞微動開關發出，并將信號傳送到PLC。
(4)正行電機正轉到位后，上行電機得電，機械手提升工件向上移動，當杠桿機構的撞塊碰到上行到位微動開關時，上行完畢。
(5)上行到位后，PLC控制右行電機，使機械手向右移動，由機械手撞塊碰撞底盤傳送帶內外側的右行到位微動開關，右行結束，這時機械手的電磁鐵已經將工件搬運到下一工作站料斗的上方。
(6)止動氣缸再次下移，將工件準確放到料斗內側的齒形槽內，直流電磁斷電。
(7)止動氣缸復位，機械手左行，下降、回轉到位，最后止動氣缸上限位，回轉復位、左行復位，這就是備料機械手的初始位置。
(8)備料機械手因為某種原因，急停后上電啟動后應回到初始位置。
1．2 氣動系統
圖1是教學生產線氣壓系統和備料單元氣壓支路原理圖。空氣壓縮機將大氣壓縮后，通過油氣分離凈化干燥后，通過氣壓調節閥調整到0．4～0．6 MPa的壓力，通過干路氣管通到各個支路。備料機械手單元來自干路氣壓通過分支頭后，經過手動截止閥控制，再通過兩位五通電磁閥控制，YA1不通電左位時，經過單向節流閥調節氣流控制流量，使氣缸復位，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。