基于8051的机械手控制系统的设计

摘 要：设计一个基于8051的机械手,利用单片机的硬件接口设计和C语言编程,通过电机和电磁铁控制机械手的夹紧、上升、右移、下降、放松等动作,实现工件的自动搬运.

关 键 词：8051；单片机；机械手；工件搬运

中图分类号：TP391.41；TP241文献标识码：A文章编号：1674-7712（2014）12-0000-01

机械手是自动化生产中常见的一种控制对象.它能模仿人的手、臂,抓、搬物件.虽不能完全取代人手,但在重复频率高、劳动强度大、危险性高的环境下显示出一定优势.机械手主要有执行机构（手部）、运动机构和控制系统三部分.手部主要用来抓持工件；运动机构主要带动手部实现全方位运动；控制系统则通过对机械手电机的控制,来完成特定动作.

目前企业用的机械手多用PLC和低压电器实现,此方法控制简单,可靠性高,但成本高,本系统采用8051单片机为控制核心,辅以低压电器限位开关实现保护,在保证可靠性的前提下,大大降低了成本,并且便于实现无工件检测、自动计数、遥控和实时检测,应用前景广阔.

一、控制系统功能

如图1所示是一台工件搬运机械手的动作示意图,其功能是将工件从A点搬运到B点.机械手的升降和左右运动分别由两个步进电机驱动链条来实现,其中上下移动对应电机1,左右移动对应电机2.单片机合理控制电机的正反转,而实现机械手的全方位运动,通过记步方式实现机械手的精确定位,并可通过修改记步参数修订移位距离.为防止系统死机,还设有上下左右4个限位开关X1、X2和X3、X4,实现撞车保护.机械手的夹紧、松开动作由电磁铁实现,线圈断电夹住工件,线圈通电,松开工件,以防止电源停电时工件跌落.电磁铁线圈的通断电由5V继电器控制,实现电压转换.机械手最上面、最左边且距离上面和左面限位开关一个小间隙的位置为初始原点,而且通过设置可以重新定位原点,以适应不同工序的要求.本系统除工件的自搬运控制外,还可实现手动控制、零点设定和越位报警等.如图1所示,把工作方式开关拨到原点位置,机械手会自动回到设定零点位置待命；拨到自动位置,机械手自动完成工件的搬运工序,并循环运行；拨到手动位置,可通过按键控制机械手的各种动作.

图1工件搬运机械手动作示意图

图2系统总体设计流程图

二、软件设计

(一)总体设计

本系统包括回原点模式,手动模式和自动搬运三种工作方式,如图2所示.把模式开关拨到原点位置,K9接通,执行回原点程序,机械手自动回到原点位置.把模式开关拨到手动位置,则K8接通,执行手动控制程序,此时可通过K1-K6键手动控制机械手,此模式下,若按K10键,则以机械手此时的坐标重新设定原点.把模式开关拨到自动位置,则K7接通,此时执行自动搬运程序,机械手自动把工件从A点搬运到B点,循环往复.模式转换时,系统自动记忆机械手当前的坐标和运动状态,以便在另一个模式下能连续运行.

(二)回原点功能

初始状态以最左边和最上边位置为原点.此过程中以步进电机的步为计量单位精确定位,以满足工序的误差要求.K9按下,单片机控制电机将机械手定位到设定原点,无需人工值守,且原点可在允许范围内随意设定,以满足不同工件、不同工序的要求,大大提高了本设计的灵活性.

(三)手动操作功能

K8按下,激活手动控制程序,此时点按K1-K6键可实现机械手的点动运行,其行程大小可通过程序设定,以实现不同场合的需要,长按键则实现机械手的连续运行.此时按K10键重新设定原点.

(四)自动运行功能

K7按下,系统进入自动运行模式.此时系统会自动检测机械手的位置和状态,若机械手不在原点或有工件被夹持,则系统首先执行回原点程序,并释放工件；否则直接执行自动运行程序.在程序的控制下,机械手首先下降到工件位置,电磁铁断电,将工件夹起；然后重新上升返回到原点位置,垂直方向偏移量清零；此时水平电机启动,将机械手带到最右侧；然后垂直电机再工作将机械手带动到工件位置,并释放工件；然后连续执行上升、左移代码,机械手重新回到原点,水平和垂直偏移量清零,第一个自动循环结束.只要模式转换开关位置不变,机械手便会循环往复执行此循环动作.

三、结束语

本文采用89C52单片机作为控制核心,在C程序的控制下通过驱动电路和限位开关实现对步进电机的控制,从而实现机械手在多种工作模式下的精确运动和操作,为防止机械手的越位运动,本系统中还设置了硬件限位开关和报警功能,不但保证了系统的精度和灵活性,而且大大提高了系统的稳定性和可靠性,从而提高了企业生产的工作效率,具有广阔的应用前景.