基于8051的機械手控制系統的設計

摘 要：設計一個基于8051的機械手，利用單片機的硬件接口設計和C語言編程，通過電機和電磁鐵控制機械手的夾緊、上升、右移、下降、放松等動作，實現工件的自動搬運。

關鍵詞：8051；單片機；機械手；工件搬運

中圖分類號：TP391.41；TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-01

機械手是自動化生產中常見的一種控制對象。它能模仿人的手、臂，抓、搬物件。雖不能完全取代人手，但在重復頻率高、勞動強度大、危險性高的環境下顯示出一定優勢。機械手主要有執行機構（手部）、運動機構和控制系統三部分。手部主要用來抓持工件；運動機構主要帶動手部實現全方位運動；控制系統則通過對機械手電機的控制，來完成特定動作。

目前企業用的機械手多用PLC和低壓電器實現，此方法控制簡單，可靠性高，但成本高，本系統采用8051單片機為控制核心，輔以低壓電器限位開關實現保護，在保證可靠性的前提下，大大降低了成本，并且便于實現無工件檢測、自動計數、遙控和實時檢測，應用前景廣闊。

一、控制系統功能

如圖1所示是一臺工件搬運機械手的動作示意圖，其功能是將工件從A點搬運到B點。機械手的升降和左右運動分別由兩個步進電機驅動鏈條來實現，其中上下移動對應電機1，左右移動對應電機2。單片機合理控制電機的正反轉，而實現機械手的全方位運動，通過記步方式實現機械手的精確定位，并可通過修改記步參數修訂移位距離。為防止系統死機，還設有上下左右4個限位開關X1、X2和X3、X4，實現撞車保護。機械手的夾緊、松開動作由電磁鐵實現，線圈斷電夾住工件，線圈通電，松開工件，以防止電源停電時工件跌落。電磁鐵線圈的通斷電由5V繼電器控制，實現電壓轉換。機械手最上面、最左邊且距離上面和左面限位開關一個小間隙的位置為初始原點，而且通過設置可以重新定位原點，以適應不同工序的要求。本系統除工件的自搬運控制外，還可實現手動控制、零點設定和越位報警等。如圖1所示，把工作方式開關撥到原點位置，機械手會自動回到設定零點位置待命；撥到自動位置，機械手自動完成工件的搬運工序，并循環運行；撥到手動位置，可通過按鍵控制機械手的各種動作。

圖1 工件搬運機械手動作示意圖

圖2 系統總體設計流程圖

二、軟件設計

（一）總體設計

本系統包括回原點模式，手動模式和自動搬運三種工作方式，如圖2所示。把模式開關撥到原點位置，K9接通，執行回原點程序，機械手自動回到原點位置。把模式開關撥到手動位置，則K8接通，執行手動控制程序，此時可通過K1-K6鍵手動控制機械手，此模式下，若按K10鍵，則以機械手此時的坐標重新設定原點。把模式開關撥到自動位置，則K7接通，此時執行自動搬運程序，機械手自動把工件從A點搬運到B點，循環往復。模式轉換時，系統自動記憶機械手當前的坐標和運動狀態，以便在另一個模式下能連續運行。

（二）回原點功能

初始狀態以最左邊和最上邊位置為原點。此過程中以步進電機的步為計量單位精確定位，以滿足工序的誤差要求。K9按下，單片機控制電機將機械手定位到設定原點，無需人工值守，且原點可在允許范圍內隨意設定，以滿足不同工件、不同工序的要求，大大提高了本設計的靈活性。

（三）手動操作功能

K8按下，激活手動控制程序，此時點按K1-K6鍵可實現機械手的點動運行，其行程大小可通過程序設定，以實現不同場合的需要，長按鍵則實現機械手的連續運行。此時按K10鍵重新設定原點。

（四）自動運行功能

K7按下，系統進入自動運行模式。此時系統會自動檢測機械手的位置和狀態，若機械手不在原點或有工件被夾持，則系統首先執行回原點程序，并釋放工件；否則直接執行自動運行程序。在程序的控制下，機械手首先下降到工件位置，電磁鐵斷電，將工件夾起；然后重新上升返回到原點位置，垂直方向偏移量清零；此時水平電機啟動，將機械手帶到最右側；然后垂直電機再工作將機械手帶動到工件位置，并釋放工件；然后連續執行上升、左移代碼，機械手重新回到原點，水平和垂直偏移量清零，第一個自動循環結束。只要模式轉換開關位置不變，機械手便會循環往復執行此循環動作。

三、結束語

本文采用89C52單片機作為控制核心，在C程序的控制下通過驅動電路和限位開關實現對步進電機的控制，從而實現機械手在多種工作模式下的精確運動和操作，為防止機械手的越位運動，本系統中還設置了硬件限位開關和報警功能，不但保證了系統的精度和靈活性，而且大大提高了系統的穩定性和可靠性，從而提高了企業生產的工作效率，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]郭輝.C語言程序設計[M].北京：中國傳媒大學出版社，2006.

[2]馮文旭.單片機原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2008.