注塑機(jī)械手單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王榮朝

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安710064）

注塑機(jī)械手單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王榮朝

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安710064）

主要以注塑機(jī)機(jī)械手的控制系統(tǒng)展開(kāi)論述，完成了硬件電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，包括輸入輸出模塊，步進(jìn)電機(jī)控制，單片機(jī)的選型，各驅(qū)動(dòng)模塊的選擇等。采用單片機(jī)作為CPU（Central Processing Unit）的注塑機(jī)械手控制系統(tǒng)。針對(duì)不同模塊，采用相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)。主要介紹主控制部分的電路設(shè)計(jì)，機(jī)械手采用雙自由度，由28BYJ-48的步進(jìn)電機(jī)作執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)采用ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)模塊，控制器方面采用AT89C52單片機(jī)以及復(fù)位電路、晶振電路的設(shè)計(jì)整合，鍵盤(pán)輸入采用4×4簡(jiǎn)易矩陣鍵盤(pán)，顯示屏采用數(shù)碼管顯示，由PS7219芯片驅(qū)動(dòng)，最后通過(guò)整體硬件電路圖進(jìn)行仿真模擬。該機(jī)械手在保證其原有性能的前提下，使其性價(jià)比、體積、結(jié)構(gòu)、價(jià)格和外形等均有所改善，設(shè)計(jì)出的各調(diào)整環(huán)節(jié)，很大程度上提高了人們對(duì)工具的使用便捷性。

注塑機(jī)機(jī)械手；機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì)；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)

工業(yè)機(jī)械手是在近幾十年迅猛發(fā)展起來(lái)的高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備之一。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上同時(shí)具有人和機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了智能性和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[1-2]。機(jī)械手是一種新式機(jī)械裝置，它的發(fā)展得益于機(jī)械化、自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程。機(jī)械手在各類自動(dòng)生產(chǎn)線中廣泛運(yùn)用，尤其是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)化過(guò)程中。作為一門(mén)新興的科技技術(shù)，機(jī)械手的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)已在高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)蓬勃發(fā)展，并使得自動(dòng)化和機(jī)械化與機(jī)械手更完善的有機(jī)結(jié)合起來(lái)。機(jī)械手雖然大多較為笨重，但它的可重復(fù)勞動(dòng)、不怕危險(xiǎn)和極端環(huán)境、力量大等特點(diǎn)，為人類減輕了諸多負(fù)擔(dān)。因此，機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

機(jī)械手技術(shù)涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)[3]。機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作[4]。

1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程

機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程如下：

機(jī)械結(jié)構(gòu)：機(jī)械手手臂在水平方向的運(yùn)動(dòng)即左右運(yùn)動(dòng)由伸縮步進(jìn)電機(jī)控制；垂直方向的運(yùn)動(dòng)即上下運(yùn)動(dòng)由升降步進(jìn)電機(jī)控制；夾緊裝置采用氣缸和真空吸盤(pán)，整個(gè)夾緊與松開(kāi)由電磁閥控制吸盤(pán)的空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。要完成上述動(dòng)作，該系統(tǒng)還必須具備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和單片機(jī)控制模塊。

該注塑機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式和工作過(guò)程如下：

（1）機(jī)械手可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序?qū)⒐ぜ腁處搬運(yùn)到B處。

（2）動(dòng)作過(guò)程如圖2所示，按次序依次運(yùn)行；自動(dòng)抓取A處的物體放到B處。

圖2 機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

包含控制器模塊、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤(pán)輸入模塊和顯示屏輸出模塊。

本次設(shè)計(jì)基于任務(wù)的各種要求及現(xiàn)實(shí)情況，選擇單片機(jī)系列作為控制器。本次設(shè)計(jì)選用AT89C52單片機(jī)。選用型號(hào)為28BYJ-48的步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用ULN2003.ULN2003具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)，能夠適應(yīng)本系統(tǒng)需求。

矩陣鍵盤(pán)和矩陣的鍵盤(pán)組的排布相似，被應(yīng)用于單片機(jī)外部設(shè)備中。行列式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口的利用率。

本系統(tǒng)中以PS7219芯片作為顯示器顯示中間運(yùn)行結(jié)果及狀態(tài)等。

系統(tǒng)硬件電路圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件電路圖

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及仿真

3.1 軟件設(shè)計(jì)

包含步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行程序、鍵盤(pán)輸入程序、顯示屏程序、數(shù)碼管顯示程序和protues軟件仿真。程序代碼見(jiàn)附錄。鍵盤(pán)流程圖如圖4所示。

圖4 鍵盤(pán)流程圖

部分步進(jìn)電機(jī)程序如下：

void main（）

{

diola=0； //初值

P1=0；

while（1）

{ //大臂上升

LA=1；

delay（1）；

LA=0；

LB=1；

delay（1）；

LB=0；

LC=1；

delay（1）；

LC=0；

LD=1；

delay（1）；

LD=0； }

delay（1000）；

//手臂伸出

3.2 軟件仿真

系統(tǒng)軟件部分的程序設(shè)計(jì)完成后，結(jié)合系統(tǒng)整體電路，經(jīng)過(guò)Protel軟件對(duì)程序進(jìn)行編譯，最后將程序加載到芯片中，用Proteus進(jìn)行仿真。仿真的步驟如下所示：

建立工程項(xiàng)目文件，在菜單欄中選擇project→New→uVision Project，建立名為c_egl的工程文件；建立源程序并添加到工程中；進(jìn)入Protues仿真界面，也就是上有繪制單片機(jī)的硬件接線圖；此時(shí)鼠標(biāo)再次點(diǎn)擊單片機(jī)，就會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，在對(duì)話框中的Program File中添加Keil中生成的hex文件；添加之后，找到運(yùn)行按鈕，點(diǎn)擊運(yùn)行之后，即可看到仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本次注塑機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要圍繞硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分來(lái)進(jìn)行。內(nèi)容主要包括：機(jī)械手總體方案的確定，控制系統(tǒng)控制器的選擇，執(zhí)行元件步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的選擇，輸入模塊鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)及輸出模塊顯示屏的設(shè)計(jì)。

該機(jī)械手的體積較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉且響應(yīng)速度快、定位精確，能夠完成注塑工藝中工件夾取及轉(zhuǎn)移等動(dòng)作，簡(jiǎn)單可靠。作業(yè)的準(zhǔn)確性和可靠性是機(jī)械手的工作特點(diǎn)，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著非常廣闊的發(fā)展前景。注塑成型工業(yè)的蓬勃發(fā)展，將帶動(dòng)更多的機(jī)械手被應(yīng)用于上料、混合、自動(dòng)裝卸模具、回收廢料等各個(gè)工序上，無(wú)一例外地，其發(fā)展方向的趨勢(shì)即為智能化和節(jié)能化。本文可以為一些簡(jiǎn)單注塑機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供一定的借鑒。

[1]王建明.自動(dòng)線與工業(yè)機(jī)械手技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2009.

[2]中國(guó)就業(yè)培訓(xùn)指導(dǎo)中心.機(jī)械手原理[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，2004.

[3]陳 強(qiáng).機(jī)械綜合實(shí)訓(xùn)教程[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2012.

[4]鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

Design of Single Chip Microcomputer System for Injection Molding Machine Manipulator

WANG Rong-chao
（Changan University，Xi’an 710064，China）

This paper mainly focus on the injection molding machine manipulator control system to start discussion，the use of direct control structure，completed the hardware design and software design，including input and output modules，stepper motor control，microcontroller selection，select each drive module and so on.This paper describes the use of single-chip CPU as injection molding robot control system.This injection robot control system uses the corresponding circuit design.This paper describes the circuit design of the main control part of the dual-DOF manipulator by 28BYJ-48 for stepper motor actuators，stepper motor drive module using ULN2003 chip，the controller aspect and using AT89C52 reset circuit，crystal oscillator circuit design integration，keyboard input usingsimple matrix keyboard，display with digital display，the PS7219 chip driver，and finally through the whole hardware circuit simulation.The robot in ensuring its original performance under the premise of as much as possible to improve its characteristics that the performance and price ratio.And has a smaller size，simple structure and low price，and handsome appearance，the adjustment of the design to facilitate the convenience of the body close to the use of tools.

injection molding machine manipulator；robot control circuit design；microcontroller；stepper motor

TP241.2

A

1672-545X（2017）09-0023-03

2017-06-11

王榮朝（1990-），男，河南鄭州人，碩士在讀，研究方向?yàn)殂娕贆C(jī)的數(shù)字化控制系統(tǒng)。