機械手教學模型的單片機控制系統開發

王小雨 楊打生 雲喜

【摘要】內蒙古電子信息職業技術學院機電一體化實訓室的機械手教學模型，主要由PLC控制單元為核心的控制系統來實現機械手的五維運動。為了提高設備利用率，增加單片機課程的實訓項目，在原有設備的基礎上開發了基于AT89C51的單片機控制系統，實現了PLC與單片機的雙系統控制。

【關鍵詞】機械手 單片機 PLC 控制系統

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）04-0252-01

1.引言

內蒙古電子信息職業技術學院機電一體化實訓室的機械手教學模型，主要采用PLC控制技術、氣動控制技術、步進電機驅動技術、傳感器技術來實現機械手的五維控制，完成料塊的碼放、移動等。學生的學習興趣較高，教學效果非常好。但單片機課程的實驗多以仿真軟件或硬件指示燈等形式為主，缺少機械運動控制。同時，將PLC與單片機這兩個機電一體化控制系統中應用廣泛的控制器在同一控制對象上使用，即實現了資源整合提高設備利用率，也便于學生對兩個控制系統進行優勢對比，利于培養全面的高素質機電一體化人才。

2.機械手教學模型的組成結構

機械手模型采用臺式結構，配有PLC主機、滾珠絲桿、滑軌、氣動元件、步進電機及其驅動模塊、傳感器、光電編碼器等。可實現機械手五維控制，完成料塊的碼放、移動等。該裝置可培養學生掌握PLC編程及系統調試、掌握直流電機、步進電機的使用及速度位置控制、插補控制、傳感器的使用及調整，通過該設備的學習可讓學生掌握位置控制技術，培養學生構建控制系統的能力。

該裝置從機構上分為：機械手本體單元、控制單元、接口單元、電源單元等組成。

1）立體機械手本體單元：該單元由五自由度機械手、位置傳感器、旋轉編碼器單元等組成。

2）控制單元：該單元可分別由西門子S7-200 226 PLC控制系統和AT89C51的單片機控制系統組成。

3）接口單元：該單元將系統中所有控制單元、執行單元、檢測單元、輸入輸出單元的信號都引到面板上，由學生自行完成線路連接設計，且每個單元自身的線路具有獨立性，具備擴展功能。

4）電源單元：電源單元是由開關電源提供系統工作的直流24V電壓。

機械手本體按功能分為由二軸平移機構、旋轉底盤、 旋轉手臂機構、氣動夾手、支架、限位開關等部件組成；按活動關節分為S軸、L軸、U軸、T軸、B軸等機構，其結構示意圖如圖2所示：

3.單片機控制系統接口原理圖

輸入、輸出接口電路分別如圖3所示，使用TLP521-4進行光電隔離，防止干擾，功率驅動集成電路ULN2803分別驅動繼電器或指示燈，實現對機械手運行動作的控制。

4.結論

在現有的PLC機械手教學模型上開發設計出了一套基于AT89C51的單片機控制系統，使該教學模型成為可以使用51單片機驅動控制的教學設備，增加了機電一體化專業《單片機原理與應用》課程的實訓項目，提高了學生對單片機系統控制的綜合應用能力。

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