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。
2 AT89C52控制系統設計
2．1 接口與內存地址的映像關系
備料單元PLC-I／O接口與AT89C52控制系統的并行8255地址及內存輸入／輸出映像關系見表1。
2．2 AT89C52控制系統電路設計
從I／O接口表可知，該備料機械手的輸入有15點，輸出有9點，所以系統要擴展1片8255，并定義PA口，PB口為輸入，PC口為輸出，利用P1．0作為輸出接口作為輸出指示燈。考慮到上位機的控制需要，設計了由MAX 232組成的串行通信電路，AT89C52內部有8 KB的ROM，地址范圍由0000H～1FFFH，可以滿足控制的需要，故外部不再擴充存儲器。電路如圖2所示。設計8255的／CS、P2．7端為邏輯零，其他未用到的地址線為邏輯1，則8255的PA口地址為7FFC，8255的PB口地址為7FFD，8255的PC口地址為7FFE，8255的控制寄存器地址為7FFF。
2．3 系統I／O接口電路設計
原系統由PLC作為控制器，故其信號均為24 V直流電壓信號。為適應單片機控制系統的需要，需將機械手側的24 V信號轉換為單片機能夠接受的TTL電平，同時能夠消除傳感器、開關的突動干擾的影響。所以設置光電隔離器件實現電平轉換和消除干擾。光電隔離器件采用TLP521-4，輸入由LED指示電路反映輸入的實際情況，以檢測輸入故障。輸入接口電路如圖3所示。
輸出接口電路的作用主要是進行功率驅動和消除干擾和電平轉換，電路如圖4所示，由TLP521-4進行光電隔離，將計算機與機械手電路側隔離，經功率驅動集成電路ULN2003A和達林頓晶體管驅動后，分別驅動繼電器或指示燈，實現機械手的動作控制。
2．4 直流電機驅動電路設計
直流電機的工作電流比較大，輸出接口電路不能直接驅動，需要用繼電器進行功率放大，即先驅動繼電器線圈，再由繼電器觸點來實現電機的24 V供電。對于永磁式直流電機，可利用改變電樞繞組的電流方向實現電機的正、反轉和停的控制，如機械手上升，KA0通電、KA1斷電，這時24 V通過KA0常開(閉合)通過上下限位開關到電機電樞繞組，從另一對常開回到24 V地。機械手下降時KA0斷電，KA1通電，其過程類似于機械手上升，直流電機驅動電路見圖5所示。電樞回路串聯了兩個方向的超程限位開關，當由于軟件或其他故障引起限位開關動作，將切斷電樞回路電源，電機停止，實現了電氣保護。
2．5 軟件設計
利用串行通信，將目前機械手狀態(單片機內存26H，27H，28H的內容)發送到上位機，并將上位機的命令接受后，存儲到25H單元。
初始化串行通信異步、雙工，8255初始化PA，PB和P1．0為0，機械手處于停止狀態。
機械手的工作方式分為手動或自動狀態。手動由本工作站的控制按鈕控制，自動采用串行通信接收上位機命令，并控制本位的機械手動作。若起動后機械手沒有在初始位置，則機械手應先回到初始位置，系統初始化見圖6所示。隨后，系統接受指令，按照指令要求運行，程序流程見圖7所示。
因為程序要不停的調用輸入和輸出程序，故將8255的輸入采樣和輸出編寫專門的子程序：
8255INPUT：MOV DPTR#7FFCH；
MOVX A，@DPTR；
MOV 20H，A
INC DPTR
MOVX A，@DPTR；
MOV 21H，A
RET
8255OUT： MOV DPTR#7FFEH
MOV A，23H
MOVX@DPTR，A
MOOV P1．0，24．0
RET
驅動機械手動作的電機正轉和反轉進行了互鎖設計，以免短路電源。順序動作程序略。
3 調試
為保證機械手的安全運行，調試時用開關模擬機械手的狀態信號，按機械手的動作控制模擬輸入，觀察輸入接口板的狀態指示和輸出接口板的繼電器動作情況，待控制功能與機械手的控制要求吻合時，再連接機械手的實際輸入和輸出信號。配備開關型穩壓電源輸出24 V／20 A，5 V／2 A。急停信號要對電源進行控制。設計一個專門的轉接板，將機械手和本位操作臺上的輸入和輸出信號分離，然后輸入／輸出到輸入接口和輸出接口板上，以便于切換PLC和單片機的控制。
4 結論
通過實驗檢驗，單片機控制系統運行可靠，實現了雙向通信功能，為利用上位機的組態控制，實現現場再現等提供了極大方便。該系統體現了單片機在工業生產方面的控制能力，展現了單片機在工業控制系統中的綜合應用，為開展機械手的控制實驗、機電一體化和電氣自動化專業學生的綜合實驗實訓又建立了一個新平臺。