王榮朝

（長安大學(xué)，陜西 西安710064）

注塑機械手單片機系統(tǒng)設(shè)計

王榮朝

（長安大學(xué)，陜西 西安710064）

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

注塑機機械手；機械手控制電路設(shè)計；單片機；步進電機

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

機械手技術(shù)涉及力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)[3]。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作[4]。

1 機械手的結(jié)構(gòu)及動作過程

機械手結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機械手結(jié)構(gòu)示意圖

機械手的動作過程如下：

機械結(jié)構(gòu)：機械手手臂在水平方向的運動即左右運動由伸縮步進電機控制；垂直方向的運動即上下運動由升降步進電機控制；夾緊裝置采用氣缸和真空吸盤，整個夾緊與松開由電磁閥控制吸盤的空氣來實現(xiàn)。要完成上述動作，該系統(tǒng)還必須具備步進電機驅(qū)動模塊和單片機控制模塊。

該注塑機械手的運動方式和工作過程如下：

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

（2）動作過程如圖2所示，按次序依次運行；自動抓取A處的物體放到B處。

圖2 機械手動作過程

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

包含控制器模塊、步進電機及其驅(qū)動模塊、鍵盤輸入模塊和顯示屏輸出模塊。

本次設(shè)計基于任務(wù)的各種要求及現(xiàn)實情況，選擇單片機系列作為控制器。本次設(shè)計選用AT89C52單片機。選用型號為28BYJ-48的步進電機，該步進電機驅(qū)動模塊選用ULN2003.ULN2003具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、負載能力強等特點，經(jīng)試驗，能夠適應(yīng)本系統(tǒng)需求。

矩陣鍵盤和矩陣的鍵盤組的排布相似，被應(yīng)用于單片機外部設(shè)備中。行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機系統(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 機械手控制系統(tǒng)硬件電路圖

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計及仿真

3.1 軟件設(shè)計

包含步進電機執(zhí)行程序、鍵盤輸入程序、顯示屏程序、數(shù)碼管顯示程序和protues軟件仿真。程序代碼見附錄。鍵盤流程圖如圖4所示。

圖4 鍵盤流程圖

部分步進電機程序如下：

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)計完成后，結(jié)合系統(tǒng)整體電路，經(jīng)過Protel軟件對程序進行編譯，最后將程序加載到芯片中，用Proteus進行仿真。仿真的步驟如下所示：

建立工程項目文件，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；進入Protues仿真界面，也就是上有繪制單片機的硬件接線圖；此時鼠標(biāo)再次點擊單片機，就會彈出一個對話框，在對話框中的Program File中添加Keil中生成的hex文件；添加之后，找到運行按鈕，點擊運行之后，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

本次注塑機械手的設(shè)計主要圍繞硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分來進行。內(nèi)容主要包括：機械手總體方案的確定，控制系統(tǒng)控制器的選擇，執(zhí)行元件步進電機及其驅(qū)動的選擇，輸入模塊鍵盤的設(shè)計及輸出模塊顯示屏的設(shè)計。

該機械手的體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉且響應(yīng)速度快、定位精確，能夠完成注塑工藝中工件夾取及轉(zhuǎn)移等動作，簡單可靠。作業(yè)的準(zhǔn)確性和可靠性是機械手的工作特點，其在國民經(jīng)濟各領(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，將帶動更多的機械手被應(yīng)用于上料、混合、自動裝卸模具、回收廢料等各個工序上，無一例外地，其發(fā)展方向的趨勢即為智能化和節(jié)能化。本文可以為一些簡單注塑機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用提供一定的借鑒。

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

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

[3]陳 強.機械綜合實訓(xùn)教程[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2012.

[4]鄧星鐘.機電傳動控制[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，研究方向為銑刨機的數(shù)字化控制系統(tǒng)。