基于PC和單片機的物料自動提取裝置設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：利用電腦串口調(diào)試軟件與單片機通信，單片機將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，控制步進(jìn)電機把物料盤轉(zhuǎn)動到指定位置，同時單片機控制機械手臂和臂爪動作，將機械手臂轉(zhuǎn)動到相應(yīng)位置抓取物料，并將物料放置到指定位置，從而實現(xiàn)通過PC控制物料的自動提取，達(dá)到準(zhǔn)確提取物料和放置物料的目的，簡化了生產(chǎn)中的操作流程。

關(guān)鍵詞：單片機；步進(jìn)電機；舵機；串口調(diào)試軟件

在工業(yè)生產(chǎn)中，要提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品廢品率，只有通過簡化生產(chǎn)流程，使設(shè)備人性化、智能化才能得以實現(xiàn)。特別是生產(chǎn)對象種類較多，而且物料提取操作重復(fù)性很高的場合，如果采用人工取件的方式，不但效率低而且容易出現(xiàn)取錯件、裝錯件的情況，不但增加了生產(chǎn)成本，產(chǎn)品廢品率也提高了。因此，在一些特定場合，利用更加智能化的生產(chǎn)設(shè)備，解放人的雙手是很有必要的。此物料自動提取裝置的設(shè)計為解決這一問題提供了新的途徑，從而提高了生產(chǎn)效率。同時，此系統(tǒng)也可用于醫(yī)院藥房，實現(xiàn)藥物自動準(zhǔn)確抓取，減少了藥房管理員繁鎖的找藥流程。也可用于庫房，實現(xiàn)倉庫自動化存取。

1 系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)主體構(gòu)架圖如圖1所示。

本系統(tǒng)為一套物料自動提取裝置，該裝置控制精度高、抓取物料定位準(zhǔn)確、噪聲低、維護(hù)成本低。可作為工業(yè)生產(chǎn)中物料自動提取、倉庫智能管理中的一個實驗平臺。系統(tǒng)主要由：步進(jìn)電機及其驅(qū)動、位置定位檢測、手臂動作控制、單片機及其系統(tǒng)程序等幾個部分組成。其動作流程圖如圖2所示。

2 各組成部分設(shè)計與分析

2.1 步進(jìn)電機及其驅(qū)動

根據(jù)系統(tǒng)要求，將使用兩個步進(jìn)電機，其中一個控制物料盤精確轉(zhuǎn)動與定位，另一個控制機械手臂動作。由于對步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動精度要求不高，故采用兩相四拍步進(jìn)電機，對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個步距角，此二相電機的步距角為1.8度，即電機運轉(zhuǎn)200步為一周。

步進(jìn)電機驅(qū)動部分采用MX-2H304D型步進(jìn)電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器主要用于驅(qū)動57型，相電流為3A及以下二相混合式電機，具有單雙脈沖方式，可設(shè)定16檔電流，設(shè)定分辨率為0.2A，本驅(qū)動器采用直流供電，下限值DC24V，上限D(zhuǎn)C40V，帶有正反轉(zhuǎn)控制和使能端，各項參數(shù)完全能滿足此系統(tǒng)設(shè)計要求，其與步進(jìn)電機接線原理圖如圖3所示。

2.2 位置定位檢測

對于物料盤與機械手臂都有一個初始位置，此位置定位精確與否直接影響到能否準(zhǔn)確抓取到對應(yīng)物料，考慮到此系統(tǒng)的特殊性，采用紅外反射式光電開關(guān)作為位置檢測元件。在物料盤與機械手臂下方均安裝了一塊位置檢測板，紅外光電開關(guān)安裝到機箱指定位置，一旦檢測板轉(zhuǎn)動到光電開關(guān)正上方，光電開關(guān)將向單片機發(fā)送信號，單片機收到此信號后對物料盤和機械手臂做出相應(yīng)動作。

2.3 機械手臂動作控制

機械手臂完成的動作主要有：抓取物料、放置物料和手臂復(fù)位。當(dāng)程序運行到手臂動作部分時，首先，單片機控制手臂氣動閥門使手臂上升，手臂步進(jìn)電機從初始位置轉(zhuǎn)動指定角度到達(dá)取料位置，機械手臂開始抓取物料。抓取物料動作主要有：臂爪張開、手臂下降、臂爪閉合（抓住物料）、手臂上升（提取出物料）。抓取物料后，單片機控制手臂步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動到放置物料位置，手臂將完成放置物料動作，其動作主要有：手臂下降、臂爪張開（松開物料）、手臂上升。最后，手臂將做一次復(fù)位動作停放到復(fù)位區(qū)。在手臂復(fù)位過程中，通過判斷手臂下方的光電開關(guān)來確定初始位置，手臂按指定方向轉(zhuǎn)動，一旦觸發(fā)光電開關(guān)，即可判斷其已到達(dá)初始位置，單片機將停止手臂轉(zhuǎn)動，并且放下手臂，完成復(fù)位。

臂爪的張開和閉合使用MG995舵機控制，舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的旋轉(zhuǎn)角度，控制脈沖寬度從0.5ms到2.5ms之間變化，對應(yīng)轉(zhuǎn)角從0°到180°變化。

2.4 單片機電路及系統(tǒng)程序

2.4.2 單片機程序設(shè)計

主程序的設(shè)計流程為：開始、程序初始化（設(shè)定定時器與各控制端初始值并開中斷）、等待中斷三個部分在單片機與PC通信部分，采用MAX232通信芯片與PC實現(xiàn)通信，在PC控制端，采用簡單的串口調(diào)試程序向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)。在PC端設(shè)置好串口調(diào)試程序的串口號、波特率以及數(shù)據(jù)位，然后輸入要發(fā)送的十六進(jìn)制數(shù)即可發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機程序初始化中也要設(shè)置好與PC端相對應(yīng)的波物率和SCON串口控制寄存器值，一旦PC向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，程序立即進(jìn)入中斷服務(wù)程序執(zhí)行命令。

3 設(shè)備誤差分析

這里所指的誤差主要是機械手臂抓取物料時手臂與物料之間的相對位置。如果相對位置角度越小，也就是物料與手臂重合度越高，抓取物料準(zhǔn)確度越高。此誤差來源主要有兩方面，一是物料盤和機械手臂在復(fù)位后沒有完全停留在復(fù)位點、步進(jìn)電機在負(fù)載運行時負(fù)荷過大，在停止瞬間由于慣性力作用導(dǎo)致“失步”現(xiàn)象。二是光電開關(guān)靈敏度過高，使位置檢測板還未到達(dá)檢測位置時已經(jīng)觸發(fā)。

針對上述兩方面的問題，采用以下方式加以補償：（1）在步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動過程中，通過控制速度的方式來減少電機停車失步問題，即，步進(jìn)電機即將轉(zhuǎn)動到停止位置時，減慢轉(zhuǎn)動速度，使“停車”時慣性力減小。（2）采用靈敏度低的光電開關(guān)或靈敏度可調(diào)式光電開關(guān)作為檢測元件，降低復(fù)位點位置的誤差。

4 結(jié)束語

利用PC與單片機搭建的自動物料提取裝置，不但可以實現(xiàn)電腦一體化控制，簡化了操作流程，使設(shè)備更加智能化，而且作為一個實驗性平臺，可以為后續(xù)開發(fā)更加人性化的操作界面提供思路。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒顯圣.單片機原理與應(yīng)用項目式教程[M].機械工業(yè)出版社，2010（7）：203-211.