基于單片機的機床上下料直角坐標機器人的設計

太 原 工 業 學 院□吳 璞 蘭 博

大秦鐵路股份有限公司□夏長林

中北大學機械工程學院□景鴻翔

1 引言

目前在我國數控機床的上下料作業中， 多采用人工作業的方式完成。 然而機床上下料是一項強度大、 重復率高、 工作環境惡劣且具有一定危險性的工作， 傳統的人工耗時長、 效率低已無法適應現代化生產的需求。 隨著當今控制技術的進步與發展， 機器人技術的發展也逐步迎來了更高的水平， 達到了全新的高度。 工業生產過程中的手動操作、 人工上下料等傳統生產方式逐漸被機器人自動作業所取代。

本文針對盤類零件的上下料加工作業需求，設計了一臺基于單片機控制的直角坐標機器人。該機器人以機械本體結構為基礎、 電動為驅動系統、 單片機為控制方式， 實現了機械、 電子、 控制等多學科的統合， 能夠代替人工實現盤類零件的自動上下料作業。

2 物料分析與機器人結構設計

（1） 物料的選取

本設計中選取的物料為機械行業中典型的盤類零件——槽輪零件。 該物料外圓直徑為80mm，厚度為4mm； 內圓直徑為60mm， 厚度為6mm。其三維模型如圖1 所示。

圖1 槽輪毛胚的三維模型

（2） 末端執行機構的設計與仿真

由于物料的形狀為圓形， 因此末端執行器手指部分采用V 形塊結構， 通過V 形塊的對心作用增加抓取時的容差。 同時將其安裝形式設計為具有滑槽的活動形式， 并在滑槽內裝有彈簧， 目的是為了進一步增加機器人末端執行機構在動作時的容差， 起到一定的緩沖作用。 末端執行機構整體則采用舵機作為執行元件， 通過曲柄滑塊機構將舵機的往復旋轉運動轉化為往復直線運動， 并再次通過兩個對稱的曲柄滑塊機構帶動兩個手指進行動作。 其內部結構如圖2 所示。

圖2 末端執行機構內部結構

在設計好機器人的末端執行機構后， 基于Matlab 軟件中的SimMechanics 模塊對其進行建模并進行運動分析。 末端執行機構動作時的兩個極限位置均設計為機械死點位置， 以保護舵機， 從而增加其使用壽命。 該機構的兩個極限位置如圖3 所示。

由于舵機的運動應具有加減速功能， 因此選用正弦信號作為輸入信號。 機器人末端執行機構的抓持端活動范圍如圖4a） 所示。 其張開和閉合的極限位置分別約為64mm 和92mm， 而物料的外圓直徑為80mm， 故該機構能夠很好的抓持物料。 該機構的關鍵關節為“關節1”， 因此對其驅動力的變化情況進行了分析， 其結果如圖4b） 所示。 從圖中可以得出該關節運動時所需要的最大驅動力約為40N， 同時其曲線過渡比較平滑， 幾乎沒有剛性沖擊， 基本滿足設計要求。

圖3 末端執行機構自鎖位置

圖4 仿真結果

（3） 整體結構的設計

本設計中， 由于步進電機只有周期誤差而沒有累積誤差的特點， 因而其精度較高， 故采用步進電機作為執行機構， 從而通過其構成一個簡單的開環系統。 直角坐標機器人的三個運動軸均采用步進電機帶動絲杠螺母機構動作。 其布置方式采用三軸T 字型布置方式， 并對其實際布置方式進行了改良， 以降低對機器人運動軸材料強度的要求。 其整體布局如圖5 所示。

圖5 直角坐標機器人上下料系統示意圖

機器人自動上下料作業流程如下： 首先機器人移動到上料架位置， 獲取待加工的物料；然后移動到加工位置， 進行上料； 之后退出機床工作區， 向機床發送就緒信號， 等待機床加工。 待接收到機床加工完成信號后， 機器人移動到加工位置， 獲取加工好的物料； 然后移動到下料架位置， 將成品置于下料架托盤內。 如此反復。

3 硬件電路設計

硬件部分主要包括STC89C52RC 主控芯片、 步進電機及其驅動模塊 （A4988）、 限位開關、 舵機驅動、 存儲器芯片、 串行通信、 以矩陣鍵盤為輸入和以LCD 液晶顯示屏為輸出的簡單的人機交互界面， 并由兩塊主控芯片組成一個主從控制系統。 其電路結構圖如圖6 所示。

根據I/O 接口的數量大于實際應用10%的選用原則， 采用兩片單片機組成一個主從系統來對機器人進行控制， 二者之間采用串口通信來進行數據傳輸。 其中從機進行矩陣鍵盤的鍵值獲取， 并采用串口中斷的方式將其發送給主機， 以保證機器人的實時反饋， 其I/O 分配及原理圖分別如表1 和圖7所示。 其余功能則由主機完成， 其I/O 分配及原理圖分別如表2 和圖8 所示。

圖6 硬件電路結構圖

表1 從機I/O 分配表

圖7 從機原理圖

表2 主機I/O 分配表

4 軟件程序設計

由電路原理圖可知， 機器人的控制需求包括： 步進電機控制、 限位開關狀態采集、 舵機控制、 存儲器芯片讀寫控制、 LCD 液晶顯示控制、 矩陣鍵盤的鍵值獲取、 主從機串口通信和機器人與機床之間的通信。 其中每兩個限位開關與一個步進電機配合使用， 以確定運動軸的起始端和終止端， 從而限定運動軸的行程，并起到防止電機堵轉和初始化系統坐標系的作用； 而存儲器芯片則用于機器人自動程序的存放。

（1） 主機程序設計

輸入方面， 通過串口中斷接收從機發送過來的鍵值信息， 并給出相應的命令。 由于采用中斷方式接受鍵值， 故可以提高控制系統的實時性； 輸出方面， 在LCD 液晶顯示屏上顯示內存中的程序信息或機器人的實時坐標， 并結合矩陣鍵盤， 構成一個簡單的用戶界面， 以便人工操作編程； 運動控制方面， 機器人的末端執行機構動作并通過X、 Y、 Z 三個坐標軸進行固定坐標點位置的移動； 同時考慮到電機啟停瞬間對機構的剛性沖擊較大， 因此應在啟停階段加入加減速功能， 以減小沖擊， 從而延長步進電機的使用壽命； 文件系統方面， 對內存中的程序進行相應的文件操作， 如新建、 編輯、 刪除、 選中和存儲等； 最后在此基礎上，對機器人上下料路徑進行設置和自動控制。 另外， 考慮到物料置于具有陣列性質的托盤中，故增加陣列設置功能來簡化程序的編寫， 以減輕操作員的工作量。 其流程如圖9、 圖10、 圖11 所示。

圖8 主機原理圖

圖9機器人主程序

圖10 文件處理子程序

圖11 自動上下料子程序

（2） 從機程序設計

機器人從機通過查詢方式對矩陣鍵盤的鍵值進行掃描。 一旦有按鍵被按下， 則通過從機對鍵值進行確定， 并將其以串口中斷的方式發送給機器人主機， 以使機器人進行某種動作， 從而達到人機交互的目的。 由于將矩陣鍵盤的查詢由從機單獨控制， 與主機隔離開來， 因此矩陣鍵盤值的獲取并不會占用主機的資源， 從而提高了系統的實時性， 通過串口中斷的通信方式， 進一步提高了系統的響應速度。

5 結論

本論文研究可用于生產實際中的上下料機器人。 該上下料機器人不但能夠提高作業效率， 降低成本， 減輕工人的勞動量， 同時還能大大地提高生產過程中的安全性和穩定性， 且其靈活程度高， 當所用物料變更時， 只需對抓取機構進行改動便可適應新產品， 因而應用領域廣泛， 具有廣闊的市場前景。