基于單片機的機床上下料直角坐標(biāo)機器人的設(shè)計

太 原 工 業(yè) 學(xué) 院□吳 璞 蘭 博

大秦鐵路股份有限公司□夏長林

中北大學(xué)機械工程學(xué)院□景鴻翔

1 引言

目前在我國數(shù)控機床的上下料作業(yè)中， 多采用人工作業(yè)的方式完成。 然而機床上下料是一項強度大、 重復(fù)率高、 工作環(huán)境惡劣且具有一定危險性的工作， 傳統(tǒng)的人工耗時長、 效率低已無法適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求。 隨著當(dāng)今控制技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展， 機器人技術(shù)的發(fā)展也逐步迎來了更高的水平， 達(dá)到了全新的高度。 工業(yè)生產(chǎn)過程中的手動操作、 人工上下料等傳統(tǒng)生產(chǎn)方式逐漸被機器人自動作業(yè)所取代。

本文針對盤類零件的上下料加工作業(yè)需求，設(shè)計了一臺基于單片機控制的直角坐標(biāo)機器人。該機器人以機械本體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、 電動為驅(qū)動系統(tǒng)、 單片機為控制方式， 實現(xiàn)了機械、 電子、 控制等多學(xué)科的統(tǒng)合， 能夠代替人工實現(xiàn)盤類零件的自動上下料作業(yè)。

2 物料分析與機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1） 物料的選取

本設(shè)計中選取的物料為機械行業(yè)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(nèi)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(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計與仿真

由于物料的形狀為圓形， 因此末端執(zhí)行器手指部分采用V 形塊結(jié)構(gòu)， 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(shè)計為具有滑槽的活動形式， 并在滑槽內(nèi)裝有彈簧， 目的是為了進(jìn)一步增加機器人末端執(zhí)行機構(gòu)在動作時的容差， 起到一定的緩沖作用。 末端執(zhí)行機構(gòu)整體則采用舵機作為執(zhí)行元件， 通過曲柄滑塊機構(gòu)將舵機的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運動， 并再次通過兩個對稱的曲柄滑塊機構(gòu)帶動兩個手指進(jìn)行動作。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 末端執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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

由于舵機的運動應(yīng)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(zhí)行機構(gòu)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(gòu)能夠很好的抓持物料。 該機構(gòu)的關(guān)鍵關(guān)節(jié)為“關(guān)節(jié)1”， 因此對其驅(qū)動力的變化情況進(jìn)行了分析， 其結(jié)果如圖4b） 所示。 從圖中可以得出該關(guān)節(jié)運動時所需要的最大驅(qū)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(shè)計要求。

圖3 末端執(zhí)行機構(gòu)自鎖位置

圖4 仿真結(jié)果

（3） 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本設(shè)計中， 由于步進(jìn)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(jìn)電機作為執(zhí)行機構(gòu)， 從而通過其構(gòu)成一個簡單的開環(huán)系統(tǒng)。 直角坐標(biāo)機器人的三個運動軸均采用步進(jìn)電機帶動絲杠螺母機構(gòu)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(jìn)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(biāo)機器人上下料系統(tǒng)示意圖

機器人自動上下料作業(yè)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(jìn)行上料； 之后退出機床工作區(qū)， 向機床發(fā)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(nèi)。 如此反復(fù)。

3 硬件電路設(shè)計

硬件部分主要包括STC89C52RC 主控芯片、 步進(jìn)電機及其驅(qū)動模塊 （A4988）、 限位開關(guān)、 舵機驅(qū)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(tǒng)。 其電路結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

根據(jù)I/O 接口的數(shù)量大于實際應(yīng)用10%的選用原則， 采用兩片單片機組成一個主從系統(tǒng)來對機器人進(jìn)行控制， 二者之間采用串口通信來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 其中從機進(jìn)行矩陣鍵盤的鍵值獲取， 并采用串口中斷的方式將其發(fā)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(jié)構(gòu)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(shè)計

由電路原理圖可知， 機器人的控制需求包括： 步進(jìn)電機控制、 限位開關(guān)狀態(tài)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(guān)與一個步進(jìn)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(zhuǎn)和初始化系統(tǒng)坐標(biāo)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(shè)計

輸入方面， 通過串口中斷接收從機發(fā)送過來的鍵值信息， 并給出相應(yīng)的命令。 由于采用中斷方式接受鍵值， 故可以提高控制系統(tǒng)的實時性； 輸出方面， 在LCD 液晶顯示屏上顯示內(nèi)存中的程序信息或機器人的實時坐標(biāo)， 并結(jié)合矩陣鍵盤， 構(gòu)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(zhí)行機構(gòu)動作并通過X、 Y、 Z 三個坐標(biāo)軸進(jìn)行固定坐標(biāo)點位置的移動； 同時考慮到電機啟停瞬間對機構(gòu)的剛性沖擊較大， 因此應(yīng)在啟停階段加入加減速功能， 以減小沖擊， 從而延長步進(jìn)電機的使用壽命； 文件系統(tǒng)方面， 對內(nèi)存中的程序進(jìn)行相應(yīng)的文件操作， 如新建、 編輯、 刪除、 選中和存儲等； 最后在此基礎(chǔ)上，對機器人上下料路徑進(jìn)行設(shè)置和自動控制。 另外， 考慮到物料置于具有陣列性質(zhì)的托盤中，故增加陣列設(shè)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(shè)計

機器人從機通過查詢方式對矩陣鍵盤的鍵值進(jìn)行掃描。 一旦有按鍵被按下， 則通過從機對鍵值進(jìn)行確定， 并將其以串口中斷的方式發(fā)送給機器人主機， 以使機器人進(jìn)行某種動作， 從而達(dá)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(tǒng)的實時性， 通過串口中斷的通信方式， 進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

5 結(jié)論

本論文研究可用于生產(chǎn)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(yè)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(chǎn)過程中的安全性和穩(wěn)定性， 且其靈活程度高， 當(dāng)所用物料變更時， 只需對抓取機構(gòu)進(jìn)行改動便可適應(yīng)新產(chǎn)品， 因而應(yīng)用領(lǐng)域廣泛， 具有廣闊的市場前景。