基于STC15F408AD單片機的機械手控制器設(shè)計

劉煥平，　侯立峰

( 石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，河北 石家莊　050081)

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基于STC15F408AD單片機的機械手控制器設(shè)計

劉煥平，侯立峰

( 石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，河北 石家莊050081)

摘要：以亞龍YL-G001型雙軸機械手為控制對象，設(shè)計了基于STC15F408AD型單片機的機械手控制器，該控制器由輸入電路、輸出電路、微控制器、電源模塊和RS-232通信模塊組成，通過程序設(shè)計可以實現(xiàn)對機械手各種動作的控制.

關(guān)鍵詞：單片機；機械手；控制器

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大量的新型制造設(shè)備在實際生產(chǎn)中不斷涌現(xiàn).工業(yè)機械手作為一種先進的制造設(shè)備在生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.工業(yè)中大量的生產(chǎn)活動存在著不便于人工操作的環(huán)節(jié)，特別是在工作環(huán)境較危險的情況下，如果使用機械手則可以增加安全性，節(jié)約損耗，提高效率.亞龍YL-G001型雙軸機械手是眾多機械手控制器中的一種，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，簡單易學(xué)，特別適合于初學(xué)者[1].本文以亞龍YL-G001型雙軸機械手為控制對象，設(shè)計了一種基于STC15F408AD型單片機的機械手控制器.

1YL-G001型雙軸機械手的主體結(jié)構(gòu)

YL-G001型雙軸機械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示.其主體包括機械臂和手爪部分、直流電機和絲杠部分、氣動裝置和電氣部分，除此之外還有各種檢測用傳感器.機械臂和手爪部分完成物料的搬運和抓取工作，通過控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)機械臂沿絲杠做水平方向運動到達指定位置的目的，通過氣動裝置可以實現(xiàn)機械臂的升降和手爪的抓取動作.通過控制氣缸1可以控制機械臂的升降，通過控制氣缸2可以控制手爪的抓緊和松開動作.檢測用傳感器部分包括行程開關(guān)、光纖傳感器和智能傳感器.行程開關(guān)安裝在機械臂水平運動的軌道上，用于檢測機械臂是否到達工位1、工位2、工位3的位置；手爪上安裝有光電傳感器，用于進行手爪上有無料的檢測；智能傳感器安裝在物料檢測位，用于對物料檢測位進行有無物料、物料特性的檢測[2].

圖1　YL-G001型雙軸機械手主體結(jié)構(gòu)

YL-G001型雙軸機械手的電氣接線端口的端子接線圖如圖2所示.

圖2　YL-G001型雙軸機械手端子接線圖

2控制器總體設(shè)計方案

機械手控制器的組成框圖如圖3所示.機械手控制器由輸入電路、輸出電路、微控制器、電源模塊和RS-232通信模塊組成.本設(shè)計中的微控制器選用STC15F408AD單片機.輸入電路主要由光耦和輸入端子排組成，光耦可以起到穩(wěn)定電壓和隔離的作用.輸出電路主要由繼電器和輸出端子排組成，單片機通過控制繼電器的通斷達到控制輸出的目的.電源模塊接收來自外部電源的信號，輸出穩(wěn)定的電壓信號，避免控制器受到外界信號的沖擊.RS-232通信模塊既可以實現(xiàn)控制器與其他外部設(shè)備之間的串行通信，又可以完成單片機程序的下載和燒寫.控制器的輸入端子排和輸出端子排與機械手控制器的電氣接線端子相連.在使用控制器控制機械手之前，需要首先完成機械手電氣接線端子與控制器輸入端子、輸出端子的硬件連接.

圖3　機械手控制器的組成框圖

3控制器的設(shè)計

3.1硬件設(shè)計

控制器的電路原理如圖4所示.圖4中，STC15F408AD是宏晶科技生產(chǎn)的高性能單片機，其處理速度比普通8051快8～12倍，工作電壓5.5～2.4V，包括26個I/O端口，設(shè)有8 k字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲器，可擦寫10萬次以上，內(nèi)部集成高精度R/C時鐘，時鐘頻率為5～35 MHz.G1-G10是10個光耦，型號為EL817.EL817型光耦體積小，隔絕能力強，隔離電壓可達到5000 V/ms.J1-J5是繼電器，型號為JQC-3FF 24VDC-1zs，該繼電器觸點在125 V AC時，可開關(guān)12 A的負載.IN1和IN2為輸入端子排，共有10個端子，OUT為輸出端子排，共有5個端子.L15是電源工作狀態(tài)指示燈，L17-L21是5個輸出端子指示燈，L1-L10是10個輸入端子指示燈，當(dāng)指示燈亮?xí)r說明對應(yīng)部件處于工作狀態(tài).AP1501是開關(guān)型直流-直流(DC/DC)變換器，其內(nèi)部集成有頻率補償發(fā)生器，開關(guān)頻率為150 kHz，輸出電壓范圍為1.23～37 V，具有熱關(guān)斷和限流保護功能，輸出負載電流最大為5 A.MAX202實現(xiàn)單片機的TTL電平與RS-232串行通信接口信號電平的轉(zhuǎn)換.

圖4　控制器的電路原理圖

3.2軟件設(shè)計實例分析

3.2.1任務(wù)描述

將物料小球從工位1對應(yīng)的位置處抓取，運送到物料臺上與工位3對應(yīng)的位置處，并放置小球，然后返回到工位1對應(yīng)的位置處抓取下一個小球，反復(fù)重復(fù)此過程.

3.2.2硬件資源分配

在進行程序設(shè)計前，需要對機械手上的電氣接線端子與控制器的輸入端子、輸出端子進行連接，這種連接沒有固定的規(guī)則，只要輸入端子對應(yīng)連接，輸出端子對應(yīng)連接即可.之后，列出端子分配表，以便于編程.表1就是按照實際的端子連線圖列出的端子分配表.

表1　端子分配表

3.2.3程序設(shè)計

通過程序可以實現(xiàn)對機械手各種動作的控制，如升降、抓取、放置、移動.在編寫程序的過程中，尤其要注意判斷夾取物料工位和放置物料工位的位置信息.根據(jù)本任務(wù)要求，程序設(shè)計流程如圖5所示.

圖5　程序流程圖

4結(jié)語

該控制器雖然以亞龍YL-G001型雙軸機械手為控制對象，但同樣適用于多種類型的機械手.通過對控制器進行編程可以靈活控制機械手的動作，該控制器性能穩(wěn)定，可以實現(xiàn)對機械臂和手抓部分的精確控制.

參考文獻：

[1]劉煥平.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2008：139-141.

[2]浙江亞龍教育裝備股份有限公司.亞龍YL-G001型智能物料搬運裝置[EB/OL].(2014-06-25)[ 2015-12-20].http://www.caigou.com.cn/c476/product_1904091.shtml#.

責(zé)任編輯：吳瑞紅

Designing of the industrial robot arm controller by STC15F408AD MCU

LIU Huan-ping,HOU Li-feng

(Department of Mechanics and Electrics, Shijiazhuang Vocational Technology Institute, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

Abstract：Industrial robot arm is widely used in industrial production field as a typical electromechanical integration equipment to accomplish such works as grasping, handling and placing materials. The designing of YL-G001 industrial robot arm is reasonable and easy to learn, and STC15F408AD acts as the basis for designing of the controller of YL-G001 industrial robot arm.

Key words：MCU; industrial robot arm; controller

收稿日期：2016-01-04

基金項目：2015年度石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院院長基金課題(15YY1001)

作者簡介：劉煥平(1965-)，女，河北豐潤人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授.

文章編號：1009-4873(2016)02-0026-04

中圖分類號：TP241

文獻標(biāo)志碼：A