文 豪，陳文媛，劉妍寧，盧桂萍，吳明友

（1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東珠海 519090；2.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東珠海 519088）

0 引言

最早的搬運(yùn)機(jī)大約出現(xiàn)于1960 年，由美國(guó)人發(fā)明制作，可實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)搬運(yùn)功能[1]，大大減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)，將人類從各種惡劣環(huán)境下解脫出來(lái)，是當(dāng)今工業(yè)相關(guān)行業(yè)重要的工具手段[2]。

傳統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)常在機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上[3]，使用電氣控制的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器的搬運(yùn)動(dòng)作[4]。然而隨著機(jī)械化和自動(dòng)化的不斷發(fā)展及日益復(fù)雜的搬運(yùn)動(dòng)作控制，出現(xiàn)了一些更高級(jí)的智能控制方式，可有效實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)的智能升級(jí)。PLC 是常用的自動(dòng)化可編程邏輯控制器，將其運(yùn)用于搬運(yùn)機(jī)的電氣控制[5]，可通過(guò)邏輯控制的程序編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)穩(wěn)定的智能控制。但是目前PLC 的硬件設(shè)備價(jià)格昂貴，一些環(huán)境要求相對(duì)不高的場(chǎng)合，則會(huì)使用價(jià)格相對(duì)更低的ARM 芯片進(jìn)行控制[6]。采用Arduino[7]和STM32[8]的編程控制是其中可行的兩種搬運(yùn)機(jī)智能升級(jí)控制方案，但其編程相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于搬運(yùn)機(jī)的工作控制也相對(duì)浪費(fèi)芯片的硬件資源。

51 系列的單片機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的8 位單片機(jī)之一，其價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，可有效滿足一些工業(yè)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)智能化控制需求。本文使用51系列單片機(jī)，在原有電氣控制搬運(yùn)機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)軟件控制的智能升級(jí)，并最終解決搬運(yùn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡控制與物料的準(zhǔn)確運(yùn)送。

1 搬運(yùn)機(jī)及其電氣控制

本文研究的搬運(yùn)機(jī)使用傳統(tǒng)的電氣控制方式，如圖1所示。

圖1 搬運(yùn)機(jī)實(shí)物外觀

該設(shè)備的電氣控制相關(guān)元器件如圖2 所示，其中包含了若干個(gè)24 V繼電器、氣缸、傳感器、手轉(zhuǎn)閥、變壓器、機(jī)械爪等元器件。先通過(guò)電氣控制系統(tǒng)控制機(jī)械爪的氣缸供氣閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)物料的抓取，再通過(guò)交流220 V強(qiáng)電控制4個(gè)二位五單電控電磁閥通斷來(lái)改變氣路，進(jìn)而控制導(dǎo)軌氣缸的運(yùn)動(dòng)方向推動(dòng)滑塊移動(dòng)，從而完成物料搬運(yùn)的全部操作。目前該搬運(yùn)機(jī)由于采用由唯一電氣元件組成的電氣控制系統(tǒng)，僅能實(shí)現(xiàn)固定的物料搬運(yùn)動(dòng)作。若要改變搬運(yùn)機(jī)的動(dòng)作次序，則需要重新設(shè)計(jì)機(jī)器的電氣控制圖，并將對(duì)應(yīng)的電氣元件重新組裝接線。為便于搬運(yùn)機(jī)的智能化控制，將51單片機(jī)及對(duì)應(yīng)的模塊原件接入至原機(jī)器，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單編程即能改變搬運(yùn)機(jī)動(dòng)作次序的效果。

2 模塊分析與程序設(shè)計(jì)

欲對(duì)搬運(yùn)機(jī)進(jìn)行智能升級(jí)，首先要根據(jù)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)與電氣控制要求進(jìn)行模塊劃分及功能分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行電路改造，并最終接入至51 單片機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的控制。本文研究的搬運(yùn)機(jī)可劃分為3個(gè)模塊：導(dǎo)軌控制模塊、導(dǎo)軌限位模塊及機(jī)械爪控制模塊。

2.1 導(dǎo)軌控制模塊

導(dǎo)軌控制模塊如圖3 所示，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)有多個(gè)方向，但為了保證物料運(yùn)輸平穩(wěn)，每次僅能實(shí)現(xiàn)1 個(gè)方向的控制運(yùn)動(dòng)，在電氣控制中使用合適的觸點(diǎn)設(shè)計(jì)避免不同運(yùn)動(dòng)方向的相互干涉。

圖3 導(dǎo)軌控制模塊的電氣控制原理圖

圖4 導(dǎo)軌限位模塊的電氣控制原理圖

2.2 導(dǎo)軌限位模塊

導(dǎo)軌限位模塊每個(gè)方向的導(dǎo)軌都有極限位置，滑塊位置超越了則應(yīng)該停止該方向的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌限位模塊的電氣控制原理圖如圖4所示，限位開(kāi)關(guān)加入至對(duì)應(yīng)的導(dǎo)軌控制電氣控制中，在導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程中反饋滑塊位置，實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)的動(dòng)作次序依次執(zhí)行。

2.3 機(jī)械爪控制模塊

機(jī)械爪為氣動(dòng)式，電氣控制中只需對(duì)應(yīng)氣缸的通電方向即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪抓與放的動(dòng)作。氣缸運(yùn)動(dòng)方向由電磁閥控制，圖5所示為電磁閥控制氣缸運(yùn)動(dòng)方向原理，電磁閥可改變氣路的連接方式，從而實(shí)現(xiàn)氣缸左、右兩腔的供氣與否并推動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)。

圖5 電磁閥控制氣缸運(yùn)動(dòng)方向原理

使用51單片機(jī)代替原有的電氣控制系統(tǒng)，需要對(duì)原有的電氣元器件及電路接線進(jìn)行改造，其中的重點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)以上3個(gè)模塊的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換。其中，單片機(jī)工作首先需要接入最小系統(tǒng)；限位傳感器可選用單片機(jī)對(duì)應(yīng)的型號(hào)進(jìn)行直接替代及接線控制；氣缸由強(qiáng)電控制，需要借助繼電器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)引腳的轉(zhuǎn)換控制；為便于搬運(yùn)機(jī)整體運(yùn)行狀態(tài)的顯示讀取，添加數(shù)碼管顯示單元。使用Proteus軟件繪制，智能搬運(yùn)機(jī)的單片機(jī)軟件控制仿真圖如圖6所示，其中繼電器與傳感器電路無(wú)法直接繪制，使用其他元件替代仿真。

圖6 單片機(jī)軟件控制的電路仿真圖

在此基礎(chǔ)上，編寫(xiě)要求運(yùn)行效果的軟件代碼，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)智能搬運(yùn)機(jī)的完全控制。單片機(jī)的程序代碼一般可以使用C 語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，但其程序都是逐句執(zhí)行的。因此，單片機(jī)的程序控制需要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行的模塊接口次序，制定對(duì)應(yīng)的算法控制流程，再在此基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)地編寫(xiě)代碼。對(duì)搬運(yùn)機(jī)智能升級(jí)后實(shí)現(xiàn)原來(lái)工作動(dòng)作次序的軟件控制流程圖如圖7所示，對(duì)應(yīng)的軟件程序則可實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)原來(lái)的工作動(dòng)作次序。

圖7 單片機(jī)的軟件控制流程圖

3 實(shí)物安裝與工作測(cè)試

根據(jù)所設(shè)計(jì)的單片機(jī)軟件控制電路，將對(duì)應(yīng)的電子元件替代接入至搬運(yùn)機(jī)中，并把軟件程序燒錄至單片機(jī)芯片中，進(jìn)行智能搬運(yùn)機(jī)升級(jí)后的工作測(cè)試。其中，限位傳感器的安裝分布如圖8所示，單片機(jī)系統(tǒng)與氣缸電磁閥的接線測(cè)試如圖9所示。

圖8 限位傳感器的安裝分布

圖9 單片機(jī)系統(tǒng)與氣缸電磁閥的接線測(cè)試

測(cè)試表明，本文研究的單片機(jī)控制系統(tǒng)可有效代替原來(lái)的電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)機(jī)的智能升級(jí)。搬運(yùn)機(jī)工作動(dòng)作次序的修改也更加智能化，只需修改單片機(jī)程序代碼即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)電氣控制的搬運(yùn)機(jī)智能化升級(jí)，本文使用51單片機(jī)作為智能搬運(yùn)機(jī)的控制核心，實(shí)現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)編程的軟件控制?；诎徇\(yùn)機(jī)的模塊劃分與工作分析，設(shè)計(jì)了單片機(jī)的控制電路及編程思路，解決了智能搬運(yùn)機(jī)的軟件與硬件協(xié)調(diào)工作方法。最后進(jìn)行了實(shí)物安裝與工作測(cè)試，結(jié)果表明：?jiǎn)纹瑱C(jī)的軟件控制可有效控制搬運(yùn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡并使物料準(zhǔn)確運(yùn)送到位。