太 原 工 业 学 院□吴 璞 兰 博

大秦铁路股份有限公司□夏长林

中北大学机械工程学院□景鸿翔

1 引言

目前在我国数控机床的上下料作业中， 多采用人工作业的方式完成。 然而机床上下料是一项强度大、 重复率高、 工作环境恶劣且具有一定危险性的工作， 传统的人工耗时长、 效率低已无法适应现代化生产的需求。 随着当今控制技术的进步与发展， 机器人技术的发展也逐步迎来了更高的水平， 达到了全新的高度。 工业生产过程中的手动操作、 人工上下料等传统生产方式逐渐被机器人自动作业所取代。

本文针对盘类零件的上下料加工作业需求，设计了一台基于单片机控制的直角坐标机器人。该机器人以机械本体结构为基础、 电动为驱动系统、 单片机为控制方式， 实现了机械、 电子、 控制等多学科的统合， 能够代替人工实现盘类零件的自动上下料作业。

2 物料分析与机器人结构设计

（1） 物料的选取

本设计中选取的物料为机械行业中典型的盘类零件——槽轮零件。 该物料外圆直径为80mm，厚度为4mm； 内圆直径为60mm， 厚度为6mm。其三维模型如图1 所示。

图1 槽轮毛胚的三维模型

（2） 末端执行机构的设计与仿真

由于物料的形状为圆形， 因此末端执行器手指部分采用V 形块结构， 通过V 形块的对心作用增加抓取时的容差。 同时将其安装形式设计为具有滑槽的活动形式， 并在滑槽内装有弹簧， 目的是为了进一步增加机器人末端执行机构在动作时的容差， 起到一定的缓冲作用。 末端执行机构整体则采用舵机作为执行元件， 通过曲柄滑块机构将舵机的往复旋转运动转化为往复直线运动， 并再次通过两个对称的曲柄滑块机构带动两个手指进行动作。 其内部结构如图2 所示。

图2 末端执行机构内部结构

在设计好机器人的末端执行机构后， 基于Matlab 软件中的SimMechanics 模块对其进行建模并进行运动分析。 末端执行机构动作时的两个极限位置均设计为机械死点位置， 以保护舵机， 从而增加其使用寿命。 该机构的两个极限位置如图3 所示。

由于舵机的运动应具有加减速功能， 因此选用正弦信号作为输入信号。 机器人末端执行机构的抓持端活动范围如图4a） 所示。 其张开和闭合的极限位置分别约为64mm 和92mm， 而物料的外圆直径为80mm， 故该机构能够很好的抓持物料。 该机构的关键关节为“关节1”， 因此对其驱动力的变化情况进行了分析， 其结果如图4b） 所示。 从图中可以得出该关节运动时所需要的最大驱动力约为40N， 同时其曲线过渡比较平滑， 几乎没有刚性冲击， 基本满足设计要求。

图3 末端执行机构自锁位置

图4 仿真结果

（3） 整体结构的设计

本设计中， 由于步进电机只有周期误差而没有累积误差的特点， 因而其精度较高， 故采用步进电机作为执行机构， 从而通过其构成一个简单的开环系统。 直角坐标机器人的三个运动轴均采用步进电机带动丝杠螺母机构动作。 其布置方式采用三轴T 字型布置方式， 并对其实际布置方式进行了改良， 以降低对机器人运动轴材料强度的要求。 其整体布局如图5 所示。

图5 直角坐标机器人上下料系统示意图

机器人自动上下料作业流程如下： 首先机器人移动到上料架位置， 获取待加工的物料；然后移动到加工位置， 进行上料； 之后退出机床工作区， 向机床发送就绪信号， 等待机床加工。 待接收到机床加工完成信号后， 机器人移动到加工位置， 获取加工好的物料； 然后移动到下料架位置， 将成品置于下料架托盘内。 如此反复。

3 硬件电路设计

硬件部分主要包括STC89C52RC 主控芯片、 步进电机及其驱动模块 （A4988）、 限位开关、 舵机驱动、 存储器芯片、 串行通信、 以矩阵键盘为输入和以LCD 液晶显示屏为输出的简单的人机交互界面， 并由两块主控芯片组成一个主从控制系统。 其电路结构图如图6 所示。

根据I/O 接口的数量大于实际应用10%的选用原则， 采用两片单片机组成一个主从系统来对机器人进行控制， 二者之间采用串口通信来进行数据传输。 其中从机进行矩阵键盘的键值获取， 并采用串口中断的方式将其发送给主机， 以保证机器人的实时反馈， 其I/O 分配及原理图分别如表1 和图7所示。 其余功能则由主机完成， 其I/O 分配及原理图分别如表2 和图8 所示。

图6 硬件电路结构图

表1 从机I/O 分配表

图7 从机原理图

表2 主机I/O 分配表

4 软件程序设计

由电路原理图可知， 机器人的控制需求包括： 步进电机控制、 限位开关状态采集、 舵机控制、 存储器芯片读写控制、 LCD 液晶显示控制、 矩阵键盘的键值获取、 主从机串口通信和机器人与机床之间的通信。 其中每两个限位开关与一个步进电机配合使用， 以确定运动轴的起始端和终止端， 从而限定运动轴的行程，并起到防止电机堵转和初始化系统坐标系的作用； 而存储器芯片则用于机器人自动程序的存放。

（1） 主机程序设计

输入方面， 通过串口中断接收从机发送过来的键值信息， 并给出相应的命令。 由于采用中断方式接受键值， 故可以提高控制系统的实时性； 输出方面， 在LCD 液晶显示屏上显示内存中的程序信息或机器人的实时坐标， 并结合矩阵键盘， 构成一个简单的用户界面， 以便人工操作编程； 运动控制方面， 机器人的末端执行机构动作并通过X、 Y、 Z 三个坐标轴进行固定坐标点位置的移动； 同时考虑到电机启停瞬间对机构的刚性冲击较大， 因此应在启停阶段加入加减速功能， 以减小冲击， 从而延长步进电机的使用寿命； 文件系统方面， 对内存中的程序进行相应的文件操作， 如新建、 编辑、 删除、 选中和存储等； 最后在此基础上，对机器人上下料路径进行设置和自动控制。 另外， 考虑到物料置于具有阵列性质的托盘中，故增加阵列设置功能来简化程序的编写， 以减轻操作员的工作量。 其流程如图9、 图10、 图11 所示。

图8 主机原理图

图9机器人主程序

图10 文件处理子程序

图11 自动上下料子程序

（2） 从机程序设计

机器人从机通过查询方式对矩阵键盘的键值进行扫描。 一旦有按键被按下， 则通过从机对键值进行确定， 并将其以串口中断的方式发送给机器人主机， 以使机器人进行某种动作， 从而达到人机交互的目的。 由于将矩阵键盘的查询由从机单独控制， 与主机隔离开来， 因此矩阵键盘值的获取并不会占用主机的资源， 从而提高了系统的实时性， 通过串口中断的通信方式， 进一步提高了系统的响应速度。

5 结论

本论文研究可用于生产实际中的上下料机器人。 该上下料机器人不但能够提高作业效率， 降低成本， 减轻工人的劳动量， 同时还能大大地提高生产过程中的安全性和稳定性， 且其灵活程度高， 当所用物料变更时， 只需对抓取机构进行改动便可适应新产品， 因而应用领域广泛， 具有广阔的市场前景。