单片机控制装置与调试任务十六机械手综合应用.pptx

1、任务十六 机械手综合应用,一、背景知识 在热水供应系统中，通过机械手控制抓黑白黄球模拟投放不同热量的燃料，从而实现水温的变化。所以在亚龙236设备上用机械手装置可以模拟实现很多任务，机械手物料搬运装置结构示意图如图16-1。,图16-1 智能物料搬运装置结构示意图,二、任务分析 (2011全国中职单片机决赛试题机械手部分任务) 高燃烧值燃料为黑色燃料（用黑球代替），设：一包黑色燃料能使50升水温度升高36；中燃烧值燃料为黄色燃料（用黄球代替），设：一包黄色燃料能使50升水温度升高16；低燃烧值燃料为白色燃料（用白球代替），设：一包白色燃料能使50升水温度升高4。注：燃料燃烧升温与水量多少可看做

2、线性关系，例如：如果使用一包黑色燃料加热100 升水，则只能使其升高18（这里加杠表示解释）。 三种燃料随机放置在燃料放置区，机械手每搬运走一包燃料后由工位三下方自动补充相同的燃料进来（小球从工位三上方滚落到工位三下方模拟自动补充燃料过程），保证燃料放置区三种燃料每种只有一包。 水温初始值为25、预设加热水温50、当前炉内水量为200升，系统控制机械手智能判别投放燃料的种类和数量，并用最简的步骤去工位一或工位二搬运合适的燃料投放到工位三上方的燃料入口。 注：最简的步骤就是使机械手搬运燃料的次数最少（这里加杠表示解释）。 投放燃料过程中若按下“暂停/继续”按键，机械手应立即暂停当前动作，再次按下

3、此按键，机械手继续原来的投放燃料操作，直至水温升到设定的温度值。 由于前面数码管，按键已经讲解，本节任务只对机械手进行讲解，如需更详细的讲解请参见后面的综合程序。,三、任务实施 1.任务所需模块及解析： 分析任务可以得出需要MCU01 主机模块、MCU02 电源模块、MCU05 继电器模块、MCU10 传感器配接模块、MCU12 扩展模块。为了完成任务，具体解题思路分为以下几点： （1）为了能准确定位，开机时机械装置必须进行“复位”，即初始定位，以便找到运动参考点。初始定位点的选择要考虑安全、方便等因素。物料搬运装置的初始定位，可以是“手臂升起，手爪张开，停止在行程13某处”。此例选择停止在行

4、程2处，即二工位上方。 机械手初始工作时，手爪上可能有球，还要判断手爪上是否有球，有球就要做一个“安全放球”的动作再进行初始定位。本任务不做此步。 （2）机械手的工作可以分解为一系列“动作”。每个动作的编程思路都相似，即先发出“控制命令”，然后“等待”到位或完成信号。只有前一个动作完成并停止，才开始下一个动作。通常采用一边等待一边做其他工作的方法，如利用定时中断或者循回检查方法。请慎重使用原地等待的方法，以免影响其他工作任务的执行。 （3）通过调节灵敏度，传感器可以识别两种颜色的球。现在有三种颜色四种状态（白、黄、黑、无），必须利用工位上的光电传感器和手爪上的光钎传感器配合，共同完成识别。 调

5、节灵敏度如下：让手爪下降到工位上，保持松开状态。调节光电传感器灵敏度，使其对反光最弱的黑色球不输出，其他球有输出；调节光纤传感器灵敏度，使其对反光最强的白色球有输出，其他球无输出。另外，经实验，只要手爪张开光纤传感器对白球有输出，则夹紧后对黑球也有输出。 （4）识别出了球的种类，显示和技术就很简单了。,2、流程图 本任务按照先判断后抓球的过程，具体流程图如图16-2所示。,图16-2 机械手初始化的流程图,3.接线图 本任务需用到主机模块、传感器模块、继电器模块、8255扩展模块、物料搬用装置，具体连线如图16-3所示，,16-3 外部模块连接图,为了使得接线更清晰，下面还详细讲解了接线实例。

6、 实训时将主机模块P0.0-P0.7口接到8255的数据总线D0-D7上； 主机模块P2.5接到 扩展模块的A0端； 主机模块P2.6接到 扩展模块的A1端； 主机模块P2.7接到 扩展模块的CS端； 主机模块P3.6接到 扩展模块的WR端； 主机模块P3.7接到 扩展模块的RD端； 主机模块RST 接到 扩展模块的RST端； 机械手实验接线： 物料搬运装置 传感器配接模块 主机模块 继电器模块 物料搬运 (端子号4) IN0 OUT0 PB.0 (端子号5) IN1 OUT1 PB.1 (端子号6) IN2 OUT2 PB.2 (端子号7) IN3 OUT3 PB.3 (端子号8) IN4

7、OUT4 PB.4 (端子号9) IN5 OUT5 PB.5 (端子号11) IN6 OUT6 PB.6 (端子号12) IN7 OUT7 PB.7 P3.4 K2 NO (端子号13) P3.3 K3 NO (端子号14) P3.2 K4 NO (端子号15) P3.1 K5 NO (端子号16) P3.0 K6 NO (端子号17) 物料搬运装置 传感器配接模块 继电器模块 红端24V COM 24V COM+ 5V COM 24V地 黑端0V COM- 0V,4 程序代码 在前面分析了解题方法，画了外部模块连接图之后，下面是程序代码。该程序只是实现2011年试题的综合程序中机械手任务的完

8、整程序，没有加按键等程序，所以输入没有实现全部功能，这里只是讲解机械手部分的应用方法，学生可自行根据下面的思路编写自己需求的程序。 综合项目程序剖析请看2011年热水供应系统综合程序讲解。,/*引入头文件和定义各种端口 */ #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define PA XBYTE0 x1fff /P27接cs，p26接A1，p25接A0,此时，PA口的外部RAM地址； #define PB XBYTE0 x3fff /PB口的外部RAM地址 #define

9、 PC XBYTE0 x5fff /Pc口的外部RAM地址 #define PD XBYTE0 x7fff /控制端口的RAM地址； (详情见书上),5 实验结果 经过程序的调试、编译，并下载到单片机，可以在设备上显示，得出效果图如16-4所示。,16-4 实验结果图,四、知识拓展 在上面的任务中用到了继电器模块、传感器配接模块、扩展模块，机械手模块，下面就各个模块进行讲解。,继电器模块,继电器模块如图16-5. 具体功能和结构如下讲解,图 14-5 继电器模块,(1)继电器模块功能 它有6路独立继电器控制；全光电隔离设计；其中两路220V安全插座输出；低电平有效控制；继电器状态指示功能。 下

10、面的图为继电器模块内部结构原理，如果该模块出现问题，可参照图16-6进行故障分析。具体的功能和作用有以下几个方面讲解。,图16-6 继电器模块内部结构原理图,输入端功能 VCC：继电器模块工作电压正极；GND：继电器模块工作电压负极；IN：控制信号输入端。 输出端功能 NO：继电器常开端；COM：继电器公共端；OFF：继电器常闭端。 继电器可以描述为一个电子开关，在实际应用中也是非常有用的，主要以下几个作用，有隔离作用、 可以低电压控制高电压、可以小电流控制大电流。 总体来说，可以说是低电压控制高电压。具体电路如图16-7。,图16-7 继电器原理图, 继电器原理（如图14-7所示）：当线圈通

11、电导通时，继电器常开触点闭合，RELAY0和RELAY1导通，从而控制后面电路的导通，二极管D3的作用是继电器线圈的续流作用，当继电器通电或断开时，会产生较大反电动势，采用反向二极管的吸收，会起到很好效果。 经工业现场实验证明：如果去掉此二极管，形成的干扰很大，会引起单片机系统复位。如果控制干扰较强的设备时，建议采用“单片机+光耦+继电器+强电设备”，这样可以保证单片机系统可靠运行。在实际应用中很重要。为了更清楚的学习继电器，实验台模块中采用指示灯的方式，在继电器导通的时候会听到继电器响声，同时D20发光。如图16-8所示。,图16-8继电器接光电隔离指示电路图,ULN2003的内部驱动电路如

12、图14-9，也是三极管驱动，内部集成了续流二极管，ULN2003内部集成了7组以下电路，ULN2803集成了8组，大家根据需要选择，如果只需要一组的话就用三极管就可以了。,图16-9 ULN2003的内部驱动电路图,(1) 传感器模块功能 具有电气隔离、抗干扰能力强的优点；也能把电流形式转换为电压形式；电压转换（在机械手控制系统中用到）。此处选取光电隔离模块其中之一,如图14-11，可以看出从左到右是24V变为5V。,图16-11 光电隔离模块电压转换图,接近开关比较重要，下面的图图14-13为接近开关模块和内部结构原理，电源接6-36V,单片机工作时电源接24V，COM（地）端就接地，OUT

13、（信号输出）端接关电耦合的输入端，输出端接单片机，本任务中没有用到该电路，该传感器电路出现问题时，可参照该图进行故障分析。,图16-13（a） 接近开关适配器内部结构原理,图16-13（b）接近开关适配器内部结构原理,3 扩展模块功能 在一些大的系统中，由于单片机接口不足，要用到该模块，具体的讲解在8255应用中已经讲了，这里不做详细讲解，下图图16-14为扩展模块。,图16-14 扩展模块,4.机械手 下图为机械手实物图和原理图，其中图16-16为智能物料搬运示意图，图14-17(a)为 物料搬运装置的接线端子图。图16-17(b)搬运装置上电动机正反转控制电路图。只要看懂了下面几幅图，机械

14、手的整个运行原理也就懂了。,图16-15 机械手实物图,图16-16 智能物料搬运示意图,手臂的左右移动是靠电动机的正反转带动丝杆转动工作的。电动机正反转控制电路如图14-17所示。KA1通电KA2断电时，24V电源从号导线流入电动机从号导线到电源地，手臂左移；KA2通电KA1断电时，24V电源从号导线流入电动机从号导线到电源地，手臂右移。两继电器同时断电或同时通电时电动机不导通不动作。 (1) 机械手简介 手爪：双控气动电磁阀控制手爪放松夹紧。14号线=0时（0表示低平，1表示高电平，下同），夹紧；15号线=0时，放松；14号线、15号线都为1或0时，保持不变。抓紧到位时，传感器8号线输出0

15、；放松到位时，传感器8号线输出1。 升降：单控气动电磁阀控制手臂升降。16号线=1时，下降；16号线=0时，上升。下降到位时传感器7号线输出0；上升到位时，传感器6号线输出0。 位移：24V直流电动机M正反转，控制机械手左右移动。 12号线=0时，机械手左移；13号线=0时，机械手右移。12号线、13号线都为1或0时电机停。 机械手到达“物料1”、“物料2”、“放料”位置时，对应位置传感器3号线、4号线、5号线输出低电平。 左移时，由“机械手防撞”和“左限位”微动开关实现超程保护；右移时，由“右限位”微动开关实现超程保护。 (2) 物料传感器 “一工位”和“二工位”处有光电传感器。有物料时（不

16、管是黄色、白色球），相应传感器输出0。“一工位”处有物料时10号线输出0；“二工位”处有物料时11号线输出0。 机械手上有光线传感器，其灵敏度可调。适当调节灵敏度，可以区分白色球和黄色球。机械手检测到球时，传感器9号线输出0。 (3) 注意事项 物料搬运装置为24V供电，1号线接+24V，2号线接地。因为单片机为5V供电，所以传感器与单片机之间要通过光耦来实现隔离和电平转换。 电机线圈（12、13号线）和气动电磁阀（14、15、16号线）应通过继电器来驱动。 操作前，请检查各部件是否工作正常。调整机械手及传感器，达到工作要求。,5 气动元件 气缸:气动元件中最常用的执行部件，搬运装置的手臂伸缩

17、功能便是使用标准的单杠双作用气缸实现的。标准型单杠双作用气缸的实物图如图14-18所示： 单杠双作用气缸工作原理如图14-19所示。在压缩空气作用下，双作用气缸活塞杆不但可以伸出，而且还可以回缩。通过缓冲调节装置，可以调节其终端缓冲。气缸活塞上永久磁环可用于驱动配套的磁性开关动作。双作用气缸结构示意图如图16-19所示：,16-18 标准型单杠双作用气缸,图16-19 双作用气缸示意图,双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。活塞把整个杆腔分成左右两部分，当压缩空气从左端进气右端排气时，则活塞带动活塞杆向右移动（伸出）。相反，当压缩空气从右端进气左端排气时，则活塞带动活塞杆向

18、左移动。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。 气爪:气爪（又称气动抓手）如图14-20这种执行元件是一种变型气缸。它可以用来抓取物体，实现机械手各种动作。在自动化系统中，气爪常应用在搬运、传送工件机构中抓取、拾放物体。气爪的开闭一般是通过由气缸活塞产生的往复直线运动带动与手爪相连的曲柄连杆、滚轮或齿轮等机构，驱动各个手爪同步做开、闭运动。,图16-20 标准型支点开闭型气爪,阀：手阀实际是一个两位两通阀，主要用于气路的通与断。“两位”是指有两种状态：导通状态或关断状态；“两通”是指有两个气口。两位两通阀的实物图及符号图如图图16-21所示。,

19、图16-20 标准型支点开闭型气爪,单向节流阀:单向节流阀是用来控制回路中的气流量，使气缸等执行元件以不同的速度工作。它具有单向节流作用，即只对一个方向的空气流动起流量调节作用，对相反的方向则没有控制作用，单向节流阀的实物图及符号如图14-22所示。,图16-22 单向节流阀的实物图及符号,两位五通换向阀:两位五通换向阀主要用于气缸的伸缩控制，其中“两位”是两种状态，用在气缸上对应的状态是伸出和缩回；它在不通电时是一种状态，通电时切换到另一种状态。“五通”是指有五个气口，包括一个进气口，两个排气口，两个换向口。两位五通阀的实物图及符号如图图16-23所示。,图16-23 两位五通阀的实物图及符

20、号,三位五通换向阀:与两位五通换向阀相比，三位五通换向阀多一种状态。这种状态比较常用的形式是把气缸的两个进排气口给封闭住，气体不能流入也不能排除气缸，这是换向阀不通电时的状态。三位五通换向阀的另两种状态是靠两端的两个电磁线圈分别控制。要注意的是，这两个线圈不可同时通电，否则可能损坏换向阀。三位五通阀的实物图及符号如图图16-24所示。,图16-24 三位五通阀的实物图及符号,联件:三联件也是气动回路中比较常见的气源处理元件。它由空气过滤器、减压阀和油雾器三个元件组成。其中空气过滤器用于对气源的清洁，可过滤压缩空气中的水分，避免水分随气体进入装置。减压阀可对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减

21、小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤。而油雾器可以将油雾化，随压缩空气进入气动执行元件，起到润滑延长机体的使用时间的作用。三联件的实物图及符号如图图16-23所示。,图16-25 三联件的实物图及符号,注：机械手装置在气动系统上只用到两个执行元件，一个为手臂伸缩用单杠双作用气缸，一个为支点开闭型气动手爪（简称手爪）。 手臂的上下移动在设计上做了保护，在系统断电的情况下手臂会自动缩回，不会突然掉下对人和物件造成危害；气爪的气路也采用了自锁机构，当系统断电时会保持在断电前的状态。,6 光电传感器 光电开关由两部分组成，一部分为调制发射光束，为了区别接近开关的光束是器件本身所发而不是自然界的光，常采用调制的方法，使发出的光束在某个频率上。另一部分为接收解调电路，当有光线被反射回来时进行解调，如果为非自然界光则开关导通。光电开关的工作方框图如图16-26（a）所示，光电开关的实物图如图16-26（b）所示：,图 16-26（a） 光电开关的工作方框图,图 16-26（b） 光电开关的工作原理及实物图,7 微动开关 下面图16-27为微动开关原理及实物图，它的原理简单的说是：用很小的力，很小的行程，将金属触点的簧片从一个稳态快速跳变为另一个稳态。如果微动开关出现问题时，可参照