全自动高效铝锭堆垛机械手控制系统研究

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Design of Automated Stack-Manipulator to Aluminum-IngotCAI Gai-pin，LIAO Qiang，ZHU Ning-yuan，ZHANG Xiao-li(Jiangxi University of Science and Technology，Jiangxi Ganzhou 341000，China)Abstract：According to the requirements of aluminum ingots stacking，and in order to meet the requirements of aluminumingots stacking.the action process of stack-manipulator to aluminum-ingot ∞ reasonably planed and a kind of 4 DOFautomated stack-man ipulator tO aluminum-ingot加珊 designed.Th en.the distribnted control system based on AT89C52 MCUby master-slave blend multi-point serial communication Was designed，SO the stack-manipulator is with the characteristics ofsimplicity ofoperation，动 controlprecision and low costing。

Key W ords：Stack-Manipulator；DOF；M ulti-Point Serial Communicationl I百铝锭的搬运和堆垛是电解铝行业中重要的工序环节，其特点是劳动强度大，且常常是在高温环境下工作1。传统的堆垛作业方式工序流程长，所需使用的设备多，设备占用空间大，自动化程度低，堆垛效率低。目前国产的 6t/h半自动铝锭堆垛机，虽成本较低，但效率低，可靠性差，已在最近几年时间内被国产 16t/h连续铸造生产线替代。国产的16t/h铝锭堆垛机效率较高，自动化程度较高，操作方便，但成本较高目。因此，根据堆垛的作业要求，确立了4自由度的铝锭堆垛机械手，设计了以 AT89C52为核心的堆垛机械手控制系统，采用主从混合式多点串行通讯的两级计算机控制方式，使其易于控制，成本低 ，可应用于有色、冶炼和冶金行业的堆垛作业。

2堆垛机械手机械本体设计根据铝锭堆垛要求，机械手的总体布局，如图1所示。设有A， 两个堆垛位，当机械手在-个位置上堆垛时，叉车在另-个位置作业。

根据铝锭规格及堆垛要求，为铝锭堆垛专门开发的4自由度多关节机械手，如图2所示。机械手主要参数，如表 1所示。其具有运动快、占地空间孝作业范围大、操作简单，而且具有每小时 15垛以上的堆垛能力。因而该机械手满足铝锭堆垛的使用要求。

图 1铝锭堆垛机械手工作站的总体布局Fig.1 The General Layout of Aluminum IngotStacking Manipulator Workstation由于铝锭的形状不规则，而且在堆垛过程中要实现翻转，文中为此专门设计了连杆式夹持器。如图3所示，它由四部分组成，分别为电磁铁、连杆、U形爪、电机。末端执行器由电磁铁驱动，形爪由步进电机驱动。

3堆垛机械手工作过程为提高机械手的堆垛效率，对机械手的动作流程进行了合理的设计 ，从而提高了堆垛效率。铝锭堆垛机械手的工作过程 ：开来稿日期：2012-04-27基金项目：江西理工大学研究生创新资金资助(YC06)作者简介：蔡改贫，(1964-)，男，江西南康，教授，主要研究方向：少无切削加工技术与工业机器人的研究188 蔡改贫等：全自动高效铝锭堆垛机械手控制系统研究 第2期机后机械手大臂下降，从冷却槽中夹持经过冷却后的铝锭，夹取后大臂上升，上升到设定高度后机械手机身旋转 9O。到达堆垛位。在大臂上升与机身旋转的同时，在堆垛第-层及其余各层的第四、第五块铝锭时U形爪旋转 180。，在堆垛偶数层时，机械手手腕旋转 90。，同时小臂伸缩使机械手在水平方向上达到堆垛点。当机身到达堆垛位上方时 ，大臂开始下降，到堆垛位后 U形爪放开铝锭。最后，机械手开始复位为下-铝。

钮实现手动控制。关节按钮有：机身左转，机身右转；大臂升，大臂降；小臂伸，小臂缩；手腕左转 ，手腕右转；手夹铝锭，松放铝锭，手指转等。

在示教方式下，机械手就按照事先编制好的程序再现在 Pc机上 MATLAB环境中示教的机械手在作业过程中的各种运动。

堆垛机械手采用主从混合式多点串行通讯的两级计算机控制，该控制系统的硬件包括主机，单片机及其相应的电路，步进电(a)外形图 (b)机构原理图图2铝锭堆垛机械手Fig-2 Aluminum Ingot Stacking Manipulator表 1堆垛机械手参数Tab.1 Stacking Manipulator Parameters名称 符号 数值 名称 符号 数值图 3末端执行器Fig.3 End Efector4控制系统设计控制系统是堆垛机械手的重要组成部分，它是-种典型的多轴实时运动控制系统，系统开发了以AT89C52为核心的单片机控制系统，实现手动、自动和示教三种控制方式，对不同堆垛作业方式通过示教盒上的按钮逐个选择。

在自动控制方式下，机械手可以自动地、连续地进行堆垛作业 。

在手动控制方式下，通过手动操作，按下各个关节的动作按，如图4所示 。

电机及电磁铁驱动单元图4控制系统的组成结构Fig.4 Composition Structure of the Control System4.1控制系统电路设计堆垛机械手控制系统电路由控制系统通讯拈，人机通道配置与显示接口拈，单片机 RAM扩展拈 ，声光报警拈，EPROM扩展拈，系统监控等组成，其原理图，如图5所示。为了能够使 Pc机、示教盒 、各关节控制单片机三者之间能够两两进行通讯，本系统采用 MAX232芯片进行电平转换。

图5控制系统电路原理图Fig.5 The Circuit Principle Diagram of Control System4.2人机通道配置与接口设计控制系统中用示教盒来完成人-机对话活动。示教盒由盒体、键盘、显示屏 、控制电路组成。示教盒的硬件结构是以AT89C52为核心的单片机系统，其结构，如图6所示。

图6键盘与显示接口电路Fig.6 Keyboard and，Display Interface CircuitNO.2Feb.2Ol3 机械 设 计 与制 造 189系统采用 I/O接口芯片 8255扩展键盘接口，键对应的机械手动作，如表 2所示。

分配各操作按 5结论表 2各操作按键对应的机械手动作分配Tab.2 The Manipulator Action Distributionof Coresponding Operation Buon4.3控制系统软件设计由于篇幅的限制以示教控制程序为例说明堆垛机械手的控制过程，示教控制程序流程图，如图 7所示。在示教盒上按下开始示教”按钮，则系统处于等待输入示教次数 N的状态，-旦输入，再次按下该键，就发出让机器人开始示教再现的命令并将 N值发送到各关节控制单片机。而各关节控制单片机接到命令后，随即查询接收示教循环次数N，接到后从片外RAM取数据进行示教再现，并重复 N次。

图7示教控制程序流程图Fig.7 Teach Control Program Flow Chart(1)通过对堆垛的作业要求进行分析，确立了4自由度铝锭堆垛机械手，并对堆垛机械手运动轨迹的进行了合理规划，可以满足铝锭堆垛作业要求。

(2垛 用分布式控制主从混合多点串行通讯方式实现 PC机、示教盒单片机及各关节控制机之间的通讯，实现对多个关节机械手的控制。