三自由度气动教学机械手的实验的研究

1、. 专业综合训练周（机电）实验报告课题名称 三自由度气动教学机械手的实验研究 班 级 机械10级机电方向 姓 名 指导老师 .实 验 目 录1绪论11.1概述11.2特点21.3国内外研究现状31.4气动技术的优点及发展趋势51.5 现有气动机械手的形式及应用51.6本机械手的技术指标62机械手的结构82.1总图结构82.2机械手底座平台122.3立柱132.4横移气缸142.5垂直升降气缸142.6夹紧气缸152.7机械手手爪162.8开关电源172.9机械手的气压驱动182.10机械手的控制192.11步进电机192.12.uln2003a介绍202.13.c817光耦202.14步进电机

2、驱动器213.主控制板系统原理设计243.1.主板基本机构243.2控制方式说明263.3串行接口电路263.4通信方式说明284.手柄系统原理设计294.1手持盒主要功能294.2电源设置294.3原理图295气动控制选择315.1气动设置315.2气压传动系统的组成315.3本机械手的气路设计325.4气缸326.自由度机械手程序下载与内容346.1.单片机程序下载346.2手柄程序396.3主板程序627.实验创新788.小结799.参考文献801绪论1.1概述 随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到

3、整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能

4、，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。 因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。机械手的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。 目前，机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最

5、近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给机械手下的定义：机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递物体。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对机械手作如下定义：机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸物体。 机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。机械手的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代： 第一代机械手就是目前工业中大量使

6、用的示教再现型机械手，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机械手是带感觉的机械手。它具有力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代机械手要复杂得多，这种机械手从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代机械手即智能机械手。这种机械手除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机械

7、手还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。 1.2特点 机械手广泛应用于工业生产中，主要用来物体在不同工位间的移动。动作主要是抓取、移动位置、放置，实现物体移位。在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机械手等。而机械手是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。虽然机械手的种类不尽相同，但其主要技术参数应包括以下几种：自由度，精度，工作范围，最大工作速度和承载能力。自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的数目，一般不包含末端执行器的开合自由度。在三维空间中表述一个物体的位置和姿态需要6个自由度，但是，机械手可根据其用途而设计自身自由度，并且利用冗余的自由度

8、增加灵活性，躲避障碍物改善动力性能。精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度指机械手手部实际到达位置与目标位置之间的差异，重复定位精度是指机械手重复定位手部于同一目标位置的能力。工作范围是指机械手手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。承载能力是指机械手在工作范围内的任何位置上所能承受的最大质量。最大工作速度指机械手自由度上最大的稳定速度。 机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸物体或夹具。机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可

9、以根据外部来的信号，自动进行各种操作。其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将物体从a位置移动到b位置这一简单的动作。 机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如： 1、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 2、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或

10、根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。1.3国内外研究现状 目前，具有六自由度的并联机械手得到了广泛的研究，然而许多场合需要期望输出运动为常量的少自由度的并联机械手，其中三

11、自由度并联机械手是并联机构中一种很有实用前景的机械手，它也是随着机械手技术的发展而发展起来的。lee和shah 研究了空间三自由度并联机械手的设计；金琼和杨廷力等分析了一类新型三平移解耦并联机构；李惠良等基于机构结构组成理论，综合出了一类完全解耦的一平移两转动的3 自由度并联机构；杭鲁滨等基于解耦判定准则，构造了一种新型的三平移一转动解耦并联机构，该机构既具有拓扑解耦特性，又具有尺度解耦特性；weiminli提出了一种完全解耦的三自由度移动并联机构。运动解耦的并联机构容易控制，而且可以达到很高的精度。文中对这种三自由度并联机构进行了构型分析，建立该机构的运动学模型，验证了该机构具有运动解耦的特

12、性，为该并联机构的动力学分析、有效控制和推广应用等方面提供了一定的理论基础。在国外，机械手技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的机械手公司，主要包括：瑞典的abbrobotics，日本的fanuc、yaskawa，德国的kukarooe，ettcnlgabtr美国的adpehooy，英国的auoehrbtc，omau，ttcoois加拿大的jcdinternationalrobotics，以色列的robogrouptek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。 在国内，机械手产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，如中国科学院沈阳自动化所

13、投资组建的新松机械手公司，年利润增长在40左右。最近，全球内带有多指夹子或手的机械人系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化的和非拟人化的。不仅调查了这些系统的机械结构,而且还包括其必要的控制系统。如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而不用改换夹子。这些机械手具备特殊的运动能力（比如小质量和小惯性），这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。 这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。同时，它们必须能够很好的操纵被抓物体。这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得，即所谓的多指机械手或机械手手。 机械手在许多生产领域的使用实践

14、证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。从近几年世界机械手推出的产品来看，机械手技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、pc化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 国外机械手技术已非常成熟，已走向产业化，目前已开发新型机械手为主，以应用于更为广阔的市场。 随着我国门户的逐渐开放国内的机械手产业面临着越来越大的竞争与冲击。虽然我

15、国机械手的需求量逐年增加。但目前生产的机械手还很难达到所要求的质量很多机械手的关键部件还需要进口。所以目前来说我国还处在一个机械手消费型的国家 我国现有的机械手研究开发和应用的工程单位超过2000家其中从事机械手研究和应用的超过80家基本掌握了操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术。目前生产的各类机械手中有90以上用于生产中来自中科院沈阳自动化所专家课题组的预测表明今年，我国机械手市场保有量将增至486000台。1.4气动技术的优点及发展趋势 气动技术这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。目前，伴

16、随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。气动技术(pneumatics)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。“pneumatics”一词起源于希腊文的“pneumatics”，其原义为“呼吸”，后来才演变成“气动技术”。 气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗辐射等优点，广泛应用于汽车制造、电子、工作机械(纺织机械、印刷、包装设备及机床等)、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术已经突破传统的设计、制造理念，正在ic/lcd

17、、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。 随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大，气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，气动元件产值已接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。气动工业的高速增长，进一步刺激了气动技术的发展。气动技术正朝着精确化、高速化小型化、复合化和集成化方向发展。1.5 现有气动机械手的形式及应用 随着气动技术获得了快速发展，其中利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一

18、种重要实用技术 。 早期的气动机械手，由于无法做到气缸在任意位置的定位，只能靠气缸两个终点位置来定位。或者采用多位气缸，它的定位长度由气缸的行程预先确定。如果要增加一个定位位置，或者要改变两个定位位置之间的距离，那么需要重新设计一个多位气缸。而且如果气缸要求的停止位置越多，它的滑块导向机构就越复杂。早期的气缸由于不能实现任意位置的定位，因此限制了多工位定位的气动机械手的发展。 现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成采集感知信号及控制信号均由智能阀来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动

19、作；主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。 由于气动技术和电子技术的结合，以及周边技术的成熟，气动机械手在工业自动化领域里的实用性已经充分体现出来。特别是目前国内外一些学者正尝试在气动机械手中引入现代控制理论和智能控制方法，并取得了一定的研究成果，这为气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分广阔的前景 。1.6本机械手的技术指标 气动机械手的基本要求是能快速、准确的拾、放和搬运物

20、体，这就要求它们具有精度高、反应快、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都、能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分考虑作业对象的作业技术要求，拟定较为合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性 。机械手是典型的机电一体化产品，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、降低成本起着举足轻重的作用。因此对本机械手采用系统的观点

21、进行整体功能分析，实现结构优化是实现经济性，灵活性和高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。1.该机械手设计的主要技术指标为：（1）设计的机械手为三自由度；（2）机械手的水平旋转由步进电机驱动实现，可实现的转角为180；（3）该机械手的水平移动自由度由tn25200气缸实现；垂直升降自由度由mal20100气缸实现；其手爪的开合由sda2510气缸实现：（4）该机械手的主要搬运物体为近似圆柱状，物体为垂直放置，重量约为1kg，最大直径为40mm；3.系统的控制器件可选用单片机控制。主要参数如下：（1）主参数机械手的最大抓取重量是其规格的主参数，约为1kg；（2）基本参数该机械手的最大工作半径约为

22、200mm，手臂回转行程为360，手臂升降行程为100mm；（3）定位精度也是基本参数之一，该机械手的定位精度为0.5mm。2机械手的结构2.1总图结构本气动机械手具有三个自由度，即水平方向移动自由度，垂直方向升降自由度，回转自由度，本机械手的整体结构方案如图2.1与图2.2。图2.1 整体结构方案图、1. 机械手底座平台 2.立柱 3.横移气缸 4.垂直升降气缸 5.夹紧气缸 6.手爪我们分析一下本机械手的工作过程：机械手的手爪6通过夹紧气缸5从平台1抓取物体，然后通过垂直升降气缸4作用上升到所需高度，并由横移气缸3水平移动到所需位置，然后由立柱内部的回转机构旋转所需角度，垂直气缸动作，然后

23、夹紧气缸放松，物体被放置。然后气动机械手复位。图2.2 实物图表2.1 元件表 物品 数量 单位 价格步进电机驱动器m542-05 1 个 288元/个二位五通电磁换向阀4v-210-08 3 个 22元/个气缸tn25*200 1 个 120元/个气缸mal20*100-s 1 个 60元/个气缸sda25*10 1 个 39元/个开关电源 1 个 40元/个底座 1 个 60元/个 立柱 1 个 8元/个步进电机23lm-c532-14 1 个 50元/个89c52单片机 1 片 5元/片max232 1 块 1.42元/块uln2003a放大器 1 个 0.35元/个pc817光耦 7

24、个 0.5元/个a6n137高速光耦 1 个 2元/个电源开关mts202 2 个 1.2元/个单片机晶振 1 个 0.25元/个贴片电容 8 个 2元/25个106c电容 1 个 0.4元/个10uf电容 1 个 1.5元/50个贴片电阻 17 个 2元/100个二极管m7 3 个 2.5元/50个发光二极管 1 个 2元/100个a512j排阻 1 个 0.1元/个九针串口头 1 套 10元/套usb头 1 个 0.3元/个气管 6 根 1.5元/米线扎 若干 约1元/套m825螺丝、尼龙垫圈及球型螺母 4 套 约1元/套m335螺丝、螺母及尼龙支柱 4 套 约1元/套m335螺丝、螺母及

25、尼龙垫圈 4 套 约1元/套m516螺丝、螺母 4 套 约1元/套 2.2机械手底座平台本机械手的底座是用来固定立柱，安装气动附属组件、步进电机控制系统等。根据工艺要求，底座采用硬铝铸件，其外形如图2.3与图2.4所示。图2.3 底座模拟外形图图2.4 底座实物外形图2.3立柱 立柱是本机械手的基础结构，它不仅承担整个机械手的重量和工作时所产生的所有载荷，而且内部还安装了步进电机、推力球轴承等重要部件，实物图如图2.5所示。图2.5 立柱实物图2.4横移气缸本系统机械手水平横移的行程比较大，为200mm。如果采用双作用单活塞气缸，不仅增大了活杆所受的弯矩和转动惯量，而且还增加了所选横移气缸的体

26、积，给加工制造带来了困难。为了解决以上困难，本系统选择了收缩式双活塞杆气缸。既能满足行程要求，所选的气缸体积又小，实物图如图2.6所示。2.5垂直升降气缸气动机械手中实现手臂往复运动用的最多的是双作用单活塞杆气缸。活塞在气压下作双向运动。结构上可以是气缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。本系统采用缸体固定，活塞运动的结构，实物图如图2.7所示。图2.6 横移气缸实物图图2.7 垂直升降气缸实物图2.6夹紧气缸 在自动化生产线中，各种形式的机械手应用越来越广泛。现代的机械手采用各种电气、机械、液压、气动等驱动机构，并用电子系统进行控制，以实现模仿人的手臂和手指动作。而其手爪的结

27、构也是各式各样的，但以气动手爪应用较为普遍 。夹持式手爪的驱动装置较多采用的是作往复直线运动的气缸。在结构上，单杆活塞缸应用最多。所以，本系统夹紧气缸采用双向作用的单杆活塞缸，双向作用单杆活塞缸活塞两侧的有效面积不等，在气压相等时，活塞上所受推力拉力，如下图2.8与图2.9所示。图2.8 气压双作用单杆活塞缸 图2.9 夹紧气缸实物图2.7机械手手爪 机械手的手爪是用来直接抓取物件的机构，是机械手的重要组成部件之一。由手指、传力(或增力)机构和驱动装置组成。根据被抓取物件的材质、形状、尺寸、重量以及其它一些特性(如易碎性、导磁性、表面光洁度等)的不同，手部的种类也不一样。 机械式手爪是最基本的

28、一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。 机械式手爪由驱动元件、手爪夹持部件、传动机构、手指及各种垫片、附件等组成。夹持式是较常见的一种手部形式，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式和外夹式两种;按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手

29、指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，具有动作灵活、结构简单、制造容易、适应性强、精度高等特点。本系统采用的就是回转型齿轮齿条传动的内卡式手爪，如图2.10所示。图2.10 手爪实物图2.8开关电源开关电源把交流电转换为直流电，能提供24v,12v,5v直流电，并且起到总开关的作用。其中，24v电压提供给步进电机、步进电机驱动器及电磁阀。12v电压控制继电器。5v电压为单片机供电，实物图如图2.11所示。2.11 开关电源2.9机械手的气压驱动 由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，加之抓取载荷较轻，气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达等。

30、一般采用46个大气压，个别达到810个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。因此，本机械手采用气压传动方式。我们在机械手上所用的为二位五通电磁阀（如图2.12所示） 常见故障处理 电磁阀的故障将直接影响到切换阀和调节阀的动作，常见的故障有电磁阀不动作，应从以下几方面排查：（1）电磁阀线圈烧坏，可拆下电磁阀的接线，用万用表测量，如果开路，则电磁阀线烧坏。 原因有线圈受潮，引起绝缘不好而漏磁，造成线圈内电流过大而烧毁，因此要防止雨水进入电磁阀。此外，弹簧过硬，反作用力过大，线圈匝数太少，吸力不够也可使得线圈烧毁。紧急处理时，可将线圈上的手动按钮由正常工作时的“0”位打到“1”位，使得阀打开

31、。图2.12 机械手气压驱动电磁阀实物图（2）电磁阀卡住。电磁阀的滑阀套与阀芯的配合间隙很小（小于0.008mm），一般都是单件装配，当有机械杂质带入或润滑油太少时，很容易卡住。处理方法可用钢丝从头部小孔捅入，使其弹回。根本的解决方法是要将电磁阀拆下，取出阀芯及阀芯套，用cci4清洗，使得阀芯在阀套内动作灵活。拆卸时应注意各部件的装配顺序及外部接线位置，以便重新装配及接线正确，还要检查油雾器喷油孔是否堵塞，润滑油是否足够。（3）漏气。漏气会造成空气压力不足，使得强制阀的启闭困难，原因是密封垫片损坏或滑阀磨损而造成几个空腔窜气。在处理切换系统的电磁阀故障时，应选择适当的时机， 等该电磁阀处于失电

32、时进行处理，若在一个切换间隙内处理不完，可将切换系统暂停，从容处理。2.10机械手的控制 考虑到机械手的开放性和通用性，同时可以使用点位控制，所以我们利用单片机对机械手进行控制，当机械手的动作流程改变时，我们只需改变单片机内部的程序，非常便捷。而且它还可以提供与plc、计算机等多种接口，更能实现多机械手协调作业。2.11步进电机 步进电机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，具有控制简单、响应速度快、工作可靠、无累积误差等优点。它能够直接接受数字信号，无需中间转换，直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应，能实现直接的数字控制。步进电机以开环方式工作，可省去伺服电机驱动装置中

33、位置检测与反馈部分以及a/d、d/a转换，从而简化了系统机构，使控制成本大大降低。 本系统选择混合型步进电机。2.12.uln2003a介绍 uln是集成达林顿管ic，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,npn晶体管矩阵,最大驱动电压=50v,电流=500ma,输入电压=5v,适用于ttl coms,由达林顿管组成驱动电路。 uln是集成达林顿管ic,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200ma，饱和压降vce 约1v左右，耐压bvceo 约为36v。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，

34、故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动uln2003时，上拉2k的电阻较为合适，同时，com引脚应该悬空或接电源。uln2003是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350ma.资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在vcc与16脚之间，不用9脚。 uln2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、plc、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入5vttl电平，输出可达500ma/50v。uln2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅npn达林顿管组成。 该电路的特点如下: uln20

35、03的每一对达林顿都串联一个2.7k的基极电阻,在5v的工作电压下它能与ttl和cmos电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。 uln2003a在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。uln2003的输出端允许通过ic 电流200ma，饱和压降vce 约1v左右，耐压bvceo 约为36v。输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(ssr)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。uln2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500ma，达林顿对

36、管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。 2.13.c817光耦图2.13 c817光耦 pc817光耦中光敏三极管并联的稳压二极管起到保护光耦的作用，在光敏三极管一端2个引脚上并联一只稳压管，当加在三极管两端的电压超过稳压管稳压值的时候，稳压管击穿导通进入稳压状态，超出的电压会被稳压管吸收，从而保护光耦内置三极管不被高压损坏。pc817是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。 普通光电耦合器

37、只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。2.14步进电机驱动器2.14.1驱动器的选择2.14.2产品特点 1.平均电流控制，两相正弦电流驱动输出 2.供电电压可达75vdc 3.输出电流峰值可达4.5a 4.静止时电流自动减半图2.14 驱动器实物图 5.可驱动4,6,8两相，四相步进电机 6.高速光耦隔离信号输入，脉冲响应频率最高可达300khz 7.抗高频干扰能力强 8.输出电流设定方便 9.小

38、巧精美外形尺寸 10.细分精度2,4,8,16,32,64,128,256,5,10,25,50,125,250细分 11.有过压，欠压，过流，相间短路保护功能。2.14.3机械安装 ：推荐采用侧面安装，散热效果更佳2.14.4接线要求（1） 为了防止驱动器受干扰，建议采用双绞屏蔽线缆，并且屏蔽层与地线连接;同一机器内只允许在同一点接地，如果不是真实接地线，可能干扰更严重，此时屏蔽层不接地。（2） 脉冲方向信号线与电机线不允许并排连接在一起，最好分开至少10cm以上，否则电机噪声容易干扰脉冲方向信号引起电机定位不准，系统不稳定等故障。（3）如果一个电源供多台驱动器，应在电源处采取并联连接，不允

39、许先到一台再到另一台链状式连接。（4）严禁带电拔插驱动器强电端子，带电的电机停止时仍有大电流流过线圈，拔插强电端子将导致巨大的瞬间感生电动势将烧坏驱动器。（5）严禁将导线头加锡后接入接线端子，否则可能因接触电阻变大，过热而损坏端子。2.14.5电流、细分拨码开关设定m542驱动器采用八位拨码开关设定细分精度、动态电流和半流/全流。详细描述如表2.2所示：表2.2 m542驱动器八位拨码开关sw1sw2sw3sw4sw5sw6sw7sw8sw1 sw2 sw3是动态电流sw4是半流/全流sw5 sw6 sw7 se8是细分精度2.14.6细分设定细分精度有sw5-sw8四位拨码开关设定3.主控制

40、板系统原理设计3.1.主板基本机构图3.1 主控制板3.1.1基本组成 本机械手具有三个自由度，每个自由度一般包括一个驱动机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，控制系统扮演者重要角色。本机械手选择单片机控制系统，控制系统总体设计框图如图3.2所示：单片机图3.2 控制系统整体设计框图 机械手的主控制板（简称主板）是连接电脑、手柄、plc、步进电机驱动器、电磁阀、电源的中转站，下面依次进行说明。 电源。电源输入接口为“p3 电源输入”，主控板的电源有24v和5v两种，24v是为电磁阀供电（步进电机驱动器的电源直接由电源盒提供，使用者需要

41、自己接，同时注意正负）。5v是为主板上的元件及手柄供电。电源开关“s1”是5v电源的总开关，“s2”是手柄的电源开关，可对手柄电源单独进行控制。同时plc接口的电源也可为plc提供电源。 电脑。电脑的接口是“p7 pc通信接口”，通过9针标准串口线与电脑的串口进行连接。该接口用于pc与手柄、主板、plc通信（需要进行通信设置）。 手柄。手柄的接口是“p6 手柄通信接口”，通过usb线与手柄连接，手柄与主控制板虽然是用usb线连接，但实际并不是真正的usb接口，这一点一定要注意，不要直接插到电脑usb上，否则很容易烧毁手柄或者电脑。 plc。plc接口是“p5 plc通信接口”和“p4 plc控

42、制接口”，分别用于plc通信和控制。 步进电机驱动器接口。步进电机驱动器接口是“p2 步进电机驱动器接口”，是步进电机的方向和脉冲控制信号。电磁阀。电磁阀接口是“p1 电磁阀接口”，四条线分别是24v公共端和3条控制端。主板电路图如图3.3所示图3.33.2控制方式说明 步进电机和电磁阀的控制信号有两种来源，分别是主板的单片机和plc，通过j2j6这5个跳线帽进行设置，每个跳线帽有两种状态：“plc”和“c51”，当处于“plc”状态时，步进电机和电磁阀由plc控制；当处于“c51”状态时，步进电机和电磁阀由c51单片机控制。 要根据需要进行设置，实际只有用plc控制时才处于“plc”状态，其

43、余情况都是处于“c51”状态。3.3串行接口电路 串行接口是为了让单片机与外部设备传输数据的一种方式。串行接口具有使用线路少、成本低等优点。at89c52单片机具有一个全双工串行通信接口，这样可以很容易的实现单片机与pc机之间或者多机之间的通信。 因为单片机串行口的输出与输入均为ttl电平。这种以ttl电平串行传输数据的方式，抗干扰技能差，传输距离短。为了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距离就必须采用标准串口。rs-232c是异步串行通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终设备（dte）数据通信设备（dce）之间的串行接口标准。pc机都配有标准的rs-232c接口，由于ttl电平和rs

44、-232c电平互不兼容，所以两者连接必须有电平转换。单片机信号为ttl电平（0v5v）。rs-232c标准电平（逻辑1：-3v-15v;逻辑0：+3v+15v）。 如果需要两者之间的电平转换需要一个电平转换芯片，这里选用max232电平转换芯片。 max232是由美国maxim公司生产的电平转换芯片，此芯片由于内部有自升压的电平倍增电路，可以将+5v转换成-10v+10v，满足rs-232c标准对逻辑1和逻辑0的电平要求。设计电路如图3-4，电平转换芯片的r1out和t1in分别与单片机的rxd和txd管脚相连接。同时选用通用的9芯的rs-232接口，即db9f。 图3.4 串行接口电路图db

45、9接口如图3.5所示：图3.5 db9接口3.4通信方式说明 主板可以分别和电脑、手柄通信，手柄可以分别和主板、电脑、plc通信。plc分别可以和手柄、电脑通信。这些通信根据需要通过jnet112这12组跳线帽进行设置。 jnet112这12组跳线帽分别包括2个跳线帽，当需要把某一组短路帽短路时，必须把这一组的2个短路帽都短路，两者必须处于统一的状态。同时因为通信状态比较多，每次只短路需要的短路帽，其他的必须断开（jnet11和jnet12可以短着），否则会相互影响。 通信状态设置表格。主控制板上也有同样的表格，如表3.1。表3.1 主板通信状态通信主体需要短路的短路帽备注主板与pcjnet3

46、 jnet4 jnet11 也可以主板下载程序主板与手柄jnet1 jnet2 手柄与pcjnet5 jnet6 jnet11 也可以手柄下载程序手柄与plcjnet7 jnet8 plc与pcjnet9 jnet10 jnet12 也可以plc下载程序4.手柄系统原理设计4.1手持盒主要功能 应用 stc89s52 单片机设计了三自由度机械手手持盒。该手持盒对机械手的运动控制 分为点动和连续运动两种方式，具有手动操作、自动演示、学习/回放等功能，应用液晶模块显示信息，应用串行口与机械手控制器或计算机进行通讯，实现了对由步进电机和气缸构成的三自由度机械手控制。 三自由度机械手在上下料、物体搬运

47、、器件安装等方面有着广泛的应用，其控制系统目前多应用 plc 构成，且专机专用。本文应用 stc89s52单片机开发了一款通用型的机械手手持盒，以液晶模块作为显示器件，应用 rs232 口与机械手的控制板、plc 或控制器进行通讯。本文的机械手手持盒主要完成三自由度机械手的控制。该机械手为一通用型上下料及物料搬运机械手，其主要运动构成为：由步进电机及其减速器实现绕 z 轴180的旋转运动； tn由型气缸实现的水平运动；由 mal 型气缸实现的垂直运动及由 sda 型气缸实现的手爪的开合运动。为了实现对机械手的控制，机械手手持盒设置了如下按键：水平出，水平回控制水平气缸的运动；垂直伸，垂直缩控制

48、垂直气缸的运动；手爪开，手爪合控制手爪的开合；旋转设置，0.9，-0.9，水平旋转对步进电机旋转的控制；自动演示，手动操作，学习/回放机械手示教学习及回放功能的控制；开/关手持器电源的控制。手持盒外观如图4.1所示。4.2电源设置 手柄通过一条usb线与主控制板进行连接，该usb线为手柄提供电源，同时将手柄中单片机的ttl串口电路连接到了主控制板。手柄与主控制板虽然是用usb线连接，但实际并不是真正的usb接口，这一点一定要注意，不要直接插到电脑usb上，否则很容易烧毁手柄或者电脑。4.3原理图如图4.2所示图4.1 手持盒图4.2 手持盒电路图5气动控制选择 气动技术具有结构简单、价格低廉、

49、无污染等一系列显著优点，在工业中越来越受到广泛的应用，已经成为自动化不可缺少的手段，备受人们的重视。本机械手就是以单片机为控制基础，通过电磁阀控制气缸的伸缩达到机械手运动的目的。 气动部分主要由电磁阀、气缸构成，依据电磁阀在通电与不通电时不同的工作状态控制气体进出的原理控制气缸伸缩，让机械手的运动直观展现。 下面从电磁阀、气缸以及它们之间的配合解释一下气动部分的实现。5.1气动设置由于气压技术是以压缩空气为介质，以气源为动力的能源传递技术，其工作可靠性高、使用寿命长、对环境没有污染，所以在机械手的驱动系统中常采用气压技术。气压传动的设计要求（1）了解主机的结构、传动方式、动作循环过程，执行元件

50、的负载大小、运动速度和调速范围，定位精度，连锁要求和自动化程度等。（2）了解设备的工作环境，如温度、灰尘、腐蚀、振动、防燃、防爆等要求。（3）是否需要与电气、液压等控制方法相结合。5.2气压传动系统的组成气压传动系统由以下五部分组成：（1）能源装置：将原动机提供的机械能转变成为气压的压力能，为系统提供压缩空气，作为气压传动系统的动力源。（2）执行元件：将压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换元件，并对外做功。根据做功的方式不同，主要有直线运动和回转运动两种执行元件。本设计选用的是做直线运动的气缸。（3）气动控制元件：在气动系统中以调节和控制压缩压缩空气的压力、流量、方向的阀类。（4）辅助元件：

51、是对压缩空气进行净化、润滑、消声以及用于元件之间连接等所需的辅件。（5）工作介质：经除水、除油、过滤后的洁净压缩空气.5.3本机械手的气路设计 本机械手有三个自由度，即垂直升降、水平横移、180回转运动。除了回转运动，其余两个自由度均由双作用单活塞杆气缸来实现。主要完成以下动作：起动手爪下降手爪夹紧手爪上升手爪前进手爪下降手爪松开手爪上升手爪收缩至原位。 本驱动系统采用电、气结合的方式，气缸工作的顺序采用单片机控制，所以避免了顺序阀的使用。故在基本回路中只使用电气控制换向阀。5.4气缸5.4.1气动执行元件和控制元件 气动执行元件是一种能量转换装置，它是将压缩空气的压力能转化为机械能，驱动机构

52、实现直线往复运动、摆动、旋转运动或冲击动作。气动执行元件分为气缸和气马达两大类。气缸用于提供直线往复运动或摆动，输出力和直线速度或摆动角位移。气马达用于提供连续回转运动，输出转矩和转速。 气动控制元件用来调节压缩空气的压力流量和方向等，以保证执行机构按规定的程序正常进行工作。气动控制元件按功能可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。5.4.2气缸的典型结构和工作原理 气缸典型结构如所示。它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。 当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力

53、克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。5.4.3机械手所用气缸型号及特点 型号为sda25x10图5.1 气缸型号字符含义 所选气缸的性能及特点： 1.免润滑性：该产品采用含油自润滑轴承，使活塞杆无需加油润滑，也可采用直线轴承导向使摩擦更小，延长寿命； 2.耐久性：气缸本体、采用优质铝合金材质，前后端盖、缸体经过阳极硬质氧化处理，不仅具有耐磨耐腐蚀性，而且更显外观小巧精美； 3.精密导向性：双活塞杆提供了高度的抗弯曲和扭转刚性，保证了气缸的使用寿命和不旋转性； 4.易安装性：使用埋入式的安装方式，不需要任何配件达到几声空间的要求； 5.易维修性：采用简易的组装方式进行设计，方便装拆及维修； 6.耐高温性：可采用耐高温密封材料，使气缸在180c高温条件下正常工作（客户订货时需向本