1、虛擬三自由度氣動教學機械手的實驗研究目錄一、緒論 4 1.1機械手概述和發展前景及方向 4 1.1.1概述： 4 1.1.2發展前景及方向： 5 1.2氣動技術概述及其發展 6 1.2.1概述 6 1.2.2發展現狀和發展趨勢 7 1.3氣動機械手的應用及發展 8 二、機械手的技術指標和結構組成 9 2.1 本機械手的技術指標 9 機械手設計的主要技術指標 10 主要參數 10 2.2 機械手的總體結構及各部件 10 2 .2 .1 機械手底座平臺 11 2.2.2立柱 12 2.2.3 橫移氣缸 13 2.2.4 垂直升降氣缸 14 2.2.5 夾緊氣缸 14 2.2.6 機械手手爪 16

2、2.2.7步進電機 16 2.3機械手的驅動 17 2.4機械手的控制 17 機械手元件及價格 18 三、三自由度機械手的Solidworks造型 20 3.1 手指造型 21 3.1.1手指的結構分析 21 3.1.2 創建手指 22 草圖繪制 22 拉伸基體特征 22 3.2手指罩板造型 24 3.2.1 手指罩板造型結構分析 24 3.2.2 手指罩板造型 26 草圖繪制 26 拉伸基體特征 26 拉伸切除 27 3.3裝配體制作 29 四、電路部分 32 4.1主電路 32 4.1.1主電路圖： 32 4.1.2主控電路PCB圖： 33 4.1.3主控制系統的功能介紹及使用方法： 33

3、 4.2手持盒 35 4.2.1手持盒電路圖： 35 4.2.2手持盒PCB圖： 35 4.2.3三自由度氣動機械手手持盒介紹 36 4.2.4手持盒主要功能 36 4.2.5手持盒的硬件構成 36 手持盒硬件功能介紹 37 手持盒的使用方法： 42 4.3步進電機 43 4.3.1步進電機驅動器電路圖： 43 4.3.2步進電機驅動器PCB圖： 43 4.3.3步進電機控制： 44 五、氣動部分 45 5.1電磁閥 45 5.1.1電磁閥工作原理： 45 5.1.2閥的功能 47 5.1.3常見故障處理 47 5.2氣缸 48 5.2.1氣動執行元件和控制元件 48 5.2.2氣缸的典型結構

4、和工作原理 48 5.2.3機械手所用氣缸型號及特點 50 5.2.4所選氣缸的性能及特點： 52 5.2.5電磁閥與氣缸間的配合 52 5.2.6本機械手采用氣動技術方面的考慮 55 六、基于VB 的氣動機械手動畫仿真實驗及編程 57 6.1基于VB 的氣動機械手動畫仿真實驗 57 6.2編程部分 60 6.2.1上位機VB程序 60 6.2.2下位機C語言程序 70 參考文獻 84 小結 85 緒論機械103班 馮春鵬（學號：2010071199）1.1機械手概述和發展前景及方向1.1.1概述：機械手是一種模擬人手操作的自動機械。它可按固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。應用

5、機械手可以代替人從事單調、重復或繁重的體力勞動，實現生產的機械化和自動化，代替人在有害環境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。20世紀40年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用機械手搬運放射性材料，人在安全間操縱機械手進行各種操作和實驗。50年代以后，機械手逐步推廣到工業生產部門，用于在高溫、污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、自動生產線和加工中心中應用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸

6、、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個自由度 。自由度是機械手設計的關鍵參數 。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有23個自由度。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他

7、機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。1.1.2發展前景及方向：重復高精度精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術和現

8、代控制技術的發展,機械手的重復精度將越來越高, 它的應用領域也將更廣闊, 如核工業和軍事工業等。模塊化有的公司把帶有系列導向驅動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術, 而把模塊化拼裝的機械手稱為現代傳輸技術。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統裝置, 使機械手運動自如。模塊化機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 是機械手的一個重要的發展方向。無給油化為了適應食品、醫藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經問世。隨著材料技術的進步，新型材料（如燒結金屬石墨

9、材料）的出現，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節省潤滑油、不污染環境，而且系統簡單、摩擦性能穩定、成本低、壽命長。機電一體化由“可編程序控制器- 傳感器- 液壓元件”組成的典型的控制系統仍然是自動化技術的重要方面;發展與電子技術相結合的自適應控制液壓元件, 使液壓技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復合集成系統, 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。隨著科學與技術的發展, 機械手的應用領域也不斷擴大.目前, 機械手不僅應用于傳統制造

10、業如采礦,冶金,石油,化學,船舶等領域,同時也已開始擴大到核能,航空,航天,醫藥,生化等高科技領域以及家庭清潔,醫療康復等服務業領域中.如,水下機器人,拋光機器人,打毛刺機器人,擦玻璃機器人,高壓線作業機器人,服裝裁剪機器人,制衣機器人,管道機器人等特種機器人以及掃雷機器人,作戰機器人,偵察機器人,哨兵機器人,排雷機器人,布雷機器人等軍用機器人都是機械手應用的典型。機械手廣泛應用于各行各業.而且,隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩,未來各種專業服務機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活,其市場將繁榮興旺。1.2氣動技術概述及其發展1.2.1概述氣動技術，全稱氣壓傳動與控制技術，

11、是生產過程自動化和機械化的最有效手段之一，具有高速高效、清潔安全、低成本、易維護等優點，被廣泛應用于輕工機械領域中，在食品包裝及生產過程中也正在發揮越來越重要的作用。氣動技術因具有節能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結構簡單，以及防火、防爆、抗電磁干擾、抗輻射等優點，廣泛應用于汽車制造、電子、工作機械(紡織機械、印刷、包裝設備及機床等)、食品等工業產業中。隨著新材料、新技術、新工藝的開發和應用，氣動技術已經突破傳統的設計、制造理念，正在IC/LCD、微電子、生物制藥、醫療機械等高技術領域扮演著重要角色。優點：氣動技術是以空氣和惰性氣體作為工作介質，空氣的供給量充足而且無需成本。更重要的是，空

12、氣和惰性氣體對周圍環境不造成污染，是清潔介質。氣動技術可以做到遠距離供氣，減少本地機械設備，節省廠房空間。缺點：氣體的壓縮性使得氣動元件的動作速度，容易受到負載變化的影響。氣動設備的輸出力能滿足大部分的工業操作需要，但是和液動設備相比，氣動設備的輸出力還是要小一些。另外，氣缸在低速運動時，受摩擦力影響較大，穩定性稍差。1.2.2發展現狀和發展趨勢我國氣動行業通過產品結構調整，改善經營管理，自20世紀90年代后期開始，一直保持著良好的經濟運行態勢，生產穩步、持續增長。由于它具有節能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結構簡單等優點，廣泛應用于各種機械和生產線上。 氣動技術應用面的擴大是氣動工業發展

13、的標志。氣動元件的應用主要為兩個方面：維修和配套。過去國產氣動元件的銷售要用于維修，近幾年，直接為主要配套的銷售份額逐年增加。國產氣動元件的應用，從價值數千萬元的冶金設備到只有12百元的椅子。鐵道扳岔、機車輪軌潤滑、列車的煞車、街道清掃、特種車間內的起吊設備、軍事指揮車等都用上了專門開發的國產氣動元件。這說明氣動技術已“滲透”到各行各業，并且正在日益擴大。氣動行業的發展也是趨向于保護環境、提高產品的性能、降低成本，同時由于性能的提高和成本的降低又助于節省能源從而利于環境保護，其關鍵在于提高氣動行業的自動化水平，使其產品更加優越，所以氣動行業的發展方向大致為： 1 .機電氣一體化一體化一體化一體

14、化 2.高壓、小型化 3.高效、低成本 4.無油化 5.高壽命、高可靠性 6.集成化、復合型、多功能 7.高速化 隨著氣動產品越來越多地應用于生物工程、醫藥、原子能、微電子、機器人等各行業，相應地提出了許多新的要求，因此大力發展新材料、鑄造技術、表面熱處理、密封技術、計算機技術、傳感技術等許多基礎技術越來越受到人們的重視。1.3氣動機械手的應用及發展由于氣壓傳動系統使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環境下工作”。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩、可靠、節能和不污染環境、容易實現無級調速、易實現過載保護、易實現復雜的動作等優

15、點。所以，氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業、半導體及家電行業、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業等。現代汽車制造工廠的生產線，尤其是主要工藝的焊接生產線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。高頻率的點焊、力控的準確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機械手應用之一。在彩電、冰箱等家用電器產品的裝配生產線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電子產品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許

16、多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統，采用了平穩加速的SIN氣缸。氣動機械手用于對食品行業的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等。此外，氣動系統、氣動機械手被廣泛應用于制藥與醫療器械上。如：氣動自動調節病床，Robodoc機器人，da Vinci外科手術機器人等。隨著微電子技術的迅速發展和機械加工工藝水平的提高及現代控制理論的應用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質技術基礎。由于氣動

17、機械手有結構簡單、易實現無級調速、易實現過載保護、易實現復雜的動作等諸多獨特的優點，可以預見，在不久的將來，氣動機械手將越來越廣泛地進人工業、軍事、航空、醫療、生活等領域。由于氣動技術和電子技術的結合，以及周邊技術的成熟，氣動機械手在工業自動化領域里的實用性已經充分體現出來。特別是目前國內外一些學者正嘗試在氣動機械手中引入現代控制理論和智能控制方法，并取得了一定的研究成果，這為氣動機械手大規模進入工業自動化領域開辟了十分廣闊的前景 。機械手的技術指標和結構組成機械101班 徐向陽（學號：2010071096）機械101班 胡奇臻（學號：2010071099）2.1 本機械手的技術指標氣動機械手

18、的基本要求是能快速、準確的拾、放和搬運物體，這就要求它們具有精度高、反應快、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度以及在任意位置都、能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分考慮作業對象的作業技術要求，擬定較為合理的作業工序和工藝，并滿足系統功能要求和環境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性 。機械手是典型的機電一體化產品，合理分配機械、電子、硬件、軟件各部分所承擔的任務和功能，對提高系統的整體性能、結構簡化、降低成本起著舉足

19、輕重的作用。因此對本機械手采用系統的觀點進行整體功能分析，實現結構優化是實現經濟性，靈活性和高可靠性系統設計的重要環節和關鍵步驟。機械手設計的主要技術指標1.設計的機械手為三自由度；2.機械手的水平旋轉由步進電機驅動實現，可實現的轉角為±180°；3.該機械手的水平移動自由度由TN25×200氣缸實現；垂直升降自由度由MAL20×100氣缸實現；其手爪的開合由SDA25×10氣缸實現：1.該機械手的主要搬運物體為近似圓柱狀，物體為垂直放置，重量約為1kg，最大直徑為40mm；2.系統的控制器件可選用單片機控制。主要參數（1）主參數機械手的最大抓

20、取重量是其規格的主參數，約為1kg；（2）基本參數該機械手的最大工作半徑約為200mm，手臂回轉行程為360°，手臂升降行程為100mm。（3）定位精度也是基本參數之一，該機械手的定位精度為±0.5mm。2.2 機械手的總體結構及各部件 本氣動機械手具有三個自由度，即水平方向移動自由度，垂直方向升降自由度，回轉自由度，本機械手的整體結構方案如圖2.1所示。圖2.1 帶水平旋轉的三自由度氣動機械手總體結構示意圖1.機械手底座平臺 2.立柱 3.橫移氣缸 4.垂直升降氣缸 5.夾緊氣缸 6.手爪下面分析一下本機械手的工作過程：機械手的手爪6通過夾緊氣缸5從平臺1抓取物體，然后通

21、過垂直升降氣缸4作用上升到所需高度，并由橫移氣缸3水平移動到所需位置，然后由立柱內部的回轉機構旋轉所需角度，垂直氣缸動作，然后夾緊氣缸放松，物體被放置。然后氣動機械手復位。2 .2 .1 機械手底座平臺本機械手的底座是用來固定立柱，安裝氣動附屬組件、步進電機控制系統等。根據工藝要求，底座采用硬鋁鑄件，其外形如2.2所示。圖2.2 底座外形圖2.2.2立柱立柱是本機械手的基礎結構，它不僅承擔整個機械手的重量和工作時所產生的所有載荷，而且內部還安裝了步進電機、推力球軸承等重要部件，實物圖如圖2.3。圖2.3 立柱實物圖2.2.3 橫移氣缸本系統機械手水平橫移的行程比較大，為200mm。如果采用雙作

22、用單活塞氣缸，不僅增大了活塞桿所受的彎矩和轉動慣量，而且還增加了所選橫移氣缸的體積，給加工制造帶來了困難。為了解決以上困難，本系統選擇了收縮式雙活塞桿氣缸。既能滿足行程要求，所選的氣缸體積又小，實物圖如圖2.4所示。圖2.4 橫移氣缸實物圖2.2.4 垂直升降氣缸氣動機械手中實現手臂往復運動用的最多的是雙作用單活塞桿氣缸。活塞在氣壓下作雙向運動。結構上可以是氣缸體固定、活塞桿運動；也可以是活塞桿固定，而缸體運動。本系統采用缸體固定，活塞運動的結構，實物圖如圖2.5所示。圖2.5 垂直升降氣缸實物圖2.2.5 夾緊氣缸 在自動化生產線中，各種形式的機械手應用越來越廣泛。現代的機械手采用各種電氣、

23、機械、液壓、氣動等驅動機構，并用電子系統進行控制，以實現模仿人的手臂和手指動作。而其手爪的結構也是各式各樣的，但以氣動手爪應用較為普遍 。夾持式手爪的驅動裝置較多采用的是作往復直線運動的氣缸。在結構上，單桿活塞缸應用最多。所以，本系統夾緊氣缸采用雙向作用的單桿活塞缸（圖2.6），雙向作用單桿活塞缸活塞兩側的有效面積不等，在氣壓相等時，活塞上所受推力拉力，如下圖所示，實物圖如圖2.7所示。圖2.6 氣壓雙作用單桿活塞缸圖2.7 夾緊氣缸實物圖2.2.6 機械手手爪 機械手的手爪是用來直接抓取物件的機構，是機械手的重要組成部件之一。由手指、傳力(或增力)機構和驅動裝置組成。根據被抓取物件的材質、形

24、狀、尺寸、重量以及其它一些特性(如易碎性、導磁性、表面光潔度等)的不同，手部的種類也不一樣。機械式手爪是最基本的一種，應用廣泛，種類繁多。如按手指運動的方式和模仿人手的動作，可分為回轉型、直進型；按夾持方式可分為內撐式、外撐式和自鎖式；按手指數目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。機械式手爪由驅動元件、手爪夾持部件、傳動機構、手指及各種墊片、附件等組成。夾持式是較常見的一種手部形式，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內卡式和外夾式兩種;按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型，其中以二支點回轉型為基

25、本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，具有動作靈活、結構簡單、制造容易、適應性強、精度高等特點。本系統采用的就是回轉型齒輪齒條傳動的內卡式手爪，實物圖如圖2.8所示。2.2.7步進電機 步進電機是一種可以直接將數字脈沖信號轉換成機械位移的機電執行元件，具有控制簡單、響應速度快、工作可靠、無累積誤差等優點。它能夠直接接受數字信號，無需中間轉換，直接輸出的位移量與輸入數字脈沖量相對應，能實現直接的數字控制。步進電機以開環方式工作，可省去伺服電機驅動裝置中位置檢測與反

26、饋部分以及A/D、D/A轉換，從而簡化了系統機構，使控制成本大大降低。本系統選擇混合型步進電機。圖2.8 手爪實物圖2.3機械手的驅動由于氣壓傳動系統的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉，加之抓取載荷較輕，氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達等。一般采用46個大氣壓，個別達到810個大氣壓。它的優點是氣源方便，維護簡單，成本低。因此，本機械手采用氣壓傳動方式。圖2.9為控制氣體的電磁閥。2.4機械手的控制考慮到機械手的開放性和通用性，同時可以使用點位控制，所以我們利用單片機對機械手進行控制，當機械手的動作流程改變時，我們只需改變單片機內部的程序，非常便捷。而且它還可以提供與PLC

27、、計算機等多種接口，更能實現多機械手協調作業。圖2.9 電磁閥機械手元件及價格：物品數量單位價格步進電機驅動器M542-051個288元/個二位五通電磁換向閥4V-210-083個22元/個氣缸TN25*2001個120元/個氣缸MAL20*100-S1個60元/個氣缸SDA25*101個39元/個開關電源1個40元/個底座1個60元/個立柱1個8元/個步進電機23LM-C532-141個50元/個89C52單片機1片5元/片MAX2321塊1.42元/塊ULN2003A放大器1個0.35元/個PC817光耦7個0.5元/個A6N137高速光耦1個2元/個電源開關MTS2022個1.2元/個單

28、片機晶振1個0.25元/個貼片電容8個2元/25個106C電容1個0.4元/個10uf電容1個1.5元/50個貼片電阻17個2元/100個二極管M73個2.5元/50個發光二極管1個2元/100個A512J排阻1個0.1元/個九針串口頭1套10元/套USB頭1個0.3元/個氣管6根1.5元/米線扎若干M8×25螺絲、尼龍墊圈及球型螺母4套約1元/套M3×35螺絲、螺母及尼龍支柱4套約1元/套M3×35螺絲、螺母及尼龍墊圈4套約1元/套M5×16螺絲與螺母4套約1元/套三自由度機械手的Solidworks造型機械101班 時俊東（學號：2010071119

29、）機械101班 孫連偉（學號：2010141046）首先我要對Solidworks進行介紹一下，它是一種先進的，智能化的零變量式CAD設計軟件，在業界被稱為“3D機械設計方案的領先者”，易學易用，界面友好，功能強大，在機械制圖和結構設計領域，掌握和使用Solidworks已經成為最基本的技能之一。與傳統的2D機械制圖相比，零變量式CAD設計軟件具有許多優越性，是當代機械制圖設計軟件的主流和發展方向。零變量式CAD設計軟件，是參數式和變量式的統稱。在繪制完草圖后，可以加入尺寸等數值限制條件和其他幾何限制條件，讓草圖進入完全定義狀態，這就是參數式模式，由于軟件自動加入了相關屬性，如果修改了標注尺寸

30、，幾何圖形的尺寸就會同步更新，也就是暫時不充分的限制條件，讓草圖處于欠定義狀態，這就是變量式操作模式。Solidworks模型是由零件，裝配體和工程圖等文件組成，沒有生成零件之前的圖紙叫做草圖。由2D,3D草圖直接生成3D模型和工程圖時，如果修改了草圖的標注尺寸，其3D模型和工程圖會同步更新；相反，如果修改了工程圖的標注尺寸，其3D模型和草圖也會同步更新。軟件使用起來十分方便，大大減少了工程人員的工作量，提高了工作效率。通常，從打開一個零件文件或建立一個新零件文件開始，繪制草圖，生成基本特征，然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以從其他軟件導入曲面或幾何實體開始，編輯特征，生成零件，裝配

31、體和工程圖。這是常用的設計方法，也就是自上而下的設計方法。草圖繪制從零件文件開始，對于一個新的產品設計，要首先建立零件文件。由于零件，裝配體和工程圖的相關性，所以當其中一個視圖變化時，其他兩個視圖也會自動改變。Solidworks2010允許自定義功能，選擇菜單欄中的“工具”“選擇”命令，可以顯示，定義“系統選項”和“文件屬性”選項卡。Solidworks2010可以自動保存工作，自動恢復功能可以自動保存零件，裝配體或工程圖文件的信息，在系統死機時不會丟失數據，如果設定此選項，則選擇“工具”“選項”菜單命令，在“系統選項”選項卡上，單擊“備份”選項，選擇“每n次更改后，自動恢復信息”復選框，然

32、后設定信息自動保存前應發生的變更次數。Solidworks2010具有很強的文件交換功能，可以輸入，輸出數十種文件格式，可以與AutoCAD，Pro/ENGINEER，Solidedge，CAM等軟件很方便的進行文件交換。Solidworks2010在草圖繪制模式及工程圖中提供顯示網格線和捕捉網格線功能，可將網格線與模型邊線對齊，還可以捕捉到角度。網格線和捕捉功能在Solidworks2010中不太使用，因此Solidworks是參變量軟件，尺寸和幾何關系提供了所需的精度。3.1 手指造型3.1.1手指的結構分析從圖3.1可以看出手指是由拉伸凸臺/基體和切除步驟完成，其端面有就短直線，一個整體

33、圓，和一部分在齒輪組成的草圖，并對其拉伸基體，然后再創建根除草圖，利用拉伸切除，切除實體，可依據以下的順序進行建模。圖3.1 手指3.1.2 創建手指草圖繪制 1.啟動Solidworks2010后，單擊工具欄上的“新建”命令按鈕，或選擇“文件”“新建”菜單命令，打開“新建Solidworks文件”對話框如圖3.2所示。圖3.22.單擊“零件”圖標，單擊“確定”按鈕，這時就會創建一個新的零件文件。首先要繪制草圖，然后拉伸生成零件的基本特征。3.單擊草圖繪制工具欄的“草圖繪制”命令按鈕，此時在前視基準圖上打開一張草圖。依據結構分析畫出草圖，如圖3.3所示。拉伸基體特征通過拉伸所繪制的草圖來生成基

34、體的操作步驟如下：1.單擊“特征”工具欄上的“拉伸凸臺基體”命令按鈕，執行拉伸操作。2.在“方向1”組框中執行如下操作。 將終止條件設置為“給定深度”，給定深度為10mm。可使用方向鍵或直接輸入數值來增加數值，圖形區域中顯示拉伸的預覽。3.單擊“確定”按鈕，生成拉伸。如圖3.4圖3.3圖3.44.單擊“特征”工具欄上的“切除凸臺基體”命令按鈕，切除實體。執行以下操作：繪制草圖選擇基準面繪制R=6的圓單擊“特征”工具欄，切除實體。將終止條件設置為“給定深度”，設置深度為10mm，可以使用方向鍵或直接輸入數值來增加數值。如圖3.5所示，單擊“確定”按鈕，生成切除。如圖3.6所示，并將該文件保存為“

35、手指”零件圖。圖3.53.2手指罩板造型3.2.1 手指罩板造型結構分析 手指罩板是一個把兩個手指包裹在一起的零件，零件的定位與手指造型要統一，該零件是由拉伸凸臺基體和切除拉伸步驟完成。先畫拉伸草圖，再拉伸完成基體造型，利用切除拉伸命令完成幾個孔洞的切除除料。零件如圖3.7所示可依據以下順序進行建模造型。 圖3.6圖3.73.2.2 手指罩板造型 草圖繪制 利用繪制草圖命令繪制基體草圖，如圖3.8所示圖3.8拉伸基體特征通過拉伸所繪制的草圖來生成基體的操作步驟如下：1.單擊“特征”工具欄上的“拉伸凸臺基體”命令按鈕，執行拉伸操作。2.在“方向1”組框中執行如下操作。將終止條件設置為“給定深度”

36、，給定深度為25mm。可使用方向鍵或直接輸入數值來增加數值，圖形區域中顯示拉伸的預覽。同理，在“方向2”組框中執行以上操作。3.單擊“確定”按鈕，生成拉伸。如圖3.9 圖3.9拉伸切除 繪制草圖選擇基準面繪制R=5的圓單擊“特征”工具欄，切除實體。將終止條件設置為“給定深度”，設置深度為10mm，可以使用方向鍵或直接輸入數值來增加數值。單擊“確定”按鈕，生成切除。如圖3.10所示圖3.10依次執行上述“拉伸切除”完成手指罩板的造型。如圖3.11所示。圖3.11其他零件的造型也是按照上述造型步驟完成。具體零件造型可參考文件“三自由度機械手零件”。3.3裝配體制作1.啟動Solidworks201

37、0后，單擊工具欄上的“新建”命令按鈕，或選擇“文件”“新建”菜單命令，打開“新建Solidworks文件”對話框如圖3.12所示。圖3.122.單擊“工程圖”“確定”，進入裝配體界面。3.通過“工具欄”中的插入零部件命令，一個個加入零件，進行裝配。成型如圖3.13所示圖3.13電路部分機械101班 劉鵬翔（學號：2010071100）機械101班 孫連偉（學號：2010141046）機械101班 時俊東（學號：2010071119）4.1主電路4.1.1主電路圖（圖4.1）：圖4.1 主電路圖4.1.2主控電路PCB圖（圖4.2）：圖4.2 主控電路PCB圖4.1.3主控制系統的功能介紹及使用

38、方法：主控制板如圖4.3所示： 圖4.3主控制板單片機電源口的紅色發光二極管為電源指示燈。左側“總電源開關 S1”為5V電源總開關，右側“手柄電源開關 S2”是手柄電源開關。“P3 電源輸入”為電源接口，“P1 電磁閥接口”，為電磁閥接口，左側“P2 步進電機驅動器接口”為步進電機控制接口，右側串口用于單片機程序下載以及單片機與計算機通訊，右下側USB口用于手柄程序下載和單片機之間的通訊。J2J6這5個跳線帽設置控制方式，每個跳線帽有兩種狀態：“PLC”和“C51”，當處于“PLC”狀態時，步進電機和電磁閥由PLC控制；當處于“C51”狀態時，步進電機和電磁閥由C51單片機控制。JNET112

39、這12組跳線帽用于設置通信模式，分別包括2個跳線帽，當需要把某一組短路帽短路時，必須把這一組的2個短路帽都短路，兩者必須處于統一的狀態。同時因為通信狀態比較多，每次只短路需要的短路帽，其他的必須斷開（JNET11和JNET12可以短著），否則會相互影響。通信狀態設置表格（表4.1）。主控制板上也有同樣的表格。表4.1 通信狀態設置表格通信主體需要短路的短路帽備注主板與PCJNET3 JNET4 JNET11 也可以主板下載程序主板與手柄JNET1 JNET2 手柄與PCJNET5 JNET6 JNET11 也可以手柄下載程序手柄與PLCJNET7 JNET8 PLC與PCJNET9 JNET1

40、0 JNET12 也可以PLC下載程序4.2手持盒4.2.1手持盒電路圖（圖4.4）：圖4.4 手持盒電路圖4.2.2手持盒PCB圖（圖4.5）：圖4.5 手持盒PCB圖4.2.3三自由度氣動機械手手持盒介紹應用 STC89S52 單片機設計了三自由度機械手手持盒。該手持盒對機械手的運動控制分為點動和連續運動兩種方式，具有手動操作、自動演示、學習/回放等功能，應用液晶模塊顯示信息，應用串行口與機械手控制器或計算機進行通訊，實現了對由步進電機和氣缸構成的三自由度機械手控制。4.2.4手持盒主要功能本文的機械手手持盒主要完成三自由度機械手的控制。該機械手為一通用型上下料及物料搬運機械手，其主要運動

41、構成為：由步進電機及其減速器實現繞 Z 軸±180°的旋轉運動； TN由型氣缸實現的水平運動；由 MAL 型氣缸實現的垂直運動及由 SDA 型氣缸實現的手爪的開合運動。為了實現對機械手的控制，機械手手持盒設置了如下按鍵：水平出，水平回控制水平氣缸的運動；垂直伸，垂直縮控制垂直氣缸的運動；手爪開，手爪合控制手爪的開合；旋轉設置，0.9°，-0.9°，水平旋轉對步進電機旋轉的控制；自動演示，手動操作，學習/回放機械手示教學習及回放功能的控制；開/關手持器電源的控制。手持盒外觀如圖4.6所示。 4.2.5手持盒的硬件構成手持盒的電路原理如圖 4.2.5 所示。

42、手持盒的控制核心為AT89C52 單片機，該單片機為 MCS-51 內核，硬件資源豐富，手持盒應用了液晶模塊作為信息顯示屏，可顯示字母、數字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能，所有的功能（顯示RAM，字型產生器等）都包含在一個芯片里面，與外部處理器連接方便。本文選用的 C 系列液晶模塊為OCMJ4×8C 型，與AT89C52的接口采用了并口連接方式；手持盒的按鍵采用了 4×4 查詢式結構的薄膜按鍵，這樣設計較少占用單片機的管腳資源，應用RS232 接口與外界器件相連。圖4.6 手持盒手持盒硬件功能介紹AT89C52（見圖4.7）: 89c52單片機個引腳的

43、原理與功能VCC:供電電壓GND：接地P0口：口為一個位漏極開路雙向口，沒腳可吸收門電路，當口的電路第一次寫時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部數據存儲器，它被定義數據/地址的第八位在flash編程時，P0口作為原碼輸入口，當flash進行校驗時，P0口輸出原碼，此時P0口外部必須拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故，在flash在編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內不上拉的8雙向I/O口，P2

44、緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上啦的緣故。P2口當用于外部程序存儲或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接受輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，

45、P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口作為AT89c52的一些特殊功能口，管腳 備選功能P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 /INT0(外部中斷0)P3.3 /INT1(外部中斷1)P3.4 T0(計時器0外部輸入)P3.5 T1(計時器1外部輸入)P3.6 /WR(外部數據存儲器寫通道)P3.7 /RD(外部數據存儲器讀通道)REST:復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持REST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG:當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平喲公寓鎖存地址的低位字節。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，

46、ALE斷以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為震蕩頻率的1/6.因此他可以用作外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：沒到那個用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如果想禁制ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0.此時，ALE只有執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用，另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效，但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP；當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FF

47、FFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/Ea保持高電平時，此間內部程序存儲器。在flash編程區間，此引腳也用于施加12V變成電源（VPP）。XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內部始終工作電路輸入XTAL2:來自反向振蕩器圖4.7 AT89C52MAX232芯片（圖4.8）簡介：MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片,使用+5v單電源供電。 圖4.8 MAX232引腳介紹：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需

48、要。 第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。 其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。 8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。 TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。 RS232 (DB9)引腳定義

49、：1 ：DCD :載波檢測。主要用于Modem通知計算機其處于在線狀態，即Modem檢測到撥號音，處于在線狀態。 2 ：RXD:此引腳用于接收外部設備送來的數據；在你使用Modem時，你會發現RXD指示燈在閃爍，說明RXD引腳上有數據進入。 3 ：TXD:此引腳將計算機的數據發送給外部設備；在你使用Modem時，你會發現TXD指示燈在閃爍，說明計算機正在通過TXD引腳發送數據。 4 ：DTR:數據終端就緒；當此引腳高電平時，通知Modem可以進行數據傳輸，計算機已經準備好。 5 ：GND:信號地；此位不做過多解釋。 6 ：DSR:數據設備就緒；此引腳高電平時，通知計算機Modem已經準備好，可

50、以進行數據通訊了。 7 ：RTS:請求發送；此腳由計算機來控制，用以通知Modem馬上傳送數據至計算機；否則，Modem將收到的數據暫時放入緩沖區中。 8 ：CTS: 清除發送；此腳由Modem控制，用以通知計算機將欲傳的數據送至Modem。 9 ：RI : Modem通知計算機有呼叫進來，是否接聽呼叫由計算機決定MAX232原理（圖4.9）：MAX232芯片是專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路,使用+5v單電源供電。圖4.9 MAX232原理手持盒的使用方法：手持盒右下角為液晶背光“開/關”。左側為“學習/回放”按鍵，按下此鍵可重復執行上一步的操作。下面第二排為“自動演示”和“手

51、動操作”按鍵，其中“自動演示”按鍵可將機械手功能自動演示一遍，“手動操作”則需與上面10個按鍵配合完成每個動作的控制。在執行手動操作時應先觀察機械手當前所處狀態，進而選擇下步要執行的操作，例即不要在水平氣缸伸出時執行“水平出”操作。在執行旋轉操作時，先按“手動操作”，然后按“旋轉設置”，再根據要旋轉的方向和角度選擇按“-1.8度”還是“+1.8度”以及按下次數（N=/1.8度），按完一定次數后按“水平旋轉”鍵即可實現水平方向的旋轉。4.3步進電機4.3.1步進電機驅動器電路圖（圖4.10）：圖4.10 步進電機驅動器電路圖4.3.2步進電機驅動器PCB圖（圖4.11）：圖4.11 步進電機驅動

52、器PCB圖4.3.3步進電機控制：圖4.12是步進電機驅動器，其使用法在其銘牌上可以直觀看到，可設置輸出電流大小和細分步數。步進電機額定電壓為24V，額定電流為1.6A。其控制開關狀態如圖所示。由于批次不同，所以用的驅動器品牌可能不同，因此可能與照片不符，用戶可根據驅動器上所帶的設置說明自行進行設置。圖4.12步進電機驅動器控制線路連接圖氣動部分機械103班 馮春鵬（學號：2010071199）機械101班 漢栩杉（學號：2010071092）機械101班 胡奇臻（學號：2010071099）氣動技術具有結構簡單、價格低廉、無污染等一系列顯著優點，在工業中越來越受到廣泛的應用，已經成為自動化不

53、可缺少的手段，備受人們的重視。本機械手就是以單片機為控制基礎，通過電磁閥控制氣缸的伸縮達到機械手運動的目的。氣動部分主要由電磁閥、氣缸構成，依據電磁閥在通電與不通電時不同的工作狀態控制氣體進出的原理控制氣缸伸縮，讓機械手的運動直觀展現。下面從電磁閥、氣缸以及它們之間的配合解釋一下氣動部分的實現。5.1電磁閥5.1.1電磁閥工作原理：電磁閥是由電磁線圈和磁芯組成，是包含一個或幾個孔的閥體。當線圈通電或斷電時，磁芯的運轉將導致流體通過閥體或被切斷，以達到改變流體方向的目的。電磁閥的電磁部件由固定鐵芯、動鐵芯、線圈等部件組成；閥體部分由滑閥芯、滑閥套、彈簧底座等組成。電磁線圈被直接安裝在閥體上，閥體

54、被封閉在密封管中，構成一個簡潔、緊湊的組合。在氣動回路中，電磁控制換向閥的作用是控制氣流通道的通、斷或改變壓縮空氣的流動方向。主要工作原理是利用電磁線圈產生的電磁力的作用，推動閥芯切換，實現氣流的換向。按電磁控制部分對換向閥推動方式的不同，可以分為直動式電磁閥和先導式電磁閥。直動式電磁閥直接利用電磁力推動閥芯換向，而先導式換向閥則利用電磁先導閥輸出的先導氣壓推動閥芯換向。電磁閥從原理上分為三大類（即：直動式、分步直動式、先導式） ；從氣路或油路上來說，我們在生產中常用的電磁閥有二位三通、二位四通、二位五通等 。電磁閥二位是指電磁閥的閥芯有兩個不同的工作位置（開、關）。而多少通指電磁閥的閥體上有多少個通道口；比如二位二通電磁閥是一進一出（二個通道、最普通常見）二位三通電磁閥控制液體是一進二出（兩出分別是一個常開一個常閉）；氣動換向電磁閥是一進一出一排氣；液壓一進一出一回油。我們在機械手上所用的為二位五通電磁閥（如圖5.1所示）圖5.1 二位五通電磁閥兩位五通電磁閥具有1個進氣孔(接進氣氣源)、1個正動作出氣孔和1個反動作出氣孔(分別提供給目標設備的一正一反動作的氣源)、1個正動作排氣孔和1個反動作排氣孔(安裝消聲器)。 兩位五通電磁閥一般為雙電控(即雙線圈)。兩位五通雙電控電磁閥動作原理：給正動作線圈通電，則正動作氣路接通(正動作出氣孔有氣)，即使給正動作線圈斷電后正動