1、簡易小型直角坐標機械手1 機械手1.1 機械手的定義機械手是模仿著人手的動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的機械裝置。在工業生產中應用的機械手被稱為“工業機械手”。1.2 機械手的作用生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率；可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業、交通運輸業等方面得到越來越廣泛的應用。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬

2、于該機床的專用機械手。隨著工業技術的發展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，使用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快地改變工作程序，適用性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的應用。1.3 機械手的分類及特點工業機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統等進行分類。機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:（1）專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產的自動換

3、刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和加工中心。（2）通用機械手它是一種具有獨立控制系統的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統和控制系統是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制，伺服型可以是點位的，也可以實現連續控制，伺服型具有伺服系統定位控制系統，一般的伺服型通用機械手屬于數控類型。（1）液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是

4、:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統，可實現連續軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。（2）氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進

5、行工作。（3）機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構大，動作程序不可變。（4）電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執行機構運動的械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發展前途。1.4 機械手的自由度自由度是機械手設計的主要參數，每一個構件相對于固定坐標系所具有的獨立運動稱為自由度。每一個構件相對

6、于固定坐標系最多可以有六個自由度即沿X,Y,Z三個方向獨立的往復運動和繞X,Y,Z軸的三個獨立的回轉運動。按機械手所具有的主運動和輔助運動來分析其自由度。手臂和立柱的運動稱為主運動。因為它能改變被抓取工件的空間位置。手腕和手指的運動稱為輔助運動。因為手腕的運動只能改變被抓取工件的方位（即姿勢），而手指的夾放動作不能改變工件的位置和方位，故它不計為自由度數，其他運動均計為自由度數。手指可作開合（即夾緊和放松）運動；手腕可作回轉、上下和左右擺動等運動；手臂可做前后伸縮、升降（或上下擺動即仰俯）和回轉運動；立柱橫向移動。也有的機械手整機具有行走機構。上述各種運動可根據機械手的需求來選擇，設計機械手時

7、首先要確定被抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運到規定的位置時所需的運動（不包括手指開閉動作），在大多數情況下是少于六個自由度的，專用機械手只有2-4個自由度，而通用機械手是3-6個自由度。自由度數越多，可以完成的動作越復雜，通用性越強，應用范圍也越廣，但是相應地帶來了技術難度大，控制系統和機械結構復雜，成本高和維修困難。自由度數少，通用性差，但技術上容易達到，結構簡單，使用和維修均方便。1.5 坐標形式1.5.1 直角坐標式其手臂的運動系有由三個直線運動所組成。它的特點是結構簡單，定位精度高，適用于主機位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。圖1.

8、1 直角坐標式1.5.2 圓柱坐標式其手臂的運動系由兩個直線運動和一個回轉運動所組成（沿X軸伸縮，沿Z軸的升降，和繞Z軸的回轉），占地面積小而活動范圍大，結構較簡單，并能達到較高的定位精度，因此應用較廣泛。但沿Z軸方向運動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。圖1.2 圓柱坐標式1.5.3 球坐標式其手臂的運動系由一個直線運動和兩個轉動所組成（即沿X軸的伸縮，繞Y軸的仰俯和繞Z軸的回轉），這種手臂仰俯去抓取地面上的物件，且常常設有手腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其他狀態。這種形式的機械手具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它適合于沿伸縮方向向外作業的傳動形式。但手臂擺角誤差會

9、將手部中心誤差放大。圖1.3 球坐標式1.5.4 關節式其手臂的運動類似人的手臂可以作幾個方向的轉動。它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯接為肘關節，大臂與立柱之間的聯接為肩關節，各關節均由鉸鏈構成以實現轉動，手臂的運動系由三個回轉運動所組成，即大臂的仰俯，小臂的仰俯和大臂的回轉。它的特點是工作范圍大，動作靈活，能抓取靠近機座的物件，并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物體，此為其它形式的機械手不可比擬的優點。圖1.4 關節坐標式1.6 驅動方式機械手的驅動方式是驅動執行機構運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。本設計的手臂部分用步進電機驅動，步進

10、電機的驅動運行要求足夠功率的電脈沖信號按一定的順序分配到各相繞組。為了實現這種驅動，要求有脈沖分配和功率放大功能的專門驅動電源，驅動電源和步進電機是一個有機的整體，步進電機的運行性能是電動機及其驅動電源二者配合所反映的綜合效果。環形分配器的功能是將控制脈沖按規定方式分配給步進電機；功率放大器的功能是將環形分配器的輸出信號進行放大，以驅動步進電機。手腕的驅動有液壓馬達、驅動電動機、交流伺服電動機、齒輪傳動等。手部的驅動有活塞桿驅動液壓缸、氣壓缸，手指驅動電磁鐵，真空吸附式手部的真空泵，真空發生器等。液壓與氣壓型的驅動裝置的形式一般有雙向作用與單相作用活塞桿式兩種。 (a)雙向作用缸(b)單作用缸

11、常開式 (c)單作用缸常閉式圖1.5 驅動裝置1.7 控制方式有分散式順序控制器、用繼電器組成的步進式順序控制器、 常用的邏輯部件及電路有計數器、譯碼器與步進器、集成脈沖電路、顯示裝置、步進電機的控制脈沖分配器。2 機械手的設計2.1 手臂的設計（1）滾珠絲杠在機械手臂中采用滾珠絲杠，這是因為滾珠絲杠得摩擦力很小且運動響應速度快。由于滾珠絲杠的螺旋槽里放置了許多滾珠，絲杠在傳動過程中所受的是滾動摩擦力。摩擦力較小，因此傳動效率高，同時可消除低速運動時的爬行現象；在裝配時施加一定的預緊力，可消除回差。如圖所示，滾珠絲杠里的滾珠從鋼套管中出來，進入經過研磨的導槽，轉動2-3圈以后，返回鋼套管。滾珠

12、絲杠的傳動效率可以達到90%，所以只需要用極小的驅動力，并采用較小的驅動連接件，就能傳遞運動。通常使用兩個背靠背的雙螺母對滾珠絲杠進行預加載，以消除絲桿和螺母之間的間隙、提高運動精度。(2) 同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優點的一種新型傳動。它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑差的同步傳動，其帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，以保證帶的節距不變。它具有傳動比準確、傳動效率高、能吸振、噪聲低、傳動平穩、能高速傳動、維修保養方便等優點，使用范圍較廣。缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，具有一定的蠕變性。（3）齒輪齒條傳動通常齒

13、條是固定不動的。當齒輪轉動時，齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運動。這樣，齒輪的旋轉運動就轉換成拖板的直線運動。拖板是由導桿或導軌支撐的。該裝置的回差較大。2.1.2 臂部設計要求工業機器人的臂部由大臂、小臂（或多臂）所組成，一般具有2-3個自由度，即伸縮、回轉、仰俯或升降。臂部總質量較大，受力一般較復雜。在運動時，直接承受腕部、手部和工件的靜、動載荷，尤其高速運動時將產生較大的慣性力（力矩），引起沖擊，影響定位準確性。作用是支撐手部和腕部，改變手部空間位置，部分零件的重量直接影響著臂部結構的剛度和強度。根據運動形式，抓取自由度，運動精度要滿足下列要求。1手臂應具有足夠的承載能力和剛度 2 導向

14、性好 3 重量和轉動慣量要小 4 運動要平穩、定位精度要高。2.2 手腕的設計2.2.1 手腕的執行方式工業機器人的腕部是連接手部與臂部的部件，起支撐手部的作用。機器人一般具有6個自由度才能使手部達到目標位置和期望姿態。為使手部能處于空間任何方向，要求手腕能實現對空間3個坐標軸X,Y,Z的轉動，既具有回轉、仰俯、偏轉。（1）單自由度手腕有回轉、仰俯、偏轉、平移四種執行方式。（一） 雙自由度手腕執行（三）三自由度手腕執行圖六 手腕執行方式2.3 手部的設計圖2.2.1 手腕的自由度(2) 兩、三自由度手腕兩自由度手腕和三自由度手腕主要是用單自由度手腕的這四種執行方式進行排列與組合得到的。形式多種

15、多樣。2.3 手指的執行方式( a ) 內撐式( b ) 外夾式( c ) 平移外夾式( d ) 勾托式( e ) 彈簧式( f ) 氣吸式( g ) 磁吸式2.3.2 手掌的執行方式幾種典型的手部結構（1）回轉型滑槽杠桿式手部結構（2）筒夾內漲式手部結構（3）移動型齒輪齒條式手部結構（4）移動型的雙連桿式手部結構2.4 手臂設計的基本方案2.4.1 執行方式的確定 滾珠絲杠副2.4.2 確定傳動形式滾珠絲杠有螺母固定、絲杠轉動并移動，絲桿轉動、螺母移動，螺母轉動、絲杠移動，絲杠固定、螺母轉動并移動這四種方式。本設計主要考慮用絲桿轉動、螺母移動。3 單軸驅動器單軸驅動器的種類主要涉及絲杠的導程

16、，直徑，和最大有效行程。表3.1 單軸驅動器的基本參數TYPE 導程(mm) 絲杠直徑(mm) 最大有效行程(mm)LX20 1/5 6 136LX26 2/5 8 217LX30 5/10 10 529LX45 10/20 15 497每一種類中有三種形式 標準型 蓋板型 無支架型LX系列的四大特征 1 滑塊上設有定位孔，提高了組裝性能（僅限蓋板型） 2 采用精密磨削的滾珠絲杠，施加預壓實現靜音和高精度。3 采用連體式滑塊結構降低了滑臺高度，最適合省空間設計。4 底座上設有2個定位孔，提高了重復定位性能。LX系列根據潤滑分為 標準潤滑脂 低塵潤滑脂 帶潤滑裝置MX（標準潤滑脂）根據精密度分為

17、 高精密級 緊密級命名方式是 TYPE 導程 精密級 潤滑方式 如LX2602PG單軸驅動器的構成零件 底座（滑軌） 滑塊 馬達支架 支撐側軸承座 擋塊 精密滾珠絲杠（磨削）(均有材質 表面處理 硬度的要求規格表主要描述滑塊數 馬達附件 有效行程 安裝孔尺寸有效行程對相同底座總長的不同潤滑方式的單軸驅動器是不同的。安裝孔尺寸有A、P、B。有效行程L=A+P*(等分數-1)+B.(3.1)其中馬達附件有步進馬達T型、伺服馬達A型，E型、無支架型F型、無附件型N型，A型的每一型都有自己不同的法蘭規格，每一型可選用兩三種不同功率的馬達型號，T型的每一型都有自己不同的法蘭規格，每一型可選用2相，5相，

18、任意角步進的馬達型號。其中F型沒有附件。其中前兩型有表面處理與附件安裝螺絲的標準要求。還有傳感器發訊塊與附件安裝夾具，它們的構成零件與傳感器滑軌都有適用的標準。對于單軸驅動器還有精度基準供參考。單軸驅動器對不同滑塊數的容許靜負載、靜力矩，相同底座總長的單軸驅動器在不同的潤滑方式的滑塊有不同重量，相同底座總長的單軸驅動器對應不同潤滑方式的滑塊有不同的慣性矩，還有相同的LX系列的不同類型對有相同底座總長的單軸驅動器的最高轉速。在設計選型的過程中都要求校核，不能超標。4 步進電機的開環和閉環控制4.1 步進電機的特點主要特點是能實現精確定位、精確位移，且無積累誤差。這是因為步進電機運動受輸入脈沖控制

19、，其位移量是斷續的，總的位移量嚴格等于輸入的指令脈沖數或其平均轉速嚴格正比于數量輸入指令脈沖的頻率。4.2 開環控制如果能準確控制輸入指令脈沖的數量或頻率，就能夠完成精確的位置與速度控制，無須系統的反饋，形成所謂開環系統。開環控制系統，由控制器、脈沖分配器、驅動電路及步進電機四部分組成。圖4.1 步進電機的開環控制控制器主要分單片機控制，微機控制，單片機與微機聯合控制。 微機控制主要分串行控制與并行控制。開環控制的主要特點是速度控制，因為它的精度主要取決于步距角的精度和負載狀況。所以開環控制常常采用加減速定位控制方式，因為步進電機的啟動頻率要比連續運行頻率小，所以開環系統的脈沖指令頻率，只有小

20、于電動機的極限頻率電動機才能成功啟動。如果電機的工作頻率總是低于極限啟動頻率，當然不會失步。但沒有充分發揮電機的潛力，工作速度太低。4.3 閉環控制4.3.1 采用閉環控制的目的對于不同的電機或者同一種電機不同的負載，很難找到通用的加減速規律，控制系統是無法預測和監視的。在某些運行速度范圍寬、負載大小變化頻繁的場合，步進電機很容易失步，使整個系統趨于失控。因此使提高步進電機的性能指標受到限制。另外，對于高精度的控制系統，采用開環控制往往滿足不了精度的要求。因此，必須在控制回路中增加反饋環節，構成閉環控制系統。圖4.2 步進電機的閉環控制4.3.2 閉環控制的原理與優點閉環控制是直接或間接地檢測

21、轉子的位置和速度，然后通過反饋和適當的處理，自動給出驅動的脈沖串。采用閉環控制，不僅可以獲得更加精確的位置控制和高得多、平穩得多的轉速，而且可以在步進電機的許多其他領域內獲得更大的通用性。它與開環系統相比多了一個由位置傳感器組成的反饋環節4.3.3 閉環控制的分類主要用PLC來控制。有核步法、延遲時間法、帶位置傳感器的閉環控制系統等。4.3.4 PLC控制的特點為適應工業環境使用，與一般控制裝置相比較，PLC機有以下特點：可靠性高，抗干擾能力強。工業生產對控制設備的可靠性要求：平均故障間隔時間長 故障修復時間（平均修復時間）。任何電子設備產生的故障，通常為兩種 1 偶發性故障。由于外界惡劣環境

22、如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、欠電壓、振動等引起的故障。2 永久性故障。由于元器件不可恢復的破壞而引起的故障。如果能限制偶發性故障的發生條件，如果能使PLC在惡劣環境中不受影響或能把影響的后果限制在最小范圍，使PLC在惡劣條件消失后自動恢復正常，這樣就能提高平均故障間隔時間。硬件措施：主要模塊均采用大規?；虺笠幠＜呻娐罚罅块_關動作由無觸點的電子存儲器完成，I/O系統設計有完善的通道保護和信號調理電路。屏蔽對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。 濾波對供電系統及輸入線路采用多種形式的濾波，如LC或型濾波網絡，以消除或抑制高頻干擾，也削

23、弱了各種模塊之間的相互影響。 電源調整與保護對微處理器這個核心部件所需的+5V電源，采用多級濾波，并用集成電壓調整器進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。 隔離在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地隔離I/O接口與CPU之間電的聯系，減少故障和誤動作；各I/O口之間亦彼此隔離。 采用模塊式結構這種結構有助于在故障情況下短時修復。一旦查出某一模塊出現故障，能迅速更換，使系統恢復正常工作；同時也有助于加快查找故障原因。軟件措施：有極強的自檢及保護功能。故障檢測軟件定期地檢測外界環境，如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強干擾信號等。以便及時進行處理。 信息保護與恢復當偶發

24、性故障條件出現時，不破壞PLC內部的信息。一旦故障條件消失，就可恢復正常，繼續原來的程序工作。所以，PLC在檢測到故障條件時，立即把現狀態存入存儲器，軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被沖掉。設置警戒時鐘WDT（看門狗）如果程序每循環執行時間超過了WDT規定的時間，預示了程序進入死循環，立即報警。加強對程序的檢查和校驗一旦程序有錯，立即報警，并停止執行。對程序及動態數據進行電池后備停電后，利用后備電池供電，有關狀態及信息就不會丟失。通用性強，控制程序可變，使用方便。 PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用

25、戶在硬件確定以后，在生產工藝流程改變或生產設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。功能強，適應面廣，現代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數、順序控制等功能，還具有數字和模擬量的輸入輸出、功率驅動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產機械、一條生產線，又可控制一個生產過程。編程簡單，容易掌握。目前，大多數PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數工廠企業電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達

26、方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓，電氣技術人員和技術工很快就能學會用梯形圖編制控制程序。同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。PLC在執行梯形圖程序時，用解釋程序將它翻譯成匯編語言然后執行（PLC內部增加了解釋程序）。與直接執行匯編語言編寫的用戶程序相比，執行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數機電控制設備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。減少了控制系統的設計及施工的工作量。由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調試，更減少了

27、現場的調試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強的監視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。體積小、重量輕、功耗低、維護方便。PLC是將微電子技術應用于工業設備的產品，其結構緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強抗干擾能力，易于裝入設備內部，是實現機電一體化的理想控制設備。以三菱公司的F1-40M型PLC為例：其外型尺寸僅為305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、適應環境溫、濕度變化的能力?，F在三菱公司又有FX系列PLC，與其超小型品種F1系列相比：面積為47%,體積為36%，在系統的配置上既固定又靈活，輸入輸出可達24128點。5 手部握

28、力的計算手指握緊工件時所需要的力稱為握力（夾緊力）。握力的大小與被夾緊的工件的重量、重心位置以及夾持工件的方位有關，我們把握力假想為作用與工件接觸面的對稱平面內，并設兩力大小相等，方向相反，以N表示。鉗爪式手部握力的計算，必須根據手指和工件的形狀、手指夾持工件時的不同的方位進行分析。圖5.1 手指的握力式中N代表握力，G代表工件的重力，f代表摩擦系數，b代表手指與手掌的關節到被抓取物件的重心的距離，代表手指的張開角度，代表手指與工件之間的摩擦角。圖中均已水平與垂直兩種方式作比較。圖5.2 手指的握力當工件重量、手指指形、工件的形狀和加持的方位確定后，即可借助上表查出握力計算方法，可求出驅動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動以及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力P實應按照下式計算：P實=P*K1*K2/ .(5.1)-手部的機械效率，一般取（0.85-0.95）K