简易小型直角坐标机械手
1 机械手
1.1 机械手的定义
机械手是模仿着人手的动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。 1.2 机械手的作用
生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，使用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快地改变工作程序，适用性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。 1.3 机械手的分类及特点
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工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: （1）专用机械手
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。 （2）通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
（1）液压传动机械手
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封
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装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 （2）气压传动机械手
是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 （3）机械传动机械手
即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构大，动作程序不可变。 （4）电力传动机械手
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 1.4 机械手的自由度
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自由度是机械手设计的主要参数，每一个构件相对于固定坐标系所具有的独立运动称为自由度。每一个构件相对于固定坐标系最多可以有六个自由度即沿X,Y,Z三个方向独立的往复运动和绕X,Y,Z轴的三个独立的回转运动。
按机械手所具有的主运动和辅助运动来分析其自由度。手臂和立柱的运动称为主运动。因为它能改变被抓取工件的空间位置。手腕和手指的运动称为辅助运动。因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位（即姿势），而手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其他运动均计为自由度数。
手指可作开合（即夹紧和放松）运动；手腕可作回转、上下和左右摆动等运动；手臂可做前后伸缩、升降（或上下摆动即仰俯）和回转运动；立柱横向移动。也有的机械手整机具有行走机构。
上述各种运动可根据机械手的需求来选择，设计机械手时首先要确定被抓取工件所在的空间位置，及将工件搬运到规定的位置时所需的运动（不包括手指开闭动作），在大多数情况下是少于六个自由度的，专用机械手只有2-4个自由度，而通用机械手是3-6个自由度。
自由度数越多，可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但是相应地带来了技术难度大，控制系统和机械结构复杂，成本高和维修困难。自由度数少，通用性差，但技术上容易达到，结构简单，使用和维修均方便。 1.5 坐标形式 1.5.1 直角坐标式
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其手臂的运动系有由三个直线运动所组成。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面
积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。
图1.1 直角坐标式
1.5.2 圆柱坐标式
其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转运动所组成（沿X轴伸缩，沿Z轴的升降，和绕Z轴的回转），占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。但沿Z轴方向运动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。
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图1.2 圆柱坐标式
1.5.3 球坐标式
其手臂的运动系由一个直线运动和两个转动所组成（即沿X轴的伸缩，绕Y轴的仰俯和绕Z轴的回转），这种手臂仰俯去抓取地面上的物件，且常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其他状态。这种形式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适合于沿伸缩方向向外作业的传动形式。但手臂摆角误差会将手部中心误差放大。
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图1.3 球坐标式
1.5.4 关节式
其手臂的运动类似人的手臂可以作几个方向的转动。它由大小两臂和立柱等组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回转运动所组成，即大臂的仰俯，小臂的仰俯和大臂的回转。它的特点是工作范围大，动作灵活，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物体，此为其它形式的机械手不可比拟的优点。
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图1.4 关节坐标式
1.6 驱动方式
机械手的驱动方式是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。
本设计的手臂部分用步进电机驱动，步进电机的驱动运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。为了实现这种驱动，要求有脉冲分配和功率放大功能的专门驱动电源，驱动电源和步进电机是一个有机的整体，步进电机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合所反映的综合效果。环形分配器的功能是将控制脉冲按规定方式分配给步进电机；功率放大器的功能是将环形分配器的输出信号进行放大，以驱动步进电机。
手腕的驱动有液压马达、驱动电动机、交流伺服电动机、齿轮传动等。
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手部的驱动有活塞杆驱动液压缸、气压缸，手指驱动电磁铁，真空吸附式手部的真空泵，真空发生器等。液压与气压型的驱动装置的形式一般有双向作用与单相作用活塞杆式两种。
(a)双向作用缸
(b)单作用缸常开式 (c)单作用缸常闭式 图1.5 驱动装置
1.7 控制方式
有分散式顺序控制器、用继电器组成的步进式顺序控制器、 常用的逻辑部件及电路有计数器、译码器与步进器、集成脉冲电路、显示装置、步进电机的控制——脉冲分配器。
2 机械手的设计
2.1 手臂的设计
（1）滚珠丝杠
在机械手臂中采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠得摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠的螺旋槽里放置了许多滚珠，丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力。摩擦力较小，因此传动效率高，同时可消除低速运动时的爬行现象；在装配时施加一定的预紧力，可消除回差。
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如图所示，滚珠丝杠里的滚珠从钢套管中出来，进入经过研磨的导槽，转动2-3圈以后，返回钢套管。滚珠丝杠的传动效率可以达到90%，所以只需要用极小的驱动力，并采用较小的驱动连接件，就能传递运动。通常使用两个背靠背的双螺母对滚珠丝杠进行预加载，以消除丝杆和螺母之间的间隙、提高运动精度。
(2) 同步带传动
同步带传动是综合了普通带传动和链传动优点的一种新型传动。它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑差的同步传动，其带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，以保证带的节距不变。它具有传动比准确、传动效率高、能吸振、噪声低、传动平稳、能高速传动、维修保养方便等优点，使用范围较广。缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，具有一定的蠕变性。 （3）齿轮齿条传动
通常齿条是固定不动的。当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动。这样，齿轮的旋转运动就转换成拖板的直线运动。拖板是由导杆或导轨支撑的。该装置的回差较大。 2.1.2 臂部设计要求
工业机器人的臂部由大臂、小臂（或多臂）所组成，一般具有2-3个自由度，即伸缩、回转、仰俯或升降。臂部总质量较大，受力一般较复杂。在运动时，直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，尤其高速运动时将产生较大的惯性力（力矩），引起冲击，影响定位
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准确性。作用是支撑手部和腕部，改变手部空间位置，部分零件的重量直接影响着臂部结构的刚度和强度。
根据运动形式，抓取自由度，运动精度要满足下列要求。 1手臂应具有足够的承载能力和刚度 2 导向性好 3 重量和转动惯量要小 4 运动要平稳、定位精度要高。 2.2 手腕的设计 2.2.1 手腕的执行方式
工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支撑手部的作用。机器人一般具有6个自由度才能使手部达到目标位置和期望姿态。为使手部能处于空间任何方向，要求手腕能实现对空间3个坐标轴X,Y,Z的转动，既具有回转、仰俯、偏转。 （1）单自由度手腕
有回转、仰俯、偏转、平移四种执行方式。
（一） 双自由度手腕执行
（三）三自由度手腕执行
图六 手腕执行方式
2.3 手部的设计
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图2.2.1 手腕的自由度
(2) 两、三自由度手腕
两自由度手腕和三自由度手腕主要是用单自由度手腕的这四种执行方式进行排列与组合得到的。形式多种多样。 2.3 手指的执行方式
( a ) 内撑式 ( b ) 外夹式 ( c ) 平移外夹式 ( d ) 勾托式 ( e ) 弹簧式 ( f ) 气吸式 ( g ) 磁吸式 2.3.2 手掌的执行方式
几种典型的手部结构
（1）回转型滑槽杠杆式手部结构 （2）筒夹内涨式手部结构 （3）移动型齿轮齿条式手部结构 （4）移动型的双连杆式手部结构 2.4 手臂设计的基本方案 2.4.1 执行方式的确定 滚珠丝杠副
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2.4.2 确定传动形式
滚珠丝杠有螺母固定、丝杠转动并移动，丝杆转动、螺母移动，螺母转动、丝杠移动，丝杠固定、螺母转动并移动这四种方式。
本设计主要考虑用丝杆转动、螺母移动。
3 单轴驱动器
单轴驱动器的种类主要涉及丝杠的导程，直径，和最大有效行程。
表3.1 单轴驱动器的基本参数 TYPE 导程(mm) 丝杠直径(mm) 最大有效行程(mm) LX20 1/5 6 136 LX26 2/5 8 217 LX30 5/10 10 529 LX45 10/20 15 497
每一种类中有三种形式 标准型 盖板型 无支架型
LX系列的四大特征 1 滑块上设有定位孔，提高了组装性能（仅限盖板型） 2 采用精密磨削的滚珠丝杠，施加预压实现静音和高精度。 3 采用连体式滑块结构降低了滑台高度，最适合省空间设计。4 底座上设有2个定位孔，提高了重复定位性能。
LX系列根据润滑分为 标准润滑脂 低尘润滑脂 带润滑装置MX（标准润滑脂）
根据精密度分为 高精密级 紧密级
命名方式是 TYPE 导程 精密级 润滑方式 如LX2602PG
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单轴驱动器的构成零件 底座（滑轨） 滑块 马达支架 支撑侧轴承座 挡块 精密滚珠丝杠（磨削）(均有材质 表面处理 硬度的要求
规格表主要描述滑块数 马达附件 有效行程 安装孔尺寸 有效行程对相同底座总长的不同润滑方式的单轴驱动器是不同的。安装孔尺寸有A、P、B。˙
有效行程L=A+P*(等分数-1)+B........................(3.1) 其中马达附件有步进马达T型、伺服马达A型，E型、无支架型F型、无附件型N型，A型的每一型都有自己不同的法兰规格，每一型可选用两三种不同功率的马达型号，T型的每一型都有自己不同的法兰规格，每一型可选用2相，5相，任意角步进的马达型号。其中F型没有附件。
其中前两型有表面处理与附件安装螺丝的标准要求。
还有传感器发讯块与附件安装夹具，它们的构成零件与传感器滑轨都有适用的标准。
对于单轴驱动器还有精度基准供参考。单轴驱动器对不同滑块数的容许静负载、静力矩，相同底座总长的单轴驱动器在不同的润滑方式的滑块有不同重量，相同底座总长的单轴驱动器对应不同润滑方式的滑块有不同的惯性矩，还有相同的LX系列的不同类型对有相同底座总长的单轴驱动器的最高转速。在设计选型的过程中都要求校核，不能超标。
4 步进电机的开环和闭环控制
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4.1 步进电机的特点
主要特点是能实现精确定位、精确位移，且无积累误差。这是因为步进电机运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于数量输入指令脉冲的频率。 4.2 开环控制
如果能准确控制输入指令脉冲的数量或频率，就能够完成精确的位置与速度控制，无须系统的反馈，形成所谓开环系统。
开环控制系统，由控制器、脉冲分配器、驱动电路及步进电机四部分组成。
图4.1 步进电机的开环控制
控制器主要分单片机控制，微机控制，单片机与微机联合控制。 微机控制主要分串行控制与并行控制。
开环控制的主要特点是速度控制，因为它的精度主要取决于步距角的精度和负载状况。
所以开环控制常常采用加减速定位控制方式，因为步进电机的启动频率要比连续运行频率小，所以开环系统的脉冲指令频率，只有小
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于电动机的极限频率电动机才能成功启动。如果电机的工作频率总是低于极限启动频率，当然不会失步。但没有充分发挥电机的潜力，工作速度太低。 4.3 闭环控制
4.3.1 采用闭环控制的目的
对于不同的电机或者同一种电机不同的负载，很难找到通用的加减速规律，控制系统是无法预测和监视的。在某些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电机很容易失步，使整个系统趋于失控。因此使提高步进电机的性能指标受到限制。另外，对于高精度的控制系统，采用开环控制往往满足不了精度的要求。因此，必须在控制回路中增加反馈环节，构成闭环控制系统。
图4.2 步进电机的闭环控制
4.3.2 闭环控制的原理与优点
闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。
采用闭环控制，不仅可以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳得多的转速，而且可以在步进电机的许多其他领域内获得更大的通
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用性。它与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节4.3.3 闭环控制的分类
主要用PLC来控制。
有核步法、延迟时间法、带位置传感器的闭环控制系统等。 4.3.4 PLC控制的特点
为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：可靠性高，抗干扰能力强。
工业生产对控制设备的可靠性要求：①平均故障间隔时间长 ②故障修复时间（平均修复时间）。
任何电子设备产生的故障，通常为两种 1 偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。2 永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间。。。
硬件措施：
主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。
屏蔽——对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。
② 滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如
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LC或π型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。
③ 电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。
④ 隔离——在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。
⑤ 采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。
软件措施：有极强的自检及保护功能。
①故障检测——软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。
②信息保护与恢复——当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。
③设置警戒时钟WDT（看门狗）——如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。
④加强对程序的检查和校验——一旦程序有错，立即报警，并
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停止执行。
⑤对程序及动态数据进行电池后备——停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。
通用性强，控制程序可变，使用方便。
PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
功能强，适应面广，现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、
顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
编程简单，容易掌握。
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然
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后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
减少了控制系统的设计及施工的工作量。
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。
体积小、重量轻、功耗低、维护方便。
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。
5 手部握力的计算
手指握紧工件时所需要的力称为握力（夹紧力）。握力的大小与被夹紧的工件的重量、重心位置以及夹持工件的方位有关，我们
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把握力假想为作用与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，以N表示。
钳爪式手部握力的计算，必须根据手指和工件的形状、手指夹持工件时的不同的方位进行分析。
图5.1 手指的握力
式中N代表握力，G代表工件的重力，f代表摩擦系数，b代表手指与手掌的关节到被抓取物件的重心的距离，Ø代表手指的张开角度，ψ代表手指与工件之间的摩擦角。图中均已水平与垂直两种方式作比较。
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图5.2 手指的握力
当工件重量、手指指形、工件的形状和加持的方位确定后，即可借助上表查出握力计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P应按照下式计算：
实
P>=P*K1*K2/η ..................................(5.1)
实
η------手部的机械效率，一般取（0.85-0.95） K1-----安全系数，一般取（1.2-2）
K2-----工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可按下式计算；
K2=1+a/g .......................................(5.2) a------被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。
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6 手部驱动力的计算
图6.1 手部的驱动力
P*h=N*b..............................................(6.1) h=a/cosα.............................................(6.2) P=2b*cosα*N/a........................................(6.3) a-----手指的回转支点到对称中心的距离。α为工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线的夹角。 7 初步方案的确定
初步决定X,Y,Z轴都用LX3010系列的单轴驱动器，导程选10mm,丝杠直径选10mm。手掌的驱动用直线电机，手指用抓取式的连杆机构，或者电磁铁直接吸附。步进电机用东方电机系列的T3060系列。
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