【正文】 活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)械手的應(yīng)用也越來越多。 在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。據(jù)猜測，今后機(jī)器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機(jī)器維修、交 通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。 隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究物料分揀機(jī)械手以下幾個方面的內(nèi)容： (1) 物料分揀機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機(jī)械構(gòu)件組成，是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動的實(shí)體。主要包括機(jī)身、手臂、末端執(zhí)行器 3 部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計主要是對機(jī)械手的手部、手臂和機(jī)座進(jìn)行設(shè)計。 (2) 物料分揀機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 驅(qū) 動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動方式的比較，本設(shè)計選擇氣壓驅(qū)動的方式。內(nèi)容包括氣動元件的選擇及其工作原理、氣動回路的設(shè)計和氣動原理圖的繪制。 (3) 物料分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時序進(jìn)行工作。本機(jī)械手采用可編程控制器（ PLC ）對機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對 PLC 的型號選擇、傳感器類型進(jìn)行選擇、 I/O 口的選擇、對控制系統(tǒng)原理圖、自動程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。 第 一 章 執(zhí)行系統(tǒng)的 分 析 與 選 擇 機(jī)器手的執(zhí)行結(jié)構(gòu) 是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動的實(shí)體。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布局類型直接影響到機(jī)械手的工作性能。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 坐 標(biāo) 形 式 的 選 擇 機(jī)械手的基本型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。 下面就各型式機(jī)械手作簡單的分析對比： 1 、 直角坐標(biāo)式 機(jī)械手 直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮、左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式 X 、 Y 、Z 三個方向的直線進(jìn)行運(yùn)動。 其工作范圍可以是一個直線運(yùn)動；兩個直線運(yùn)動或三個直線運(yùn)動。如在X 、 Y 、 Z 三個直線 運(yùn)動方向上個具有 A 、 B 、 C 三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即構(gòu)成六個自由度。 直角坐標(biāo)式機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)： （ 1 ） 產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求； （ 2 ） 容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機(jī)械相配合； （ 3 ） 適于裝箱類、多工序復(fù)雜的工作，定位容易變更； （ 4 ） 定位精度高，載重發(fā)生變化是不回影響精度； （ 5 ） 易于實(shí)行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機(jī)械配合使用。 缺點(diǎn)：機(jī)械手的作業(yè)范圍較小。 2 、 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種型式，它適用于搬運(yùn)和測量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間較小， 而動作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一個直線運(yùn)動，加一個不在直線運(yùn)動所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個直線運(yùn)動加一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個基本動作： （ 1 ） 手臂水平回轉(zhuǎn)； （ 2 ） 手臂伸縮； （ 3 ） 手臂上下； （ 4 ） 手臂回轉(zhuǎn)動作； （ 5 ） 手爪夾緊動作。 圓柱式機(jī)械手的特點(diǎn)是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可做上下直線運(yùn)動和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動。 3 、 球坐標(biāo)式機(jī)械手 球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它的工作范圍包括： 一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動加一個直線運(yùn)動。 球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)八個動作： （ 1 ） 手臂上下動作，即俯仰動作； （ 2 ） 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作； （ 3 ） 手臂前后動作，即伸縮動作； （ 4 ） 手腕上下彎曲； （ 5 ） 手腕左右擺動； （ 6 ） 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動； （ 7 ） 手爪夾緊動作； （ 8 ） 機(jī)械手的整體移動。 球坐標(biāo)式機(jī)械手的特點(diǎn)是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧狀上下俯仰動作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人的手類似。它的特點(diǎn)能能自動選擇最合理的 動作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。 4 、 關(guān)節(jié)式機(jī)械手 關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作傳動型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。 關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動。它還具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。為具有近似人手的操作機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。 機(jī)械手型式的選擇首先是從滿足它的運(yùn)動要求方面進(jìn)行 考慮， 然后從機(jī)械手的復(fù) 雜程度以及經(jīng)濟(jì)情況等方面來考慮。本設(shè)計中的機(jī)械手主要動作為機(jī)械手手臂的左右移動，升降移動和機(jī)械手的整體旋轉(zhuǎn)。 直角坐標(biāo)式機(jī)械手雖然具備手臂的伸縮上下、左右直線運(yùn)動等動作， 但是不具備機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)動作， 所以不考慮用直角坐標(biāo)式機(jī)械手。 球坐標(biāo)式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，有很多動作是不必要的，顯得浪費(fèi)和增加了制造的成本和難度。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉(zhuǎn)動等動作。可以將手臂回轉(zhuǎn)動作改換成機(jī)械手的整體轉(zhuǎn)動就可以滿足本 設(shè)計 中 機(jī) 械手的動作要求。這樣的修改并沒有改變機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，只是 進(jìn)行 了局部變動，使得整個系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，所以確定用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機(jī)械部分組成： （ 1） 手部 是機(jī)械手直接握持工件或工具的部分。 （ 2） 臂部 是機(jī)械手用來支持腕部與手部實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動范圍的部件。 （ 3） 立柱 支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機(jī)構(gòu)。 （ 4） 機(jī)座 是機(jī)械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的部分。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 各 部 分 的 分 析 與 選 擇 手部的選擇 1 手 部形式的確定 手部就是用來握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部機(jī)構(gòu)也是多種多樣。常用的手部結(jié)構(gòu)按其握持原理可以分為如下兩類 : 1 ）夾持式 夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機(jī)械廣泛應(yīng)用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。 夾持式手部設(shè)計時應(yīng)注意以下事項(xiàng)： （ 1） 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。 （ 2） 手指應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力。 （ 3） 要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。 （ 4） 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率 高。 （ 5） 通用性和可換性。 2 ）氣吸式 氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負(fù)壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。主要適應(yīng)于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。 氣吸式又可分為： 負(fù)壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤。 磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當(dāng)壓縮空氣高速進(jìn)入噴嘴時，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達(dá)到臨界速度，此時的氣體受壓，密度加大。在排氣管路中因界面逐漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續(xù)增高，在吸氣口處形成負(fù)壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤的工作原理是將軟質(zhì)吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導(dǎo)磁 性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件。磁吸式手部不會破壞被吸附表面質(zhì)量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。 通過以上對手部的分析真空式具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機(jī)械手的正常工作等優(yōu)點(diǎn)。而且滿足所設(shè)計機(jī)械手的要求，所以選用真空式吸盤。 真空吸盤機(jī)構(gòu)如圖 所示。 圖 11 吸盤機(jī)構(gòu)圖 手臂結(jié)構(gòu)的選擇 手臂是機(jī)械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。手臂一般有三個運(yùn)動 — 伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動作是 將手部移動到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。 1 手臂的組成： (1) 動作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件。 (2) 導(dǎo)向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。 (3) 手臂，起著連接和承受外力的作用。 2 手臂設(shè)計的要求： (1) 手臂承載能力大、剛性好、自重輕。 (2) 手臂的運(yùn)動速度要適當(dāng)，慣性要小。 (3) 手臂的動作要靈活。 (4) 位置精度要高。 (5) 通用性要強(qiáng)。 3 手臂的結(jié)構(gòu) 手臂的伸縮和升降運(yùn)動一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動。 手臂作直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu) ，基本上是由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成。驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。往復(fù)直線油（氣）缸可以分為以下幾種。 雙作用單活塞桿油缸 : 液壓機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動用得最多的是雙作用單活塞桿油缸?；钊谟蛪合伦麟p向運(yùn)動。機(jī)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運(yùn)動；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動。 雙作用雙活塞桿油缸：當(dāng)需要很大的行程時，將油缸做的很長、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。其缺點(diǎn)是 一次行程有兩種速度。 絲桿螺母機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)傳動的特點(diǎn)是易于自鎖，但傳動效率低。如采用滾珠絲杠，效率可以提高，但因其較長，制造比較困難。 本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡單性和設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動的雙作用單活塞桿氣缸。 4 導(dǎo)向裝置 機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，為防止手臂沿伸縮方向向中軸線轉(zhuǎn)動、加大承載能力，以及提高運(yùn)動精度，必須設(shè)有導(dǎo)向裝置。手臂的導(dǎo)向裝置系根據(jù)安裝形式、結(jié)構(gòu)及負(fù)荷等條件來確定。常用的有單導(dǎo)向桿和雙導(dǎo)向桿， 本設(shè)計中，伸縮運(yùn)動中選用雙導(dǎo)向桿。 機(jī)座結(jié)構(gòu)的選擇 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，是支撐起機(jī)械手全部重量的構(gòu)件。對其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。 機(jī)座結(jié)構(gòu)從形式上分為落地式和懸浮式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時機(jī)座一定予以固定?？梢苿邮降臋C(jī)座在停置時能夠剎車定位，以保證機(jī)械手工作時的位置精度。根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計要求選用落地固定式機(jī)座。 機(jī)座的結(jié)構(gòu)與機(jī)械手的總體布置有關(guān)，對專用機(jī)械手而言，傳動和控制部分通常是單獨(dú)布置，故機(jī)座比 較簡單或不設(shè)機(jī)座。對通用機(jī)械手而言，傳動部分布置在機(jī)架內(nèi)部或后下方，控制部分則布置在機(jī)座的后上方或單獨(dú)布置一個控制箱。 物料分揀機(jī)械手手臂需要一個旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸就要固定在機(jī)座上。如果水平缸、垂直缸和手部機(jī)構(gòu)直接安裝到擺動氣缸的輸出軸上，機(jī)構(gòu)雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，并易造成擺動氣缸的損壞。同時，機(jī)械手本身重心偏離立柱軸線以及各氣缸運(yùn)動產(chǎn)生的沖擊都形成作用在擺動氣缸轉(zhuǎn)動軸上的傾覆力矩，所以采用一個連接組件，將機(jī)械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機(jī)架來承擔(dān)。連接組件主要由四部分組 成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩。如圖 所示。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因?yàn)闄C(jī)座與轉(zhuǎn)臺在軸向上無法直接連接。采用雙向推力球軸承就可以方便的將軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用罩扣固定在底座上。另外，推力球軸承應(yīng)選擇公稱尺寸較大一些的，這樣可以更好的承受傾覆力矩。 1 、底座 2 、擺動氣缸 3 、雙向推力球軸承 4 、扣罩 5 、轉(zhuǎn)臺 圖 12 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 工 作 原 理 物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其中機(jī)座采用擺動氣缸進(jìn)行驅(qū)動，手臂及吸 盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動。機(jī)械手的動作基本有伸縮、升降、左右旋轉(zhuǎn)、吸物和放物等動作。其結(jié)構(gòu)原理如圖 所示。其動作順序?yàn)椋撼跏嘉恢? → A右旋 → B 前伸 → C 氣缸下降 → D 吸物料 → C 上升 → B 收縮→ A 左旋 → C 氣缸下降 → D 放物料 → C 上升 → 回到初始位置。機(jī)械手的動作在整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖 根據(jù)前面機(jī)械手各部分的設(shè)計，可做出機(jī)械手大體結(jié)構(gòu)簡圖，如圖 所示，大圖見