【正文】 分之三在 50 件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的 5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完 成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對象。下面具體說明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的 4 號和 5 號電動機(jī)加工自動線（軸類），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動線（盤類）等。 加工箱體類零件的組合機(jī)床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有 采用機(jī)械手的，如上海動力機(jī)廠的氣蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化方面 各類半自動車床，有自動加緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，一人看管多臺機(jī)床。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用很多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機(jī)械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機(jī)械手，沈陽第三機(jī)床廠的 Y38 滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩舭惭b機(jī)械手提供條件。如 上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺多工位機(jī)床）和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機(jī)械手的自動裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個方面：一是 160t 以上的沖床用機(jī)械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠 200t 環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠 400t 沖床的下料機(jī)械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的 120t 和 40t 多工位沖床機(jī)械手等。 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的 3t、 5t、 10t 模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機(jī)械手成一定角度布置早爐前，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料自動化。上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、洛陽拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。 機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （ 1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連 桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （ 2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮? 2700） ,并且要求嚴(yán)格 密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 （ 3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運(yùn)動。 臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動。 手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作 中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。 （ 4） 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手 ,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 控制系統(tǒng)分類 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采 用可編程序控制器控制、微型計算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢 1 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高 高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 ，而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從 91 年的 萬美元降至 97 年的 萬美元。 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī) 。國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 3 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化 。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的 感覺來操縱機(jī)器人。 6 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 7 機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基 本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人 。其中有 130 多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線 站 上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國外產(chǎn)品 :機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 。在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺，約占全球已 安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 .我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“ 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000m 水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī) 器人、管道機(jī)器人等機(jī)種 :在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列。 機(jī)械手的總體設(shè)計方案 本課題是輕型平動搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計及運(yùn)動仿真。本設(shè)計主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，以及 ADAMS 軟件進(jìn)行簡單的運(yùn)動 仿真。在本章中對機(jī)械手的座標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務(wù)，然后通過 ADAMS 軟件對機(jī)械手的手部進(jìn)行簡單的運(yùn)動仿真。 機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài) ,按坐標(biāo)形式大致可以分為以下 4 種 : 1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手 。 2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 。 3 球坐標(biāo) 極坐標(biāo) 型機(jī)械手 。 4 多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)。圖 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶 A 上的物品搬運(yùn)到傳送帶 B。 圖 機(jī)械手基本形式示意 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動 在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機(jī)械手具有 5 個自由度既：手抓張合；手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降 5 個主要運(yùn)動。 本設(shè)計機(jī)械手主要由 4 個大部件和 5 個液壓缸組成：（ 1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手抓的張合。（ 2） 腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)（ 3）臂部，采用直線缸來實(shí)現(xiàn)手臂平動 。（ 4）機(jī)身，采用一個直線缸和一個回 轉(zhuǎn)缸來實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分 , 工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手 ,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點(diǎn)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動方案選擇液壓驅(qū)動。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途：搬運(yùn) :用于車間搬運(yùn) 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù) : 抓重 :60Kg 夾持式手部 自由度數(shù) :5 個自由度 座標(biāo)型式 :圓柱座標(biāo) 最大工作半徑 :1600mm 手臂最大中心高 :1248mm 手臂運(yùn)動參數(shù) 伸縮行程： 1200mm 伸縮速度： 83mm/s 升降行程： 300mm 升降速度： 67mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 : 手腕運(yùn)動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 : 3 機(jī)械手手部的設(shè)計計算 手部設(shè)計基本要求 （ 1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。 （ 2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度），以便于抓取工件。 （ 3） 要 求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 （ 4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。 典型的手部結(jié)構(gòu) （ 1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （ 2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復(fù)運(yùn)動。 （ 3）平面平移型。 機(jī)械手手抓的設(shè)計計算 抓的類型及夾緊裝置 本設(shè)計是設(shè)計平動搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角 ，夾取重量為 60Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部 ,按握持工件的原理 ,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取 工件表面平整、面積較大的板狀物體 ,不適合用于本方案。本設(shè)計機(jī)械手采用夾持式手指 ,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移 型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動 ,這種手指結(jié)構(gòu)簡單 , 適于夾持平板方料 , 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 , 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指 , 驅(qū)動力需加在手指移動方向上 ,這樣會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機(jī)械手手抓閉和 ，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機(jī)械手手指張開。 手爪的力學(xué)分析 下面對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖 （ a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 a b 圖 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 1――手指 2――銷軸 3――杠桿 在杠桿 3 的作用下，銷軸 2 向上的拉力為 F，并通過銷軸中心 O 點(diǎn)，兩手指1 的滑槽對銷軸的反作用力為 F1 和 F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點(diǎn)，交和的延長線于 A 及 B。 由 0 得 0 得 由 0 得 h F （ ） 式中 a――手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心的距離（ mm） . ――工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力一定時，角增