【正文】 大學畢業(yè)設計（論文） 1 1 緒論 用于再現人手的的功能的技術裝置稱為 ??1機 械 手 。 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為 ? ?2工 業(yè) 機 械 手 。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科 ——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和 計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具 進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的 ??3重 視 。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性 較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“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的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品屈良鑫 ： 搬運機械手設計 2 種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 工業(yè)機械手的簡史 現代工業(yè)機械手起源于 20世紀 50年代初，是基于示教再現和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化 ??4產 品 。 機械手首先是從美國開始研制的。 1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 屈良鑫 ： 搬運機械手設計 2 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為 Unimate(即萬能自動 )。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（ Unimaton） ,專門生產工業(yè)機械手。 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 Versatran 機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央 立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種UnimateVicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于177。 1毫米。 美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度 。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由 400小時提高到 1500 小時，精度可提高到177。 。 德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國 KnKa 公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 瑞士 RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據報道， 1979 年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達 50多個。 1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用 42%。1979年日本機械手的產值達 443億日元，產量為 14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達 222億日元，是 1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為 67億大學畢業(yè)設計（論文） 3 日元，比 1978年增長 50%。智能機械手約為 17 億日元，為 1978年的 6 倍。截止 1979年，機械手累計產量達 56900臺。在數量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到 1990年將有 55萬機 器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元 (Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和 應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。 機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛 ??5廣 泛 。 在現代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續(xù)的。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有 75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的 5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。目前在我國機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工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現這類工作的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應用。 屈良鑫 ： 搬運機械手設計 4 建造旋轉零件（ 轉軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機械手在機床之間傳遞零件。國內這類生產線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的 4 號和 5 號電動機加工自動線（軸類），上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。 加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣蓋加工自動線轉位機械手 。 在實現單機自動化方面 各類半自動車床，有自動加緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機械手，可實現全自動化生產，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面應用很多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機械手，沈陽第三機床廠的 Y38滾齒機械手，青海第二機床廠的滾銑花鍵機床機械手等。由于這方面的使用已有成功的經驗，國內一些機床廠已在這類產品出廠是就附上機械手，或為用戶安裝機械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產線機械手（生產線中有兩臺多工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手的自動裝卸工件，可實現全自動化生產。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是 160t 以上的沖床用 機械手的較多。如沈陽低壓開關廠 200t 環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠400t沖床的下料機械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進輕局技術研究所制作的 120t和 40t多工位沖床機械手等。 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內大批量生產的 3t、 5t、 10t 模鍛錘，其所配的轉底爐，用兩只機械手成一定角度布置早爐前，實現進出料自動化。上海柴油機廠、北京內燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經驗。 機械手的組成 工業(yè)機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成 ??6組 成 。 大學畢業(yè)設計（論文） 5 執(zhí)行機構 （ 1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負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。 傳力機構形式教多，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，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍， 并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運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械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小（一般小于 2700） ,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 （ 3）臂部 手臂部件是機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動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現。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、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，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，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 （ 4） 行走機構 有的工業(yè)機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。 屈良鑫 ： 搬運機械手設計 6 驅動機構 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手 ,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 因此，本設計采用機電液一體化的方案進行設計。 控制系統(tǒng)分類 在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐 標位置，并注意其加速度特性。 (1)工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91年的 97年的 。 (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機 。國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化 。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊 化結構 :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者 與機器大學畢業(yè)設計（論文） 7 人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從 94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產 了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人 。其中有 130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30條自動噴漆生產線 (站 )上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，